JP4649604B2

JP4649604B2 - 半導体デバイス

Info

Publication number: JP4649604B2
Application number: JP2004142537A
Authority: JP
Inventors: 政夫櫻庭; 敦史山田; 淳一室田
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: JP2005327808A

Description

本発明は、半導体デバイスに係わり、特に四族元素半導体を用いた光半導体デバイスに関するものである。

近年の半導体集積回路の高性能化にともない、光信号を伝送させる技術として、周期律表の二族及び六族の元素からなる二―六族化合物半導体、周期律表の三族及び五族の元素からなる三―五族化合物半導体が光デバイスとして採用されているが、四族元素半導体は実用化に至っていない。

ここで、四族元素半導体とは、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ等の四族元素及びそれらの複合物を主成分とする半導体である。二―六族化合物半導体とは、二族元素（Ｚｎ、Ｃｄ等）と六族元素（Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ等）の化合物を主成分とする半導体である。三―五族化合物半導体とは、三族元素（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等）と五族元素（Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等）の化合物を主成分とする半導体である。

特開２００１−１４４３８２号公報

しかし光デバイス材料として優れているとされる二―六族化合物半導体、三―五族化合物半導体は、シリコン集積回路のデバイス特性を変化させる要因となるために、シリコン集積回路製作においては排除されるべき材料とされている。したがって、光信号を扱う装置においては、シリコン集積回路を製作した後に、個別の発光・受光デバイスを実装することになるが、これらの実装技術の位置精度が高くないことから高集積化が困難な状況にある。

一方、高品質シリコン結晶薄膜成長技術や、四族へテロ構造形成、超高濃度不純物導入技術の進展とともにシリコン系四族半導体材料による光デバイスが期待されている。最も大規模化技術が進展しているシリコン系四族半導体材料による光デバイスが実現すると、シリコン半導体と組み合わせることで新機能の実現が可能となるが、シリコン系四族半導体材料による光デバイスは実現されていない。

本願の課題は、より高度な情報処理装置の実現のため、シリコン集積回路と同一シリコン基板上にシリコン系四族半導体材料を用いた発光デバイス、受光デバイスを製作集積化し、二―六族化合物半導体及び三―五族化合物半導体を用いずに光により情報伝達を可能とする半導体デバイスを提供することにある。

本発明の半導体デバイスは、電気信号を光信号に変換する発光デバイスと、光信号を電気信号に変換する受光デバイスと、これら発光デバイスおよび受光デバイスを表面上に搭載配置した半導体基板とを、同一主成分の半導体材料で構成したことを特徴とする。

本発明の半導体デバイスは、電気信号を光信号に変換する発光デバイスと、光信号を電気信号に変換する受光デバイスと、これら発光デバイスおよび受光デバイス間を光接続するための導光手段とを、同一半導体基板上に配置したことを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記発光デバイス、前記受光デバイス、および前記半導体基板は四族の元素の少なくとも一つまたはそれらの複合物を主成分として構成されていることを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記発光デバイスおよび前記受光デバイスの少なくとも一方は、ｐ型半導体とｎ型半導体とを接合させたｐｎ接合構造を有していることを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記発光デバイスおよび前記受光デバイスの少なくとも一方は、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に不純物濃度１０^１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３以下の半導体層を設けたｐｉｎ接合構造を有していることを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記発光デバイスおよび前記受光デバイスの少なくとも一方は、組成比が１％以上異なる異種（ヘテロ）材料を接合させた構造を有することを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記導光手段は、四族元素半導体の窒化物、酸化物、または酸窒化物を含むことを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記発光デバイスおよび前記受光デバイスを、光信号を伝送するための透明材料薄膜により光学的に結合させたことを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記発光デバイスおよび前記受光デバイスを、光信号を伝送するための透明材料の細線により光学的に結合させたことを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記透明材料は、シリコン系四族元素の酸化物あるいは窒化物あるいは酸窒化物であることを特徴とする。

