TWI398061B

TWI398061B - Semiconductor device

Info

Publication number: TWI398061B
Application number: TW097137724A
Authority: TW
Inventors: Shinichi Saito; Masahiro Aoki; Hiroyuki Uchiyama; Hideo Arimoto; Noriyuki Sakuma; Jiro Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2013-06-01
Also published as: JP2009094210A; KR20090035453A; US7816702B2; KR101013240B1; US20090090925A1; TW200935693A; JP5117156B2

Description

半導體裝置

本發明關於使用矽的發光元件，特別關於使用極薄矽的雷射。

光通信被用於支援網際網路(internet)產業的寬頻網路(broad band network)。該光通信中之光之收發係利用使用III-V族或II-VI族等之化合物半導體。

化合物半導體雷射雖有各種結構被提案，但乃以雙異質(double hetero)結構為一般。雙異質結構係使用2種類之不同化合物半導體，以能隙(band gap)大的化合物半導體挾持能隙小的化合物半導體而成之結構。製作雙異質結構時，係於基板上連續磊晶成長導電型為n型、未摻雜之i型、以及p型之各化合物半導體，使積層於垂直方向。此時，被挾持於其間的未摻雜之i型化合物半導體之能帶(band)結構須加以注意。重要者為，能隙較n型與p型之各化合物半導體為小，i型之傳導帶能階較n型之傳導帶能階為低，i型之價電帶能階較p型之價電帶能階為高。亦即成為電子與電洞同時被閉鎖於i型區域的結構。因為電子與電洞容易處於同一區域，電子與電洞衝撞而產生對消滅之機率變高，結果可以提升發光效率。另外，折射率傾向於隨能隙之變小而變為越大，藉由選擇材料以使i型之化合物半導體之折射率小於n型或p型之各化合物半導體之折射率，則光亦被閉鎖於i型之化合物半導體。被閉鎖的光可有效導引作成反轉分布的電子與電洞之再度結合，有助於雷射振盪。

藉由使用上述有效發光之化合物半導體之光通信，可於瞬間進行大量之長距離資訊通信。亦即資訊處理或記憶在以矽為骨幹的LSI上被進行，資訊之發送則藉由以化合物半導體為骨幹的雷射加以進行。

若能使矽高效率發光，則可於矽晶片上同時集積電子裝置與發光元件，其產業價値甚大。因此矽發光之研究被盛大進行。

但是，使矽高效率發光乃困難之事，原因在於矽具有間接遷移型之能帶結構。間接遷移型之能帶結構係指，傳導帶之能量成為最低的運動量、或者價電帶之能量成為最低的運動量之其中之一並非0之能帶結構。矽之情況下，價電帶之最小能量點為運動量成為0之Γ點，但傳導帶之最小能量點並非Γ點，而是在Γ點與X點之間，更詳言之為，格子常數設為a時，定義k0=0.85*π/a時，退縮而存在於(0、0、±k0)、(0、±k0、0)、(±k0、0、0)之6點。

相對於此，化合物半導體之大多數，其傳導帶及價電帶之最小能量點均為Γ點而稱為直接遷移型之半導體。

以下說明何以間接遷移型之半導體之發光效率不佳，直接遷移型之半導體之發光效率佳之理由。

如上述說明，欲使半導體元件發光，須使電子與電洞衝撞而產生對消滅，抽出兩者之能量差以之作為光。此時須同時滿足能量與動量(Momentum)之不滅定律。電子係於傳導帶中具有能階(energy level)，電洞係於價電帶中具有電子不存在部分之能階，兩者之差成為光持有之能量，波長乃依能量而異，因此由傳導帶與價電帶之能量差、亦即能隙之大小來決定光之波長、亦即顏色。就此一考量而言，能量之不滅定律成立一事乃更為困難。

另外，發光亦和電子與電洞之衝撞現象有關，動量須守恒(不滅)，依據支配微視世界的定律、亦即量子力學，電子、電洞、光子(光之量子)雖具有波之形態，亦作為粒子被散射，因此動量之不滅定律成立。所謂動量，就定性而言係指針對衝撞時粒子以何等姿勢彈跳一事進行定量化(量子化)的尺度。由光之分散關係(ω=ck，其中ω為光之角振動數，c為高速，k為光子之動量)或能量可知，評估結晶中之光子之動量幾乎成為0。此乃因為即使光因為衝撞一事而彈出物質之現象存在，但因此而使物質被散亂影響乃極為少的事情，和我等之直感為一致。

