JP2009094210A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子を注入する第1の電極部と、正孔を注入する第2の電極部と、第1の電極部及び第2の電極部と電気的に接続された発光部を備え、発光部を単結晶のシリコンとし、発光部が第1の面(上面)と第1の面に対向する第2の面(下面)を有し、第1及び第2の面の面方位を(100)面とし、第1及び第2の面に直交する方向の発光部の厚さを薄くし、発光部の近傍に配置された、第1の誘電体から構成される導波路と、第1及び第2の誘電体を交互に隣接させる事によって形成したミラーを有する極薄シリコン・レーザーである。
【選択図】図1R
Description
シリコンを高効率で発光させる事ができれば、シリコン・チップ上に電子デバイスと発光素子をともに集積化させる事ができるため、その産業的価値は甚大である。そこで、シリコンを発光させるという研究は膨大に行われている。
これに対して、化合物半導体の多くは、伝導帯も価電子帯もΓ点に最小エネルギー点があるため直接遷移型の半導体と呼ばれる。
上述のように、半導体素子で発光させるためには、電子と正孔が衝突して対消滅し、両者のエネルギーの差を光として抽出しなければならない。その際、エネルギーと運動量の保存則が共に満足されていなければならない。電子は伝導帯の中にエネルギー準位をもっており、正孔は価電子帯の中で電子がいない部分のエネルギー準位をもっている。両者の差が光の持っているエネルギーになり、エネルギーによって波長が異なるため、伝導帯と価電子帯のエネルギー差、すなわちバンドギャップの大きさが光の波長、すなわち色を決める事になる。こうして考えると、エネルギーの保存則が成立する事に格段の困難さは見いだせられない。
非特許文献1には、発光効率の高い化合物半導体を用いたレーザーを化合物半導体で作られたバイポーラ・トランジスタで駆動するトランジスタ・レーザー素子が報告されている。
たとえば、非特許文献2では、フッ酸溶液中で陽極酸化したシリコンがポーラス状態になることによって、室温でなおかつ可視光波長帯で発光することが報告されている。そのメカニズムに関しては、完全には解明されていないものの、多孔質の形成によって、狭い領域に閉じ込められたシリコンが存在するために生ずる量子サイズ効果が重要ではないかと考えられている。サイズの小さいシリコン中では、電子の位置がその領域内に閉じ込められるため、量子力学の不確定性原理により、逆に運動量が定まらなくなるため、電子と正孔の再結合が生じやすくなっているのではないかと考えられている。
LDを作成するためには、pnダイオードなどから構成される光源、導波路、ミラー、を組合わせる必要がある。
また、特許文献2(特表2002-536850)には、シリコンを用いた発光ダイオードと基板に垂直な方向に積層した膜のミラーを組合わせる事によって、レーザー発振させる構造が開示されている。この素子では、発光部のpn接合が基板に垂直な方向に形成されている事が特徴になっている。
そこで、シリコン・チップ上にLDを形成する方法として、たとえば非特許文献6には、光源としての化合物半導体と導波路とミラーを合せた共振器をシリコンで作る方法が発表されている。この素子は、光源として化合物半導体を用い、共振器としてシリコンを用いたハイブリッド構造になっており、シリコンに閉じ込められた光のエバネッセント的なしみ出しがゲイン媒体となっている化合物半導体と重なる事でレーザー発振させることを特徴としている。
本発明によれば、シリコンなどの基板上に通常のシリコン・プロセスを用いて容易に形成可能なシリコンレーザーを安価に提供する事ができる。
まず、本発明の元になるシリコンやそれに順ずるゲルマニウムなどのIV族半導体を効率良く光らせるための原理について述べる。
極薄の単結晶シリコン膜などに代表される極めて狭い領域に電子を閉じ込めた場合、バルクの電子状態では、伝導帯の電子がΓ点に存在しないシリコンような物質であったとしても、実効的に薄膜に垂直方向には運動しない事がわかる。これは、定性的には、薄膜に垂直な方向がなくなるため、電子が薄膜に垂直な方向には動けなくなるという極めて当然の事を示している。つまり、バルクでは高速に結晶中を動いていたとしても、薄膜では、そもそも動くべき方向がなくなってしまうため、電子は止まらざるを得ないという事を意味する。
