JP2014522576A - 半導体への高濃度活性ドーピングおよびこのようなドーピングにより生成される半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2011年6月10日出願の米国仮出願第61/495,455号の利益を主張するものであり、同仮出願の全体を参照によって本願に援用する。
本発明は、海軍空中戦センター航空機部門から落札した契約第N00421−03−9−002号および空軍科学研究局から落札した契約第FA9550−06−1−0470号に基づく政府の支援を受けて成された。政府が本発明における特定の権限を有する。
デルタドーパント層を用いるGe in situドーピングとex situドーピング
ホットウォールUHVCVD成膜装置を使って、Ge層を6”のSi(100)基板上にエピタキシャル成長させた。まず、厚さ30nmのGeバッファ層を360℃の温度でSi基板上に直接成長させた。次に、温度を650℃に上げ、3.8sccmのGeH4と12sccmのPH3のガスフローにより、ドーピングレベル1×1019cm−3でリンをin situドーピングした、厚さ300nmのGe層を成長させた。比較のためにGe成長中にin situドーピングを行わずに、厚さ300nmのGe層も成長させた。
D0 *=2.2×10−4cm2/sであり、これはほぼ予測された計算と同程度である。伸長歪Geの真性キャリア濃度は、600℃で2.09×1017cm−3、700℃で3.88×1017cm−3であった。Ge活性層成長中のin situドーピングステップによって、アニーリング前のGe層内のキャリア濃度は7×1018cm−3に増大した。したがって、in situドープGe領域のエクストリンシック拡散率は、図10の四角で示されるように、真性Ge内の拡散率より約2桁高い。
イオン注入によるGeへのin situドーピングとex situドーピング
ホットウォールUHVCVD成膜装置を使って、Ge層を6”のSi(100)基板上にエピタキシャル成長させた。まず、厚さ30nmのGeバッファ層を360℃の温度でSi基板上に直接成長させた。次に、温度を650℃に上げ、3.8sccmのGeH4ガスフローと12sccmのPH3ガスフローにより、ドーピングレベル1×1019cm−3でリンをin situドーピングした、厚さ500nmのGe層を成長させた。
Geレーザの製造と動作
縦型注入電流励起Geレーザを前述の図7A〜7Kの製造シーケンスで製造し、その際、上記の実施例1の工程を用いて、厚さ30nmのGeバッファ層と約300nmのGe活性層を生成し、1×1019cm−3のリンドーピングでin situドーピングし、ここでは、これを図7Dに示される二酸化シリコン層内のトレンチ窓の中にメサ構造を成長させるために行った。4つの封止リンデルタ層を形成し、外方拡散を防止するために、厚さ100nmの二酸化シリコンのキャップ層を設けた。デルタドープ層からリンをGe活性層中に拡散させるための熱アニーリングを、700℃で1分間のRTAによって行った。次に、この構造を図7FのようにCMPによって平坦化し、デルタドーピング層とキャップ層を活性Ge層表面から除去した。CMPの後に残っているGe活性層の厚さを、基板全体にわたって測定したところ、表面の位置に応じて100nm〜300nmで変化することがわかった。CMP後の導波路の重大なディッシングにより、導波路内でサポートされる光モードを正確に測定することができなかった。最大の導波路で、6つのキャビティモードまでサポートできる。
Claims (40)
- 半導体材料の電気的ドーピングの方法において、
前記半導体材料のある層厚の層を形成し、その間、前記層の形成中に前記層の前記層厚全体にわたってドーパント原子をin situで混入するステップであって、形成された前記層が選択されたドーパント型の第一のドーパント濃度を有するようなステップと、
前記層の形成後に、前記半導体材料の層の前記層厚全体にわたって追加のドーパント原子をex situで混入し、前層厚全体にわたって、前記選択されたドーパント型の、前記第一のドーパント濃度より高い第二のドーパント濃度とするステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記半導体材料の層を形成するステップが、前記層を気相形成するステップと、前記層にドーパント原子を気相混入するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法において、
前記半導体材料の層を形成するステップが、基板を、前記基板上に前記半導体材料の層を形成する第一の気相種に曝露するステップと、それと同時に前記基板を、前記半導体の層の中に前記ドーパント原子を形成する第二の気相種に曝露するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
追加のドーパント原子を前記in situドープされた半導体材料の層の中にex situで混入するステップが、
前記半導体材料の層にドーパント原子の貯蔵部を形成するステップと、
前記貯蔵部からドーパント原子を前記材料の層の中に拡散させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項4に記載の方法において、
前記半導体材料の層を形成するステップが、化学気相成長法、分子線エピタキシャル法、原子層堆積法の群から選択される工程を含み、前記層にドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、化学気相成長法、分子線エピタキシャル法、原子層堆積法の群から選択される工程を含むことを特徴とする方法。 - 請求項5に記載の方法において、
