JP2012043946A - Opto-electronic semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電子半導体装置及びその製造方法に関し、特に、光電子集積回路(OEIC)用基板の製造方法及びOEICの製造方法に関する。 The present invention relates to an optoelectronic semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a method for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) substrate and a method for manufacturing an OEIC.
従来、Si(シリコン)単結晶基板上にGaAs、InP等のIII−V族化合物半導体層を形成することが行われている(例えば、特許文献1)。これは、大型で安価なSi単結晶基板を用いることにより、Siでは形成不可能な発光素子や受光素子などの光デバイス、高速素子、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)等を安価に形成しようとするものである。また、近年、Si集積回路の大規模化が進み、チップ内あるいはチップ間の信号伝達を従来の電気配線で行うことが困難になってきている。この問題の解決のため、光を用いた信号伝達をSi集積回路に取り込んだ光電子集積回路(OEIC:Opto-Electronic Integrated Circuit)が期待されている。 Conventionally, a III-V group compound semiconductor layer such as GaAs and InP is formed on a Si (silicon) single crystal substrate (for example, Patent Document 1). This is because by using a large and inexpensive Si single crystal substrate, an optical device such as a light emitting element or a light receiving element, a high speed element, an MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit), etc. that cannot be formed by Si are formed at low cost. Is. Further, in recent years, the Si integrated circuit has been increased in scale, and it has become difficult to perform signal transmission within a chip or between chips by a conventional electric wiring. In order to solve this problem, an opto-electronic integrated circuit (OEIC) in which signal transmission using light is incorporated in a Si integrated circuit is expected.
光電子集積回路(OEIC)の実現には、発光機能を有する半導体層を集積回路(電子回路)上に形成する必要があるが、発光機能に優れたInPやGaAs等の化合物半導体は、Siと格子定数が大きく異なるため、転位などの結晶欠陥が発生し、その構想の実現に至っていない。近年、Siを用いた光集積回路が研究されているが、実用的な光源の欠如とSiを透過する波長の光を用いているため、光検出器に新たな材料の導入が必要になるなど多くの課題を抱えている。 In order to realize an optoelectronic integrated circuit (OEIC), it is necessary to form a semiconductor layer having a light emitting function on the integrated circuit (electronic circuit). A compound semiconductor such as InP or GaAs having an excellent light emitting function is made of Si and a lattice. Since the constants are greatly different, crystal defects such as dislocations are generated, and the concept has not been realized. In recent years, optical integrated circuits using Si have been studied. However, since there is a lack of a practical light source and light having a wavelength that transmits Si, it is necessary to introduce new materials into the photodetector. There are many challenges.
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高性能な光デバイス及び電子デバイスが形成された光電子集積回路(OEIC)を製造可能なOEIC用基板の製造方法並びに高性能なOEIC及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an OEIC substrate capable of manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) on which a high-performance optical device and an electronic device are formed, and a high performance. The object is to provide a high-performance OEIC and a manufacturing method thereof.
本発明の方法は、光素子及び電子素子をそれぞれ形成するための光素子形成層及び電子素子形成層を有する光電子集積回路(OEIC)用基板の製造方法であって、
透明基板及びSOI基板を用意するステップと、
上記透明基板及びSOI基板のうち1の基板上に光素子形成層を形成して光素子層構造体を形成する光素子層形成ステップと、
上記透明基板及びSOI基板のうち上記1の基板とは異なる他の基板と上記光素子層構造体とをSOI基板のSi基板を外側にして接合して接合体を形成する接合ステップと、
上記接合体のSi基板を研磨して電子素子形成層を形成する電子素子層形成ステップと、を有することを特徴としている。
The method of the present invention is a method of manufacturing a substrate for an optoelectronic integrated circuit (OEIC) having an optical element formation layer and an electronic element formation layer for forming an optical element and an electronic element, respectively.
Providing a transparent substrate and an SOI substrate;
An optical element layer forming step of forming an optical element layer structure on one of the transparent substrate and the SOI substrate to form an optical element layer structure;
A bonding step in which another substrate different from the first substrate among the transparent substrate and the SOI substrate and the optical element layer structure are bonded to each other with the Si substrate of the SOI substrate facing outside to form a bonded body;
An electronic element layer forming step of polishing the Si substrate of the joined body to form an electronic element forming layer.
