JPH05506332A - シリコン層を備えた半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 シリコン層を備えた半導体デバイス この発明は、シリコン層と、シリコンを含む先導波体と、外部導電端子と接続さ れたダイオード構造とを備え、このダイオード構造が光子によって先導波体中に 作られる電子ホール対によって影響され得るように先導波体に対して配置されて いる充電半導体デバイスに関する。

この種の公知の半導体デバイス（「アイトリプルイー、エレクトロン、デノマイ ス、し９−ズ）Ｊ、Ｖｏ　ｌ、ＥＤＬ−７，Ｎｏ、５．１９８６年５月５３３０ 頁〜３３２頁）においては、光波は高ドープされた層によって取り囲まれた吸収 性導波体内を通るようになっている。しかし高ドープは自由電荷キャリヤーの吸 収に基づく大きな損失につながる。従ってこの公知の半導体デノくイスは集積し た先導波体と光検出器とを組み合わせたデバイスとして使用するのには不適当で ある。

この発明は、それ故、シリコンをベースとし、損失の少ない先導波体を有し、従 って光電変換に好適な光電半導体デバイスを提供することをその課題とする。

この課題を解決するため、この発明によれば、冒頭に述べた半導体デノイイスに おいて、光導波体が弱くドープされておりかつダイオード構造の構成要素が電子 ホール対を供するゲルマニウムリッチ層で形成される。

損失の少ない導波体と光検出器とを有する半導体デバイスは、例えば光通信に関 するヨーロッパ会議、第１５回議事録におけるＲ、カイザー他の論文「インジウ ム燐への光ダイオードと埋め込み型帯状導波路のモノリシック集積」第１巻、１ ９８９年９月、３６０〜３６３頁により公知である。しかしこの半導体デバイス は王としてＩＩＩ　／Ｖ族化合物半導体で構成されたものであり、この半導体は 実現するのに非常に高価な半導体材料であり、従ってこの公知の半導体デｌイイ ス番よその製造が比較的高価となる。

この発明による半導体デバイスの基本的な利点は、半導体デバイスが広く普及し たシリコンをベースとして作られ、従って比較的コスト的に有利に実現され得る ということであり、しかも光導波体が弱くドープされているので自由電荷キャリ ヤーによる高い損失が回避される。その際ゲルマニウムリッチ層内のゲルマニウ ム含有量は、バンドギャップが充分小さくなり、その結果先導波体内の光子がゲ ルマニウムリッチ層内に電子ホール対を生ずるように、しかもゲルマニウムリッ チ層とダイオード構造との組合わせによって電子とホールとの分離が行われるよ うに選ばれる。

この発明による半導体デバイスにおいては、半導体デバイスの表面に先導波体が 設けられる場合ダイオード構造がシリコン層のこの表面の範囲において先導波体 を横切るように延びているのが良い、このような構成は、外部導電端子を光導波 体から比較的遠（に離して取り付けることが可能であるので、外部導電端子の金 属において光波が減衰することがないという利点を有する。

さらにこの発明による半導体デバイスにおいては先導波体はゲルマニウムを含む 帯状体からの拡散によってシリコン層内に形成されたものであるのが良い、この ような先導波体を作る方法は先願のドイツ連邦共和国特許出１１Ｐ３９２２００ ９．５に記載されている。

この発明による半導体デバイスの他の実施例においては先導波体はシリコン層上 のゲルマニウム・シリコン層に設けられるリブであるのが良い。

さらにまたこの発明による半導体デバイスの異なる他の実施例においては先導波 体はシリコン基板上に絶縁性の二酸化ケイ素中間層を備えた弱くドープされたエ ピタキシャルシリコン層内のりプであるのが良い。

この発明による半導体デバイスにおいてはゲルマニウムリッチ層は先導波体を持 つシリコン層の表面に設けるのが良い、この場合ゲルマニウムリッチ層が先導波 体のすぐ近くに存在するので、導波体中の光子がこの層内に電子ホール対を生ず ることになる。

ゲルマニウムリッチ層は主として単結晶とすることができる。場合によってはゲ ルマニウムリッチ層は加熱されたシリコン層上に高真空中で蒸着された層とする のも有利である。

さらにまたゲルマニウムリッチ層はシリコン層上に高真空中で蒸着され、これに 続く焼きもどし処理されたものとするのも有利である。

ゲルマニウムリッチ層のゲルマニウム含有量は８５％より大きいのが有利である 。このことは、光通信技術において特にλ＝１，３〜ｌ、５５μｍの波長範囲が 重要であり、この波長の範囲に対してゲルマニウムリッチ層内の吸収が行われる 限りにおいて有利である。

