JPS62128183A - 歪導入領域をもつデバイス - 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】 本発明は一般に歪導入領域を有する光検出器のような半
導体デバイスの分野に係る。

現在、１．０μｍより長い波長をもつ放射を検出するの
に有用な光検出器を製作するのに、多くの関心がもたれ
ている。そのような光検出器はたとえば１．３ないし１
．６μｍの波長領域で動作する光通信システムに有用で
あろう。

その領域は石英を基体とした光ファイバの損失を最小に
し、分散を最小にする波長を含む領域である。

なだれ光検出器はそれらが検出器内で利得を生じるため
、多くの目的に望ましい。各種の半導体材料がそのよう
な光検出器に用いられてきたが、それは低雑音というよ
うな望ましい特性をもつ必要がある。シリコンはイオン
化係数の比が大きいため、雑音特性に関してはほとんど
理想的な半導体である。しかし、その禁制帯が大きすぎ
るため、１．０μｍより長い波長には使用できない。イ
オン化係数比が太さいと、過剰雑音係数は低くなる。ゲ
ルマニウムは１．６μｍもの長い波長の放射を吸収する
ことを可能にする。しかし、そのイオン化係数比がほぼ
１で、過剰雑音係数が大きくなるため、それは理想的な
なだれ光検出器材料ではない。恐らくもつと重要なこと
は、それが比較的小さな禁制帯を有し、室温で大大きな
暗電流があることである。

もちろん、ゲルマニウムとシリコンの両方に明らかに本
質的な問題は、ゲルマニウム領域で放射を吸収し、シリ
コン領域中で起る光励起キャリヤにより、なだれプロセ
スを開始させることにより、切りぬけられると考えるか
もしれない。別々の吸収及び増倍領域を用いる方式は、
提案されている。たとえば、米国特許第４．２１２．０
１９号（１９８２年７月８日、ワタゼ（Ｗａｔａｚｅ　
）らに承認されたもので、特にその第１及び第３例）を
参照されたい。

これらの例はシリコン増倍領域と、Ｇｅ及びＧｅｘ　Ｓ
ｉ　１−Ｘ谷吸収領域について述べている。

しかし、この方式に問題がないわけではない。

たとえば周知のように、シリコンとゲルマニウムの間に
は、比較的大きな格子不整がある。

従って、シリコン基板又はエピタキシャル層上に、単に
ゲルマニウムを成長させたのでは、ゲルマニウム層が比
較的薄い場合にのみ、高品質すなわち欠陥のないゲルマ
ニウム層が成長する。このことはゲルマニウム層を１．
０　ｎｍ厚より薄くしなければならないから、実際には
不可能である。ゲルマニウム−シリコン合金及び元素ゲ
ルマニウムは間接禁制帯材料で、光通信で関心がもたれ
ている波長領域中で比較的低い吸収係数をもつため、な
だれ光検出器としてはこれは望ましくない。従って、高
い量子効率すなわち高い吸収をもつ光検出器は、比較的
長い光路長を必要とし、それをＧｅ及びＳｉを用いた通
常の光検出器の設計で実現することは、不可能ではない
としても困難である。そのような設計において、光励起
キャリヤは光伝搬の方向と本質的に平行又は反平行に移
動する 少量のＧｅ　　のみを有する合金層を成長させれば、不
整により生じる問題は軽減されるかもしれないが、長波
長での吸収を可能にはしない、。この問題はゲルマニウ
ムの割合が増すとともに禁制帯が減少するため、入射放
射の波長が長くなるとともに大きくなる。１．５５μｍ
付近での光通信の用途を考えると、それは特に厳しい。

ゲルマニウムシリコン合金が１．５５μｍで吸収できる
よう禁制帯を十分小さくするには、合金層中のゲルマニ
ウムの割合は、非常に大きくなければならない。しかし
、高転位密度を発生せずかなりの厚さとゲルマニウム比
率の大きなこれらの合金層を成長させることは困難であ
る。従って、層の薄さのため、１．５５μｍでの吸収は
好ましくないほど低くなるであろう。本質的に同じ考え
が、１．３μｍでの吸収についてもあてはまる。