另外，電洞亦因為其之最小能量點為Γ點而幾乎不具有運動量。但是，於間接遷移型半導體、亦即矽之中，電子幾乎不存在於Γ點，而是存在於X點附近的最小能量點，大小為具有k0=0.85*π/a之大的動量。

因此，於矽中，在單純之電子與電洞之衝撞過程中，並無法同時滿足動量不滅定律與能量不滅定律。因此，藉由吸收或放出結晶中之光子振動之量子、亦即聲子等，而僅使勉強可以同時滿足動量不滅定律與能量不滅定律的電子.電洞對被轉換為光。此種過程物理上並非不存在，但屬於電子‧電洞‧光子‧聲子同時衝撞之高次散亂課程，此種現象產生之機率少。因此可知間接遷移型半導體、亦即矽之發光效率極差。

相對於此，直接遷移型化合物半導體之大多數，其之傳導帶與價電帶之最小能量點均存在於Γ點，可以同時滿足運動量保存法則與能量保存法則，因此化合物半導體之發光效率極高。

非專利文獻1揭示電晶體雷射元件，其藉由化合物半導體製成之雙極性電晶體來驅動使用發光效率高的化合物半導體之雷射。

如上述說明，於本體(bulk)狀態發光效率極差的矽，在多孔質狀態或設為奈米粒子狀態則可提升發光效率乃習知者。例如，於非專利文獻2揭示，於氟酸溶液中使陽極氧化之矽成為多孔質狀態，於室溫、且於可視光波長帶可發光。關於其機制雖未完全明瞭，但可考慮為藉由多孔質之形成，在狹窄區域存在被閉鎖之矽而產生之量子尺寸(size)效果為重要者。是否可考慮為，在尺寸小的矽之中，電子之位置被閉鎖於該區域，因為量子力學之不確定性原理，反而使運動量變為無法確定，因而電子與電洞之再度結合容易產生之故。

使用矽之另一方法，例如，於非專利文獻3揭示，在形成於矽基板的pn接合中注入Er離子，可製成發光元件之發光二極體(Light Emitting Diode)。在矽基板中注入Er離子時，Er可作成雜質能階，雜質能階為侷限在空間的能階，矽傳導帶中之電子被Er離子作成之雜質能階捕獲時有效運動量成為0，可以和價電帶中之電洞再度結合而發光。介由Er離子之發光係1.54μm之波長，不會被周圍之矽吸收而可傳導光。另外，使用既存之光纖時係為損失較少的波長，因此即使將來之技術革新而使使用Er離子之矽基材之LED實用化時，亦可利用既存之光纖網，無須大規模之設備投資，而被期待。

另外，使用矽之另一方法，例如於非專利文獻4或非專利文獻5揭示，組合上述量子尺寸與Er離子之概念，在矽‧奈米粒子中注入Er離子，可提升發光效率。

使用導波路連接矽晶片內或晶片間，欲使用光進行高速之資訊通信時，單純作為LED之發光乃不充分，必須作成具有極佳單色性、直進性、可干涉性，可以高速調變強度或或相位的雷射二極體(LD)。

欲作成LD時，需要組合pn二極體等構成之光源、導波路、鏡部。

例如專利文獻1(特開2004-319668號公報)揭示，在添加稀土類元素的pn接合，組合導波路型繞射格子，而成為雷射振盪之構造。該元件之特徵為使用稀土類元素之發光。

另外，例如專利文獻2(特表2002-536850號公報)揭示，將使用矽的發光二極體，和在基板垂直方向積層的膜之鏡部加以組合，而成為雷射振盪之構造。該元件之特徵為發光部之pn接合被形成於基板之垂直方向。

