JP2015526833A - シリコン光源およびそれを応用したデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】室温において、２００ｎｍ未満の半値全幅（ＦＷＨＭ）および５０％を超えるフォトルミネッセンス量子効率を有し、１３２０ｎｍで単一波長を放射する、新規なシリコン（Ｓｉ）半導体光源を提供する。【解決手段】ベースとなる半導体（４）は、重水、すなわち酸化ジュウテリウム（Ｄ２Ｏ）を含む酸蒸気により処理されたなの多孔質シリコン表面層（３）を含む。【選択図】図５（ａ）

Description

本発明は、新規なシリコン（Ｓｉ）半導体光源およびそれを応用したデバイスに関するものである。

本主題に関連する可能性のある特許および文献をここに提示する。

本明細書の背景技術の一部は、六フッ化アンモニウムシリコン（ＮＨ_４）_２ＳｉＦ_６がシリコンウェーハ表面に形成される、酸蒸気(acid vapor)によるＳｉウェーハの表面処理作業の発展にある。例えば、以下を参照することができる。

特許文献１；非特許文献１; 非特許文献２; 非特許文献３。

シリコンベース赤外光源は、ウェーハボンディングによって配向された転位網から得ることができる。しかし、この方法によって得られる光源は、７５０ｎｍから１９００ｎｍの間のブロードな放射がもたらされる：非特許文献４; 特許文献２。

このアプローチによって得られる光源は新規の電子デバイスを実現するための基礎を築いた。１．５μｍの変調器を一例として挙げることができる：非特許文献５。

吸収されずに多くの半導体を透過する能力のため、光源を備えた新規の光トランジスタが種々の方法およびデバイス構造により研究されてきた：非特許文献６。

さらに、特許文献３；特許文献４によってＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体についても研究されてきた。

特許文献２：ウェーハボンディングにより得られ、低温でのみ観測できる１．３μｍおよび１．５μｍのフォトルミネッセンス。

非特許文献１１；非特許文献１２; 非特許文献１３：室温でのフォトニック結晶において、１．３μｍと１．６μｍの間のブロードなルミネッセンス。

ジュウテリウム（重水素）は、半導体の研究および製造においてさまざまな目的のために使用されてきた。

例えば、ジュウテリウムを使用して電子デバイスに使用されるいくつかの材料の誘電特性を改善してきた：非特許文献１４。この作業は原子層堆積（ＡＬＤ）によってＨｆＯ_２を改善することを目的としていた。

ジュウテリウムは低損失光学材料の製造に用いられた。例えば、特許文献５を参照することができる。

ＭＯＳ構造の改善は、ジュウテリウム雰囲気においてアニーリングすることによって行われてきた：特許文献６。

ジュウテリウムはＳｉウェーハ表面の洗浄およびパッシベーションのためにＨＦ蒸気とともに用いられてきた：非特許文献１５。

ジュウテリウムはＳｉ−ＳｉＯ２界面において非常に有効にダングリングボンドを満たすため、トラップ密度を低減し、このことは低電圧におけるＣＭＯＳ特性の改善につながる：非特許文献１６。

別の研究ではフォトルミネッセンスの低減を防止することが分かった：非特許文献１７。

別の研究において、ジュウテリウム雰囲気においてアニーリングされたウェーハ上に製造されたトランジスタによってトランジスタの性能が向上したことが示された：特許文献７。

ユーラシア特許第013649 B1号 国際出願公開第2007/138078 A1号 米国特許公開第2010/0272140 A1号 米国特許第7,693,195 B2号 国際出願公開第01/92923 A1号 国際出願公開第94/19829号 米国特許第005872387 A号 米国特許第6,248,539号

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半導体産業における１３２０ｎｍの光通信ウィンドウで動作するシリコンベース光源に対する必要性がますます重要なものとなりつつある。この波長で動作する光源は、マルチチップモジュールにおける相互接続からプリント回路基板および自由空間光通信に及ぶ複数の用途において鍵となるパラメータである。

間接バンドギャップ材料としては、シリコンは室温で応用するために有用な光を放射できない。光放射は転位のため赤外線において観測できる。しかし、これらの放射強度は室温では非常に弱いため、役に立たない。実証されるデバイスは８００〜１８００ｎｍでブロードな複数のピーク発光帯を有する：非特許文献７; 非特許文献８。

シリコン量子ドットおよびゲルマニウム量子ドットを含有するシリコンから赤外線領域（８００〜１８００ｎｍ）における光放射を観測することが可能である。さらに、小規模化および歪みがおよそ１１００ｎｍでの帯端放射を強化することが実証された。欠陥および不純物は常にサブバンドギャップ放射につながることができる。しかし、これらの放射は方法、材料および放射エネルギーの観点から本発明の範囲外である。例えば、非特許文献９; 非特許文献１０を参照することができる。

最先端の技術によると、重水含有酸蒸気（ＨＦ：ＨＮＯ_３：Ｄ_２Ｏ）を用いたシリコンによる単一ピーク放射を実証する製品はない。さらに、どの電子デバイスもこれまで同じ方法および技術を用いて製造されていない。

本発明者により、５０％を超えるルミネッセンス量子効率を有し、１３２０ｎｍで単一ピークのみを放射するシリコン光源が、ジュウテリウム含有ＨＦ：ＨＮＯ_３酸蒸気を用いて初めて製造された。本発明は、８００ｎｍから１８００ｎｍまでの赤外線帯における単一放射および重水用途の観点から、他とは異なる特徴を有する。

