JPH09510832A - ダイオードおよびそのような素子を含む部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ダイオードは、半導体層と、この層に接続する金属性の複数の導電層を有する。この発明の目的は、スイッチング時間を改善したダイオードを作製することにある。このため、一方の金属性の導電層が透光性で、他方の金属性の導電層が基板に接続されている。垂直配置を使用すると、スイッチング時間が層構造体のＲＣ時定数にのみ依存する電荷キャリヤの遷移時間を著しく低減することが認識されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ダイオードおよびそのような素子を含む部品 この発明は、半導体層およびこの層に面状に接続する金属の導電層を有するダ イオードに関する。更に、この発明はそのようなダイオードを含む部品にも関す る。 極度に広い伝送帯域を用いる最近の光通信は、情報処理用に絶えず高速の部品 を開発することを要求している。光パスルでガラス繊維のケーブル中で伝送され る情報は、信号処理のため電気信号に変換される。これは、光が入射すると電気 抵抗値が変わる高速光ダイオードを用いて行われる。電気的にバイアスを加えた 光ダイオードに短い光パルスを照射すると、電圧パルスが発生し、このパルスを 後続する電子回路で更に処理する。 これには、Appl．Phys．Lett．61(15)，S．1760-1762により、できる限り小さ い電極間隔の MSM（metal-semiconductor-metal）ダイオードを用いることが知 られている。この場合、基板上に二つの電極を形成するため、第一金属導電層と 第二金属導電層を設けている。一方で光集束を最適にするため、また他方で半導 体材料中の電極から電極への電流通過領域をできる限り短くするため、電極が互 いに入り組んだフィンガー構造で平坦に形成されている。これにより、結果とし て数μmの短い電極間隔が達成されている。その場合、そのようなダイオードの スイッチング時間は電極間の電荷キャリヤの伝播時間によりほぼ決まる。フィン ガー間隔が１μmの場合の典型的なスイッチグ時間は10〜20psの程度内にある。 しかし、そのようなダイオードの難点は、リソグラフィーの分解能のためフィン ガー間隔を狭めることに限界があり、その結果、達成可能なスイッチング時間も 制限されている点にある。 半導体元素、シリコンは、構造素子の集積密度が絶えず高くなることでも、技 術的な良好な存在感で優れている。しかし、物理的な理由により、フォトダイオ ードや半導体レーザーのような光電子部品を製造することは不可能である。他方 、将来必ず重要になる光通知技術の最重要部品をシリコンベースで実現すること は非常に望ましい。目下のところ、1.54μmの波長で光ガラスファイバーを動作 さ せるため、データ伝送の分野で大きな独力がなされている。何故なら、この波長 では吸収が最小であるからである。この場合、既に10ギガビット/sの伝送速度が 得られている。このような高いデータ速度を発生することも、今日変調器を伴う レーザーを使用して問題なくなっている。しかし、問題はこれ等の大量のデータ 量の読取にある。つまり、極度に短い光パルスを高速読取することにある。III- IV族半導体あるいはシリコンの通常の光検出器は、このデータ量を処理すること ができない。このデータの読取は目下のところ光通信技術でネックになっている 。 この発明の課題は、スイッチング時間が改善された冒頭に述べた種類のダイオ ード、特に光ダイオードを提供することにある。更に、この発明の課題はそのよ うなダイオードを伴う部品素子を提供することにある。 この課題は、請求の範囲第１項の特徴部分の全体を有するダイオードにより解 決されている。効果的または有利に形成された他の実施例は、樹湯族する請求の 範囲第２〜４項に開示されている。 金属導電性の第一半導体層と金属導電性の第二半導体層の垂直配置を使用した 場合、ダイオードのスイッチング時間が発生した電荷キャリヤの伝播時間だけで なく、層構造のＲＣ時定数によっても決まるように電荷キャリヤの遷移時間が低 減することが分かる。この場合の電荷キャリヤの電流通路の長さが半導体層の膜 厚により決まり、これが周知の技術により非常に短く選ぶことができる、特に１ μmより更に薄い、特に0.1〜0.4μmの範囲の膜厚に選ぶことができるので、この 発明によるダイオードは水平に模様を付けた公知のMSMダイオードに比べて非常 に良好なスイッチング時間を有する。 