前記半導体材料の層を形成するステップが、前記層の化学気相成長法からなり、前記層にドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、前記ドーパント原子の貯蔵部の化学気相成長法からなることを特徴とする方法。 - 請求項4に記載の方法において、
ドーパント原子を拡散させるステップが、前記半導体材料の層と前記ドーパント原子の貯蔵部を、前記貯蔵部からドーパント原子を前記層の全体にわたって拡散させるのに十分な温度まで加熱するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項4に記載の方法において、
ドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、前記半導体材料の層の表面上にドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層を形成するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項8に記載の方法において、
前記ドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層の上に封止層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項9に記載の方法において、
ドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層を形成するステップが、ドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層と封止層を周期的に形成して、前記半導体材料の層の表面上に、封止されたドーパント原子層の積層体を生成するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項4に記載の方法において、
ドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、前記半導体材料の層へのドーパント原子のイオン注入を含むことを特徴とする方法。 - 請求項4に記載の方法において、
前記半導体材料の層の全体を通じてドーパント原子を拡散させた後に、前記半導体材料の層から前記ドーパント原子の貯蔵部を除去するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記半導体材料中にin situでドーパント原子を混入するステップが、前記半導体材料に、少なくとも約5×1018cm−3の電気的活性化ドーパント濃度でドーピングするステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法において、
前記in situドープされた半導体材料の層の中に追加のドーパント原子をex situで混入するステップが、前記半導体材料に、少なくとも約2×1019cm−3の電気的活性化ドーパント全濃度でドーピングするステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記半導体材料がゲルマニウムを含み、前記ドーパント原子が、リン、アンチモン、ヒ素の群から選択される少なくとも1つのドーパント種を含むことを特徴とする方法。 - 光子デバイスの形成方法において、
シリコン基板上にゲルマニウム活性層を形成するステップと、
前記ゲルマニウム活性の形成中に、前記活性層にin situ n型ドーピングを行うステップと、
前記ゲルマニウム活性層の形成後に、前記活性層にn型ドーパント原子の貯蔵部を形成するステップと、
前記ドーパント原子の貯蔵部からのドーパント原子を前記ゲルマニウム活性層の全体に拡散させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、
ゲルマニウム活性層を形成するステップが、化学気相成長法、分子線エピタキシャル法、原子層堆積法の群から選択される工程を含み、前記ゲルマニウム活性層にドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、化学気相成長法、分子線エピタキシャル法、原子層堆積法の群から選択される工程を含むことを特徴とする方法。 - 請求項17に記載の方法において、
ゲルマニウム活性層を形成するステップが、前記層の化学気相成長法からなり、前記層にドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、前記ドーパント原子の貯蔵部の化学気相成長法からなることを特徴とする方法。 - 請求項18に記載の方法において、
ゲルマニウム活性層を形成するステップが、GeH4前駆ガスフローを含む化学気相成長法を含み、前記ゲルマニウム活性層のin situドーピングがPH3前駆ガスフローを含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、
ドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、前記ゲルマニウム活性層の表面上にドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層を形成するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、
前記ドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層の上に封止層を形成するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、
