DE19717562C2

DE19717562C2 - Optische Halbleitervorrichtung und Verfahren zu iherer Herstellung

Info

Publication number: DE19717562C2
Application number: DE19717562A
Authority: DE
Inventors: Takenori Morikawa
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2017-04-26
Also published as: JPH09293893A; DE19717562A1; JP2817703B2; US5793060A; US5994154A; KR970072509A; KR100244048B1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung, die unter Verwendung eines SOI-Substrats hergestellt wird, und insbesondere eine ebene (plane-type) optische Halblei tervorrichtung, wie etwa eine ebene lichtemittierende Vor richtung und eine ebene lichtempfangende Vorrichtung, die in der Lage ist, Licht senkrecht zur Ebene eines SOI-Sub strats zu emittieren oder zu empfangen.

Als integrierte Schaltungen in der optischen Kommunikation wurden optische Übertragungs- und Empfangsmodule verwendet, welche III-V-Halbleiter-Zusammensetzungen und eine Sen de/Empfangsvorrichtung zur optischen Kommunikation benut zen. Zum Beispiel wurde ein optisches Kommunikationsmodul mit einem darin angebrachten Silizium-IC (integrated cir cuit, integrierte Schaltung), die einen InGaAsP/InP-Laser diodenchip (LD-Chip) und eine Schaltung zum Betreiben des Chips aufweist, und ein optisches Kommunikatiosmodul mit einem darin angebrachten Silizium-IC mit einem InGaAs/InP- Pin-Fotodiodenchip (PD-Chip) mit einem Signalverstärker verwendet. Es wurde auch eine Sende/Empfangsvorrichtung zur optischen Kommunikation mit einem darin angebrachten Sill zium-IC mit einem LD-Chip, einem PD-Chip, einer Treiber schaltung zur optischen Übertragung und einer Verstärker schaltung zum optischen Empfang verwendet.

Um die Herstellungskosten zu verringern, ist es wünschens wert, Silizium-Verfahren bei den obengenannten Vorrichtungen anzuwenden. Somit wurden optische Vorrichtungen, die SiGe verwenden, untersucht und erforscht, um einen Si-OEIC (Silizium-Optisch/Elektrische integrierte Schaltung) zu verwirklichen, wobei LDs, PDs und ICs alle einstückig in einer einzigen Vorrichtung ausgebildet sind.

Zum Beispiel wurde über Elektrizität-Licht-Übertragung bei Raumtemperatur (RT) bei einer Diode vom Mesa-Typ (Tafel- Typ) mit einer auf einem Siliziumsubstrat ausgebildeten Si/SiGe-Übergitterschicht in "Room-temperatur 1,3 µm elec troluminescence from strained Si_1-xGe_x/Si quantum wells", Q. Mi u. a. in Applied Physics Letters, Vol. 60, Nr. 25, Juni 1992, Seiten 3177-3179, berichtet.

An anderer Stelle wurde in der JP-62-66668 A ein Si-OEIC vorgeschlagen, wobei eine integrierte Schaltung und eine Laserdiode, eine Fotodiode oder ein Fototransistor mit ei ner Si/SiGe-Übergitterschicht auf einem gemeinsamen Sub strat ausgebildet sind.

Diese vorgeschlagenen Vorrichtungen werden durch Ausbilden einer Übergitterstruktur mit abwechselnd abgelagerten, ge wachsenen Si- und SiGe-Schichten als ein Lichtemissionsab schnitt oder ein Lichtempfangsabschnitt, einer gewachsenen, hochdotierten Schicht, die eine Elektrode ergibt, und durch Ätzen in eine Mesa-Konfiguration hergestellt.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die vom Q. Mi u. a. zur Messung des Wirkungsgrades in einer lichtemittierenden Vorrichtung verwendete Vorrichtung zeigt. Die gezeigte Vor richtung wird hergestellt durch die Schritte:
Ausbilden einer gewachsenen epitaxialen Schicht 103 vom N⁺- Typ auf einem Siliziumsubstrat 101 vom N-Typ, Ausbilden ei ner nichtdotierten epitaxialen Siliziumschicht 107, einer Si/Si_0,65Ge_0,35 Übergitterschicht 108, einer nichtdotierten Siliziumpufferschicht 109 und einer Kontaktschicht 110 vom P⁺-Typ auf der epitaxialen Schicht 103 vom N⁺-Typ - in die ser Reihenfolge - wobei das Resultat in eine Mesa- Konfiguration (Tafel-Konfiguration) geätzt wird, so daß die epitaxiale Schicht 103 vom N⁺-Typ teilweise in Richtung der Dicke geätzt wird, das Resultat mit einem Siliziumdioxid film 112 bedeckt wird, Löcher über den P- und N-Gebieten in dem Siliziumdioxidfilm 112 ausgebildet werden und Elektro den 113-1, 113-2 auf den P- bzw. N-Gebieten ausgebildet werden. Somit ist die Diode vollständig. Die gezeigte Vor richtung oder Diode führt eine Lichtemission mit einer Wel lenlänge von 1,3 µm durch, wenn ihr pn-Übergang vorwärts beschaltet wird.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Lichtemissi onsabschnitt und einen Lichtempfangsabschnitt des Si-OEIC zeigt, der in der obengenannten JP-62-66 668 A vorgeschla gen wird. Die dargestellte Vorrichtung wird hergestellt durch die Schritte:
Ausbilden einer Siliziumschicht 222 vom N-Typ, einer Si/SiGe-Übergitterschicht 208 und einer Siliziumschicht 223 vom P-Typ durch sukzessives Aufwachsen auf einem Silizium substrat 201, Ätzen der Schichten 223, 208, 222 in einer Mesa-Konfiguration, weiteres Ätzen des Siliziumsubstrats 201 zum Trennen des Lichtemissionsabschnitts und des Licht empfangsabschnitts voneinander, Auffüllen von Löchern, die durch das Ätzen ausgebildet wurden, mit Siliziumdioxid, um somit Vorrichtungs-Isoliergebiete 221 in dem Siliziumsub strat 201 auszubilden, Bedecken des Resultats mit einem Si liziumnitridfilm 224, Ausbilden der unteren Elektroden 213-1a und 213-1b auf und in elektrischem Kontakt mit den Sili ziumschichten 222 vom N-Typ und Ausbilden der oberen Elek troden 213-2a und 213-2b auf und in elektrischem Kontakt mit der Siliziumschicht 223 vom P-Typ.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten bekanten Vorrichtungen haben die folgenden Probleme. Die von Q. Mi u. a. (Fig. 1) vorgeschlagene lichtemittierende Vorrichtung hat ein Pro blem dahingehend, daß sie nicht die Lichtemissionseffizienz liefert, die im allgemeinen von ebenen lichtemittierenden Vorrichtungen erwartet wird. Der Grund liegt darin, daß nur die Siliziumschicht 103 vom N⁺-Typ unter dem Si/Si_0,65Ge_0,35-Übergitterschicht 108 vorgesehen ist und somit die Siliziumschicht 103 vom N⁺-Typ nicht hinreichend als Reflexionsschicht dienen kann.

