JP2005135993A - 光センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】可視光から赤外光までを受光できる光センサを提供する。
【解決手段】ケイ素基板1の一方の面上に鉄拡散防止緩衝層2とベータ鉄シリサイド半導体薄膜3を形成し、他方の面上に無反射誘電体層5を形成する。入射光6の可視光領域をケイ素で、また赤外光領域をベータ鉄シリサイドで受光し、電極11、31間に出力電圧が発生する。
【選択図】図1

Description

本発明は、光センサに関し、特に、半導体材料を用いた光センサに関する。
近年、情報化時代を反映して大量の情報を光通信によって交信する技術が開発されている。現在、国内の幹線光通信網には石英ファイバが施設され、近い将来、公共施設、工場、事務所更に一般家庭まで普及する計画がなされている。光ファイバ通信の全家庭への普及のためには、敷設の価格を低減することが強く望まれる。光ファイバや通信モジュール、光部品全てに低価格化の要請がある。このため、国際間−国内幹線−都市内通信網−事務所−家庭という階層の中で、全部を石英ファイバで賄うのでなく、一部近距離にはプラスチックファイバ(POF)を用いる方式が現れた。街中の中継点までは、石英ファイバを使用して大量のデータを伝送し、そこから各家庭に分岐してデータの送受信を行なうが、短距離であるので安価で工事や取り扱いの容易なPOFを使うわけである。
現在、各種の光デバイスに使用されている半導体光センサには、Siを初めとしてGe、Hg-Cd-Te系、In-Ga-As系、In-Ga-P系、GaN等の材料を用いられている。
Siは、資源が豊富で価格が安い、廃棄時の環境負荷が小さい、加工技術が発達している等の理由から、光センサとして広く用いられている。Siは、20世紀に至って大きな技術の進歩によって広く産業界の米として使用され、光センサばかりでなく高速電気論理回路や各種物理量の計測センサやスイッチとしても利用されてきた。
しかしながら、Siは、石英ファイバ通信用の受光素子として使用できない。石英ファイバ中を通る光の波長は最も伝播損失が少ない1.3〜1.6μmが用いられる。Siが使用できる波長帯は可視光から1.1μmなので、Siを石英ファイバ通信に用いたのでは伝播損失が多い。また、Siは発光特性を持たない。
従って、光デバイスとして、発光と受光特性を有するIn-Ga-As系やIn-Ga-P系が広く用いられている。しかしながら、これらの化合物半導体には、AsやInなど地上で資源寿命の非常に短い元素が使用されている。例えばInは、プラズマディスプレイの透明電極(インジウム酸化スズITO)にも使われているが、資源寿命は今後10年程度であると予想され、またAsもせいぜいその程度であると言われている。元素の埋蔵量はクラーク数と深い関係があり、クラーク数の大きい元素(元素番号が小さくて軽い元素)は地球上の多様な生物体と永い歴史の間接触してきたため生体に取り込まれ、生体との適合性が比較的高い。また地球環境に対して低負荷型の物質となっている。これらの化合物半導体は主として希少元素(In、As、Cd、Se、Hg)から構成されており、これらの物質は毒性が高いものが多く生体適合性は低い。これから社会で多用される半導体材料は低環境負荷型の元素であることが望ましい。
資源が豊富で地球環境に優しい元素で構成される代表的材料としてベータ鉄シリサイドβ-FeSiが見直され、ポストIII-V族およびII-VI族化合物半導体材料として望まれるようになった。β-FeSiはFeとSiが1:2の比率で化合したものであり、結晶相は900℃以上まで変化せず安定であり、耐化学薬品性が強いので酸にもアルカリ性薬品に侵されにくく、耐湿度性にも優れている。物理特性では半導体のエネルギーギャップは0.85eVの直接遷移型とされ、受光及び発光が可能でその波長領域は1.5μm近傍なので石英光ファイバを用いる通信部品に適している。
