JPWO2013111173A1 - 半導体受光素子および光受信器 - Google Patents

Abstract

絶縁膜上に異なる半導体材料で並んでいる第1アンドープ半導体領域及び第２アンドープ半導体領域とで光吸収層と増倍層とが構成されたＡＰＤを採用することにより、光吸収層と増倍層（例えば、シリコンとゲルマニウム）の界面の結晶性が良好になり、結晶欠陥に起因した暗電流が低減できる。それにより、アバランシェフォトダイオードの受光感度を向上させることができる。また、受光層と増倍層のドーピング濃度を低くできるので、ダイオードの接合容量が低減可能になり、高速動作が可能になる。

Description

本発明は、半導体受光素子および光受信器の特性改善に関する。

従来の半導体受光素子の一つに、ゲルマニウムを受光層として用いたアバランシェフォトダイオードがある。
従来のアバランシェフォトダイオードは、例えば非特許文献１に記載されている。非特許文献１のシリコン基板上に、電極となるシリコン層、キャリアの増倍層となるアンドープシリコン層を純に形成した後、光吸収層となるアンドープ単結晶ゲルマニウム層を設け、さらに、電極となるｐ型ゲルマニウム層を形成する。光吸収層となるアンドープ単結晶ゲルマニウム層で光が吸収されると、光のエネルギーによって電子とホールが発生し、電子は増倍層に、ホールはｐ型電極に移動する。そして、増倍層であるアンドープシリコン層に電子が到達すると、印加電圧によって電子が加速され、増倍層内で散乱される際にキャリアを次々と発生させることで、高感度の半導体受光素子を実現することができる。

Johnsi E. Bowers, Daoxin Dai, Yimin Kang, Mike Morse, "High-gain high-sensitivity resonant Ge/Si APD photodetectors", Proceeding of SPIE, Vol. 7660, p.76603H-1-8.

従来のアバランシェフォトダイオードの断面構造を図１１に示す。

シリコン基板１０１の表面に高濃度ｎ型シリコン層１０２、アンドープシリコン層１０３、ｐ型シリコン層１０４、アンドープゲルマニウム層１０５、高濃度ｎ型ゲルマニウム層１０６を順次積層形成する。次に、デバイス領域以外の部分をエッチング除去した後に全体を絶縁膜１０７で覆い、電極となるコンタクトホールを形成して、高濃度ｎ型シリコン層１０２と高濃度ｐ型ゲルマニウム層１０６と接するように電極１０８、１０９をそれぞれ形成する。

シリコン層とアンドープゲルマニウム層の積層構造をエピタキシャル成長によって順次積層形成する際に、シリコンの格子定数とゲルマニウムの格子定数との格子不整合により大きな歪が発生し、その結果、ゲルマニウムのシリコンとの界面付近に転移が発生する場合がある。そのため、アンドープゲルマニウム層１０５は、ｐ型シリコン層１０４との界面付近に結晶欠陥が多く発生する。その結果、アンドープゲルマニウム層１０５で光を吸収して発生したキャリアがｐ型シリコン層１０４に到達する前に再結合してしまい、暗電流が大幅に増大することから、アバランシェフォトダイオードの受光感度が低下する。

この結晶欠陥を低減する方法として、アンドープゲルマニウム層１０５を形成した後に、高温での熱処理を行う方法がある。しかし、この方法では熱処理によって、高濃度ｎ型シリコン層１０２およびｐ型シリコン層１０４に含まれるドーパントが拡散し、アンドープシリコン層１０３およびアンドープゲルマニウム層１０５がドーピングされ、ドーパント濃度が上昇する。ドーピング濃度の上昇は接合容量の増加を招き、デバイス動作特性（高速応答性）を悪化させることになる。

本発明の目的は、半導体受光素子および光受信器の受光感度および応答性を改善することにある。

本願は上記目的が達成できる手段を複数備えているが、そのうちの代表的なもの以下の手段がある。

基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に設けられた第1アンドープ半導体領域及び第２アンドープ半導体領域と、前記第１アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｎ型電極と、前記第２アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｐ型電極とを備え、前記第１アンドープ半導体領域と前記第１アンドープ半導体領域とを異なる半導体材料で構成し、基板面内方向に並べるようにしたものがある。

本発明によれば、半導体受光素子およびそれを用いた光受信器の受光感度および応答性を改善することができる。

実施例１に係るアバランシェフォトダイオードの断面図である。 実施例１に係るアバランシェフォトダイオードの製造工程図である。 実施例１に係るアバランシェフォトダイオードの製造工程図である。 実施例１に係るアバランシェフォトダイオードを表面側から見た鳥瞰図である。 実施例２に係るアバランシェフォトダイオードの断面図である。 実施例２に係るアバランシェフォトダイオードの製造工程図である。 実施例３に係る面入射型アバランシェフォトダイオードアレイの表面からの鳥瞰図である。 実施例４に係るアバランシェフォトダイオードの断面図である。 実施例５に係る光送受信器の鳥瞰図である。 実施例６に係る光送受信器の鳥瞰図である。 従来のアバランシェフォトダイオードの断面図である。

