JP2018041957A - Photoelectric conversion device and method of controlling operation wavelength of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換デバイスおよび光電変換デバイスの動作波長の制御方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device and a method for controlling an operating wavelength of the photoelectric conversion device.
光信号を電気信号に変換する光電変換デバイスとして、フォトダイオード(以下、PDとも称する)が知られている。ゲルマニウム(Ge)は、光通信波長帯の近赤外光を吸収し、シリコン(Si)基板上にエピタキシャル成長させて光吸収層を形成することができる。このため、Geを用いるpin構造のPDは、Si光電子集積回路技術「Siフォトニクス」におけるPDとして応用されている(例えば非特許文献1)。 A photodiode (hereinafter also referred to as PD) is known as a photoelectric conversion device that converts an optical signal into an electric signal. Germanium (Ge) can absorb near-infrared light in the optical communication wavelength band, and can be epitaxially grown on a silicon (Si) substrate to form a light absorption layer. For this reason, a PD PD having a pin structure is applied as a PD in the Si optoelectronic integrated circuit technology “Si photonics” (for example, Non-Patent Document 1).
pinダイオード構造に印加される電界強度を変調すると(最大値100kV/cmオーダー)、Franz−Keldysh効果により、光吸収層における光吸収の大きさを制御できる。すなわち、光吸収層を透過する光の強度を制御でき、電界吸収型光変調器を実現できる(例えば非特許文献2)。 When the electric field strength applied to the pin diode structure is modulated (maximum value of 100 kV / cm order), the magnitude of light absorption in the light absorption layer can be controlled by the Franz-Keldysh effect. That is, the intensity of light transmitted through the light absorption layer can be controlled, and an electroabsorption optical modulator can be realized (for example, Non-Patent Document 2).
大容量の波長分割多重光通信では、波長1.260〜1.360μmのO帯、1.530〜1.565μmのC帯、1.565〜1.625μmのL帯といった様々な波長の光が利用されている。Geからなる光吸収層がSi基板上に設けられた現状の受光器は、C帯より短波長側では高効率で受光することができるが、長波長側のL帯では受光効率が減少する。L帯で高効率化するには、光吸収端波長を決めているGeの直接遷移バンドギャップを減少させる必要がある。 In large-capacity wavelength division multiplexing optical communication, light of various wavelengths such as an O band with a wavelength of 1.260 to 1.360 μm, a C band of 1.530 to 1.565 μm, and an L band of 1.565 to 1.625 μm are transmitted. It's being used. The current light receiving device in which the light absorption layer made of Ge is provided on the Si substrate can receive light with high efficiency on the shorter wavelength side than the C band, but the light receiving efficiency decreases on the L band on the longer wavelength side. In order to increase the efficiency in the L band, it is necessary to reduce the direct transition band gap of Ge, which determines the light absorption edge wavelength.
一方、電界吸収型光変調器では、動作波長は光吸収端波長の周辺に限られている。より広範な波長で動作可能とするためには、直接遷移バンドギャップを減少または増加させる必要がある。直接遷移バンドギャップの大きさを制御する方法として、エピタキシャル成長したSiGeまたはGeSn(例えば非特許文献3)などの混晶半導体やそのヘテロ接合(例えば非特許文献4)を用いる方法がある。また、SiNxなど応力を内包する誘電体膜を表面に堆積し、Geに格子ひずみを誘起する方法(例えば非特許文献5)がある。 On the other hand, in the electroabsorption optical modulator, the operating wavelength is limited to the vicinity of the light absorption edge wavelength. In order to be able to operate over a wider range of wavelengths, the direct transition band gap needs to be reduced or increased. As a method for controlling the size of the direct transition band gap, there is a method using a mixed crystal semiconductor such as epitaxially grown SiGe or GeSn (for example, Non-Patent Document 3) or a heterojunction thereof (for example, Non-Patent Document 4). Further, there is a method (for example, Non-Patent Document 5) in which a dielectric film containing stress such as SiNx is deposited on the surface to induce lattice distortion in Ge.
光電変換デバイスの動作波長は、エピタキシャル成長の条件で決まる混晶の組成で決定される。非特許文献2に記載されている光変調器では、混晶組成を1%あるいはそれ以下の精度で制御しなければならない。非特許文献5に記載された方法では、1GPa近傍あるいはそれ以上の大きな応力を有する誘電体膜が必要とされる。
The operating wavelength of the photoelectric conversion device is determined by the composition of the mixed crystal determined by the epitaxial growth conditions. In the optical modulator described in
より広範な波長で動作可能とするために、動作波長をより簡便に制御できる光電変換デバイスは、未だ得られていない。 In order to be able to operate in a wider range of wavelengths, a photoelectric conversion device that can more easily control the operating wavelength has not yet been obtained.
そこで本発明は、動作波長をより簡便に制御することができる光電変換デバイス、および光電変換デバイスの動作波長の制御方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that can more easily control the operating wavelength, and a method for controlling the operating wavelength of the photoelectric conversion device.
本発明に係る光電変換デバイスは、少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層と、前記光吸収層の上面に設けられ、前記光吸収層に圧縮応力または引張り応力を印加する応力印加層とを備え、前記応力印加層は、下地に格子整合したSiGe層を含むことを特徴とする。 A photoelectric conversion device according to the present invention is provided on a semiconductor substrate having at least a Si layer on a surface thereof, a light absorption layer composed of a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate, and an upper surface of the light absorption layer, and the light absorption A stress applying layer for applying a compressive stress or a tensile stress to the layer, and the stress applying layer includes a SiGe layer lattice-matched to the base.