Da zusätzlich die in den Fig. 1 und 2 gezeigten und oben erwähnten lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrich tungen als Mesa-Typ ausgebildet sind, ist es unvermeidbar, daß große Stufen auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet sind. Solche großen Stufen machen es schwierig, interne Schaltun gen zusammen mit den lichtemittierenden und lichtempfangen den Vorrichtungen auf einem gemeinsamen Chip auszubilden. Der Grund liegt im Folgenden: für die in internen Schaltun gen verwendete Transistoren ist es vorteilhaft, wenn sie eine planare Struktur haben, da die Integration relativ leicht ausgeführt werden kann. Wenn aber Transistoren in einer planaren Struktur herzustellen sind, wird es ziemlich schwierig, die Transistoren als planare Typen und die lich temittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen als Me sa-Typen im gleichen Herstellungsverfahren auszubilden.

Es ist die erfindungsgemäße Aufgabe, eine ebene optische Halbleitervorrichtung mit einer verbesserten Elektrizität- Licht- und/oder Licht-Elektrizität-Umwandlungseffizienz zu schaffen.

Die DE 37 09 302 A1 zeigt eine optische Halbleitervorrich tung mit einer ersten Halbleiterschicht, einer ersten Iso lierschicht, einer zweiten Halbleiterschicht, einem Isola tor und einer Aussparung mit einer aktiven Schichtenfolge, einer Kontaktschicht, einem Verbindungsgebiet sowie einer ersten und einer zweiten Elektrode. Hier ist die aktive Schichtenfolge nicht als Quanten-Well-Schicht ausgebildet.

Außerdem soll eine ebene optische Halbleitervorrichtung geschaffen werden, die in der Lage ist, die lichtemittie renden und lichtempfangenden Vorrichtungen auf einem ge meinsamen Chip auszubilden, wobei die Vorrichtungen optisch voneinander isoliert sind.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Halbleitervorrich tung nach Anspruch 1 oder 4 und ein Verfahren zur Herstel lung einer optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die optische Halbleitervorrichtung kann weiterhin eine er ste Pufferschicht enthalten, die zwischen der zweiten Halb leiterschicht und der Quanten-Well-Schicht liegt und eine zweite Puffer-Schicht, die zwischen der Quanten-Well- Schicht und der Kontaktschicht liegt.

Die erste Isolierschicht kann eine Dicke haben, die in Ab hängigkeit von der Reflexion gegenüber der zweiten Halblei terschicht bezüglich Licht mit einer der Quanten-Well- Schicht zugehörigen Wellenlänge bestimmt ist. Die erste Isolierschicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,15 µm bis 0,3 µm - jeweils einschließlich - und insbeson dere im Bereich von 0,2 µm bis 0,25 µm - jeweils ein schließlich.

Die erste Isolierschicht kann über die gesamte erste Halb leiterschicht oder teilweise über der ersten Halbleiter schicht ausgebildet sein, wobei in diesem Fall es vorzuzie hen ist, daß die erste Isolierschicht zumindest unterhalb der Mehrschichtstruktur ausgebildet ist.

Die optische Halbleiterschicht kann desweiteren eine dritte Isolierschicht enthalten, die die Halbleitervorrichtung be deckt, wobei in diesem Fall die ersten und zweiten Elektro den durch die dritte Isolierschicht nach außen austreten.

Die dritte Isolierschicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,15 µm bis 0,3 µm - jeweils einschließlich - und bevorzugt im Bereich von 0,2 µm bis 0,25 µm - jeweils einschließlich. Die Quanten-Well-Schicht kann als eine Si_1- _xGe_x/Si-Übergitterschicht (0 < x < 1) gebildet sein.

Das lichtundurchlässige Gebiet kann außerhalb oder inner halb des Gebiets zur Ausbildung einer Vorrichtung (Vorrich tungs-Ausbildungsgebiet) ausgebildet sein. In letzterem Fall ist es vorzuziehen, daß das lichtundurchlässige Gebiet aus Metall gebildet ist, um als Verbindungsgebiet zu wir ken, wobei in diesem Fall ein zusätzliches Verbindungsge biet nicht ausgebildet werden muß. Vorzugsweise wird das lichtundurchlässige Gebiet aus einem hochschmelzenden Me tall, wie etwa Wolfram, gebildet.