またβ-FeSiは、その結晶常数の検討から適当な面と方位を選ぶことによってSiとの格子整合が良く、Si上に良好なエピタキシャル膜を成長することができる。光デバイスを作する際に、通常のSiプロセスがそのまま使用できるので、製造上は産業界にも受け入れられやすい。
β-FeSiの研究の例として、非特許文献1の発光の研究、非特許文献2の受光の研究、及び非特許文献3及び非特許文献4の発光の研究、更に非特許文献5の受光の研究等がある。
M.A.Lourenco et al., Jpn. J. Appl. Phis., 40, (2001),4041-4044 Y.Maeda et al, Proc. Japan-UK Workshop on KANKYO -SEMICONDUCTORS, Aug. (2000), 29 T.Suemasu et.al., Appl. Phys. Lett., 79 (2001), 1804-1806 S.Chu et al., Jpn. J. Appl. Phys., 41 (2002), L1200-L1202 S.N.Wang Proc. SPIE, 5065,(2003),188
β−FeSiは波長1.1〜1.6μmまでの赤外領域の受光感度を有し、波長0.4〜1.1μmまでの可視光領域の受光感度を有さない。
本発明は、波長0.4〜1.1μmの可視光から波長1.1〜1.6μmの赤外光までの受光感度を有する低価格且つ環境に優しい光デバイスを提供することを目的とする。
本発明の光センサは、Si基板と基板上に形成されたβ-FeSi薄膜を有する半導体チップによって形成される。波長0.4〜1.1μmまでの可視光領域はSiが受光し、波長1.1〜1.6μmまでの赤外領域はβ-FeSiが受光する。従って、本発明の光センサは、可視光も赤外光も電気信号に変換する。
加熱したSi基板上にFeとSiを堆積すると、FeとSiが熱反応し、β-FeSiがエピタキシャル成長する。このβ-FeSi膜は不連続なナノ構造やマイクロ微粒子構造を持つであってもよい。
Si基板とβ-FeSi膜の間に接合面が形成されるとき、その境界面にてFe原子がSi中に拡散するFe拡散が生じ、特性が劣化する。本発明では、Si基板とβ-FeSi膜の間にFe拡散を防止する緩衝層を設ける。
本発明の光センサによると、1つの半導体チップによって、可視光から赤外光領域までの波長を検出することができる。
図1を参照して本発明の光センサの第1の例を説明する。本例の光センサは、Si(ケイ素)基板1とその一方の面上のFe拡散防止緩衝層2とその上のβ-FeSi(ベータ鉄シリサイド)膜3とSi基板1の他方の面上の無反射誘電体層5とを有する。Si基板1には電極11が設けられ、β-FeSi膜3には電極31が設けられている。
Si(ケイ素)基板1は、n-型のSiからなる。β-FeSi膜3は、n-型のβ-FeSiからなる。Fe拡散防止緩衝層2は薄いSiO膜又はTiN(窒化チタン)からなる。無反射誘電体膜はZn(S,O)(ZnSとZnOの混合体)、ZnO、SiO、ITO(インジウム酸化スズ)膜またはこれら薄膜の組み合わせた多層膜からなる。
発明者が行った光センサの第1の例の製造実験を説明する。以下の第1の実験条件は、発明者が行った本例の光センサの第1の例の製造実験の条件を示す。
第1の実験条件
真空槽内の真空度 10−8〜10−10torr
基板の材料と温度 n-型Si:300〜600°C
緩衝層の材料と膜厚 SiO:10nm以下
第1のβ-FeSi膜 Si;406nm、Fe;120nm。反応後 n-β-FeSi:383nm
無反射誘電体層 ZnO:600nm、SiO:270nm
