JP2010532306A - 半導体デバイス構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

第１のバルク結晶半導体材料、及び第１のバルク結晶半導体材料の表面上に設けられた第２のバルク結晶半導体材料を備えた半導体デバイス構造であって、第１のバルク結晶半導体材料の表面には意図的に形成される中間領域が存在していても存在していなくてもよく、第２のバルク結晶半導体材料は第１のバルク結晶半導体材料とは異なるＩＩ−ＶＩ族の材料である。ここにおいて、第１及び／または第２のバルク結晶半導体材料の部分が選択的に除去され、その除去された第１及び／または第２のバルク結晶半導体材料により減少された厚さを有するパターン化エリアを形成し、好ましくは第１及び／または第２のバルク結晶半導体材料の表面のパターン化エリアを露出する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体デバイス及びその製造方法に関する。具体的には、本発明は、異なる半導体材料の基板の上に形成されたＩＩ−ＶＩ族の半導体材料を備えたデバイス、及びこのような構造を形成する方法に関する。具体的には、本発明は、広範囲にわたる光子エネルギー（ガンマ線、Ｘ線、及び可視光）を検出するためのデバイス、及びそのデバイスの製造方法に関する。

半導体材料は、電子回路及び検出器を含む、多くの用途に用いられる。異なる半導体材料は、特に特定の用途における使用に適していることがある。例えば、テルル化カドミウム及びテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）のようなＩＩ−ＶＩ族の材料を、これらの材料は光子を吸収しそれに応じて電気信号を発生させることが可能であるため、Ｘ線及びガンマ線の検出のために用いることが知られている。

単結晶材料は、特に、多くの重要な用途を有する。バルクのテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）単結晶半導体及びテルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）単結晶半導体は、例えば、とりわけ、セキュリティチェック（手荷物検査）、画像診断及び宇宙探査の用途を有するＸ線及びガンマ線検出器として有用である。

多くの用途のために、最適な均一性で、かつ最小の不純物で迅速に形成することができる、大きなサイズ及び大きな厚さの単結晶を有することが望ましい。

異なる半導体材料が異なる用途のために必要とされるとき、異なる半導体材料を電気的に接続することが役立つこともある。例えば、検出器の場合、半導体検出器材料を半導体回路にワイヤー接合またはバンプ接合を用いて接続することが知られている。異なる単結晶をコヒーレント構造に形成することは困難でありえる。

従来より、単結晶は、例えばブリッジマン法、移動ヒーター法（ＴＨＭ）、傾斜凍結（ＧＦ）または結晶が溶融物から成長する他の液相結晶成長法または自己シード添加気相結晶成長法などの直接凝結技術を使用して形成されてきた。これらの従来の方法では、一貫して高品質結晶を形成することは困難であり、または２５ｍｍまたは５０ｍｍを超える直径の単結晶を形成することは困難であった。特に、結晶の形成に関するこれらの既知の方法では、転移、亜結晶粒境界及び双晶が容易に形成される。高圧ブリッジマン法では、空洞が形成される潜在的問題が存在する。

ＣｄＴｅ結晶を形成する場合、これらの問題は特に深刻である。ＣＺＴを生成するため亜鉛を含有させることは、亜鉛が格子を強化するため、これらの問題をある程度緩和する。しかしながら、凝固界面における亜鉛偏析のため、軸方向の組成プロファイルの傾斜を招くことがある。更に、より高い温度がＣＺＴ成長に必要とされ、これは望ましくない。また、このプロセスは、溶融物中の過剰テルルのため析出物及び介在物を形成する傾向がある。テルル化介在物（ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）は、そのサイズが何十ミクロンになることもあり、これは検出器の用途では大きな問題になることがある。更に、個々の介在物と結合した転移雲（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｌｏｕｄ）が存在することがあり、その結晶から形成される検出器の性能に影響を及ぼすことがある。

欧州特許ＥＰ−Ｂ−１０１９５６８号に、物理気相技術を用いて結晶を形成する方法が開示されている。このプロセスは、マルチチューブ物理気相移送（ＭＴＰＶＴ）として知られている。この方法によれば、成長させるべき材料のシンクまたはシード結晶が設けられている。気相材料がシンクまたはシード結晶に提供され、それにより核化が進行し、続いて材料がデポジットしてシンクまたはシード結晶の上に結晶が成長する。シンクまたはシード結晶は、その材料及び構造が成長させるべき結晶材料と類似していなければならず、例えば、ドープされた、または変化が小さい結晶組成のみである。詳しくは、ＥＰ−Ｂ−１０１９５６８号は、ソース区域（Ｚｏｎｅ）からシンク区域へ蒸気を移送することができる通路を介して、ソース区域に接続されたシンク区域にシンクまたはシード結晶が設けられる方法を開示している。ソース区域及びシンク区域の温度は、それぞれ独立して制御することができ、これらの区域は、熱的に絶縁される。

ＥＰ−Ｂ−１０１９５６８号に開示されているマルチチューブ物理気相移送プロセスは、より均一で、かつ、高品質の結晶を製造することができる。しかしながら、シード結晶の上にシード結晶より少しでも大きい結晶を成長させることは不可能であるため、依然として、成長させることができる結晶のサイズが制限されるという問題を残している。