図1A〜図1Rには、製造工程順に断面構造を示す。また、図2A〜図2Rには、基板の上部から見た製造工程順の模式図を示す。ここで、図1A〜図1Rは、それぞれ図2A〜図2Rの横方向の断面図であり、例えば図1Rは、図2Rにおける断面23で切り出した時の構造を表している。本実施例におけるデバイスの完成図は、図1R及び図2Rである。
まず、図1Aに示すように、支持基板として、下からシリコン基板1、 埋め込み酸化膜(Buried Oxide:以下BOXと略す。)2及びSilicon On Insulator(以下、SOIと略す。)3層が積層されたSOI基板を用意する。図2Aに示すように、基板の上部からみるとSOI3が最表面に存在するが、SOI基板の厚さが薄い場合には、実際に試作すると下の基板が透過してみえることもある。ここで、SOI3を構成している単結晶シリコンとしては、表面に(100)面を有している基板を用いた。本実施例で試作したSOI3のプロセス前の初期膜厚は55nmであった。また、BOX2の膜厚は約150nmであった。SOI3から放射される光を効率よく閉じ込めレーザー発振を容易にするためには、BOX2の膜厚はより厚い方が望ましい。しかしながら、BOX2が厚いと相対的にSOI3に生ずる膜厚バラツキが大きくなるという問題がある。本発明のシリコン・レーザーにおいては原子層レベルでの膜厚制御が極めて重要になるため、本実施例では膜厚バラツキが少なく、BOX層が十分薄くない場合についても作成可能な製造方法を開示する。BOX2の膜厚が1μm以上あるバラツキの少ないSOI基板が入手可能な場合には、後に示す支持シリコン基板1を部分的に除去する工程を省略する事ができるため、製造方法を更に簡略化できるだけでなく、シリコン基板1への放熱を利用できるため、デバイスをより安定に動作させる事ができる。
あるいは、Silicon On Insulator(SOI)層3の代わりに、(111)面を表面結晶構造とするGermanium On Insulator(GOI)基板を用いても差し支えない。
次に、レジストを塗布した後に、フォトリソグラフィーによるマスク露光によって、所望の領域にのみレジストを残した後に、異方性ドライエッチングを施すによって、SOI3を図1B及び図2Bに示すように、メサ形状に加工した。図では簡略するために、ひとつの素子しか示していないが、基板上に多くの素子を同時に形成している事は言うまでもない。シリコンプロセスを使っているため、歩留まり高く多くの素子を集積化できる。
引き続き、表面を保護するために、SOI3の表面を15 nm程酸化して、図1C及び図2Cに示すように厚さ約30nmの二酸化シリコン4を形成し、然る後、シリコン基板1の裏面に形成される二酸化シリコンを裏面洗浄によって除去した。二酸化シリコン膜4は、この後のプロセスで導入されるイオン注入によって基板が受けるダメージを軽減するばかりでなく、活性化熱処理によって不純物が大気中に抜けるのを抑制する役割がある。裏面に形成される二酸化シリコン4は必ずしも除去する必要はないが、除去しない場合には、後に示す支持シリコン基板1を部分的に除去する工程の際に、ドライエッチングによって裏面に形成される二酸化シリコン4をパターニングするプロセスが加わるという工程が必要になる。そのため、本実施例では、裏面に形成される二酸化シリコンは簡単な洗浄工程によって除去した。また、二酸化シリコン4は必ずしも熱酸化プロセスによって形成する必要もなく、Chemical Vapor Deposition (CVD)などの装置を用いて、表面にのみ堆積させる工程を用いても差し支えない。
引き続き、イオン注入によって不純物をSOI3中の所望の領域に入れる。その際、二酸化シリコン4と熱酸化膜7の膜厚差を利用する事によって、薄膜シリコン6にはほとんど不純物が注入されないようにした。これは、発光部に高濃度の不純物が残ると、不純物が非発光再結合中心となり、発光効率を低下させるため、発光部分の不純物濃度は低い方が望ましいからである。結果として、薄膜シリコン6の不純物濃度は1×1015/cm3程度となった。
引き続き、表面を保護するための二酸化シリコン13膜を50nm堆積させた図1L及び図2Lの状態とした。ただし、この二酸化シリコン13膜は、この工程の後で行う窒化シリコン14をパターニングするためのドライエッチングのプロセス条件を最適化すれば、堆積させなくてもよい。二酸化シリコン13を形成する利点は、窒化シリコン14にパターニングする際のオーバーエッチングをかけても極薄シリコン11に損傷を与えずに済むことである。逆に、二酸化シリコン13を形成するデメリットは、導波路に閉じ込める光と量子井戸となる極薄シリコン11との結合が若干小さくなる事である。
