JPH05175535A - Optical semiconductor device using quantized silicon - Google Patents
Optical semiconductor device using quantized siliconInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、特
にSiを用いた光半導体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to an optical semiconductor device using Si.
【0002】[0002]
【従来の技術】Siは間接遷移型半導体であり、ホトダ
イオード、ホトトランジスタ等の受光素子としては利用
されているが、発光性再結合を行わせることは容易でな
く、発光素子としてはほとんどが利用されていない。2. Description of the Related Art Si is an indirect transition type semiconductor and is used as a light receiving element such as a photodiode or a phototransistor, but it is not easy to cause radiative recombination and most of it is used as a light emitting element. It has not been.
【0003】図2に、従来の技術によるSiホトダイオ
ードの構成例を示す。n型Si基板1の上にp型Si層
2が形成され、ダイオードを構成している。n型Si基
板1の表面にはn側電極3が形成され、p型Si層2の
表面には窓領域8を形成したp側電極4が形成されてい
る。FIG. 2 shows an example of the structure of a Si photodiode according to the prior art. A p-type Si layer 2 is formed on the n-type Si substrate 1 to form a diode. An n-side electrode 3 is formed on the surface of the n-type Si substrate 1, and a p-side electrode 4 having a window region 8 is formed on the surface of the p-type Si layer 2.
【0004】このように形成されたダイオード構成に、
バイアス源9から逆バイアス電圧を印加すると、そのま
まの状態では電流は流れない。ところで、窓領域8にあ
る程度以上のエネルギを有する光hνが入射すると、シ
リコン領域内で電子・正孔対が発生し、pn接合に印加
された逆バイアス電圧に従って電子はn型領域1に流
れ、正孔はp型領域2に流れる。すなわち、光が入射し
た時のみ光量に比例した電流が流れる。In the diode structure thus formed,
When the reverse bias voltage is applied from the bias source 9, no current flows in that state. By the way, when light hν having an energy of a certain level or more is incident on the window region 8, electron-hole pairs are generated in the silicon region, and electrons flow to the n-type region 1 according to the reverse bias voltage applied to the pn junction, The holes flow into the p-type region 2. That is, a current proportional to the amount of light flows only when light is incident.
【0005】なお、n型領域1とp型領域2を積層した
構成を示したが、多くの実際の半導体装置においては、
n型領域表面に選択的にp型領域を形成すること等によ
ってホトダイオード構造を形成する。Although the structure in which the n-type region 1 and the p-type region 2 are laminated is shown, in many actual semiconductor devices,
A photodiode structure is formed by selectively forming a p-type region on the surface of the n-type region.
【0006】発光機能を有する光半導体装置としては、
III−V族、II−VI族等の直接遷移型エネルギギ
ャップを有する化合物半導体が主に用いされてきた。と
ころで、近年超格子構造等により、母体の物理的性質を
修飾して新たな機能素子を開発する研究が進んでいる。
半導体中におけるキャリアの自由度を制限すると、新た
な物性が生じる。たとえば、量子井戸層等によりキャリ
アの自由度を平面状の2次元状態にすると、2次元キャ
リアが形成される。As an optical semiconductor device having a light emitting function,
A compound semiconductor having a direct transition type energy gap such as III-V group and II-VI group has been mainly used. By the way, in recent years, studies have been conducted to develop a new functional device by modifying the physical properties of the matrix by using a superlattice structure or the like.
If the degree of freedom of carriers in the semiconductor is limited, new physical properties will occur. For example, a two-dimensional carrier is formed when the degree of freedom of the carrier is made into a planar two-dimensional state by a quantum well layer or the like.
【0007】平面内においても、さらに1つの方向の自
由度を制限して量子細線とすれば、1次元キャリアが実
現され、さらに全ての方向の自由度を制限して量子箱と
すると、0次元キャリアが実現される。Even in the plane, if the degree of freedom in one direction is further restricted to form a quantum wire, a one-dimensional carrier is realized, and if the degree of freedom in all directions is restricted to form a quantum box, it becomes 0-dimensional. Carrier is realized.
【0008】これらの量子化された状態においては、キ
ャリアはもはやバルクにおける状態とは異なる状態とな
り、バンド構造も変化して量子レベルとなる。共鳴トン
ネルダイオードは、アノードとカソードとの間にトンネ
ル障壁層に挟まれた量子井戸層を挿入した構造を有し、
量子井戸層内の離散的量子レベルを利用して負性抵抗等
を実現する特性を示す。In these quantized states, carriers are no longer in the bulk state, and the band structure is changed to the quantum level. A resonant tunnel diode has a structure in which a quantum well layer sandwiched between tunnel barrier layers is inserted between an anode and a cathode,
The characteristics of realizing negative resistance and the like by utilizing discrete quantum levels in the quantum well layer are shown.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】半導体内のキャリアの
状態を量子化した機能素子の研究が進められているが、
従来その対象となる特性は電気的特性であった。また、
半導体材料としてはIII−V族化合物半導体等の化合
物半導体であった。The research of functional devices in which the state of carriers in a semiconductor is quantized is being advanced.
Conventionally, the target characteristics have been electrical characteristics. Also,
The semiconductor material was a compound semiconductor such as a III-V group compound semiconductor.
【0010】本発明の目的は、新規な機構を有する量子
化Si光半導体装置を提供することである。本発明の他
の目的は、直接遷移の可能なSi領域を有する量子化S
i光半導体装置を提供することである。An object of the present invention is to provide a quantized Si optical semiconductor device having a novel mechanism. Another object of the present invention is to quantize S having a Si region capable of direct transition.