シリコン又はガリウム砒素などの材料から形成された大型基板を設け、かつ、単結晶テルル化カドミウム又は単結晶テルル化カドミウム亜鉛の薄膜をデポジットさせることが知られている。この薄膜は、分子線エピタキシ、化学気相成長、スパッタリング、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、及び、液相エピタキシ（ＬＰＥ）などの薄膜成長技術を使用して、デポジットさせることができる。これらの方法を使用することにより、０．１μｍ／時（ｈｏｕｒ）と１μｍ／時（ｈｏｕｒ）の間の速度で単結晶薄膜層を成長させることができ、従って、層の厚さは極めて限定される。通常、このような薄膜の最大厚さは、１乃至１０ミクロンである。基板上に薄膜を形成し、面積の広い半導体結晶を得ることができるが、このような膜は、Ｘ線及びガンマ線の検出器としての使用には適していない。Ｘ線及びガンマ線を検出する場合、エネルギーの大きい光子を停止させるために、十分な厚さの材料を設ける必要がある。１００ｋｅＶの光子エネルギーで入射する放射の９０％を捕捉するためには、ＣｄＴｅ層は、約１１ｍｍの厚さを有する必要がある。薄膜を成長させるための通常の方法を使用した場合、約１０，０００時間を要することになる。従って、薄膜成長方法を使用して適切な結晶を成長させることはできない。

スクリーン印刷技術を使用して、基板上に厚い材料の層をデポジットさせることができることは知られているが、これらの層は単結晶層ではなく、従って、Ｘ線及びガンマ線の検出には適していない。

従来より、第１のバルク結晶材料の基板と、それと異なる格子構造を有する第２のバルク結晶材料との間の結晶不整合が、このような基板上への第２のバルク結晶材料の形成を妨害すると考えられており、又は、このような結晶不整合が、材料と材料の間の、デバイスに許容できない影響を及ぼす許容できない応力の原因になっていると考えられている。例えば、格子パラメータａ＝６．４８１Åを有することになるテルル化カドミウム結晶材料を、格子不整合のために格子パラメータａ＝５．４３０９Åを有することになるシリコン基板上に直接設けることが可能であるとは、一般的には考えられていない。従って、この考え方のため、任意の与えられた基板上に成長させることができるバルク結晶材料は制限される。

しかしながら、最近の開発は、基板とバルク結晶材料との間に、中間層及び遷移領域を設けることにより、基板とバルク結晶の間の結晶構造を徐々に変化させることができ、この結晶構造の漸進的な変化により、基板の格子構造及びデポジットした結晶材料のあらゆる不整合を補償することができることを示唆しており、且つこれによって製造されるデバイスを記載する。

本発明は、特に前述の方法に基づき形成される場合、ＩＩ−ＶＩ族の半導体材料及び他の半導体材料を含み、強化された機能を有するヘテロ構造から形成されるデバイスに関する。

従って、本発明の１つの実施形態によれば、第１のバルク結晶半導体材料、及び第１のバルク結晶半導体材料の表面の上に設けられた第２のバルク結晶半導体材料を備え、第２のバルク結晶半導体材料は第１のバルク結晶半導体材料とは異なるＩＩ−ＶＩ族の材料である半導体デバイス構造であって、そこにおいて、少なくとも１つのバルク結晶半導体材料の部分、及び例えば第２のバルク結晶半導体材料が選択的に除去され、その除去されたバルク結晶半導体材料により減少された厚さを有するパターン化エリアを形成し、好ましくは、実質的に完全に除去され、他のバルク結晶半導体材料（または界面層が存在する場合界面層）の表面のパターン化エリアを露出させる半導体デバイス構造が提供される。

第２のバルク結晶材料は、第１のバルク結晶材料の上に直接形成されてよい。選択的に、意図的に形成される界面領域または境界層が存在していてよい。第２のバルク結晶材料の層は、好ましくは、結晶成長プロセスによって、第１のバルク結晶材料の上に、及び／または場合によっては意図的に形成される界面領域または界面層の上に形成され、及び／または意図的に形成される界面領域または界面層は、同様に好ましくは、第１のバルク結晶材料の上に形成される。これは、材料の薄片を他の材料に効果的に取り付けることによる２層の単なる結合よりも好ましいと思われる。材料が固体状態で効果的に結合されているという事実は、界面を通過する電荷移動が可能であり、その結果、電気的に選択可能なエネルギー準位の連続体または広いスペクトル範囲全体のバンドを生じさせる。

第１及び第２の結晶材料は、バルク結晶として形成され、例えば、いずれかの、または両方の結晶材料は単結晶として形成される。尚、この文脈において、バルク結晶は、少なくとも５００ミクロンの厚み、好ましくは少なくとも１ｍｍの厚さを示す。

本発明によれば、パターン化構造は、パターン化エリアの中で、少なくとも１つのバルク結晶材料、及び例えば、第２のバルク結晶半導体材料を実質的に減少させることによって、及び特に完全に除去することによって生成される。結果として得られる複合構造は、２つの層の厚さの観点によれば、第１の半導体材料のバルク構造及び第２の半導体材料のバルク構造が存在するパターン化エリア、及び、少なくとも双方の材料の１つが、大きくまたは完全に除去され、且つその材料が完全に除去されたところで、例えば他の材料の表面が露出するパターン化エリアを示す。異なる領域の異なる機能を利用することができ、複合構造を構成する２つの半導体の異なる特性に基づく複合デバイスを開発することができる。

選択的に、第１及び第２のバルク結晶材料の一部は、選択的に除去されてもよい。

好ましくは、それぞれのバルク結晶材料は、単結晶半導体構造である。

第２のバルク結晶材料は、ＩＩ−ＶＩ族の半導体である。第１のバルク結晶材料は、異なる半導体を含み、とりわけＩＩ−ＶＩ族の半導体でない材料を含む。例えば、それは、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＶ族の半導体である。

１つの可能な実施形態において、意図的に形成される界面層を、第１及び第２のバルク材料の間に設けることができる。その界面層が存在する場合、これは第１のバルク結晶材料によって形成された基板と互換性のある格子構造を有するはずである。適切な厚さは、２５μｍと１００μｍの間である。