本発明の半導体デバイスにおいては、前記半導体基板には、シリコン集積回路が形成されていることを特徴とする。

本願発明の半導体デバイスは、二―六族化合物半導体や三―五族化合物半導体を用いずに、シリコン集積回路と同一シリコン基板上にシリコン系四族半導体材料を用いた発光デバイス、受光デバイスを製作集積化する。シリコン系四族半導体材料を使うことから、シリコン集積回路とともに成熟してきた集積化技術をそのまま利用できる。その結果、光デバイスをシリコン集積回路と同等の高集積化することが可能となり、光により情報伝達を可能とする半導体デバイスにより高度な情報処理装置が実現できる。

以下、本発明の半導体装置及びその製造方法について、図を参照して説明する。

本発明をその実施例１について詳細に説明する。図１に本発明の半導体デバイスの概略俯瞰図、図２、図３に半導体デバイスの製作工程における断面図、図４に発光／受光デバイスにおける電流相関図、図５に光伝送路と関連した半導体デバイスの構成図、図６に半導体デバイスの接合構造図を示す。

図１に示すように、シリコン集積回路製作プロセスを利用して、シリコン結晶基板（図示せず）上にシリコンを主成分とする材料を用いて発光デバイス９、受光デバイス１０、両デバイス９，１０を光結合する光伝送路４を製作した。図２、図３に示すように、対向する発光・受光デバイスは電気的絶縁のために酸化膜薄膜２で覆われたシリコン基板１の上に製作した。その結果、発光デバイス９に電流を流すことにより、受光デバイス１０の電流が大きく増加することを見出した（図４）。

図２において、シリコン基板１の上に、膜厚１０００ｎｍの酸化膜２を成膜し、さらに酸化膜２上に、膜厚約３００ｎｍで不純物濃度１０^１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３以下のシリコン層３を成長させる。フォトリソグラフィ及びエッチングにより発光デバイス９及び受光デバイス１０となるべきパターンを形成する。さらに、透明材料としてシリコン窒化膜を約２００ｎｍ成膜し、それぞれのデバイスを接続するように光伝送路４を３μｍ幅としてパターニングする。本実施例においては光伝送路４を窒化膜により形成しているが酸化膜あるいは酸窒化膜により形成することもできる。

図３において、発光・受光デバイスとなるように、光伝送路４に自己整合させて、Ｐ型及びｎ型不純物をイオン注入し、Ｐ型不純物領域５、及びｎ型不純物領域６を形成する。全面に絶縁膜としてリンドープ酸化膜７を成膜し、コンタクトホールを開口し、Ｐ型不純物領域５、及びｎ型不純物領域６にそれぞれの電極８を形成する。これらの電極は１％シリコンを含むＡｌにより形成した。このように形成された発光デバイス９と、受光デバイス１０と、を図１に示すように配置し、２つのデバイス間を透明なシリコン窒化物細線の光伝送路４で接続する。このとき発光デバイス９と受光デバイス１０との間隔は２４０μｍ離れている。これらの発光デバイス９と、受光デバイス１０と、光伝送路４との配置関係を模式的に図５に示す。図５（Ａ）は、発光デバイス９と受光デバイス１０との間に光伝送路４がない場合であり、図５（Ｂ）は、発光デバイス９と受光デバイス１０とが光伝送路４により結合された場合である。

図５のように配置されたデバイスにおいて発光デバイス９に電圧を印加し、半導体間に電流を流し、このとき受光デバイス１０における流れる電流を測定する。これらの電流値の関係を図４に示す。図４において、Ａグループの△の各点は、発光デバイス９と受光デバイス１０との間隔は２４０μｍで、デバイス間には光伝送路４がない場合（図５（Ａ））である。Ｂグループの●の各点（Ｂ）は、光伝送路４がある場合（図５（Ｂ））である。光伝送路４がない場合（Ａグループ）においては受光デバイスにおいては信号電流が検出されなかった。光伝送路４が在る場合（Ｂグループ）には、発光デバイスの電流に比例した信号電流が受光デバイスにおいて検出され、発光デバイスの信号が受光デバイスに受信できた。導光手段である光伝送路４により信号が伝送されていることが確認できた。このときの受光デバイスの印加電圧は−１Ｖである。

この結果は、発光効率が低すぎて発光デバイス材料には不向きであると考えられていたシリコン系四族元素半導体においても光デバイス間を光伝送路で結合させることで光信号による情報伝送が可能であることを意味している。従って、シリコン系四族元素半導体において、光デバイスと大規模シリコン集積回路とを同一シリコン基板上に製作することで、より高度な情報処理装置が実現できる。