本発明に係る光電変換デバイスの動作波長の制御方法は、少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、前記光吸収層に格子整合したSiGe層からなる応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に圧縮応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを増加させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を短波長化することを特徴とする。 The method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device according to the present invention includes an operation wavelength of a photoelectric conversion device including a semiconductor substrate having at least a Si layer on a surface and a light absorption layer made of a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate. A stress applying layer composed of a SiGe layer lattice-matched to the light absorbing layer is formed on the light absorbing layer, and compressive stress is applied from the stress applying layer to the light absorbing layer. The operating wavelength of the photoelectric conversion device is shortened by increasing the direct transition band gap of the light absorption layer.
本発明に係る光電変換デバイスの動作波長の制御方法は、少なくとも表面にSi層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、Si層と、前記Si層に格子整合したSiGe層とを含む応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に引張り応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを減少させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を長波長化することを特徴とする。 The method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device according to the present invention includes an operation wavelength of a photoelectric conversion device including a semiconductor substrate having at least a Si layer on a surface and a light absorption layer made of a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate. A stress applying layer including a Si layer and a SiGe layer lattice-matched to the Si layer is formed on the light absorbing layer, and tensile stress is applied from the stress applying layer to the light absorbing layer. Is applied to reduce the direct transition band gap of the light absorption layer, thereby extending the operating wavelength of the photoelectric conversion device.
本発明によれば、光電変換デバイスは、光吸収層に応力を印加する応力印加層を備えている。光吸収層は、応力印加層から応力を印加されることによって、直接遷移バンドギャップが増加または減少する。 According to the present invention, the photoelectric conversion device includes the stress application layer that applies stress to the light absorption layer. In the light absorption layer, when a stress is applied from the stress application layer, the direct transition band gap is increased or decreased.
光吸収層の直接遷移バンドギャップが増加する場合には、光電変換デバイスの動作波長を短波長化することができ、光吸収層の直接遷移バンドギャップが減少する場合には、光電変換デバイスの動作波長を長波長化することができる。これによって、光電変換デバイスの動作波長を簡便に制御することができ、より広範な波長での動作が可能となる。 When the direct transition band gap of the light absorption layer increases, the operating wavelength of the photoelectric conversion device can be shortened, and when the direct transition band gap of the light absorption layer decreases, the operation of the photoelectric conversion device The wavelength can be increased. As a result, the operating wavelength of the photoelectric conversion device can be easily controlled, and operation in a wider range of wavelengths is possible.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[基本原理]
まず、本発明の光電変換デバイスの基本原理を説明する。図1A、図1Bに、本発明の光電変換デバイスの模式図を示す。図1Aに示す光電変換デバイス10Aは、半導体基板12上に細線状のGe層からなる光吸収層14が形成されている。ここでの半導体基板12は、絶縁層(SiO2層)12bおよびSi層12cがSi基板12a上に順次形成されたSOI(Silicon on Insulator)基板であるが、Si基板12aを半導体基板12として用いることもできる。
[Basic principle]
First, the basic principle of the photoelectric conversion device of the present invention will be described. 1A and 1B are schematic views of the photoelectric conversion device of the present invention. In the
光吸収層14は、半導体基板12表面の絶縁層(SiO2層)20で画定された領域にGe層を選択成長させることによって形成される。光吸収層14上には、SiGe層16からなる応力印加層17Aが設けられている。SiGe層16は、下地である光吸収層14に直接成長させることで得られ、光吸収層14に格子整合している。追って説明するように、応力印加層17AとしてのSiGe層16の厚さは、臨界膜厚以下であることが好ましい。
The
Ge層からなる光吸収層14上に直接成長させたSiGe層16は、矢印TSと反対方向に引張り応力を有する。SiGe層16からなる応力印加層17Aが、引張り応力を開放するために収縮するような弾性変形を起こすことによって、光吸収層14に矢印CSで表わされる圧縮応力が印加される。Ge層からなる光吸収層14に圧縮応力が印加されると、直接遷移バンドギャップが増加して、光電変換デバイス10Aの動作波長が短波長化する。
The
図1Bに示す光電変換デバイス10Bは、光吸収層14上の応力印加層17Bが、Si層18とSiGe層16とから構成されている。SiGe層16は、下層のSi層18に格子整合して直接成長させたものである。Si層18は、格子整合せずに光吸収層14上に形成されている。この点が異なる以外は、光電変換デバイス10Bは、光電変換デバイス10Aと同様の構成である。
In the
応力印加層17BにおけるSiGe層16は、下層のSi層18に格子整合している。Si層18は、Ge層からなる光吸収層14に格子整合していないので、格子緩和層として作用する。Si層18とSiGe層16とを含む応力印加層17Bは、矢印CSと反対方向に圧縮応力を有する。応力印加層17Bが圧縮応力を開放するために膨張するような弾性変形を起こすことによって、光吸収層14には矢印TSで表わされる引張り応力が印加される。Ge層からなる光吸収層14に引張り応力が印加されると、直接遷移バンドギャップが減少して、光電変換デバイス10Bの動作波長が長波長化する。
The
Si層上に成長させたGe層には、熱応力による引張りひずみが予め存在していてもよい。Ge層に外部から応力が印加された際のGeのバンドギャップについて、以下に説明する。 In the Ge layer grown on the Si layer, tensile strain due to thermal stress may exist in advance. The Ge band gap when a stress is applied to the Ge layer from the outside will be described below.
図2Aのグラフには、Ge層の(001)面の面内の[100]方向に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果を示す。図2Bのグラフには、Ge層の(001)面の面内の[110]方向に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果を示す。 The graph of FIG. 2A shows the calculation results of the band edge energy of the conduction band and valence band when uniaxial stress is applied in the [100] direction in the (001) plane of the Ge layer. The graph of FIG. 2B shows the calculation results of the band edge energy of the conduction band and the valence band when uniaxial stress is applied in the [110] direction in the (001) plane of the Ge layer.