本発明は、２００ｎｍ未満の半値全幅（ＦＷＨＭ）および室温で５０％を超えるフォトルミネッセンス量子効率を有し、８００〜１８００ｎｍの間の赤外線において１３２０ｎｍで単一ピークを放射する、新規なシリコン（Ｓｉ）半導体光源の製造方法およびデバイスの応用を提供する。

本発明は、フォトニック部品を提供することによって、シリコン技術に対する興味深い解決策を提示する。

本発明は、次世代光学および電子デバイスでの使用に対する大きな可能性を有し、かつ８００〜１８００ｎｍの間の赤外線領域において１３２０ｎｍで強力な単一ピークを放射する、新規の光源およびデバイスを製造する方法を提供する。この方法はＳｉ−Ｏ−Ｓｉ、Ｓｉ−ＤおよびＮ−Ｄ原子結合（ここでＮは窒素、Ｏは酸素、Ｄはジュウテリウムである）の形成を含む表面酸化プロセスからなる。

半導体製造に関連する本発明の光源は、重水または酸化ジュウテリウム（Ｄ_２Ｏ）を含有する酸蒸気によって処理されたシリコン表面、および１３２０ｎｍで光を放射するこの表面上の層を含む。

本発明は、優れた光学特性を有する新規なシリコンの製造に関し、このシリコンは帯端、欠陥および転位から生じる放射（例えば、およそ１１００ｎｍでの帯端放射、およそ１５００ｎｍでの転位、およびその他の欠陥放射）を含まない。

重水−酸蒸気により処理されたウェーハの断面ＳＥＭ画像である。 ナノ多孔質シリコン層の表面ＳＥＭ画像である。 ２０分間処理したｐ型Ｓｉ（１００）ウェーハに対する相互作用の初期段階を示す、重水処理ＳｉウェーハのＦＴＩＲスペクトルを示す。 ６時間処理したｐ型Ｓｉ（１１１）ウェーハの長時間にわたる表面改質を示す重水処理ＳｉウェーハのＦＴＩＲスペクトルを示す。 重水プロセスにより処理されたシリコンウェーハから得られるフォトルミネッセンス光放射を示す。 重水蒸気により処理されたダイオードの概略的構造を示す図であり、金属はナノ多孔質シリコン層に接触している。 重水蒸気により処理されたダイオードの概略的構造を示す図であり、金属は重水素化六フッ化アンモニウムシリコンに接触している。 重水プロセスにより処理されたウェーハ上に作成されたダイオードのＩ−Ｖ特性のグラフを示す。 電気部品を表す、自然光出力を有する重水プロセスにより作製された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）構造を示す図である。 重水処理により形成された活性層を有するシリコンリッジ型レーザの構造の概略図である。 活性領域が重水処理プロセスにより形成されるＶＣＳＥＬレーザ構造の概略図である。 トランジスタの電気部品を表す、自然光出力信号を有するヘテロバイポーラトランジスタの実施例を示す。

本発明の具体的な実施形態は、３２０ｎｍで赤外線領域において動作する発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、本発明は従来のシリコンメタライゼーション技術によるこのデバイスの実現を確実なものとする。

また、シリコンウェーハの新規な発光特性を用いた、トランジスタ、センサ、レーザおよび発光素子（ＬＥＤ）などの２および３端子デバイスの製造プロセスを開示する。

ＬＥＤ、レーザ、センサまたは光出力トランジスタを製造するために、シリコンウェーハ表面を、重水すなわち酸化ジュウテリウムＤ_２Ｏ含有酸蒸気によって処理する。

ＨＦ：ＨＮＯ_３：Ｄ_２Ｏの化学的混合物を用いて酸蒸気を生成する。ここで、ＨＦ溶液の重量比は４０％と５０％の間であることができる。ＨＮＯ_３溶液の重量比は６０％と７０％の間である。処理は室温で行われる。

本発明者の試験において用いるＨＦおよびＨＮＯ_３の重量比は典型的にはそれぞれ４８％と６５％である。この溶液は半導体用グレードまたは解析用ＧＲである。

ＨＦ：ＨＮＯ_３：Ｄ_２Ｏ混合物は２〜７単位体積のＨＦ、１〜１２単位体積のＨＮＯ_３および１〜６単位体積のＤ_２Ｏを用いて生成できる。

ウェーハとしては、ｐ型（５〜２０Ｏｈｍ・ｃｍ）およびｎ型（５〜１０Ｏｈｍ・ｃｍ）導電率、＜１００＞および＜１１１＞結晶方位を有するシリコンが処理に用いられてきた。さらに、Ｎ＋およびＰ＋ドープを有する高濃度ドープシリコンウェーハを用いた。

上述した方法によって処理されたウェーハは、フォトルミネッセンス（ＰＬ）、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの技術を用いて試験できる。これらの試験は室温で行われた。

図１（ａ）は、ウェーハ表面がＨＦ：ＨＮＯ_３：Ｄ_２Ｏ化学的混合物によって処理されたときのウェーハ（４）表面上に形成される構造のＳＥＭ断面画像を示す。この図に示すように、表面にはメソ多孔質またはナノ多孔質構造を有する。