以下においては、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いて、Si(シリコン)層及び化合物半導体層からなる半導体積層構造体を形成し、Si層及び化合物半導体層にそれぞれ電子デバイス及び光デバイスを形成した光電子集積回路(OEIC)及びその製造方法について図面を参照して詳細に説明する。また、当該光デバイスとして発光デバイス、特に発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を形成した場合を例に説明する。また、電子デバイスとして信号処理回路を形成した場合を例に説明する。しかしながら、上記電子デバイス及び光デバイスはこれらに限らず、種々のデバイス(素子)から適宜選択し、又は改変して適用することができる。 以下の説明において、デバイス層とは、半導体素子がその機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指す。例えば、単純なトランジスタであればn型半導体及びp型半導体のpn接合によって構成される構造層(pnp構造、npn構造等)及びMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造層などを含む。特に、電子素子、電子回路等を形成する層を電子デバイス層(又は電子素子層)という。また、受光動作又は発光動作をなす半導体構造層を光デバイス層(又は光素子層)という。さらに、p型半導体層及びn型半導体層などから構成され、入射光を光電流に変換する受光動作をなす半導体構造層を、特に、受光デバイス層という。また、p型半導体層、発光層及びn型半導体層から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体構造層を、特に、発光デバイス層という。また、特に、LEDの場合にはLEDデバイス層ともいう。また、透明基板等における「透明」とは、発光素子、受光素子等の光デバイスに用いられる光の波長に対して透明若しくは透光性であることを意味する。 In the following, a semiconductor stacked structure composed of a Si (silicon) layer and a compound semiconductor layer was formed using an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and an electronic device and an optical device were formed in the Si layer and the compound semiconductor layer, respectively. An optoelectronic integrated circuit (OEIC) and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings. A case where a light emitting device, particularly a light emitting diode (LED) is formed as the optical device will be described as an example. An example in which a signal processing circuit is formed as an electronic device will be described. However, the electronic device and the optical device are not limited to these, and can be appropriately selected from various devices (elements) or modified and applied. In the following description, the device layer refers to a layer composed of a semiconductor to be included in order for a semiconductor element to perform its function. For example, a simple transistor includes a structure layer (pnp structure, npn structure, etc.) constituted by an n-type semiconductor and a pn junction of a p-type semiconductor, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure layer, and the like. In particular, a layer for forming an electronic element, an electronic circuit, or the like is referred to as an electronic device layer (or an electronic element layer). A semiconductor structure layer that performs a light receiving operation or a light emitting operation is referred to as an optical device layer (or an optical element layer). Furthermore, a semiconductor structure layer that includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer and performs a light receiving operation for converting incident light into a photocurrent is particularly referred to as a light receiving device layer. In addition, a semiconductor structure layer that includes a p-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and an n-type semiconductor layer and emits light by recombination of injected carriers is particularly referred to as a light-emitting device layer. In particular, in the case of an LED, it is also referred to as an LED device layer. Further, “transparent” in a transparent substrate or the like means that it is transparent or translucent to the wavelength of light used in an optical device such as a light emitting element or a light receiving element.
また、半導体層の極性(p型、n型)、キャリア濃度、組成、層厚等は例示であり、適宜改変して適用することができる。 Moreover, the polarity (p-type, n-type), carrier concentration, composition, layer thickness, etc. of the semiconductor layer are examples, and can be applied with appropriate modifications.
なお、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。 In the drawings described below, substantially the same or equivalent parts will be described with the same reference numerals.