圧力を含むいくつかの効果が禁制帯を変えられることは
、以＃から知られているが、圧力の実現できる変化から
生じる効果は、デバイス設計で考えるパラメータに関し
て、意味のある量だけ禁制帯を変えるには小さすぎると
当業者には一般に信じられてきた。たとえば、ゲルマニ
ウムシリコン合金の禁制帯を１．５５μｍでの光検出器
で用いるのに有用なものにするのに十分なまで変えるに
は、そｎは小さすぎると信じられていた。もちろん、他
の型のデバイスでも、歪で導入される禁制帯変化の効果
は、有用な効果を発生させるには小さすぎることも、一
般に信じられていた。

たとえば、発光デバイスはバルク材料の特性から期待さ
れる以外の波長で発光することはあるかもしれないが、
予想されるシフトは小さいであろう。

歪層は多くのデバイス用途に望ましい禁制帯の減少を起
すことができることを見出した。

具体的な一実施例において、デバイスはＧｅｘ＆１−ｘ
及びＧｅｙ、Ｓ’ｊｔ−７の父互になった層を含み、こ
のことは歪層領域を表わし、ｘ／′ｉｙ及び０．０より
大きり、１．０より小さいか等しく、ｙは０．０より大
きいか等しく、１．０より小さいことを表わす。また、
少くとも１つのクラッド層が含まれる。２つの囲むクラ
ッド層をもつデバイスは、たとえば有用な特性をもつ光
検出器を作る。クラッド層は典型的な場合、シリコンか
ら成る。

歪層領域及び２つの囲んだシリコン層は、有用な特性を
もつ光検出器を作る。特に、歪層領域内の歪の効果の大
きさは十分大きく、歪層領域の禁制帯は光通信で関心の
もたれてｂる波長、たと−えば１．３μｍ及びそれ以上
でχの与えられた値に対して期待されるより、著しく減
少し、吸収ははるかに大きい。好ましい一実施例におい
て、Ｘは一定でｙはゼロに等しく、従って超格子が形成
される。光検出器は導波路光検出器で、その場合光は歪
層領域の層に平行に入射し、Ｇｅｘ　Ｓｉ！−ｘ　／　
Ｓｉ歪ノー領域は吸収領域として働く。別の実施例にお
いて、なだれ領域として働く直性、伝導形をもつシリコ
ン層が、歪層吸収領域とクラッド層間につけ加えられる
。従って、吸収はＧｅｘＳｉ　１−　ｘ層中で起るが、
なだれ光検出器はシリコンなだれ光検出器とほぼ同じ雑
音特性をもつことが期待される。

歪層領域はそれと基板の間に少くとも１つのエピタキシ
ャル層を伴って、典型的な場合、シリコン基板上に成長
させる。

本発明に従う歪層デバイスの実施例が、第１図に描かれ
ている。描かれている具体的なデバイスはｐ−１−ｎフ
ォトダイオードで、それは基板１、第１の伝導形をもつ
第１のシリコンクラッド層３、Ｇｅｘｓ＝１−χ／＆超
格子領域５及び第２の伝導形を有する第２のシリコンク
ラッド層γを含む。第２の層及び基板は、それぞれ金属
部９及び１１により、電気的接触が作られている。基板
もまた第１の伝導形をもつ。基板及び第１のシリコン層
間に、バッファ層をつけ加えてもよい。基板及びバッフ
ァ層は同じ組成と伝導形をもつ。超格子領域ば５１．５
３．５５及び５γと印されたＳｉ及びＧｅｘＳｉｌ−Ｘ
の交互になった、すなわち交互にはさまれた層から成る
。もつと多くの層が典型的な場合存在するであろうが、
明瞭にするため示されていない。その領域は全厚ｈＳＬ
をもつ。各周期は厚さＴをもち、ＧｅｘＳｉ　１−　ｘ
層は厚さｈをもつ。不整合否が転位によって解放される
ように、層は釣合いのとれたエピタキシーの領域で成長
させる必要がある。

