JP2015144163A - ＳｉＧｅフォトダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】高い光電変換効率を有するとともに高周波での動作特性に優れたＳｉＧｅフォトダイオードを提供する。
【解決手段】ＳｉＧｅフォトダイオード１００は、第１領域１０２ａ及び第１領域１０２ａの下部に位置する第２領域１０２ｂを有するｐ型半導体層１０２と、ｐ型半導体層１０２の第１領域１０２ａ上に形成されたｉ型半導体層１０３と、ｉ型半導体層１０３上に形成されたｎ型半導体層１０４と、を備え、第１領域１０２ａの不純物濃度が第２領域１０２ｂの不純物濃度よりも低濃度である。
【選択図】図１
【解決手段】ＳｉＧｅフォトダイオード１００は、第１領域１０２ａ及び第１領域１０２ａの下部に位置する第２領域１０２ｂを有するｐ型半導体層１０２と、ｐ型半導体層１０２の第１領域１０２ａ上に形成されたｉ型半導体層１０３と、ｉ型半導体層１０３上に形成されたｎ型半導体層１０４と、を備え、第１領域１０２ａの不純物濃度が第２領域１０２ｂの不純物濃度よりも低濃度である。
【選択図】図１
Description
本発明は、赤外を含む光の信号を電気信号に変換するＳｉＧｅフォトダイオードに関する。
ｐ型半導体層上にｉ型半導体層とｎ型半導体層を積層して構成されたｐｉｎ構造の受光素子が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。ｉ型半導体層の形成方法として、例えば、ｐ型半導体層の表面をなす結晶面上にｉ型半導体の結晶層をエピタキシャル成長させる方法が用いられる。
Yasuhiro Sato and Masahiko Maeda、"Study of HF-treated heavily-doped Si surface using contact angle measurements"、Japanese Journal of Applied Physics、１９９４年１２月、Vol.33、p.6508-6513
ｐｉｎ構造の受光素子において光電変換効率を向上させるために、ｉ型半導体層が良好な結晶性を有していることが望まれる。ｐ型半導体層の表面をなす結晶面上にｉ型半導体の結晶層をエピタキシャル成長させる場合、結晶性の良好なｉ型半導体層を得るには、下地層であるｐ型半導体層の不純物濃度を低くすることが必要である。その理由は、ｉ型半導体層を成長させる前の前処理として、下地層であるｐ型半導体層の表面に形成される自然酸化膜をフッ酸（ＨＦ）で除去することで、シリコン（ｐ型半導体層）表面のダングリングボンドを水素終端する処理を行うが、ｐ型半導体層の不純物濃度が高いとシリコン表面が水素終端しにくく、酸化膜が残りやすい傾向となって、この残った酸化膜がｉ型半導体層のエピタキシャル成長を阻害するからである。しかしながら、ｐ型半導体層の不純物濃度を低くすると、電極層としての電気抵抗が大きくなり、受光素子の高周波での動作特性が低下してしまう。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、高い光電変換効率を有するとともに高周波での動作特性に優れた受光素子を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、第１領域及び前記第１領域の下部に位置する第２領域を有するｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層の前記第１領域上に形成された第１ＳｉＧｅ層よりなるｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層上に形成されたｎ型半導体層と、を備え、前記第１領域の不純物濃度が前記第２領域の不純物濃度よりも低濃度である、ことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ｐ型半導体層は、前記第１領域の側部に金属電極と接続するための第３領域を有し、前記第３領域の不純物濃度が前記第１領域の不純物濃度よりも高濃度である、ことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第３領域のうち前記金属電極と接する表層部の不純物濃度が前記第１領域の不純物濃度よりも高濃度であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第３領域のうち前記金属電極と接する表層部の不純物濃度が前記第１領域の不純物濃度よりも高濃度であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ｐ型半導体層は、前記第２領域の下部に第４領域を有し、前記第４領域の不純物濃度が前記第２領域の不純物濃度よりも低濃度である、ことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１領域の不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ｐ型半導体層における前記第１領域の厚さは、５０ｎｍ以下であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第３領域の不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ｐ型半導体層における前記第１領域の厚さは、５０ｎｍ以下であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第３領域の不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ｎ型半導体層は、前記第１ＳｉＧｅ層を覆うように形成された第２ＳｉＧｅ層よりなる保護膜のうち前記第１ＳｉＧｅ層の上面部分にｎ型不純物がドープされた半導体層であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、ｎ型不純物が更に前記第１ＳｉＧｅ層の表層にドープされたことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第２ＳｉＧｅ層のＳｉの組成は、前記第１ＳｉＧｅ層のＳｉの組成よりも大きいことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、ｎ型不純物が更に前記第１ＳｉＧｅ層の表層にドープされたことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第２ＳｉＧｅ層のＳｉの組成は、前記第１ＳｉＧｅ層のＳｉの組成よりも大きいことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ｐ型半導体層は、埋め込み酸化膜層上のＳＯＩ層にｐ型不純物がドープされた半導体層であることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記埋め込み酸化膜層からなる下部クラッド層、前記ＳＯＩ層からなるコア層、及び前記コア層を覆う上部クラッド層により構成された導波路を備え、前記導波路は、前記ｐ型半導体層に光学的に接続されている、ことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記導波路は、前記コア層上にテーパ形状のシリコン層を有し、前記ｉ型半導体層に光学的に接続されていることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記導波路は、前記コア層上にテーパ形状のシリコン層を有し、前記ｉ型半導体層に光学的に接続されていることを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオードである。
本発明によれば、高い光電変換効率を有するとともに高周波での動作特性に優れたＳｉＧｅフォトダイオードを実現することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード１００の模式的な断面構成を示した図である。ＳｉＧｅフォトダイオード１００は、基板１０１上に形成されたｐ型半導体層１０２と、ｐ型半導体層１０２上に形成されたｉ型半導体層１０３と、ｉ型半導体層１０３上に形成されたｎ型半導体層１０４とを備えている。ｐ型半導体層１０２は、ｐ型の不純物がドープされた半導体層である。ｉ型半導体層１０３は、不純物がドープされていないシリコンゲルマニウム（ＳｉｘＧｅ１−ｘ）層である。ｎ型半導体層１０４は、ｎ型の不純物がドープされた半導体層である。このように、ＳｉＧｅフォトダイオード１００は、ｐ型の半導体層とｎ型の半導体層とによってｉ型（真性）のシリコンゲルマニウム層を挟み込んだｐｉｎ構造を有している。
ｐ型半導体層１０２は、ｉ型半導体層１０３側の上部領域である第１領域１０２ａと、基板１０１側の下部領域である第２領域１０２ｂとから構成されている。第１領域１０２ａは、ｐ型半導体層１０２の表層（最上部層）をなしており、ｉ型半導体層１０３と接している。即ち、ｉ型半導体層１０３は、ｐ型半導体層１０２の第１領域１０２ａ上に形成されている。第２領域１０２ｂは、第１領域１０２ａの下部に位置しており、基板１０１と接している。
ｐ型半導体層１０２において、第１領域１０２ａにドープされているｐ型の不純物の濃度は、第２領域１０２ｂにドープされているｐ型の不純物の濃度よりも、低濃度である。具体的には、第１領域１０２ａには、第１領域１０２ａ上にｉ型半導体層１０３を形成する前のプロセス途中において第１領域１０２ａの表面が酸化しないような十分な低濃度で、ｐ型の不純物がドープされている。これにより、結晶性の良好なｉ型半導体層１０３（シリコンゲルマニウム層）をｐ型半導体層１０２上にエピタキシャル成長させることが可能である。一方、第２領域１０２ｂには、ｐ型半導体層１０２が十分大きな電気伝導度を有するように、第１領域１０２ａより高濃度でｐ型の不純物がドープされている。これにより、ｐ型半導体層１０２の抵抗値が低下し、ＳｉＧｅフォトダイオード１００を高速動作させることが可能である。
図２は、本発明の第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００のＸＺ断面における模式的な断面構成を示した図である。ＳｉＧｅフォトダイオード２００は、ＳｉＧｅフォトダイオード１００のより詳細な構成を示したものである。ＳｉＧｅフォトダイオード２００は、埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）２０２上に形成されたｐ型シリコン層２０３と、ｐ型シリコン層２０３上に形成されたｉ型ゲルマニウム層２０４と、ｉ型ゲルマニウム層２０４上に形成されたｎ型シリコンゲルマニウム層２０５とを備えており、ｐ型シリコン層２０３、ｉ型ゲルマニウム層２０４、及びｎ型シリコンゲルマニウム層２０５によるｐｉｎ構造を有している。ｐ型シリコン層２０３、ｉ型ゲルマニウム層２０４、及びｎ型シリコンゲルマニウム層２０５は、それぞれ、図１に示されたＳｉＧｅフォトダイオード１００のｐ型半導体層１０２、ｉ型半導体層１０３、ｎ型半導体層１０４に対応する。ＳｉＧｅフォトダイオード２００は、シリコン基板２０１、ＢＯＸ層２０２、及びＢＯＸ層２０２上のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層からなる、ＳＯＩ基板を利用して作製されている。
ｐ型シリコン層２０３は、ｐ型の不純物がドープされたシリコン（Ｓｉ）からなる層である。ｐ型の不純物として、例えばホウ素（Ｂ）を用いることができる。ｐ型シリコン層２０３は、ＢＯＸ層２０２上のＳＯＩ層にｐ型不純物をドープすることによって形成されている。
ｐ型シリコン層２０３は、ｉ型ゲルマニウム層２０４側の上部領域である第１領域２０３ａと、ＢＯＸ層２０２側の下部領域である第２領域２０３ｂとを有している。第１領域２０３ａ及び第２領域２０３ｂは、平面視においてｐ型シリコン層２０３の部分的な領域であり、当該領域上にｉ型ゲルマニウム層２０４が結晶成長することとなる領域である。第１領域２０３ａは、ｐ型シリコン層２０３の表層（最上部層）をなしており、ｉ型ゲルマニウム層２０４と接している。第２領域２０３ｂは、第１領域２０３ａの下部に位置しており、ＢＯＸ層２０２と接している。
