JP6378928B2 - Ge-based semiconductor device, manufacturing method thereof, and optical interconnect system - Google Patents
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Description
本発明は、Ge系半導体装置、その製造方法及び光インターコネクトシステムに関するものであり、例えば、光通信及びデータ通信に用いられるSi基板上のGe系半導体を吸収層とする半導体受光素子等に関するものである。 The present invention relates to a Ge-based semiconductor device, a method for manufacturing the same, and an optical interconnect system. For example, the present invention relates to a semiconductor light receiving element having a Ge-based semiconductor on a Si substrate used for optical communication and data communication as an absorption layer. is there.
サーバCPU間のデータ伝送量の増大に伴い、従来のCu配線を用いた電気信号による伝送での対応が限界に近づきつつある。このボトルネックを解消するためには、光インターコネクト、即ち、光信号によるデータ伝送が必要とされる。さらには、低消費電力、小面積化の観点から、光送受信に必要となる光送信器、光変調器、受信器、合分波器等の各種光コンポーネントをSi基板上に集積化することが必要となる。 With the increase in the amount of data transmission between server CPUs, the correspondence in the transmission by the electrical signal using the conventional Cu wiring is approaching the limit. In order to eliminate this bottleneck, an optical interconnect, that is, data transmission using an optical signal is required. Furthermore, from the viewpoint of low power consumption and small area, various optical components such as an optical transmitter, an optical modulator, a receiver, and a multiplexer / demultiplexer necessary for optical transmission / reception can be integrated on the Si substrate. Necessary.
この場合、Si基板上に形成した光導波路での損失が小さい波長1.30μm〜1.55μmを伝送波長帯として使用することが好ましい。この波長帯での光伝送で適用されるSi基板上の受信器(フォトディテクター)には、Siと同じIV族で1.55μm近傍に吸収端を有するGeを吸収層として適用することが好ましい。 In this case, it is preferable to use a wavelength of 1.30 μm to 1.55 μm, which has a small loss in the optical waveguide formed on the Si substrate, as the transmission wavelength band. For the receiver (photodetector) on the Si substrate used for optical transmission in this wavelength band, it is preferable to apply Ge, which is the same group as Si, and has an absorption edge in the vicinity of 1.55 μm as an absorption layer.
しかし、Si基板上にGe層をエピタキシャル成長させた場合には、4.2%の格子定数差に起因してGe層に貫通転位や欠陥が発生する。このような貫通転位や欠陥はGe層中で発生したフォトキャリアをトラップするため、フォトディテクターの応答感度を低下させることになる。したがって、フォトダイオードの応答感度を高めるには、Ge層に発生する結晶欠陥を低減する必要がある。 However, when the Ge layer is epitaxially grown on the Si substrate, threading dislocations and defects are generated in the Ge layer due to a lattice constant difference of 4.2%. Such threading dislocations and defects trap the photocarriers generated in the Ge layer, thereby reducing the response sensitivity of the photodetector. Therefore, in order to increase the response sensitivity of the photodiode, it is necessary to reduce crystal defects generated in the Ge layer.
そこで、Ge成長初期を300℃〜400℃の低温で成長し、その後、温度を上げて600℃〜700℃の高温で成長することにより、高温成長Ge層の貫通転位や欠陥密度を低減する手法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。このような低温/高温の二段階成長により、貫通転位や欠陥は低温成長Ge層/高温成長Ge層の界面にルーピングされるため、高温成長Ge層の貫通転位や欠陥密度が低減する。 Therefore, a method of reducing the threading dislocation and defect density of the high-temperature growth Ge layer by growing the initial stage of Ge growth at a low temperature of 300 ° C. to 400 ° C. and then increasing the temperature to grow at a high temperature of 600 ° C. to 700 ° C. Has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). By such low-temperature / high-temperature two-stage growth, threading dislocations and defects are looped at the interface between the low-temperature grown Ge layer / high-temperature grown Ge layer, and therefore the threading dislocations and defect density of the high-temperature grown Ge layer are reduced.
また、SiとGeの間の格子定数を有するSiGe混晶を初期の低温成長層として適用する手法が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。また、上述の低温/高温の二段階成長貫通転位及び欠陥密度を低減した高温成長Ge層を吸収層としたフォトディテクターが提案されている(例えば、非特許文献3参照)。例えば、非特許文献3に提案されている。この場合、SOI基板を用いて表面の単結晶Si層をp型層として、その上にi型Ge層を成長させ、その表面をn++型Ge層としてPIN型フォトダイオードを形成している。 In addition, a method of applying a SiGe mixed crystal having a lattice constant between Si and Ge as an initial low-temperature growth layer has been proposed (for example, see Non-Patent Document 2). In addition, a photodetector using an absorption layer of the above-described low-temperature / high-temperature two-stage growth threading dislocation and a high-temperature growth Ge layer with reduced defect density has been proposed (for example, see Non-Patent Document 3). For example, it is proposed in Non-Patent Document 3. In this case, using a SOI substrate, a single-crystal Si layer on the surface is used as a p-type layer, an i-type Ge layer is grown thereon, and a PIN photodiode is formed using the surface as an n ++- type Ge layer.
しかしながら、非特許文献3において提案されているフォトディテクター構造では、p型Si層とGe層との界面近傍の貫通転位や欠陥密度の高い低温成長Ge層をi型Ge層で発生したフォトキャリアが通過する。その結果、フォトキャリアは貫通転位や欠陥にトラップされるため、フォトディテクターの応答感度は低下するという問題がある。 However, in the photodetector structure proposed in Non-Patent Document 3, photocarriers are generated in the i-type Ge layer through threading dislocations near the interface between the p-type Si layer and the Ge layer and a low-temperature grown Ge layer having a high defect density. pass. As a result, since the photocarrier is trapped by threading dislocations and defects, there is a problem that the response sensitivity of the photodetector is lowered.
したがって、Ge系半導体装置において、低温成長層中におけるキャリアのトラップによる効率低下を低減することを目的とする。 Therefore, it is an object of the Ge-based semiconductor device to reduce a decrease in efficiency due to carrier trapping in a low-temperature growth layer.
開示する一観点からは、表面が単結晶Si層である基板と、前記単結晶Si層上に直接設けた組成比xが一定のi型SixGe1−x層(但し、0<x<1)と、前記i型SixGe1−x層上に直接設けられて、p型層/n型層からなるpn接合或いはp型層/i型層/n型層からなるpin接合のいずれかが形成されたSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)と、前記p型層及びn型層に形成された電極とを有することを特徴とするGe系半導体装置が提供される。 From one aspect disclosed, the substrate surface is a single crystal Si layer, the direct on the single crystal Si layer formed composition ratio x is a certain i-type Si x Ge 1-x layer (where, 0 <x < 1) and a pn junction which is directly provided on the i-type Si x Ge 1-x layer and consists of a p-type layer / n-type layer or a pin junction which consists of a p-type layer / i-type layer / n-type layer Provided is a Ge-based semiconductor device having a Si y Ge 1-y layer (where 0 ≦ y <x) formed on the electrode and electrodes formed on the p-type layer and the n-type layer. Is done.
また、開示する別の観点からは、表面が単結晶Si層である基板上に、減圧化学気相成長法により、300℃乃至400℃の成長温度で、Geを種元素とするガス及びSiを種元素とするガスを供給することにより組成比xが一定のi型SixGe1−x層(但し、0<x<1)を成長する第1の成長工程と、前記i型SixGe1−x層上に、減圧化学気相成長法により、600℃乃至700℃の成長温度で少なくともGeを種元素とするガスを供給することによりSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)を成長する第2の成長工程と前記SiyGe1−y層中にpn接合或いはpin接合のいずれかを形成する工程とを有することを特徴とするGe系半導体装置の製造方法が提供される。 From another point of view, a gas having Si as a seed element and Si at a growth temperature of 300 ° C. to 400 ° C. are formed on a substrate whose surface is a single crystal Si layer by a low pressure chemical vapor deposition method. A first growth step of growing an i-type Si x Ge 1-x layer (where 0 <x <1) having a constant composition ratio x by supplying a gas as a seed element; and the i-type Si x Ge On the 1-x layer, a gas containing at least Ge as a seed element is supplied at a growth temperature of 600 ° C. to 700 ° C. by a low pressure chemical vapor deposition method to thereby form a Si y Ge 1-y layer (where 0 ≦ y A method for manufacturing a Ge-based semiconductor device, comprising: a second growth step of growing <x); and a step of forming either a pn junction or a pin junction in the Si y Ge 1-y layer. Provided.