It is to provide an i-optical semiconductor device.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明の量子化Si光半
導体装置は、量子化されたレベルを有する活性Si領域
と、前記活性Si領域を囲む絶縁物領域と、前記絶縁物
領域の一方の側に配置されたp型Si領域と、前記絶縁
物領域の他方の側に配置されたn型Si領域と、前記活
性Si領域近傍に形成された窓領域とを有する。A quantized Si optical semiconductor device according to the present invention comprises an active Si region having a quantized level, an insulator region surrounding the active Si region, and one of the insulator regions. A p-type Si region arranged on the side, an n-type Si region arranged on the other side of the insulator region, and a window region formed near the active Si region.
【0012】[0012]
【作用】活性Si領域においては、キャリアは量子化さ
れたレベルを有するため、バンド間遷移はレベル間遷移
に変化する。レベル間遷移には波数ベクトルは必要な
く、遷移は全て直接遷移となる。絶縁物領域を介してp
型Si領域とn型Si領域とで活性Si領域を挟むこと
により、活性Si領域にトンネリングでキャリアを注入
することができる。活性Si領域に注入されたキャリア
は、発光性再結合を行うことができる。In the active Si region, the carriers have quantized levels, so that the interband transition changes to an interlevel transition. No wave vector is required for level-to-level transitions, and all transitions are direct transitions. P through the insulator area
By sandwiching the active Si region between the type Si region and the n-type Si region, carriers can be injected into the active Si region by tunneling. The carriers injected into the active Si region can perform radiative recombination.
【0013】[0013]
【実施例】図1に本発明の実施例によるホトダイオード
を示す。n型多結晶シリコン(Si)で形成されたn型
領域1の上に、厚さ約50ÅのSiO2 薄層6を介して
厚さ約100Åの単結晶Siで形成されたSi薄層5が
形成され、その上に厚さ約50ÅのSiO2 薄層7を介
してp型多結晶Siで形成されたp型Si領域2が形成
されている。FIG. 1 shows a photodiode according to an embodiment of the present invention. On the n-type region 1 made of n-type polycrystalline silicon (Si), a Si thin layer 5 made of single crystal Si having a thickness of about 100 Å is interposed via a SiO 2 thin layer 6 having a thickness of about 50 Å. A p-type Si region 2 formed of p-type polycrystalline Si is formed on the SiO 2 thin layer 7 having a thickness of about 50Å.
【0014】Si薄層5はノンドープの単結晶で形成さ
れている。n型領域1の上にはn側電極3が形成され、
p側領域2の表面上には中央部に窓領域8を開孔したp
側電極4が形成されている。The Si thin layer 5 is formed of a non-doped single crystal. An n-side electrode 3 is formed on the n-type region 1,
On the surface of the p-side region 2, a window region 8 is opened in the center p
The side electrode 4 is formed.
【0015】図中右側から入射する光は、窓領域8を介
してp側領域2、SiO2 薄層7、Si薄層5、SiO
2 薄層6、n側領域1に入射することができる。バイア
ス源9の正極をn側電極3に負荷抵抗Rを介して接続
し、負極をp側電極4に接続してpn接合に逆バイアス
電圧を印加する。Light incident from the right side of the figure passes through the window region 8 and the p-side region 2, the SiO 2 thin layer 7, the Si thin layer 5, and the SiO 2.
2 The light can enter the thin layer 6 and the n-side region 1. The positive electrode of the bias source 9 is connected to the n-side electrode 3 via the load resistor R, the negative electrode is connected to the p-side electrode 4, and a reverse bias voltage is applied to the pn junction.
【0016】逆バイアス電圧を印加した状態において、
窓領域8からある波長以下の光が入射すると、電子・正
孔対が発生し、pn接合を介して光電流が流れる。な
お、この光電流によって負荷抵抗R両端に生じる電圧を
測定すれば、入射した光の光量を知ることができる。When a reverse bias voltage is applied,
When light of a certain wavelength or less enters from the window region 8, electron-hole pairs are generated and a photocurrent flows through the pn junction. It should be noted that the amount of incident light can be known by measuring the voltage generated across the load resistance R by this photocurrent.
【0017】図1に示すホトダイオードの動作を、図3
に示すバンド構造を参照して説明する。図1に示す構成
においては、n型領域1とp型領域2の間に絶縁物で挟
まれたSi薄層5が挿入されている。この構成によるバ
ンド構造を図3(A)に示す。絶縁物であるSiO2 薄
層6、7においてはバンドギャップが広く電子・正孔に
対する電位障壁が形成される。これらの電位障壁によっ
てSi薄層5内のキャリアは、n型領域1、p型領域2
から分離される。The operation of the photodiode shown in FIG.
The band structure will be described with reference to FIG. In the structure shown in FIG. 1, a thin Si layer 5 sandwiched between insulators is inserted between an n-type region 1 and a p-type region 2. A band structure having this structure is shown in FIG. In the SiO 2 thin layers 6 and 7 which are insulators, the band gap is wide and a potential barrier against electrons and holes is formed. Due to these potential barriers, carriers in the Si thin layer 5 are n-type region 1 and p-type region 2
Separated from.
【0018】Si薄層5の厚さが約100Åと薄いた
め、Si薄層5内のエネルギ状態は量子化し、伝導体に
おいてレベルLc、価電子帯においてレベルLvが発生
している。これらのレベルは、一般にバルク状態のバン
ドの底よりも高エネルギ状態にある。Since the thickness of the Si thin layer 5 is as thin as about 100Å, the energy state in the Si thin layer 5 is quantized, and the level Lc is generated in the conductor and the level Lv is generated in the valence band. These levels are generally in a higher energy state than the bottom of the bulk band.