前記封止層がゲルマニウムの層を含むことを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、
ドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層を形成するステップが、ドーパント原子の少なくとも部分的な単原子層と封止層を周期的に形成して、前記ゲルマニウム活性層の表面上に、封止されたドーパント原子層の積層体を生成するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、
ドーパント原子の貯蔵部を形成するステップが、前記ゲルマニウム活性層へのドーパント原子のイオン注入を含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、
前記ゲルマニウム活性層の全体を通じてドーパント原子を拡散させた後に、前記ゲルマニウム活性層から前記ドーパント原子の貯蔵部を除去するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 - 光デバイスを形成するための構造において、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に配置されたゲルマニウムの活性層であって、少なくとも約5×1018cm−3のn型ドーパント濃度を含むゲルマニウム活性層と
前記ゲルマニウム活性層の上に配置された少なくとも1つのドーパント貯蔵層の積層体であって、各ドーパント貯蔵層がリンドーパント原子の少なくとも部分的単原子層からなり、前記積層体内の各ドーパント貯蔵層間にゲルマニウム封止層が配置されている積層体と、
を含むことを特徴とする構造。 - 請求項26に記載の構造において、
前記基板と前記ゲルマニウム活性層の間に配置されたゲルマニウムバッファ層をさらに含むことを特徴とする構造。 - 請求項26に記載の構造において、
前記ドーパント貯蔵層の積層体の上に配置された、アモルファスシリコンと多結晶シリコンの群から選択される層をさらに含むことを特徴とする構造。 - 請求項26に記載の構造において、
前記シリコン基板が、silicon−on−insulator基板を含むことを特徴とする構造。 - 請求項26に記載の構造において、
前記ゲルマニウム活性層が、少なくとも約2×1019cm−3の電気的活性化n型ドーパント濃度を有することを特徴とする構造。 - 電流励起光子デバイスにおいて、
2つのシリコン電極であって、各電極が前記光子デバイス全体の電気損失に寄与する電気損失率により特徴付けられるシリコン電極と、
ゲルマニウム活性層であって、前記活性層を電流励起するための前記2つのシリコン電極間に配置された活性層と、
を含み、
前記ゲルマニウム活性層が、レーザ利得媒質として電流励起ガイドモードをサポートし、その電気的活性化n型電気ドーパント濃度が、前記光子デバイス全体の電気損失を克服するために、形成された前記活性層のバックグラウンドドーパント濃度特性より高いことを特徴とするデバイス。 - 請求項31に記載のデバイスにおいて、
前記ゲルマニウム活性層が、二酸化シリコン層の窓に配置されたメサ構造であることを特徴とするデバイス。 - 請求項31に記載のデバイスにおいて、
前記シリコン電極の一方が多結晶シリコンを含むことを特徴とするデバイス。 - 請求項31に記載のデバイスにおいて、
前記シリコン電極の一方がsilicon−on−insulator基板上のシリコンの層を含むことを特徴とするデバイス。 - 請求項31に記載のデバイスにおいて、
前記ゲルマニウム活性層が、少なくとも約2×1019cm−3の電気的活性化n型ドーパント濃度を有することを特徴とするデバイス。 - 光子デバイスを形成する方法において、
第一のシリコン電極を形成するステップと、
前記第一のシリコン電極の上にゲルマニウム活性層を形成し、前記層の形成中に前記ゲルマニウム層の中にn型ドーパント原子を含め、ゲルマニウムの真性ドーパント濃度より高いバックグラウンド電気ドーパント濃度を生成するステップと、
前記ゲルマニウム活性層の表面上に第二のシリコン電極を形成するステップと、
前記形成されたゲルマニウム活性層に追加のドーパントで電気的にドープするステップであって、レーザ利得媒質として電流励起ガイドモードをサポートするためであり、その電気的活性化n型電気ドーパント濃度が、前記光子デバイスの電気損失を克服するために、前記バックグラウンドドーパント濃度より高いステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項36に記載の方法において、
前記ゲルマニウム活性層は、化学気相成長法により形成されることを特徴とする方法。 - 請求項36に記載の方法において、
第一のシリコン電極を形成するステップが、電気的にドープされたシリコン基板を提供するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項36に記載の方法において、
第二の電極を形成するステップが、前記ゲルマニウム活性層の上にアモルファスシリコンの層を形成するステップと、前記アモルファスシリコンを多結晶シリコンに変換するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項36に記載の方法において、
前記形成されたゲルマニウム活性層に電気的にドーピングするステップが、前記ゲルマニウム活性層に、少なくとも約2×1019cm−3の電気的活性化n型ドーパント濃度でドーピングするステップを含むことを特徴とする方法。
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