この場合、一方の金属導電性層が透光性に形成され、他方の金属導電性層が基 板に接続していることが、請求の範囲第２項に従い用意されていると効果的であ る。半導体層の材料の選択に応じて、透光性層の材料として半導体層の材料でで きる限り高いショットキーバイリャを形成するような材料を使用するなら、請求 の範囲第３項による特に有利な実施例が与えられる。 光通信の領域で重要なシリコン技術では、請求の範囲第４項によるこの発明の ダイオードの他の有利な実施態様について、基板に接続する金属層の材料として CoSi₂が使用されている。この材料はシリコン基板に埋め込んだ金属性のCoSi₂層 の形の基本面として形成されている。このようは構造は、例えば in Appl．Phys ．Lett．50(1987)，S．95 に記載されているようにイオンビーム合成で作製でき るが、例えばドイツ公開特許第 41 13 143号明細書により周知のような所謂アロ タキシ(Allotaxie)法でも作製できる。この場合、有利な方法では、金属性のCoS i₂層がシリコンの中に埋蔵されたいて、その上にあるシリコンが単結晶であるた め、シリコン電子回路と両立することを保証している。 機能上対向電極として形成された第一の金属性導電層の材料としては、基本的 には任意の金属を選ぶことができる。請求の範囲第３項によれば、この材料が半 導体材料と共にできる限り高いショットキーバリヤが特にシリコンの上に形成さ れていれば、これにより光スイッチの暗電流が有利に低減される。 その場合、透光性の対向電極の膜厚は半透明で、例えば使用する光の50％を透 すように選択できる。ダイオードの接触接続は通常の共面導体技術でも可能であ るが、マイクロストライプ導体技術でも可能で、CoSi₂層は接地された基本面と して使用される。 結局、この発明によるダイオードは要約すると以下の利点を示す。 １．このようなダイオードを作製する場合、サブミクロン・パターン形成は不 要である。 ２．特に上にある単結晶の被覆シリコンを伴う埋め込みCoSi₂層を選択すると シリコン技術への両立性が完全に保証できる。 ３．特に接地された基本面として埋め込んだCoSi₂を用いている場合、例えば トランジスタのような他の部品にドッキングさせることがマイクロストライプ導 体技術で可能である。 ４．この発明によるダイオードは、両方の金属層に隣接する半導体層をできる 限り薄く形成している場合、遷移時間でなく、ダイオードのRC時定数によりのみ 制限されるスイッチング時間を有する。これにより、周知のダイオードに比べて この種のダイオードはスイッチング時間を著しく改善する。 更に、この発明の課題は請求の範囲第５項の全構成を有する部品によって解決 されている。従属する請求の範囲第６項および第７校の内容は他の有利な実施態 様を形成する。 導波体の材料が請求の範囲第６項の半導体材料と同一であるなら、部品の構造 が簡単になる。材料としてシリコンを選ぶなら、これを1.54μmの好ましい波長 の光通信に採用できる。SiO₂を選択するなら、可視光も伝送のために利用できる 。 この発明によるダイオードの上記構成は、その限りでは特許請求している部品 にも当てはまる。 以下、幾つかの実施例と図面に基づきこの発明をより詳しく説明する。 第１図には、垂直な金属・半導体・金属の構造層１，２と３を有するこの発明 によるダイオードが、対向電極２としての半透明な金属を用いたマイクロストラ イプ導体構成で平面図にして模式的に示してある。この場合、対向電極として厚 さが10nmのアルミイムあるいはクロムの層を用いることができる。 この発明によるダイオードの（第１図のＡ−Ａ′面内の）模式横断面図の第２ 図にから、光が半透明のアルミニウム電極２を通過して電荷キャリヤを形成する 半導体のシリコン領域１にどのように達するかが分かる。図示するダイオードは 、シリコン基板４の中に埋め込まれ、他方の金属導体層３がCoSi₂の形に形成さ れているものである。半導体シリコン層１の膜厚は、例えば50〜500nmの範囲の 値で、埋め込まれたコバルト珪化物の基本電極の膜厚は、例えば100nmの値であ る。 この発明の内容は基板表面上に順次金属層、半導体層および金属層から成る層 列の垂直配置に限定されるものではない。むしろ、層列の垂直方位が基板の表面 に平行に延びていてもよい。