本方法により処理されたウェーハ表面は、メソ多孔質またはナノ多孔質シリコン層（３）、および多孔質ジュウテリウムを有する重水素化六フッ化アンモニウムシリコン層（６）（ＮＤ_４）_２ＳｉＦ_６を示す。ナノ多孔質層（３）はナノ多孔質シリコン層である。このナノ多孔質シリコン層（３）はＳｉＯｘとして酸化され、ここでｘはほぼ２である。

図１（ｂ）はナノ多孔質シリコン層（３）の表面のＳＥＭ画像である。表面は、数ｎｍのサイズのヒロックを有する多孔質構造を示す。より拡大した図では、この構造は、互いが鎖状に結合されたｎｍサイズの結晶粒から構成されることが容易に見てとれる。ヒロックまたは針状構造の高さは最大１００ｎｍであることができる。ヒロックの端部は、数ｎｍ直径の針状である。これらの針状構造により電流注入が容易になる。

種々の方法によってシリコン表面の多孔質構造を形成することが可能である。例えば、非特許文献１８; 非特許文献１９; 特許文献８；非特許文献２０を参照することができる。しかし、これらの方法はいずれも、５０％を超える量子効率を有し、１３２０ｎｍでの単一ピーク放射を有するシリコンを報告していない。

ジュウテリウム含有酸蒸気を使用したシリコンから１３２０ｎｍでの赤外線放射を報告する文献はない。本発明者の研究結果から明らかなように、ジュウテリウムによりシリコンウェーハ表面における励起変化が誘発される。

ＦＴＩＲの分析により、重水含有酸蒸気により処理されたＳｉウェーハの微小構造の変化が明らかになった。プロセスの初期段階を表す１１００ｃｍ^−１で観測された酸素バンド（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）の強度は、図２に示されるように２０分間の処理後非常に強いという事実により、シリコンウェーハ（４）と重水素化酸蒸気との間の反応がちょうど開始するとき強い酸化プロセスが進んでいるということが分かる。

図３に示されるように、プロセスの後期段階（６時間の処理）におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ振動モードが相対的に弱いことがこの観測結果を支持している。

ＦＴＩＲ分析の別の利点は、マトリックス内で結合したジュウテリウム原子が存在する証拠が提供されることである。これはＮ−Ｄ振動モードの存在によって示された。

図２で観測された２４２５ｃｍ^−１での振動はＮ−ＤおよびＮ−Ｄ_２振動によるものである。これらのモードは、３１３２ｃｍ^−１のＮ−Ｈモードによると１．３７ずれたためである。この比は実際、ジュウテリウムと水素原子の質量比、すなわちＤ／Ｈ＝１．３７６に非常に近い。したがって、Ｈ原子のＤ原子による置換により周波数が２４２５ｃｍ^−１にずれる。

本出願人らは２４２５ｃｍ^−１および１２６０ｃｍ^−１でのバンドをＮ−Ｄモードの伸縮振動および変角振動に帰するものとし、それらの存在および強度は、ジュウテリウムの存在を示す。

非常に薄いナノ多孔質酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）層（３）（ここで、ｘは１と２の間である）が、Ｄ_２Ｏ含有酸蒸気により処理されたＳｉウェーハの表面上に形成される。その厚みは、処理パラメータによって数ｎｍ以上数百ｎｍ以下の範囲であることができる。ＳＥＭ−ＥＤＳ測定値により、この層内の酸素原子濃度は２５％程度の高さであることができることが示される。この結果によって、ナノ多孔質シリコンが酸化される、または結晶粒が酸化被膜によって被覆されることが示される。

多孔質誘電体層（６）はナノ多孔質シリコン層（３）上に形成される。この層はジュウテリウム含有六フッ化アンモニウムシリコン（ＮＤ_４）_２ＳｉＦ_６（以下、ＤＡＳＨ）層（６）である。この層の存在および表面形成時のジュウテリウム原子が果たす役割はＦＴＩＲ分析によって決定された。

図２は、ｐ−Ｓｉ（１００）とともに２０分間、Ｄ_２Ｏ含有酸蒸気により処理されたウェーハのＦＴＩＲスペクトルを示し、図３は、ｐ−Ｓｉ（１１１）とともに６時間、Ｄ_２Ｏ含有酸蒸気により処理されたウェーハのＦＴＩＲスペクトルを示す。これらのスペクトルは、処理プロセスのちょうど初期段階で強い酸化プロセスが進んでいることを示す。時間に応じた１１００ｃｍ^−１におけるＳｉ−Ｏバンドの強度変化により必要な証拠が提示されている。２５２４ｃｍ^−１のモードはＮ−Ｄ振動と関係し、１２６０ｃｍ^−１のモードはＮ−Ｄ２振動と関係する。これらにより、ジュウテリウムはシリコンと相互作用し、ＤＡＳＨマトリックス内で結合を形成することを示す。ジュウテリウム含有六フッ化アンモニウムシリコン（ＤＡＳＨ）層（６）は、（ＮＤ_４）_２ＳｉＦ_６として配合され、光放射を有するフッ化物層である。

ＤＡＳＨ層は、用途に応じて脱イオン水中でウェーハを洗浄することによって表面から取り除くことができる。しかし、ＤＡＳＨ層は、例えばセンサにおいて反射防止コーティングとしての役割、またはレーザキャビティにおいて誘電体層としての役割を果たすことができる。