通常の成長技術を、超格子領域を含むデバイス裏作に用
いてもよい。シリコン層とともに、超格子領域を成長さ
せるために分子線エピタキシーを用いると便利である。

基板温度、層厚等の選択を含む成長技術の詳細は、たと
えば（１９８５年７月１６日、ジョーン・シー・ビーン
（Ｊｏｈｎ　Ｃ，Ｂｅａｎ　）、レオナルト・シー・フ
ェルトマン（Ｌｅｏｎａｒｄ　Ｃ，Ｆｅｌｄｍａｎ　）
及びアントニー・ティー・フイオリ（ＡｎｔｈｏｎｙＴ
、Ｆｉｏｒｙ）に承認された）米国特許第４、５２９．
４５５号に述べられている。たとえばプラズマエツチン
グ酸化、酸化物堆積、イオン注入及び金属部形成を含む
がこれらに限られない製作中用いられる他の技術は、典
型的な場合標準的な大規模集積回路プロセス技術である
。従って、それらは肖菓者には周知であるから、更に詳
細に述べる必要はない。

歪ノー領域は、異なる組成及び格子定数の交互になった
層から成る。たとえば、それはＧｅｘＳｔｌ−ｘ及びＧ
ｅｙＳ４１−ｙの互にはさまれた層から成ってもよい。

その場合、Ｘはｙより大きく１．０より小さいか等しく
、ｙｒ／′ｉｏ、ｏより大きく１．０より小さい。Ｘ及
びｙの値は歪層領域内で一定である必要はない。歪層領
域内でのＸ及びｙの変化は、導波の働きを増すことにな
る。超格子という用語は、歪領域内でＸ及びｙが一定で
あるＧｅｘＳｉｌ−ｘ及びＧｅｙＳｉ　１−　ｙの交互
にはさまれた層の歪層領域を意味するために用いられる
。

歪による禁制帯の変化により、禁制帯を決るＸ及びｙを
選択することは、バルク材料の禁制帯から予測されるの
とは異なるであろう。

このこと全第２図を参照しながら説明する。

第２図は歪をもつＧｅｘ　＆４１−ｘ　Ｓｔ超格子及び
歪をもたない超格子の両方について、水平軸にＧｅ　　
の割合をプロットし、垂直軸にｅＶ単位Ｃ禁禁制をプロ
ットした図である。図かられかるように、もし材料が歪
まないならば、１．３５μｍで吸収する光検出器には、
ｘ層０．８を選ぶでろろう。しかし、歪によって導入さ
れる禁制帯の変化のため、わずか約０．３の値で同じ効
果が得られる。しかし、吸収係数は急速に禁制帯以上で
増すから、可能な限り上で動作させるのが、検出器効率
に有利である。

ｘ　＝　０．３の場合、１．３μｍで感度の余裕が生じ
る。同様の考えば、他の材料及び波長に対してもあては
まる。

基板は（１ＯＵ）の方位をもつ。同様の効果は（１１０
）方位でも期待されるが、（１１１）基板はせいぜいわ
ずかな効果しか生じないはずである。伝導帯極小値の方
向に対する歪の方向は、重要でるる。

超格子すなわち歪層領域はＳｉ及び合金層間の格子不全
のため、歪を含む。吸収超格子領域の厚さは、成長プロ
セス甲虫じる浴子不整による余分の欠陥たとえば不整転
位を導入することなしに、垂直方向に延すことができる
。

光は光検出器に垂直に入射しても、水平に入射してもよ
い。後者の場合、Ｇｅｘ、！７ｊｌ−ｘ合金層はＳｃ層
より大きな屈折率をもつため、歪層超格子は導波路とし
て働く。吸収領域は垂直照射の場合より大きいため、後
者の方が望ましい。もちろん、光は回折格子又はプリズ
ムにより、導波路中に結合してもよい。

本発明に従うなだれ光検出器の別の実施例が、第３図に
描かれている。第１図中で使われているのと同一の数字
は、同一の要素を表わす。デバイスは更ｌこ、第１の伝
導形と厚さΔを有する第３のシリコン層１３及び眞性伝
導形と厚ｊｄを有する第４のシリコン層１５を含む。第
３の層は比較的薄く一般に１０−４ｃｍであり、逆バイ
アスの印加により動作中空乏化する。デバイスは高−低
電界構造をもつ必要がある。すなわち、吸収及び増倍領
域はそれぞれ低及び高電界を有する。適当なドーピング
レベルの計算は、当業者には容易に行えるであろう。第
３の層は超格子領域に隣接する。