図2A、図2Bのグラフ中、EC ΓおよびEC Lは、それぞれ伝導帯のΓ点およびL点のエネルギーを表わしている。EV HHおよびEV LHは、それぞれ価電子帯のヘビーホールおよびライトホールのエネルギーを表わしている。EV SOは、価電子帯のスプリットオフバンドのエネルギーを表わしている。これらのグラフから、格子ひずみによって、Geの伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーが変化することがわかる。 In the graphs of FIGS. 2A and 2B, E C Γ and E C L represent the energy at the Γ point and L point of the conduction band, respectively. E V HH and E V LH represent the energy of heavy holes and light holes in the valence band, respectively. E V SO represents the energy of the split-off band of the valence band. From these graphs, it is understood that the band edge energy of the conduction band and the valence band of Ge changes depending on the lattice strain.
図3Aには、Ge層の(001)面の面内の[100]方向に一軸性の応力を印加した場合のΓ点の直接遷移バンドギャップの計算結果を示す。図3Bには、Ge層の(001)面の面内の[110]方向に一軸性の応力を印加した場合のΓ点の直接遷移バンドギャップの計算結果を示す。ここでの計算においては、熱応力の影響は考慮していない。 FIG. 3A shows the calculation result of the direct transition band gap at the Γ point when uniaxial stress is applied in the [100] direction in the (001) plane of the Ge layer. FIG. 3B shows the calculation result of the direct transition band gap at the Γ point when uniaxial stress is applied in the [110] direction in the (001) plane of the Ge layer. In this calculation, the influence of thermal stress is not considered.
図3A、図3Bのグラフ中、C−HHは、ヘビーホールに対する直接遷移バンドギャップを表わし、C−LHは、ライトホールに対する直接遷移バンドギャップを表わしている。これらのグラフから、Geに格子ひずみを与えることによって、直接遷移バンドギャップが変化することがわかる。 In the graphs of FIGS. 3A and 3B, C-HH represents a direct transition band gap for a heavy hole, and C-LH represents a direct transition band gap for a light hole. From these graphs, it can be seen that the transition band gap changes directly by applying lattice strain to Ge.
下層に格子整合したSiGe層には、応力が発生する。図4に示すように、Ge層上に格子整合したSiGe層(SiGe on Ge)には、引張り応力が発生する。一方、Si層上に格子整合したSiGe層(SiGe on Si)には、圧縮応力が発生する。SiGe層に発生する応力は、数GPaのオーダーである。いずれの場合も、SiGe層中のGe含有量が多くなると応力は負方向に変化する。SiGeの組成を変更することで、SiGe層の応力の大きさを制御できる。 Stress is generated in the SiGe layer lattice-matched to the lower layer. As shown in FIG. 4, tensile stress is generated in the SiGe layer (SiGe on Ge) lattice-matched on the Ge layer. On the other hand, compressive stress is generated in the SiGe layer (SiGe on Si) lattice-matched on the Si layer. The stress generated in the SiGe layer is on the order of several GPa. In any case, as the Ge content in the SiGe layer increases, the stress changes in the negative direction. By changing the composition of SiGe, the magnitude of the stress of the SiGe layer can be controlled.
SiGe層は、臨界膜厚以下であれば、Ge層またはSi層に格子整合して形成することができる。 The SiGe layer can be formed in lattice matching with the Ge layer or the Si layer as long as it has a critical film thickness or less.
図5Aには、Ge層上のSiGe層の臨界膜厚の計算結果を示し、図5Bには、Si層上のSiGe層の臨界膜厚の結果を示す。知られているとおり、SiGe層の臨界膜厚は成長温度に依存する。低温では、People−Beanのモデルによる計算結果によく一致する。高温では、Matthews−Blakesleeのモデルによる計算結果によく一致している。 FIG. 5A shows the calculation result of the critical thickness of the SiGe layer on the Ge layer, and FIG. 5B shows the result of the critical thickness of the SiGe layer on the Si layer. As is known, the critical thickness of the SiGe layer depends on the growth temperature. At low temperatures, it agrees well with the results calculated by the People-Bean model. At high temperatures, it is in good agreement with the results calculated by the Matthews-Blakeslee model.
SiGe層の厚さは、Ge含有量に応じて適宜選択することができる。Ge層上のSiGe層のGe含有量は、30〜90%程度が好ましく、50〜90%程度がより好ましく、70〜90%程度が最も好ましい。Si層上のSiGe層のGe含有量は、10〜70%程度が好ましく、10〜50%程度がより好ましく、10〜30%程度が最も好ましい。 The thickness of the SiGe layer can be appropriately selected according to the Ge content. The Ge content of the SiGe layer on the Ge layer is preferably about 30 to 90%, more preferably about 50 to 90%, and most preferably about 70 to 90%. The Ge content of the SiGe layer on the Si layer is preferably about 10 to 70%, more preferably about 10 to 50%, and most preferably about 10 to 30%.
例えば、Ge含有量が80%の場合、Ge層上のSiGe層の厚さは5〜200nm程度が好ましく、10〜150nm程度がより好ましく、20〜100nm程度が最も好ましい。Ge含有量が80%の場合、Si層上のSiGe層の厚さは5〜200nm程度が好ましく、10〜150nm程度がより好ましく、20〜100nm程度が最も好ましい。 For example, when the Ge content is 80%, the thickness of the SiGe layer on the Ge layer is preferably about 5 to 200 nm, more preferably about 10 to 150 nm, and most preferably about 20 to 100 nm. When the Ge content is 80%, the thickness of the SiGe layer on the Si layer is preferably about 5 to 200 nm, more preferably about 10 to 150 nm, and most preferably about 20 to 100 nm.