第１領域２０３ａにドープされているｐ型不純物の濃度は、第２領域２０３ｂにドープされているｐ型不純物の濃度よりも、低濃度である。具体的には、第１領域２０３ａには、第１領域２０３ａの表面が酸化しないような十分な低濃度でｐ型不純物がドープされている。例えば、第１領域２０３ａにおけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましく、更には、１×１０１８ｃｍ−３程度とすることがより好適である。このような不純物濃度であれば、第１領域２０３ａの表面がプロセスの途中で酸素を含む雰囲気に露出した場合にも、第１領域２０３ａの表面の酸化を防止する効果が得られる。一方、第２領域２０３ｂには、ｐ型シリコン層２０３が十分大きな電気伝導度を有するように、第１領域２０３ａより高濃度でｐ型不純物がドープされている。例えば、第２領域２０３ｂにおけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましく、更には、１×１０２０ｃｍ−３程度とすることがより好適である。また、第２領域２０３ｂにおけるｐ型不純物の濃度は、ｐ型シリコン層２０３内でのキャリアプラズマ吸収を避けるために、５×１０１９ｃｍ−３ｃｍ−３以下であることが好ましい。
第１領域２０３ａの厚さは、できるだけ薄いことが望ましい。ｐ型シリコン層２０３の表層の非常に薄い領域の電位が、ｐ型シリコン層２０３の表面電位、即ちｐ型シリコン層２０３の表面における水素終端のしやすさに影響を与えると考えられるからである。例えば、第１領域２０３ａの厚さは、５０ｎｍ以下とすればよい。
第１領域２０３ａの厚さは、できるだけ薄いことが望ましい。ｐ型シリコン層２０３の表層の非常に薄い領域の電位が、ｐ型シリコン層２０３の表面電位、即ちｐ型シリコン層２０３の表面における水素終端のしやすさに影響を与えると考えられるからである。例えば、第１領域２０３ａの厚さは、５０ｎｍ以下とすればよい。
ｐ型シリコン層２０３は、更に、第１領域２０３ａ及び第２領域２０３ｂの側部に第３領域２０３ｃを有している。第３領域２０３ｃは、平面視においてｐ型シリコン層２０３の部分的な領域であり、第１領域２０３ａ及び第２領域２０３ｂの端部から側方に延設されている領域である。第３領域２０３ｃにドープされているｐ型不純物の濃度は、第１領域２０３ａにドープされているｐ型不純物の濃度よりも、高濃度である。具体的には、第２領域２０３ｂと同様、第３領域２０３ｃには、ｐ型シリコン層２０３が十分大きな電気伝導度を有するように、第１領域２０３ａより高濃度でｐ型不純物がドープされている。例えば、第３領域２０３ｃにおけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましく、更には、１×１０２０ｃｍ−３程度とすることがより好適である。なお、第３領域２０３ｃのうち表層のみがｐ型不純物を高濃度に含んだ構成としてもよい。
ｉ型ゲルマニウム層２０４は、不純物がドープされていないゲルマニウム（Ｇｅ）からなる層である。ゲルマニウム層はシリコンゲルマニウム（ＳｉｘＧｅ１−ｘ）層の一例（即ちｘ＝０）である。ＳｉＧｅフォトダイオード２００のｉ型半導体層は、シリコンゲルマニウム層の一種であるゲルマニウム層から構成されている。以下、状況に応じて、ｉ型ゲルマニウム層２０４を第１シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層とも称する。ｉ型ゲルマニウム層２０４は、ｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａ上にゲルマニウムの結晶層をエピタキシャル成長させることによって形成されている。より詳細には、ｉ型ゲルマニウム層２０４は、その最下部が低温成長ゲルマニウム層２０４ａで構成されている。低温成長ゲルマニウム層２０４ａは、エピタキシャル成長時にｉ型ゲルマニウム層２０４のバッファ層（結晶歪緩和層）となる層である。上述したように、ｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａは低濃度で不純物がドープされており、その表面は酸化されずにシリコンの結晶面が現れている。そのため、結晶性の良好な低温成長ゲルマニウム層２０４ａ及びｉ型ゲルマニウム層２０４をエピタキシャル成長させることが可能である。
ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５は、ｎ型の不純物がドープされたシリコンゲルマニウム（ＳｉｘＧｅ１−ｘ）からなる層である。ｎ型の不純物として、例えばリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等を用いることができる。ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の不純物濃度は、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５が十分大きな電気伝導度を有するように、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましく、更には、１×１０２０ｃｍ−３程度とすることがより好適である。ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５は、ｉ型ゲルマニウム層（第１シリコンゲルマニウム層）２０４の上面及び側面を覆うようにシリコンゲルマニウムの結晶層である第２シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層２０５ａをエピタキシャル成長させ、更にこの第２シリコンゲルマニウム層２０５ａのうちｉ型ゲルマニウム層２０４の上面部分にｎ型不純物をドープすることによって形成されている。なお、ｉ型ゲルマニウム層２０４の側面を覆っている部分の第２シリコンゲルマニウム層２０５ａは、ｉ型ゲルマニウム層２０４の表面に存在する結晶欠陥に起因して生じるリーク電流を低減させるための保護膜として機能する。