図1は、SOI基板を用い、Si層及び化合物半導体層を含む光電子集積回路(OEIC)を製造するための基板(以下、OEIC基板ともいう。)を製造する方法を示す断面図である。まず、図1(A)に示すように、p−Si基板11A、SiO2層11B及びp+−Si層(SOI層ともいう)11CからなるSOI基板11を用意する。より詳細には、p−Si基板11Aのキャリア濃度は5×1015cm−3であり、p+−Si層11Cのキャリア濃度は1×1019cm−3である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a substrate (hereinafter also referred to as an OEIC substrate) for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) including an Si layer and a compound semiconductor layer using an SOI substrate. First, as shown in FIG. 1A, an
次に、図1(B)に示すように、SOI基板11のSi層(SOI層)11C上に、化合物半導体層から構成され、発光素子(発光デバイス)を形成するための層である発光素子形成層(以下、光デバイス層ともいう。)12を形成(成長)する。光デバイス層12は、例えば、化合物半導体バッファ層12Aを介してSi層(SOI層)11Cに格子整合する複数の化合物半導体層からなる。例えば、バッファ層12AはIII−V族化合物半導体からなるバッファ層であり、光デバイス層12は、バッファ層12A、p型クラッド(p−クラッド)層12B、発光層12C、n型クラッド(n−クラッド)層12D及びn−コンタクト層12Eからなる。なお、バッファ層12A、p−クラッド層12B、発光層12C、n−クラッド層12D及びn−コンタクト層12EはIII−V族化合物半導体層である。そして光デバイス層12上に、Si層13を形成する。上記プロセスにより、SOI基板11上に光デバイス層12を形成したデバイス層構造体14が構成される。
Next, as shown in FIG. 1B, a light-emitting element which is a layer for forming a light-emitting element (light-emitting device), which is composed of a compound semiconductor layer on the Si layer (SOI layer) 11C of the
MBE(Molecular Beam Epitaxy)法により光デバイス層12の各層及びSi層13を連続的に形成する場合を例に説明する。例えば、バッファ層12Aは、Mg(マグネシウム)をp型ドーパントとしてドープした(キャリア濃度が1×1019cm−3)、層厚が10nm(ナノメートル)のp−GaPバッファ層である。また、p−クラッド層12Bは、Mgをp型ドーパントとし(キャリア濃度:5×1017cm−3)、Si層11Cに格子整合する量(例えば、2%)の窒素(N)を含む三元化合物(混晶)であるp−GaPN層(層厚:1μm(マイクロメートル))である。発光層12Cは、同様に2%の窒素(N)を含む、層厚が3nmの単一量子井戸(SQW)からなるGaAsN層(アンドープ)である。また、n−クラッド層12Dは、S(硫黄)をn型ドーパントとし(キャリア濃度:5×1017cm−3)、同様に2%の窒素(N)を含むn−GaPN層(層厚:1μm)である。また、n+−コンタクト層12Eは、Sをn型ドーパントとした(キャリア濃度:5×1019cm−3)、層厚が0.1μmのn+−GaP層である。なお、n+−Si層13は、結晶成長後の冷却過程においてSiとIII−V−N半導体層との熱膨張係数差によって生じる応力を相殺又は緩和する作用を有する。Si層13は、薄膜で良く、例えば10nmの層厚を有する。より詳細には、後述するように、Si層13は、光デバイス層12に形成される発光素子の光を吸収によって減衰させることのない層厚とすることができる。
An example will be described in which each layer of the
図1(C)に示すように、SiO2やスピネルなどの透明基板21上に、例えばスパッタ法により、SiO2層22を形成し、透明基板構造体23を形成する。次に、図1(D)に示すように、透明基板構造体23のSiO2層22とデバイス層構造体14の最上層のSi層13とをAr(アルゴン)プラズマなどによる活性化処理、及び加圧によって接合し、デバイス層構造体14と透明基板構造体23との接合体24を形成する。すなわち、デバイス層構造体14のSOI基板11のSi基板11Aを外側にして(すなわち、Si基板11Aの表面を非接合面として)接合する。そして、透明基板構造体23のSiO2層22及びデバイス層構造体14のSi層13は接合層としての機能を有している。なお、図1(D)において、当該接合面を“F”及び破線で示している。その後、図1(E)に示すように、SOI基板11のSi基板11Aを研磨する。当該研磨後のSi基板は層厚が0.5〜2μmである。なお、以下においては、説明及び理解の明確さのため、当該研磨後に残った層(Si基板の一部)をSi層11Dとして説明する。なお、研磨後、Si層11Dに洗浄、エッチング等の表面処理を行ってもよい。かかるプロセスによって、電子デバイス形成層であるSi層11D及び光デバイス層12を含むOEIC基板25が形成される。
As shown in FIG. 1C, an SiO 2 layer 22 is formed on a
なお、電子デバイス形成層(Si層)11Dは、SOI基板11の絶縁層(SiO2層)11Bによって光デバイス形成層12との電気的分離(絶縁)が図られている。
The electronic device forming layer (Si layer) 11D is electrically separated (insulated) from the optical
また、光デバイス形成層12には、LEDやLD(レーザ・ダイオード)等の発光デバイスに加え、受光デバイス、電子デバイスを形成してもよい。また、電子デバイス形成層には、電子素子や電子回路等に加え、受光デバイス等の光デバイスを形成してもよい。
In addition to the light emitting device such as LED or LD (laser diode), a light receiving device or an electronic device may be formed on the optical
なお、光デバイス層12として、SOI基板11上にGaPN結晶層を成長する場合を例に説明したが、これに限らない。すなわち、光デバイス層12として他の結晶系、例えばGaN系化合物半導体層を含むデバイス層を形成する場合にも適用することができる。
Although the case where a GaPN crystal layer is grown on the
[OEICの形成プロセス]
以下に、OEIC基板25を用いた光電子集積回路(OEIC)の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。まず、OEIC基板25のSi層11D、すなわちSOI基板11のSi基板11Aのうち研磨後に残ったSi層を表面として、フォトリソグラフィによりレジスト・パターニングを行う。図2(A)及び(B)に示すように、LED形成領域31Rが開口部となるようにフォトレジストをパターニングする。次に、図2(B)に示すように、Si層11Dを、例えばSF6を用いたドライエッチングにより除去し、さらに、SiO2層11B(SOI基板11の絶縁層)を、例えばバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去する。その後、レジストをリムーバ液等により除去する。
[OEIC formation process]
Hereinafter, a method for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) using the
次に、LED素子部31のアイソレーション・プロセスを行う。具体的には、図2(C)に示すように、フォトリソグラフィによりLED形成領域31Rのうち、LED素子部31以外の領域が開口部となるようにレジスト・パターニングを行う。より詳細には、Si層(SOI基板11のSOI層)11Cを、例えばSF6を用いたドライエッチングにより除去し、さらに、例えばBCl3を用いたドライエッチングにより光デバイス層12を除去し、Si層13に達する溝又は凹部(すなわち、Si層13が露出する開口部)を形成してLED素子部31を形成する。その後、レジストを除去する。