【0019】図3(B)は、図1の構成に逆バイアス電
圧を印加した状態のバンド構造を示す。n型領域1に正
の電圧が印加され、n型領域1のレベルは図中下方に押
し下げられる。FIG. 3B shows a band structure in the state where a reverse bias voltage is applied to the structure of FIG. A positive voltage is applied to the n-type region 1, and the level of the n-type region 1 is pushed down in the figure.
【0020】n型領域1、p型領域2、ノンドープ領域
5は全てSiで形成されているが、ノンドープSi薄層
5は量子井戸層となり、そのエネルギ状態がレベルとな
っている。このため、レベル・レベル間遷移に対する吸
収係数の波長依存性は極めて鋭くなっている。Although the n-type region 1, the p-type region 2 and the non-doped region 5 are all made of Si, the non-doped Si thin layer 5 becomes a quantum well layer and its energy state is at a level. Therefore, the wavelength dependence of the absorption coefficient for the level-to-level transition is extremely sharp.
【0021】従ってそのレベル間に相当するエネルギの
光が入射すると、Si薄層5は強く吸収し、キャリア対
を発生する。これらのキャリア対は、電子はn型領域1
に、正孔はp型領域2にそれぞれSiO2 薄層6、7を
トンネリングで抜けて輸送され、光電流を発生する。入
射光の波長が変化すると、レベル間エネルギ差と一致し
なくなり、吸収は急速に減少する。Therefore, when light having an energy corresponding to that level is incident, the Si thin layer 5 strongly absorbs and generates a carrier pair. In these carrier pairs, electrons are n-type region 1
In addition, the holes are transported through the SiO 2 thin layers 6 and 7 to the p-type region 2 by tunneling, and generate photocurrent. When the wavelength of the incident light changes, the energy difference between the levels does not match and the absorption decreases rapidly.
【0022】図4は本発明の他の実施例による発光ダイ
オードを示す。図4(A)は構成を示し、図4(B)は
その動作を説明するためのバンドダイアグラムである。
第1図のホトダイオード同様に、n型領域1とp型領域
2の間にSiO2 薄層6、7、で挟まれたSi薄層5が
挿入されている。Si薄層5は、たとえば厚さ約100
Åのノンドープ単結晶Siの層であり、SiO2 薄層
6、7は、たとえばそれぞれ約50Åの厚さを有する。
また、n型領域1、p型領域2にそれぞれn側電極3、
p側電極4が接続される点も図1同様である。FIG. 4 shows a light emitting diode according to another embodiment of the present invention. FIG. 4A shows the configuration, and FIG. 4B is a band diagram for explaining the operation.
Similar to the photodiode of FIG. 1, a Si thin layer 5 sandwiched between SiO 2 thin layers 6 and 7 is inserted between an n-type region 1 and a p-type region 2. The thin Si layer 5 has a thickness of, for example, about 100.
The Å non-doped single crystal Si layer, and the SiO 2 thin layers 6 and 7 each have a thickness of, for example, about 50 Å.
In addition, the n-side region 3, the p-type region 2, the n-side electrode 3,
The point to which the p-side electrode 4 is connected is also the same as in FIG.
【0023】バイアス源9aは、その正極をp側電極4
に接続し、その負極をn側電極3に接続している。な
お、電流路中に負荷抵抗Rが挿入される。本構成におい
ては、ダイオード構造にバイアス源9aから順バイアス
電圧が印加されている。The bias source 9a has its positive electrode connected to the p-side electrode 4
, And its negative electrode is connected to the n-side electrode 3. A load resistor R is inserted in the current path. In this configuration, a forward bias voltage is applied to the diode structure from the bias source 9a.
【0024】図4(B)にこのような順バイアスを印加
した状態のダイオードのバンド構造を示す。n型領域1
に負電圧が印加されると、そのレベルは図中上方に持ち
上げられる。このため、n型領域1内の電子は、Si薄
層5内のレベルLcと等しいレベルとなり、n型領域1
からSi薄層5に電子をトンネルで注入できる。また、
p型領域2から正孔をSi薄層5にトンネルで注入でき
る。FIG. 4B shows the band structure of the diode in the state where such forward bias is applied. n-type region 1
When a negative voltage is applied to, the level is raised upward in the figure. Therefore, the electrons in the n-type region 1 have a level equal to the level Lc in the Si thin layer 5, and the n-type region 1
Thus, electrons can be tunneled into the Si thin layer 5. Also,
Holes can be tunneled from the p-type region 2 into the Si thin layer 5.
【0025】Si薄層5内では、伝導帯のレベルLcか
ら価電子帯のレベルLvへ、発光性再結合が行われ、光
hνが発生する。この光は、p側電極4に開孔した窓領
域8から外部に出射する。レベル間エネルギに対応した
波長領域幅の狭い光を発光させることができる。In the Si thin layer 5, radiative recombination is performed from the conduction band level Lc to the valence band level Lv, and light hν is generated. This light is emitted to the outside from the window region 8 opened in the p-side electrode 4. It is possible to emit light having a narrow wavelength region width corresponding to the energy between levels.
【0026】以上説明した実施例においては、Si薄層
5は単結晶で形成され、その厚さが薄くされることによ
ってキャリア状態が量子化されている。この量子化され
たレベルを含む遷移を行わせることにより、光の検出、
光の発生が行われる。単結晶を用いることによって結晶
内の量子化レベルが揃った領域を得ることができる。In the embodiment described above, the Si thin layer 5 is formed of a single crystal, and the carrier state is quantized by reducing the thickness thereof. By making a transition involving this quantized level, the detection of light,
Light is generated. By using a single crystal, it is possible to obtain a region in the crystal where the quantization levels are uniform.