図1A〜図1G、及び、図3H〜図3Mには、製造工程順に断面構造を示す。また、図2A〜図2G(2)、及び、図4H〜図4Mには、基板の上部から見た製造工程順の模式図を示す。ここで、図1A〜図1G、及び、図3H〜図3Mは、それぞれ、図2A〜図2G(2)、及び、図4H〜図4Mの横方向の断面図であり、例えば図3Mは、図4Mにおける断面33で切り出した時の構造を表している。本実施例におけるデバイスの完成図は、図3M及び図4Mである。
図1A〜図1G、及び、図5H〜図5Kには、製造工程順に断面構造を示す。また、図2A〜図2G(2)、及び、図6H〜図6Kには、基板の上部から見た製造工程順の模式図を示す。ここで、図1A〜図1G、及び、図5H〜図5Kは、それぞれ、図2A〜図2G(2)、及び、図6H〜図6Kの横方向の断面図であり、例えば図5Kは、図6Hにおける断面42で切り出した時の構造を表している。本実施例におけるデバイスの完成図は、図3M及び図4Mである。
図1A〜図1G、及び、図7H〜図7Lには、製造工程順に断面構造を示す。また、図2A〜図2G(2)、及び、図8H〜図8Lには、基板の上部から見た製造工程順の模式図を示す。ここで、図1A〜図1G、及び、図7H〜図7Lは、それぞれ、図2A〜図2G(2)、及び、図8H〜図8Lの横方向の断面図であり、例えば図7Lは、図8Lにおける断面54で切り出した時の構造を表している。本実施例におけるデバイスの完成図は、図7L及び図8Lである。
図1A〜図1G、及び、図9H〜図9Mには、製造工程順に断面構造を示す。また、図2A〜図2G(2)、及び、図10H〜図10Mには、基板の上部から見た製造工程順の模式図を示す。ここで、図1A〜図1G、及び、図9H〜図9Mは、それぞれ、図2A〜図2G(2)、及び、図10H〜図10Mの横方向の断面図であり、例えば図9Lは、図10Lにおける断面52で切り出した時の構造を表している。本実施例におけるデバイスの完成図は、図9M及び図10Mである。
2…埋め込み酸化膜、
3…Silicon On Insulator(SOI)、
4…二酸化シリコン、
5…窒化シリコン、
6…薄膜シリコン、
7…熱酸化膜、
8…p型Si電極、
9…n型Si電極、
10…窒化シリコン、
11…極薄シリコン、
12…熱酸化膜、
13…二酸化シリコン、
14…窒化シリコン、
15…二酸化シリコン、
16…開口部、
17…TiN電極、
18…Al電極、
19…開口部、
20…誘電体、
21…冷却用電極、
22…裏面開口部分、
30…導波路、
31…Distributed Bragg Reflector (DBR) ミラー、
32…裏面開口部分、
33…断面、
40…窒化シリコン、
41…裏面開口部分、
42…断面、
50…多結晶シリコン、
51…p型多結晶シリコン電極、
52…n型多結晶シリコン電極、
53…裏面開口部分、
54…断面、
60…窒化シリコン、
61…二酸化シリコン、
62…Distributed Bragg Reflector (DBR) ミラー、
63…裏面開口部分。
Claims (23)
- 基板上に、電子を注入するための第1の電極と、
正孔を注入するための第2の電極と、
前記第1及び該第2の電極に電気的に接続され、両電極に電圧を印加することにより、前記電子および前記正孔が注入されて光を放出する発光部と、
前記発光部から放出される光を反射する機能を具備してなるミラー部とをそれぞれ有し、
前記発光部は、前記基板上に設けられた薄膜と、該薄膜上に設けられた第1の誘電率を有する第1の絶縁膜とを含み、
前記ミラー部は、前記第1の誘電率と異なる第2の誘電率を有する第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜と異なる第3の誘電率を有する第3の絶縁膜とが交互に、所定の間隙を有して互いに対向するように、前記第1の絶縁膜上に周期的に複数配置されてなり、
前記薄膜の膜厚は、前記第1および第2の電極の膜厚より薄いことを特徴とする半導体装置。 - 前記薄膜の膜厚が、10nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 基板上に、電子を注入するための第1の電極と、