界面中間層は、第２のバルク結晶材料と同一材料または第２のバルク結晶材料と異なる材料であってよい。

好ましくは、界面領域に意図的に形成される界面層は、ＩＩ−ＶＩ族の半導体材料の少なくとも１つの被膜から形成される。本発明の構造の特に好適な用途において、複合構造は、光子、及び例えばＸ線またはガンマ線のような高エネルギーの光子の検出のための検出器として用いられてもよい。多くのＩＩ−ＶＩ族の半導体材料は、高エネルギー放射線またはガンマ線の検出に効果的であることが知られている。従って、本発明に基づき選択的にパターン化された複合デバイスにおいて、ＩＩ−ＶＩ族の半導体層に起因する選択的な機能が、達成可能である。

特に好ましい実施態様において、第１のバルク結晶半導体材料は、直接的または間接的に、光子及び例えばＸ線またはガンマ線の光子の検出に適している材料でもある。厚さが５００μｍより厚い半導体材料と定義される第２のバルク結晶の周波数帯とは異なる周波数帯全域の光子を検出するように選択される。

結果として得られるヘテロ構造は、第１または第２の半導体を形成している材料のどちらかが単独で得られる検出スペクトルに比較してより広い検出スペクトルを提供できるハイブリッド型検出デバイスを備える。この用途は、第１及び第２の材料の両方がバルク結晶構造、とりわけバルク単結晶構造を有することを必要とする。実用的な結果によれば、薄膜デバイスを用いても効果的な光子検出は達成できない。

第２のバルク結晶半導体材料は、ＩＩ−ＶＩ族の半導体材料である。通常、これは、Ｘ線またはガンマ線のような例えばスペクトルにおける高エネルギー端の光子のような電離放射線、または亜原子粒子放射線のような、高エネルギー放射線の検出に適している。第２のバルク結晶半導体材料は、好ましくは、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマンガン（ＣＭＴ）、それらの合金、及び結晶構造のＣｄ１−（ａ＋ｂ）ＭｎａＺｎｂＴｅ（ここで、ａ及び／またはｂは、ゼロでもよい）から構成される群から選択される。

第１のバルク結晶半導体材料は、直接的または間接的に、スペクトルの低エネルギー帯の光子を検出することに適している材料から選択される。例えば、第１の材料は、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体、またはＩＶ族の半導体に基づく。一般的に、このような半導体は、バルク結晶としての、特にバルク単結晶としての最初の基板層として容易に形成され、比較的低エネルギーのＸ線または可視光を検出するために用いることができる。

例えば、ＩＩ−ＶＩ族の材料は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウムマグネシウム、テルル化カドミウム亜鉛、または類似の半導体材料から選択され、高エネルギーのＸ線／ガンマ線を検出することに適している。そして、第１の材料は、概して低エネルギーのＸ線を検出するために、シリコン、炭化ケイ素、ガリウム砒素、ゲルマニウム、または類似の半導体材料から選択される。複合ヘテロ構造は、拡張された有効検出スペクトルを有する。

好適なパターン化された構造は、所望の用途に適した第２のバルク結晶半導体の範囲内で形成されてよい。例えば、とりわけ検出器の用途に関して、第２のバルク半導体構造のパターン化された部分は、効果的なピクセル配列を形成するように、選択的に除去されてよい。ピクセル配列構造は、直線配列、または２次元配列を含んでよい。このようにして、複合したパターン化された検出器を生成できる。

本発明によれば、第２のバルク結晶半導体材料は、最初に、第１のバルク半導体結晶材料の上に、単一構造、とりわけ単結晶として形成され、そして、選択的にパターン化された領域はその後除去される。通常、後述の通り、選択的にパターン化された領域は、フォトリソグラフ技術によって除去される。当業者に明らかなように、この技術によって、高度に制御された、緻密なパターンを複合ヘテロ構造に組み込むことができる。

２つの層のへテロ構造は、第１の材料上に配置された意図的に形成される中間層または界面層の有無にかかわらず形成される。このような構造は、その上にバルク結晶構造を形成される基板の材料と異なる材料からバルク結晶構造を形成すること、とりわけ下側の基板と異なる格子構造を有するバルク結晶構造を基板の上に形成することを助力することができる。これらの複合層材料は、通常に利用される材料より良好な物理的特性または構造特性を有することができ、従って、異なる用途を有する。とりわけ、ＩＩ−ＶＩ族の材料のバルク結晶構造及びとりわけバルク単結晶構造が異なる材料の基板上に配置され、その後パターン化された領域が本発明によって除去される本発明に基づく複合ヘテロ構造を製造することは、より容易になる。想定される用途のために、基板及び第２の材料の両方がバルク結晶として配置されることが重要である。薄膜である第２の層は、所望の機能を発生しない。第２の材料が、あらゆる界面領域または遷移領域全体の電荷導通を維持する結晶成長工程を経て基板の上に形成されることが好ましい。単なる層の結合は、この理由により、それほど効果的ではないと考えられる。

この構造は、それが存在する場合は意図的に形成される中間層または界面層から、または意図的に形成される界面層が存在しない場合は第１のバルク結晶層自体の表面から、第２のバルク結晶材料までの遷移が存在する遷移領域を含んでよい。これは、第１の材料の中間層の組成から第２のバルク結晶材料の組成まで徐々に変化する領域を含んでよい。この遷移領域は、１０μｍと５００μｍの間の厚さを有していてよい。

好適な実施形態において、同一の成長技術を用いて遷移領域及び第２のバルク結晶をデポジットさせることができるが、基板の上にデポジットする材料の組成及び／または成長速度を徐々に変化させるために、成長サイクルの間、成長パラメータが初期変化する。初期遷移の間に、遷移領域が形成される。デポジットされるべきバルク結晶材料への変化が完了すると、バルク結晶材料を急速にデポジットするために、成長速度を加速してもよい。この場合、製造装置は、第１のバルク結晶材料の上にデポジットされる異なるソース材料を導入する手段を含むことが好ましい。