以下、半導体受光素子として、アバランシェフォトダイオードを用いた実施例を説明する。

図１、図２（ａ）〜図２（ｃ）、図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４を用いて実施例１を説明する。図１は、実施例１に係るアバランシェフォトダイオードの断面図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、実施例１のアバランシェフォトダイオードの製造工程図である。図４は、実施例１に係るアバランシェフォトダイオードを表面側から見た鳥瞰図である。

半導体基板としてシリコン基板１の表面側に絶縁膜２とアンドープ単結晶シリコン層３の積層構造が形成されたＳＯＩ基板を用いる。アンドープ単結晶シリコン層３の膜厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下とした。下限値１０ｎｍは増倍層として実用上機能させる程度の抵抗にすることから設定し、上限値１μｍは実用的な容量とする範囲として設定した。アンドープ単結晶シリコン層３上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜４、シリコン窒化膜からなる絶縁膜５、シリコン酸化膜からなる絶縁膜６を形成し、その後にアバランシェフォトダイオードの光吸収領域となる領域に絶縁膜の開口部を設ける（図２（ａ））。

次に、絶縁膜の開口部で露出しているアンドープ単結晶シリコン層３の酸化を行う（図２（ｂ））。この酸化工程は、後に受光部となる領域に残ったシリコンを全て酸化するために、この領域３ｂだけあらかじめ単結晶シリコン層３を薄くしておくことで制御性を高めるものである。なお、半導体受光素子では原理的には酸化を行わずに単結晶シリコン層３のままで次の工程を行うことも可能である。なお、単結晶シリコン層３を薄くする部分３ｂを薄くし過ぎると元のアンドープ単結晶シリコン層３の膜厚ばらつきの影響でアンドープ単結晶シリコン３が全て酸化されてしまう部分が生じる可能性がある。そこで、アンドープ単結晶シリコン層３ｂの膜厚は少なくとも５ｎｍ以上とする。

次に、シリコン酸化膜７をエッチング除去してアンドープ単結晶シリコン層３ｂを露出させた後、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８を形成する（図２（ｃ））。例えば、酸化膜をフッ酸水溶液によって除去した場合、その直後に純水で洗浄することにより、シリコン基板表面は水素原子で覆われた状態となる。この状態では、基板の最表面に存在するシリコン原子は水素と結合しているため、基板洗浄を行ってから成長を開始するまでの間に表面に自然酸化膜が形成されにくくなる。この洗浄による基板表面の水素終端処理に加え、さらに表面に自然酸化膜が形成されるのを防ぎ、基板の洗浄を行った後基板表面に汚染物が付着するのを防ぐため、基板を清浄な窒素中にて搬送する。以下の実施例に関しても、エピタキシャル成長前に行う基板の洗浄と搬送方法に関しては同様である。

次いで、洗浄を行った基板をエピタキシャル装置のロードロック室内に設置し、ロードロック室の真空排気を開始する。ロードロック室の真空排気が完了した後、基板を、搬送室を経由して成長室に搬送する。基板表面に汚染物が付着するのを防ぐため、搬送室及び成長室は清浄なＮ２やＨ２などを流しておくか、高真空状態もしくは超高真空状態であることが望ましく、真空状態にする場合は、例えば圧力が１×１０^−５Ｐａ程度以下であると好適である。また、成長室内で形成した単結晶層中に酸素や炭素が取り込まれることによる結晶欠陥の発生を防ぐため、搬送室や成長室に酸素や水分、または有機系の汚染物を含んだガスの混入を防ぐ必要がある。このことから、シリコン基板１の搬送は常に清浄なＮ２を供給している状態で行うか、真空で搬送を行う場合はロードロック室の圧力が１×１０^−５Ｐａ程度以下になってから行うことが望ましい。アンドープ単結晶シリコン層３表面を水素終端処理しても、搬送中における表面の酸化膜形成や汚染物の付着を完全に防ぐことはできないため、エピタキシャル成長前に表面のクリーニングを行う。クリーニング方法としては、例えば真空中でシリコン基板１を加熱することによってシリコン表面の自然酸化膜を式(１)の反応によって除去することが可能となる。

Ｓｉ＋ＳｉＯ_２→２ＳｉＯ↑…（１）
または、成長室内に清浄な水素を供給した状態で基板を加熱することによっても基板表面のクリーニングを行うことが可能である。前に述べた真空中での加熱によるクリーニングでは、基板温度が５００℃程度以上になると基板表面を終端していた水素は脱離し、基板表面のむき出しになったシリコン原子と成長室内の雰囲気中に含まれる水分や酸素が反応し、基板表面が再酸化されてしまう。そして、この酸化膜が再び還元されることにより、クリーニングと共に基板表面の凹凸が増大し、その後行うエピタキシャル成長の均一性や結晶性を悪化させるという問題がある。また、同時に成長室内の雰囲気中に含まれる炭酸ガスや有機系のガスが表面に付着することから、炭素汚染によるエピタキシャル成長層の結晶性の悪化も発生する。一方、水素を基板表面に供給した状態でシリコン基板を加熱した場合、５００℃以上の温度で水素が基板表面から脱離してしまっても、常に清浄な水素ガスが供給されているため、基板表面のシリコンと水素が結合と脱離を繰り返す。その結果、表面のシリコンは再酸化されにくくなり、クリーニング中に表面の凹凸が発生することもなく、清浄な表面状態を得ることが可能となる。