詳細な研究により、Ｄ_２Ｏ含有酸蒸気により処理されたシリコンウェーハは興味深い独自の光学特性を示すということが示された。

図４は、重水含有酸蒸気で処理されたシリコンから得られる典型的なフォトルミネッセンス信号を示す。スペクトルは、室温にて４８８ｎｍ線幅のアルゴンレーザでサンプルが励起されたとき、約２００ｎｍの半値全幅を有し、１３２０ｎｍでの単一ピークの存在を示す。この放射は転位（非特許文献２１）または不純物（非特許文献９）に由来するものであることができる。しかし、転位効果が主であれば、強いＤ１転位ルミネッセンスがおよそ１５００ｎｍで予測されるはずである。だがこの領域にはまったく光放射がない。これらの観測結果は、転位放射を有する確率が低いことを示す。

５０％を超えるフォトルミネッセンス量子効率を有し、８００〜１８００ｎｍの間において１３２０ｎｍで単一ピーク放射を有するシリコンの存在を実験により証明することは、応用のために非常に重要である。

本発明のおかげで、本出願人らは、フォトニック機能を可能とするもっとも必要とされていたシリコン光源を半導体産業に提供することができる。本発明と、赤外線において光放射を有する他のシリコン光源にはまったく類似点がない。これは量子効率が５０％を超える赤外線領域における独自のシリコン光源であり、これらの特徴は、以前は観測されていない。

図４に示されるように、重水含有酸蒸気を使用して処理されたシリコンが、帯域幅２００ｎｍで５０％を超える量子効率を有して１３２０ｎｍで放射することが実験により示されている。有効性評価において、レーザ出力の５０％はサンプルを通過し、約２５％が反射されると仮定された。

実施例１−ＬＥＤ（発光ダイオード）
図５（ａ）はシリコンＬＥＤの実施例の構造を示す。この構造において、ウェーハ（４）と半透過性金属接点（１）との間に電気的バイアスを印加するキャリアを注入することによってエレクトロルミネッセンスが得られる。ここで、ウェーハ（４）は単一の結晶シリコンであり、ウェーハ（４）の裏側に配置された金属接点（５）はアルミニウム、銀（Ａｇ）または金（Ａｕ）であることができる。半透過性金属接点には、金層（１）およびチタン層（２）を組み合わせた半透過性Ａｕ／Ｔｉ金属接点を用いることができる。接点の前に、ルチン表面洗浄手順を適用することができる。

具体的な光源としては、図５（ａ）に規定されるＬＥＤの形状にて、重水含有酸蒸気を用いてＳｉウェーハ（４）を処理することによってＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）またはＭＯＳ（金属−酸化物−半導体）が得られる。必要な場合、ＤＡＳＨ誘電体層（６）を取り除いて、処理済みＳｉにＡｕメタライゼーションを直接堆積させる。

好ましい１つの実施例は、１〜２０Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率を有するｐ型Ｓｉウェーハ（４）からなる。このウェーハ上に形成されたナノ多孔質シリコン層（３）は、量子トンネル効果が可能になるように非常に薄く形成することができる。ここで、ナノ多孔質シリコン層（３）は重水含有酸蒸気処理した結果、形成される。

金属接点としての半透過性Ａｕ層（１）はナノ多孔質シリコン層上に堆積される。メタライゼーションの電気的品質を向上させるために、２〜５ｎｍ厚のチタン（Ｔｉ）層（２）が金より先に堆積される。

図５（ｂ）において、別のＬＥＤ実施例で示すように、半透過性金属接点（１）および任意の金属接点（２）が直接ＤＡＳＨ層（６）上に堆積される（後述）。

光源およびその他関連デバイスは、Ｄ_２Ｏ含有酸蒸気を使用してＳｉウェーハを処理することによって製造することができ、Ｓｉウェーハ（４）は＜１１１＞または＜１００＞結晶方位およびｎ型またはｐ型導電性を有することができる。Ｓｉウェーハ（４）の裏側金属接点としては、２０００Åのアルミニウム（Ａｌ）をウェーハの裏側に堆積できる。次いで、オーミックコンタクトを形成するために水素雰囲気においてウェーハをアニーリングすることができる。前側の接点については、５〜２０ｎｍの範囲の厚みを有する金（Ａｕ）を使用することができる。Ｔｉ層をＡｕ金属接点の前に堆積させるが、この層の厚みは２〜５ｎｍである。

このようにして製造されたＬＥＤは、光通信、イメージング、ならびに集積回路、集積基板および集積モジュールなどの多様な用途において１３２０ｎｍで放射する光源として使用することができる。

より具体的なＬＥＤ製造については、＜１１１＞結晶方位を有し、０．００６〜０．０１５Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率を有するＮ＋Ｓｉウェーハを用いた。２０００ÅのＡｌ層は裏側の接点としてコーティングされ、次いで重水Ｄ_２Ｏ−酸蒸気処置を行った。その後、ウェーハは５ÅのＴｉ金属（２）でコーティングされ、次いで前側の半透過性金属接点として２０ｎｍのＡｕ層（１）を堆積させた。