なだれ増倍プロセスから生じる過剰雑音を減すため、デ
バイス設計ではいくつかの要因を考える必要がある。描
かれた実施例の場合、電子がなだれを開始する必要があ
る。なだれ領域中の電界は＠値付近にすべきで、なだれ
領域はイオン化係数の逆数よりはるかに厚くすべきであ
る。加えて、超格子領域中の電界はゲルマニウムのイオ
ン化閾値を越えてはならない。得られる電界が第４図に
描かれている。電界が垂直にプロットされ、デバイス領
域が水平に示されている。別の実施例において、ｐ−ｎ
接合は歪層領域の下ではなく、上にある。この実施例は
よりよい導波路特性をもつ可能性がめる。

キャリヤは超格子領域中で吸収され、なだれプロセスは
眞性伝導形シリコン層中で起る。

５０もの大きな増倍係数が、８５ボルトの降伏電圧の場
合に得られた。

１．３μｍ領域での吸収の場合、超格子領域中の合金層
は約０．４ないし約０．６の範囲にすべきＧｅ　　の割
合をもつ必要がある。Ｘが増すにつれ、量子効果もエネ
ルギーレベルの移動を起させることが、当業者には容易
に認識されよう。しかし、そのような層の厚さは、約１
０、’Ｏｎｍ　　より小さく限られる。Ｘのより高い値
とより小さな層厚で、量子井戸による移動は短波長側に
なる。従って、χを０．６より上に増すことは利益にな
らない。なぜならば、量子効果が支配的となり、１．３
μｍの応答能力は減少するからである。従って、入射光
の十分大きな吸収が確実になるように、入射光はＧｅｘ
　ＳＬｌ　−ｘ　ｓｔ超格子によ膜形成される埋込み導
波路中に入れるのが便利である。先に述べたように、超
格子はＳＬ層中より合金層中で大きな屈折率をもつため
、これは可能でるる。

更に別の実施例が第５図に描かれている。

この実施例は更に、超格子領域５に隣接した第１の伝導
形を有する第３のシリコン層２１を含む。また゛、不活
性化層２３がある。たとえば、不活性化層は５ｔ０２が
ら成ってもよく、金属部すなわち電極はアルミニウムか
ら成ってよい。ｐ−ｎ接合は成長中エピタキシャル層を
ドーピングすることにより形成してもよく、あるいは成
長後たとえばイオン注入を用いて形成してもよいことは
、容易に認識されよう。

描かれた実施例の場合、それぞれが４．Ｏｎｍの厚ざの
Ｇａ　６．６　Ｓｉ６．４の２０個の井戸があシ、それ
ば超格子中の２　ＯｎＨの厚さの＆障壁層により、分離
されてｂた。Ｇｅ　　の割合が０．８に増した時、井戸
の厚さ／／ｉ２．　Ｏｎｍ　より／Ｊ１さく減少させな
ければならなかった。約６５００μｍの導波路厚さが得
られた。アンドープ超格子領域は約５　Ｘ　１０１６ｃ
ｍ−”　の濃度にホウ素をドープした１μｍ厚のｐ形Ｓ
ｉ層でキャップし、約１０１７ｍ→の濃度にドープされ
た薄いｐ＋電極層でキャップした。ｐ−１−ｎフォトダ
イオードの電気的特性は優れていた。超格子中のＧｅ　
　の割合によらず、逆方向降伏電圧は３０から３８ボル
トに変化した。降伏電圧の範囲はシリコンのドーピング
レベルと一致し、３層内のｐ−ｎ接合を暗示した。漏れ
電流はＧｅ　　の割合とともに、ゆっくり増すことに気
がついた。

デバイスは約１．５５μｍもの長い波長で吸収すること
に気がつく。これはＧｅｘＳｔＩ−ｘ合金の予想される
禁制帯を考えると、鴬＜べき結果である。それは超格子
中の歪の大きさが大きく、禁制帯を著しく減少させると
いう事実による。従って、超格子に選択されたＸの値は
、与えられた波長で吸収を得るために期待する値から減
される。