水素雰囲気中でクリーニングを行うため、まず始めに成長室に水素ガスを供給する。このとき、水素ガスを供給する前に基板表面から水素が脱離するのを防ぐため、基板温度を水素の脱離する５００℃より低くすれば好適である。また、水素ガスの流量は制御性良くガスが供給できるように１０ｍｌ／ｍｉｎ以上とし、排気されたガスを安全に処理するためには１００ l／ｍｉｎ以下とすれば好適である。このとき、成長室内の水素ガスの分圧の下限は、基板表面に均一にガスが供給されるように１０Ｐａとし、上限は装置の安全性を保つために大気圧とすればよい。水素ガスが供給された後、基板をクリーニング温度まで加熱する。このときの加熱方法としては、加熱に際しての基板への汚染や基板内での極端な温度の違いなどがなければ、どのような機構や構造でも良い。例えばワークコイルに高周波を印加して加熱する誘導加熱や、抵抗ヒータによる加熱などが適用できるほか、特に短時間での温度制御が可能な方法として、ランプからの輻射を利用した加熱方法を用いることができる。この加熱方法はクリーニングに限らず、後述する単結晶の成長に際しての加熱に関しても同様である。

クリーニング温度まで基板を加熱した後、所定の時間基板を加熱することにより表面の自然酸化膜や汚染物が除去できる。例えば、クリーニング温度は、クリーニングの効果が得られる温度として６００℃以上であれば良いが、エピタキシャル成長の前に形成されている表面構造へ与える影響を低減するには９００℃以下にする必要がある。また、基板表面の自然酸化膜や汚染物質の除去効率はクリーニング温度によって変化し、温度が高いほど短時間で効果が得られる。クリーニング温度が７００℃の場合、クリーニングの効果が小さいため、クリーニング時間を３０分とする必要があるのに対し、クリーニング時間を９００℃とした場合、クリーニング時間は２分以上であればよい。表面構造への影響として、例えば、基板中のドーパントの拡散による特性変動を考えると、ドーパントの拡散を抑えるためには、クリーニング温度を約８００℃以下とすることが望ましく、この時のクリーニング時間は１０分程度でよい。

また、クリーニング温度の低温化を可能とする方法として、原子状水素を用いたクリーニングを行うこともできる。この方法では、基板表面に活性な水素原子を照射することにより、基板温度を上げなくても酸素の還元反応を生じさせることが可能となり、室温においてもクリーニング効果は得られる。原子状水素の発生方法としては、高温に加熱したタングステンなどのフィラメントに水素ガスを照射することにより熱的に水素分子を解離させる方法や、水素ガス中でプラズマを発生させて電気的に水素分子を解離させる方法や、紫外線などの照射による原子状水素の発生などが可能である。但しこの場合、フィラメントやプラズマを発生する電極周辺からの金属汚染の発生や、プラズマによる石英部品などからの汚染物の発生などに十分注意をする必要がある。各方法とも、水素原子を大量に発生させるのは非常に困難であるため、水素ガスの中で、ある割合の分子を原子状態に解離させて基板表面に照射することにより、低温化が可能となる。例えば、クリーニング時間を１０分以内とするためには、クリーニング温度を６５０℃とすればよい。

更に、加熱を必要としない化学反応によって表面の自然酸化膜を除去することもできる。たとえばＨＦガスを供給することにより、酸化膜がエッチング反応によって除去されるため、室温で表面のクリーニングが可能となる。

以上、エピタキシャル成長前のクリーニングについて説明を行ったが、クリーニング方法に関しては他の実施例に関しても同様である。

クリーニングが終了した後、エピタキシャル成長を行う温度まで基板温度を下げ、エピタキシャル成長を行う温度で基板温度を安定させる時間を設ける。温度の安定化を行うステップでは、クリーニング後のシリコン基板表面を清浄な状態に保つために水素ガスを供給し続けることが望ましいが、水素ガスは基板表面を冷却する効果を持っているため、加熱条件が同じであればガスの流量に応じて基板表面温度が変化してしまう。従って、エピタキシャル成長で用いるガスの総流量と大きく異なる流量の水素ガスを供給した状態で温度が安定していても、エピタキシャル成長を開始した時点でガスの流量が変わることにより基板温度が大きく変動してしまう。この現象を防ぐため、基板温度の安定化を行うステップにおいては、その水素流量をエピタキシャル成長で用いるガスの総流量とほぼ同じ値を用いることが望ましい。また、必ずしも基板温度がエピタキシャル成長温度まで下がってから温度安定化を行うステップを設ける必要はなく、基板温度を下げながら水素ガスの流量を調整し、基板温度がエピタキシャル成長温度になった時点で水素ガスの流量が成長ガスの流量と等しくなっていれば好適であり、この場合、基板温度を下げたと同時にエピタキシャル成長を開始できるため、スループットを大幅に向上することができる。