また、開示するさらに別の観点からは、上述のGe系半導体装置の前記単結晶Si層を加工して光分波器を形成し、前記フォトダイオードと結合した光導波路と前記光分波器の出力導波路とを結合した集積型光受信器と、表面が単結晶Si層である基板の前記単結晶Si層を加工して設けた光合波器と、前記光合波器の入力導波路に接続された半導体レーザと、前記光合波器の出力導波路に結合されたリング共振器とを有する集積型光送信器と、前記光合波器の前記出力導波路と前記光分波器の入力導波路を接続する光ファイバとを備えたことを特徴とする光インターコネクトシステムが提供される。 From another viewpoint to be disclosed, an optical demultiplexer is formed by processing the single crystal Si layer of the Ge-based semiconductor device described above, and an optical waveguide coupled to the photodiode and the optical demultiplexer Connected to the integrated optical receiver coupled with the output waveguide, the optical multiplexer formed by processing the single crystal Si layer of the substrate whose surface is a single crystal Si layer, and the input waveguide of the optical multiplexer An integrated optical transmitter having a coupled semiconductor laser and a ring resonator coupled to the output waveguide of the optical multiplexer, the output waveguide of the optical multiplexer, and the input waveguide of the optical demultiplexer There is provided an optical interconnect system comprising an optical fiber connecting the two.
開示のGe系半導体装置、その製造方法及び光インターコネクトシステムによれば、低温成長層中におけるキャリアのトラップによる効率低下を低減することが可能になる。 According to the disclosed Ge-based semiconductor device, the manufacturing method thereof, and the optical interconnect system, it is possible to reduce efficiency reduction due to carrier trapping in the low-temperature growth layer.
ここで、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態のGe系半導体装置を説明するが、ここでは、一例として、導波路結合型半導体受光素子として説明するが、電界吸収型の変調器でも良い。図1は、本発明の実施の形態の半導体受光素子の概略的斜視図であり、表面が単結晶Si層4である基板1の単結晶Si層4上に組成比xが一定のi型SixGe1−x層(但し、0<x<1)6を介して設けたSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)7を素子形成領域とする。このSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)7に、p型層10/n型層9からなるpn接合或いはp型層10/i型層8/n型層9からなるpin接合のいずれかを形成する。この場合の表面が単結晶Si層4である基板1は、典型的には単結晶シリコン基板或いは単結晶Si基板2上に酸化膜3を介して単結晶Si層4を設けたSOI基板である。
Here, a Ge-based semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. 2. Here, as an example, a description will be given of a waveguide coupled semiconductor light receiving element. The modulator may be used. FIG. 1 is a schematic perspective view of a semiconductor light receiving element according to an embodiment of the present invention. I-type Si having a constant composition ratio x on a single-
ここで、SiyGe1−y層7中の貫通転位密度及び欠陥密度は、低温成長層であるi型SixGe1−x層6の貫通転位密度及び欠陥密度より低い。また、SiyGe1−y層7の組成比yは0≦y≦0.20とする。yが、0.20を超えると1.30μm〜1.55μmを伝送波長帯に対する応答感度が低くなる。一方、i型SixGe1−x層6の組成xは、0<x≦0.40とする。xが0.40を超えると歪緩和効果が不十分になる。 Here, the threading dislocation density and the defect density in the Si y Ge 1-y layer 7 are lower than the threading dislocation density and the defect density of the i-type Si x Ge 1-x layer 6 that is a low-temperature growth layer. The composition ratio y of the Si y Ge 1-y layer 7 is 0 ≦ y ≦ 0.20. When y exceeds 0.20, the response sensitivity with respect to the transmission wavelength band of 1.30 μm to 1.55 μm becomes low. On the other hand, the composition x of the i-type Si x Ge 1-x layer 6 is 0 <x ≦ 0.40. When x exceeds 0.40, the strain relaxation effect becomes insufficient.
この場合のpn接合或いはpin接合は、SiyGe1−y層7の成長方向に対して横方向に形成しても良いし、縦方向に形成しても良いし、或いは、それらの中間形態の縦横型に形成しても良い。 In this case, the pn junction or the pin junction may be formed laterally with respect to the growth direction of the Si y Ge 1-y layer 7, may be formed in the longitudinal direction, or an intermediate form thereof. You may form in the vertical and horizontal type.
このフォトダイオードにパッシブ型の光導波路5を光学的に結合しても良い。この場合の光導波路5は、基板1としてSOI基板を用いる場合には、SOI基板の表面の単結晶Si層4を加工してリブ型導波路を形成すれば良い。この場合の上部クラッド層としては選択成長マスク11とコンタクトホールを形成するための絶縁膜12を用いても良いし、絶縁膜12のみで上部クラッド層を形成しても良い。或いは、基板1として単結晶Si基板を用いる場合には、下部クラッド層となる絶縁膜を介して設けた多結晶Si膜を加工してチャネル型導波路を形成すれば良い。
A passive
また、これらの導波路結合型フォトダイオードを複数個並列に配置すれば集積型光受信器を形成することができる。この場合、AWG分波器等の分波器も単結晶Si層4を利用して形成することができる。
An integrated optical receiver can be formed by arranging a plurality of these waveguide coupled photodiodes in parallel. In this case, a duplexer such as an AWG duplexer can also be formed using the single
この集積型光受信器と、集積型光送信器とを光ファイバで結合することによって、光インターコネクトシステムを構築することができる。この場合の集積型光送信器としては、SOI基板にAWG合波器等の合波器を設けて、その入力導波路に互いに異なる波長で発振する半導体レーザをハイブリッド的に結合したものを用いる。この時、合波器の出力導波路に沿って互いにリング長の異なるリング共振器を配置して変調器を構成すれば良い。或いは、変調器として上述のフォトダイオードの形成工程を利用して電界吸収型変調器を形成して合波器の入力導波路と結合させても良い。 An optical interconnect system can be constructed by coupling the integrated optical receiver and the integrated optical transmitter with an optical fiber. As an integrated optical transmitter in this case, a device in which a multiplexer such as an AWG multiplexer is provided on an SOI substrate and semiconductor lasers oscillating at different wavelengths are hybridly coupled to the input waveguide is used. At this time, the modulator may be configured by arranging ring resonators having different ring lengths along the output waveguide of the multiplexer. Alternatively, an electroabsorption modulator may be formed using the above-described photodiode formation process as a modulator and coupled to the input waveguide of the multiplexer.
なお、フォトダイオードに光導波路を結合させることは必須ではなく、単独のフォトダイオードとしても良い。この場合には、基板1はSOI基板である必要はなく、単結晶Si基板を用いても良い。また、単独のフォトダイオードの場合も導波路結合型フォトダイオードの場合にも、p型層の位置とn型層の位置は互いに入れ替えることができる。 It is not essential to couple the optical waveguide to the photodiode, and a single photodiode may be used. In this case, the substrate 1 does not need to be an SOI substrate, and a single crystal Si substrate may be used. Also, the position of the p-type layer and the position of the n-type layer can be interchanged in both the case of a single photodiode and the case of a waveguide coupled photodiode.
このようなフォトダイオードを形成するためには、まず、表面が単結晶Si層4である基板1上に、減圧化学気相成長法により、300℃乃至400℃の成長温度で、Geを種元素とするガス及びSiを種元素とするガスを供給することによりi型SixGe1−x層6(但し、0<x<1)を成長させる。次いで、i型SixGe1−x層6上に、減圧化学気相成長法により、600℃乃至700℃の成長温度で少なくともGeを種元素とするガスを供給することによりSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)7を成長させる。そして、このSiyGe1−y層7中にpn接合或いはpin接合のいずれかを形成すれば良い。
In order to form such a photodiode, first, Ge is used as a seed element at a growth temperature of 300 ° C. to 400 ° C. on a substrate 1 whose surface is a single
図2は本発明の形態の半導体受光素子のバンド構造の説明図であり、図2(a)は半導体受光素子の断面図であり、図2(b)は断面に沿ったバンドラインアップである。SiyGe1−y層7の表面準位によるフェルミレベルピニング効果により、SiyGe1−y層7とi型SixGe1−x層6のバンドラインナップは図2(b)に示すようにtype−I型となる。 2A and 2B are explanatory views of the band structure of the semiconductor light receiving element according to the embodiment of the present invention, FIG. 2A is a cross-sectional view of the semiconductor light receiving element, and FIG. 2B is a band lineup along the cross section. . The Si y Ge 1-y layer 7 Fermi level pinning effect due to the surface level of the band lineup Si y Ge 1-y layer 7 and the i-type Si x Ge 1-x layer 6 as shown in FIG. 2 (b) Type-I type.