但是，如上述說明，使用矽作為光源主要材料時，發光效率不足，因而難以產生雷射振盪。另外，於矽晶片上形成LD之方法，例如，於非專利文獻6揭示，將作為光源之化合物半導體、導波路、與鏡部加以組合而成共振器，為以矽製作的方法。該元件之特徵為，使用化合物半導體作為光源，使用矽作為共振器的混載(hybrid)構造，被矽閉鎖之光之衰減性(evanescent)溢出係和成為增益之化合物半導體重疊而進行雷射振盪。

專利文獻1：特開2004-319668號公報

專利文獻2：特表2002-536850號公報

非專利文獻1：R. Chan,M. Feng,N. Holonyak,Jr.,A. James,and G. Walter,Applied Physics Letters(Appl. Phys. Lett.),2006年，88卷，pp. 143508-1~143508-3

非專利文獻2：L. T. Canham,Applied Physics Letters(Appl. Phys. Lett.),1990年，57卷，pp. 1046~1048

非專利文獻3：S. Coffa,G. Franzo,and F. Priolo,Applied Physics Letters(Appl. Phys. Lett.),1996年，69卷，pp. 2077~2079

非專利文獻4：F. Iacona,G. Franzo,E. C. Moreira,and F. Priolo,Journal off Applied Physics(J. Appl. Phys.),2001年，89卷，pp. 8354~8356

非專利文獻5：S. Coffa,IEEE Spectrum,2005年，Oct,pp.44~49

非專利文獻6：A. W. Fang,H. Park,R. Jones,O. Cohen,M. J. Paniccia,J. E. Bowers,IEEE Photonics Technology Letters,2006年,18卷,pp. 1143~1145

如上述說明，長距離之資訊通信係藉由光通信進行，該光元件係使用化合物半導體。以化合物半導體作成之雷射雖具有極高效率，但高價位材料以及材料由多數元件構成導致難以控制，因而存在難以進行集積化之問題。例如1個雷射或受光元件以化合物半導體作成時之良品率為70%，2個組合時成為50%，此為其間題。光積體電路(OptoElectronic IC，簡稱為OEIC)之稱呼雖存在，但使用化合物半導體之光元件實現OEIC上有現實之困難。

另外，使用矽之LSI之情況下，施予最先端微細加工的製品時，已有超過一億個之場效電晶體(Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect-Transistor)被集積化、製品化而大量生產。亦即，使用矽之元件之情況下，容易取得高品質之單晶矽基板，可以近乎100%良品率作成多數元件，即使於同一晶片上集積大量元件亦可有效提升晶片之良品率至經濟上實用水準。因此，存在想要實現以矽或鍺(Ge)等之IV族半導體為基準的高效率發光元件之間題。

習知技術上，欲使矽發光時，使矽之傳導帶之能帶結構變化為本體(bulk)之能帶結構，藉由不確定原理使運動量偏離k0之點，藉由量子尺寸效應使矽構成為多孔質狀態或奈米粒子狀態等即可。但是，例如形成奈米粒子結構之矽時，矽表面極為容易被氧化，因而存在矽‧奈米粒子表面被氧化，表面形成二氧化矽的問題。二氧化矽為能隙極大之絕緣體，表面形成有二氧化矽時，會產生無法有效注入電子或電洞的問題。

因此，習知矽發光元件存在著可獲得高強度之光激發光，電激發光效率卻極低之間題。另外，發光時成為發光層的物質之結晶性乃重要者，但是以CVD(Chemical vapor Deposition)法形成之奈米粒子或因陽極氧化導致表面出現不規則且多量開孔之結構中，和單結晶比較存在著結晶性惡化之間題。結晶性惡化時會產生介由陷阱能階之發光，利用陷阱發光之效率並不佳，因此無法製成資訊通信等之實用上足以適用的元件，此為其間題。

如上述說明，雖然藉由多孔質矽或奈米粒子或Er摻雜等各種技術而使矽發光之努力被進行，然而乃存在著發光效率未達實用水平的問題。

又，習知之矽發光元件，欲構成多孔質狀態、或使用奈米粒子時，存在著難以兼顧通常之CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技術而實現高密度集積化之間題。欲使發光元件和習知電子元件之LSI於同一晶片上被集積時，存在著須使用整合習知矽製程(silicon process)而成的製程來製作發光元件之間題。