次いで、エピタキシャル層の原料ガスを供給することによって単結晶シリコン・ゲルマニウム層８のエピタキシャル成長を開始する。ここで使用する原料ガスとしてはシリコンやゲルマニウムと水素、塩素、フッ素などからなる化合物を用いることができる。例えば、シリコンの原料としては、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、三塩化シリコン（ＳｉＨＣｌ_３）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ_４）などが挙げられる。また、ゲルマニウムの原料としては、例えば、モノゲルマン（ＧｅＨ_４）やジゲルマン（Ｇｅ_２Ｈ_６）、四塩化ゲルマン（ＧｅＣｌ_４）などが挙げられる。

ここで、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８はアンドープ単結晶シリコン層３ｂ上だけでなく絶縁膜５上にも堆積した場合、次の酸化工程で絶縁膜５上に堆積した部分を全て酸化する必要がある。しかし、その際、全て酸化段階でガスやパーティクルが発生する可能性がある。従って、絶縁膜４の側壁や、絶縁膜５上にはアンドープシリコン・ゲルマニウムを堆積させず、アンドープ単結晶シリコン層３ｂ上のみに選択的にエピタキシャル成長すれば好適である。シリコン酸化膜上では、シリコンの原料ガスと表面分子が反応して以下のような反応が生じる。例えば、シリコンの原料ガスとしてジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を用いたとき、
Ｓｉ_２Ｈ_６ ＋ ２ＳｉＯ_２ → ４ＳｉＯ↑ ＋ ３Ｈ_２↑ …（２）
また、シリコンの原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）を用いたとき、
ＳｉＨ_４ ＋ ＳｉＯ_２ → ２ＳｉＯ↑ ＋ ２Ｈ_２↑ …（３）
さらに、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を原料ガスとして用いたとき、
ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ ＋ ＳｉＯ_２ → ２ＳｉＯ↑ ＋ ２ＨＣｌ↑ …（４）
といった還元反応が生じる。

また、ゲルマニウムの原料ガスであるゲルマン（ＧｅＨ_４）についても同様である。ゲルマニウムに関しての還元反応は、
ＧｅＨ_４ ＋ ＳｉＯ_２ → ＳｉＯ↑ ＋ ＧｅＯ↑ ＋ ２Ｈ_２↑ …（５）
となる。

上記の還元反応は数多くの反応のうちの一部であり、この他にも原料ガスが分解してエネルギーが高い状態になったラジカル分子と酸化膜との還元反応なども存在する。その結果、酸化膜上では上記還元反応によるエッチングと原料ガスが分解して生じる堆積とが同時に進行しており、成長温度及び圧力に依存してエッチングと堆積の大小関係が変化する。

また、絶縁膜５としてシリコン窒化膜を用いた場合、上記の還元反応が利用できないため、原料ガスに加えて、塩素ガス（Ｃｌ）や塩化水素ガス（ＨＣｌ）といったハロゲン系のガスを添加して、シリコン層自体のエッチングを行う。その反応には、
Ｓｉ ＋ ２Ｃｌ_２ → ＳｉＣｌ_４↑ …（６）
Ｓｉ ＋ ２ＨＣｌ → ＳｉＨ_２Ｃｌ_２↑ …（７）
といったものがある。以上の反応が同時に進行する結果、選択性が維持されている状態では、シリコン窒化膜上にシリコンは堆積しない。

アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８中のゲルマニウム組成比は、シリコンの原料ガスとゲルマニウムの原料ガスの流量比を変化させることで制御できる。後の工程でシリコンのみを選択させるためにはゲルマニウム組成比は高い方が好適だが、ゲルマニウム組成比が高すぎると表面モフォロジーが悪化したり、結晶欠陥が発生することから、実際にはゲルマニウム組成比が３５％程度であればよい。また、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８の膜厚は、ゲルマニウム組成比に応じた結晶性が維持できる臨界膜厚以下であれば良い。具体的には、ゲルマニウム組成比が３５％であれば約１００ｎｍ以下、ゲルマニウム組成比が２０％であれば１μｍ以下となる。このとき、結晶性の良いアンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８を形成するために、エピタキシャル成長温度を下げる。その際、反応性が高く、成長温度が下げられるジシランやモノシランとゲルマン等の原料ガスを用い、温度範囲としては、原料ガスが熱的に分解を始める５００℃以上で、上限は良好な表面モフォロジーが保たれる６５０℃以下であれば好適である。この温度範囲で、成長圧力は成長速度が表面での反応で律速される０．１Ｐａ以上で、上限はエピタキシャル成長装置の安全性を確保するために大気圧以下であれば好適である。

次いで、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８の酸化を行う。このプロセスは、シリコン・ゲルマニウムを酸化するとシリコンが優先的に酸化され、シリコン・ゲルマニウム層８中のゲルマニウム組成比が高くなる酸化濃縮と呼ばれる現象を利用して、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８からシリコン酸化膜１１の下にアンドープ単結晶ゲルマニウム層１０を形成するものである。シリコンの酸化と同様にウェット酸化でもドライ酸化でも良いが、Ｇｅ組成比に応じて酸化温度の上限を決める必要がある。シリコンは融点が約１４１０℃であるのに対し、Ｇｅの融点は約９４０℃であるため、酸化が進行してＧｅ組成比が高くなるにつれて融点が低下する。