従って、第３図の二重のMSMダイオード構造に比べ て第４図と第５図に例示的に示すように、MSMダイオード機能の層を基板表面に 垂直に配置することもできる。MSMダイオード構造の垂直層方位は第３〜５図に 矢印で示してある。 詳しくは、第３図に電気絶縁材料で分離された二つのMSMダイオードと共にシ リコンの構造体が示してある。この場合、絶縁体としてはSiO₂を選ぶことができ る。各ダイオードの埋め込み電極の材料としてCoSi₂を選んだ。基板材料として は、例えばAl₂O₃を選んだ。MSMダイオードに対して、右側に電気信号を二つ の金属電極２と３，あるいは「金属」と「CoSi₂」から取り出すことが模式的に 示してある。 第４図と第５図では、半導体シリコン層１に第一CoSi₂領域２と他のCoSi₂領域 ３が形成されている。シリコン層１をAl₂O₃の基板上に形成した。この場合、金 属層２または３は、シリコン層１の接触面６または５でこのシリコン層に接続し ている。第５図のシリコン領域１１と１２は他のMSMダイオード機能を形成する ために設けてある。境界条件の選択に応じて、一つまたはそれ以上のCoSi₂領域 を透光性に形成できる。 そのようなシリコン装置に金属性のCoSi₂領域を形成するため、適当なマスク 技術によりこの層の中でCoを注入することを方法上選択できる。こうして、比較 的簡単にシリコン技術で重要な集積形にしたかなり多数のMSMダイオード機能が 得られる。 極度に短いパルス応答時間のこの発明のMSMダイオード構造の素子の典型的な 寸法は、金属層２の厚さａに対して10nm（入射光に対して半透明電極を形成する ため）から200nmまでの範囲、半導体シリコン層１の厚さｄに対して70nmから500 nmまでの範囲、そして金属性のCoSi₂層３の厚さｃに対して100nmから300nmまで の範囲にであった。MSMダイオード構造の横方向の寸法ｂは５nmから40nmまでの 範囲にであった。 この場合、上記ダイオードを横方向に正方形に形成したが、特別な目的のため 長方形にも形成した。寸法ａ，ｂ，ｃとｄは第６図に例示的に記入した。この発 明によるMSMダイオードはここに提示する寸法に限定されるものではない。 これ以外の図面は、特に絶縁性の基板上に光導波体と垂直の金属・半導体・金 属ダイオードを有する部品に関する。内部光効果によりガラス繊維導体から導波 体に入射する光子が一方の電極でショットキーバリヤー上の電子を励起する。次 いで、これ等の電子は金属層間の高電界により他方の電極へ加速され、これが短 い電流あるいは電圧パルスとなる。 次に、MSMダイオードと結合組込された導波体を伴う部品を紹介する。この部 品は極度に短いパルスを検出することができ、その上、シリコン技術で集積可能 である。この部品は以下の図面、特に第６ａ図でより詳しく説明する。 この構造体の重要な点は垂直なMSMダイオードにある。このダイオードは、シ ョットキー効果により外部電圧を印加して、金属層の間に自由な電荷キャリヤが 存在しないか、あるいは電荷キャリヤが発生する毎に電子や空孔を金属電極に向 けて加速するように、半導体の伝導帯や価電子帯を修正する点で優れている。 バンド（帯域）の形を第６ａ図に模式的に示す。ここでは、第二金属層が金属 １に対して正にバイアスされている。入射する光子（1.54μm,これは約 0.8 eV のエネルギに相当する）はシリコン中に電子対を発生させることができないが、 金属電子中の金属を励起させることができる。第６ｂ図のように金属２でショッ トキーバリヤΦ_Bの上で励起が行われると、電子が半導体に侵入し、存在してい る電界により対向電極に加速される。この効果を内部光効果と称している。 金属電極としては特に埋め込まれたCoSi₂が適している。何故なら、シリコン と共にエピタキシャル成長が可能であるからである。更に、CoSi₂のショットキ ーバリヤのレベルは0.8eVより小さい約0.64eVであるので、このバリヤーを越え る電子の励起が可能である。シリコン層は比較的薄い（約100nm）であるので、 金属接触部の間に比較的大きい電界が生じる。更に、これはショットキーバリヤ のレベルを僅かに減少させることになる（画像電荷のため）か、あるいは対向電 極に加速される電子の数を多くすることになる。このダイオードにより、10psよ り短い半値幅の電気パルスを発生させることができる。寄生効果を排除するため に、絶縁基板を使用する。ここては（埋め込んだSiO₂層を伴う）SIMOX基板、あ るいはSOS基板（サファイヤ上のエピタキシャルシリコン）が推奨される。