先ず、スパッタリング装置を用いてn-型のSi基板1の面上に、膜厚10nm以下の薄いSiO膜を堆積し、Fe拡散防止緩衝層2を形成した。Fe拡散防止緩衝層2が形成されたSi基板1を、10−8〜10−10torrの高真空槽にて300℃〜600℃の温度にて加熱し、その上にn-型となる不純物(PまたはCo)を含んだSiとFeを照射堆積した。それによって、膜厚406nmのSi膜と、膜厚120nmのFe膜が形成された。SiとFeは熱反応し、n-型のβ-FeSi膜3がエピタキシャルに成長した。生成したn-型のβ-FeSi膜3の膜厚は383nmであった。
次に、Si基板1のβ-FeSi膜が形成された面とは反対の面に、スパッタリングにより膜厚600nmのZnO膜と膜厚270nmのSiO膜を形成し、無反射誘電体層5を形成した。
最後に、β-FeSi膜3の一部をエッチングによって除去し、露出したSi基板に電極11を蒸着法によって取り付けた。同様に、β-FeSi膜3の表面に電極31を蒸着法によって取り付けた。電極11、31にリード線をボンディングすることにより、光センサが完成した。
図示のように、無反射誘電体層5から入射光6として波長0.85μmのレーザ光を照射すると、2つの電極11、31間に出力電圧が発生した。同様に波長1.5μmのレーザ光を照射すると、2つの電極11、31間に出力電圧が発生した。
本例の光センサの製造工程では、Si基板上に1層のβ-FeSi膜をエピタキシャル成長させるだけなので製造工数が少なくて経済的である。Si基板上にβ−FeSiを形成する際の熱処理中にFeがSi基板中に容易に拡散する。FeがSi基板中に拡散すると、接合面における電気特性が劣化し、光電出力が低下する。本例では、Fe拡散防止緩衝層2を設けることによりFeのSi基板中への拡散を防止した。
図2を参照して本発明の光センサの第2の例を説明する。本例の光センサは、Si基板1とその一方の面上のFe拡散防止緩衝層2とその上の第1のβ-FeSi膜3とその上の第2のβ-FeSi膜4とSi基板1の他方の面上の無反射誘電体層5とを有する。Si基板1には電極11が設けられ、第1及び第2のβ-FeSi膜3には電極31、41が設けられている。
Si(ケイ素)基板1は、n-型のSiからなる。第1のβ-FeSi膜3は、n-型のβ-FeSiからなり、第2のβ-FeSi膜4は、p-型のβ-FeSiからなる。Fe拡散防止緩衝層2は薄いSiO膜又はTiN(窒化チタン)からなる。無反射誘電体膜はZn(S,O)(ZnSとZnOの混合体)、ZnO、SiO、ITO(インジウム酸化スズ)膜またはこれら薄膜の組み合わせた多層膜からなる。
発明者が行った光センサの第2の例の製造実験を説明する。以下の第2の実験条件は、発明者が行った本例の光センサの第2の例の製造実験の条件を示す。
第2の実験条件
真空槽内の真空度 10−8〜10−10torr
基板の材料と温度 n-型Si:300〜600°C
緩衝層の材料と膜厚 SiO;10nm以下
第1のβ-FeSi膜 Si:237nm、Fe;70nm。反応後 n-β-FeSi:223nm
第2のβ-FeSi膜 Si:406nm、Fe;120nm。反応後 p-β-FeSi:383nm
無反射誘電体層 ZnO:600nm、SiO:270nm
先ず、スパッタリング装置を用いてn-型のSi基板1の面上に、膜厚10nm以下の薄いSiO膜を堆積し、Fe拡散防止緩衝層2を形成した。Fe拡散防止緩衝層2が形成されたSi基板1を、10−8〜10−10torrの高真空槽にて300℃〜600℃の温度にて加熱し、その上にn-型となる不純物(P)を含んだSiとFeを照射堆積した。それによって、膜厚237nmのSi膜と、膜厚70nmのFe膜が形成された。SiとFeは熱反応し、n-型のβ-FeSi膜3がエピタキシャルに成長した。生成したn-型のβ-FeSi膜3の膜厚は223nmであった。
次に、β-FeSi膜3が形成されたSi基板1を、再度、10−8〜10−10torrの高真空槽にて450℃〜600℃の温度にて加熱し、その上にp-型となる不純物(Ga)を含んだSiとFeを照射堆積した。それによって、膜厚406nmのSi膜と、膜厚120nmのFe膜が形成された。SiとFeは熱反応し、p-型のβ-FeSi膜4がエピタキシャルに成長した。第1のβ-FeSi膜3と第2のβ-FeSi膜4の間にn/p-接合面が形成された。生成したp-型のβ-FeSi膜4の膜厚は383nmであった。