このようなデバイスのＩ−Ｖ特性を図６のグラフに示す。このデバイスは０．２ボルトと低い閾値で動作し、非常に良好な整流特性を示す。デバイスは非常に低い漏れ電流を有し、３ボルトまで逆バイアスで降伏が観測されなかった。良好な透過性のため、２〜３ｎｍのＴｉ層および５〜１０ｎｍの金層により素子特性を改善することが見出された。

実施例２−化学的および生物学的センサ
重要なセンサの実施例は、図５（ｂ）に示されるように、その構造に重水素化六フッ化アンモニウムシリコン（ＤＡＳＨ）すなわち（ＮＤ_４）_２ＳｉＦ_６を含むＬＥＤセンサである。図５（ｂ）にシリコンウェーハ（４）上にて実現されるこのようなセンサの基本要素を示す。ここで、半透過性金属接点（１）および（２）はまた化学的および生物学的作用剤に対して透過性であり、多孔質ＤＡＳＨ層（６）上に直接堆積される。前側の金属接点（１）および（２）はＡｕ／Ｔｉであり、作用剤に対する多孔質透過性構造を有することができる。Ａｌ／ＣｒまたはＡｕ／Ｃｒ、Ａｌ／Ｔｉなどの金属は前側透過性金属接点として使用することができる。

本デバイスの動作原理は、シリコンウェーハ（４）に対する、透過性前側金属接点（１）と任意の金属接点（２）と裏側金属接点（５）との間の電流注入に基づく。得られる光放射により多孔質構造内に捕捉された化学的または生物学的作用剤の特徴が伝わる。本デバイスは生物学的および化学的作用剤検出用途において大きな可能性を持つ。その多孔質構造により、そのキャビティ領域内に多量の作用剤を吸収でき、このことによって作用剤に関連する特徴的な光放射特性がもたらされる。このデバイスの構造においては、ナノ多孔質シリコン層（３）およびＤＡＳＨ層（６）の両方が可視領域および赤外領域における光放射源に寄与する。

この種類のデバイスの別の構造には図５（ａ）に示されるＬＥＤ構造を用いる。前側金属接点（１）および（２）はまた、化学的および生物学的作用剤に対して透過性である。前側金属接点は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌなどの金属から作成することができる。半透過性前側金属接点（１）および任意の金属接点（２）はナノ多孔質シリコン層（３）上に直接堆積される。改善された構造的安定性を有するこのデバイスは、選択的に所望の化学的および生物学的作用剤を検出する好適な材料を用いて機能的なものとすることができる。本デバイスの動作原理は、前側金属接点（１）と裏側金属接点（５）との間への電流注入、および光放射特性の変化を検出することに基づく。電気抵抗率の変化はさらに同一の目的のために調べられ、使用されることができる。

実施例３−光および電気出力を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
重水処理方法は新たな機能を有する三端子デバイスの製造に首尾よく用いることができる。適用実施例が図７に示される、図７はシリコンウェーハ（４）の１３２０ｎｍで光出力を有するＦＥＴ構造を表す。ｐ型ウェーハにｎ型チャネルを有するＦＥＴ構造は、電気出力に加え、１３２０ｎｍで光出力を有する二重ゲートトランジスタである。

シリコンウェーハ（４）の表面に重水−酸蒸気処理を適用することによって、光放射特性を有する導電性チャネルがソース（１０）とドレイン（１１）との間に形成される。このＦＥＴ構造については、誘電性ＤＡＳＨ層（６）が剥離されている。透過性金属接点（１）および任意の金属接点（２）はトランジスタのゲートを形成し、薄膜ナノ多孔質シリコン層（３）上に堆積される。良好な光出力制御を確実にするため、第２ゲートがウェーハ（４）の裏側に形成される。この目的のために、ウェーハの裏側は酸蒸気を用いて処理され、ウェーハの厚みを所望の値まで減少させ、このように裏側に第２の薄膜ナノ多孔質シリコン層（３３）を形成する。次いで、裏側金属接点（５）がこのナノ多孔質シリコン層（３３）に形成される。

この光出力ＦＥＴの原理は以下の通りである：閾値を超える電界がソース（１０）およびドレイン（１１）に印加されると、ソースとドレインとの間のトランジスタチャネルを流れる電子の一部がナノ多孔質シリコン層（３）および（３３）内の再結合中心にて補捉され、トランジスタの電気部品を表すトランジスタの光出力に対応する光放射を生成する。したがって、１３２０ｎｍの光出力信号が、標準条件下で動作するトランジスタから得られる。これによって、例えば、チップ間の光通信を可能とする電気的に制御されたデバイスの利点がもたらされる。本デバイスは、好適なフォトニック構造を設計することによって量子暗号法および量子情報処理用途にて使用可能である。

実施例４−シリコンリッジ型レーザおよび垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
活性領域が重水酸蒸気処理により形成される、１３２０ｎｍで動作するＶＣＳＥＬおよびシリコンリッジ型レーザを製造可能であることが証明されている。以下において、新規のデバイス構造製造への応用に関する実施例が提供される。

本実施例は、ＳＯＩ上に作成されるシリコンリッジ型レーザの構造および動作原理に関する。ここでＳＯＩは、第２ウェーハ（８）上で成長させた酸化膜層（７）および本発明の主題である薄膜シリコン層（４）からなり、この薄膜シリコン層（４）はこの酸化膜層（７）に接合される。