中間層（存在する場合）は、遷移領域（存在する場合）及び第２のバルク結晶層と同じ技術を用いて形成されてもよい。

本発明によるデバイス構造は、多くの技術を用いて形成されてもよい。異なる半導体材料のうちの１つが基板として提供され、その上に界面領域がデポジットされ、その後その上に第２の半導体材料が形成されることが好ましい。

第２の半導体材料は、バルク蒸着技術を用いて界面領域にデポジットされることが好ましい。第２の半導体単結晶材料は、欧州特許ＥＰ−Ｂ−１０１９５６８号に開示されているように、マルチチューブ物理気相移送方法を用いて成長させることが好ましい。

第２のバルク層は、意図的な界面層の形成をすることなく、第１のバルク層の上に直接デポジットされてもよい。代替として、１つまたは１つ以上の薄膜界面層は、標準的な薄膜成長技術を用いて形成されてもよい。
これらは、分子線エピタキシ、化学気相成長、スパッタリング、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシ、及び、液相エピタキシを含む。これらの方法はいずれも比較的遅い成長速度であるが、１つまたは１つ以上の界面層は非常に薄いので、層の成長速度は、全体の製造プロセスの中でそれほど重要でない。

代替として、気相成長技術は、基板上の１つまたは１つ以上の薄膜界面層を成長させるために用いられてもよい。気相成長技術が結晶材料のバルク成長に普通に用いられるとき、成長速度は一般的に１００μｍ／時（ｈｏｕｒ）と５００μｍ／時（ｈｏｕｒ）の間である。この場合、成長させるためには、デポジットされる材料と同じ材料の層を下側に設けることが必要になる場合もある。しかしながら、０．１μｍ／時（ｈｏｕｒ）と１０μｍ／時（ｈｏｕｒ）の間の成長速度で薄膜を成長させるように諸条件が調整される場合、薄膜は異なる材料の基板の上に成長させることができる。

第１のバルク結晶材料、中間層（存在する場合）、遷移領域（存在する場合）及び第２のバルク結晶材料に加えて、追加層をデポジットさせてもよい。例えば、インジウム、白金、金またはアルミニウムの層のような金属層を、電気接触のために形成してもよい。代替または追加として、誘電層を設けることもできる。誘電体層は可視光及び近赤外光を遮断するフィルタとして作用させることができるため、この誘電体層は、この構造を放射線検出器として用いる場合、とりわけ有用である。更に、ここでのＩＩ−ＶＩ族の半導体材料の第２の層への参照、及び異なる半導体材料の第１の層への参照は、本発明の範囲から、追加の半導体層を有する構造、及び／または、例えばそれ自身の中に複数の層を含む及び／またはその中の組成特性が他の方法で変化する層を含むことによって、第１または第２の層のいずれかがヘテロ構造の側面を有する構造を除外するものではない。

本発明の他の実施態様によれば、
第１のバルク結晶半導体材料を提供する工程と、
選択的に、第１のバルク結晶半導体材料の表面上に界面層を形成する工程と、
界面層上に第１のバルク結晶半導体材料と異なるＩＩ−ＶＩ族の材料の第２のバルク結晶半導体材料を形成する工程と、
少なくとも１つのバルク結晶材料のエリア、及び例えば少なくとも第２のバルク結晶半導体材料のエリアを選択的に除去し、除去されたバルク結晶半導体材料により減少された厚さのパターン化エリアを形成する、及びより具体的には他のバルク結晶半導体材料（または、存在する場合境界層）の表面が露出するパターン化エリアを形成する工程と、を含む半導体デバイスの製造方法が提供される。

選択的に、第１及び第２のバルク結晶材料の両方の部分が選択的に除去される。

同様に、例えば光子検出器としての使用のような特に想定された用途のために、第１及び／または第２のバルク結晶構造が単結晶構造を有することは好ましい。同様に、第２のバルク結晶材料の層は、好ましくは、第１のバルク結晶材料の上に、及び／または結晶の成長プロセスにより場合によっては界面領域または界面層の上に形成される。

好適な用途において、ＩＩ−ＶＩ族の材料層は、高エネルギー光子の検出器として機能する。それは、少なくとも１ミリメートルスケールの基本的なバルク結晶構造を必要とする。例えば、層は、少なくとも２ミリメートルの厚さが必要である。ガンマ線の検出のためには、少なくとも１センチメートルの厚さが好ましい。しかしながら、一旦構造が形成されると、第２の層のバルク結晶質の材料は成長させられた後、除去されるため、平坦でなくむしろピクセル化される。

例えば、ＩＩ−ＶＩ族の材料は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウムマグネシウム、テルル化カドミウム亜鉛または類似物、またはそれらの合金から選択され、高エネルギーのＸ線／ガンマ線の検出に好適であり、そして、第１の材料は、概して低エネルギーのＸ線の検出をするためにシリコン、炭化ケイ素、ガリウム砒素、ゲルマニウムまたは類似の半導体材料から選択される。複合ヘテロ構造は、拡張された有効検出スペクトルを有する。

この方法は、第２のバルク結晶材料が、形成される第２の結晶材料と異なる第１のバルク結晶材料のシード基板の上に形成されることを提供する。第２の結晶材料が基板の上に形成されることを可能にするため、最初に例えば単結晶材料の中間界面層が基板上に形成され、更に選択的に遷移領域が中間層の上に形成される。そして、第２のバルク単結晶材料が適切な気相成長法によって中間層及び／または遷移領域の上で成長する。中間層が存在する場合、中間層は、通常、薄膜層である。