[第1実施形態]
図6に示す光電変換デバイス10Aは、半導体基板12上に設けられた光吸収層14と、光吸収層14を覆う応力印加層17Aとを備える。半導体基板12は、Si基板12a上に、絶縁層(SiO2層)12bおよびSi層12cが順次積層されている。光吸収層14は、化学気相堆積(CVD)によりSi層12c上にGe層を選択成長させることによって形成することができる。
[First Embodiment]
A
応力印加層17Aは、Ge層からなる光吸収層14上に直接成長させたSiGe層16により構成される。本実施形態においては、SiGe層16中におけるGe組成は、約80%である。
The
図7Aに示すように、光吸収層14の幅は5μm程度である。図7Bに示すように、光吸収層14の厚さは、約500nmであり、SiGe層16からなる応力印加層17Aの厚さは約40nmである。光吸収層14の幅は、0.5〜20μmの範囲で適宜選択することができる。光吸収層14の厚さは、0.1〜2.0μmの範囲で適宜選択することができる。
As shown in FIG. 7A, the width of the
上面にSiGe層が設けられたGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを、図8に示す。図8には、Ge層の底面の幅が異なる5種類(100μm、10μm、5μm、3μm、2μm)の構造についての発光スペクトルを、参照としてのバルクGeの発光スペクトルとともに示している。図8は、バンド間の直接遷移による発光が生じていることを表わす。発光ピークの波長(以下、「発光ピーク」と称す)は、バンドギャップに相当するエネルギーを有する光の波長である。 FIG. 8 shows a photoluminescence emission spectrum of Ge having a SiGe layer on the upper surface. FIG. 8 shows emission spectra of five types of structures (100 μm, 10 μm, 5 μm, 3 μm, and 2 μm) having different widths of the bottom surface of the Ge layer, together with an emission spectrum of bulk Ge as a reference. FIG. 8 shows that light emission is caused by direct transition between bands. The wavelength of the emission peak (hereinafter referred to as “emission peak”) is the wavelength of light having energy corresponding to the band gap.
Ge層の幅が100μmの場合の発光ピークは、バルクGeの発光ピークより長波長側にある。これは、Ge層の幅を100μmとすることで、熱応力によりバンドギャップが減少したことに起因すると推測される。Ge層の幅が狭くなると、発光ピークは短波長側にシフトすることが、図8に示されている。発光ピークの短波長側へのシフトは、SiGe層から受けるひずみの影響が大きくなって、直接遷移バンドギャップが増大することに対応する。 The emission peak when the width of the Ge layer is 100 μm is on the longer wavelength side than the emission peak of bulk Ge. This is presumed to be due to the fact that the band gap was reduced due to thermal stress by setting the width of the Ge layer to 100 μm. FIG. 8 shows that the emission peak shifts to the short wavelength side when the width of the Ge layer is narrowed. The shift of the emission peak to the short wavelength side corresponds to the fact that the influence of the strain received from the SiGe layer increases and the direct transition band gap increases.
図9には、Geのフォトルミネセンス発光ピークのGe層幅依存性を示す。Ge層の幅を100μmから3μmに減少させることによって、発光ピークを10nm以上シフトさせることができる。 FIG. 9 shows the Ge layer width dependence of Ge photoluminescence emission peak. The emission peak can be shifted by 10 nm or more by reducing the width of the Ge layer from 100 μm to 3 μm.
図10には、上面に異なる層が設けられたGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを、比較して示している。“SiGe cap”は、Ge層上にSiGe層を直接成長させて形成した場合であり、“Si cap”は、Ge層上にSi層を形成した場合である。いずれについても、Ge層の幅は5μmとした。 FIG. 10 shows a comparison of the photoluminescence emission spectra of Ge having different layers on the top surface. “SiGe cap” is a case where the SiGe layer is directly grown on the Ge layer, and “Si cap” is a case where the Si layer is formed on the Ge layer. In all cases, the width of the Ge layer was 5 μm.
“SiGe cap”の発光ピークは、“Si cap”の発光ピークより10nm以上短波長側にある。Si層は、基本的にはGe層上に格子整合させることができないのに対し、SiGe層はGe層上に直接成長させることができる。Ge層上に直接成長させたSiGe層は、格子ひずみを有しているので、Ge層に圧縮応力を印加して、発光波長を短波長化することができる。 The emission peak of “SiGe cap” is 10 nm or more shorter than the emission peak of “Si cap”. The Si layer basically cannot be lattice matched on the Ge layer, whereas the SiGe layer can be grown directly on the Ge layer. Since the SiGe layer grown directly on the Ge layer has lattice strain, the emission wavelength can be shortened by applying a compressive stress to the Ge layer.
(変形例)
Ge層からなる光吸収層14とSiGe層16との間に、10nm程度の厚さのSi層18を設ける以外は、前述の光電変換デバイス10Aの場合と同様の手法により、図1Bに示した光電変換デバイス10Bを作製した。Si層18とSiGe層16とから、応力印加層17Bが構成される。すでに説明したとおり、SiGe層16は、Si層18上に直接成長させて得られ、Si層18に格子整合している。Si層18は、Ge層からなる光吸収層14に格子整合していないので、格子緩和層として作用する。
(Modification)
FIG. 1B shows a method similar to that of the
このような応力印加層17Bが上面に設けられたGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを、図11中に“compressive SiGe cap”として示す。図11中、“relaxed Si cap”は、Ge層の上面に、厚さ約50nmのSi層のみを設けた場合のGeのフォトルミネセンス発光スペクトルを示している。図11中、“tensile SiGe cap”は図1Aに示した光電変換デバイス10AにおけるGeのフォトルミネセンス発光スペクトルであり、“reference bulk Ge”は、参照としてのバルクGeの発光スペクトルである。
The photoluminescence emission spectrum of Ge provided with the
図8の場合と同様、図11は、バンド間の直接遷移による発光が生じていることを表わしている。したがって、発光ピークは、バンドギャップに相当するエネルギーを有する光の波長である。 As in the case of FIG. 8, FIG. 11 shows that light emission is caused by direct transition between bands. Therefore, the emission peak is the wavelength of light having energy corresponding to the band gap.