Next, an isolation process of the
次に、表面パッシベーションを行った後、素子形成領域のパッシベーション膜の除去を行う。具体的には、まず、上記アイソレーション・プロセス後のOEIC基板25の表面をSiO2膜32Aにより被覆する。例えば、温度が550℃で、SiH4ガスを用いた熱CVDにより膜厚が約2μmのSiO2膜32Aを形成する。次に、図2(D)に示すように、電子回路形成領域33RのSiO2膜32A、及び受光素子形成領域34Rのうち受光部となる領域(受光部領域)34R1のSiO2膜32Aを除去して素子領域開口部を形成する。具体的には、これら素子形成領域が開口部となるようにレジスト・パターニングを行い、SiO2膜32Aをバッファードフッ酸により除去する。その後、レジストを除去する。
Next, after performing surface passivation, the passivation film in the element formation region is removed. Specifically, first, the surface of the
次に、レジスト・パターニングを行い、例えばイオン注入によりリン(P)を注入する。より具体的には、図2(E)に示すように、受光素子形成領域34Rの受光部領域34R1のSi層11D、及び電子回路形成領域33Rのドレイン領域33D及びソース領域33Sにリンを注入する。なお、ここでは電子回路形成領域33RにMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を形成する場合を例に説明するが、一般に、トランジスタ、受動素子等からなる電子回路であって、LED素子や受光素子(センサ素子)の信号処理、駆動等に用いられる電子回路を形成する場合にも適用することができる。
Next, resist patterning is performed, and phosphorus (P) is implanted by ion implantation, for example. More specifically, as shown in FIG. 2E, phosphorus is implanted into the
次に、図2(F)に示すようにウエット酸化によりOEIC基板25の電子回路形成領域33R及び受光部領域34R1のSi層表面に酸化膜(SiO2膜)32Bを形成する。例えば、900℃、10min間のウエット酸化により70nmの酸化膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 2F, an oxide film (SiO 2 film) 32B is formed on the Si layer surface of the electronic
その後、コンタクトホール及び電極の形成を行う。より詳細には、図2(G)に示すように、フォトリソグラフィによりレジスト・パターニングを行い、LED素子部31上のSiO2膜32Aを除去するとともに、LED素子部31のn−コンタクト層12Eが接触しているSi層13の一部を露出させ、ウェットエッチングによりSiO2膜32Aを除去し、n電極形成部13Aを形成する。また、このとき同時に、受光素子形成領域34Rのうちの一部である電極形成部34R2のSiO2膜32Aを除去する。さらに、フォトリソグラフィによりレジスト・パターニングを行い、受光素子形成領34R域の受光部領域34R1及び電子回路形成領域33Rのドレイン領域33D及びソース領域33Sの酸化膜32Bにコンタクトホールを形成する。そして、これら領域のコンタクトホールから露出した半導体層に、例えばAl(アルミニウム)などの金属電極を形成する。かかるプロセスにより、図2(H)に示すように、LED素子31J、電子回路(MOSFET)33J、受光素子34JからなるOEIC35が形成される。より詳細には、LED素子31Jはp電極及びn電極31E、31Fを有し、電子回路33Jはソース電極、ゲート電極及びドレイン電極33E、33F、33Gを有し、受光素子34Jはp電極及びn電極34E、34Fを有している。そして、受光素子34Jは入力光Piを受光し、受光信号(受信データ)を生成する。受光素子34Jによる受信信号は、信号処理回路33Jによって信号処理が行われ、信号処理後の出力に基づいてLED素子31を発光駆動させ、光信号Poが外部に出力される。
Thereafter, contact holes and electrodes are formed. More specifically, as shown in FIG. 2G, resist patterning is performed by photolithography to remove the SiO 2 film 32A on the
なお、上述したように、説明及び理解の容易さのため、電子回路形成領域33RにMOSFETを形成する場合を例に説明したが、信号処理回路、駆動回路、増幅回路等、あるいはこれらを組み合わせた種々の電子回路、集積回路を形成する場合にも適用することができるのは当然である。
As described above, for ease of explanation and understanding, the case where a MOSFET is formed in the electronic
図3に示すように、上記したOEIC35と同様の構成を有するOEIC35−1又は35−2は外部からの入力光Piを受光し、受信データを生成する受光素子34Jと、電子回路である信号処理回路33Jと、LED素子31Jとを有している。そして、信号処理回路33Jは、受光素子34Jによる受信データの信号処理を行い、信号処理後の出力に基づいてLED素子31Jを発光駆動する。LED素子31Jからの出力信号光Poは、光吸収の殆ど無い薄膜のSi層13と、LED素子31Jからの光に対して透明なSiO2層22を経て外部に放出される。すなわち、LED素子31Jから外部への光取り出し効率は極めて高い。
As shown in FIG. 3, the OEIC 35-1 or 35-2 having the same configuration as the
さらに、図3は、2つのOEIC35−1及びOEIC35−2を積層化した3次元OEIC装置を示している。より詳細には、第1のOEIC35−1からの出力信号光Po1は、入力光Pi2として第2のOEIC35−2に入力される。第2のOEIC35−2の光素子34J2は、入力光Pi2を受光し、受信データを生成する。そして、受光素子34J2による受信信号は、第2のOEIC35−2の信号処理回路33J2によって信号処理が行われ、信号処理結果に基づいてLED素子31J2を発光駆動させ、第2のOEIC35−2から光信号Po2が外部に出力される。 Further, FIG. 3 shows a three-dimensional OEIC device in which two OEIC 35-1 and OEIC 35-2 are stacked. More specifically, the output signal light Po1 from the first OEIC 35-1 is input to the second OEIC 35-2 as the input light Pi2. The optical element 34J2 of the second OEIC 35-2 receives the input light Pi2 and generates reception data. Then, the signal received by the light receiving element 34J2 is subjected to signal processing by the signal processing circuit 33J2 of the second OEIC 35-2, and the LED element 31J2 is driven to emit light based on the signal processing result, and light is emitted from the second OEIC 35-2. The signal Po2 is output to the outside.