【0027】このようなダイオード構成を作成する製造
方法を図5、図6を参照して説明する。先ず図5(A)
に示すように、先ずノンドープSiエピタキシャル層1
2を備えた高濃度Si基板11を準備する。たとえば、
Si基板11はn型不純物を高濃度にドープしたn+ 型
とする。A manufacturing method for producing such a diode structure will be described with reference to FIGS. First, FIG. 5 (A)
First, as shown in FIG.
A high-concentration Si substrate 11 including 2 is prepared. For example,
The Si substrate 11 is an n + type which is heavily doped with n-type impurities.
【0028】ノンドープSiエピタキシャル層12の表
面に、酸化膜13、窒化膜14を積層し、素子領域を残
して他の部分をパターニングして除去する。次に、この
窒化膜14をマスクとして酸化工程を行い、露出した領
域に所望厚さの酸化膜であるLOCOS領域15を形成
する。このLOCOS工程の後、マスクとして用いた窒
化膜14、酸化膜13は除去する。An oxide film 13 and a nitride film 14 are laminated on the surface of the non-doped Si epitaxial layer 12, and other portions are patterned and removed except the element region. Next, an oxidation process is performed using the nitride film 14 as a mask to form a LOCOS region 15 which is an oxide film having a desired thickness in the exposed region. After this LOCOS process, the nitride film 14 and the oxide film 13 used as the mask are removed.
【0029】次に、図5(B)に示すように、表面にさ
らにCVDによってSiO2 層17を積層し、表面にホ
トレジスト層を形成し、パターニングすることによって
ホトレジストマスクを形成する。Next, as shown in FIG. 5B, a SiO 2 layer 17 is further laminated on the surface by CVD, a photoresist layer is formed on the surface, and patterning is performed to form a photoresist mask.
【0030】ホトレジストマスクを用いて、SiO2 層
をエッチングすることによって、凹部18を形成する。
エッチングはノンドープSiエピタキシャル層12が表
われるまで続ける。The recess 18 is formed by etching the SiO 2 layer using a photoresist mask.
The etching is continued until the non-doped Si epitaxial layer 12 appears.
【0031】ノンドープSiエピタキシャル層12が露
出した後、エッチングを停止し、ホトレジストマスクを
除去する。その後、ノンドープSiエピタキシャル層1
2の表面を軽く酸化し、厚さ約50ÅのSiO2 薄層2
0を形成する。その後、凹部18を埋め込んでn型多結
晶Si層19を堆積し、研磨することによって平坦な表
面を形成する。After the non-doped Si epitaxial layer 12 is exposed, the etching is stopped and the photoresist mask is removed. Then, the non-doped Si epitaxial layer 1
The surface of 2 is lightly oxidized, and a SiO 2 thin layer 2 with a thickness of about 50Å
Form 0. After that, the recess 18 is filled in, an n-type polycrystalline Si layer 19 is deposited, and polishing is performed to form a flat surface.
【0032】次に、一方の面に酸化膜22を形成した他
のSi基板21を準備する。このSi基板は、物理的支
持の役割を果すので、p型でもn型でもよい。図6
(C)に示すように、他のSi基板21の酸化膜22
と、図5(B)に示すSi基板の多結晶Si層19とを
重ね合わせ、2つの基板を所定温度で貼り合わせる。た
とえば、約950℃で、20分程度貼り合わせ工程を行
えばよい。Next, another Si substrate 21 having an oxide film 22 formed on one surface is prepared. Since this Si substrate plays a role of physical support, it may be p-type or n-type. Figure 6
As shown in (C), another oxide film 22 on the Si substrate 21 is formed.
And the polycrystalline Si layer 19 of the Si substrate shown in FIG. 5B are overlapped, and the two substrates are bonded at a predetermined temperature. For example, the bonding step may be performed at about 950 ° C. for about 20 minutes.
【0033】貼り合わせ後、図5(C)に示すような貼
り合わせ構造を下側から研磨する。図6(A)は、図5
(C)に示す貼り合わせ基板を反転させ、上方から研磨
した状態を示す。After the bonding, the bonded structure as shown in FIG. 5C is polished from the lower side. FIG. 6A is the same as FIG.
The state where the bonded substrate shown in (C) is inverted and polished from above is shown.
【0034】なお、不純物濃度差を利用したエッチング
を行えば、n+ Si基板11を容易にエッチングで除去
することができ、その後ノンドープSiエピタキシャル
層12を研磨して所望の厚さにする。たとえば、最終的
に約100Åの単結晶Si層が残るような厚さに設定す
る。The n + Si substrate 11 can be easily removed by etching by using the difference in impurity concentration, and then the non-doped Si epitaxial layer 12 is polished to a desired thickness. For example, the thickness is set so that a single crystal Si layer of about 100 Å remains in the end.
【0035】図6(B)に示すように、CVDによりS
iO2 層24を堆積し、ホトリソグラフィにより凹部2
5を形成してノンドープSiエピタキシャル層12を露
出する。As shown in FIG. 6B, S is formed by CVD.
An iO 2 layer 24 is deposited and the recess 2 is formed by photolithography.
5 is formed to expose the non-doped Si epitaxial layer 12.