光吸収層(Ge層)の上面にSi層のみを設けた“relaxed Si cap”の場合、発光ピークは、バルクGeの場合より長波長側にある。Ge層と、Ge層の下地の半導体基板との間には、熱膨張係数の差による応力(熱応力)が生じている。この熱応力によって、Ge層に引張りひずみが予め内蔵され、その影響により発光ピークが長波長側にシフトしたものと推測される。 In the case of “relaxed Si cap” in which only the Si layer is provided on the upper surface of the light absorption layer (Ge layer), the emission peak is on the longer wavelength side than in the case of bulk Ge. Stress (thermal stress) due to a difference in thermal expansion coefficient is generated between the Ge layer and the semiconductor substrate underlying the Ge layer. It is presumed that due to this thermal stress, a tensile strain is built in the Ge layer in advance, and the emission peak is shifted to the long wavelength side due to the influence.
Si層とSiGe層とからなる応力印加層が設けられた“compressive SiGe cap”では、発光ピークは、Si層のみの場合よりもさらに長波長側にシフトしている。Si層(格子緩和層)をSiGe層の下層に有する応力印加層が弾性変形を起こすことによって、Ge層からなる光吸収層に引張り応力が印加される。その結果、直接遷移バンドギャップが減少して、発光ピークがさらに長波長側へシフトした。 In a “compressive SiGe cap” provided with a stress application layer composed of a Si layer and a SiGe layer, the emission peak is shifted further to the longer wavelength side than in the case of only the Si layer. When the stress application layer having the Si layer (lattice relaxation layer) under the SiGe layer undergoes elastic deformation, a tensile stress is applied to the light absorption layer made of the Ge layer. As a result, the direct transition band gap decreased, and the emission peak further shifted to the longer wavelength side.
[第2実施形態]
(全体構成)
図12に示す光電変換デバイス100Aは、Si基板103上に絶縁層104およびSi層105が順次設けられた半導体基板102を備える。半導体基板102は、SOI基板である。Si層105は、p−Si領域107およびn−Si領域108が、i層(真性半導体層)110を挟んで離間形成されている。光電変換デバイス100Aは、半導体基板102の表面に平行な方向にpinダイオード構造を有している。
[Second Embodiment]
(overall structure)
A
半導体基板102上には、選択成長させたGe層からなる断面矩形の光吸収層114aが配置される。光吸収層114aは、紙面に直交する方向に延びた細線状である。光吸収層114a上には、直接成長させたSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。
On the
応力印加層117Aが設けられた光吸収層114aをSi層105とともに覆って、絶縁層120が設けられている。Si層105のp−Si領域107およびn−Si領域108に接続するように、絶縁層120を貫通して一対の電極(第1の電極119aおよび第2の電極119b)が形成されている。
An insulating
(製造方法)
光電変換デバイス100Aを製造するにあたっては、まず、図13Aに示すように、絶縁層(SiO2層)104およびSi層105がSi基板103上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層105の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域107、n−Si領域108およびi層110を形成する。
(Production method)
In manufacturing the
次に、所定のパターンに形成されたレジスト膜(レジストパターン)をマスクとして用いてSi層105をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨(chemical mechanical polishing)により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層105を露出させる。
Next, the
露出したSi層105の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層105の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層105の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図13Aに示すように、Si層105上に選択成長させたメサ型のGe層114上に、SiGe層116を直接成長させて応力印加層117Aを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。
A
レジストパターンをマスクとして用いて、SiGe層116が形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図13Bに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。
Using the resist pattern as a mask, the side wall portion including the slope of the mesa-
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117Aが設けられた光吸収層114aとともにSi層105を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層105に接続する第1、第2の電極119a,119bを形成する。以上の工程によって、図12に示した光電変換デバイス100Aが得られる。
Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the
(動作および効果)
光電変換デバイス100Aは、入射用および出射用の光導波路を設けて、光変調器として用いることができる。光導波路は、紙面に直交する方向で光吸収層114aの両端面に接続する。
(Operation and effect)
The
光吸収層114aを構成しているGeは屈折率が高いので、光導波路から光吸収層114aに光を入射すると、光は光吸収層114中に存在し易くなる。光吸収層114aは、主に光導波路のコアとして機能する。
Since Ge constituting the
光吸収層114aの幅が0.2〜0.8μm程度の場合には、シングルモード光導波路とすることができるので、光は、出射側へ低損失で伝播することが可能となる。
When the width of the
第1の電極119aと第2の電極119bとの間に電圧を印加して、光吸収層114aの電界強度を制御することによって、出射側導波路へ通過する光強度を変化させることができる。例えば、p−Si領域107/i層110/n−Si領域108で構成されるpinダイオードに電圧を印加しない場合、光吸収層114a中の電界強度が10kV/cm程度と小さくなる。この際、Geの直接遷移バンドギャップよりもエネルギーの小さい光は、吸収されることなく通過する。また、pinダイオードの逆方向に電圧を印加し、数10kV/cmを越える大きな電界を光吸収層114aに印加すると、Franz−Keldysh効果により光吸収が大きくなる。この場合には、光は透過しなくなる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス100Aは、電界吸収型光変調器として機能する。
By applying a voltage between the
また、前述のとおり、本実施例では、光電変換デバイス100Aは、光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられているので、光吸収層114aに圧縮応力が印加される。これによって、光吸収層114aの直接遷移バンドギャップが増加して、電界吸収型光変調器として動作する波長を短波長化することができる。
Further, as described above, in this embodiment, the
(変形例)
光電変換デバイス100Aは、pinダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図14に示す光電変換デバイス100Bのように、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有していてもよい。
(Modification)
The
光電変換デバイス100Bは、Si基板203上に絶縁層(SiO2層)204およびSi層205が順次設けられた半導体基板202を備える。ここで「p(n)−Si」は、「p−Si」または「n−Si」の意味である。
The
光吸収層114a上には、SiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。SiGe層116は、Si層205がp−Siである場合は、n−SiGeからなり、Si層205がn−Siである場合は、p−SiGeからなる。つまり、光電変換デバイス100Bは、Si層205と、光吸収層114aを構成しているGe層と、応力印加層117Aを構成しているSiGe層116とで構成されるpinダイオード構造を、半導体基板202の表面に直交する方向に有している。