SiyGe1−y層7の吸収層(空乏層)で発生したフォトキャリア、即ち、電子とホールはそれぞれにビルトインポテンシャルもしくは逆バイアスによる電界によりそれぞれ、n側電極13及びp側電極14に向かう。この時、各フォトキャリアはSiyGe1−y層7とi型SixGe1−x層6との界面のエネルギー障壁(バンドオフセット)によって高欠陥層であるi型SiGe層6に侵入することなく、SiyGe1−y層7のみを通過する。図2(a)に示すように、i型SixGe1−x層6にp型層10が接する場合には、ホールはi型SixGe1-x層6に侵入することなくp側電極14に引き抜かれる。
Photocarriers generated in the absorption layer (depletion layer) of the Si y Ge 1-y layer 7, that is, electrons and holes, are respectively directed to the n-
このように、本発明の実施の形態においては、SiyGe1−y層7の空乏層で発生したフォトキャリアは欠陥密度の高い低温成長層であるi型SixGe1−x層6を通過しない。それによって、i型SixGe1−x層6中の欠陥、貫通転位によるフォトキャリアのトラップを削減することが可能となる。その結果、非特許文献3に開示された半導体受光素子と比較して、例えば、SiyGe1−y層7の厚さを500nmにした素子で20%程度高い効率を有する半導体受光素子の実現が可能となる。 Thus, in the embodiment of the present invention, the photocarrier generated in the depletion layer of the Si y Ge 1-y layer 7 forms the i-type Si x Ge 1-x layer 6 which is a low-temperature growth layer having a high defect density. Do not pass. As a result, it is possible to reduce defects in the i-type Si x Ge 1-x layer 6 and trapping of photo carriers due to threading dislocations. As a result, compared with the semiconductor light-receiving element disclosed in Non-Patent Document 3, for example, a semiconductor light-receiving element having an efficiency about 20% higher with an element in which the thickness of the Si y Ge 1-y layer 7 is 500 nm is realized. Is possible.
次に、図3乃至図9を参照して、本発明の実施例1の半導体受光素子を説明する。図3は、本発明の実施例1の半導体受光素子の透視斜視図であり、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX(埋込酸化膜)層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて作製する。この実施例1は、Siリブ型導波路24と導波路結合型ラテラルPINフォトダイオードを一体化した半導体受光素子である。
Next, with reference to FIGS. 3 to 9, the semiconductor light receiving element according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a perspective view of the semiconductor light-receiving element according to the first embodiment of the present invention. The thickness of the semiconductor light-receiving element is 300 nm through a BOX (buried oxide film)
Siリブ型導波路24は、幅が500nmで高さが200nmの断面形状のコア層25とスラブ部26とを有し、テラス部28との接続部にはテーパ部27が設けられている。テラス部28上には、低温成長により成膜されたi型SiGe層30を介してi型Ge層31が設けられ、このi型Ge層31の両側にn型Ge層32とp型Ge層33が設けられてPIN型のラテラルフォトダイオードとなる。
The Si rib-
Siリブ型導波路24に入力した信号光はi型Ge層31で吸収されてフォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアはn側電極36及びp側電極37を介して電気信号として取り出される。なお、ここでは、i型Ge層31を選択成長させる際に用いたSiO2マスク29及びコンタクトホールを形成するためのSiO2膜34を合せてSiリブ型導波路24の上部クラッド層としている。
The signal light input to the Si rib-
このラテラルフォトダイオードにおいては、電流が横方向に流れるとともに、i型SiGe層30側に拡散していくフォトキャリアは界面における電子障壁によりi型SiGe層30には流れ込まない。それによって、フォトキャリアが貫通転位や欠陥にトラップされることがないので、受光感度が向上する。
In this lateral photodiode, current flows in the lateral direction, and photocarriers diffusing toward the i-
次に、図4乃至図9を参照して本発明の実施例1の半導体受光素子の製造工程を説明するが、各図における図(a)は斜視図であり、図(b)は図(a)における一点鎖線で示す平面で切った断面図である。まず、図4に示すように、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて、Siリブ型導波路24を形成する。まず、SOI基板上にレジストを塗布しEB(電子線)リソグラフィによりSiリブ型導波路形状を露光して、ウェットエッチングによる現像を行ってレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、レジストパターンをマスクとして、ICP(誘導結合プラズマ)ドライエッチングにより、幅が500nmで高さが200nmの断面形状のコア層25、テーパ部27及びスラブ部26とを有するSiリブ型導波路24を形成する。この時、残ったi型Si層23がフォトダイオードを形成するテラス部28となる。
Next, the manufacturing process of the semiconductor light receiving element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 9, in which FIG. (A) is a perspective view, and FIG. It is sectional drawing cut by the plane shown by the dashed-dotted line in a). First, as shown in FIG. 4, an SOI in which an i-
次いで、図5に示すようにLP−CVD法を用いてSOI基板上にテラス部28上における厚さが0.1μmになるようにSiO2膜を成長させる。次いで、レジストを塗布し、i線リソグラフィ法によりGe層を成長する領域を露光したのち現像して幅20μmで長さが50μmの開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとしてICPドライエッチングによりSiO2膜をエッチングし、O2アッシング法によりレジストパターンを剥離することで20μm×50μmの開口部を有するSiO2マスク29が形成される。 Next, as shown in FIG. 5, an SiO 2 film is grown on the SOI substrate so as to have a thickness of 0.1 μm on the SOI substrate by LP-CVD. Next, a resist is applied, and a region for growing a Ge layer is exposed by i-line lithography, followed by development to form a resist pattern (not shown) having an opening having a width of 20 μm and a length of 50 μm. Next, using this resist pattern as a mask, the SiO 2 film is etched by ICP dry etching, and the resist pattern is peeled off by an O 2 ashing method to form a SiO 2 mask 29 having an opening of 20 μm × 50 μm.
次いで、ウェーハを成長チャンバ内に導入し、ランプヒータを加熱させて、H2雰囲気下で成長温度を例えば900℃まで昇温し、5分間温度を保持し、表面に吸着したO2を取り除く。引き続いて、同じくH2雰囲気下で成長温度を400℃まで下げ、原料としてGeH4を及びSiH2Cl2(DCS)を供給して厚さが100nmのi型SiGe層30を形成する。なお、このi型SiGe層30の組成比はSi0.7Ge0.3とする。引き続いて、H2雰囲気下で成長温度を600℃まで昇温したのち、原料としてGeH4を供給して、i型SiGe層30上に、厚さが500nmのi型Ge層31を形成する。
Next, the wafer is introduced into the growth chamber, the lamp heater is heated, the growth temperature is raised to, for example, 900 ° C. in an H 2 atmosphere, the temperature is maintained for 5 minutes, and O 2 adsorbed on the surface is removed. Subsequently, the growth temperature is lowered to 400 ° C. in the same H 2 atmosphere, and GeH 4 and SiH 2 Cl 2 (DCS) are supplied as raw materials to form an i-
次いで、図6に示すように、レジストを塗布し、i線ステッパにより露光したのち、ウェットエッチングにより現像し、P注入用の開口パターンを有するレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして、ドーズ量5.0×1015cm−2、注入エネルギー10keVの条件でPをイオン注入してn型Ge層32を形成する。
Next, as shown in FIG. 6, a resist is applied, exposed by an i-line stepper, and developed by wet etching to form a resist pattern (not shown) having an opening pattern for P implantation. Next, using this resist pattern as a mask, P is ion-implanted under the conditions of a dose of 5.0 × 10 15 cm −2 and an implantation energy of 10 keV to form an n-
次いで、レジストパターンを剥離したのち、再び、レジストを塗布し、i線ステッパにより露光したのち、ウェットエッチングにより現像し、B注入用の開口パターンを有するレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして、ドーズ量5.0×1015cm−2、注入エネルギー10keVの条件でBをイオン注入してp型Ge層33を形成する。
Next, after removing the resist pattern, the resist is applied again, exposed by an i-line stepper, and then developed by wet etching to form a resist pattern (not shown) having an opening pattern for B implantation. Next, using this resist pattern as a mask, B is ion-implanted under the conditions of a dose of 5.0 × 10 15 cm −2 and an implantation energy of 10 keV to form a p-
次いで、SOI基板をイオン注入装置から取り出し、O2アッシング法によりレジストパターンを剥離した後、アニール装置に投入し、N2雰囲気中において800℃で1分間アニールを施し、注入したPイオン及びBイオンを活性化させる。 Next, the SOI substrate is taken out from the ion implantation apparatus, and the resist pattern is peeled off by an O 2 ashing method. Then, the SOI substrate is put into an annealing apparatus, annealed at 800 ° C. for 1 minute in an N 2 atmosphere, and implanted P ions and B ions. To activate.