另外，使用矽基板上之發光元件，欲進行晶片間或晶片內之資訊通信時，不僅只是單純之LED，而是需要構成為具有強的指向性及單色性發光元件，因而存在著需要實現雷射振盪、實現雷射二極體之間題。

本發明有鑑於上述問題，目的在於提供一種矽雷射元件及其製造方法，其藉由使用通常之矽製程(silicon process)可以容易形成之方法，於矽等之基板上，以矽或比照其之Ge(鍺)等之Ⅳ族半導體作為基本構成要素。

本發明之代表性概要簡單說明如下。

本發明之發光元件為極薄之矽‧雷射，其特徵為具備：第1電極部，用於注入電子；第2電極部，用於注入電洞；發光部，被電連接於第1電極部及第2電極部；發光部設為單晶矽，發光部具有第1面(上面)與和第1面呈對向的第2面(下面)，第1及第2面之面方位設為(100)面，和第1及第2面呈正交方向的發光部之厚度設為較薄，具有：配置於發光部附近之由第1介電體構成之導波路；及使第1及第2介電體交互鄰接而形成的鏡部。

以下依據圖面詳細說明本發明實施形態。又，說明實施形態之全圖中，具有同一功能之構件被附加同一符號並省略其重複說明。又，除本實施形態之方法以外，變更材料或製造工程之組合等之多數變更為可能。

首先，說明使成為本發明之基本的矽(Si)或比照其之鍺(Ge)等之Ⅳ族半導體有效發光的原理。

在矽等之間接遷移型半導體中，電子之大多數在運動量空間之中，具有壓倒性高的機率會位於遠離Γ點(運動量0)之點，因此具有極大之運動量。因此，電子與電洞衝撞時無法滿足運動量之保存法則，放出光而再度結合之過程被禁止。

本發明係使用以下作為基本原理，亦即該z方向之厚度、亦即t為極小的極薄膜之情況下，藉由量子閉鎖效應而使，本體(bulk)為間接遷移型半導體，但等效上轉變為直接遷移型之情況。

以極薄之單晶矽膜等為代表、而在極為狹窄區域將電子加以閉鎖時，在本體之電子狀態下，即使傳導帶之電子不存在Γ點的矽等之物質，亦可發現等效上對薄膜之垂直方向不產生運動。此乃因為，就定性化而言不存在薄膜之垂直方向，因而電子無法運動於薄膜之垂直方向，此為極其當然之事情。此意味著，即使在本體狀態下高速移動於結晶中，在薄膜狀態下已無存在應運動之方向，因而電子不得不停止。

亦即，藉由電子之閉鎖使電子無法自由移動，等效上可視為電子存在於Γ點，因為同樣存在於Γ點而和運動量小的電洞衝撞時，乃然不會破壞能量與運動量之保存法則，而可以放出運動量小的光。運動量係指粒子與其他粒子衝撞時以何種程度之撞及使粒子散射的衡量尺度。我等發現藉由將電子閉鎖於狹窄區域，使電子變為無法移動，如此則，電子將喪失運動量。電子之運動量變小時，變為可以滿足習知方法困難之散射時之運動量保存法則，因而即使矽等之Ⅳ族半導體亦可有效使其發光。

又，本發明中，亦對電子及電洞之注入方法採取對策。在習知來自多孔質矽或矽‧奈米粒子之發光，成為發光中心的鄰接之矽‧奈米粒子或矽細線之間存在二氧化矽絕緣膜之故，導致無法有效注入電子。相對於此，本發明中使用單一之單晶矽膜，將其直接接合於電極，因此不會因為二氧化矽絕緣膜而抑制載子之注入，可有效產生電氣發光。

又，本發明之代表性作成方法中，係於極薄矽膜之製作方法中，使用氧化製程，可於基板上控制性良好地形成均勻之膜。矽製程中的氧化製程，乃控制性最佳之製程，因此藉由其可形成均勻之極薄膜。此係和習知矽發光元件之形成方法完全相反，習知於CVD法等，係使矽之奈米粒子由原子等級(level)逐漸增大，加以控制直至數nm為止，相對於此，本發明係由原本結晶性佳的SOI(Silicon On Insulator)等之被形成單晶矽的基板開始元件之製造工程，使用可於極限範圍良好控制而將其削薄的形成製程。又，習知CVD法之奈米粒子形成中，無法使結晶之面方位排列整齊。此意味著，以自然、自我組織方式形成奈米粒子之故，控制變為極困難。