次に、Si基板1のβ-FeSi膜3、4が形成された面とは反対の面に、スパッタリングにより膜厚600nmのZnO膜と膜厚270nmのSiO膜を形成し、無反射誘電体層5を形成した。
最後に、Fe拡散防止緩衝層2の一部をエッチングによって除去し、露出したSi基板に電極11を蒸着法によって取り付けた。同様に、第1及び第2のβ-FeSi膜3、4の表面に電極31、41を蒸着法によって取り付けた。電極11、31、41にリード線をボンディングすることにより、光センサが完成した。
図示のように、無反射誘電体層5から入射光6として波長0.85μmのレーザ光を照射すると、2つの電極11、31間のみに出力電圧が発生した。他の電極31、41間、及び電極11、41間には出力電圧が発生しなかった。同様に波長1.5μmのレーザ光を照射すると、2つの電極31、41間のみに出力電圧が発生した。他の電極間には出力電圧が発生しなかった。
本例の光センサでは、Si基板上に2層のβ-FeSi膜をエピタキシャル成長させるため製造工数が増加するが、両方ともβ-FeSiのホモ構造を有するので、良好な接合が容易にできる。
図3を参照して本発明の光センサの第3の例を説明する。本例の光センサは、Si基板1とその一方の面上のβ-FeSi膜3とその上のFe拡散防止緩衝層2とその上のSi膜7とその上の無反射誘電体層5とを有する。β-FeSi膜3には電極31が設けられ、Si膜7には電極71が設けられている。
Si(ケイ素)基板1は、n-型のSiからなる。β-FeSi膜3は、p-型のβ-FeSiからなる。Si膜7は、n-型のSiからなる。Fe拡散防止緩衝層2は薄いSiO膜又はTiN(窒化チタン)からなる。無反射誘電体膜はZn(S,O)(ZnSとZnOの混合体)、ZnO、SiO、ITO(インジウム酸化スズ)膜またはこれら薄膜の組み合わせた多層膜からなる。
発明者が行った光センサの第3の例の製造実験を説明する。以下の第3の実験条件は、発明者が行った本例の光センサの第3の例の製造実験の条件を示す。
第3の実験条件
真空槽内の真空度 10−8〜10−10torr
基板の材料と温度 n-型Si:300〜600°C
第1のβ-FeSi膜 Si:406nm、Fe;120nm。反応後 p-β-FeSi:383nm
緩衝層の材料と膜厚 SiO;10nm以下
Si膜 n-Si:406nm
無反射誘電体層 ZnO:600nm、SiO:270nm
先ず、n-型のSi基板1の面上にp-型となる不純物(Ga)を含んだSiとFeを同時に照射堆積した。それによって、膜厚406nmのSi膜と、膜厚120nmのFe膜が形成された。SiとFeは熱反応し、p-型のβ-FeSi膜3がエピタキシャルに成長した。生成したp-型のβ-FeSi膜3の膜厚は383nmであった。次に、スパッタリング装置を用いてβ-FeSi膜3が形成されたSi基板1の面上に、膜厚10nm以下の薄いSiO膜を堆積し、Fe拡散防止緩衝層2を形成した。Fe拡散防止緩衝層2が形成されたSi基板1を、再度、10−8〜10−10torrの高真空槽にて300〜600°Cの温度にて加熱し、その上にn-型となる不純物(P)を含んだSiを照射堆積した。Siは熱反応し、n-型のSi膜7がエピタキシャルに成長した。β-FeSi膜3とSi膜7の間にn/p-接合面が形成された。生成したn-型のSi膜7の膜厚は406nmであった。
次に、n-型のSi膜7が形成されたSi基板1の面に、スパッタリングにより膜厚600nmのZnO膜と膜厚270nmのSiO膜を形成し、無反射誘電体層5を形成した。
最後に、β-FeSi膜3及びSi膜7の表面に電極31、71を蒸着法によって取り付けた。電極31、71にリード線をボンディングすることにより、光センサが完成した。