これ 等の基板は、シリコンからこの基板に向けて屈折率の飛びが生じるの、シリコン 導波体を形成するのに望ましい。 MSMダイオード構造とこれに接続する組み込まれた導波体を伴うこの発明の部 品の製造を、以下の第６〜１０図でより詳しく説明する。 第７図には、金属性のCoSi₂層３に接続する、例えばシリコンの基板４が示し てある。この金属層の上には、半導体シリコン層１が予め与えてある。次に、一 定の導波体領域をシリコンから形成して隣の領域を仕切るため、シリコン層１を 酸化させてSiO₂にする（第８図）。その後、第９図に示すように、ここまで加工 した層構造体の表面の一部に金属性の上部接点２を付ける。この上部接点２に は、同じ金属材料、あるいは場合によって、他の金属材料の導入導体２′を接続 させる。 第１０図には、結果として上から見た第９図の構造体が示してあり、その後、 導波体の幾何学形状を形成するため、この導波体の両側のCoSi₂層上にあるSiO₂ の一部をCoSi₂層まで除去した。 電気導入導体２′はMSMダイオードの金属性の上部接点２に通じている。上部 接点２の下には、シリコンの半導体層１と他の金属性のCoSi₂層３がMSMダイオー ド機能を形成するため被覆されている。このダイオードの半導体層１には帯状の SiO₂層領域１′が連結している。この領域は組み込まれた導波体の機能を果たす 。この導波体には、外部ガラス繊維の特に可視光が結合している。このガラス繊 維にはMSMダイオードが更に導入され、そこで電気信号に変換される。その外、 上部接点を、場合によっては、透光性に形成することもできる。 第７〜１０図に示す部品を変更したものでは、導波体を形成するためのSiO₂の 領域を酸化させず、こうしてシリコンの導波体を形成し、この導波体がMSMダイ オードの半導体シリコン層との切れない接続部を与える。MSMダイオードを伴う 導波体を含むこのような部品は、光通信にとって重要な1.54μmの波長でより意 義がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブッシャル・クリストフ ドイツ連邦共和国、デー−52428 ユーリ ッヒ、ランケンストラーセ、29 (72)発明者 ロスコス・ハルトムート ドイツ連邦共和国、デー−52076 アーヒ ェン、イー−ローテ−ハーク−ヴェーク、 54アー (72)発明者 ヘルマンス・イェンス・ペーター ドイツ連邦共和国、デー−14055 ベルリ ン、ライヒスシュポルトフェルトストラー セ、16 (72)発明者 シュタイン・フォン・カミーンスキィ・エ ラルト ドイツ連邦共和国、デー−52070 アーヒ ェン、オーベルストラーセ、25 (72)発明者 ラーデルマッヒャー・クラウス ドイツ連邦共和国、デー−53925 カール −ベネンヘルク、アン・デン・テーレン、 ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体層（１）とこの半導体層に面状に接続する金属性の導電層（２，３） とを有するダイオードにおいて、 一方の導電層（２）が半導体層（１）の一方の接触面（６）に、また他方の 導電層（３）が他方の接触面（５）に電気接続していることを特徴とするダイオ ード。 ２．一方の金属性の導電層（２）は透光性に形成され、他方の金属性の導電層（ ３）は基板（４）に接続していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のダ イオード。 ３．透光性の層（２）は、半導体層（１）の材料と共にできる限り高いショット キーバリヤーを形成するようなものであることを特徴とする請求の範囲第１項ま たは第２項に記載のダイオード。 ４．他方の金属性の層（３）の材料は CoSi₂であることを特徴とする請求の範囲 第１項または第２項または第３項に記載のダイオード。 ５．前記請求の範囲第１，２，３，４項の何れか１項によるダイオードを備えた 部品において、半導体層（１）には導波体機能を有する層（１′）が結合してい ることを特徴とする部品。 ６．導波体機能を有する層（１′）の材料として半導体層（１）の材料が使用さ れることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の部品。 ７．導波体機能を有する層（１′）の材料としてシリコンあるいは SiO₂が使用 されることを特徴とする請求の範囲第５項または第６項に記載の部品。