Die obengenannte optische Halbleitervorrichtung kann als lichtemittierende Vorrichtung oder als lichtempfangende Vorrichtung verwendet werden. Wenn sie vorwärts vorgespannt wird, wirkt die optische Halbleitervorrichtung als licht emittierende Vorrichtung, während, wenn sie rückwärts vor gespannt wird, die optische Halbleitervorrichtung als lichtempfangende Vorrichtung wirkt.

Bei der obengenannten optischen Halbleitervorrichtung ist eine Aussparung in der dritten Halbleiterschicht in dem durch das Vorrichtungs-Isoliergebiet umrissene Vorrich tungs-Ausbildungsgebiet ausgebildet, und eine innere Sei tenwand der Aussparung wird mit der zweiten Isolierschicht bedeckt, gefolgt durch die Ausbildung der Mehrschichtstruk tur in der Aussparung. Die erste Elektrode wird in dem Ver bindungsgebiet und die zweite Elektrode auf der Mehr schichtstruktur ausgebildet. Somit können sowohl die erste als auch die zweite Elektrode erfindungsgemäß an einer Oberfläche des Substrats ausgebildet werden.

Bei der obengenannten optischen Halbleitervorrichtung ist eine erste Isolierschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und der zweiten Halbleiterschicht ausgebildet. Da die erste Isolierschicht zumindest unterhalb der Mehrschichtstruktur einschließlich der Quanten-Well-Schicht ausgebildet ist, wirkt die erste Isolierschicht als Reflexionsschicht, und somit ist es möglich, die Elektrizität-Licht-Umwand lungungseffizienz der optischen Halbleitervorrichtung zu verbessern.

Bei der obengenannten optischen Halbleitervorrichtung ist das lichtundurchlässige Gebiet außerhalb der Aussparung ausgebildet. Das lichtundurchlässige Gebiet vermeidet die Lichtreflexion zwischen einer Seitenwand der Mehrschicht struktur und anderen auf einem gemeinsamen Chip ausgebilde ten Vorrichtungen. Somit liefert das lichtundurchlässige Gebiet eine größere Lichtreflexionseffizienz, was zu einer Verbesserung der Elektrizität-Licht-Umwandlungseffizienz der optischen Halbleitervorrichtung beiträgt.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine bekannte lichtemittierende Vorrichtung zeigt.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine bekannte integrierte optische Schaltung zeigt.

Fig. 3A ist eine Aufsicht einer optischen Halbleitervor richtung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Aus führungsform.

Fig. 3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 3A.

Fig. 3C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C in Fig. 3A.

Fig. 4A bis 4E sind Querschnittsansichten einer optischen Halbleitervorrichtung gemäß der ersten erfindungs gemäßen Ausführungsform, die jeweils Verfahrens schritte zur Herstellung derselben darstellen.

Fig. 5A ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Dicke und der Reflexion der ersten Isolierschicht zeigt.

Fig. 5B ist eine Kurve, die eine Beziehung zwischen der Dicke und der Reflexion der ersten Isolierschicht zeigt.

Fig. 6A ist eine Aufsicht auf eine optische Halbleitervor richtung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 6B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 6A.

Fig. 6C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C in Fig. 6A.

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Halb leitervorrichtung gemäß einer ersten Variante der ersten Ausführungsform, welche durch das erfin dungsgemäße Verfahren hergestellt wurde.

Eine in den Fig. 3A bis 3C gezeigte optische Halbleiter vorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten erfindungsge mäßen Ausführungsform enthält eine lichtemittierende Vor richtung 17 und eine lichtempfangende Vorrichtung 18. Da die lichtemittierende Vorrichtung 17 und die lichtempfan gende Vorrichtung 18 die gleiche Struktur haben, wird im Anschluß nur die lichtemittierende Vorrichtung erläutert.

Die lichtemittierende Vorrichtung 17 enthält ein Halblei tersubstrat mit einem SOI-Gebiet, das ein Siliziumsubstrat 1 als eine erste Halbleiterschicht, einen auf dem Silizium substrat 1 ausgebildeten verdeckten (versenkten) Silizium dioxidfilm 2 als eine erste Isolierschicht, eine verdeckte Schicht 3 vom N⁺-Typ als eine hochdotierte zweite Halblei terschicht, die auf dem verdeckten Siliziumdioxidfilm 2 ausgebildet ist, und eine epitaxiale Schicht 4 vom N-Typ als eine dritte Halbleiterschicht, die auf der verdeckten Schicht 3 vom N⁺-Typ ausgebildet ist, enthält, wobei alle diese Schichten und der Film übereinander angeordnet sind. Der verdeckte, als eine erste Isolierschicht verwendete Si liziumdioxidfilm 2 ist so ausgebildet, daß er einen anderen Brechungsindex als das Siliziumsubstrat 1 hat.

Die lichtemittierende Vorrichtung 17 enthält desweiteren ein rechtwinkliges rahmenförmiges Vorrichtungs-Isolierge biet 5 mit einer Dicke, die an der oberen Oberfläche der epitaxialen Schicht 4 vom N-Typ beginnt und an der oberen Oberfläche des verdeckten Siliziumdioxidfilms 2 endet. Das Vorrichtungs-Isoliergebiet 5 umreißt ein Vorrichtungs-Aus bildungsgebiet (ohne Bezugszeichen). Innerhalb des Vorrich tungs-Ausbildungsgebiets ist eine Aussparung 22 (in den Fig. 3A bis 3C nicht dargestellt, siehe Fig. 4C) ausgebil det, die an der oberen Oberfläche der epitaxialen Schicht 4 vom N-Typ beginnt und an der oberen Oberfläche der verdeck ten Schicht 3 vom N⁺-Typ endet. Eine Innenwand der Ausspa rung 22 ist mit einer Siliziumdioxidschicht 6 als zweite Isolierschicht bedeckt, wie es in den Fig. 3B und 3C dargestellt ist.