上記したように、本発明によれば、SOI基板上に化合物半導体デバイス層(光デバイス層)を形成し、当該光バイス層上に接合層(第1の接合層)としても機能する薄膜Si層を形成してデバイス層構造体を形成している。さらに、透明基板上に、第1の接合層と接合可能な接合層(第2の接合層)として機能するSi酸化膜等を形成している。そして、上記第1及び第2の接合層を活性化処理及び加圧によって接合し、デバイス層構造体と透明基板との接合体を形成している。さらに、当該接合体のSOI基板のSi基板(SOI基板の裏面)を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層とすることによって、電子デバイス形成層(研磨後のSi層)と光デバイス形成層(化合物半導体デバイス層)とを含むOEIC基板を形成している。 As described above, according to the present invention, a compound semiconductor device layer (optical device layer) is formed on an SOI substrate, and a thin film Si layer that also functions as a bonding layer (first bonding layer) on the optical device layer. To form a device layer structure. Further, an Si oxide film or the like that functions as a bonding layer (second bonding layer) that can be bonded to the first bonding layer is formed on the transparent substrate. And the said 1st and 2nd joining layer is joined by activation process and pressurization, and the joined body of a device layer structure and a transparent substrate is formed. Further, by polishing the Si substrate (the back surface of the SOI substrate) of the SOI substrate of the joined body to form an electronic device forming layer, an electronic device forming layer (Si layer after polishing) and an optical device are formed. An OEIC substrate including a layer (compound semiconductor device layer) is formed.
かかる構成によれば、光デバイスからの光は上記透明基板を経て外部に放出されるので、光の吸収は極めて小さく、光取り出し効率が極めて高いOEICを提供することができる。また、SOI基板のSi基板を研磨した後の薄膜を電子デバイス(Siデバイス)形成層としている。従って、高品質のSi層に電子デバイスを形成するので、高品質、高性能な電子回路、集積回路を形成することができる。また、SOI基板のSiO2層を電子デバイス形成層と光デバイス形成層との絶縁(電気的分離)に利用できるので、回路設計の自由度が高い。 According to such a configuration, since light from the optical device is emitted to the outside through the transparent substrate, it is possible to provide an OEIC with extremely low light absorption and extremely high light extraction efficiency. The thin film after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as an electronic device (Si device) formation layer. Therefore, since an electronic device is formed on a high-quality Si layer, high-quality and high-performance electronic circuits and integrated circuits can be formed. In addition, since the SiO 2 layer of the SOI substrate can be used for insulation (electrical isolation) between the electronic device formation layer and the optical device formation layer, the degree of freedom in circuit design is high.
さらに、基板裏面側に容易に高出力の光を取り出せるので、かかるOEICを積層化することで3次元装置の構築が可能となる。また、このようなOEICの3次元装置においては、信号が光で伝達されるので、OEIC間に空隙を設けることができ、当該3次元OEIC装置の冷却も容易である。 Furthermore, since high output light can be easily extracted to the back side of the substrate, a three-dimensional apparatus can be constructed by stacking such OEICs. Further, in such an OEIC three-dimensional apparatus, since signals are transmitted by light, a gap can be provided between the OEICs, and the three-dimensional OEIC apparatus can be easily cooled.
図4は、SOI基板を用い、電子デバイス形成層であるSi層及び化合物半導体層(光デバイス形成層)を含むOEIC製造用基板(OEIC基板)を形成する方法を示す断面図である。まず、図4(A)に示すように、サファイア基板等の透光性基板51上に、化合物半導体である光デバイス層52を成長する。なお、以下においては、光デバイス層52として、GaN系結晶を成長する場合を例に説明するが、これに限らず、他の結晶系の化合物半導体層であってもよい。また、III−V族化合物半導体に限らず、II−VI族化合物半導体であってもよい。例えば、酸化亜鉛系結晶(ZnO系結晶、MgZnO系結晶)等の結晶系であってもよい。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method of forming an OEIC manufacturing substrate (OEIC substrate) including an Si layer as an electronic device forming layer and a compound semiconductor layer (optical device forming layer) using an SOI substrate. First, as shown in FIG. 4A, an
まず、サファイア基板51上に、n−GaNバッファ層52Aを成長し、バッファ層52A上に、n−クラッド層52B、発光層52C、p−クラッド層52Dを順次成長する。次に、p−クラッド層52D上に、p−電極53を形成する。例えば、蒸着又はスパッタなどにより、ITO膜(インジウム・スズ酸化膜)などの透明電極やAg(銀)膜などの反射電極によりp−電極53を形成する。次に、p−電極53上に、SiO2などの絶縁層54を形成する。かかるプロセスにより、サファイア基板51上に光デバイス層52を形成した光デバイス層構造体55が形成される。
First, an n-