ゲルマニウムリッチ層は非常に薄く形成することができる。界面効果を減少する ためにゲルマニウムリッチ層の厚さは１０ｎｍ〜１１０００ｎの間にするのがよ い。

この発明による半導体デバイスにおいてダイオード構造は種々の形で形成できる ０例えばダイオード構造はｐｉｎダイオードとして形成されるのが良い。

さらにまたこの発明による半導体デバイスにおけるダイオード構造は少なくとも １つのソツットキーダイオードによって実現されることもできる。

この発明による半導体デバイスに８いて外部導電端子は光導波体に平行に走る接 触子片として形成するのが良い。

この接触子片間の間隔としては５〜ｌ０Ｉｎとし、接触子片の長さは１００〜５ ００μｍの間にするのが良い。

外部導電端子の上述の構成においてはゲルマニウムリッチ層は、先導波体を担持 するシリコン層の表面に設けられる場合、先導波体から接触子片の下まで延びて いるようにするのが良い。

次にこの発明を図を参照して説明する０図１にはシリコン層に光導波体を拡散に より作り込んだこの発明による半導体デバイスの一寞施例が、図２にはゲルマニ ウムを含む層のリブにより光導波体を形成した他の実施例が、図３にはシリコン 基板の二酸化ケイ素中間層にゲルマニウムを含む層のリブにより先導波体を形成 したさらに異なる実施例が、そして図４には２つの互いに逆方向に接続されたシ ーフトキーダイオードを備えた他の実施例が示されている。なおこれらの図では 全ての実施例は断面で表されている。

図１の実施例においては先願のドイツ連邦共和国特許出願Ｐ３９２２００９゜５ に従ってゲルマニウムを含む帯状体から拡散により弱くドープされたノリコン層 １の表面３に光導波体２が形成されている。光導波体２の範囲のシリコン層１の 表面３にはゲルマニウムリッチ層４が設けられている。この層４は二酸化ケイ素 層５で覆われているので、ゲルマニウムリッチ層４はシリコン層ｌの表面３上の 外部導電端子６及び７に対して絶縁されている。

さらに図１かられかるように、図示されてない高ドープされている１＆板に取り 付けられ得るシリコン層１の中には先導波体２の一方の側にｐ十領域８、また他 方の側にｎ−ｔ−４１域９が形成されている。これらの領域８及び９はゲルマニ ウムリッチ層４及び先導波体２の領域とともにｐｉｎダイオードを形成する。別 の二酸化ケイ素層１０及び１１は、外部導電端子６及び７とシリコン層１との間 を絶縁するために用いられる。

図１に示されたこの発明による半導体デバイスの実施例においては、先導波体２ 内の光電に基づいてゲルマニウムリッチ層４内に電子ホール対が生じ、この電子 ホール対はｐｉｎダイオード構造により外部導電端子６及び７を通る電流となる 。先導波体２０幅は少数μｍの範囲にあるので、紙面に対して横方向に接触片と して延びている外部導電端子６及び７との間の距離はほぼ５〜１０Ｉｊｍの間に ある。

図２の実施例は図１の実施例と、先導波体が図１の実施例におけるシリコン層１ に相当する弱くドープされたシリコン層２２上に設けられているゲルマニウム含 有層２１のリブ２０によって形成されている点で異なる。この実施例ではｐ＋領 域２３はシリコン層２２の表面２４からゲルマニウム含有層２１を這ってシリコ ン層２２の内部にまで延びている。ｎ＋領域２５もこれと同様に形成されている 。この実施例においても領域２３及び２５はゲルマニウムリッチ層２４及びリブ ２０とともにＰｉｎダイオードを形成しており、このダイオードを介してゲルマ ニウムリッチ層４内に光電によって形成された電子ホール対に基づいて外部導電 端子２６及び２７を通る電流が流れ、この電流は光電の尺度となる。

図３の実施例は、任意にドープされたシリコン基板３０上に絶縁のため二酸化ケ イ素層３１が設けられ、この層上に弱くドープされた単結晶シリコン層３２が存 在する点で図２の実施例と異なる。このシリコン層３２のリブ３３が光導波体を 形成している。その他の構造は図２のそれと一敗する。

図４の実施例では弱くドープされたシリコン層４０上に先ず拡散により上述した 方法で（図１参照）先導波体４１が形成されている。この先導波体４１の上には その範囲を越えてゲルマニウムリッチ層４２が設けられ、この層は絶縁性の二酸 化ケイ素層４３及び４４の範囲にまで延びている。これらの層４３及び４４は外 部導電端子４５及び４６をシリコン層４０に対して絶縁している。先導波体４１ の上の範囲にはもう１つの二酸化ケイ素層４７が絶縁のため設けられている。