図示のように、無反射誘電体層5から入射光6として波長0.85μmのレーザ光を照射すると、2つの電極31、71間に出力電圧が発生した。同様に波長1.5μmのレーザ光を照射すると、2つの電極31、71間に出力電圧が発生した。
本例の光センサでは、Si基板の片面に全ての膜を形成するため、製造工程が簡単である。また、本例の光センサでは、赤外光は比較的薄いSi膜7を経由してからβ-FeSi膜によって受光されるから、上述の例のように、Si基板1を経由してからβ-FeSi膜によって受光される場合に比べて、β-FeSi膜の受光量が多い。
図4を参照して本発明の光センサの第4の例を説明する。本例の光センサは、Si基板1とその一方の面上の第1のβ-FeSi膜3とその上の第2のβ-FeSi膜4とSi基板1の他方の面上の無反射誘電体層5とを有する。Si基板1には電極11が設けられ、第1及び第2のβ-FeSi膜3には電極31、41が設けられている。無反射誘電体層5には電極51が設けられている。
Si(ケイ素)基板1は、p-型のSiからなる。第1のβ-FeSi膜3は、n-型のβ-FeSiからなり、第2のβ-FeSi膜4は、p-型のβ-FeSiからなる。無反射誘電体層5はZn(S,O)(ZnSとZnOの混合体)の薄膜である。Zn(S,O)膜は、n-型の半導体である。
発明者が行った光センサの第4の例の製造実験を説明する。以下の第4の実験条件は、発明者が行った本例の光センサの第4の例の製造実験の条件を示す。
第4の実験条件
真空槽内の真空度 10−8〜10−10torr
基板の材料と温度 p-型Si:450〜600°C
第1のβ-FeSi膜 Si:237nm、Fe;70nm。反応後 n-β-FeSi:223nm
第2のβ-FeSi膜 Si:406nm、Fe;120nm。反応後 p-β-FeSi:383nm
無反射誘電体層 n-Zn(S,O):100nm
先ず、p-型のSi基板1を、10−8〜10−10torrの高真空槽にて450℃〜600℃の温度にて加熱し、その上にn-型となる不純物(P)を含んだSiとFeを照射堆積した。それによって、膜厚237nmのSi膜と、膜厚70nmのFe膜が形成された。SiとFeは熱反応し、n-型のβ-FeSi膜3がエピタキシャルに成長した。生成したn-型のβ-FeSi膜3の膜厚は223nmであった。
次に、β-FeSi膜3が形成されたSi基板1を、再度、10−8〜10−10torrの高真空槽にて450℃〜600℃の温度にて加熱し、その上にp-型となる不純物(Ga)を含んだSiとFeを照射堆積した。それによって、膜厚406nmのSi膜と、膜厚120nmのFe膜が形成された。SiとFeは熱反応し、p-型のβ-FeSi膜4がエピタキシャルに成長した。第1のβ-FeSi膜3と第2のβ-FeSi膜4の間にn/p-接合面が形成された。生成したp-型のβ-FeSi膜4の膜厚は383nmであった。
次に、Si基板1のβ-FeSi膜3、4が形成された面とは反対の面に、化学溶液中積層法により膜厚100nmのZn(S,O)膜を形成し、無反射誘電体層5を形成した。
最後に、Fe拡散防止緩衝層2の一部をエッチングによって除去し、露出したSi基板に電極11を蒸着法によって取り付けた。同様に、第1及び第2のβ-FeSi膜3、4と無反射誘電体層5の表面に電極31、41、51を蒸着法によって取り付けた。電極11、31、41、51にリード線をボンディングすることにより、光センサが完成した。
図示のように、無反射誘電体層5から入射光6として波長0.85μmのレーザ光を照射すると、2つの電極11、41間にのみ出力電圧が発生した。他の電極間には出力電圧が発生しなかった。同様に波長1.5μmのレーザ光を照射すると、2つの電極31、41間にのみ出力電圧が発生した。他の電極間には出力電圧が発生しなかった。