例えば、バッファ層52Aは層厚が25nm(ナノメートル)の低温成長GaNバッファ層である。また、n−クラッド層52Bは、Si(シリコン)をn型ドーパントとした(キャリア濃度:1.8×1018cm−3)、n−GaN層(層厚:3.5μm(マイクロメートル))である。発光層52Cは、例えば、量子井戸(QW)からなる量子井戸発光層である。例えば、井戸層の組成がIn0.25Ga0.75N(層厚:2.2nm)、障壁層の組成がGaN(層厚:15nm)であり、5周期構造の多重量子井戸(MQW)である。また、p−クラッド層52Dは、Mgをp型ドーパントとした(キャリア濃度:3×1017cm−3)、p−GaN層(層厚:150nm)である。なお、これらの層以外に、コンタクト層、電子や正孔の障壁層(ストッパ層)などを適宜設けてもよい。
For example, the
図4(B)に示すように、SOI基板11を用意する。SOI基板11は、例えば、p−Si基板11A、SiO2層11B及びp+−Si層(SOI層ともいう)11Cからなる。より詳細には、例えば、p−Si基板11Aのキャリア濃度は1×1019cm−3であり、p+−Si層11Cのキャリア濃度は1×1019cm−3である。
As shown in FIG. 4B, an
次に、図4(C)に示すように、光デバイス層構造体55の絶縁層54とSOI基板11の最上層のSi層(SOI層)11CとをAr(アルゴン)プラズマなどによる活性化処理及び加圧によって接合し、光デバイス層構造体55とSOI基板11との接合体57を形成する。すなわち、光デバイス層構造体55の絶縁層54及びSi層11Cは接合層としての機能を有している。なお、図4(C)において、当該接合面を“F”及び破線で示している。その後、図4(D)に示すように、SOI基板11のSi基板11Aを研磨する。当該研磨後のSi基板は層厚が0.5〜2μmであればよい。なお、上記したように、説明及び理解の明確さのため、当該研磨後に残った層(SOI基板11のSi基板の一部)をSi層11Dとして説明する。かかるプロセスによって、電子デバイス形成層であるSi層11D及び光デバイス層52を含むOEIC基板58が形成される。なお、光デバイス形成層52には、LEDやLD(レーザ・ダイオード)等の発光デバイスに加え、受光デバイスや電子デバイスを形成してもよい。また、電子デバイス形成層には、電子素子や電子回路等に加え、受光デバイス等の光デバイスを形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 4C, the insulating
なお、光デバイス層52として、SOI基板11上にGaN系結晶層を成長する場合を例に説明したが、これに限らない。すなわち、光デバイス層52として他の結晶系の半導体層を形成してもよい。
Although the case where a GaN-based crystal layer is grown on the
本実施例によるOEIC基板58を用い、上記実施例1において詳細に説明した方法と同様にして、光電子集積回路(OEIC)を製造することができる。すなわち、光デバイス層12を光デバイス層52として実施例1における製造方法を適用することによってOEICを製造することができる。
Using the
上記したように、本発明によれば、サファイア基板等の透光性基板上に、光デバイス層52を成長し、当該光バイス層上に接合層(第1の接合層)として機能する絶縁層(Si酸化膜)を形成して光デバイス層構造体を形成している。つまり、SOI基板のSi(SOI)層(第2の接合層)と接合可能な接合層として機能するSi酸化膜等を形成している。そして、当該光デバイス層構造体のSi酸化膜(第1の接合層)とSOI基板のSi層(第2の接合層)とを活性化処理及び加圧によって接合し、透光性基板上に光デバイス層が形成された光デバイス層構造体とSOI基板との接合体を形成している。さらに、当該接合体のSOI基板のSi基板を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層とすることによって、電子デバイス形成層(研磨後のSi層)と光デバイス形成層(化合物半導体デバイス層)とを含むOEIC基板を形成している。
As described above, according to the present invention, the
かかる構成によれば、光デバイスからの光は上記透光性基板を経て外部に放出されるので、光の吸収は極めて小さく、光取り出し効率が極めて高いOEICを提供することができる。また、SOI基板のSi基板を研磨した後の薄膜を電子デバイス形成層として、高品質のSi層に電子デバイスを形成するので、高品質、高性能な電子回路、集積回路を形成することができる。また、SOI基板のSiO2層を電子デバイス形成層と光デバイス形成層との絶縁に利用できる。 According to such a configuration, since light from the optical device is emitted to the outside through the light-transmitting substrate, it is possible to provide an OEIC with extremely low light absorption and extremely high light extraction efficiency. In addition, since the thin film after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as the electronic device forming layer and the electronic device is formed on the high-quality Si layer, high-quality and high-performance electronic circuits and integrated circuits can be formed. . Further, the SiO 2 layer of the SOI substrate can be used for insulation between the electronic device forming layer and the optical device forming layer.
また、基板裏面側に容易に高出力の光を取り出せるので、かかるOEICを積層化することで3次元装置の構築が可能となる。また、このようなOEICの3次元装置においては、信号が光で伝達されるので、OEIC間に空隙を設けることができ、当該3次元OEIC装置の冷却も容易である。 In addition, since high-output light can be easily extracted to the back side of the substrate, it is possible to construct a three-dimensional apparatus by stacking such OEICs. Further, in such an OEIC three-dimensional apparatus, since signals are transmitted by light, a gap can be provided between the OEICs, and the three-dimensional OEIC apparatus can be easily cooled.
上記した実施例2においては、透光性基板上に光デバイス形成層を成長した光デバイス層構造体とSOI基板とを接合し、SOI基板のSi基板を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層として、光デバイス形成層及び電子デバイス形成層を有するOEIC基板を形成する。 In Example 2 described above, the optical device layer structure in which the optical device forming layer is grown on the light-transmitting substrate and the SOI substrate are bonded together, and the Si substrate remaining after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as the electronic device. An OEIC substrate having an optical device formation layer and an electronic device formation layer is formed as the formation layer.