【0036】露出したノンドープSiエピタキシャル層
12の表面を酸化して、厚さ約50ÅのSiO2 薄層2
6を形成する。この状態において、ノンドープSiエピ
タキシャル層12は約100Åの厚さを有し、その両側
をそれぞれ厚さ約50ÅのSiO2 薄層20、26によ
って挟まれた状態となる。The exposed surface of the non-doped Si epitaxial layer 12 is oxidized to form a thin SiO 2 layer 2 having a thickness of about 50Å.
6 is formed. In this state, the non-doped Si epitaxial layer 12 has a thickness of about 100Å, and both sides thereof are sandwiched between the SiO 2 thin layers 20 and 26 having a thickness of about 50Å.
【0037】その後図6(C)に示すように、SiO2
薄層26表面にp型多結晶Si層28を堆積し、パター
ニングした後その表面を覆ってCVDによりさらにSi
O2 層31を形成し、コンタクト部分をホトリソグラフ
ィにより開孔する。その後、電極金属層を堆積し、ホト
リソグラフィによってパターニングすることによって、
アノード電極32、カソード電極33を形成する。Then, as shown in FIG. 6C, SiO 2
A p-type polycrystalline Si layer 28 is deposited on the surface of the thin layer 26, patterned, covered with the surface, and further Si is deposited by CVD.
An O 2 layer 31 is formed, and a contact portion is opened by photolithography. After that, by depositing an electrode metal layer and patterning by photolithography,
The anode electrode 32 and the cathode electrode 33 are formed.
【0038】このような製造方法によれば、所定厚さの
単結晶Si薄層が所定厚さのSiO 2 薄層によって挟ま
れ、さらにその両側に所定の導電性、導電度を有する多
結晶シリコン層が配置されたダイオード構造を得ること
ができる。According to such a manufacturing method, a predetermined thickness
The single crystal Si thin layer has a predetermined thickness of SiO. 2Sandwiched by thin layers
In addition, it has a certain conductivity and conductivity on both sides.
Obtaining a diode structure in which a crystalline silicon layer is arranged
You can
【0039】なお、図5(B)の工程において、n型多
結晶Si層19を形成する代りに、表面に直接Si単結
晶基板を貼り合わせれば、ダイオードの一方の領域は単
結晶Siとなる。In the step of FIG. 5B, instead of forming the n-type polycrystalline Si layer 19, if a Si single crystal substrate is directly attached to the surface, one region of the diode becomes single crystal Si. ..
【0040】また、絶縁物薄層で挟むSi領域は、単結
晶で形成した方がレベルが鋭くなり、波長選択性が鋭く
なるが、必ずしも単結晶で作成する必要はない。図7は
本発明の他の実施例による光ダイオード構造を概略的に
示す。単結晶p型Si基板41の表面に、たとえば厚さ
約50Å程度のSiO2 薄層42を堆積し、その上にノ
ンドープの多結晶Si薄層43をCVD等により形成す
る。The Si region sandwiched by the thin insulating layers has a sharper level and sharper wavelength selectivity when formed of a single crystal, but it is not always required to be formed of a single crystal. FIG. 7 schematically shows a photodiode structure according to another embodiment of the present invention. A SiO 2 thin layer 42 having a thickness of, for example, about 50 Å is deposited on the surface of the single crystal p-type Si substrate 41, and a non-doped polycrystalline Si thin layer 43 is formed thereon by CVD or the like.
【0041】多結晶Si薄層43の表面に厚さ約50Å
程度のSiO2 薄層44を形成する。この状態におい
て、Si薄層43は厚さ約100Å程度となるようにす
る。SiO2 薄層42、44はCVD等によって形成す
ることもできるが、熱酸化によって形成する方が好まし
い。On the surface of the polycrystalline Si thin layer 43, a thickness of about 50Å
A thin SiO 2 layer 44 is formed. In this state, the Si thin layer 43 has a thickness of about 100 Å. Although the SiO 2 thin layers 42 and 44 can be formed by CVD or the like, it is preferable to form them by thermal oxidation.
【0042】SiO2 薄層44表面にさらにn型多結晶
Si層45を堆積し、量子井戸層を間に挟んだpn接合
構造を形成する。その後、p型Si基板41表面にp側
電極47を形成し、n型多結晶Si層45表面にn側電
極48を形成してダイオード構造を形成する。n側電極
48の所定領域をホトリソグラフィによりパターニング
して除去することにより、窓領域49を形成する。An n-type polycrystalline Si layer 45 is further deposited on the surface of the SiO 2 thin layer 44 to form a pn junction structure with a quantum well layer sandwiched therebetween. Then, a p-side electrode 47 is formed on the surface of the p-type Si substrate 41, and an n-side electrode 48 is formed on the surface of the n-type polycrystalline Si layer 45 to form a diode structure. A window region 49 is formed by patterning and removing a predetermined region of the n-side electrode 48 by photolithography.
【0043】p側電極47、n側電極48間に逆バイア
ス電圧を印加すれば、受光素子としてのホトダイオード
が構成され、順バイアス電圧を印加すれば、発光ダイオ
ードが構成される。When a reverse bias voltage is applied between the p-side electrode 47 and the n-side electrode 48, a photodiode as a light receiving element is formed, and when a forward bias voltage is applied, a light emitting diode is formed.
【0044】本実施例においては、活性領域となるSi
薄層43が多結晶で構成されているため、量子化レベル
にばらつきが生じるが、その製造工程は単結晶Si活性
層を用いた場合よりも容易となる。In this embodiment, Si which becomes the active region is formed.
Since the thin layer 43 is made of polycrystal, the quantization level varies, but the manufacturing process thereof is easier than when a single crystal Si active layer is used.