Die Aussparung 22 wird von einer Mehrschichtstruktur einge nommen, die eine nichtdotierte epitaxiale Siliziumschicht 7 als erste Pufferschicht, die auf der verdeckten Schicht 3 vom N⁺-Typ ausgebildet ist, eine Si/Si_0,65Ge_0,35-Über gitterschicht 8, eine nichtdotierte Siliziumpufferschicht 9 als zweite Pufferschicht und eine Kontaktschicht 10 vom P⁺- Typ enthält, die alle in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Hierbei ist die Si/Si_0,65Ge_0,35-Übergitterschicht 8 eine Multi-Quanten-Well-Schicht.

Wie in Fig. 3C gezeigt wird, enthält die lichtemittierende Vorrichtung 17 eine Diffusionsschicht 14-1 vom N⁺-Typ als Verbindungsgebiet. In ähnlicher Weise wird, wie es in Fig. 3A gezeigt ist, die Lichtempfangsvorrichtung 18 mit einer Diffusionsschicht 14-2 vom N⁺-Typ als Verbindungsgebiet ausgebildet. Die Diffusionsschicht 14-1 vom N⁺-Typ hat eine Dicke, die an der oberen Oberfläche der Epitaxialschicht 4 vom N-Typ beginnt und an der oberen Oberfläche der verdeck ten Schicht 3 vom N⁺-Typ endet.

Ein das Vorrichtungs-Isoliergebiet 5 vollständig umgeben des lichtundurchlässiges Gebiet 11, welches nämlich zwi schen den lichtemittierenden und den lichtempfangenden Vor richtungen 17 und 18 angeordnet ist, ist vorgesehen. Das lichtundurchlässige Gebiet 11 hat eine Dicke, die an der oberen Oberfläche der Epitaxialschicht 4 vom N-Typ beginnt und an der oberen Oberfläche der verdeckten Siliziumdioxid schicht 2 endet. Bei dieser Ausführungsform hat, ähnlich dem Vorrichtungs-Isoliergebiet 5, das lichtundurchlässige Gebiet 11 eine rechteckige Rahmenform.

Die optische Halbleitervorrichtung ist an ihrer oberen Oberfläche mit einem Siliziumdioxidfilm 12 als dritte Iso lierschicht bedeckt. Erste Elektroden 13-1a und 13-1b sind jeweils auf und in elektrischem Kontakt mit den Diffusions schichten 14-1 und 14-2 durch die Siliziumdioxidschicht 12 hindurch ausgebildet. Die zweiten Elektroden 13-2a und 13-2b sind auf und in elektrischem Kontakt mit der Kontakt schicht 10 vom P⁺-Typ durch den Siliziumdioxidfilm 12 hin durch ausgebildet.

Wie vorher erwähnt wurde, hat die lichtempfangende Vorrich tung 18 die gleiche Struktur wie die oben beschriebene Struktur der lichtempfangenden Vorrichtung 17 und ist op tisch durch den lichtundurchlässigen Bereich 11 isoliert. Die lichtemittierende Vorrichtung 17 emittiert Licht, wenn eine Spannung an die zweite Elektrode 13-2a angelegt wird, die bezüglich der an der ersten Elektrode 13-1a gemessenen Spannung positiv ist. In ähnlicher Weise absorbiert die lichtempfangende Vorrichtung 18 Licht und erzeugt einen Stromfluß, wenn an die zweite Elektrode 13-2b eine Spannung angelegt wird, die bezüglich der an der ersten Elektrode 13-1b gemessenen Spannung negativ ist.

Ein Verfahren zur Herstellung der obenerwähnten optischen Halbleitervorrichtung wird im Anschluß unter Bezug auf die Fig. 4A bis 4E beschrieben.

Zunächst wird, wie es in Fig. 4A gezeigt ist, ein SOI- Substrat mit einem verdeckten Siliziumdioxidfilm 2 unter Verwendung des Siliziumsubstrats 1 als Trägersubstrat - beispielsweise mit Plattiertechniken - ausgebildet. Eine auf dem verdeckten Siliziumdioxidfilm 2 ausgebildete SOI- Schicht 19 hat eine Dicke von 15 µm, und der verdeckte Si liziumdioxidfilm hat eine Dicke von 0,2 µm.

Dann wird Arsen (As) mit einer Dosis von etwa 5 × 10¹⁵ cm^-2 in der SOI-Schicht 19 implantiert, um so die SOI-Schicht 19 in eine verdeckte Schicht 3 vom N⁺-Typ zu verwandeln. Dann wird die epitaxiale Schicht 4 vom N⁺-Typ mit einer Dicke von 3 µm auf der verdeckten Schicht 3 ausgebildet, indem man epitaxial Silizium wachsen läßt. Dann wird das Silizi umsubstrat 1 so geätzt, daß ein Graben mit einer Tiefe, die an der oberen Oberfläche der Epitaxialschicht 4 vom N-Typ beginnt und an der oberen Oberfläche des verdeckten Silizi umdioxidfilms 2 endet, ausgebildet wird. Dann wird der Gra ben mit z. B. Siliziumdioxid gefüllt, um so ein rechtwinkli ges rahmenförmiges Vorrichtungs-Isoliergebiet 5 zu bilden, wie es in Fig. 4B gezeigt ist. Dann wird Phosphor (P) mit einer Dosis von etwa 5 × 10¹⁵ cm^-2 in der Epitaxialschicht 4 vom N-Typ implantiert, gefolgt durch einen Tempervorgang, um somit Diffusionsschichten 14-1 und 14-2 vom N⁺-Typ zu bilden, die eine Dicke haben, welche an der oberen Oberflä che der Epitaxialschicht 4 vom N-Typ beginnt und an der oberen Oberfläche der verdeckten Schicht 3 vom N⁺-Typ en det, wie es in Fig. 3C gezeigt ist (die Schicht 14-2 ist in Fig. 3A gezeigt). Wie später erwähnt wird, werden Elektro den für die N-Gebiete auf den Diffusionsschichten 14-1 und 14-2 vom N⁺-Typ gebildet.