ＳｉＧｅフォトダイオード２００の表面は、絶縁膜２０６によって覆われている。絶縁膜２０６は、例えばＳｉＯ２膜である。絶縁膜２０６のうちｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の上部には、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の表面にまで達する開口が設けられており、当該開口内には第１金属電極２０７が形成されている。更に、絶縁膜２０６のうちｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃの上部（一部分）には、ｐ型シリコン層２０３の表面にまで達する開口が設けられており、当該開口内には第２金属電極２０８が形成されている。第１金属電極２０７及び第２金属電極２０８は、受光素子２００から電流を取り出すための電極である。
図３は、上述した本発明の第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００のＹＺ断面における模式的な断面構成を示した図である。図３において、図２と同一の構成要素には同一の符号を付した。ＹＺ断面において、ＳｉＧｅフォトダイオード２００は、ＢＯＸ層２０２によって構成された下部クラッド層と、ＢＯＸ層２０２上のＳＯＩ層によって構成されたコア層２０９と、絶縁膜２０６によって構成された上部クラッド層とからなる、導波路２１０を備えている。下部クラッド層を構成するＢＯＸ層２０２、及び上部クラッド層を構成する絶縁膜２０６は、図２に示されたＢＯＸ層２０２及び絶縁膜２０６と共通のものである。コア層２０９を構成するＳＯＩ層は、図２に示されたｐ型シリコン層２０３を構成している不純物ドープ前のＳＯＩ層と共通のものである。コア層２０９は、共通のＳＯＩ層によりｐ型シリコン層２０３とシームレスに形成されている。このように、導波路２１０は、図２に示されたＳｉＧｅフォトダイオード２００のｐｉｎ構造が形成されているのと同じＳＯＩ基板を利用して、当該ｐｉｎ構造に隣接して形成されている。
ＳｉＧｅフォトダイオード２００は、導波路２１０のコア層２０９をＹ方向に伝搬してきた光がｐ型シリコン層２０３の側端部を介してｐ型シリコン層２０３へ入射するように構成されている。ｐ型シリコン層２０３へ入射した光は、ｐ型シリコン層２０３からｉ型ゲルマニウム層２０４へ次第に光のフィールドが移りながらｐｉｎ構造内をＹ方向に伝搬していき、ｉ型ゲルマニウム層２０４に光吸収される。ｉ型ゲルマニウム層２０４では、吸収した光に応じてキャリア（電子及びホール）が生成され、生成されたキャリアがそれぞれｐ型シリコン層２０３とｎ型シリコンゲルマニウム層２０５へ移動することによって、光電流が流れる。光電流は、第１金属電極２０７及び第２金属電極２０８から外部へ取り出される。ＳｉＧｅフォトダイオード２００は、ｐ型シリコン層２０３の第２領域２０３ｂと第３領域２０３ｃ、及びｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の不純物濃度が高濃度であり大きな電気伝導度を有しているため、高周波で優れた動作特性を示すことができる。
図４乃至図７は、上述した本発明の第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００の製造方法を示す工程図である。以下、ＳｉＧｅフォトダイオード２００の製造方法について説明する。
まず、図４に示されるように、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層にｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａ及び第２領域２０３ｂを形成する。具体的には、シリコン基板２０１、ＢＯＸ層２０２、及びＳＯＩ層２１１からなるＳＯＩ基板を用意し、ＳＯＩ層２１１上にレジスト膜２１２を形成する。レジスト膜２１２は、第１領域２０３ａとなる部分に開口を有するように露光・現像によって加工される。この開口を通して、ｐ型不純物（例えばホウ素（Ｂ））がＳＯＩ層２１１の内部へドープされて、ｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａと第２領域２０３ｂが形成される。ｐ型不純物は、イオン注入によってドープされる。この時、イオン（Ｂ＋）の加速エネルギーでイオンが注入される深さを制御することができる。具体的には、加速エネルギーは、注入されたイオンの濃度のピークが第２領域２０３ｂにくるようなエネルギーに設定される。これにより、不純物濃度が低濃度である第１領域２０３ａと、不純物濃度が高濃度である第２領域２０３ｂとを有したｐ型シリコン層２０３が形成される。その後、レジスト膜２１２を除去する。
なお、図４はＸＺ断面を示しており、そのため図４にはコア層２０９が描かれていないが、図４の工程に先立って、又は図４の工程の後に、ＳＯＩ層２１１をフォトリソグラフィ及びエッチングによって所望のパターンに加工することによって、ＳＯＩ層２１１からコア層２０９（図３参照）が形成される。
次に、図５に示されるように、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層にｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃを形成する。具体的には、図４の工程と同様に、第３領域２０３ｃとなる部分に開口を有するレジスト膜２１３をＳＯＩ層２１１上に形成し、レジスト膜２１３の開口を通してイオン注入によりｐ型不純物をＳＯＩ層２１１の内部へドープすることによって、ｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃが形成される。その後、レジスト膜２１３を除去する。