【0045】また、多結晶Si薄層43を形成した段階
において、酸素イオン注入等により、多結晶Si薄層4
3を選択的に酸化させ、線状ないしは点状の半導体領域
を残すようにすれば、量子細線や量子箱を形成すること
もできる。At the stage of forming the polycrystalline Si thin layer 43, the polycrystalline Si thin layer 4 is formed by oxygen ion implantation or the like.
Quantum wires and quantum boxes can also be formed by selectively oxidizing 3 to leave a linear or dot-shaped semiconductor region.
【0046】なお、同様の手段により、図1や図4に示
すダイオードの活性層を量子細線や量子箱にすることも
可能である。図8は、本発明の他の実施例による半導体
レーザを示す。図8(A)は構成を示し、図8(B)は
その動作を説明するためのシリコンの光吸収スペクトル
を示す。By the same means, the active layer of the diode shown in FIGS. 1 and 4 can be made into a quantum wire or a quantum box. FIG. 8 shows a semiconductor laser according to another embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a structure and FIG. 8B shows a light absorption spectrum of silicon for explaining the operation.
【0047】図8(B)は、シリコンの光吸収スペクト
ルを示す。横軸は光子エネルギをeVで示し、縦軸は吸
収係数(cm-1)を示す。図中○は300Kの吸収係数
を示し、●は77Kの吸収係数を示す。FIG. 8B shows the optical absorption spectrum of silicon. The horizontal axis represents the photon energy in eV, and the vertical axis represents the absorption coefficient (cm −1 ). In the figure, ◯ indicates an absorption coefficient of 300K, and ● indicates an absorption coefficient of 77K.
【0048】シリコンは間接遷移型半導体であり、その
バンド端近傍における吸収係数は比較的緩やかに立上が
る。このため、約1.5eV以下のエネルギの光に対し
ては吸収係数が比較的小さい。Silicon is an indirect transition semiconductor, and its absorption coefficient near the band edge rises relatively gently. Therefore, the absorption coefficient is relatively small for light having an energy of about 1.5 eV or less.
【0049】たとえば、1.2eVの光に対しては、吸
収係数は約15cm-1である。従って、シリコン内にお
けるキャリアの状態を量子化し、1.5eV程度以下の
レベル差で発光性再結合を行わせ、キャビティ内で光を
往復させることにより、レーザ発振をさせることも可能
である。For example, for 1.2 eV light, the absorption coefficient is about 15 cm -1 . Therefore, it is also possible to cause laser oscillation by quantizing the state of carriers in silicon, causing radiative recombination with a level difference of about 1.5 eV or less, and making light reciprocate in the cavity.
【0050】また、1.5eV以上のエネルギの光に対
しても、吸収等による損失との兼ね合いで共振器の長さ
を変化させれば、レーザ発振を実現することが可能であ
る。図8(A)は、このようなシリコンを用いた半導体
レーザの構成を示す。n型Si領域51の上に、SiO
2 薄層56、57によって挟まれたSi薄層55が配置
され、その上にp型Si領域52が配置されてpnダイ
オード構造を構成する。このpnダイオード構造は、前
述の実施例同様である。Further, even for light having an energy of 1.5 eV or more, laser oscillation can be realized by changing the length of the resonator in consideration of the loss due to absorption or the like. FIG. 8A shows a structure of a semiconductor laser using such silicon. SiO on the n-type Si region 51
The Si thin layer 55 sandwiched between the two thin layers 56 and 57 is arranged, and the p-type Si region 52 is arranged thereon to form a pn diode structure. This pn diode structure is similar to that of the above-mentioned embodiment.
【0051】n型Si領域51表面上にn側電極53が
形成され、p側Si領域52表面上にp側電極54が形
成される。本実施例においては、光は端面より発射する
ため、これらのp側電極54、n側電極53に開孔を設
け、窓領域を形成する必要はない。An n-side electrode 53 is formed on the surface of the n-type Si region 51, and a p-side electrode 54 is formed on the surface of the p-side Si region 52. In the present embodiment, since light is emitted from the end face, it is not necessary to form openings in these p-side electrode 54 and n-side electrode 53 to form a window region.
【0052】光を反射させるために、ダイオード構造の
2つの端面58a、58bは互に平行な鏡面にされる。
従って、1対の鏡面間にダイオード構造が挟まれた構造
となる。また、p側電極54、n側電極53の間にバイ
アス源59から順バイアス電圧を印加する。In order to reflect light, the two end faces 58a, 58b of the diode structure are mirrored surfaces parallel to each other.
Therefore, the diode structure is sandwiched between the pair of mirror surfaces. A forward bias voltage is applied from the bias source 59 between the p-side electrode 54 and the n-side electrode 53.
【0053】順バイアス電圧によってp側Si領域5
2、n側Si領域51からSi薄層55にキャリアが注
入され、Si薄層55内において発光性再結合が生じる
と、発生した光は鏡面58a、58bの間で往復しつつ
増幅される。増幅された光の一部は鏡面58aから外部
に出射する。このようにしてレーザ光60を得る。By the forward bias voltage, the p-side Si region 5
2. When carriers are injected from the n-side Si region 51 into the Si thin layer 55 and radiative recombination occurs in the Si thin layer 55, the generated light is amplified while reciprocating between the mirror surfaces 58a and 58b. A part of the amplified light is emitted to the outside from the mirror surface 58a. In this way, the laser light 60 is obtained.