On the
第1の電極119aはSi層205に2つ接続され、第2の電極119bはSiGe層116からなる応力印加層117Aに接続されている。第1の電極119aは、必ずしも2つが必要ではなく、第1の電極119aと第2の電極119bとの一対の電極が存在すればよい。
Two
光電変換デバイス100Bは、pinダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス100Aと同様の構成である。光電変換デバイス100Bは、基本的には、光電変換デバイス100Aと同様の方法により製造することができる。
The
光電変換デバイス100Bを製造するにあたっては、まず、図15Aに示すように、絶縁層(SiO2層)204およびSi層205がSi基板203上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層205の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域を形成する。
In manufacturing the
次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層205をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層205を露出させる。
Next, the
露出したSi層205の上に、Ge層114を選択成長させる。このときSi層205の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層205の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図15Aに示すように、Si層205上に選択成長させたメサ型のGe層114上に、SiGe層116を直接成長させて応力印加層117Aを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。
A
レジストパターンをマスクとして用いて、SiGe層116が形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図15Bに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。
Using the resist pattern as a mask, the side wall portion including the slope of the mesa-
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117Aが設けられた光吸収層114aとともにSi層205を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層205に接続する第1の電極119aと応力印加層117Aに接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図14に示した光電変換デバイス100Bが得られる。
Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the
光電変換デバイス100Bは、光電変換デバイス100Aと同様に、入射用および出射用の光導波路を設けて、光変調器として用いることができる。光導波路は、紙面に直交する方向で光吸収層114aの両端面に接続する。
Similarly to the
第1の電極119aと第2の電極119bとの間に電圧を印加して、光吸収層114aの電界強度を制御することによって、出射側導波路へ通過する光強度を変化させることができる。例えば、p−Si領域205/Ge層114a/n−SiGe116で構成されるpinダイオードに電圧を印加しない場合、光吸収層114a中の電界強度が10kV/cm程度と小さくなる。この際、Geの直接遷移バンドギャップよりもエネルギーの小さい光は吸収されることなく通過する。また、pinダイオードの逆方向に電圧を印加し、数10kV/cmを越える大きな電界を光吸収層114aに印加すると、Franz−Keldysh効果により光吸収が大きくなる。この場合には、光は透過しなくなる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス100Bは、電界吸収型光変調器として機能する。
By applying a voltage between the
また、前述のとおり、本実施例では、光電変換デバイス100Bは、光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられているので、光吸収層114aに圧縮応力が印加される。これによって、光吸収層114aの直接遷移バンドギャップが増加して、電界吸収型光変調器として動作する波長を短波長化することができる。
In addition, as described above, in this example, the
上述のとおり、光電変換デバイス100Bの場合も、光電変換デバイス100Aと同様の効果が得られるが、第2の電極119bが金属製の場合には、光の導波損失が増大する場合がある。これを避けるために、低抵抗のSi(不純物ドープしたポリSiなど)を用いて、透過する光が金属で吸収されることを防ぐことが望まれる。
As described above, in the case of the
[第3実施形態]
(全体構成)
図16に示す光電変換デバイス200Aは、Si基板103上に絶縁層104およびSi層105が順次設けられた半導体基板102を備える。半導体基板102は、SOI基板である。Si層105は、p−Si領域107およびn−Si領域108が、i層110を挟んで離間形成されている。光電変換デバイス100Aは、半導体基板102の表面に平行な方向にpinダイオード構造を有している。
[Third Embodiment]
(overall structure)
A
半導体基板102上には、選択成長させたメサ型のGe層からなる光吸収層114が配置される。光吸収層114は、紙面に直交する方向に延びた細線状である。光吸収層114上には、Si層118と、Si層118に直接選択成長させたSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。
On the
光電変換デバイス200Aは、光吸収層114の断面形状、応力印加層117Bの構成が異なる以外は、光電変換デバイス100Aと同様である。
The
光電変換デバイス100Aと同様に、応力印加層117Bが設けられた光吸収層114とSi層105とをともに覆って、絶縁層120が設けられている。Si層105のp−Si領域107およびn−Si領域108に接続するように、絶縁層120を貫通して一対の電極(第1の電極119aおよび第2の電極119b)が形成されている。
Similar to the
(製造方法)
光電変換デバイス200Aを製造するにあたっては、まず、図17Aに示すように、絶縁層(SiO2層)104およびSi層105がSi基板103上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層105の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域107、n−Si領域108およびi層110を形成する。
(Production method)
In manufacturing the
次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層105をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層105を露出させる。
Next, the
露出したSi層105の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層105の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層105の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図17Aに示すように、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、2〜100nm程度とすることができる。Si層118上にはSiGe層116を直接成長させて、図17Bに示すような応力印加層117Bを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。
A
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117Bが設けられた光吸収層114aとともにSi層105を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層105に接続する第1、第2の電極119a,119bを形成する。以上の工程によって、図16に示した光電変換デバイス200Aが得られる。
Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the
(動作および効果)
光電変換デバイス200Aは、紙面に直交する方向に光を入射して、受光器として用いることができる。具体的には、紙面に直交する方向で光吸収層114の両端面に光導波路を接続する。例えば、第1の電極119aと第2の電極119bとを介して、p−Si領域107/i層110/n−Si領域108で構成されるpinダイオードの逆方向に電圧を印加し、光吸収層114に電圧をかけた状態に、光導波路から特定の波長の光が入射すると、光吸収層114中で、電子とホールが生成し、第1の電極119aと第2の電極119bとに電流が流れる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス200Aは、pin受光器として機能する。
(Operation and effect)
The
また、上述のように構成された光電変換デバイス200Aは、光吸収層114上に、Si層118とSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。SiGe層116は、Si層118に格子整合しているので、光吸収層114に引張り応力が印加される。これによって、光吸収層114の直接遷移バンドギャップが減少して、動作波長を長波長化することができる。
In the