次いで、図7に示すように、プラズマCVD法によりi型Ge層31上の厚さが500nmになるように、SiO2膜34を成膜する。このSiO2膜34とSiO2マスク29とが、Siリブ型導波路24の上部クラッド層となる。
Next, as shown in FIG. 7, a SiO 2 film 34 is formed by plasma CVD so that the thickness on the i-
次いで、図8に示すようにレジストを塗布し、i線ステッパによりn型Ge層32及びp型Ge層33に対するコンタクトホールのパターンの露光を行い現像してレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとしてICPドライエッチングにより、コンタクトホール35を形成する。この時、コンタクトホール35のサイズは、5μm×50μmとする。次いで、O2アッシング法によりレジストパターンを除去する。
Next, as shown in FIG. 8, a resist is applied, a contact hole pattern is exposed to the n-
次いで、図9に示すように、スパッタリング法を用いて厚さが500nmのAl膜を蒸着する。次いで、レジストを塗布し、i線リソグラフィによって電極パターンを露光し現像してレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、レジストパターンをマスクとしてAlエッチャー装置を用いてAl膜をパターニングすることによってn側電極36とp側電極37を形成することで、本発明の実施例1の半導体受光素子の基本構造が完成する。
Next, as shown in FIG. 9, an Al film having a thickness of 500 nm is deposited by sputtering. Next, a resist is applied, and the electrode pattern is exposed and developed by i-line lithography to form a resist pattern (not shown). Next, the n-
このように、本発明の実施例1においては、i型Si層23上にGeフォトダイオードを形成する際に、低温成長層を介して形成したGe層にラテラル構造のフォトダイオードを形成しているので、結晶性の良好なフォトダイオードとすることができる。
As described above, in Example 1 of the present invention, when a Ge photodiode is formed on the i-
また、ラテラル構造であるので、フォトキャリアが低温成長層であるi型SiGe層30を流れることが無い。また、i型SiGe層30のバンドギャップはGeより大きいので、フォトキャリアがi型SiGe層30に向かって拡散していっても界面における電位障壁によりi型SiGe層30に流れ込むことがなく、貫通転位や欠陥によるフォトキャリアのトラップを低減することができる。なお、この実施例1においては、選択成長マスクとなるSiO2マスク29とSiO2膜34を上部クラッド層としているが、SiO2マスク29を除去してからSiO2膜34を成膜して、SiO2膜34のみを上部クラッド層としても良い。
Moreover, since it has a lateral structure, photocarriers do not flow through the i-
次に、図10を参照して、本発明の実施例2の半導体受光素子を説明する。図10は、本発明の実施例2の半導体受光素子の透視斜視図であり、Si基板41上に直接ラテラルフォトダイオードを形成するとともに、Siチャネル型導波路43をラテラルフォトダイオードに対してバットジョイント結合させたものである。
Next, with reference to FIG. 10, a semiconductor light receiving element according to Example 2 of the present invention will be described. FIG. 10 is a perspective view of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment of the present invention, in which a lateral photodiode is directly formed on the
ラテラルフォトダイオードは、Si基板41上に上記の実施例1と同様に低温成長させたi型SiGe層30上に高温成長によりi型Ge層31を形成し、イオン注入によりn型Ge層32及びp型Ge層33を形成したものである。また、Siチャネル型導波路43は、下部クラッド層42上に堆積させた多結晶シリコン層を加工した幅が500nmで高さが200nmの断面形状のチャネル層44とテーパ部45によって形成する。また、コンタクトホールを形成するためのSiO2膜34が上部クラッド層となる。
In the lateral photodiode, an i-
この場合も、ラテラルフォトダイオードにおいては、電流が横方向に流れるとともに、i型SiGe層30側に拡散していくフォトキャリアは界面における電子障壁によりi型SiGe層30には流れ込まない。それによって、フォトキャリアが貫通転位や欠陥にトラップされることがないので、受光感度が向上する。
Also in this case, in the lateral photodiode, current flows in the lateral direction, and photocarriers that diffuse toward the i-
このように、SOI基板ではなく、単結晶Si基板を用いても導波路結合型フォトダイオードを形成することができる。なお、実施例2における下部クラッド層42は、Ge層を形成する際の選択成長マスクをそのまま用いても良いし、新たにSiO2膜を堆積させて下部クラッド層としても良い。
In this manner, a waveguide coupled photodiode can be formed using a single crystal Si substrate instead of an SOI substrate. The
次に、図11乃至図16を参照して、本発明の実施例3の半導体受光素子を説明する。図11は、本発明の実施例3の半導体受光素子の透視斜視図であり、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて作製する。この実施例3は、Siリブ型導波路24と導波路結合型メサ型PINフォトダイオードを一体化した半導体受光素子である。
Next, with reference to FIGS. 11 to 16, a semiconductor light receiving element according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a see-through perspective view of the semiconductor light-receiving element according to the third embodiment of the present invention. The (001) plane with a thickness of 300 nm is mainly formed on the
Siリブ型導波路24は、上記の実施例1と同様に、幅が500nmで高さが200nmの断面形状のコア層25とスラブ部26とを有し、テラス部28との接続部にはテーパ部27が設けられている。テラス部28上には、低温成長により成膜されたi型SiGe層30を介してp型Ge層51、i型Ge層52及びn型Ge層53が積層され、i型Ge層52及びn型Ge層53がメサエッチングされてメサ型PINフォトダイオードとなる。
Similar to the first embodiment, the Si rib-
Siリブ型導波路24に入力した信号光はi型Ge層52で吸収されてフォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアはn側電極56及び一対のp側電極57を介して電気信号として取り出される。なお、ここでも、Ge層を選択成長させる際に用いたSiO2マスク29及びコンタクトホールを形成するためのSiO2膜34を合せてSiリブ型導波路24の上部クラッド層としている。
The signal light input to the Si rib-
このメサ型PINフォトダイオードにおいては電流は縦方向に流れるが、p型Ge層51において横方向に流れるとともに、i型SiGe層30側に拡散していくフォトキャリアは界面における電子障壁によりi型SiGe層30には流れ込まない。それによって、フォトキャリアが貫通転位や欠陥にトラップされることがないので、受光感度が向上する。
In this mesa PIN photodiode, the current flows in the vertical direction, but in the p-
次に、図12乃至図16を参照して本発明の実施例3の半導体受光素子の製造工程を説明するが、各図における図(a)は斜視図であり、図(b)は図(a)における一点鎖線で示す平面で切った断面図である。まず、図12に示すように、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて、Siリブ型導波路24を形成する。まず、SOI基板上にレジストを塗布しEBリソグラフィによりSiリブ型導波路形状を露光して、ウェットエッチングによる現像を行ってレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、レジストパターンをマスクとして、ICPドライエッチングにより、幅が500nmで高さが200nmの断面形状のコア層25、テーパ部27及びスラブ部26とを有するSiリブ型導波路24を形成する。この時、残ったi型Si層23がフォトダイオードを形成するテラス部28となる。
Next, the manufacturing process of the semiconductor light receiving element according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 16. FIG. 12A is a perspective view and FIG. It is sectional drawing cut by the plane shown by the dashed-dotted line in a). First, as shown in FIG. 12, an SOI in which an i-
次いで、図13に示すようにLP-CVD法を用いてSOI基板上にテラス部28上における厚さが0.1μmになるようにSiO2膜を成長させる。次いで、レジストを塗布し、i線リソグラフィ法によりGe層を成長する領域を露光したのち現像して幅20μmで長さが50μmの開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとしてICPドライエッチングによりSiO2膜をエッチングし、O2アッシング法によりレジストパターンを剥離することで20μm×50μmの開口部を有するSiO2マスク29が形成される。 Next, as shown in FIG. 13, an SiO 2 film is grown on the SOI substrate so as to have a thickness of 0.1 μm on the SOI substrate by LP-CVD. Next, a resist is applied, and a region for growing a Ge layer is exposed by i-line lithography, followed by development to form a resist pattern (not shown) having an opening having a width of 20 μm and a length of 50 μm. Next, using this resist pattern as a mask, the SiO 2 film is etched by ICP dry etching, and the resist pattern is peeled off by an O 2 ashing method to form a SiO 2 mask 29 having an opening of 20 μm × 50 μm.