正孔を注入するための第2の電極と、
前記第1及び該第2の電極に電気的に接続され、両電極に電圧を印加することにより、前記電子および前記正孔が注入されて光を放出する発光部と、
前記発光部から放出される光を伝播する導波路と、
前記発光部から放出される光を反射する機能を具備してなるミラー部とをそれぞれ有し、
前記発光部は、前記基板上に設けられた薄膜と、該薄膜上に設けられた第1の誘電率を有する第1の絶縁膜とを含み、
前記導波路は、前記第1の絶縁膜を介して前記薄膜上に配置され、該導波路の終端部に前記ミラー部が隣接して設けられ、
前記ミラー部は、前記第1の誘電率と異なる第2の誘電率を有する第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜と異なる第3の誘電率を有する第3の絶縁膜とが交互に、所定の間隙を有して互いに対向するように、前記第1の絶縁膜上に周期的に複数配置されてなり、
前記薄膜の膜厚は、前記第1および第2の電極の膜厚より薄いことを特徴とする半導体装置。 - 前記薄膜の膜厚が、10nm以下であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 基板上に、電子を注入するための第1の電極と、
正孔を注入するための第2の電極と、
前記第1及び該第2の電極に電気的に接続され、両電極に電圧を印加することにより、前記電子および前記正孔が注入されて光を放出する発光部と、
前記発光部から放出される光を伝播する導波路と、
前記発光部から放出される光を反射する機能を具備してなるミラー部とをそれぞれ有し、
前記発光部は、前記基板上に設けられた薄膜と、該薄膜上に設けられた第1の誘電率を有する第1の絶縁膜と、を含み、
前記導波路は、前記第1の絶縁膜を介して前記薄膜上に配置され、該導波路の側端部に前記ミラー部が隣接して設けられ、
前記ミラー部は、前記第1の誘電率と異なる第2の誘電率を有する第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜と異なる第3の誘電率を有する第3の絶縁膜とが交互に、所定の間隙を有して互いに対向するように、前記第1の絶縁膜上に周期的に複数配置されてなり、
前記薄膜の膜厚は、前記第1および第2の電極の膜厚より薄いことを特徴とする半導体装置。 - 前記薄膜の膜厚が、10nm以下であることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 基板上に、電子を注入するための第1の電極と、
正孔を注入するための第2の電極と、
前記第1及び該第2の電極に電気的に接続され、両電極に電圧を印加することにより、前記電子および前記正孔が注入されて光を放出する発光部と、
前記発光部から放出される光を反射する機能を具備してなるミラー部とをそれぞれ有し、
前記発光部は、前記基板上に設けられた薄膜と、該薄膜上に設けられた第1の誘電率を有する第1の絶縁膜とを含み、
前記ミラー部は、第2の誘電率を有する第2の絶縁膜及び前記第2の誘電率と異なる第3の誘電率を有する第3の絶縁膜とが交互に前記第1の絶縁膜上に積層された積層膜を有し、
前記薄膜の膜厚は、前記第1および第2の電極の膜厚より薄いことを特徴とする半導体装置。 - 前記薄膜の膜厚が、10nm以下であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
- 前記薄膜、及び前記第1及び前記第2の電極のいずれもが、IV族半導体から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記薄膜の材料が、バルクの状態では間接遷移型半導体であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記IV族半導体は、その結晶構造が単結晶であって、その材料がシリコンであり、前記シリコンの表面の面方位が(100)面、あるいはこれと等価な面方位であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記IV族半導体は、その結晶構造が単結晶であって、その材料がゲルマニウムであり、前記ゲルマニウムの表面の面方位が(111)面、あるいはこれと等価な面方位であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記発光部と前記第1の電極あるいは前記第2の電極とを接続する接続部を、更に有し、