この方法により、パターン化された構造は、パターン化された領域における材料の実質的な、及び好ましくは完全な除去によって、バルク結晶材料の層のうちの少なくとも１つにおいて形成される。例えばピクセル化された配置を備えるなど、適切なパターン化された構造は、前述の通りである。一旦材料が単一のバルク層として、特に単結晶層としてデポジットされると、材料を除去するいかなる方法も検討されてよく、所望のパターン構造に適切なものが選択される。通常、正確な且つ細密なパターンが必要である。通常、物理エッチング・プロセス、または化学エッチング・プロセスは好適である。

特に、除去された結晶材料のパターン化された領域は、フォトリソグラフ技術によって除去され、ここにおいて、除去されるべき結晶材料の表面に適切なパターンが適用され、例えば適切な化学エッチングによって選択的に除去される。具体的には、よく知られているように、ｅ−ｍ放射線感応性フォトレジストが除去されるべきバルク結晶材料の受容面に適用され、適切なパターン特性を含むフォトマスクが配置され、フォトレジストはマスキングされてない部分を処理するために放射を浴びる。そして、適切な化学エッチングが適用され、フォトレジスト上の被露出領域の下部の材料に露光パターンを掘り込む。好ましくは、被露出領域は、実質的に除去される。必要に応じて、よく知られているように、これは繰り返されるサイクルによって達成される。

本発明の方法によって、第２の材料の高品質バルク結晶構造を第１の材料の基板上に物理気相成長法を用いて急速に形成させることができ、ヘテロ構造の必要な厚さが許容された時間内に形成されることを可能にする。この方法は、物理気相成長法と関連して、従来方法よりも広い面積の結晶を形成することを可能にしながら、とりわけ、少なくとも第２の層にパターンを形成できるヘテロ構造の形成を可能にしながら、結晶材料の形成速度及び結晶材料の品質に関して有利である。

本発明の１つの利点は、大きな検出器または類似のものに使用するための大きなサイズのバルク結晶材料のヘテロ構造を製造できることであるが、構造をより小さい部分に分割することも可能である。結晶ヘテロ構造の単一の大きなピースを製造し、それを小さなピースに分割することによって、必要な小さなピースを個々に形成する場合に比べて、より速く、且つより一様な必要な結晶材料を製造することが可能であると考えられる。パターンは、この分割工程の前または後に、一方または両方の層に生成されてよい。

１つの実施形態において、中間層または界面層は、結晶不整合を緩和するために形成される。中間層は、第１の結晶材料の基板の上に標準的な薄膜成長技術を用いて形成されてもよい。これらは、分子線エピタキシ、化学気相成長、スパッタリング、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシ、及び、液相エピタキシを含む。これらの方法は全て比較的遅いが、中間層は非常に薄くてもよいので、成長速度は製造プロセス全体の中ではそれ程重要でない。

代替的な実施形態においては、物理気相成長技術は、第１の結晶材料の基板上の薄膜中間層を成長させるために用いる。気相成長技術を使用して、１００μｍ／時間と５００μｍ／時間の間の一般的な成長速度で結晶材料を成長させるとき、成長のためにはデポジットされる材料と同一の材料が層が下側に設けられている必要がある。しかしながら、１μｍ／時（ｈｏｕｒ）と１０μｍ／時（ｈｏｕｒ）の間の成長速度で薄膜を成長させるように諸条件が調整される場合、例えば第１のバルク結晶材料の受容的な表面によって提供されるような異質のシード上に薄膜を成長させることができる。

選択的に、遷移領域は、中間層が存在する場合中間層上に直接、または第１のバルク結晶材料の表面上に直接デポジットされる。選択的な遷移領域及び第２のバルク結晶材料は、同一の成長技術を用いてデポジットさせることができるが、成長速度を徐々に加速するため、成長サイクルの間成長パラメータが変化する。詳しくは、材料を基板上に初期デポジットさせる場合、材料の適切な核化及び形成を可能にするため成長速度を遅くする。この初期材料のデポジットが完了すると、成長パラメータを変更して、結晶材料の形成速度を速くすることができる。同一の技術を使用して中間層を形成する場合、遅い薄膜型デポジットからより速いバルク結晶デポジットへデポジットが変化する初期領域を存在させることになる。この変化は、漸進的な変化であっても、または、急激な変化であってもよい。

方法の好適な実施形態において、遷移領域（存在する場合）及び／またはバルク結晶材料は、ＥＰ−Ｂ−１０１９５６８に開示されているように、マルチチューブ物理気相移送法（ＭＴＰＶＴ）を使用して成長させることが好ましい。

シード基板は、第１のバルク結晶半導体材料を備える。これは、種々の材料から形成することができる。しかし、これらの基板のための好適な材料は、ＩＶ族またはＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料、例えばシリコン及びガリウム砒素である。結晶をシリコン基板またはガリウム砒素基板上に形成することの利点は、これらの基板が良好な機械的強度を有することである。この両方により、第２のバルク結晶材料の基板の上への着実な形成を確実にし、更に次のプロセス、使用、及び輸送における形成された材料の完全性の維持を助ける。好適な用途のために、これらの材料は構造の両方の層にその機能を与える放射線検出器として使用されることができるため、それらの材料は更に有利である。

基板は、結晶材料の必要なサイズに応じて、必要な任意のサイズにすることができる。しかしながら、基板は２５ｍｍより大きい直径、好ましくは５０ｍｍより大きい直径、最も好ましくは少なくとも１５０ｍｍより大きい直径を有することが好ましい。基板は、その時点で利用可能な大きさであってよい。

第２のバルク結晶材料は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）、テルル化カドミウムマンガン（ＣＭＴ）、及び類似の半導体材料、またはそれらの組成物を含んでよいＩＩ−ＶＩ族の半導体である。材料は、例えば、Ｃｄ１−（ａ＋ｂ）ＭｎａＺｎｂＴｅであり、ここで、ａ及び／またはｂは、ゼロでもよい。