本実施例においては、サファイア基板等の透光性基板上に第1の光デバイス形成層を成長した第1の光デバイス層構造体と、SOI基板(SOI層)上に第2の光デバイス形成層を形成する。そして、第1及び第2の光デバイス層構造体を接合し、SOI基板のSi基板を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層としている。本実施例によれば、電子デバイス形成層及び2つの光デバイス形成層を有するOEIC基板を形成することができる。 In this embodiment, a first optical device layer structure in which a first optical device formation layer is grown on a translucent substrate such as a sapphire substrate, and a second optical device formation on an SOI substrate (SOI layer). Form a layer. Then, the first and second optical device layer structures are joined, and the Si layer remaining after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as an electronic device forming layer. According to this embodiment, an OEIC substrate having an electronic device forming layer and two optical device forming layers can be formed.
図5は、SOI基板を用い、電子デバイス形成層であるSi層及び化合物半導体層(光デバイス形成層)を含むOEIC製造用基板(OEIC基板)を形成する方法を示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for forming an OEIC manufacturing substrate (OEIC substrate) including an Si layer as an electronic device forming layer and a compound semiconductor layer (optical device forming layer) using an SOI substrate.
まず、図5(A)に示すように、サファイア基板等の透光性基板61上に、化合物半導体である光デバイス層62を成長する。なお、以下においては、透光性基板としてサファイア基板を、光デバイス層62としてGaN系結晶を成長する場合を例に説明するが、これに限らない。例えば、他の結晶系の化合物半導体層であってもよい。また、III−V族化合物半導体に限らず、II−VI族化合物半導体であってもよい。
First, as shown in FIG. 5A, an
例えば、光デバイス層62は、GaN系化合物半導体層からなり、n−クラッド層、発光層及びp−クラッド層を有する。さらに、サファイア基板61上にバッファ層を形成してもよく、あるいは、光デバイス層62は、コンタクト層、電流拡散層、電子・正孔の障壁層などを有していても良い。また、発光層は、いわゆるバルク構造のDH構造、あるいは単一/多重量子井戸(SQW/MQW)構造で形成されていてもよい。次に、光デバイス層62上に、p−電極63を形成する。例えば、蒸着又はスパッタなどにより、ITO膜(インジウム・スズ酸化膜)などの透明電極を形成する。次に、p−電極(透明電極)63上に、絶縁層64を形成する。なお、絶縁層64は、接合層としての機能も有する。かかるプロセスにより、サファイア基板61上に(第1の)光デバイス層62を形成した光デバイス層構造体67が形成される。
For example, the
次に、図5(B)に示すように、SOI基板11のSi層(SOI層)11C上に、化合物半導体層から構成された光デバイス形成層72を形成(成長)する。SOI基板11は、例えば、p−Si基板11A、SiO2層11B及びp+−Si層(SOI層ともいう)11Cからなる。
Next, as shown in FIG. 5B, an optical
光デバイス層72は、化合物半導体バッファ層を介してSi層(SOI層)11Cに格子整合する複数の化合物半導体層からなる。例えば、実施例1において説明した、Si層11Cに格子整合する量の窒素(N)を含む三元化合物(混晶)であるp−GaPN層である。光デバイス層構造体67と同様に、光デバイス層72は、コンタクト層、電流拡散層、電子・正孔の障壁層などを有していても良い。また、発光層は、バルク構造のDH構造、あるいは単一/多重量子井戸(SQW/MQW)構造で形成されていてもよい。
The
次に、光デバイス層72上に、Si層73を形成する。上記プロセスにより、SOI基板11上に(第2の)光デバイス層72を形成した(電子/光)デバイス層構造体75が構成される。
Next, an
次に、図5(C)に示すように、光デバイス層構造体67の絶縁層64とデバイス層構造体75のSi層73とをAr(アルゴン)プラズマなどによる活性化処理、及び加圧によって接合し、接合体76を形成する。すなわち、光デバイス層構造体67の絶縁層64及びデバイス層構造体75のSi層73は接合層としての機能を有している。なお、図5(C)において、当該接合面を“F”及び破線で示している。その後、図5(D)に示すように、SOI基板11のSi基板11Aを研磨する。研磨後のSi基板の層厚、すなわち研磨後に残った層(Si基板の一部)であるSi層11Dの層厚は、0.5〜2μmである。かかるプロセスによって、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72と、電子デバイス形成層11Dを有するOEIC基板78が形成される。ここで、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72に形成される発光素子の波長を異ならせることによって、2波長の発光素子を有するOEICを形成することができる。上記したように、例えば、光デバイス層62を、例えばGaN系化合物半導体層とし、青色発光LEDを形成し、デバイス層72を、例えばIII−V−N半導体層(GaPN半導体層)とし、赤色発光LEDを形成するようにできる。
Next, as shown in FIG. 5C, the insulating
図6は、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72に互いに異なる発光波長のLED31K1,31K2を形成したOEICを示している。例えば、LED31K1は活性層72Aを有する赤色発光LED(λ1)であり、LED31K2活性層62Aを有する青色発光LED(λ2)である。なお、当該2つのLED31K1,31K2の形成プロセスは実施例1の場合(図2(A)〜(H))と同様にして行うことができる。例えば、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72を素子分離し、電極を形成すればよい。より詳細には、例えば、第1の光デバイス層62のn−コンタクト層及びp−クラッド層(又はp−コンタクト層)に達する溝を形成し、これらの層に接続された電極31P,31Qを形成してLED31K1を形成し、第2の光デバイス層72のp−コンタクト層及びn−クラッド層(又はn−コンタクト層)に達する溝を形成し、これらの層に接続された電極31R,31Sを形成してLED31K2を形成することができる。なお、当該異なる発光波長の2つのLEDを形成する方法はこれに限らず、種々の形成方法を適用することができる。
FIG. 6 shows an OEIC in which LEDs 31K1 and 31K2 having different emission wavelengths are formed on the first
本実施例によれば、上記した実施例1及び2の効果に加え、それぞれが電気的に分離された電子デバイス形成層及び複数の光デバイス形成層を有するデバイス層構造体を形成できる。従って、上記したように、例えば2色(赤色及び青色)の発光素子を含むOEICを形成することができる。 According to the present embodiment, in addition to the effects of the first and second embodiments, a device layer structure having an electronic device forming layer and a plurality of optical device forming layers that are electrically separated from each other can be formed. Therefore, as described above, for example, an OEIC including light emitting elements of two colors (red and blue) can be formed.