次に、図６に示されるように、ｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａ上にｉ型ゲルマニウム層２０４を形成する。具体的には、まずｐ型シリコン層２０３上にＳｉＯ２膜を成膜し、第１領域２０３ａに開口を有するようにこのＳｉＯ２膜をフォトリソグラフィ及びエッチングによって加工することにより、ＳｉＯ２マスク２１４を作成する。次いで、ＳｉＯ２マスク２１４の開口部分に、エピタキシャル成長によって低温成長ゲルマニウム層２０４ａ及びｉ型ゲルマニウム層２０４を順次形成する。前述したように、ｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａの表面は酸化されずにシリコンの結晶面が現れているため、結晶性の良好な低温成長ゲルマニウム層２０４ａ及びｉ型ゲルマニウム層２０４をエピタキシャル成長させることが可能である。
次に、図７に示されるように、ｉ型ゲルマニウム層２０４上にｎ型シリコンゲルマニウム層２０５を形成する。具体的には、まず低温成長ゲルマニウム層２０４ａ及びｉ型ゲルマニウム層２０４からなる第１シリコンゲルマニウム層を覆うように、第２シリコンゲルマニウム層２０５ａをエピタキシャル成長させる。次いで、ｉ型ゲルマニウム層２０４の上部に開口を有するレジスト膜２１５を形成し、このレジスト膜２１５の開口を通してｉ型ゲルマニウム層２０４の上面部分の第２シリコンゲルマニウム層２０５ａへイオン注入によりｎ型不純物（例えばリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等）をドープすることによって、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５が形成される。
最後に、第１金属電極２０７及び第２金属電極２０８を形成する（図２参照）。具体的には、まずｎ型シリコンゲルマニウム層２０５及びｐ型シリコン層２０３を覆うように絶縁膜２０６を成膜する。次いで、成膜した絶縁膜２０６のうちｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の上部及びｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃの上部（一部分）に、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、それぞれｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の表面及びｐ型シリコン層２０３の表面にまで達する開口を形成する。そして、これらの開口の内部を金属材料で充填することによって、第１金属電極２０７及び第２金属電極２０８が形成される。
以上の工程により、図２及び図３に示されるＳｉＧｅフォトダイオード２００が完成する。
図８は、本発明の第３実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード３００の模式的な断面構成を示した図である。ＳｉＧｅフォトダイオード３００は、ＸＺ断面及びＹＺ断面において同一の構造を有する。図８において、前述した第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００と同一の構成要素には同一の符号を付した。ＳｉＧｅフォトダイオード３００は、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の上部において第１金属電極３０１の中央部にｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の表面にまで達する開口が設けられており、当該開口内に透明な保護膜３０２が形成されている点が、第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００と異なる。保護膜３０２は、例えばＳｉＯ２膜である。ＳｉＧｅフォトダイオード３００のその他の部分の構成は、第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００と同一である。
ＳｉＧｅフォトダイオード３００は、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５の上方向からの光が保護膜３０２とｎ型シリコンゲルマニウム層２０５を介してｉ型ゲルマニウム層２０４へ入射するように構成されている。入射した光はｉ型ゲルマニウム層２０４に吸収されて、ＳｉＧｅフォトダイオード２００の場合と同様に、ｉ型ゲルマニウム層２０４では、吸収した光に応じてキャリア（電子及びホール）が生成され、生成されたキャリアがそれぞれｐ型シリコン層２０３とｎ型シリコンゲルマニウム層２０５へ移動することによって、光電流が流れる。光電流は、第１金属電極３０１及び第２金属電極２０８から外部へ取り出される。
図９は、本発明の第４実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード４００のＸＺ断面における模式的な断面構成を示した図である。図１０は、当該ＳｉＧｅフォトダイオード４００のＹＺ断面における模式的な断面構成を示した図である。図９及び図１０において、前述した第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００と同一の構成要素には同一の符号を付した。ＳｉＧｅフォトダイオード４００は、ｉ型ゲルマニウム層２０４の側部にエピタキシャル成長によって形成されたシリコン層４０１及び４０２を有している点が、第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００と異なる。ＳｉＧｅフォトダイオード４００のその他の部分の構成は、第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００と同一である。