本発明の実施例２について説明する。図６に半導体デバイスの接合構造図を示す。ここでも、シリコン系四族半導体材料を用いていることは、図１〜３と同様である。実施例２においては、さらに発光効率を向上させるために、シリコン集積回路に適用可能な接合とするものである。

図６（Ａ）はｐ型半導体２１とｎ型半導体２２とによるｐｎ型である。図６（Ｂ）はｐ型半導体２１とｎ型半導体２２との間に不純物濃度１０^１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３以下の半導体２３を介在させたｐｉｎ型であり、実施例１と同様の構造である。図６（Ｃ）はｐ型半導体２１と、ｐ型半導体２１と組成比が１％以上異なる異種（ヘテロ）材料のｎ型半導体２４とによるｐｎヘテロ型である。図６（Ｄ）はｎ型半導体２２と、ｎ型半導体２２と組成比が１％以上異なる異種（ヘテロ）材料のｐ型半導体２５とによるｐｎヘテロ型である。図６（Ｅ）はｐ型半導体２１と、ｎ型半導体２２との間に、半導体２６を介在させたダブルヘテロ型である。この半導体２６はｐ型半導体２１及びｎ型半導体２２とは組成比が１％以上異なる異種（ヘテロ）材料のｐ型半導体あるいはｎ型半導体あるいは不純物濃度１０^１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３以下の半導体である。

上記した接合においても、シリコン系四族元素半導体を使った光による情報伝送が可能である。光により情報伝達を可能とする半導体デバイスにより高度な情報処理装置が実現できる。

本願によれば、シリコン集積回路と同一シリコン基板上にシリコン系四族半導体材料を用いた発光デバイス、受光デバイスを製作集積化する。シリコン系四族半導体材料を使うことから、シリコン集積回路とともに成熟してきた集積化技術をそのまま利用できる。その結果、光デバイスをシリコン集積回路と同等の高集積化することが可能となり、光により情報伝達を可能とする半導体デバイスが得られる。

以上本願発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明における半導体デバイスの概略俯瞰図である。本発明の半導体デバイスの工程（その１）における断面図である。本発明の半導体デバイスの工程（その２）における断面図である。本発明における発光／受光デバイスにおける電流相関図である。本発明における光伝送路と関連した半導体デバイスの構成図である。本発明における半導体デバイスの接合構造図である。

符号の説明

１シリコン基板
２酸化膜
３シリコン層
４透明材料（光伝送路）
５ｐ型半導体
６ｎ型半導体
７絶縁膜（リンドープ酸化膜）
８電極
９発光デバイス
１０受光デバイス
２１ｐ型半導体
２２ｎ型半導体
２３不純物濃度１０^１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３以下の半導体
２４ｎ型半導体
２５ｐ型半導体
２６半導体

Claims

電気信号を光信号に変換する発光デバイスと、光信号を電気信号に変換する受光デバイスと、これら発光デバイスおよび受光デバイスを表面上に搭載配置した半導体基板とをシリコン系四族元素半導体又はこれらの複合物を主成分とする半導体材料で構成すると共に、前記発光デバイスと、前記受光デバイスとは、シリコン系四族元素の酸化物、窒化物、及び酸窒化物のいずれか一つによって形成された光伝送路によって接続されており、且つ、前記発光デバイス、前記受光デバイス、及び前記光伝送路を酸化膜で覆われたシリコン基板上に設けると共に、前記発光デバイス及び前記受光デバイスには、それぞれ２つの電極が形成されていることを特徴とする半導体デバイス。
前記発光デバイスおよび前記受光デバイスの少なくとも一方は、ｐ型半導体とｎ型半導体とを接合させたｐｎ接合構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
前記発光デバイスおよび前記受光デバイスの少なくとも一方は、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に不純物濃度１０^１８ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３以下の半導体層を設けたｐｉｎ接合構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
前記発光デバイスおよび前記受光デバイスの少なくとも一方は、組成比が１％以上異なる異種（ヘテロ）材料を接合させた構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の半導体デバイス。
前記半導体基板には、シリコン集積回路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体デバイス。