次いで、ウェーハを成長チャンバ内に導入し、ランプヒータを加熱させて、H2雰囲気下で成長温度を例えば900℃まで昇温し、5分間温度を保持し、表面に吸着したO2を取り除く。引き続いて、同じくH2雰囲気下で成長温度を400℃まで下げ、原料としてGeH4を及びSiH2Cl2(DCS)を供給して厚さが100nmのi型SiGe層30を形成する。なお、このi型SiGe層30の組成比はSi0.8Ge0.2とする。
Next, the wafer is introduced into the growth chamber, the lamp heater is heated, the growth temperature is raised to, for example, 900 ° C. in an H 2 atmosphere, the temperature is maintained for 5 minutes, and O 2 adsorbed on the surface is removed. Subsequently, the growth temperature is lowered to 400 ° C. in the same H 2 atmosphere, and GeH 4 and SiH 2 Cl 2 (DCS) are supplied as raw materials to form an i-
引き続いて、H2雰囲気下で成長温度を600℃まで昇温したのち、原料としてGeH4、ドーパント源としてB2H6を供給して、i型SiGe層30上に、厚さが200nmで2.0×1019cm−3のドーピング濃度のp型Ge層51を形成する。引き続いて、成長温度600℃において、B2H6の供給を停止し、GeH4を供給して厚さが500nmのi型Ge層52を形成する。引き続いて、成長温度600℃において、GeH4とともに、ドーパント源としてPH3を供給して厚さが300nmで2.0×1019cm−3のドーピング濃度のn型Ge層53を形成する。
Subsequently, after the growth temperature is raised to 600 ° C. in an H 2 atmosphere, GeH 4 as a raw material and B 2 H 6 as a dopant source are supplied, and a thickness of 200 nm is formed on the i-
次いで、図14に示すように、レジストを塗布し、i線ステッパにより露光したのち、ウェットエッチングにより現像し、幅10μm、長さ50μmのレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして、ICPドライエッチングにより、p型Ge層51が露出するまでエッチングしてメサ構造を形成する。次いで、O2アッシング法によりレジストパターンを剥離する。
Next, as shown in FIG. 14, a resist is applied, exposed by an i-line stepper, and then developed by wet etching to form a resist pattern (not shown) having a width of 10 μm and a length of 50 μm. Next, using this resist pattern as a mask, ICP dry etching is performed until the p-
次いで、図15に示すように、プラズマCVD法によりn型Ge層53上の厚さが500nmになるように、SiO2膜54を成膜する。このSiO2膜54とSiO2マスク29とが、Siリブ型導波路24の上部クラッド層となる。
Next, as shown in FIG. 15, a SiO 2 film 54 is formed by plasma CVD so that the thickness on the n-
次いで、レジストを塗布し、i線ステッパによりn型Ge層53及びp型Ge層51に対するコンタクトホールのパターンの露光を行い現像してレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとしてICPドライエッチングにより、コンタクトホール55を形成する。次いで、O2アッシング法によりレジストパターンを除去する。
Next, a resist is applied, a contact hole pattern is exposed to the n-
次いで、図16に示すように、スパッタリング法を用いて厚さが500nmのAl膜を蒸着する。次いで、レジストを塗布し、i線リソグラフィによって電極パターンを露光し現像してレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、レジストパターンをマスクとしてAlエッチャー装置を用いてAl膜をパターニングすることによってn側電極56とp側電極57を形成することで、本発明の実施例3の半導体受光素子の基本構造が完成する。
Next, as shown in FIG. 16, an Al film having a thickness of 500 nm is deposited by sputtering. Next, a resist is applied, and the electrode pattern is exposed and developed by i-line lithography to form a resist pattern (not shown). Next, the n-
このように、本発明の実施例3においては、i型Si層23上にGeフォトダイオードを形成する際に、低温成長層を介して形成したPIN積層構造によりメサ構造のフォトダイオードを形成しているので、結晶性の良好なフォトダイオードとすることができる。また、i型Ge層で生成されたフォトキャリアが低温成長層であるi型SiGe層30に向かって拡散して行っても界面における電位障壁によりi型SiGe層30に流れ込むことがなく、貫通転位や欠陥によるフォトキャリアのトラップを低減することができる。なお、この実施例3においても、選択成長マスクとなるSiO2マスク29とSiO2膜54を上部クラッド層としているが、SiO2マスク29を除去してからSiO2膜54を成膜して、SiO2膜54のみを上部クラッド層としても良い。
As described above, in Example 3 of the present invention, when forming a Ge photodiode on the i-
次に、図17乃至図22を参照して、本発明の実施例4の半導体受光素子を説明する。図17は、本発明の実施例4の半導体受光素子の透視斜視図であり、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて作製する。この実施例4は、Siリブ型導波路24と導波路結合型の縦横型のPINフォトダイオードを一体化した半導体受光素子である。
Next, with reference to FIGS. 17 to 22, a semiconductor light receiving element according to Example 4 of the present invention will be described. FIG. 17 is a see-through perspective view of the semiconductor light-receiving element according to the fourth embodiment of the present invention, in which the (001) plane having a thickness of 300 nm is mainly formed on the
Siリブ型導波路24は、上記実施例1と同様に、幅が500nmで高さが200nmの断面形状のコア層25とスラブ部26とを有し、テラス部28との接続部にはテーパ部27が設けられている。テラス部28上には、低温成長により成膜されたi型SiGe層30を介してi型Ge層31が設けられ、このi型Ge層31の両側に一対のp型Ge層33が設けられるとともに、i型Ge層31の表面の一部にn型Ge層32が形成されて縦横型のPINフォトダイオードとなる。
Similar to the first embodiment, the Si rib-
Siリブ型導波路24に入力した信号光はi型Ge層31で吸収されてフォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアはn側電極36及び一対のp側電極37を介して電気信号として取り出される。なお、ここでは、i型Ge層31を選択成長させる際に用いたSiO2マスク29及びコンタクトホールを形成するためのSiO2膜34を合せてSiリブ型導波路24の上部クラッド層としている。
The signal light input to the Si rib-
この縦横型のPINフォトダイオードにおいては、電流が横方向及び縦方向に流れるが、縦方向に流れてi型SiGe層30側に拡散していくフォトキャリアは界面における電子障壁によりi型SiGe層30には流れ込まない。それによって、フォトキャリアが貫通転位や欠陥にトラップされることがないので、受光感度が向上する。
In this vertical and horizontal PIN photodiode, current flows in the horizontal and vertical directions, but photocarriers flowing in the vertical direction and diffusing to the i-
次に、図18乃至図22を参照して本発明の実施例4の半導体受光素子の製造工程を説明するが、各図における図(a)は斜視図であり、図(b)は図(a)における一点鎖線で示す平面で切った断面図である。まず、図18に示すように、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて、Siリブ型導波路24を形成する。まず、SOI基板上にレジストを塗布しEBリソグラフィによりSiリブ型導波路形状を露光して、ウェットエッチングによる現像を行ってレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、レジストパターンをマスクとして、ICPドライエッチングにより、幅が500nmで高さが200nmの断面形状のコア層25、テーパ部27及びスラブ部26とを有するSiリブ型導波路24を形成する。この時、残ったi型Si層23がフォトダイオードを形成するテラス部28となる。
Next, the manufacturing process of the semiconductor light receiving element according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 18 to 22. FIG. 18A is a perspective view and FIG. It is sectional drawing cut by the plane shown by the dashed-dotted line in a). First, as shown in FIG. 18, an SOI in which an i-
次いで、図19に示すようにLP-CVD法を用いてSOI基板上にテラス部28上における厚さが0.1μmになるようにSiO2膜を成長させる。次いで、レジストを塗布し、i線リソグラフィ法によりGe層を成長する領域を露光したのち現像して幅14μmで長さが50μmの開口部を有するレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとしてICPドライエッチングによりSiO2膜をエッチングし、O2アッシング法によりレジストパターンを剥離することで14μm×50μmの開口部を有するSiO2マスク29が形成される。 Next, as shown in FIG. 19, an SiO 2 film is grown on the SOI substrate so as to have a thickness of 0.1 μm on the SOI substrate by LP-CVD. Next, a resist is applied, and a region for growing a Ge layer is exposed by i-line lithography and then developed to form a resist pattern (not shown) having an opening having a width of 14 μm and a length of 50 μm. Next, using this resist pattern as a mask, the SiO 2 film is etched by ICP dry etching, and the resist pattern is peeled off by an O 2 ashing method, thereby forming a SiO 2 mask 29 having an opening of 14 μm × 50 μm.