また、図２（ｃ）には図示していないが、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８に含まれるＧｅが酸化性雰囲気に直接触れていると、ＧｅＯｘなどの不安定な物質が生成されて脱離してしまう恐れがあるため、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８の表面にはアンドープ単結晶シリコン層を形成しておくことが望ましい。このとき、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８の表面を確実に保護するためにはアンドープ単結晶シリコン層には高い膜厚均一性が求められる。均一な膜厚が得られる条件であれば、アンドープ単結晶シリコン層の膜厚は、最表面を安定なシリコン酸化膜で覆うことができる１ｎｍ以上であればよい。また、アンドープ単結晶シリコン層が厚すぎると酸化濃縮を行う時間が長くなり、スループットが著しく低下するため、アンドープ単結晶シリコン層８の膜厚は５０ｎｍ程度以下であれば良い。アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８を酸化すると表面にシリコン酸化膜１１が形成され、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８中のＧｅ組成比が高くなるため、例えば１０５０℃で酸化を始めた場合、Ｇｅ組成比が６０％程度まで高くなると融点に近くなるため、酸化温度を９００℃まで下げることで、結晶を保ちながら酸化を継続することができる。理想的には、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８に含まれていたシリコンが全て酸化されるとアンドープ単結晶ゲルマニウム１０が形成されるが、実際にはアンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８の膜厚やゲルマニウム組成比の不均一性によって完全にシリコンだけを選択的に酸化することは困難である。また、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８のシリコンを全て酸化した後もさらに酸化を継続すると、ゲルマニウムが酸化され始め、不安定なＧｅＯｘが形成されて欠陥が発生するため、必要以上に酸化を行うことは避けなければならない。アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８中のシリコンが完全に酸化される前であっても、シリコン酸化膜１１とアンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８の界面でシリコンが優先的に酸化されてＧｅ組成比は高くなるため、酸化濃縮で形成されたアンドープ単結晶ゲルマニウム層１０は、表面のゲルマニウム組成比がおおよそ９０％以上となっている状態を指しているものとする。以下の実施例においても、酸化濃縮後のアンドープ単結晶ゲルマニウム層１０中のゲルマニウム組成比については同様である。酸化濃縮後にフォトリソグラフィーを用いてマスクを形成した後、アンドープ単結晶シリコン層９のアンドープ単結晶ゲルマニウム層１０との界面付近にｐ型不純物をイオン注入し、活性化アニールを行うことでｐ型シリコン領域１２を形成する（図３（ａ））。

また、シリコン酸化膜２上でアンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８からのゲルマニウムの酸化濃縮を行うことで形成されたアンドープ単結晶ゲルマニウム層１０に面内に引っ張り歪を印加すれば好適である。シリコン酸化膜２は熱膨張係数が０．５×１０^−６／℃であり、高温の熱処理である酸化を行ってもあまり膨張しないが、ゲルマニウムは酸化膜と比較して熱膨張係数が６．１×１０^−６／℃と大きいため、酸化を行っている状態では膨張している。この高温状態では、単結晶ゲルマニウム層１０の歪が緩和しているが、酸化後に冷却する過程で酸化膜はあまり縮まず、逆に単結晶ゲルマニウムっ層１０は大きく縮もうとするため、シリコン酸化膜と接した部分でそれ以上縮むことができずに、面内に引っ張り歪が残存する。単結晶ゲルマニウム層１０に引っ張り歪が残っているとバンドギャップが減少するため、歪んだ単結晶ゲルマニウム層１０を光の吸収層にした場合、エネルギーが低い光、つまり波長の長い光に対しての感度が向上する。その結果、光通信で一般的に用いられている波長が１．５５μｍの光に対しても十分な受光感度が得られる。

次いで、酸化濃縮で形成したシリコン酸化膜１１をエッチング除去し、露出したアンドープ単結晶ゲルマニウム層１０上にアンドープ単結晶ゲルマニウム層を再成長し、シリコン酸化膜２上にアンドープ単結晶ゲルマニウム層１３を形成する。ここで使用する原料ガスとしてはゲルマニウムと水素、塩素、フッ素などからなる化合物を用いることができる。例えば、モノゲルマン（ＧｅＨ_４）、ジゲルマン（Ｇｅ_２Ｈ_６）、四塩化ゲルマン（ＧｅＣｌ_４）などが挙げられるが、このほかのガスに関しても使用方法は同様である。以下、モノゲルマンを原料ガスとして用いた場合に付き、説明する。エピタキシャル成長を行う温度範囲は、モノゲルマンが基板表面で反応を起こす３００℃以上である。また、ゲルマニウムの融点以下で成長を行う必要があるため、成長温度の上限として９４０℃以下であればよい。この温度範囲で、成長圧力は成長速度が表面での反応で律速される０．１Ｐａ以上で、上限は気相中での反応が起こり始める１００００Ｐａ以下であればよい。また、ゲルマンの還元反応とハロゲン系のエッチングガスを利用することで、アンドープ単結晶シリコン・ゲルマニウム層８の場合と同様に、絶縁膜４の側壁や絶縁膜５の表面にはゲルマニウムを堆積させずに、アンドープ単結晶ゲルマニウム層１０上のみにアンドープ単結晶ゲルマニウムを選択成長させ、アンドープ単結晶ゲルマニウム層１３を形成する。以下の実施例においても、アンドープ単結晶ゲルマニウムのエピタキシャル成長条件に関しては同様である。