シリコン層４０２は、導波路２１０のコア層２０９上に形成されている。シリコン層４０２の側面のうち絶縁膜２０６（上部クラッド層）との界面をなしている側面４０２ａは、基板面（ＸＹ面）に対して傾斜した斜面として構成されている。これにより、コア層２０９とシリコン層４０２とからなる導波路２１０の実質的なコア層の厚さは、図１０においてＹ方向に行くほど厚くなっている。即ち、シリコン層４０２は、導波路２１０の実質的なコア層の厚さを変化させるテーパ型コア層である。このように、導波路２１０は、高さ方向（Ｚ方向）にコア層の厚さが変化するテーパ型導波路を構成している。
ＳｉＧｅフォトダイオード４００において、導波路２１０のコア層２０９をＹ方向に伝搬してきた光は、コア層２０９とシリコン層４０２とからなるテーパ型導波路の部分で光のフィールドがシリコン層４０２の側へ拡大して、Ｙ方向に更に進む。このフィールドが拡大した光は、ｐ型シリコン層２０３の側端部を介してだけでなく、ｉ型ゲルマニウム層２０４の側端部からも直接、ｉ型ゲルマニウム層２０４へと入射される。よって、ＳｉＧｅフォトダイオード４００は、導波路２１０のコア層２０９をＹ方向に伝搬してきた光を効率良くｉ型ゲルマニウム層２０４へ入射させることが可能である。ｉ型ゲルマニウム層２０４では、ＳｉＧｅフォトダイオード２００の場合と同様に、入射された光が吸収されてキャリア（電子及びホール）が生成され、生成されたキャリアがそれぞれｐ型シリコン層２０３とｎ型シリコンゲルマニウム層２０５へ移動することによって、光電流が流れる。光電流は、第１金属電極２０７及び第２金属電極２０８から外部へ取り出される。
図１１乃至図１６は、上述した本発明の第４実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード４００の製造方法を示す工程図である。以下、ＳｉＧｅフォトダイオード４００の製造方法について説明する。
はじめに、図１１に示されるように、ＢＯＸ層２０２上にｐ型シリコン層２０３及びコア層２０９を形成する。これは、第２実施形態に係るＳｉＧｅフォトダイオード２００の製造方法で説明した図４及び図５の工程と同じ工程である。ｐ型シリコン層２０３は、第１領域２０３ａの不純物濃度が低濃度、第２領域２０３ｂの不純物濃度が高濃度になるように形成される。なお、図１１はＹＺ断面を示しているため、図１１にはｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃは描かれていない。
次に、図１２に示されるように、コア層２０９の一部分及びｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａを覆うようにシリコン層４０３を形成する。具体的には、まずコア層２０９及びｐ型シリコン層２０３の全面にＳｉＯ２膜を成膜し、コア層２０９の一部分及びｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａが露出するようにこのＳｉＯ２膜をフォトリソグラフィ及びエッチングによって加工することにより、ＳｉＯ２マスク４０４を作成する。次いで、ＳｉＯ２マスク４０４の開口部分に、エピタキシャル成長によってシリコン層４０３を形成する。この時、成長したシリコン層４０３の結晶面（ファセット）により、斜面４０２ａが形作られる。斜面４０２ａは、上述したように、テーパ型コア層を構成する面である。
次に、図１３に示されるように、シリコン層４０３を覆うように絶縁膜２０６を成膜し、成膜した絶縁膜２０６のうちｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａの上部をフォトリソグラフィ及びエッチングによって除去して開口を形成する。
次に、図１４に示されるように、絶縁膜２０６の開口からシリコン層４０３の一部分をエッチングして、ｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａを露出させる。シリコン層４０３のエッチングには、例えば、アルカリ溶液による異方性ウェットエッチングが適用される。エッチングで残ったシリコン層４０３のうちコア層２０９の上部の部分は、テーパ型コア層４０２となる。
次に、図１５に示されるように、露出したｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａ上にｉ型ゲルマニウム層２０４を形成する。具体的には、絶縁膜２０６の開口を通して、エピタキシャル成長によって低温成長ゲルマニウム層２０４ａ及びｉ型ゲルマニウム層２０４を順次形成する。低温成長ゲルマニウム層２０４ａ及びｉ型ゲルマニウム層２０４は、絶縁膜２０６の開口内のテーパ型コア層４０２及びシリコン層４０１をマスクとして、結晶成長する。前述したように、ｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａの表面は酸化されずにシリコンの結晶面が現れているため、結晶性の良好な低温成長ゲルマニウム層２０４ａ及びｉ型ゲルマニウム層２０４をエピタキシャル成長させることが可能である。
次に、図１６に示されるように、ｉ型ゲルマニウム層２０４上にｎ型シリコンゲルマニウム層２０５を形成する。具体的には、まずｉ型ゲルマニウム層２０４（第１シリコンゲルマニウム層）上にエピタキシャル成長によってシリコンゲルマニウムの結晶層（第２シリコンゲルマニウム層）を成長させる。次いで、このシリコンゲルマニウム結晶層にイオン注入によりｎ型不純物（例えばリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等）をドープすることによって、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５が形成される。
最後に、第１金属電極２０７及び第２金属電極２０８を形成する（図９及び図１０参照）。具体的には、絶縁膜２０６のうちｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃの上部（一部分）に、フォトリソグラフィ及びエッチングによってｐ型シリコン層２０３の表面にまで達する開口を形成し、この開口の内部、及び図１３の工程で形成した絶縁膜２０６の開口の内部を金属材料で充填することによって、第１金属電極２０７及び第２金属電極２０８が形成される。