この実施例では外部導電端子４５とゲルマニウムリッチ層４２ないしシリコン層 ４０との間の接合及びシリコン層４０ないしゲルマニウムリッチ層４２と外部導 電端子４６との間の接合はそれぞれシッットキー接合を形成しているので、外部 導電端子４５及び４６との間には２つの互いに反対方向に接続されたシゴットキ ーダイオードが形成されており、それらの中それぞれ１つは阻止方向に、他は順 方向に動作する。

図４に示されるように、先導波体４１並びに外部導電端子４５及び４６は帯状に 形成されている。導電端子４５及び４６は吸収に応して代表的には１００１！ｍ と５００μｍとの間の長さを持っている。

導電端子４５及び４６にまで達しているゲルマニウムリッチ層４２を備えた図示 の実施例においては端子４５及び４６間の電流の流れは主としてゲルマニウムリ ッチ層４２上に限定される。原理的にはゲルマニウムリッチ層４２は光導波体４ １の範囲にだけ設けることも可能である。

国際調査報告 ｍ　ＡＭ　ｋ　ＰＣ！’／ＤＥ　９１１００３０３国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．シリコン層（１）と、シリコンを含む光導波体（２）と、外部導電端子（６ ７）に接続されたダイオード構造とを備え、このダイオード構造が光子によって 光導波体（２）中に生ずる電子ホール対によって影響され得るように光導波体（ ２）に対して配置されている光電半導体デバイスにおいて、光導波体（２）が弱 くドープされておりかつダイオード構造の構成要素が電子ホール対を供するゲル マニウムリッチ層（４）であることを特徴とする光電半導体デバイス。
2. ２．シリコン層（１）の表面に光導波体（２）が設けられ、ダイオード構造はシ リコン層（１）のこの表面の範囲において光導波体（２）を横切る方向に延びて いることを特徴とする請求の範囲１記載の半導体デバイス。
3. ３．光導波体がゲルマニウムを含む帯状体からの拡散によってシリコン層（１） 内に形成された光導波体（２）であることを特徴とする請求の範囲１又は２記載 の半導体デバイス。
4. ４．光導波体がシリコン層（２２）上のゲルマニウム・シリコン層（２１）のリ プ（２０）であることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の半導体デバイス。
5. ５．光導波体がシリコン基板（３０）上に絶縁性の二酸化ケイ素中間層（３１） を備えた弱くドープされたエピタキシャルシリコン層（３２）内のリプ（３３） であることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の半導体デバイス。
6. ６．ゲルマニウムリッチ層（４）が光導波体（２）を備えたシリコン層（１）の 表面にあることを特徴とする請求の範囲１ないし５の１つに記載の半導体デバイ ス。
7. ７．ゲルマニウムリッチ層（４）がほぼ単結晶であることを特徴とする請求の範 囲６記載の半導体デバイス。
8. ８．ゲルマニウムリッチ層が加熱されたシリコン層（１）上に高真空中で蒸着さ れた層（４）であることを特徴とする請求の範囲６又は７記載の半導体デバイス 。
9. ９．ゲルマニウムリッチ層がシリコン層（１）上に高真空中で蒸着され、次いで 焼き戻し処理された層（４）であることを特徴とする請求の範囲６又は７記載の 半導体デバイス。
10. １０．ゲルマニウムリッチ層（４）のゲルマニウム含有量が８５％より大きいこ とを特徴とする請求の範囲１ないし９の１つに記載の半導体デバイス。
11. １１．ゲルマニウムリッチ層（４）の厚さが１０ｎｍと１０００ｎｍとの間にあ ることを特徴とする請求の範囲１ないし１０の１つに記載の半導体デバイス。
12. １２．ダイオード構造がｐｉｎダイオードとして形成されていることを特徴とす る請求の範囲１ないし１１の１つに記載の半導体デバイス。
13. １３．ダイオード構造が少なくとも１つのショットキーダイオードによって実現 されていることを特徴とする請求の範囲１ないし１１の１つに記載の半導体デバ イス。
14. １４．外部導電端子が光導波体（４１）に平行に走る接触条片（４５，４６）と して形成されていることを特徴とする請求の範囲１ないし１３の１つに記載の半 導体デバイス。
15. １５．接触条片（４５，４６）の間隔が５ないし１０μｍの間に、接触条片（４ ５，４６）の長さが１００ないし５００μｍの間にあることを特徴とする請求の 範囲１４記載の半導体デバイス。
16. １６．ゲルマニウムリッチ層（４）が光導波体（４１）を担持するシリコン層（ ４０）の表面上に配置され、光導波体（４１）から接触条片（４５，４６）の下 にまで延びていることを特徴とする請求の範囲１４又は１５記載の半導体デバイ ス。