そして、表面に絶縁膜１４を堆積し、アンドープ単結晶ゲルマニウム層１３上のみに電極と接続するための開口部を形成し、その開口部のみに高濃度ｐ型単結晶ゲルマニウム層１５を形成する。なお、ｐ型ドーピングを行うためには、ゲルマニウムの原料ガスにｐ型ドーピングガスを同時に添加すればよく、ｐ型ドーピングガスとしては、３族元素と水素、塩素、フッ素などからなる化合物を用いることができ、例えば、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）が挙げられる。エピタキシャル成長を行う条件は、アンドープゲルマニウムと同様である。ドーピング濃度は、ドーピングガスの流量によって制御でき、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３のｐ型ドーピングを行うためには、ジボランの流量を０．１ｍｌ／ｍｉｎとすればよい。（図３（ｂ））。

さらに、表面に絶縁膜１６を形成し、電極形成のための開口部を設け、各領域に電極を形成する。具体的には、ニッケル等の電極材料を堆積し、アニールを行うことで金属とゲルマニウムの合金であるジャーマナイドを形成し、接触抵抗の少ないｐ型電極１８を形成する（図１）。なお、高濃度ｐ型単結晶シリコン層を高濃度ｐ型単結晶ゲルマニウム層１５の上に高濃度ｐ型シリコン層を設けて、シリサイドでｐ型電極１８を形成してもよい。

また、絶縁膜４，５，１６を部分的に除去して開口部を設け、その開口部からアンドープ単結晶シリコン層９へ高濃度にｎ型ドーパントを注入し、高濃度ｎ型シリコン層１７を設け、金属と高濃度ｎ型シリコンを反応させてシリサイドを形成することで、接触抵抗の低いｎ電極１９を実現する。

以上、説明を簡便にするためにドーピングの有無によって高濃度ｐ型単結晶ゲルマニウム層１５、アンドープ単結晶ゲルマニウム層１３、高濃度ｐ型単結晶シリコン領域１２、アンドープ単結晶シリコン層９、高濃度ｎ型シリコン層１７としているが、実際には熱処理によりドーパントやゲルマニウムが少なからず拡散するため、ドーピング濃度やゲルマニウム組成比のプロファイルを見るとなだらかに変化する遷移領域が各界面に存在する構造も含むものである。また、アンドープ層内のドーピング濃度は容量を下げるためにはできるだけ低いことが望ましいが、エピタキシャル成長においてドーパントのバックグラウンドが必ず存在するため、ドーピング濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下の状態をアンドープとする。これらに関しては、他の実施例に関しても同様である。

実施例１のアバランシェフォトダイオードの動作を、図４を用いて説明する。光ファイバーや導波路から受光部となるアンドープ単結晶ゲルマニウム層１３に光が入射されるとホールと電子が生成され、ホールと電子はそれぞれｐ電極１８、ｎ電極１９に向かって拡散する。ｐ型電極１８とｎ型電極１９は逆バイアスが印加されており、アンドープ単結晶シリコン層９中には大きな電界が発生しているため、電子が増倍層であるアンドープ単結晶シリコン層９に到達すると電界によって加速され、次々とキャリアを発生させ、基板に対して並行にキャリアが走行する構造となっている。

以上、本実施例によれば、シリコン酸化膜２上にアンドープ単結晶シリコン９とアンドープ単結晶ゲルマニウム１３を形成することが可能となることから、結晶性能良い単結晶ゲルマニウムと単結晶シリコンの界面を形成することが可能となり、従来の結晶欠陥に依る暗電流を大幅に低減し、受光感度を向上することができる。

また、アバランシェフォトダイオードの接合面積は、アンドープ単結晶シリコンとアンドープ単結晶ゲルマニウムの接合面積で決定されるため、従来のフォトリソグラフィーとエッチングによって形成していた素子サイズと比べて大幅に縮小することが可能となり、接合容量の低減によって高周波特性が格段に向上できる。

実施例２と実施例１との違いはｐ型シリコン領域の形成方法である。本実施例２ではエピタキシャル成長のみでｐ型シリコン領域を形成する。

図５は実施例２に係るアバランシェフォトダイオード断面図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、実施例２に係るアバランシェフォトダイオード製造工程図である。実施例1と同一の符号は同一の構成を示す。