相對於此，本發明之極薄矽膜之發光元件，係使用原本面方位備齊之單晶矽基板，因此控制性極為良好、可以完全界定表面之面方位。如上述說明，將載子閉鎖時，應使傳導帶及價電帶之能量最小點成為運動量0的方式，來設計面方位。

欲使矽高效率發光，可以(100)面為表面，藉由將矽之膜厚加以薄膜化，如此則，等效上可將能量之谷底設為Γ點。此可由矽之本體中之能帶結構，傳導帶底部存在於X點附近加以理解。同樣地，本發明之高效率發光元件，不限定於矽，亦適用於鍺等其他半導體。若為鍺，於其本體中，傳導帶之能量底部存在於L點，因此，藉由形成以(111)面為表面之薄膜，可將薄膜之能量之最小點設為Γ點，可以高效率發光。因此，例如準備表面呈現(111)面之SOI等之基板，於其上磊晶成長鍺之後，藉由氧化等使膜厚薄膜化，而形成以(111)面為表面之極薄之鍺膜即可。相較於矽，鍺之能隙較小之故，可使發光波長偏移至最適合長距離光通信的最適當之長波長側。又，使用矽與鍺之混晶的矽‧鍺，可以成為矽與鍺之間的能隙，更可以調整發光波長。另外，摻雜碳則更可以控制波長。

使載子有效閉鎖於狹窄區域的方法，除上述將極薄之Ⅳ族半導體加工為極薄膜以外，另有以下幾個方法。首先，作為加工方法，除上述氧化製程以外，亦可考慮藉由濕蝕刻或乾蝕刻製程削薄的方法，藉由磊晶成長而形成所要膜厚之層的方法，或藉由SELAX(Selectively Enlarging Laser X’tallization)技術等形成虛擬單晶膜的方法。可使用任一製造方法形成極薄單晶膜。另外，作為縮小膜厚使成為極薄矽膜之取代，亦可藉由施加閘極電壓形成反轉層或儲存層而閉鎖載子。

以下說明依據上述本發明原理之實施形態。圖面記載之圖，其縮尺未必被正確標示，為使邏輯成為明確而強調重要部分加以模式描繪。

(第1實施形態)

本實施形態揭示，藉由使用通常之矽製程(silicone process)可以容易形成的方法，而製成的矽雷射及其製造方法。

圖1A～1R表示製造工程順序之斷面構造。圖2A～2R表示由基板上部觀察的製造工程順序之模式圖。其中，圖1A～1R分別為圖2A～2R的橫向斷面圖。例如圖1R表示沿著圖2R的斷面23切斷時之構造。本實施形態之元件之完成圖為圖1R及圖2R。

以下依據順序說明製造工程。

首先，如圖1A所示，作為支撐基板而準備由下依序使矽基板1、填埋氧化膜(Buried Oxide，以下略稱為BOX)2、及SOI(Silicon On Insulator)層3等被積層而成的SOI基板。如圖2A所示，由基板上部觀察時SOI層3存在於最表面，但SOI基板之厚度極薄時，實際試作時下基板亦可透過觀察。其中，構成SOI層3之單晶矽，係使用表面具有(100)面的基板。本實施形態試作之SOI層3之製程前之初期膜厚為55nm。BOX2之膜厚約為150nm。欲使SOI層3放射之光有效容易產生閉鎖之雷射振盪，BOX2之膜厚較好是更厚，但是BOX2變厚時，相對地SOI層3產生之膜厚變動會增大，此一間題存在。於本發明之矽雷射，原子層等級(level)之膜厚控制極為重要，因此本實施形態揭示，膜厚之變動較少，BOX層未達充分薄之情況下亦可作成的製造方法。可以取得BOX2之膜厚1μm以上、變動較少的SOI基板時，後述說明之除去支撐矽基板1之一部分的工程可以被省略，不僅製造方法更為簡化，亦可利用對矽基板1之散熱，元件更能穩定動作。