なお、上記した実施例は適宜組み合わせ、又は改変して適用することができる。また、上記した数値等は例示に過ぎない。 The above-described embodiments can be applied by appropriately combining or modifying them. Moreover, the above numerical values are merely examples.
11 SOI基板
11A Si基板
11C SOI層
11D 電子デバイス形成層
12,52,62,72 光デバイス形成層
21 透明基板
25,58,78 OEIC基板
35,35−1,35−2,79 光電子集積回路(OEIC)
11
Claims (7)
透明基板及びSOI基板を用意するステップと、
前記透明基板及び前記SOI基板のうち1の基板上に前記光素子形成層を形成して光素子層構造体を形成する光素子層形成ステップと、
前記透明基板及び前記SOI基板のうち前記1の基板とは異なる他の基板と前記光素子層構造体とを前記SOI基板のSi基板を外側にして接合して接合体を形成する接合ステップと、
前記接合体の前記Si基板を研磨して前記電子素子形成層を形成する電子素子層形成ステップと、
を有することを特徴とする製造方法。 A method for manufacturing a substrate for an optoelectronic integrated circuit (OEIC) having an optical element formation layer and an electronic element formation layer for forming an optical element and an electronic element, respectively.
Providing a transparent substrate and an SOI substrate;
An optical element layer forming step of forming the optical element formation layer on one of the transparent substrate and the SOI substrate to form an optical element layer structure;
A bonding step of bonding another substrate different from the first substrate among the transparent substrate and the SOI substrate and the optical element layer structure with a Si substrate of the SOI substrate facing outside to form a bonded body;
An electronic element layer forming step of polishing the Si substrate of the joined body to form the electronic element forming layer;
The manufacturing method characterized by having.
前記透明基板上には前記第1の接合層と接合し得る第2の接合層が形成され、前記第1の接合層及び前記第2の接合層を接合して前記接合体を形成することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 The optical element formation layer is formed on the SOI substrate, and a first bonding layer is formed on the optical element formation layer,
A second bonding layer that can be bonded to the first bonding layer is formed on the transparent substrate, and the bonded body is formed by bonding the first bonding layer and the second bonding layer. The manufacturing method of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
前記第1及び第2の光素子形成層は互いに異なる第1及び第2の発光波長を有する発光層を有し、
前記第1及び第2の素子形成層上に互いに接合し得る第1及び第2の接合層が形成されることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 The optical element layer forming step includes forming first and second optical element formation layers on the transparent substrate and the SOI substrate,
The first and second optical element formation layers have light emitting layers having first and second emission wavelengths different from each other,
The manufacturing method according to claim 1, wherein first and second bonding layers that can be bonded to each other are formed on the first and second element formation layers.
前記電子素子形成層から前記第1の接合層に達する溝を形成して発光素子を形成し、前記溝から露出する前記第1の接合層に前記発光素子の電極を形成する電極形成ステップと、
前記電子素子形成層に電子素子を形成する電子素子形成ステップと、
を有することを特徴とする製造方法。 An OEIC manufacturing method using an optoelectronic integrated circuit (OEIC) substrate manufactured by the method of claim 2, comprising:
An electrode forming step of forming a light emitting element by forming a groove reaching the first bonding layer from the electronic element forming layer, and forming an electrode of the light emitting element in the first bonding layer exposed from the groove;
An electronic element forming step of forming an electronic element in the electronic element forming layer;
The manufacturing method characterized by having.
前記電子素子形成層に形成され、入力光信号に応じた受光信号を生成する受光素子と、
前記電子素子形成層に形成され、前記受光信号に基づいて駆動信号を生成する電子回路と、
前記光素子形成層に形成され、前記駆動信号に応じた出力信号光を放出する発光素子と、を有することを特徴とするOEIC。 An OEIC using an optoelectronic integrated circuit (OEIC) substrate manufactured by the method according to claim 1,
A light receiving element that is formed in the electronic element forming layer and generates a light receiving signal according to an input optical signal;
An electronic circuit formed in the electronic element formation layer and generating a drive signal based on the received light signal;
An OEIC comprising: a light emitting element that is formed in the optical element formation layer and emits output signal light corresponding to the drive signal.
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