本発明による構造を成長させるための好適なマルチチューブ物理気相移送（ＭＴＰＶＴ）装置を示す。 本発明による材料構造の断面を示す。 本発明による材料構造の断面を示す。

以下、本発明について、添付の図１乃至図３を参照して実施形態によって説明する。

図１は、本発明による構造の形成のために好適な装置を示す。装置は、ＩＩ−ＶＩ族の材料のバルク単結晶材料を異なる材料の基板上に形成することに適している。通常、バルク結晶材料は、少なくとも５００μｍの厚みを有する。

この装置は、真空ジャケット２１内に収納された石英エンベロープ２０の形態の排気されたＵ字管を備える。それぞれソース区域２４及びシンク区域２５のための２つの別個の３区域垂直管状炉２２、２３が設けられる。ソース区域は、矢印の方向でガス入口またはポンプと連通していて、ソース区域の流れ絞り機構２４ａがガス流入を許容する。シンク区域は、基板支持部材及び下流流れ絞り機構２５ａが設けられ、矢印の方向でポンプまたは真空ジャケットに連通している。

ソース区域及びシンク区域は、すりガラスの継ぎ目によってそれらに結合され通路２６を形成する、光学的に加熱される水平クロスメンバ２７によって接続される。流れ絞り機構２８が、通路２６に設けられている。通路は、いずれの場合も９０°の角度で偏向する２つの別個ポイントを備えており、現場観察（ｉｎ−ｓｉｔｕ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）のため、及び、ソースからシンク区域への蒸気移送のために、分岐する通路間に、それぞれ５つの接合を提供する。ソース及びシンクそれぞれへの光学的アクセスを可能にする窓が設けられる。

シンク区域内で成長する結晶の表面の温度は、真空ジャケットの外部に配置され、かつ、成長する結晶の表面と光学的に結合する高温計（パイロメーター）または他の光学的診断装置によって観察することができる。診断装置は、適切な制御システムと結合しており、シンク区域の温度を変化させている。この装置は、更に、流れ絞り機構２８の領域のアクセスポート３３乃至３６による蒸気圧を現場観察するための手段を備え、この手段を介して、蒸気圧監視ランプ及び光学系３０を、外部の位置から、図に示すように、蒸気移送のための通路２６に対して径方向に正反対の位置のアクセスポート３５、３６の近傍に配置された検出器３７を備えた真空ジャケットへ導くことができる。これらは、プロセス制御を行うための制御システムに適切に接続される。

内部で移送が生じるソース管、成長管及びクロスメンバは、石英から製造されており、システムは、クロスメンバと２本の垂直の管との間のすりガラスの継ぎ目で取外し可能であり、従って、成長した結晶を取り出すことができ、また、ソース材料を補給することができる。放射シールド（簡潔にするために図には示されていない）とシステム全体を取り囲んでいる真空ジャケットとが協同して断熱を提供する。毛細管または焼結石英ディスクなどの流れ絞り機構２８が、クロスメンバ２７として定義される通路２６の中心に配置される。成長は、成長管内の石英ブロックの上に配置される基板上で生じ、このガラスブロックと石英エンベロープの間の間隙が下流側の流れ絞り機構を形成する。供給はソース管にガス入口からなされ、成長管には、別個のポンプシステムによって、または、冷たいダンプ管を介した真空ジャケットへの接続によってポンプ供給することができる。

多数の追加ソース管を設けることができる。その場合、追加ソース管には、成長のための異なる材料を含むことができ、また、追加ソース管は、別個のヒータを備える。

図２は、本発明によるデバイスの構造の実施形態を示す。デバイスは、低エネルギー及び高エネルギー光子検出器のヘテロ構造である。

図２は、Ｘ線／ガンマ線スペクトル域の電磁放射を検出するためのヘテロ構造デバイスの実施形態を示す。実施形態において、これは、図１に記載されている装置を用いて、実施形態の方法に従って製造される。但し、本発明の構造的特徴は、特定の製造方法に限られるものではなく、そして、他の適切な方法はそれ自身を当業者に暗示することができる。

ヘテロ構造デバイスは、第１のバルク結晶材料を構成するガリウム砒素またはシリコンの層１０１を含み、図１を参照して記載された方法を適用するための基板としての役割を担う。シリコン／ガリウム砒素層は、厚さが１００μｍより大きく、機械的安定性のため少なくとも２００μｍより大きいことが好ましく、入手可能ないかなるサイズでもよい。実施形態において意図された用途では、ヘテロ構造デバイスは、電磁放射のための検出器である。シリコン層は、低エネルギーＸ線放射または可視光のための検出器を提供するのに適している。その厚さは、それに応じて選択できる。

当業者であれば分かるように、ガリウム砒素は異なるＸ線吸収特性を有し、とりわけ、通常のシリコンを用いた場合よりいくらか高エネルギーＸ線の検出に有用と考えられる。

構造は、本発明によるＩＩ−ＶＩ族の半導体材料の第２の層１０２を含む。第２の層は、選択的に、例えば前述の方法に基づいて、最初にシリコン基板上に配置された意図的に形成される薄膜中間界面層、及び／または遷移領域、及びその上に形成されたバルク単結晶半導体の層を含む。この方法により、ソースは、最初に１０μｍと１０００μｍの間の厚さで、好ましくは１００μｍと７００μｍの間の領域で中間層をデポジットさせるように選択される。一般的に、１０μｍの厚さは、ミスフィット転位が十分に成長し尽くすのに充分である。層をより厚くすることにより、格子不整合に起因するあらゆる歪の発生を主として基板の中に確実に限定することができる。選択的な遷移層を形成した後、バルク単結晶材料をデポジットさせてよい。これが異なる材料の場合、ソース材料を変えることによって図１の方法に基づき達成される。本実施形態において、第２の材料の層全体は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛、またはその混合物を含み、且つ選択的な中間層は、図面には示されてないが、製品において明確で特定可能に区別されてなくてもよい。