このようなレーザの構造を図８に概略的に示す。レーザの活性領域は、シリコンウェーハ（４）への重水酸蒸気処理によって形成されたナノ多孔質シリコン層（３）である。本明細書で記載されるウェーハは、ＳＯＩの一部であるｎ型Ｓｉ（４）である。シリコンリッジ型レーザの一実施例として、この処理中に形成されるＤＡＳＨ層（６）はいずれも取り除かれる。ｐ型半導体層（１３）はナノ多孔質シリコン層（３）上に堆積される。半導体層はｐ型Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮであることができる。光源は、半導体層（１３）上に形成される前側金属接点（１）および任意の金属接点（２）と、シリコンウェーハ（４）上に形成される裏側金属接点（５）との間の電界にバイアスをかけることによって活性化される。

本デバイスは、ポリイミドまたは二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの低誘電率絶縁層（１４）により被覆される。レーザキャビティは、ＳＯＩの酸化膜層（７）と、誘電体層（１４）によって形成されたリッジ領域との間に形成される。リッジ構造下のキャビティ内で増幅されるナノ多孔質シリコン層（３）のキャリアの再結合の結果生じる光子放射によって、レーザ出力が可能となる。このデバイスのおかげで、高周波数光電子システムが実現可能になる。一実施例として、このデバイスとシリコンベース変調器とのモノリシック集積化が実現されることができ、高周波全シリコンコーディング動作を可能とする。

シリコンリッジ型レーザ用の別のデバイスの例は、ｐ型半導体層（１３）を置き換えることによってナノ多孔質シリコン層（３）にＤＡＳＨ層（６）を保持する同一のデバイスの形成である。このレーザ構造において、前側金属接点（１）および任意の金属接点（２）はＤＡＳＨ層（６）に直接堆積される。

このレーザ構造は、既存のリッジ型レーザ技術とは異なり、設計、製造および機能の観点からさらに優れた利点を提示する。既存現況技術のＳｉリッジ型レーザは、ＩｎＰおよびＳｉ導波路特性などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の活性領域を組み合わせたハイブリッド構造を用いる。参考文献は、例えば、非特許文献２２があげられる。本発明において、シリコンリッジ型レーザはシリコンまたはシリコンに対応するその他の物質から製造される。さらに、本デバイスの活性領域は本発明の主題であるシリコンベース光源である。

図９は、活性領域がＳｉウェーハ（４）の重水処理によって形成され、１３２０ｎｍで放射する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の別の実施例を示す。このレーザの製造では、周期的Ｓｉ／ＳｉＧｅ多層（１９）からなる底部のブラッグ反射器構造がまずシリコンウェーハ（２０）上に形成され、次いでシリコン層（４）が堆積される。次いで、シリコン層（４）が重水プロセスによって処理され、ナノ多孔質シリコン層（３）を形成する。ＳｉおよびＳｉＧｅ多層からなる上部のブラッグ反射器（１８）をナノ多孔質シリコン層（３）上に成長させる。底部および上部ブラッグ反射器はまたＳｉ／ＳｉＣまたはＳｉ／ＳｉＮ周期的多層を堆積させることによって製造できる。

垂直共振器型面発光レーザについては、いかなるＤＡＳＨ層（６）も上部ブラッグ反射器の堆積前に取り除く。レーザ動作に必要なキャリア注入が裏側金属接点（５）ならびに前側半透過性金属接点（１）および任意の金属接点（２）に対して行われる。光出力が前側ウィンドウから透過性金属接点を通して生成される。本デバイスの残りの部分は誘電体層（２２）によって環境から絶縁される。この層は窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４またはポリイミドであることができる。

実施例５−光および電気出力ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）
本発明の別の実施例は、エミッタ領域、コレクタ領域およびベース領域に電気信号を印加するとベース領域から自然光信号を生成するヘテロバイポーラトランジスタからなる。

図１０は、トランジスタの電気部品を表す、１３２０ｎｍで自然光出力を生成するこのＨＢＴを概略的に示す。このようなトランジスタの製造には、底部のｎ−ＳｉコレクタＣ（４４）をシリコンウェーハ（２０）上にエピタキシャル成長させる。この成長の次にベース層（４）としてｐ型Ｓｉを堆積させる。このベースＢ層は、１３２０ｎｍで放射する薄膜ナノ多孔質シリコン層（３）を形成するために重水酸蒸気によって処理される。トランジスタの成長は、ｎ型エミッタＥ（２６）の成長によって完了する。このＨＢＴ発光デバイスの製造のためにいかなる残留ＤＡＳＨ層（６）も剥離する。メタライゼーションにおいて、エミッタＥは半透過性金属接点Ａｕ（１）および任意の金属接点Ｔｉ（２）によって得られる。ベース領域（４）Ｂのメタライゼーション（２９）およびコレクタ領域（４４）Ｃのメタライゼーション（５）により製造が完了する。本明細書において、裏側金属接点（５）はコレクタ（４４）に接触する金属接点である。

このフォトニックトランジスタの動作原理は、ベース層（４）上に形成されたナノ多孔質シリコン層（３）でデバイスに注入されるキャリアの再結合からなる。ベース領域（４）において１３２０ｎｍで生成された光が、トランジスタの電気部品を表す光出力部品としての上部のウィンドウを通る。本デバイスの残りの部分はパッシベーション層（３１）によって絶縁される。