本實施形態之外，作為SOI層3之面方位，準備表面設為(111)面之結晶結構的矽，其中準備磊晶成長矽‧鍺的基板亦可。此情況下，藉由以下之氧化，鍺被濃縮，因而可形成表面設為(111)面之結晶結構的極薄之鍺膜，可以高效率發光。或者，取代SOI層3，改用表面設為(111)面之結晶結構的GOI(Germanium On Insulator)基板亦可。

接著，塗敷阻劑之後，藉由微影成像技術之遮罩曝光，僅於特定區域殘留阻劑之後進行異方性乾蝕刻，如圖1B、2B所示，加工SOI層3成為台地(mesa)之形狀。為簡化圖示雖僅圖示1個元件，然於基板上同時形成多數元件。因為使用矽製程，可以高良品率集積多數元件。

雖未特別圖示，接著進行等方性乾蝕刻，對被加工成為台地形狀的SOI層3之角部施予去角處理。藉由去角處理之進行，於後續工程之氧化處理時，可防止應力僅集中於邊緣部分所導致氧化無法進行之事。亦即，不進行去角處理，和周圍比較，角周邊部分之SOI層3會變厚，流入電流時，電流會集中流入該區域而產生發光效率變差之間題。本實施形態中事先對此點採取對策。又，SOI層3之角部之去角處理，除本實施形態進行之等方性乾蝕刻以外，亦可採取高溫氫退火或濕蝕刻等其他製造方法。

又，亦可取代本實施形態進行之加工SOI層3成為台地形狀，改為藉由STI(Shallow Trench Isolation)或LOCOS(Local oxidation of Si)工程等進行元件分離。

接著，為了表面之保護，進行SOI層3之表面約15nm之氧化處理，如圖1C、2C所示形成厚度約30nm之二氧化矽膜4，之後，藉由背面洗淨除去矽基板1背面形成之二氧化矽。二氧化矽膜4，不僅可減輕其後之製程被導入的離子注入時基板受到之損傷，亦可抑制活化熱處理時雜質之貫穿大氣中。背面形成之二氧化矽膜4未必一定要除去，不除去時，在後述除去支撐矽基板1之一部分的工程時，需要加上藉由乾蝕刻進行背面形成之二氧化矽膜4之圖案化製程之工程。因此，本實施形態中，背面形成之二氧化矽膜藉由簡單之洗淨工程加以除去。又，二氧化矽膜4未必一定要藉由熱氧化製程而形成，亦可使用CVD等裝置，藉由僅於表面沈積之工程而形成。

接著，全面沈積100nm厚度之氮化矽5之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行異方性乾蝕刻，加工氮化矽5成為圖1D、2D所示形狀。如圖1D所示，氮化矽5亦形成於矽基板1之背面。

接著，藉由洗淨工程以及使用氟酸的濕蝕刻，除去開口部存在之表面之二氧化矽4之後，進行氧化處理薄膜化SOI層3而形成薄膜矽6，同時設為表面形成有熱氧化膜7的圖1E、2E所示狀態。於該工程，以氮化矽5作為氧化時之遮罩材料使SOI層3局部氧化。其中，氧化前除去表面之二氧化矽4之一部分，係考慮到經由洗淨工程而產生於二氧化矽4之損傷。損傷之膜殘留狀態下進行氧化工程時，矽會被不均勻氧化而產生膜厚之變動。欲形成原子層、數層之極薄矽膜時，需要排除該變動產生之原因。調整氧化溫度及氧化時間使薄膜矽6之膜厚成為10nm，結果被形成的熱氧化膜7約60nm。未被氧化之厚的SOI3，於圖1E所示狀態為40nm，因此厚的SOI3與薄膜矽6之膜厚比約為4：1。該程度之膜厚比時，膜厚急速變化之局部氧化施加於邊緣部分的應力引起之變形不致於成為問題。膜厚比大於其以上時，應力更增大，由於邊緣部分有可能產生SOI基板之破壞。本實施形態中，為抑制該元件之破壞，對製造工程採取對策，將氧化工程分為2次，以使SOI3之膜厚緩慢變化。

