JP2675519B2 - 半導体基板、半導体装置及びそれらの製造方法 - Google Patents

半導体基板、半導体装置及びそれらの製造方法

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JP2675519B2
JP2675519B2 JP5287867A JP28786793A JP2675519B2 JP 2675519 B2 JP2675519 B2 JP 2675519B2 JP 5287867 A JP5287867 A JP 5287867A JP 28786793 A JP28786793 A JP 28786793A JP 2675519 B2 JP2675519 B2 JP 2675519B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、異種の半導体を用いて
形成したハイブリッドOEIC(光電子集積回路)等を
形成するに適した半導体基板、そのような半導体素子を
有する半導体装置及びそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】光デバイスと電子デバイスを集積化する
OEIC技術は、光通信、光情報処理又は光コンピュー
ティング等の分野で期待される技術である。しかし、現
在のところ、1種の半導体基板に光デバイスと電子デバ
イスを形成することは技術的な困難が大きく、満足でき
る特性を持つものが得られていない。そのため、現在は
GaAs又はInP基板等に形成した光デバイスとSi
等の別の基板に形成した電子デバイスを組み合わせた、
いわゆるハイブリッド型のOEICがこれに代わる技術
として代用されている。この場合、基板が異なるため、
光デバイスと電子デバイスを高度に集積化することは不
可能であり、光デバイスと電子デバイスはワイヤボンデ
ィング等により半導体基板外部で結合されているのが普
通である。しかしこの技術では、ワイヤボンディングに
よる浮遊キャパシタンス、浮遊インダクタンス等又は集
積化の点で問題がある。
【0003】そこで、GaAs又はInP基板等に形成
した光デバイスをSi基板等に接着し、Si電子回路等
と集積化することが試みられている。例えば、アプライ
ドフィジックス レターズ,第58巻,第18号,19
61頁(1991年)(Appl.Phys.Let
t.,vol.58,No18,pp1961(199
1))には、InP基板に形成した光デバイスを、Ga
As基板に直接熱処理によって接着し、GaAs電子回
路と集積化しようとする試みが報告されている。
【0004】このような従来の半導体装置を図3を用い
て説明する。図3は、InP基板(3)上に形成された
半導体レーザー(7)をGaAs基板(4)に直接接着
した半導体装置の断面図である。この半導体装置では、
光デバイス、電子デバイス間のワイヤボンディングが不
要であるため、浮遊キャパシタンス、浮遊インダクタン
ス等がなく、また、集積化度を高めることができ、性能
の良いOEICが得られる可能性がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、二
種の基板に良好な接着状態が生じると、異種半導体の構
成原子の間に共有結合が生じるため、結果的にヘテロエ
ピタキシイを行なった場合と同じ状態となるということ
について考慮されていなかった。そのため、図3に示し
た構造の接着界面を透過電子顕微鏡により観察すると、
界面には転位が観察される。つまり、格子定数の違いか
ら接着界面から転位、積層欠陥等が発生してしまうこと
となり、集積化によりデバイス特性の劣化や信頼性の低
下を招くという問題があった。
【0006】本発明の第1の目的は、材質の異なる二種
の半導体基板が互いに接着した、高信頼性の、かつ、特
性の劣化のない半導体基板を提供することにある。本発
明の第2の目的は、そのような半導体基板を用いた半導
体装置を提供することにある。本発明の第3の目的は、
材質の異なる二種の半導体基板を接着し、高信頼性の、
かつ、特性の劣化のない半導体基板を得ることのできる
半導体基板の製造方法を提供することにある。本発明の
第4の目的は、そのような半導体基板を用いた半導体装
置の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成す
るために、本発明の半導体基板は、第1の半導体基体
と、この第1の半導体基体上の所望の部分に、ファンデ
ルワールス力で各層が結合する層状物質の薄膜層を介し
て設けられた、第1の半導体基体と材質の異なる第2の
半導体基体とから構成したものである。上記のファンデ
ルワールス力で各層が結合する層状物質としては、Ga
S、GaSe、MoS2、MoSe2等の層状カルコゲン
化合物又はSe若しくはTeを用いることが好ましい。
【0008】また、上記第2の目的を達成するために、
本発明の半導体装置は、上記のような半導体基板の第1
の半導体基体及び第2の半導体基体に、それぞれ半導体
素子を形成したものである。
【0009】また、上記第3の目的を達成するために、
本発明の半導体基板の製造方法は、ファンデルワールス
力で各層が結合する層状物質の薄膜層が所望の部分に設
けられた第1の半導体基体と、ファンデルワールス力で
各層が結合する層状物質の薄膜層が所望の部分に設けら
れ、かつ、第1の半導体基体と材質の異なる第2の半導
体基体とを準備し、第1の半導体基体と第2の半導体基
体とをそれぞれ薄膜層を向き合わせて接着するようにし