光電変換デバイス200Aは、応力印加層117Bに向けて上から下方向に光を入射させてもよい。
In the
(変形例)
光電変換デバイス200Aは、pinダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図18に示す光電変換デバイス200Bのように、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有していてもよい。
(Modification)
The
光電変換デバイス200Bは、Si基板203上に絶縁層(SiO2層)204およびSi層205が順次設けられた半導体基板202を備える。ここで「p(n)−Si」は、「p−Si」または「n−Si」の意味である。
The
光吸収層114上には、Si層118とSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。SiGe層116は、Si層205がp−Siである場合は、n−SiGeからなり、Si層205がn−Siである場合は、p−SiGeからなる。つまり、光電変換デバイス200Bは、Si層205と、光吸収層114を構成しているGe層と、応力印加層117Bとで構成されるpinダイオード構造を、半導体基板202の表面に直交する方向に有している。
On the
光電変換デバイス200Bは、光電変換デバイス100Bと同様に、Si層205に接続した2つの第1の電極119aと、SiGe層116に接続した第2の電極119bとを備えている。第1の電極119aは、必ずしも2つが必要ではなく、第1の電極119aと第2の電極119bとの一対の電極が存在すればよい。
Similar to the
光電変換デバイス200Bは、pinダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス200Aと同様の構成である。光電変換デバイス200Bは、基本的には、光電変換デバイス200Aと同様の方法により製造することができる。
The
光電変換デバイス200Bを製造するにあたっては、まず、図19Aに示すように、絶縁層(SiO2層)204およびSi層205がSi基板203上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層205の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域を形成する。
In manufacturing the
次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層205をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120をエッチングし、所定のパターンのSi層205を露出させる。
Next, the
露出したSi層205の上に、Ge層114を選択成長させる。このときSi層205の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層205の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図19Aに示すように、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、2〜100nm程度とすることができる。Si層118上にはSiGe層116を直接成長させて、図19Bに示すような応力印加層117Bを得る。SiGe層116は、メサ型のGe層114の側面の斜面を含む全表面に形成される。
A
次いで、全面に絶縁層を形成して、応力印加層117Bが設けられた光吸収層114とともにSi層205を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層205に接続する第1の電極119aと、SiGe層116に接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図18に示した光電変換デバイス200Bが得られる。
Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the
光電変換デバイス200Bは、光電変換デバイス200Aと同様に光導波路を設けて、受光器として用いることができる。光電変換デバイス200Bの場合も、光電変換デバイス200Aと同様の効果が得られるが、応力印加層117Bに向けて上から下方向に光を入射させる場合には、光反射を抑えることが望まれる。
Similarly to the
[第4実施形態]
(全体構成)
図20に示す光電変換デバイス300Aは、Si基板103上に絶縁層104およびSi層105が順次設けられた半導体基板102を備えている。光電変換デバイス300Aは、半導体基板102の表面に平行な方向にpinダイオード構造を有し、上述した光電変換デバイス100Aと光電変換デバイス200Aとが一体に形成されたものである。
[Fourth Embodiment]
(overall structure)
A photoelectric conversion device 300 </ b> A illustrated in FIG. 20 includes a
すでに説明したように、光電変換デバイス100Aは、断面矩形の光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。光電変換デバイス200Aは、メサ型のGe層からなる光吸収層114の上に、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe116層とを含む応力印加層117Bが設けられている。
As already described, in the
(製造方法)
光電変換デバイス300Aを製造するにあたっては、まず、図21Aに示すように、絶縁層(SiO2層)104およびSi層105がSi基板103上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層105の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域107、n−Si領域108およびi層110を形成する。
(Production method)
In manufacturing the
次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層105をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層105を露出させる。
Next, the
露出したSi層105の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層105の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層105の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。
A
次に、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、例えば2〜100nm程度とすることができる。光電変換デバイス200AのSi層118形成領域をレジストパターンでマスクした後、光電変換デバイス100Aの領域のSi層118をエッチングし、レジストを除去する(図21A)。その後、光電変換デバイス100Aの領域のGe層114上および光電変換デバイス200AのSi層118上にSiGe層116を直接成長させて、図21Bに示すような応力印加層117A、117Bを得る。
Next, a
なお、応力印加層117Aおよび応力印加層117BにおけるSiGe層116は、別々に形成して、Ge組成の異なるSiGe層としてもよい。Ge組成が異なるSiGe層は、Ge層およびSi層のいずれの上でも格子整合できる可能性が高くなるため、デバイス特性の最適化が期待できる。
Note that the SiGe layers 116 in the
ここで、応力印加層117Aは、光吸収層114に格子整合したSiGe層116からなり、応力印加層117Bは、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe116層からなる。レジストパターンをマスクとして用いて、光電変換デバイス100Aの領域の応力印加層117Aが形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図21Cに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。
Here, the
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117A、117Bが設けられた光吸収層114とともにSi層105を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層105に接続する第1の電極119aと、SiGe層116に接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図20に示した光電変換デバイス300Aが得られる。
Next, an insulating layer is formed on the entire surface, covers the
(動作および効果)
上記のように構成された光電変換デバイス300Aは、光変調器として作用する光電変換デバイス100Aと、受光器として作用する光電変換デバイス200Aとが一体に設けられている。
(Operation and effect)
In the
これによって、同一波長の光を入射して、一方の光電変換デバイスで変調し、他方の光電変換デバイスでは受光することが可能となる。しかも、上述したように、光変調器はより短波長の光に対応でき、受光器はより長波長の光に対応できる。 As a result, it is possible to enter light of the same wavelength, modulate it with one photoelectric conversion device, and receive light with the other photoelectric conversion device. Moreover, as described above, the optical modulator can cope with light having a shorter wavelength, and the light receiver can cope with light having a longer wavelength.