次いで、ウェーハを成長チャンバ内に導入し、ランプヒータを加熱させて、H2雰囲気下で成長温度を例えば900℃まで昇温し、5分間温度を保持し、表面に吸着したO2を取り除く。引き続いて、同じくH2雰囲気下で成長温度を400℃まで下げ、原料としてGeH4を及びSiH2Cl2(DCS)を供給して厚さが200nmのi型SiGe層30を形成する。なお、このi型SiGe層30の組成比はSi0.9Ge0.1とする。引き続いて、H2雰囲気下で成長温度を600℃まで昇温したのち、原料としてGeH4を供給して、i型SiGe層30上に、厚さが500nmのi型Ge層31を形成する。
Next, the wafer is introduced into the growth chamber, the lamp heater is heated, the growth temperature is raised to, for example, 900 ° C. in an H 2 atmosphere, the temperature is maintained for 5 minutes, and O 2 adsorbed on the surface is removed. Subsequently, the growth temperature is lowered to 400 ° C. in the same H 2 atmosphere, and GeH 4 and SiH 2 Cl 2 (DCS) are supplied as raw materials to form an i-
次いで、図20に示すように、レジストを塗布し、i線ステッパにより露光したのち、ウェットエッチングにより現像し、P注入用の5μm×50μmの開口パターンを有するレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして、ドーズ量5.0×1015cm−2、注入エネルギー10keVの条件でPをイオン注入してn型Ge層32を形成する。
Next, as shown in FIG. 20, a resist is applied, exposed by an i-line stepper, and then developed by wet etching to form a resist pattern (not shown) having an opening pattern of 5 μm × 50 μm for P implantation. . Next, using this resist pattern as a mask, P is ion-implanted under the conditions of a dose of 5.0 × 10 15 cm −2 and an implantation energy of 10 keV to form an n-
次いで、レジストパターンを剥離したのち、再び、レジストを塗布し、i線ステッパにより露光したのち、ウェットエッチングにより現像し、B注入用の2μm×50μmの2つの開口パターンを有するレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして、ドーズ量5.0×1015cm−2、注入エネルギー10keVの条件でBをイオン注入してp型Ge層33を形成する。
Next, after removing the resist pattern, the resist is applied again, exposed by an i-line stepper, developed by wet etching, and a resist pattern having two opening patterns of 2 μm × 50 μm for B implantation (not shown) ). Next, using this resist pattern as a mask, B is ion-implanted under the conditions of a dose of 5.0 × 10 15 cm −2 and an implantation energy of 10 keV to form a p-
次いで、SOI基板をイオン注入装置から取り出し、O2アッシング法によりレジストパターンを剥離した後、アニール装置に投入し、N2雰囲気中において800℃で1分間アニールを施し、注入したPイオン及びBイオンを活性化させる。 Next, the SOI substrate is taken out from the ion implantation apparatus, and the resist pattern is peeled off by an O 2 ashing method. Then, the SOI substrate is put into an annealing apparatus, annealed at 800 ° C. for 1 minute in an N 2 atmosphere, and implanted P ions and B ions. To activate.
次いで、図21に示すように、プラズマCVD法によりGe層上の厚さが500nmになるように、SiO2膜34を成膜する。このSiO2膜34とSiO2マスク29とが、Siリブ型導波路24の上部クラッド層となる。
Next, as shown in FIG. 21, a SiO 2 film 34 is formed by plasma CVD so that the thickness on the Ge layer becomes 500 nm. The SiO 2 film 34 and the SiO 2 mask 29 become the upper clad layer of the Si
次いで、レジストを塗布し、i線ステッパによりn型Ge層32及びp型Ge層33に対するコンタクトホールのパターンの露光を行い現像してレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとしてICPドライエッチングにより、コンタクトホール35を形成する。この時、コンタクトホール35のサイズは、p型Ge層33に対しては2μm×50μmとし、n型Ge層32に対しては5μm×50μmとする。次いで、O2アッシング法によりレジストパターンを除去する。
Next, a resist is applied, a contact hole pattern is exposed to the n-
次いで、図22に示すように、スパッタリング法を用いて厚さが500nmのAl膜を蒸着する。次いで、レジストを塗布し、i線リソグラフィによって電極パターンを露光し現像してレジストパターン(図示は省略)を形成する。次いで、レジストパターンをマスクとしてAlエッチャー装置を用いてAl膜をパターニングすることによってn側電極36とp側電極37を形成することで、本発明の実施例4の半導体受光素子の基本構造が完成する。
Next, as shown in FIG. 22, an Al film having a thickness of 500 nm is deposited by sputtering. Next, a resist is applied, and the electrode pattern is exposed and developed by i-line lithography to form a resist pattern (not shown). Next, the n-
このように、本発明の実施例4においては、i型Si層23上にGeフォトダイオードを形成する際に、低温成長層を介して形成したGe層に縦横型のフォトダイオードを形成しているので、結晶性の良好なフォトダイオードとすることができる。また、i型Ge層では生成されたフォトキャリアがi型SiGe層30に向かって拡散していっても界面における電位障壁によりi型SiGe層30に流れ込むことがなく、貫通転位や欠陥によるフォトキャリアのトラップを低減することができる。なお、この実施例4においては、選択成長マスクとなるSiO2マスク29とSiO2膜34を上部クラッド層としているが、SiO2マスク29を除去してからSiO2膜34を成膜して、SiO2膜34のみを上部クラッド層としても良い。
Thus, in Example 4 of the present invention, when forming the Ge photodiode on the i-
次に、図23を参照して、本発明の実施例5の半導体受光素子を説明する。図23は、本発明の実施例5の半導体受光素子の透視斜視図であり、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて作製する。この実施例5は、Siリブ型導波路24を形成しない以外は、上記の実施例1と全く同じ製造工程で形成することができる。この場合、信号光は上部から入射させれば良い。
Next, with reference to FIG. 23, a semiconductor light receiving element according to Example 5 of the present invention will be described. FIG. 23 is a see-through perspective view of the semiconductor light-receiving element according to the fifth embodiment of the present invention. The (001) plane is mainly formed on the
上方から入射した信号光はi型Ge層31で吸収されてフォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアはn側電極36及びp側電極37を介して電気信号として取り出される。この時、フォトキャリアは横方向に流れるとともに、i型SiGe層30側に拡散していくが、i型SiGe層30側に拡散していくフォトキャリアは界面における電子障壁によりi型SiGe層30には流れ込まない。それによって、フォトキャリアが貫通転位や欠陥にトラップされることがないので、受光感度が向上する。
The signal light incident from above is absorbed by the i-
次に、図24を参照して、本発明の実施例6の半導体受光素子を説明する。図24は、本発明の実施例6の半導体受光素子の透視斜視図であり、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて作製する。この実施例6は、Siリブ型導波路24を形成しない以外は、上記の実施例3と全く同じ製造工程で形成することができる。この場合も、信号光は上部から入射させれば良い。但し、n側電極56によって信号光が遮られるのを防止するために、n側電極56の幅をn型Ge層53の幅より狭くする。
Next, with reference to FIG. 24, a semiconductor light receiving element according to Example 6 of the present invention will be described. FIG. 24 is a see-through perspective view of the semiconductor light receiving element according to the sixth embodiment of the present invention. The (001) plane with a thickness of 300 nm is mainly formed on the
上方から入射した信号光はn型Ge層53の両側を透過してi型Ge層52で吸収されてフォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアはn側電極56及びp側電極57を介して電気信号として取り出される。この時、フォトキャリアは縦方向に流れてi型SiGe層30側に拡散していくが、i型SiGe層30側に拡散していくフォトキャリアは界面における電子障壁によりi型SiGe層30には流れ込まない。それによって、フォトキャリアが貫通転位や欠陥にトラップされることがないので、受光感度が向上する。