光通信、モバイルプラットフォーム、自由空間通信、量子情報処理、モニタリング、ディスプレイ、コード化モジュール、化学的および生物学的センサ、ならびにその他多数などの用途において用いるために、本発明の技術は既存のＳｉ技術に容易に組み込むことができる。

シリコン技術に伴う集積特徴以外に、この技術は製造が容易であり低コストであることによって高性能モジュールを実現できる。特に、この技術はオンチップおよびチップ間相互接続について特有の性質を有するため、高性能回路およびシステムが実現できる。

本発明の光源技術は複数の構成および次世代応用分野において用いることができる、すなわち：
１．光通信モジュールにおいて：自由空間および光ファイバ用途；
２．チップ間およびマルチチップモジュールにおける相互接続；
３．赤外線撮像およびセンサシステム；
４．量子暗号法および量子コンピュータ用途；
５．レーダーおよび通信アンテナ；
６．衛星システム；
７．生体医学的用途、バイオチップ；
８．センサシステム（化学的および生物学的作用剤検出）。

Claims (21)

1. ５０％を超えるルミネッセンス量子効率を有し、２００ｎｍ未満の半値全幅を有して、８００〜１８００ｎｍの赤外線領域において１３２０ｎｍで単一ピーク放射を有する、フォトルミネッセンス、エレクトロルミネッセンス、レーザ、トランジスタ、ダイオードおよびセンサ用途のシリコン光源。
2. 重水Ｄ_２Ｏ含有ＨＦ：ＨＮＯ_３化学的混合物の酸蒸気(acid vapor)によるシリコンウェーハ（４）表面の処理工程と、
   前記処理による前記ウェーハ（４）へのナノ多孔質シリコン層（３）の形成工程と、
   前記ナノ多孔質シリコン層（３）への重水素化六フッ化アンモニウムシリコン（ＮＤ_４）_２ＳｉＦ_６層（６）の形成工程と、
   を含む、請求項１に記載の光源の製造方法。
3. 好ましくはＨＦ：ＨＮＯ_３：Ｄ_２Ｏ混合物の化学的溶液である、請求項２に記載の重水（酸化ジュウテリウム、Ｄ_２Ｏ）含有化学的混合物。
4. ａ）単一のシリコンウェーハ（４）と、
   ｂ）請求項２に記載の前記重水（Ｄ_２Ｏ）含有酸蒸気を使用して前記ウェーハ（４）上に形成されたナノ多孔質シリコン層（３）と、
   ｃ）半透過性金属接点（１）と、
   ｄ）前記ウェーハの裏側金属接点（５）と、
   を含む、請求項１に記載のシリコン光源。
5. 以下の構成部品、すなわち、
   ａ）請求項２に記載の方法による前記ナノ多孔質シリコン層（３）上に形成された重水素化六フッ化アンモニウムシリコン（６）、すなわち（ＮＤ_４）_２ＳｉＦ_６と、
   ｂ）オーミックコンタクト品質および電気特性を向上させるための中間の半透過性金属接点（２）と、
   の少なくともいずれかをさらに含む、請求項４に記載のシリコン光源。
6. ａ）シリコンウェーハ（４）と、
   ｂ）請求項２に記載の方法により、前記ウェーハ（４）上に製造されるナノ多孔質シリコン層（３）と、
   ｃ）前記ナノ多孔質シリコン層（３）上に形成される選択的(optional)な重水素化六フッ化アンモニウムシリコン（ＤＡＳＨ）層（６）と、
   ｄ）前記ナノ多孔質シリコン層（３）上、またはもし存在するとすれば前記ＤＡＳＨ層（６）上の半透過性金属接点（１）と、
   ｅ）前記半透過性金属接点（１）と前記ナノ多孔質シリコン層（３）との間、またはもし存在するとすれば前記ＤＡＳＨ層（６）上の、選択的(optional)な金属接点（２）と、
   ｆ）前記シリコンウェーハ（４）に対して形成される裏側金属接点（５）と、
   を含む、室温において８００〜１８００ｎｍのスペクトル範囲の間で１３２０ｎｍで単一ピーク放射を有する、発光ダイオード（ＬＥＤ）。
7. 多孔質、すなわち化学的および生物学的作用剤(agent)に対して透過性であるメッシュ状構造を有する、半透過性金属接点（１）および選択的(optional)な金属接点（２）を含み、室温において８００〜１８００ｎｍの間で１３２０ｎｍで単一ピーク放射を有し、かつ請求項６に記載のＬＥＤデバイス構造を有する、化学的および生物学的作用剤を検出するセンサ。
8. ａ）シリコンウェーハ（４）と、
   ｂ）請求項２に記載の前記ウェーハ（４）上に製造されるナノ多孔質シリコン層（３）と、
   ｃ）前記ナノ多孔質シリコン層（３）上に形成される半透過性金属接点（１）と、
   ｄ）前記ナノ多孔質シリコン層（３）と前記第１半透過性金属接点（１）との間の選択的(optional)な金属層（２）と、
   ｅ）前記シリコンウェーハ（４）の裏側に形成される第２ナノ多孔質シリコン層（３３）と、
   ｆ）前記第２ナノ多孔質シリコン層（３３）上に形成される裏側金属接点（５）と、
   ｇ）トランジスタチャネル内における電子伝導のために、トランジスタのシリコンウェーハ（４）上に形成されたソース（１０）領域およびドレイン（１１）領域と、
   を含む、室温において８００〜１８００ｎｍの間で１３２０ｎｍの光出力を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）。
9. ａ）シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）の第２ウェーハ（８）と、
   ｂ）ＳＯＩの酸化膜層（７）と、
   ｃ）ＳＯＩのシリコンウェーハ（４）と、
   ｄ）請求項２に記載のＳＯＩの前記シリコンウェーハ（４）上に形成されるナノ多孔質シリコン層（３）と、
   ｅ）ナノ多孔質シリコン層（３）上に形成されたｐ型半導体層（１３）と、