Dann wird, wie es in Fig. 4C gezeigt ist, durch Wachstum ein Siliziumdioxidfilm 20 auf einer Oberfläche des Resul tats gebildet und dann mit einem Muster versehen, so daß zwei Rechtecke entsprechend den Formen der lichtemittierenden und lichtempfangenden Vorrichtungen 17 und 18 in dem Siliziumdioxidfilm 20 geöffnet sind. Dann wird Silizium ätzen unter Verwendung des mit dem. Muster versehenen Sili ziumdioxidfilms 20 als Maske ausgeführt, um somit Ausspa rungen 22 zu bilden, die eine Dicke haben, welche zu der oberen Oberfläche der verdeckten Schicht 3 vom N⁺-Typ reicht.

Dann wird, wie es in Fig. 4D gezeigt ist, das Resultat vollständig mit einem Siliziumdioxidfilm bedeckt, der sei nerseits zurückgeätzt wird, wodurch die Siliziumdioxid schicht 6 die inneren Seitenwände der Aussparung 22 bedeckt. Dann wird eine nichtdotierte Siliziumpufferschicht 7 in der Aussparung 22 durch epitaxiales Wachsen ohne gezieltes Do tieren mit Verunreinigungen ausgebildet. Die nichtdotierte Siliziumschicht 7 hat eine Dicke von 1 µm. Dann läßt man eine 32 nm dicke Silizium-Schicht bei 800 Pa und 700°C und zehn 6 nm dicke Schichten bei 625° aufwachsen, um somit die Si_0,65Ge_0,35-Quanten-Well-Schicht 8 auf der nichtdotierten Siliziumschicht 7 auszubilden. Anschließend wird die nicht dotierte Siliziumpufferschicht 9 mit 1 µm Dicke auf der Quanten-Well-Schicht 8 und dann die Kontaktschicht 10 vom P⁺-Typ auf der nichtdotierten Siliziumpufferschicht 9 aus gebildet. Bor (B) wird mit einer Dosis von etwa 1 × 10²⁰ cm^- ³ in der Kontaktschicht 10 vom P⁺-Typ implantiert. Somit ist die Diode mit einer Struktur fertiggestellt, die in et wa eine p-i-n-Struktur hat.

Nachdem sowohl der ungeätzt auf einer oberen Oberfläche des Ergebnisses verbleibende Siliziumdioxidfilm 20a als auch ein Teil des Siliziumdioxidfilms 6 entfernt wurden, wie es in Fig. 4E gezeigt ist, wird erneut ein Siliziumdioxidfilm 21 über dem gesamten Resultat ausgebildet. Dann wird das Re sultat mit einem Muster versehen, so daß ein rahmenförmiger Öffnungsbereich außerhalb des Vorrichtungs-Isoliergebiets ausgebildet wird, gefolgt durch einen Siliziumätzvorgang, so daß ein Graben mit einer Tiefe gebildet wird, die an der oberen Oberfläche der Epitaxialschicht 4 vom N-Typ beginnt und an der oberen Oberfläche des verdeckten Siliziumdioxid films 2 endet. Dann wird ein Wolfram-Film über dem gesamten Resultat abgelagert, worauf ein Rückätzvorgang folgt, um somit das lichtundurchlässige Gebiet 11 zu bilden. Wie es in Fig. 3A gezeigt ist, ist das lichtundurchlässige Gebiet 11 ein rahmenförmiges Gebiet, das das Vorrichtungs-Isolier gebiet 5 umgibt.

Nachdem der Siliziumdioxidfilm 21 vollständig entfernt ist, wird der Siliziumdioxidfilm 12 (siehe Fig. 3B und 3C) über dem gesamten Resultat mit einer Dicke in dem Bereich von 0,2 µm bis 0,25 µm - jeweils einschließlich - ausgebildet.

Das Reflexions- und Transmissionsvermögen eines in ein be stimmtes Material eintretenden Lichtes ist vom Brechungsin dex des Materials abhängig. Zusätzlich ist das Reflexions- und Transmissionsvermögen weiterhin von der Dicke des Mate rials abhängig. Zunächst sei der Fall betrachtet, in dem Licht senkrecht in ein Siliziumsubstrat einfällt, auf dem ein Siliziumdioxidfilm ausgebildet ist. Hierbei sind der Brechungsindex eines Siliziumdioxidfilms bzw. des Siliziums jeweils 1,45 bzw. 3,44.

Wie aus Fig. 5A zu verstehen ist, ist der Bereich von 0,15 µm bis 0,3 µm bei der Dicke des Siliziumdioxidfilms jener, bei dem Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm effektiv eintritt, und es ist insbesondere der Bereich von etwa 0,2 µm bis 0,25 µm - jeweils einschließlich - der Dicke des Si liziumdioxidfilms, bei dem das Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm am effektivsten eintritt. Das zeigt, daß ein Si liziumdioxidfilm mit einer Dicke in einem solchen Bereich zum Einführen von Licht in eine Vorrichtung durch ihn hin durch geeignet ist. Die vorangehende Diskussion wird auf eine lichtempfangende Vorrichtung angewendet, bei der das Licht durch eine optische Faser eintritt.