The signal light incident from above passes through both sides of the n-
次に、図25を参照して、本発明の実施例7の半導体受光素子を説明する。図25は、本発明の実施例7の半導体受光素子の透視斜視図であり、Si基板21上に厚さが3.0μmのBOX層22を介して厚さが300nmで(001)面を主面とするi型Si層23を設けたSOI基板を用いて作製する。この実施例7は、Siリブ型導波路24を形成しない以外は、上記の実施例4と全く同じ製造工程で形成することができる。この場合も、信号光は上部から入射させれば良い。
Next, with reference to FIG. 25, a semiconductor light receiving element according to Example 7 of the present invention will be described. FIG. 25 is a see-through perspective view of the semiconductor light-receiving element according to the seventh embodiment of the present invention. The (001) plane with a thickness of 300 nm is mainly formed on the
上方から入射した信号光はi型Ge層31で吸収されてフォトキャリアを生成し、生成したフォトキャリアはn側電極36及びp側電極37を介して電気信号として取り出される。この時、フォトキャリアは横方向及び縦方向に流れるが、i型SiGe層30側に拡散していくフォトキャリアは界面における電子障壁によりi型SiGe層30には流れ込まない。それによって、フォトキャリアが貫通転位や欠陥にトラップされることがないので、受光感度が向上する。
The signal light incident from above is absorbed by the i-
次に、図26を参照して、本発明の実施例8の集積型光受信器を説明する。図26は本発明の実施例8の集積型光受信器の説明図であり、図26(a)は概念的平面図であり、図26(b)はAWG分波器の概念的構成図である。図26(a)に示すように、上記の実施例1に示した導波路結合型PINフォトダイオード40を複数個並列配置するとともに、リブ型Si導波路をAWG分波器60の出力導波路65に接続する。なお、ここでは、導波路結合型PINフォトダイオード40を一例として4つ図示している。
Next, an integrated optical receiver according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 26 is an explanatory diagram of an integrated optical receiver according to an eighth embodiment of the present invention, FIG. 26 (a) is a conceptual plan view, and FIG. 26 (b) is a conceptual configuration diagram of an AWG duplexer. is there. As shown in FIG. 26A, a plurality of waveguide-coupled
図26(b)に示すように、AWG分波器60は、一本の入力導波路61、スラブ導波路62、アレイ導波路63、スラブ導波路64及び複数本に分岐した出力導波路65を備え、SOI基板20の表面のi型Si層を加工して形成する。なお、ここでは、導波路結合型PINフォトダイオード40の配列数に併せて出力導波路65を4本に分岐している。
As shown in FIG. 26B, the
波長多重(MDW)化された信号光が入力導波路61に入射すると、アレイ導波路63において異なった波長毎に分岐されて出力導波路65から出力されて導波路結合型PINフォトダイオード40で電気信号に変換される。なお、ここでは、AWG分波器60を一体形成しているが、AWG分波器60を設けずに、導波路結合型PINフォトダイオードアレイにより集積型光受信器を形成しても良い。
When the wavelength multiplexed (MDW) signal light enters the
次に、図27及び図28を参照して、本発明の実施例9の光インターコネクトシステムを説明する。図27は本発明の実施例9の光インターコネクトシステムに用いる集積型光送信器の説明図であり、図27(a)は概念的平面図であり、図27(b)はAWG合波器の概念的構成図である。図27(a)に示すように、SOI基板20の表面のi型Si層を加工してAWG合波器70を形成して、このAWG合波器70の入力導波路71に互いに異なった波長で発振する半導体レーザ80をハイブリッド的に一体接続する。
Next, an optical interconnect system according to
また、出力導波路75には、半導体レーザ80の発振波長に応じて互いに異なったリング共振器長を有するリング共振器を出力導波路75に沿って配列して変調器81を形成している。ここでは、半導体レーザ80を一例として4つ図示しているので、リング共振器の数も4つにしている。
In the
図27(b)に示すように、AWG合波器70は、複数本に分岐した入力導波路71、スラブ導波路72、アレイ導波路73、スラブ導波路74及び1本の出力導波路75を備え、SOI基板20の表面のi型Si層を加工して形成する。このAWG合波器70は、図26(b)に示したAWG分波器60の入力側と出力側を入れ替えただけで実質的構造は同じである。
As shown in FIG. 27B, the
半導体レーザ80から出力された互いに波長の異なる4つの連続光はAWG合波器70で合波されたのち、リング共振器を備えた変調器81によって変調されて、波長多重化信号として出力導波路75から出力される。
The four continuous lights having different wavelengths output from the
図28は、本発明の実施例9の光インターコネクトシステムの概念的構成図であり、図27に示した集積型光送信器のAWG合波器70の出力導波路75と図26に示した集積型光受信器のAWG分波器60の入力導波路61を光ファイバ90で接続したものである。
FIG. 28 is a conceptual configuration diagram of the optical interconnect system according to the ninth embodiment of the present invention. The
半導体レーザ80から出力された互いに波長の異なる4つの連続光はAWG合波器70で合波されたのち、リング共振器を備えた変調器81によって変調されて、波長多重化信号として出力導波路65から出力されて光ファイバ90を導波する。
The four continuous lights having different wavelengths output from the
光ファイバ90を導波した波長多重化信号は、入力導波路61に入射すると、AWG分波器60のアレイ導波路63において異なった波長毎に分岐されて出力導波路65から出力されて導波路結合型PINフォトダイオード40で電気信号に変換される。
When the wavelength multiplexed signal guided through the
本発明の実施例9においては、SOI基板を利用して高感度の集積型光受信器を形成しているので、高性能の光インターコネクトシステムをコンパクトに形成することができる。
In
ここで、実施例1乃至実施例9を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
(付記1)表面が単結晶Si層である基板と、前記単結晶Si層上に直接設けた組成比xが一定のi型SixGe1−x層(但し、0<x<1)と、前記I型SixGe1−x層上に直接設けられて、p型層/n型層からなるpn接合或いはp型層/i型層/n型層からなるpin接合のいずれかが形成されたSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)と、前記p型層及びn型層に形成された電極とを有することを特徴とするGe系半導体装置。
(付記2)前記SiyGe1−y層中の貫通転位密度及び欠陥密度が、前記i型SixGe1−x層中の貫通転位密度及び欠陥密度より低いことを特徴とする付記1に記載のGe系半導体装置。
(付記3)前記SiyGe1−y層の組成比yが、0≦y≦0.20であることを特徴とする付記1または付記2に記載のGe系半導体装置。
(付記4)前記基板が、Si基板、または、Si基板上に絶縁膜を介して単結晶Si層を設けたSOI基板のいずれかであることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載のGe系半導体装置。
(付記5)p型層/n型層からなるpn接合或いはp型層/i型層/n型層からなるpin接合が、前記SiyGe1−y層の成長方向に対して横方向に形成されていることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載のGe系半導体装置。
(付記6)p型層/n型層からなるpn接合或いはp型層/i型層/n型層からなるpin接合が、前記SiyGe1−y層の成長方向に対して成長方向に形成されていることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載のGe系半導体装置。
(付記7)前記SiyGe1−y層に形成されるp型層/n型層からなるpn接合或いはp型層/i型層/n型層からなるpin接合が、p型層の表面の一部に形成されたn型層或いはn型層の表面の一部に形成されたp型層からなるpn接合、または、i型層の両側面に形成されたp型層と前記i型層の表面の一部に形成されたn型層或いはi型層の両側面に形成されたn型層と前記i型層の表面の一部に形成されたp型層からなるpin接合であることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載のGe系半導体装置。
(付記8)前記pn接合或いはpin接合によりフォトダイオードを形成し、前記フォトダイオードを複数個並列に配置するとともに、前記基板の表面の単結晶Si層の一部に複数の光導波路を設け、前記光導波路を前記フォトダイオードと光学的に結合したことを特徴とする付記2乃至付記4のいずれか1に記載のGe系半導体装置。
(付記9)表面が単結晶Si層である基板上に、減圧化学気相成長法により、300℃乃至400℃の成長温度で、Geを種元素とするガス及びSiを種元素とするガスを供給することにより組成比xが一定のi型SixGe1−x層(但し、0<x<1)を成長する第1の成長工程と、前記i型SixGe1−x層上に、減圧化学気相成長法により、600℃乃至700℃の成長温度で少なくともGeを種元素とするガスを供給することによりSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)を成長する第2の成長工程と前記SiyGe1−y層中にpn接合或いはpin接合いずれかを形成する工程とを有することを特徴とするGe系半導体装置の製造方法。
(付記10)付記8に記載のGe系半導体装置の前記単結晶Si層を加工して光分波器を形成し、前記フォトダイオードと結合した光導波路と前記光分波器の出力導波路とを結合した集積型光受信器と、表面が単結晶Si層である基板の前記単結晶Si層を加工して設けた光合波器と、前記光合波器の入力導波路に接続された半導体レーザと、前記光合波器の出力導波路に結合されたリング共振器とを有する集積型光送信器と、前記光合波器の前記出力導波路と前記光分波器の入力導波路を接続する光ファイバとを備えたことを特徴とする光インターコネクトシステム。
Here, the following supplementary notes are attached to the embodiments of the present invention including Examples 1 to 9.