実施例１と同様にアンドープ単結晶シリコン層３ａ、３ｂを形成した後、エピタキシャル成長によってｐ型シリコン・ゲルマニウム層２０を形成する（図６（ａ））。ｐ型ドーピングに関しては、実施例１の高濃度ｐ型ゲルマニウム層の形成と同様に、シリコンとゲルマニウムの原料ガスにｐ型ドーピングガスを添加する。ドーピング濃度は、ドーピングガスの流量によって制御でき、例えば１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型ドーピングを行うためには、ジボランの流量を０．０１ｍｌ／ｍｉｎとすればよい。

次いで、酸化濃縮を行うことで、ｐ型ゲルマニウム層２１が形成されるのと同時に、酸化中の熱処理によってｐ型シリコン・ゲルマニウム層２０中のドーパントがアンドープ単結晶シリコン層３ａ中に拡散し、ｐ型単結晶シリコン領域２２が形成される（図６（ｂ））。以降の工程は実施例1と同様であり、アンドープ単結晶ゲルマニウム層１３を成長し（図６（ｃ））、表面に絶縁膜とその開口部を形成し、ｐ型電極を形成するためのｐ型ゲルマニウム層１５を形成する（図６（ｄ））。

本実施例により、実施例１と同様の効果が得られるだけでなく、さらに、ｐ型シリコン領域を形成するためにフォトリソグラフィーとイオン注入を用いる必要が無いため、工程の簡略化によるスループットの向上とコスト低減が可能となる。

図７は実施例３を示す面入射型アバランシェフォトダイオードアレイの表面からの鳥瞰図である。実施例３は、実施例１もしくは実施例２のアバランシェフォトダイオードを複数並列に配置し、光の入射方向を基板に対して垂直にしたアバランシェフォトダイオードアレイである。

アバランシェフォトダイオードの構成要素である、光吸収層となるアンドープ単結晶ゲルマニウム層と増倍層となるアンドープ単結晶シリコン層を交互に配置して複数形成し、ｐ型電極１８とｎ型電極１９をそれぞれ形成する際に電極の取り出し方向を変え、ｐ型電極２３とｎ型電極２４を反対側に形成する。こうすることで、アバランシェフォトダイオードに入射した光が生成するホールと電子が増倍層へ到達するまでの距離を増やさずに、大面積の素子を形成することができるため、基板に対して垂直方向に光ファイバーを配置させることが可能となる。並列数を増やすことで、例えば１００〜５００μｍといった大面積のアバランシェフォトダイオードが実現できる。

実施例３は、実施例１や実施例２と同様の効果を得ることができるだけでなく、さらに、面入射型のアバランシェフォトダイオードが実現できるため、光ファイバーから光を入射させるときの調芯作業が容易になる。

実施例４は、実施例１もしくは実施例２のアバランシェフォトダイオードのシリコン基板１の裏面にレンズを形成し、裏面から光を入射させることを可能にしたものである。図８は、実施例４に係るアバランシェフォトダイオードの断面図である。

実施例１もしくは実施例２のアバランシェフォトダイオードを形成した後、シリコン基板１の裏面のうち、受光部となる単結晶ゲルマニウム層１３と対向する領域にフォトリソグラフィーとエッチングによってレンズ２５を形成する。この集積レンズを形成することで、裏面から入射した光のビームサイズを絞ることができ、光ファイバーとの調芯作業が容易になる。

実施例４は、実施例１や実施例２と同様の効果を得ることができるだけでなく、さらに、裏面入射型のアバランシェフォトダイオードが実現できるため、本受光器を単体で使用する際、光ファイバーから光を入射させるときの調芯作業が容易になる。

実施例５は、実施例１もしくは実施例２のアバランシェフォトダイオード２６を形成する基板上に、デジタル信号処理回路と光源をも集積したものである。図９は光受信器の鳥瞰図である。具体的にはシリコン基板１上に光源としてのレーザダイオードＬＤとアバランシェフォトダイオード２６とを集積し、これらの素子をシリコン導波路２７で接続することで自動調芯不要な構造とした。

さらに、信号処理回路として光源であるレーザダイオードＬＤには送信回路ＴＸ、アバランシェフォトダイオード２６には受信回路ＲＸがそれぞれ電気的に接続されている。そして、これらの信号処理回路も同じ基板の上に集積することで、チップ内での高速光伝送が実現できる。ここで、送信回路ＴＸは、信号処理に加え、レーザーを駆動するためのドライバアンプを含む。同様に、受信回路ＲＸは、信号処理回路に加え、アバランシェフォトダイオード２６で受信した信号を処理するトランスインピーダンスアンプを含む。

本実施例では、光源としてレーザダイオードＬＤを採用したが、近距離の信号伝達であるため必ずしもレーザー発振する必要は無く、ＬＥＤでも良い。

さらに、本実施例では、全ての素子をシリコン・ゲルマニウム系のプロセスで製造できるように、レーザダイオードＬＤもシリコン発光素子を用いた。しかし、製品仕様を満たす光強度や、波長が適合するＧａＮ系、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いた発光素子を使用することも可能である。

また、本実施例のレーザダイオードＬＤとアバランシェフォトダイオード２６との光接合に、シリコン導波路２７を用いたが、空間的な光結合でもよい。

実施例６は、実施例１もしくは実施例２のアバランシェフォトダイオード２６を形成する基板上に、デジタル信号処理回路と光源をも集積したものである。図１０は本実施例に係る半導体受光素子（アバランシェフォトダイオード）を用いた光通信送受信回路の鳥瞰図である。