ＣｄＴｅ／ＣＺＴの第２の層１０２は、高エネルギー光子、及び例えば、第１の層より、より高エネルギーのＸ線またはガンマ線のための検出器として作用することが意図されている。適切な厚さは、それに応じて選択される。例えば、Ｘ線の検出のために、第２の層は、少なくとも１ｍｍの厚さが好ましく、少なくとも２ｍｍの厚さがより好ましい。ガンマ線の検出のために、第２の層は、少なくとも１０ｍｍの厚さが好ましい。これは、結果として得られるヘテロ構造に、いずれかの材料の単独の能力より、より広いスペクトル全体の入射光を検出する能力を与える。

本発明の要点は、いったん第２のバルク結晶材料の層が基板上にデポジットされて、エリアは、第１の材料層上の第２の材料の１次元または２次元のピクセル化された配列を含むパターン化領域を残すように選択的に除去されることである。

好適な作動モードにおける好適な放射線入射方向が矢印で示される。放射線はシリコン層に最初に入射し、シリコン層は通常の方法で低エネルギーのＸ線を検出する。より高エネルギーのＸ光線／ガンマ線は、シリコン層を通過して、それらが配置された領域のピクセル化されたＣｄＴｅ／ＣＺＴ構造に入射する。これらの領域において、より高エネルギーのＸ光線／ガンマ線も検出され、二元的な反応が得られる。第２の層が存在しない領域では、低エネルギーＸ線のみが検出される。適切なパターンを選択する、例えば一般的によく知られている高精度フォトリソグラフ技術を使用することにより、非常にきめ細かくピクセル化された配置をこの機能を発揮するために第２の層に生成することができる。

デバイスがいずれの方向からの放射線入射に対して実際に機能することは、明らかである。

図示された実施形態の構造を完成させるために、保護層１０３が保護のためのシリコン層上に形成され、電極構造体１０４がヘテロ構造に組み込まれる。

通常、図１の方法が用いられる。シリコン基板は、第１にあらゆる酸化物を除去するように処理される。この処理は、化学エッチング、または高真空中での基板の高温加熱を含んでよい。シリコン基板は、テルル化亜鉛及びテルル化カドミウムの個別のソースと共に成長チャンバに提供される。実施形態では、界面層として機能する中間層は、遷移領域として意図的に形成される。いくつかの材料のために、これは望ましい。他の実施形態において、第２のバルク層は、直接デポジットされてもよい。

結晶材料の成長のための好適な温度は７００℃程度であり、それに応じて、シリコン基板の温度はこの温度に昇温される。テルル化亜鉛及びテルル化カドミウムのソースの温度は、その後これらの温度が基板のそれと同じ温度に達するまで、約毎分２℃の昇温率で増加される。その後、テルル化カドミウムソースの温度はこのレベルに維持されたまま、テルル化亜鉛ソースの温度は同じ昇温率で８７０℃程度まで増加される。テルル化亜鉛ソースの温度が８７０℃程度に達すると、基板及びソース材料の温度は約５時間維持される。これによって、基板上に約５０μｍの厚さのテルル化亜鉛の中間層を成長させる。その後、基板の温度は７００℃程度に維持され、テルル化亜鉛ソースの温度は８７０℃程度に維持されたまま、テルル化カドミウムソースの温度は、テルル化亜鉛ソース材料の温度と同じ温度にまで約毎分２℃の昇温率で増加される。テルル化カドミウム材料が加熱されるにつれて、基板上に成長する材料層は、中間界面層のテルル化亜鉛材料から約４％の亜鉛を有するテルル化カドミウム亜鉛材料まで、遷移領域の組成を徐々に変える。結果として生じる遷移領域は、約１００μｍの厚さを有する。遷移領域は、テルル化カドミウムソースの昇温率を上昇させることによってその厚みを減らすことができ、昇温率を低下させることによってより厚くできる。その後、ソース材料の温度が基板より高い温度に保持される間、バルク結晶のテルル化カドミウム亜鉛材料はデポジットされる。デポジットされるバルク結晶材料の正確な組成は、２つのソース材料の相対的な温度を変化させることによって制御可能である。

他の実施形態において、中間層は、従来の薄膜蒸着法によって、シードプレートの上側表面にデポジットされる。好適な方法には、分子線エピタキシ、化学気相成長、スパッタリング、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシ、及び、液相エピタキシが含まれる。必要な結晶材料の薄膜層は、より高速も可能であるが、一般的な０．１μｍ／時間と１０μｍ／時間の間の速度で基板上にてデポジットされ、または成長させられる。しかしながら、より厚くすることも可能であるが、基板の上側表面上に形成されることが必要であるのは、一般的に１μｍと１０μｍの間の厚さを有する非常に薄い層に過ぎない。膜厚は、層が完全に緩和されることを確実にするため少なくとも１μｍでなければならない。層の厚さの最大値は、好ましくは、その層が許容時間の範囲内に形成されることができる１０μｍである。

基板の上側表面上に薄膜を形成した後、基板は成長チャンバから取り出されて、例えば、不要物除去、及び研磨の処理が行われる。基板は、その後、物理気相方法を用いた遷移領域及びバルク結晶材料の成長のために提供される。

図３は、図２のものと同じ原理に従って製造される代替のヘテロ構造デバイスを示す。この場合も、基層１１１はガリウム砒素またはシリコンであり、その上にＣｄＴｅ／ＣＺＴの第２の層１１２がデポジットされる。

パターン化された構造は、この場合も、選択されたエリアを除去することによって、適切なパターンの構造を残すように例えばピクセル化された配列を形成するように、上側層に形成される。しかしながら、この場合、パターン１１５はＳｉまたはＧａＡｓ層においても形成されている。ヘテロ構造デバイスは、シリコンまたはガリウム砒素半導体が露出するエリアに保護層を設け、及び電極１１４を組み込むことにより、図２の場合と同様に完了する。