(Supplementary Note 1) A substrate whose surface is a single crystal Si layer, and an i-type Si x Ge 1-x layer (provided that 0 <x <1) having a constant composition ratio x provided directly on the single crystal Si layer, The p-type layer is formed directly on the I-type Si x Ge 1-x layer to form either a p-type layer / n-type layer pn junction or a p-type layer / i-type layer / n-type layer pin junction. A Ge-based semiconductor device comprising: an Si y Ge 1-y layer (where 0 ≦ y <x) and electrodes formed in the p-type layer and the n-type layer.
(Supplementary note 2) In Supplementary note 1 , the threading dislocation density and the defect density in the Si y Ge 1-y layer are lower than the threading dislocation density and the defect density in the i-type Si x Ge 1-x layer. The Ge-based semiconductor device described.
(Supplementary Note 3) The Ge-based semiconductor device according to
(Supplementary note 4) Any one of Supplementary notes 1 to 3, wherein the substrate is an Si substrate or an SOI substrate in which a single crystal Si layer is provided on an Si substrate via an insulating film. A Ge-based semiconductor device described in 1.
(Supplementary Note 5) A pn junction composed of a p-type layer / n-type layer or a pin junction composed of a p-type layer / i-type layer / n-type layer extends in a direction transverse to the growth direction of the Si y Ge 1-y layer. The Ge-based semiconductor device according to any one of Appendix 1 to
(Appendix 6) A pn junction composed of p-type layer / n-type layer or a pin junction composed of p-type layer / i-type layer / n-type layer is in the growth direction with respect to the growth direction of the Si y Ge 1-y layer. 6. The Ge-based semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5, wherein the Ge-based semiconductor device is formed.
(Supplementary note 7) A p-type layer / n-type layer pn junction or a p-type layer / i-type layer / n-type layer pin junction formed in the Si y Ge 1-y layer is a surface of the p-type layer. A p-type junction formed of a p-type layer formed on a part of the n-type layer or a part of the surface of the n-type layer, or a p-type layer formed on both sides of the i-type layer and the i-type A pin junction comprising an n-type layer formed on a part of the surface of the layer or an n-type layer formed on both sides of the i-type layer and a p-type layer formed on a part of the surface of the i-type layer. The Ge-based semiconductor device according to any one of Supplementary Note 1 to
(Appendix 8) A photodiode is formed by the pn junction or the pin junction, a plurality of the photodiodes are arranged in parallel, and a plurality of optical waveguides are provided in a part of the single crystal Si layer on the surface of the substrate, The Ge-based semiconductor device according to any one of
(Supplementary note 9) A gas having Ge as a seed element and a gas having Si as a seed element at a growth temperature of 300 ° C. to 400 ° C. by a low pressure chemical vapor deposition method on a substrate whose surface is a single crystal Si layer. Supplying a first growth step of growing an i-type Si x Ge 1-x layer (where 0 <x <1) having a constant composition ratio x, and on the i-type Si x Ge 1-x layer, Then, a Si y Ge 1-y layer (where 0 ≦ y <x) is grown by supplying a gas having at least Ge as a seed element at a growth temperature of 600 ° C. to 700 ° C. by a low pressure chemical vapor deposition method. A method for manufacturing a Ge-based semiconductor device, comprising a second growth step and a step of forming either a pn junction or a pin junction in the Si y Ge 1-y layer.
(Appendix 10) An optical waveguide coupled to the photodiode, an output waveguide of the optical duplexer, and an optical demultiplexer formed by processing the single crystal Si layer of the Ge-based semiconductor device according to
1 基板
2 単結晶Si基板
3 酸化膜
4 単結晶Si層
5 光導波路
6 i型SixGe1−x層
7 SiyGe1−y層
8 i型層
9 n型層
10 p型層
11 選択成長マスク
12 絶縁膜
13 n側電極
14 p側電極
20 SOI基板
21 Si基板
22 BOX層
23 i型Si層
24 Siリブ型導波路
25 コア層
26 スラブ部
27 テーパ部
28 テラス部
29 SiO2マスク
30 i型SiGe層
31 i型Ge層
32 n型Ge層
33 p型Ge層
34,54 SiO2膜
35,55 コンタクトホール
36,56 n側電極
37,57 p側電極
40 導波路結合型PINフォトダイオード
41 Si基板
42 下部クラッド層
43 Siチャネル型導波路
44 チャネル層
45 テーパ部
51 p型Ge層
52 i型Ge層
53 n型Ge層
60 AWG分波器
61 入力導波路
62 スラブ導波路
63 アレイ導波路
64 スラブ導波路
65 出力導波路
70 AWG合波器
71 入力導波路
72 スラブ導波路
73 アレイ導波路
74 スラブ導波路
75 出力導波路
80 半導体レーザ
81 変調器
90 光ファイバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
前記単結晶Si層上に直接設けた組成比xが一定のi型SixGe1−x層(但し、0<x<1)と、
前記i型SixGe1−x層上に直接設けられて、p型層/n型層からなるpn接合或いはp型層/i型層/n型層からなるpin接合のいずれかが形成されたSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)と、
前記p型層及びn型層に形成された電極と
を有することを特徴とするGe系半導体装置。 A substrate whose surface is a single crystal Si layer;
An i-type Si x Ge 1-x layer (where 0 <x <1) having a constant composition ratio x provided directly on the single crystal Si layer;
Directly provided on the i-type Si x Ge 1-x layer, either a pn junction consisting of a p-type layer / n-type layer or a pin junction consisting of a p-type layer / i-type layer / n-type layer is formed. Si y Ge 1-y layer (where 0 ≦ y <x),
A Ge-based semiconductor device comprising electrodes formed on the p-type layer and the n-type layer.
前記基板の表面の単結晶Si層の一部に複数の光導波路を設け、前記光導波路を前記フォトダイオードと光学的に結合した請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載のGe系半導体装置。 A photodiode is formed by the pn junction or the pin junction, and a plurality of the photodiodes are arranged in parallel.
The Ge system according to any one of claims 2 to 4, wherein a plurality of optical waveguides are provided in a part of the single-crystal Si layer on the surface of the substrate, and the optical waveguides are optically coupled to the photodiodes. Semiconductor device.
前記i型SixGe1−x層上に、減圧化学気相成長法により、600℃乃至700℃の成長温度で少なくともGeを種元素とするガスを供給することによりSiyGe1−y層(但し、0≦y<x)を成長する第2の成長工程と
前記SiyGe1−y層中にpn接合或いはpin接合のいずれかを形成する工程と
を有することを特徴とするGe系半導体装置の製造方法。 By supplying a gas containing Ge as a seed element and a gas containing Si as a seed element at a growth temperature of 300 ° C. to 400 ° C. by a low pressure chemical vapor deposition method on a substrate whose surface is a single crystal Si layer. A first growth step of growing an i-type Si x Ge 1-x layer (where 0 <x <1) having a constant composition ratio x ;
The i-type Si x Ge 1-x layer on, low pressure chemical vapor phase growth method, Si y Ge 1-y layer by supplying a gas to a seed element, at least Ge at the growth temperature of 600 ° C. to 700 ° C. (Wherein 0 ≦ y <x), and a Ge-based process comprising: a step of forming either a pn junction or a pin junction in the Si y Ge 1-y layer. A method for manufacturing a semiconductor device.
表面が単結晶Si層である基板の前記単結晶Si層を加工して設けた光合波器と、前記光合波器の入力導波路に接続された半導体レーザと、前記光合波器の出力導波路に結合されたリング共振器とを有する集積型光送信器と、
前記光合波器の前記出力導波路と前記光分波器の入力導波路を接続する光ファイバと
を備えたことを特徴とする光インターコネクトシステム。 An optical demultiplexer is formed by processing the single crystal Si layer of the Ge-based semiconductor device according to claim 5, and an optical waveguide coupled to the photodiode and an output waveguide of the optical demultiplexer are coupled. An integrated optical receiver;
An optical multiplexer provided by processing the single crystal Si layer of a substrate whose surface is a single crystal Si layer, a semiconductor laser connected to an input waveguide of the optical multiplexer, and an output waveguide of the optical multiplexer An integrated optical transmitter having a ring resonator coupled to
An optical interconnect system comprising: an optical fiber connecting the output waveguide of the optical multiplexer and the input waveguide of the optical demultiplexer.
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