なお、下地と格子整合せず、完全に格子緩和もしていない状態のSiGe層116が形成されてもよい。この場合の応力は、図4に示した値よりは小さくなるが、残存しているSiGe層となる。
Note that the
(変形例)
光電変換デバイス300Aは、pinダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図22に示す光電変換デバイス300Bのように、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有していてもよい。
(Modification)
The
光電変換デバイス300Bは、Si基板203上に絶縁層204およびSi層205が順次設けられた半導体基板202を備えている。光電変換デバイス300Bは、半導体基板202の表面に直交する方向にpinダイオード構造を有し、上述の光電変換デバイス100Bと光電変換デバイス200Bとが一体に形成されたものである。
The
すでに説明したように、光電変換デバイス100Bは、断面矩形の光吸収層114a上に格子整合したSiGe層116からなる応力印加層117Aが設けられている。光電変換デバイス200Aは、メサ型のGe層からなる光吸収層114の上に、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe層116とを含む応力印加層117Bが設けられている。
As already described, the
光電変換デバイス300Bは、pinダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス300Aと同様の構成である。光電変換デバイス300Bは、基本的には、光電変換デバイス300Aと同様の方法により製造することができる。
The
光電変換デバイス300Bを製造するにあたっては、まず、図23Aに示すように、絶縁層(SiO2層)204およびSi層205がSi基板203上に順次形成されたSOI基板を準備し、Si層205の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、p−Si領域を形成する。
In manufacturing the
次に、レジストパターンをマスクとして用いてSi層205をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層120aをCVDで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。更に、再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層120aをエッチングし、所定のパターンのSi層205を露出させる。
Next, the
露出したSi層205の上にGe層114を選択成長させる。このときSi層205の一部が絶縁層120aで覆われているので、Ge層114は、Si層205の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。
A
次に、Ge層114上にSi層118を選択成長させる。Si層118の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、例えば2〜100nm程度とすることができる。光電変換デバイス200BのSi層118形成領域をレジストパターンでマスクした後、光電変換デバイス100Bの領域のSi層118をエッチングし、レジストを除去する(図23A)。その後、光電変換デバイス100Bの領域のGe層114上および光電変換デバイス200BのSi層118上にSiGe層116を直接成長させて、図23Bに示すような応力印加層117A、117Bを得る。
Next, a
ここで、応力印加層117Aは、光吸収層114に格子整合したSiGe層116からなり、応力印加層117Bは、Si層118とSi層118に格子整合したSiGe116層からなる。レジストパターンをマスクとして用いて、光電変換デバイス100Bの領域の応力印加層117Aが形成されたメサ型のGe層114の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図23Cに示すような矩形状の断面を有する光吸収層114aを得る。
Here, the
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層117A、117Bが設けられた光吸収層114とともにSi層205を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Si層205に接続する第1の電極119aと、SiGe層116に接続する第2の電極119bとを形成する。以上の工程によって、図22に示した光電変換デバイス300Bが得られる。
Next, an insulating layer is formed on the entire surface, the
光電変換デバイス300Bは、光電変換デバイス300Aと同様に同一波長の光を入射して、一方の光電変換デバイスで変調し、他方の光電変換デバイスでは受光することが可能となる。
Similarly to the
100A,100B,200A,200B,300A,300B 光電変換デバイス
102,202 半導体基板
114,114a 光吸収層
116,SiGe層
117A,117B 応力印加層
100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B
Claims (12)
前記半導体基板上に選択成長したGe層からなる光吸収層と、
前記光吸収層の上面に設けられ、前記光吸収層に圧縮応力または引張り応力を印加する応力印加層とを備え、
前記応力印加層は、下地に格子整合したSiGe層を含むことを特徴とする光電変換デバイス。 A semiconductor substrate having at least a Si layer on the surface;
A light absorption layer comprising a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate;
A stress applying layer that is provided on the upper surface of the light absorbing layer and applies compressive stress or tensile stress to the light absorbing layer;
The photoelectric conversion device, wherein the stress application layer includes a SiGe layer lattice-matched to a base.
前記光吸収層に格子整合したSiGe層からなる応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に圧縮応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを増加させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を短波長化することを特徴とする制御方法。 A method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device comprising a semiconductor substrate having at least a Si layer on the surface, and a light absorption layer comprising a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate,
A stress application layer composed of a SiGe layer lattice-matched to the light absorption layer is formed on the light absorption layer, and compressive stress is applied from the stress application layer to the light absorption layer to directly apply the light absorption layer. A control method characterized by shortening an operating wavelength of the photoelectric conversion device by increasing a transition band gap.
Si層と、前記Si層に格子整合したSiGe層とを含む応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に引張り応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを減少させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を長波長化することを特徴とする制御方法。
A method for controlling the operating wavelength of a photoelectric conversion device comprising a semiconductor substrate having at least a Si layer on the surface, and a light absorption layer comprising a Ge layer selectively grown on the semiconductor substrate,
A stress application layer including a Si layer and a SiGe layer lattice-matched to the Si layer is formed on the light absorption layer, and a tensile stress is applied from the stress application layer to the light absorption layer, so that the light A control method characterized in that the operating wavelength of the photoelectric conversion device is lengthened by reducing the direct transition band gap of the absorption layer.
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JP2020170819A (en) * | 2019-04-05 | 2020-10-15 | 富士通株式会社 | Optical semiconductor element and optical transmission device |
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-
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- 2017-08-24 JP JP2017161306A patent/JP2018041957A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019159273A (en) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | 日本電気株式会社 | Electro-absorption optical modulator |
US11411648B2 (en) | 2018-12-11 | 2022-08-09 | Nitto Denko Corporation | Optical transmission system and electro-optical conversion device |
JP2020170819A (en) * | 2019-04-05 | 2020-10-15 | 富士通株式会社 | Optical semiconductor element and optical transmission device |
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