前記接続部の膜厚が、前記発光部の膜厚より厚く、前記第1および第2の電極の膜厚より薄く、
前記発光部と、前記接続部と、前記第1及び前記第2の電極のいずれもがIV族半導体から構成されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。 - 前記第1の絶縁膜が、二酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。
- 前記第2の絶縁膜が窒化シリコンであり、前記第3の絶縁膜が二酸化シリコンであることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記第1の電極は、第1の導電型を有する第1の不純物が添加され、
前記第2の電極は、前記第1の導電型と異なる導電型である第2の導電型を有する第2の不純物が添加され、
前記発光部に添加されている前記第1の不純物の濃度が、前記第1の電極に添加されている前記第1の不純物濃度より低く、
前記発光部に添加されている前記第2の不純物の濃度が、前記第2の電極に添加されている前記第2の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。 - 前記発光部は、互いに対向するように設けられた前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、
前記ミラー部は、前記発光部上で前記第1および第2の電極に平行な第1の方向に設けられ、
前記発光部から放出され前記ミラー部で増幅されたレーザ光が、前記第1の方向に出力されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記発光部は、互いに対向するように設けられた前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、
前記導波路が、前記発光部上で前記第1および第2の電極に平行な第1の方向に設けられ、
前記ミラー部は、前記導波路の終端部に隣接して前記第1の方向に設けられ、
前記発光部から放出され前記ミラー部で増幅されたレーザ光が、前記第1の方向に出力されることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 - 前記発光部は、互いに対向するように設けられた前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、
前記導波路が、前記発光部上で前記第1および第2の電極に平行な第1の方向に設けられ、
前記導波路の平面形状が、前記第1の電極と前記第2の電極とに交わる方向に、前記第2の絶縁体の幅が周期的に第1の幅と該第1の幅より広い第2の幅に変調され、
前記第3の絶縁体が、前記第1の幅と前記第2の幅との間に介在し、
前記発光部から放出されたレーザ光が、前記第1の方向に出力されることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 - 前記第3の絶縁体が空気であることを特徴とする請求項19に記載の半導体装置。
- 前記発光部は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、
前記ミラー部は、前記発光部上で前記基板の主表面と交わる第2の方向に設けられ、
前記発光部から放出され前記ミラー部で増幅されたレーザ光が、前記第2の方向に出力されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 - 前記発光部が設けられた前記基板の第1主面に対向する前記基板の第2主面に、前記基板の膜厚より薄い膜厚を有する開口部をさらに有し、
前記開口部が、前記発光部が設けられた領域を前記基板側へ延長した仮想線上に前記開口部の少なくとも一部が存在するように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記開口部表面に設けられた誘電体を介して、放熱性を有する電極が設けられていることを特徴とする請求項22に記載の半導体装置。
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