以上の工程により、図９及び図１０に示されるＳｉＧｅフォトダイオード４００が完成する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。変形例のいくつかを以下に述べる。
第１実施形態乃至第４実施形態において、ｐ型半導体層１０２の第１領域１０２ａ及びｐ型シリコン層２０３の第１領域２０３ａは、均一な不純物濃度を有する領域であってもよいし、不純物の濃度分布（濃度勾配）を有する領域であってもよい。同様に、ｐ型半導体層１０２の第２領域１０２ｂ及びｐ型シリコン層２０３の第２領域２０３ｂは、均一な不純物濃度を有する領域であってもよいし、不純物の濃度分布（濃度勾配）を有する領域であってもよい。即ち、第１実施形態乃至第４実施形態において、ｐ型半導体層１０２及びｐ型シリコン層２０３は、ｉ型半導体層１０３及びｉ型ゲルマニウム層２０４と接する側の表面における不純物濃度が、内部（即ち当該表面よりも下部側）の不純物濃度よりも低濃度となるように形成されていることが必要であるが、第１領域（１０２ａ、２０３ａ）及び第２領域（１０２ｂ、２０３ｂ）の各領域内における濃度分布は不問である。一例として、ｐ型半導体層１０２及びｐ型シリコン層２０３は、表面からの深さが深くなるにつれて次第に不純物濃度が高くなるように形成されていてもよい。また、ｐ型半導体層１０２及びｐ型シリコン層２０３は、表面からの深さが深くなるにつれて次第に不純物濃度が高くなり、深さの中央付近において不純物濃度が最大となり、深さがそれよりも深くなると次第に不純物濃度が低くなるように形成されていてもよい。
第１実施形態乃至第４実施形態において、ｐ型半導体層１０２及びｐ型シリコン層２０３は、第２領域１０２ｂ、２０３ｂの下部に、第２領域１０２ｂ、２０３ｂよりも不純物濃度が低濃度である第４領域を更に備えていてもよい。即ち、ｐ型半導体層１０２及びｐ型シリコン層２０３は、下から順に低濃度の第４領域、高濃度の第２領域１０２ｂ、２０３ｂ、低濃度の第１領域が積層した３層構造であってもよい。
第２実施形態乃至第４実施形態において、ｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃは、その上層側（第２金属電極２０８と接する側）が不純物濃度の高い層で構成され、下層側が不純物濃度の低い層で構成されてもよい。
第２実施形態乃至第４実施形態において、ｐ型シリコン層２０３の第３領域２０３ｃは、その上層側（第２金属電極２０８と接する側）が不純物濃度の高い層で構成され、下層側が不純物濃度の低い層で構成されてもよい。
第２実施形態乃至第４実施形態において、ｉ型ゲルマニウム層２０４に代えて、シリコンとゲルマニウムの組成比ｘが例えば０＜ｘ≦０．５の範囲のｉ型シリコンゲルマニウム（ＳｉｘＧｅ１−ｘ）層を採用してもよい。使用波長に応じて、最適な組成比ｘを選択してもよい。
第２実施形態乃至第４実施形態において、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５に代えて、ｎ型シリコン層を採用してもよい。
第２実施形態乃至第４実施形態において、ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５に代えて、ｎ型シリコン層を採用してもよい。
第２実施形態乃至第４実施形態において、ｉ型の第１シリコンゲルマニウム層２０４におけるシリコンとゲルマニウムの組成比と、ｎ型の第２シリコンゲルマニウム層２０５におけるシリコンとゲルマニウムの組成比は、異なっていてもよいし、同じであってもよい。例えば、第１シリコンゲルマニウム層２０４におけるシリコンの組成よりも、第２シリコンゲルマニウム層２０５におけるシリコンの組成を大きくしてもよい。第１シリコンゲルマニウム層２０４を保護する保護膜（第２シリコンゲルマニウム層２０５）としては、純粋なシリコン層の方が安定で好ましいが、第１シリコンゲルマニウム層２０４上にシリコンを結晶性良く成長させることは、シリコンとシリコンゲルマニウムとで結晶格子定数の相違が大きいことから難しい。また、第２シリコンゲルマニウム層２０５が純粋なシリコン層である場合、ｎ型不純物をドーピングした後に必要な活性化アニール温度が高くなり、ドープされた不純物が拡散しやすくなってしまう。活性化アニール温度を低くすることにより、不純物の拡散を抑制することができるが、不純物の活性化が不十分となったり、イオン注入による結晶欠陥の回復が不十分となったりしてしまう。これらのことから、第２シリコンゲルマニウム層２０５は、純粋なシリコン層ではなく、シリコンゲルマニウム層とした方がよい。
第２実施形態乃至第４実施形態において、第１シリコンゲルマニウム層２０４の表層部（第２シリコンゲルマニウム層２０５と接している領域）にｎ型の不純物がドープされた構成としてもよい。この構成では、第１シリコンゲルマニウム層２０４の表層部の抵抗が下がるので、ＳｉＧｅフォトダイオードの高周波における動作特性を更に向上させることができる。第１シリコンゲルマニウム層２０４の表層部へのｎ型不純物のドーピングは、第２シリコンゲルマニウム層２０５へｎ型不純物をドーピングする工程（第２実施形態で説明した図７の工程及び第４実施形態で説明した図１６の工程）で行うことができる。例えば、第２シリコンゲルマニウム層２０５の厚さが薄い場合には、第２シリコンゲルマニウム層２０５へイオン注入でｎ型不純物をドーピングする際に、ｎ型不純物の一部は、第２シリコンゲルマニウム層２０５を通り抜けて第１シリコンゲルマニウム層２０４の表層へドープされる。または、イオン注入の加速エネルギーを変えて、第２シリコンゲルマニウム層２０５へのイオン注入と第１シリコンゲルマニウム層２０４へのイオン注入を２段階で行ってもよい。