たものである。
【0010】また、上記第4の目的を達成するために、
本発明の半導体装置の製造方法は、ファンデルワールス
力で各層が結合する層状物質の薄膜層が所望の部分に設
けられ、かつ、第1の半導体素子が該所望の部分と異な
る部分に設けられた第1の半導体基体と、ファンデルワ
ールス力で各層が結合する層状物質の薄膜層が所望の部
分に設けられ、かつ、第2の半導体素子が該所望の部分
と異なる部分に設けられ、第1の半導体基体と材質の異
なる第2の半導体基体とを準備し、第1の半導体基体と
第2の半導体基体とをそれぞれ薄膜層を向き合わせて接
着するようにするか、或いは、上記第1の半導体基体と
第2の半導体基体に、予め第1及び第2の半導体素子を
形成することなく、両者をそれぞれ薄膜層を向き合わせ
て接着し、その後、第1の半導体基体に第1の半導体素
子を、第2の半導体基体に第2の半導体素子をそれぞれ
形成するようにしたものである。
【0011】上記の半導体基板の製造方法と半導体装置
の製造方法のいずれの場合においても、上記のファンデ
ルワールス力で各層が結合する層状物質としては、Ga
S、GaSe、MoS2、MoSe2等の層状カルコゲン
化合物又はSe若しくはTeを用いることが好ましい。
また、接着は、300℃から700℃の範囲の温度で行
なうことが好ましい。
【0012】
【作用】層状物質であるGaS、GaSe、MoS2
MoSe2やSe、Te等の各層は、ファンデルワール
ス力で各層が結合しており、各層の間には結合手がない
ため、各層の界面はもとより、半導体と層状物質との界
面にも転位が発生することはない。従って、充分な接着
強度が得られた場合でも転位が発生することはなく、接
着によりデバイス特性の劣化或いは信頼性の低下が生じ
ることはない。
【0013】また、従来の方法により、半導体同志を接
着をするときは、半導体同志の結晶方位がある程度一致
していないと良好な接着状態とはならないが、本発明の
場合は、ファンデルワールス力による結合であるため、
両者の結晶方位がそろっている必要はない。すなわち、
接着の際、接着する半導体の面方位及び方向を自由に設
定できる。
【0014】
【実施例】〈実施例1〉図1は、本発明の半導体基板の
一実施例の模式的な斜視図である。Si基板(2)上に
InP基板(3)及びGaAs基板(4)がGaSe
(1)を介して接着されている。
【0015】図2は、この半導体基板を形成する工程図
である。まず、接着面となるSi基板(2)の表面、I
nP基板(3)とGaAs基板(4)の裏面を予め鏡面
に加工しておく。これらの面に、GaSe(1)をそれ
ぞれ分子線エピタキシイ法により、基板温度600℃で
堆積する(図2(a))。次に、両者の接着面を向き合
わせ(図2(b))、密着し、水素雰囲気又は窒素雰囲
気中で400℃に加熱して接着する(図2(c))。こ
の際、充分な結合強度が得られるように、両者を適当な
圧力を加えて密着させてもよい。
【0016】なお、GaSeに代えて、GaS、MoS
2、MoSe2等の層状カルコゲン化合物、Se、Te等
を用いた場合も、同様の半導体基板を得ることができ
た。また、半導体基板の接着は、300℃から700℃
の範囲の温度で行うことができた。
【0017】〈実施例2〉図4は、本発明の半導体装置
の一実施例の模式的な斜視図である。予めSi基板
(2)の表面、InP基板(3)とGaAs基板(4)
の裏面を鏡面に加工し、InP基板(3)に電子回路
(14)及び受光素子(16)を、GaAs基板(4)
に電子回路(13)及び半導体レーザー(12)を、S
i基板(2)にマイクロプロセッサ(15)をそれぞれ
形成する。Si基板(2)に凹部を作り、そこへ上記I
nP基板(3)とGaAs基板(4)とを実施例1と同
様にして、GaSeを用いて接着する。その後配線を行
なって集積化した半導体装置を得た。この場合も、Gs
Seに代えて、GaS、MoS2、MoSe2等の層状カ
ルコゲン化合物、Se、Te等を用いても、同様の半導
体装置を得ることができた。
【0018】〈実施例3〉実施例1に示した半導体基板
を用いて製作した半導体装置の例を示す。図5はこの半
導体装置の模式的な斜視図である。図1に示した半導体
基板のSiの露出している面にのみアモルファス窒化シ
リコンを堆積する。次に、InP基板(3)の上に受光
素子(10)を、GaAs基板(4)に上に半導体レー
ザー(8)をそれぞれ有機金属気相成長法により選択エ
ピタキシャル成長させる方法により形成する。アモルフ
ァス窒化シリコンを除去し、Si基板(2)の上に電子
回路(11)を形成し、電極(9)、配線(9’)を設
ける。このようにして、半導体レーザー、受光素子及び
電子回路が1個の半導体チップ上に高度に集積されたO
EICが得られた。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、高信頼性の、かつ、特
性の劣化のない半導体基板が得られた。さらに、本発明
によれば、ワイヤボンディングを全く必要とせず、その
ため、ワイヤボンディングによる浮遊キャパシタンス、
浮遊インダクタンスがなく、集積化度が高く、かつ、高
い信頼性の半導体装置が得られた。さらに、信頼性の劣
化又は個々のデバイスの特性の劣化が発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体基板の一実施例の模式的な斜視
図。
【図2】図1に示した半導体基板を形成する工程図。
【図3】従来の半導体装置の断面図。