接著，藉由洗淨工程以及熱磷酸的濕蝕刻，除去氮化矽5，設為圖1F、2F所示狀態。

接著，藉由離子注入將雜質導入SOI3中之所要區域。此時利用二氧化矽4與熱氧化膜7之膜厚差設為雜質幾乎不被導入薄膜矽6。此乃因為，於發光部殘留高濃度雜質時該雜質會成為非發光再度結合中心，而降低發光效率，因此發光部分之雜質濃度較低為較好。結果，薄膜矽6之雜質濃度約成為1×10¹⁵ /cm³ 。

關於雜質注入，首先，藉由使用微影成像技術之阻劑圖案，僅於特定區域殘留阻劑之後，以摻雜量1×10¹⁵ /cm² 進行BF₂ 離子之離子注入，於SOI層3中形成p型Si電極8。接著，除去阻劑之後，再度藉由使用微影成像技術之阻劑圖案，僅於特定區域殘留阻劑之後，以摻雜量1×10¹⁵ /cm² 進行P(磷)離子之離子注入，於SOI層3中形成n型Si電極9。此時之狀態設為圖1G、2G(1)所示狀態。圖2G(1)所示為由上部觀察到的最表面之膜之圖，其中離子注入之模樣無法辨明，因而於圖2G(2)表示二氧化矽膜4之下部模樣。實際上，製造工程中使用光學顯微鏡檢測結果可以確認，二氧化矽膜4為玻璃，可以透過觀察到，如圖2G(2)所示，以稍微不同顏色呈現的被注入有不同雜質之區域。

於該離子注入工程，被注入有離子部分的SOI層3被設為非晶質化，結晶性變差。其中，雖未圖示，但重要者為，僅SOI層3之表面被非晶質化，在SOI層3與BOX2鄰接之區域乃然殘留結晶矽。離子注入之加速電壓設為過高時，被注入有離子區域的SOI層3全部會被設為非晶質化，即使之後進行退火處理亦無法回復單結晶性，而存在成為多結晶之間題。設為本實施形態設定之離子注入條件，則在和BOX2鄰接之區域會殘留結晶矽，藉由離子注入後之活化熱處理等可以回復結晶性。欲有效發光時極為重要者在於良好之單結晶性。接著，於900℃氮環境中進行20分之退火處理使雜質活化之同時，回復SOI層3之結晶性。

接著，全面沈積100nm厚度之氮化矽10之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行異方性乾蝕刻加工氮化矽10成為圖1H、2H所示形狀。如圖1H所示，氮化矽10亦形成於矽基板1之背面。其中重要者為，被圖案化後之氮化矽10之邊緣之一部分存在於熱氧化膜7上。如上述說明，此乃為減少氧化工程產生之應力引起之變形，而將氧化工程引起之空間上的SOI層3之膜厚變化設為緩慢。本實施形態中，自被圖案化後之氮化矽5之邊緣至氮化矽10之邊緣為止的距離設為分離1μm。

接著，藉由使用洗淨工程以及氟酸的濕蝕刻，除去開口部存在之表面之二氧化矽7，設為圖1I及2I所示狀態。如上述說明，在氧化工程之前除去薄膜矽6之上部存在的二氧化矽7，目的在於不想在殘留受損之膜之狀態下進行氧化工程。

接著，藉由進行氧化處理使薄膜矽6更薄膜化而形成極薄矽11，同時設為表面形成有熱氧化膜12的圖1J及2J所示狀態。於該工程，以氮化矽10作為氧化時之遮罩材料使薄膜矽6局部氧化而形成更薄的極薄矽11。調整氧化溫度及氧化時間使極薄矽11之膜厚成為2.0nm。此時，薄膜矽6與極薄矽11之膜厚比約為10：2=5：1。此乃因為，和上述厚的SOI3與薄膜矽6之膜厚比、亦即約4：1為相同程度，不會因為變形之增大導致元件破壞，可以高良品率形成極薄矽11。如上述說明，藉由將SOI層3之局部氧化工程分為2次，可使SOI3之膜厚呈現空間上之緩慢變化。藉由同樣之製程(process)亦可作成極薄矽11之膜厚為1.5及1.0nm之元件。