本例の光センサによると、p-型Si基板面上に形成したZn(S,O)膜はn-型となって基板との間にp/n接合面を作る。またこのZn(S,O)膜は透明な誘電体層となり半導体膜と無反射保護膜を兼ねることになる。これによって別のSiOなどの無反射膜を形成する必要がなくなり、製造工数を低減でき、低価格化を達成することができる。
本例の光センサでは、Siの受光部とβ-FeSiの受光部を独立に分けて形成したもので、1,5μmのレーザ光信号と0.85μmのレーザ光信号が混ざることなく確実に取り出すことができる。
以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
本発明による光センサの第1の例の構造を示す図である。 本発明による光センサの第2の例の構造を示す図である。 本発明による光センサの第3の例の構造を示す図である。 本発明による光センサの第4の例の構造を示す図である。
符号の説明
1…ケイ素基板、2…緩衝層、3…第1のβ-FeSi膜、4…第2のβ-FeSi膜、5…無反射誘電体膜、6…入射光線、7…Si膜、11、31、41、51、71…電極

Claims (13)

  1. ケイ素(Si)基板と該基板上に形成されたベータ鉄シリサイド(β-FeSi)膜を有する光センサ。
  2. 請求項1記載の光センサにおいて、上記ベータ鉄シリサイド膜の上に更に第2のベータ鉄シリサイド膜が設けられ、上記ベータ鉄シリサイド膜と上記第2のベータ鉄シリサイド膜の間にn−型/p−型接合面又はp−型/n−型接合面が形成されていることを特徴とする光センサ。
  3. 請求項1又は2記載の光センサにおいて、上記基板と上記ベータ鉄シリサイド膜の間にFe拡散防止緩衝層が設けられていることを特徴とする光センサ。
  4. 請求項3記載の光センサにおいて、上記Fe拡散防止緩衝層はSiOまたはTiNを含むことを特徴とする光センサ。
  5. 請求項1又は2記載の光センサにおいて、上記ベータ鉄シリサイド膜と反対側の上記基板の面に無反射誘電体膜が設けられていることを特徴とする光センサ。
  6. 請求項5記載の光センサにおいて、上記無反射誘電体膜はZn(S,O)、SiO、ITO膜またはこれら薄膜を組み合わせた多層膜を含むことを特徴とする光センサ。
  7. ケイ素(Si)基板と該基板上に形成されたベータ鉄シリサイド(β-FeSi)膜と該ベータ鉄シリサイド膜上に形成されたケイ素(Si)膜とを有する光センサ。
  8. 請求項7記載の光センサにおいて、上記ベータ鉄シリサイド膜と上記ケイ素(Si)膜の間にFe拡散防止緩衝層が設けられていることを特徴とする光センサ。
  9. 請求項8記載の光センサにおいて、上記Fe拡散防止緩衝層はSiOまたはTiNを含むことを特徴とする光センサ。
  10. 請求項7記載の光センサにおいて、上記ケイ素(Si)膜の上に無反射誘電体膜が設けられていることを特徴とする光センサ。
  11. 請求項10記載の光センサにおいて、上記無反射誘電体膜はZn(S,O)、SiO、ITO膜またはこれら薄膜を組み合わせた多層膜を含むことを特徴とする光センサ。
  12. ケイ素(Si)基板と該基板上に形成された第1のベータ鉄シリサイド(β-FeSi)膜と該第1のベータ鉄シリサイド(β-FeSi)膜の上に設けられた第2のベータ鉄シリサイド(β-FeSi)膜とを有し、上記基板と上記第1のベータ鉄シリサイド(β-FeSi)膜の間及び上記基板と上記第2のベータ鉄シリサイド(β-FeSi)膜の間には、それぞれn−型/p−型接合面又はp−型/n−型接合面が形成されていることを特徴とする光センサ。
  13. 請求項12記載の光センサにおいて、上記第1及び第2のベータ鉄シリサイド膜と反対側の上記基板の面にZn(S,O)からなる層が設けられていることを特徴とする光センサ。
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