【図4】本発明の半導体装置の一実施例の模式的な斜視
図。
【図5】図1に示した半導体基板を用いて製作した半導
体装置の模式的な斜視図。
【符号の説明】
1…GaSe 2…Si基板 3…InP基板 4…GaAs基板 7、8、12…半導体レーザー 9…電極 9’…配線 10、16…受光素子 11、13、14…電子回路 15…マイクロプロセッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷹野 秀明 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平2−194519(JP,A) 特開 昭61−183914(JP,A) 特開 昭61−182256(JP,A)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の半導体基体と、該第1の半導体基体
    上の所望の部分に、ファンデルワールス力で各層が結合
    する層状物質の薄膜層を介して設けられた、第1の半導
    体基体と材質の異なる第2の半導体基体とよりなること
    を特徴とする半導体基板。
  2. 【請求項2】請求項1記載の半導体基板において、上記
    ファンデルワールス力で各層が結合する層状物質は、層
    状カルコゲン化合物、Se又はTeであることを特徴と
    する半導体基板。
  3. 【請求項3】請求項2記載の半導体基板において、上記
    層状カルコゲン化合物は、GaS又はGaSeであるこ
    とを特徴とする半導体基板。
  4. 【請求項4】請求項1から3のいずれか一に記載の半導
    体基板において、上記第1の半導体基体又は第2の半導
    体基体のいずれか一方は、Siであることを特徴とする
    半導体基板。
  5. 【請求項5】請求項1から4のいずれか一に記載の半導
    体基板と、上記第1の半導体基体及び上記第2の半導体
    基体にそれぞれ設けられた半導体素子とを有することを
    特徴とする半導体装置。
  6. 【請求項6】ファンデルワールス力で各層が結合する層
    状物質の薄膜層が所望の部分に設けられた第1の半導体
    基体と、ファンデルワールス力で各層が結合する層状物
    質の薄膜層が所望の部分に設けられ、かつ、第1の半導
    体基体と材質の異なる第2の半導体基体とを準備する工
    程、第1の半導体基体と第2の半導体基体とをそれぞれ
    薄膜層を向き合わせて接着する工程よりなる半導体基板
    の製造方法。
  7. 【請求項7】請求項6記載の半導体基板の製造方法にお
    いて、上記ファンデルワールス力で各層が結合する層状
    物質は、層状カルコゲン化合物、Se又はTeであるこ
    とを特徴とする半導体基板の製造方法。
  8. 【請求項8】請求項7記載の半導体基板の製造方法にお
    いて、上記層状カルコゲン化合物は、GaS又はGaS
    eであることを特徴とする半導体基板の製造方法。
  9. 【請求項9】請求項6から8のいずれか一に記載の半導
    体基板の製造方法において、上記接着は、300℃から
    700℃の範囲の温度で行なうことを特徴とする半導体
    基板の製造方法。
  10. 【請求項10】ファンデルワールス力で各層が結合する
    層状物質の薄膜層が所望の部分に設けられ、かつ、第1
    の半導体素子が該所望の部分と異なる部分に設けられた
    第1の半導体基体と、ファンデルワールス力で各層が結
    合する層状物質の薄膜層が所望の部分に設けられ、か
    つ、第2の半導体素子が該所望の部分と異なる部分に設
    けられ、第1の半導体基体と材質の異なる第2の半導体
    基体とを準備する工程、第1の半導体基体と第2の半導
    体基体とをそれぞれ薄膜層を向き合わせて接着する工程
    よりなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項11】ファンデルワールス力で各層が結合する
    層状物質の薄膜層が所望の部分に設けられた第1の半導
    体基体と、ファンデルワールス力で各層が結合する層状
    物質の薄膜層が所望の部分に設けられ、かつ、第1の半
    導体基体と材質の異なる第2の半導体基体とを準備する
    工程、第1の半導体基体と第2の半導体基体とをそれぞ
    れ薄膜層を向き合わせて接着する工程、第1の半導体基
    体に第1の半導体素子を、第2の半導体基体に第2の半
    導体素子をそれぞれ形成する工程よりなることを特徴と
    する半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項12】請求項10又は11記載の半導体装置の
    製造方法において、上記ファンデルワールス力で各層が
    結合する層状物質は、層状カルコゲン化合物、Se又は
    Teであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  13. 【請求項13】請求項12記載の半導体装置の製造方法
    において、上記層状カルコゲン化合物は、GaS又はG
    aSeであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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