【0054】なお、活性層となるSi薄層55は、たと
えば厚さ約100Åのノンドープ層であり、その両側に
配置されるSiO2 薄層は厚さ約50Åである。また、
共振器の鏡面は、たとえば結晶の(111)面を利用
し、KOH溶液でエッチングすることによって形成する
ことができる。また、共振器の鏡面を半導体の表面で形
成せず、外部に別途形成した鏡を配置してもよい。この
場合は、半導体の端面は反射防止を行うことが好まし
い。The Si thin layer 55 serving as an active layer is, for example, a non-doped layer having a thickness of about 100Å, and the SiO 2 thin layers arranged on both sides thereof have a thickness of about 50Å. Also,
The mirror surface of the resonator can be formed, for example, by utilizing the (111) plane of the crystal and etching with a KOH solution. Further, the mirror surface of the resonator may not be formed by the surface of the semiconductor, but a mirror formed separately may be arranged outside. In this case, it is preferable that the end face of the semiconductor be antireflection.
【0055】さらに、活性層への注入電流密度を大きく
するために、Si薄層の形状は、パターニングにより図
9に示すように幅数nm、長さ数百nmの細長い形状に
してもよい。Further, in order to increase the current density injected into the active layer, the shape of the Si thin layer may be patterned to have an elongated shape with a width of several nm and a length of several hundred nm.
【0056】図9において、61はSi基板、62はS
iO2 領域、63はn型ポリSi領域、64、66はS
iO2 薄層、65はSi薄層、67はp型ポリSi領
域、68はSiO2 領域である。In FIG. 9, 61 is a Si substrate and 62 is an S substrate.
iO 2 region, 63 is n-type poly-Si region, 64 and 66 are S
iO 2 thin layer, 65 is a Si thin layer, 67 is a p-type poly-Si region, and 68 is a SiO 2 region.
【0057】この形状の作成は、図5(A)における素
子領域作成の際にEB露光等の技術を用いれば実現でき
る。たとえば、幅5μm、長さが200μmの場合に
は、電流として105 Å/cm2 というレーザ発振に十
分に大きい電流密度が得られる。さらに、図9に示した
ように細い板状のSi薄層をパターニングによって複数
作成することによって活性層の密度を上げることができ
る。The formation of this shape can be realized by using a technique such as EB exposure when forming the element region in FIG. For example, when the width is 5 μm and the length is 200 μm, a current density of 10 5 Å / cm 2 which is sufficiently large for laser oscillation can be obtained. Further, as shown in FIG. 9, by forming a plurality of thin plate-shaped Si thin layers by patterning, the density of the active layer can be increased.
【0058】以上の実施例においては、量子化したレベ
ルを有するSi量子井戸層を1層用いる構成を説明した
が、Si量子井戸層を複数層積層した構成を用いること
も可能である。量子井戸層を複数層用いる場合は、それ
らの間に絶縁物等で形成した電位障壁層を介在させるこ
とが必要である。In the above embodiments, the structure in which one Si quantum well layer having a quantized level is used has been described, but a structure in which a plurality of Si quantum well layers are laminated can also be used. When using a plurality of quantum well layers, it is necessary to interpose a potential barrier layer formed of an insulator or the like between them.
【0059】Siを用いて光半導体装置を構成した場
合、光集積回路の形成が容易となる。たとえば、図1、
図4、図8等の構成においては、Si薄層を延在させ、
種々の半導体素子を作り込むによって集積回路装置を形
成することができる。When the optical semiconductor device is made of Si, the optical integrated circuit can be easily formed. For example, in Figure 1,
In the structure shown in FIGS. 4 and 8, the Si thin layer is extended,
An integrated circuit device can be formed by incorporating various semiconductor elements.
【0060】また、図7に示すように、単結晶基板を用
いた構成においては、基板表面に種々の半導体素子を形
成し、集積回路を構成することが容易に行える。このよ
うに、受光ないし発光ダイオードを他のSiデバイスと
同一Si基板上に作成することにより、光を利用したデ
バイス間の信号伝達が容易なSi集積回路装置を提供す
ることができる。Further, as shown in FIG. 7, in a structure using a single crystal substrate, various semiconductor elements can be formed on the surface of the substrate to easily form an integrated circuit. As described above, by forming the light receiving or light emitting diode on the same Si substrate as the other Si devices, it is possible to provide the Si integrated circuit device in which the signal transmission between the devices using light is easy.
【0061】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業
者に自明であろう。The present invention has been described above with reference to the embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations and the like can be made.
【0062】[0062]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
物理的に制限された寸法を有するSi領域を用いること
により、エネルギ準位を量子化させ、キャリアに垂直遷
移を行なわせる高効率のSi光半導体装置が提供され
る。As described above, according to the present invention,
By using the Si region having a physically limited dimension, a high-efficiency Si optical semiconductor device that quantizes the energy level and causes carriers to make a vertical transition is provided.
【図1】本発明の実施例によるホトダイオードを示す斜
視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a photodiode according to an embodiment of the present invention.
【図2】従来技術によるホトダイオードの構成例を示す
斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of a photodiode according to a conventional technique.
【図3】図1に示すホトダイオードのバンド構造を示す
線図である。3 is a diagram showing a band structure of the photodiode shown in FIG. 1. FIG.
【図4】本発明の実施例による発光ダイオードを示す斜
視図およびバンド構造を示す線図である。FIG. 4 is a perspective view showing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention and a diagram showing a band structure.
【図5】本発明の実施例によるダイオード構造を作成す
るための製造方法を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing method for manufacturing a diode structure according to an embodiment of the present invention.
【図6】本発明の実施例によるダイオード構造を作成す
るための製造方法を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing method for manufacturing a diode structure according to an embodiment of the present invention.