実施例６は、実施例１もしくは実施例２のアバランシェフォトダイオード２６を形成する基板上にデジタル信号処理回路と光源をも集積したものである。上述した実施例５と異なるのは、光ファイバーを用いた光通信を行うための送受信器を実現したものである。

実施例１もしくは実施例２のアバランシェフォトダイオードを形成するプロセスを、信号処理を行う送信回路と受信回路を形成するプロセスに挿入することで、同一基板上で信号処理部と光による信号伝送を実現する。光源となるレーザダイオードＬＤは、シリコンプロセスで実現した発光素子であれば集積回路を形成するプロセスですべて作製することが可能となるが、光の強度や波長の制限から化合物半導体を用いた発光素子を使用する場合は、化合物半導体のレーザダイオードを積載することもできる。

また、実施例１もしくは実施例２の光源とアバランシェフォトダイオード２６に代え、実施例４のレンズ集積型アバランシェフォトダイオードと面出射型レーザーにすることで、基板に対して垂直な方向に光ファイバーを配置させて結合を取ることが可能となることは本実施例の変形例の範疇である。

本実施例により、実施例１や実施例２の効果に加え、光ファイバーを用いた光通信システムに適用することができ、光通信システム用送受信モジュールの高性能化と低コスト化が可能となる。

１…シリコン基板、２…絶縁膜、３…単結晶シリコン層、４…絶縁膜、５…絶縁膜、６…絶縁膜、７…絶縁膜、８…シリコン・ゲルマニウム層、９…単結晶シリコン層、１０…ゲルマニウム層、１１…シリコン酸化膜、１２…ｐ型シリコン領域、１３…単結晶ゲルマニウム層。１４…絶縁膜、１５…高濃度ｐ型単結晶ゲルマニウム層、１６…絶縁膜、１７…高濃度ｎ型シリコン層、１８…ｐ型電極、１９…ｎ電極

Claims (11)

1. 基板上に形成された絶縁膜と、
   該絶縁膜上に設けられた第1アンドープ半導体領域及び第２アンドープ半導体領域と、
   前記第１アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｎ型電極と、
   前記第２アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｐ型電極と、を備え、
   前記第１アンドープ半導体領域と前記第１アンドープ半導体領域とは異なる半導体材料で構成され、基板面内方向に並んでいることを特徴とする半導体受光素子。
2. 請求項１において、
   前記第１アンドープ半導体領域と前記第１アンドープ半導体領域とは、前記基板面内方向で第１ｐ型半導体領域を介して接していることを特徴とする半導体受光素子。
3. 請求項１において、
   前記第1アンドープ半導体領域と前記第1ｐ型半導体領域とは前記基板面に対してテーパな第1界面を備えていることを特徴とする半導体受光素子。
4. 請求項３において、
   前記第1ｐ型半導体領域と前記第２アンドープ半導体領域とは前記基板面に対してテーパな第２界面を備えていることを特徴とする半導体受光素子。
5. 請求項１において、
   前記第１アンドープ半導体領域を光吸収層とし、
   前記第２アンドープ半導体領域を増倍層とするアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする半導体受光素子。
6. 請求項１において、
   前記第１アンドープ半導体領域が単結晶ゲルマニウムであり、
   前記第２アンドープ半導体領域が単結晶シリコンであることを特徴とする半導体受光素子。
7. 請求項１において、
   前記第１ｐ型半導体領域が単結晶ゲルマニウムと単結晶シリコンを含むことを特徴とする半導体受光素子。
8. 請求項１において、
   面受光型であることを特徴とするであることを特徴とする半導体受光素子。
9. 請求項１において、
   前記基板の裏面にレンズ構造を有し、
   光信号が基板の裏面から入射されることを特徴とする半導体受光素子。
10. シリコン導波路と半導体受光素子とが同一基板上に搭載された光受信器において、
    前記半導体受光素子は、基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に設けられた第1アンドープ半導体領域及び第２アンドープ半導体領域と、前記第１アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｎ型電極と、前記第２アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｐ型電極と、を備え、
    前記第１アンドープ半導体領域と前記第１アンドープ半導体領域とは異なる半導体材料で構成され、基板面内方向に並んでおり、光信号が前記シリコン導波路から前記第１アンドープ半導体領域に入力されることを特徴とする光受信器。
11. 半導体受光素子と、レーザダイオードと、信号処理回路が同一基板上に形成された光受信器において、
    前記半導体受光素子は、基板上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に設けられた第1アンドープ半導体領域及び第２アンドープ半導体領域と、前記第１アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｎ型電極と、前記第２アンドープ半導体領域に対して電気的に接続されているｐ型電極と、を備え、
    前記第１アンドープ半導体領域と前記第１アンドープ半導体領域とは異なる半導体材料で構成され、基板面内方向に並んでおり、光ファイバから前記第１のアンドープ半導体領域に入力されることを特徴とする光受信器。

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