Als nächstes sei der Fall angenommen, in dem Licht senk recht in einen von Silizium verdeckten Siliziumdioxidfilm eintritt. Wie es in Fig. 5B gezeigt wird, ist es der Be reich von etwa 0,15 µm bis etwa 0,3 µm in der Dicke des Si liziumdioxidfilms, bei dem Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm in einem großen Ausmaß reflektiert wird, und es ist insbesondere der Bereich von etwa 0,2 µm bis etwa 0,25 µm in der Dicke des Siliziumdioxidfilms, bei dem Licht mit ei ner Wellenlänge von 1,3 µm in größtmöglichem Ausmaß reflek tiert wird. Dies zeigt, daß von einem verdeckten Silizium dioxidfilm zu fordern ist, daß er eine Dicke in einem sol chen Bereich hat, um zu verhindern, daß Licht in ein darun terliegendes Siliziumsubstrat hindurchgelangt. Ein nach un ten emittiertes Licht wird zu etwa 40% reflektiert, wenn ein verdeckter Siliziumdioxidfilm 2 eine Dicke im Bereich von 0,15 µm bis 0,3 µm hat, oder zu etwa 50%, wenn ein verdeckter Siliziumdioxidfilm eine Dicke im Bereich von 0,2 µm bis 0,25 µm hat, und somit ist es möglich, das Aus maß des nach oben gehenden Lichtes zu erhöhen, indem die Dicke des verdeckten Siliziumdioxidfilms in dem obengenann ten Bereich festgelegt ist. Die obengenannte Diskussion wird auf eine lichtemittierende Vorrichtung angewendet, die Licht nach oben emittiert. Zusätzlich ermöglicht eine Dicke eines verdeckten Siliziumdioxidfilms in dem obengenannten Bereich die Verbesserung des Wirkungsgrades in der licht empfangenden Vorrichtung, da Licht, das in die lichtempfan gende Vorrichtung gelangt, aber durch die lichtempfangende Vorrichtung in die darunterliegenden Schichten hindurchge langt ist, ohne in Elektrizität umgewandelt zu werden, zu rück zu der Si/Si_0,65Ge_0,35-Übergitterschicht 8 reflektiert werden kann. Somit ist es für den verdeckten Siliziumdi oxidfilm 2 bevorzugt, daß er eine Dicke im Bereich von etwa 0,15 µm bis etwa 0,3 µm - jeweils einschließlich - hat, und besonders bevorzugt ist ein Bereich von etwa 0,2 µm bis etwa 0,25 µm - jeweils einschließlich.

Gemäß dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel haben sowohl die lichtemittierenden als auch die lichtempfangenden Vor richtungen 17 und 18 eine ebene Struktur und sind somit mit dem Herstellungsverfahren für interne integrierte Schaltun gen verträglich, was zu lichtemittierenden und lichtempfan genden Vorrichtungen und internen integrierten Schaltungen führt, die auf einem gemeinsamen Chip ausgebildet werden können. Das bedeutet, daß die Verringerung der Kosten bei der Ausbildung von Si-OEICs erreicht werden kann.

Da die lichtemittierenden und die lichtempfangenden Vor richtungen auf einem SOI-Substrat ausgebildet sind, reflek tiert der verdeckte Siliziumdioxidfilm 2 zusätzlich Licht, das auf ihn herabfällt. Insbesondere wird, wenn der ver deckte Siliziumdioxidfilm 2 so gestaltet ist, daß er eine Dicke im Bereich von 0,2 µm bis 0,25 µm hat, Licht mit ei ner Wellenlänge von 1,3 µm, das von der lichtemittierenden Vorrichtung emittiert wird, zu etwa 50% reflektiert. Somit ist die lichtemittierende Vorrichtung in der Lage, eine größere Lichtmenge zu emittieren, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt.

Bei der obengenannten Ausführungsform ist ein lichtundurch lässiges Gebiet 11 so ausgebildet, daß es die lichtemittie rende Vorrichtung 17 umgibt. Somit ist es möglich, zu ver hindern, daß von der lichtemittierenden Vorrichtung 17 emittiertes Licht direkt auf die lichtempfangende Vorrich tung 18 streut, was zu einer Verringerung des Rauschens führt.

Unter Bezug auf die Fig. 6A bis 6C wird im Anschluß eine optische Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform erläutert.

Das lichtundurchlässige Gebiet 11 der obengenannten Ausfüh rungsform ist zwischen den Vorrichtungs-Ausbildungsgebieten der lichtemittierenden Vorrichtung 17 und der lichtempfangenden Vorrichtung 18 ausgebildet, während das lichtun durchlässige Gebiet 11a innerhalb des Vorrichtungs-Ausbil dungsgebiets für die lichtemittierende Vorrichtung 17 aus gebildet ist und auch als Verbindungsgebiet zur Verbindung der ersten Elektrode 13-1a mit der verdeckten Schicht 3 vom N⁺-Typ dient. Somit enthält die zweite Ausführungsform kein Verbindungsgebiet, wie etwa das Verbindungsgebiet 14-1 in der ersten Ausführungsform.

Bezüglich der lichtempfangenden Vorrichtung 18 ist es mög lich, die erste Elektrode 13-1b auf dem lichtundurchlässi gen Gebiet 11a ohne die Diffusionsschicht 14-2 vom N⁺-Typ auszubilden.