本発明に基づき、さまざまな可能な材料の構造を修正することができる。遷移領域は、基板及びバルク結晶材料と比較して一般的に非常に小さく、従って、影響はデバイス全体においてごくわずかであると考えられる。

以下の表１は、可能な構造の実施例を示し、バルクの第１の結晶材料、中間層、及びバルクの第２の結晶材料を示す。

本発明に基づき製造されるデバイスの１つの特に有利な点は、基板、中間層及びバルク結晶材料を形成するために用いる異なる材料が、最終的なデバイスにおける異なる機能を提供できるということである。例えば、シリコンまたはＧａＡｓ基板、テルル化カドミウムバルク結晶材料の実施形態において、シリコンまたはＧａＡｓ基板は低エネルギー光子を検出することが可能であるが、テルル化カドミウム材料は高エネルギー光子を検出するために用いることができる。

好適な実施形態のように、材料が放射線の検出のために用いられる場合、材料の必要な厚さは吸収されるエネルギーに基づく。以下の表２は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛及びテルル化カドミウムマンガンに関して、さまざまなエネルギーの放射線の吸収のために必要な材料の厚さを示す。

Claims (24)

1. 第１のバルク結晶半導体材料、及び前記第１のバルク結晶半導体材料の表面上に設けられた第２のバルク結晶半導体材料を備え、前記第２のバルク結晶半導体材料は前記第１のバルク結晶半導体材料とは異なるＩＩ−ＶＩ族の材料である半導体デバイス構造であって、そこにおいて、少なくとも１つのバルク結晶半導体材料の部分が選択的に除去され、前記除去されたバルク結晶半導体材料により減少された厚さを有するパターン化エリアを形成する半導体デバイス構造。
2. 前記除去された材料の部分は、前記パターン化エリアの中で実質的に完全に除去され、前記他のバルク結晶半導体材料の表面のパターン化エリアを露出させる請求項１に記載の構造。
3. 第１及び第２のバルク結晶材料の部分が選択的に除去された請求項１または２に記載の構造。
4. 前記除去されたバルク結晶半導体構造のパターン化された部分は、有効なピクセル化された配列を生成するように選択的に除去された請求項１乃至３のいずれか１項に記載の構造。
5. 前記配列は線形配列である請求項４に記載の構造。
6. 前記配列はエリア配列である請求項４に記載の構造。
7. 前記第１のバルク結晶材料は、シリコン、ガリウム砒素、炭化ケイ素またはゲルマニウムの基板を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の構造。
8. 前記第１のバルク結晶材料は、少なくとも１００μｍの厚さ、好ましくは少なくとも２００μｍの厚さを有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の構造。
9. 前記第１のバルク結晶材料は、２５ｍｍより大きい直径を有する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の構造。
10. 前記第２のバルク結晶材料は、Ｃｄ１−（ａ＋ｂ）ＭｎａＺｎｂＴｅの組成であって、ａ及び／またはｂは、ゼロでもよい組成を含む請求項１乃至９のいずれか１項に記載の構造。
11. 前記第２のバルク結晶材料は、少なくとも０．５ｍｍの厚さを有する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の構造。
12. 前記第２のバルク結晶材料は、少なくとも１０ｍｍの厚さを有する請求項１１に記載の構造。
13. 中間層は、ＩＩ−ＶＩ族の材料を含む請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の構造。
14. 前記第１のバルク結晶材料の上に形成され、前記第１のバルク結晶材料と格子構造互換性を有する意図的に形成される界面層を更に有する請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の構造。
15. 前記意図的に形成される界面層は、２５μｍと１０００μｍの間の厚さを有する請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の構造。
16. 前記意図的に形成される界面層と前記第２のバルク結晶材料の間に１０μｍと５００μｍの間の厚さの遷移領域が存在する請求項１４または１５のいずれか１項に記載の構造。
17. 前記第１のバルク結晶及び／または前記第２のバルク結晶は、単結晶である請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の構造。
18. 第１のバルク結晶半導体材料を提供する工程と、
    選択的に、前記第１のバルク結晶半導体材料の表面上に界面層を形成する工程と、
    その上に前記第１のバルク結晶半導体材料と異なるＩＩ−ＶＩ族の材料の第２のバルク結晶半導体材料を形成する工程と、
    少なくとも１つの前記バルク結晶材料のエリアを選択的に除去し、除去された材料により実質的に減少された厚さのパターン化エリアを形成する工程と、を含む半導体デバイスの製造方法。
19. 除去された材料のエリアを実質的に完全に除去し、前記他のバルク結晶半導体材料の表面が露出するパターン化エリアを形成する請求項１８に記載の方法。
20. 材料が除去され、ピクセル化された配列を形成する請求項１８または１９に記載の方法。
21. 材料がフォトリソグラフ法によって除去される請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
22. ｅ−ｍ放射線感応性フォトレジストが除去されるべきバルク結晶材料の受容面に適用され、適切なパターン特性を含むフォトマスクが配置され、フォトレジストはマスキングされてない部分を処理するために放射を浴び、更に適切な化学エッチングが適用され前記フォトレジスト上の被露出領域の下部の前記バルク結晶材料に露光パターンを掘り込む請求項２１に記載の方法。
23. 前記第１のバルク結晶材料は、シリコン、ガリウム砒素、炭化ケイ素またはゲルマニウムの基板である請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記第２のバルク結晶材料は、Ｃｄ１−（ａ＋ｂ）ＭｎａＺｎｂＴｅの組成であって、ａ及び／またはｂは、ゼロでもよい組成を含む請求項１８乃至２３のいずれか１項に記載の方法。

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