【図7】本発明の実施例によるダイオード構造を示す断
面図である。FIG. 7 is a sectional view showing a diode structure according to an embodiment of the present invention.
【図8】本発明の実施例による半導体レーザを示す斜視
図およびシリコンの光吸収スペクトルである。FIG. 8 is a perspective view showing a semiconductor laser according to an example of the present invention and an optical absorption spectrum of silicon.
【図9】本発明の他の実施例による半導体レーザを示す
斜視図である。FIG. 9 is a perspective view showing a semiconductor laser according to another embodiment of the present invention.
1 n型領域 2 p型領域 3 n側電極 4 p側電極 5 Si薄層 6、7 SiO2 薄層 8 窓領域 9 バイアス源 11 高濃度Si基板 12 ノンドープSiエピタキシャル層 13 酸化膜 14 窒化膜 15 LOCOS領域 17 CVDSiO2 層 18 凹部 19 n型ポリSi層 20 SiO2 薄層 21 Si基板 22 酸化膜 24 CVDSiO2 層 25 凹部 26 SiO2 薄層 28 p型ポリSi層 31 CVDSiO2 層 32 アノード電極 33 カソード電極 41 p型Si基板 42、44 SiO2 薄層 43 ポリSi薄層 45 n型ポリSi層 47 p側電極 48 n側電極 49 窓領域 51 n型Si領域 52 p型Si領域 53 n側電極 54 p側電極 55 Si薄層 56、57 SiO2 薄層 58 鏡面 59 バイアス源 61 Si基板 62 SiO2 領域 63 n型ポリSi領域 64、66 SiO2 薄層 65 Si薄層 67 p型ポリSi領域 68 SiO2 領域1 n-type region 2 p-type region 3 n-side electrode 4 p-side electrode 5 Si thin layer 6, 7 SiO 2 thin layer 8 window region 9 bias source 11 high-concentration Si substrate 12 non-doped Si epitaxial layer 13 oxide film 14 nitride film 15 LOCOS region 17 CVD SiO 2 layer 18 recess 19 n-type poly Si layer 20 SiO 2 thin layer 21 Si substrate 22 oxide film 24 CVDSiO 2 layer 25 recess 26 SiO 2 thin layer 28 p-type poly Si layer 31 CVDSiO 2 layer 32 anode electrode 33 Cathode electrode 41 p-type Si substrate 42, 44 SiO 2 thin layer 43 poly Si thin layer 45 n-type poly Si layer 47 p-side electrode 48 n-side electrode 49 window region 51 n-type Si region 52 p-type Si region 53 n-side electrode 54 p-side electrode 55 Si thin layer 56, 57 SiO 2 thin layer 58 mirror 59 bias source 61 Si substrate 62 Si 2 region 63 n-type poly-Si region 64, 66 SiO 2 thin layer 65 Si thin layer 67 p-type poly-Si region 68 SiO 2 region
Claims (4)
域(5)と、 前記活性Si領域(5)を囲む絶縁物領域(6、7)
と、 前記絶縁物領域(6、7)の一方の側に配置されたp型
Si領域(2)と、 前記絶縁物領域(6、7)の他方の側に配置されたn型
Si領域(1)と、 前記活性Si領域近傍に形成された窓領域(8)とを有
する量子化Si光半導体装置。1. An active Si region (5) having a quantized level and an insulator region (6, 7) surrounding the active Si region (5).
A p-type Si region (2) arranged on one side of the insulator region (6, 7) and an n-type Si region (2) arranged on the other side of the insulator region (6, 7). 1) and a quantized Si optical semiconductor device having a window region (8) formed near the active Si region.
型Si領域(1)との間に接続され、逆バイアス電圧を
印加することのできる電源(9)を有する請求項1記載
の量子化Si光半導体装置。2. The p-type Si region (2) and the n-type
The quantized Si optical semiconductor device according to claim 1, further comprising a power source (9) connected to the type Si region (1) and capable of applying a reverse bias voltage.
型Si領域(1)との間に接続され、順バイアス電圧を
印加することのできる電源(9)を有する請求項1記載
の量子化Si光半導体装置。3. The p-type Si region (2) and the n-type
The quantized Si optical semiconductor device according to claim 1, further comprising a power supply (9) connected to the type Si region (1) and capable of applying a forward bias voltage.
構造を有する請求項3記載の量子化Si光半導体装置。4. The quantized Si optical semiconductor device according to claim 3, further comprising a resonance structure capable of reciprocating light.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP34129091A JP3033625B2 (en) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | Quantized Si optical semiconductor device |
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JPH05175535A true JPH05175535A (en) | 1993-07-13 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005244248A (en) * | 1995-04-28 | 2005-09-08 | Fujitsu Ltd | Writing and reading method of optical semiconductor storage device |
EP2033227A2 (en) * | 2006-06-13 | 2009-03-11 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Pin diodes for photodetection and high-speed, high-resolution image sensing |
JP2021044563A (en) * | 2020-11-11 | 2021-03-18 | 浜松ホトニクス株式会社 | Light-receiving device and manufacturing method of the same |
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1991
- 1991-12-24 JP JP34129091A patent/JP3033625B2/en not_active Expired - Fee Related
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EP2033227A4 (en) * | 2006-06-13 | 2013-07-17 | Wisconsin Alumni Res Found | Pin diodes for photodetection and high-speed, high-resolution image sensing |
JP2021044563A (en) * | 2020-11-11 | 2021-03-18 | 浜松ホトニクス株式会社 | Light-receiving device and manufacturing method of the same |
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