Da die lichtemittierende Vorrichtung 17 der zweiten Ausfüh rungsform eine größere Fläche als die lichtemittierende Vorrichtung 17 der ersten Ausführungsform hat, hat die lichtemittierende Vorrichtung 17 der zweiten Ausführungs form eine größere Kapazität und ist somit bezüglich des Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten nachteilig. Es ist jedoch bei der zweiten Ausführungsform - im Gegensatz zur ersten Ausführungsform - nicht mehr nötig, die Diffusions schichten 14-1 und 14-2 vom N⁺-Typ auszubilden, was zu ei nem Vorteil bei der Verkürzung der Herstellungszeit führt. Zusätzlich hat das lichtundurchlässige Gebiet 11a, das auch als Verbindungsgebiet dient, einen geringeren Widerstands wert als die Diffusionsschicht 14-1 vom N⁺-Typ.

Bei den obengenannten ersten und zweiten Ausführungsformen versteht der Fachmann leicht, daß die Leitfähigkeit der Elemente und die Polarität der angelegten Spannungen den obengenannten entgegengesetzt sein können.

Der verdeckte Siliziumdioxidfilm 2 als erste Isolierschicht ist über das gesamte Siliziumsubstrat 1 bei den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen ausgebildet, es ist jedoch anzumerken, daß der verdeckte Siliziumdioxidfilm 2 teilweise über dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet sein kann, solange der ver deckte Siliziumdioxidfilm 2 unterhalb der Mehrschichtstruk tur ausgebildet ist, die die Si/Si_0,65Ge_0,35-Übergitter schicht 8 enthält.

Die lichtundurchlässigen Gebiete 11 und 11a können aus je dem anderen Metall als Wolfram gebildet sein, solange das Metall hochschmelzend ist.

Zusätzlich können die verdeckte Schicht 3 vom N⁺-Typ und die epitaxiale Schicht 4 vom N-Typ als zweite und dritte Halbleiterschichten als Siliziumeinkristalle gebildet sein.

Anschließend werden Varianten der ersten und zweiten Aus führungsformen erläutert.

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Halb leitervorrichtung entsprechend einer ersten Variante der ersten Ausführungsform, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die dargestellte optische Halb leitervorrichtung ist im wesentlichen die gleiche wie die erste Ausführungsform, aber unterscheidet sich hiervon da durch, daß der Siliziumdioxidfilm 6 als zweite Isolier schicht und die lichtundurchlässigen Gebiete 11 und 11a nicht ausgebildet sind. Die in Fig. 7 gezeigte optische Halbleitervorrichtung ist so ausgestaltet, daß sie den verdeckten Siliziumdioxidfilm 2 enthält.

Der verdeckte Siliziumdioxidfilm 2 als zwischen dem Sili ziumsubstrat 1 und der verdeckten Schicht 3 vom N⁺-Typ lie gende erste Isolierschicht wirkt als Reflexionsschicht, und es ist somit möglich, den Wirkungsgrad der lichtemittieren den Vorrichtung 17 zu verbessern.

Die in Fig. 7 gezeigte optische Halbleitervorrichtung kann desweiteren den Siliziumdioxidfilm 6 als zweiten Isolierfilm oder die lichtundurchlässigen Gebiete 11 und 11a ent halten.

Die unter Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen be schriebene Erfindung liefert viele Vorteile.

Zunächst ist es möglich, eine optische Halbleitervorrich tung auf einem ein SOI-Gebiet enthaltenden Halbleitersub strat auszubilden, wobei die Vorrichtung eine ebene Struk tur hat und auch eine Quanten-Well-Schicht enthält, die als aktive Schicht dient, was zu einem integrierbaren OEIC und zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der lichtempfan genden Vorrichtung führt. Dies liegt daran, daß das Licht reflexionsvermögen erhöht werden kann, indem die erste in dem SOI-Gebiet angeordnete Isolierschicht eine Dicke hat, die in Abhängigkeit von der Reflexion gegenüber der zweiten Halbleiterschicht in Bezug auf Licht mit einer der Quanten- Well-Schicht zugeordneten Wellenlänge bestimmt ist.

Zweitens ist es möglich, Rauschen der lichtempfangenden Vorrichtung zu vermeiden, indem das lichtundurchlässige Ge biet, das mit einem hochschmelzenden Metall, wie etwa Wolf ram, gefüllt ist, außerhalb oder innerhalb der lichtemit tierenden Vorrichtung ausgebildet wird. Dies liegt daran, daß von der lichtemittierenden Vorrichtung emittiertes Licht in dem lichtundurchlässigen Gebiet absorbiert wird und somit nicht die lichtempfangende Vorrichtung erreichen kann.

Claims

1. Optoelektronische Halbleitervorrichtung mit:
einer ersten Halbleiterschicht (1),
einer ersten Isolierschicht (2), die auf der ersten Halbleiterschicht (1) ausgebildet ist und einen anderen Brechungsindex als die erste Halbleiterschicht (1) hat,
einer zweiten Halbleiterschicht (3), die auf der er sten Isolierschicht (2) ausgebildet ist,
einer dritten Halbleiterschicht (4), die auf der zwei ten Halbleiterschicht (3) ausgebildet ist,
einer Aussparung (22) in der dritten Halbleiterschicht (4), die von der oberen Oberfläche der dritten Halbleiter schicht (4) bis zur oberen Oberfläche der zweiten Halblei terschicht (3) reicht,
wobei in der Aussparung (22) enthalten sind:
eine Quanten-Well-Schicht (8),
eine Kontaktschicht (10), die auf der Quanten-Well- Schicht (8) ausgebildet ist,
einem Verbindungsgebiet (14-1, 14-2), das an der obe ren Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) beginnt und an der oberen Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (3) endet,
einem Isolator (5), der die Aussparung umgibt und von der oberen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) bis zur oberen Oberfläche der ersten Isolierschicht (2) reicht, und
einem lichtundurchlässigen Gebiet (11, 11a), das an der oberen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) be ginnt und an der oberen Oberfläche der ersten Isolier schicht (2) endet, wobei das lichtundurchlässige Gebiet (11, 11a) außerhalb der Aussparung (22) ausgebildet ist,
einer ersten Elektrode (13-1a, 13-1b), die auf und in elektrischem Kontakt mit dem Verbindungsgebiet (14-1, 14-2) ausgebildet ist, und
einer zweiten Elektrode (13-2a; 13-2b), die auf und in elektrischem Kontakt mit der Kontaktschicht (10) ausgebil det ist.

2. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das lichtundurchlässige Gebiet (11) außerhalb des von dem Isolator (5) umgebenen Gebiets gebildet ist.

3. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das lichtundurchlässige Gebiet (11a) innerhalb des von dem Isolator (5) umgebenen Gebiets ausgebildet ist.

4. Optoelektronische Halbleitervorrichtung mit:
einer ersten Halbleiterschicht (1),
einer ersten Isolierschicht (2), die auf der ersten Halbleiterschicht (1) ausgebildet ist und einen anderen Brechungsindex als die erste Halbleiterschicht (1) hat,
einer zweiten Halbleiterschicht (3), die auf der er sten Isolierschicht (2) ausgebildet ist,
einer dritten Halbleiterschicht (4), die auf der zwei ten Halbleiterschicht (3) ausgebildet ist,
einer Aussparung (22) in der dritten Halbleiterschicht (4), die von der oberen Oberfläche der dritten Halbleiter schicht (4) bis zur oberen Oberfläche der zweiten Halblei terschicht (3) reicht,
wobei in der Aussparung (22) enthalten sind:
eine Quanten-Well-Schicht (8),
eine Kontaktschicht (10), die auf der Quanten-Well- Schicht (8) ausgebildet ist,
einem Isolator (5), der die Aussparung umgibt und von der oberen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) bis zur oberen Oberfläche der ersten Isolierschicht (2) reicht, und
einem lichtundurchlässigen Gebiet (11a), das an der oberen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) beginnt und an der oberen Oberfläche der ersten Isolierschicht (2) endet, wobei das lichtundurchlässige Gebiet (11, 11a) au ßerhalb der Aussparung (22) ausgebildet ist, innerhalb des vom Isolator (5) umgebenden Gebiets ausgebildet ist und aus Metall besteht,
einer ersten Elektrode (13-1a, 13-1b), die in elektri schem Kontakt mit dem lichtundurchlässigen Gebiet (11a) ausgebildet ist, und
einer zweiten Elektrode (13-2a; 13-2b), die auf und in elektrischem Kontakt mit der Kontaktschicht (10) ausgebil det ist.

5. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, die desweiteren eine dritte Isolierschicht (12) ent hält, welche die Vorrichtung bedeckt, wobei die erste und zweite Elektrode (13-1a, 13-1b, 13-2a, 13-2b) durch die drit te Isolierschicht (12)wach außen hervortreten.

6. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung mit den Schritten:

a) Ausbilden einer ersten Halbleiterschicht (1),
b) Ausbilden einer Isolierschicht (2) auf der ersten Halbleiterschicht (1), die einen anderen Brechungsindex als die erste Halbleiterschicht hat,
c) Ausbilden einer zweiten Halbleiterschicht (1) auf der Isolierschicht,
d) Ausbilden einer dritten Halbleiterschicht (4) auf der zweiten Halbleiterschicht (3),
e) Ausbilden eines Isolators (5), der ein Gebiet zur Ausbildung einer Vorrichtung umgibt und von der oberen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) bis zu der oberen Oberfläche der ersten Isolierschicht (2) reicht,
f) Ausbilden eines Verbindungsgebiets (14-1, 14-2), das von der oberen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) bis zu der oberen Oberfläche der zweiten Halbleiter schicht (3) reicht,
g) Ausbilden einer Aussparung (22) in der dritten Halbleiterschicht (4) innerhalb des Gebiets zur Ausbildung der Vorrichtung, die von der oberen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (4) bis zu der oberen Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (3) reicht,
h) Ausbilden einer Mehrschichtstruktur in der Ausspa rung (22), wobei die Mehrschichtstruktur zumindest eine Quanten-Well-Schicht (8) und eine auf der Quanten-Well- Schicht (8) ausgebildete Kontaktschicht (10) enthält,
i) Ausbilden einer ersten Elektrode (13-1a, 13-1b) auf und in elektrischem Kontakt mit dem Verbindungsgebiet (14-1, 14-2),
j) Ausbilden einer zweiten Elektrode (13-2a, 13-2b) auf und in elektrischem Kontakt mit der Kontaktschicht (10).

7. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6 mit dem Schritt: Ausbilden einer zweiten Isolierschicht (6), die eine innere Seitenwand der Aussparung (22) bedeckt.

8. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6 mit dem Schritt:
Ausbilden eines lichtundurchlässigen Gebiets (11, 11a), das an der oberen Oberfläche der dritten Halbleiter schicht (4) beginnt und an der oberen Oberfläche der ersten Isolierschicht (2) endet, wobei das lichtundurchlässige Ge biet (11, 11a) außerhalb der Aussparung (22) ausgebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit dem Schritt:
Bedecken der Vorrichtung mit einer dritten Isolier schicht (12), wobei die ersten und zweiten Elektroden (13-1a, 13-1b, 13-2a, 13-2b) durch die dritte Isolierschicht (12) nach außen hervortreten.

10. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die dritte Isolierschicht (12) eine Dicke im Bereich von 0,2 µm bis 0,25 µm - jeweils einschließlich - hat.

11. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, bei dem das lichtundurchlässige Gebiet (11) außerhalb des Gebiets zur Ausbildung der Vorrichtung ausgebildet ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, bei dem das lichtundurchlässige Gebiet (11a) innerhalb des Gebiets zur Ausbildung der Vorrichtung ausgebildet ist.