   ｆ）絶縁するための絶縁誘電体コーティング（１４）と、
   ｇ）前記半導体層（１３）上の半透過性金属接点（１）と、
   ｈ）前記半導体層（１３）と前記半透過性金属接点（１）との間の選択的(optional)な金属層（２）と、
   ｉ）シリコンウェーハ（４）に対する裏側金属接点（５）と、
   を含む、請求項１に記載の、室温において８００〜１８００ｎｍの間で１３２０ｎｍのレーザ光を発する、シリコンリッジ型レーザ。
10. ｐ型半導体層（１３）は、請求項２に記載の前記ナノ多孔質シリコン層（３）上に形成される重水素化六フッ化アンモニウムシリコン層（ＤＡＳＨ）（６）によって置き換えられる、請求項９に記載のシリコンリッジ型レーザ。
11. 前記ｐ型半導体層（１３）は、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧａＮからなる群から選択することができる、請求項９に記載のシリコンリッジ型レーザ。
12. 前記絶縁誘電体コーティング（１４）はポリイミドまたは二酸化ケイ素からなる群から選択することができる、請求項９または請求項１０に記載のシリコンリッジ型レーザ。
13. ａ）キャリアシリコンウェーハ（２０）と、
    ｂ）最大１３２０ｎｍで光を反射し、前記キャリアシリコンウェーハ（２０）上に形成される、底部ブラッグ反射器（１９）と、
    ｃ）前記底部ブラッグ反射器（１９）上に形成されるシリコンウェーハ層（４）と、
    ｄ）請求項２に記載の前記シリコンウェーハ層（４）上に製造されるナノ多孔質シリコン層（３）と、
    ｅ）前記ナノ多孔質シリコン層（３）上に形成される上部ブラッグ反射器（１８）と、
    ｆ）前記上部ブラッグ反射器（１８）上に形成される半透過性金属接点（１）と、
    ｇ）前記上部ブラッグ反射器（１８）と前記半透過性金属接点（１）との間の選択的(optional)な金属接点（２）と、
    ｈ）キャリアシリコンウェーハ（２０）に対する裏側金属接点（５）と、
    ｉ）絶縁誘電体コーティング（２２）と、
    を含む、請求項１に記載の、室温において８００〜１８００ｎｍの間で１３２０ｎｍのレーザ光を発する、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）。
14. 前記底部ブラッグ反射器（１９）および前記上部ブラッグ反射器（１８）は、ＳｉおよびＳｉＧｅ周期的多層または選択的(optional)にＳｉ／ＳｉＣもしくはＳｉ／ＳｉＮ周期的多層を堆積させることによって形成される、請求項１３に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
15. 前記絶縁誘電体コーティング（２２）は窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４またはポリイミドからなる群から選択することができる、請求項１３に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
16. ａ）その上でＨＢＴが成長する第２シリコンウェーハ（２０）と、
    ｂ）前記第２シリコンウェーハ（２０）上でエピタキシャルに成長する底部コレクタ層（４４）と、
    ｃ）前記底部コレクタ層（４４）上でベース層として成長する単結晶シリコン層（４）と、
    ｄ）請求項２に記載の方法によって前記ベース層（４）上に形成されるナノ多孔質シリコン層（３）と、
    ｅ）前記ナノ多孔質シリコン層（３）上で成長するエミッタ層（２６）と、
    ｆ）前記エミッタ層（２６）上に形成される半透過性金属接点（１）と、
    ｇ）前記エミッタ（２６）と前記半透過性金属接点（１）との間の選択的(optional)な金属接点（２）と、
    ｈ）前記ベース層（４）上のベース金属接点（２９）と、
    ｉ）前記コレクタ（４４）上に形成される裏側金属接点（５）と、
    を含む、トランジスタの電気部品であって、室温において１３２０ｎｍで光信号出力を有する、ヘテロバイポーラトランジスタＨＢＴ。
17. シリコンウェーハ（４）は、＜１００＞または＜１１１＞結晶方位およびｎ型またはｐ型の導電性を有する単一のシリコンウェーハである、請求項１〜請求項１６のいずれか１項に記載のシリコン光源。
18. 前記ナノ多孔質シリコン層（３）の酸化膜は二酸化ケイ素ＳｉＯｘ（ｘはほぼ２である）である、請求項１〜請求項１７のいずれか１項に記載のシリコン光源。
19. 前記透過性金属接点（１および２）は、アルミニウム、金、クロム、チタンからなる金属の群から選択することができる、請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載のシリコン光源。
20. 前記裏側金属接点（５）は、アルミニウムまたは銀からなる群から選択することができる、請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載のシリコン光源。
21. 前記選択的(optional)な金属接点（２）は、チタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）からなる群から選択することができる、請求項１〜請求項２０のいずれか１項に記載のシリコン光源。

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