なお他の実施例が考えられる。たとえば、歪層超格子の
上には成性伝導形のＧｅ　　と高濃度ドープＧｅ　　層
があってもよい。これらの層は超格子とともに、吸収領
域を形成する。やはりキャリヤは真性伝導形＆領域中で
、なだれを起す。加えて、光検出器以外のデバイスも有
用に製作できることが、容易Ｖ？−認識されよう。たと
えば、デバイスは相対する伝導形を有する２つのクラッ
ド層を伴う光エミッタとして使ってもよい。歪は放出さ
れる放射の波長を、バルク特性から予測される波長から
移動させる。より一般的には、輸送特性が歪により修正
される　ＭＯＤＦＥＴのようなデバイスが考えられる。

また、異なる系制帯をもち、少くともその１つが歪によ
り修正されるペテロ接合デバイスも考えられる。Ｘの値
は変調トープトランジスタ及びペテロ接合バイポーラト
ランジスタのような非光学へテロ接合デバイスでは減少
させることが、当業者には容易に認識されよう。更に、
１．３μｍ及びシリコンエネルギー帯端間の波長で光検
出器として用いることも考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う光検出器を示す図；第２図は水平
にプロットされたＧｅ　　の割合に対し、垂直にプロッ
トされたＧｅ　ｘ　Ｓｉ　１−ｘ　／Ｓｉ超格子中のゲ
ルマニウムシリコン合金のエネルギー帯を示す図； 第３図は本発明に従うなだれ光検出器の概略図； 第４図は第３図に描かれたなだれ光検出器の電界構造を
ダイヤグラムで示す図： 第５図は本発明に従う別のなだれ光検出器を概略で示す
図である。 なお、簡明を期すため、デバイスの要素は正しいスケー
ルで描かれてはいない。 Ｆｌσ、ｌ ｈ、Ｉ ＦＩ６．２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板、及びその上に配置された第１のクラッド層と
   、それぞれＧｅ＿ｘＳｉ＿１＿−＿ｘ及びＧｅ＿ｙＳｉ
   ＿１＿−＿ｙから成る第１及び第２の組成で、異なる格
   子定数と格子不整をもち、ｘがｙ及 び０．０より大きく１．０より小さいか等しく、ｙが０
   ．０より大きいか等しく１．０より小さい、交互になつ
   た相互にはさまれた領域と を含む、歪導入領域を有するデバイスにお いて、 前記不整は歪により適応され、歪は禁制 帯をバルク組成のそれから変化させ、ｘ及 びｙの前記値は所望の禁制帯を生じるよう 選択されることを特徴とするデバイス。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 第２のクラッド層が前記相互にはさまれ た領域の前記第１のクラッド層の側とは相 対する側の上にあることを特徴とするデバ イス。 ３、特許請求の範囲第２項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記第１及び第２のクラッド層は相対す る伝導形を有することを特徴とするデバイ ス。 ４、特許請求の範囲第３項に記載されたデバイスにおい
   て、 ｘ及びｙは前記歪層領域中で本質的に一 定であることを特徴とするデバイス。 ５、特許請求の範囲第４項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記第１及び第２のクラッド層はシリコ ンから成ることを特徴とするデバイス。 ６、特許請求の範囲第５項に記載されたデバイスにおい
   て、 眞性伝導形を有するシリコンの第３の層 が、前記第２の層と前記相互にはさまれた 領域の間にあることを特徴とするデバイス。 ７、特許請求の範囲第６項に記載されたデバイスにおい
   て、 第１の伝導形を有するシリコンの第４の 層が、前記第３の層と前記相互にはさまれ た領域の間にあることを特徴とするデバイ ス。 ８、特許請求の範囲第７項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記第１の伝導形はｎ形であることを特 徴とするデバイス。 ９、特許請求の範囲第５項に記載されたデバイスにおい
   て、 ｘは約０．４ないし約０．６の間であることを特徴とす
   るデバイス。 １０、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにお
   いて、 前記基板はＳｉから成り、（１００）及び （１１０）から選択された方位をもつこと を特徴とするデバイス。