ｎ型シリコンゲルマニウム層２０５を形成するための不純物のドーピング方法として、イオン注入ではなく、シリコンゲルマニウム層をエピタキシャル成長させる際に、原料ガスであるシラン（ＳｉＨ４）とゲルマン（ＧｅＨ４）にホスフィン（ＰＨ３）を混合するｉｎ−ｓｉｔｕドーピングを採用してもよい。
１００ ＳｉＧｅフォトダイオード
１０１ 基板
１０２ ｐ型半導体層
１０３ ｉ型半導体層
１０４ ｎ型半導体層
２００ ＳｉＧｅフォトダイオード
２０１ シリコン基板
２０２ 埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）
２０３ ｐ型シリコン層
２０４ ｉ型ゲルマニウム層
２０５ ｎ型シリコンゲルマニウム層
２０６ 絶縁膜
２０７ 第１金属電極
２０８ 第２金属電極
２０９ コア層
２１０ 導波路
２１１ ＳＯＩ層
２１２ レジスト膜
２１３ レジスト膜
２１４ ＳｉＯ２マスク
２１５ レジスト膜
３００ ＳｉＧｅフォトダイオード
３０１ 第１金属電極
３０２ 保護膜
４００ ＳｉＧｅフォトダイオード
４０１ シリコン層
４０２ テーパ型コア層
４０３ シリコン層
４０４ ＳｉＯ２マスク
１０１ 基板
１０２ ｐ型半導体層
１０３ ｉ型半導体層
１０４ ｎ型半導体層
２００ ＳｉＧｅフォトダイオード
２０１ シリコン基板
２０２ 埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）
２０３ ｐ型シリコン層
２０４ ｉ型ゲルマニウム層
２０５ ｎ型シリコンゲルマニウム層
２０６ 絶縁膜
２０７ 第１金属電極
２０８ 第２金属電極
２０９ コア層
２１０ 導波路
２１１ ＳＯＩ層
２１２ レジスト膜
２１３ レジスト膜
２１４ ＳｉＯ２マスク
２１５ レジスト膜
３００ ＳｉＧｅフォトダイオード
３０１ 第１金属電極
３０２ 保護膜
４００ ＳｉＧｅフォトダイオード
４０１ シリコン層
４０２ テーパ型コア層
４０３ シリコン層
４０４ ＳｉＯ２マスク
Claims (15)
- 第１領域及び前記第１領域の下部に位置する第２領域を有するｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層の前記第１領域上に形成された第１ＳｉＧｅ層よりなるｉ型半導体層と、
前記ｉ型半導体層上に形成されたｎ型半導体層と、を備え、
前記第１領域の不純物濃度が前記第２領域の不純物濃度よりも低濃度である、
ことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオード。 - 前記ｐ型半導体層は、前記第１領域の側部に金属電極と接続するための第３領域を有し、
前記第３領域の不純物濃度が前記第１領域の不純物濃度よりも高濃度である、
ことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。 - 前記第３領域のうち前記金属電極と接する表層部の不純物濃度が前記第１領域の不純物濃度よりも高濃度であることを特徴とする請求項２に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- 前記ｐ型半導体層は、前記第２領域の下部に第４領域を有し、
前記第４領域の不純物濃度が前記第２領域の不純物濃度よりも低濃度である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。 - 前記第１領域の不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- 前記ｐ型半導体層における前記第１領域の厚さは、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- 前記第３領域の不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- 前記ｎ型半導体層は、前記第１ＳｉＧｅ層を覆うように形成された第２ＳｉＧｅ層よりなる保護膜のうち前記第１ＳｉＧｅ層の上面部分にｎ型不純物がドープされた半導体層であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- ｎ型不純物が更に前記第１ＳｉＧｅ層の表層にドープされたことを特徴とする請求項８に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- 前記第２ＳｉＧｅ層のＳｉの組成は、前記第１ＳｉＧｅ層のＳｉの組成よりも大きいことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- 前記ｐ型半導体層は、埋め込み酸化膜層上のＳＯＩ層にｐ型不純物がドープされた半導体層であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- 前記埋め込み酸化膜層からなる下部クラッド層、前記ＳＯＩ層からなるコア層、及び前記コア層を覆う上部クラッド層により構成された導波路を備え、
前記導波路は、前記ｐ型半導体層に光学的に接続されている、
ことを特徴とする請求項１１に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。 - 前記導波路は、前記コア層上にテーパ形状のシリコン層を有し、前記ｉ型半導体層に光学的に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
- ｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｉ型半導体層と、
前記ｉ型半導体層上に形成されたｎ型半導体層と、を備え、
前記ｐ型半導体層の前記ｉ型半導体層側の表面における不純物濃度が、前記ｐ型半導体層の内部における不純物濃度よりも低濃度である、
ことを特徴とするＳｉＧｅフォトダイオード。 - 前記ｐ型半導体層は、前記ｐ型半導体層の内部において最大の不純物濃度を有することを特徴とする請求項１４に記載のＳｉＧｅフォトダイオード。
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