接著，藉由洗淨工程以及熱磷酸的濕蝕刻，除去氮化矽10，設為圖1K及2K所示狀態。

接著，為了表面之保護，沈積50nm之二氧化矽膜13，設為圖1L及2L所示狀態。但是，該二氧化矽膜13，若使該工程後進行之圖案化氮化矽14用的乾蝕刻之製程條件最佳化時，可以不用沈積。形成二氧化矽膜13之優點為，進行氮化矽14之圖案化時即使施加過蝕刻(over etching)時亦不會造成極薄矽11之損傷。反之，形成二氧化矽膜13之缺點為，被閉鎖於導波路的光和成為量子阱的極薄矽11之間的結合會稍微變小。

接著，全面沈積氮化矽14之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行異方性乾蝕刻，加工氮化矽14成為圖1M及2M所示狀態。如圖2M所示，由上部觀察時，氮化矽14被圖案化成為島形狀。氮化矽14作為導波路兼鏡部的成為光共振器之功能。光於島形狀氮化矽14之間邊反射邊進行，因此光之導波方向成為連結島與島的直線狀。欲使有效發揮鏡部之功能，氮化矽14之寬度被設計為氮化矽中之光波長之約1/4。

又，島與島之間的間隔物之間隔，被設計為之後沈積的二氧化矽膜15中之光波長之約1/4。更詳言之為，假設發光波長為850nm，氮化矽14之導波路部分之有效折射率約1.78，則島之寬度設計成為119nm。另外，假設二氧化矽膜15中被填埋部分之導波路之有效折射率約1.41，發光波長為850nm時之氮化矽14之島與島之間的間隔設計成為151nm。和氮化矽14構成之島之導波方向垂直的方向的橫寬設為1μm。於圖2M，為簡化而僅有數個氮化矽14構成之島之數被圖示，實際上卻形成極多之島。更詳言之為，共振長、亦即島之下端至島之上端為止的距離設為100μm，因此100÷(0.119+0.151)≒370.37，因此島之數形成370個。共振長為1mm之元件，其島之數形成3703個。

接著，使用CVD裝置，於基板表面全面沈積1μm之二氧化矽15，設為圖1N及2N所示形狀。如上述說明，氮化矽14之島與島之間的間隔藉由二氧化矽15被填埋。CVD之製程不僅具有凹凸之構造上面，就連側面亦被沈積，因此在連結氮化矽14之島與島的直線狀被沈積更多二氧化矽15。結果，氮化矽14與二氧化矽15被以1/4波長間隔交互配置而成的導波路兼鏡部構造被形成。二氧化矽15之膜厚設為在後續工程進行之矽基板1之局部蝕刻乃可以保有機械強度。BOX2之膜厚可設為1μm以上時，二氧化矽15之膜厚可以薄至數100nm程度。

接著，藉由微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行使用氟酸之濕蝕刻，如圖1O、2O所示狀態，於二氧化矽15之一部分形成開口部16。

接著，全面沈積TiN及Al之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用包含磷酸、醋酸、及硝酸的蝕刻溶液進行Al之濕蝕刻，之後，使用包含氨與過氧化氫(雙氧水)的蝕刻溶液進行TiN之濕蝕刻，加工成為圖1P、2P所示狀態，圖案化而形成TiN電極17及Al電極18。之後，於400℃溫度進行氫退火處理，進行使製程中產生之缺陷以氫加以終結的處理。

如上述說明，BOX2之膜厚為1μm以上時，元件形成工程被完成。如本實施形態般，BOX2之膜厚較1μm程度為薄時，接著，移至局部除去支撐矽基板1的工程。

首先，於表面塗敷有機物質構成之保護膜(未圖示)之後，對矽基板1之背面側，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用乾蝕刻進行異方性蝕刻，進行氮化矽膜14之圖案化。此時，欲局部除去氮化矽膜14正下方存在之矽基板1，而進行和表面圖案間之定位之同時，進行背面側之微影成像。此種加工為作成MEMS(Micro Electro Mechanical System)等時被使用之一般方法。之後，藉由使用鹼性蝕刻溶液之異方性蝕刻，於矽基板1之所要部分形成開口部19之後，使用丙酮及甲醇進行表面之有機洗淨，除去上述有機保護膜(未圖示)，加工成為圖1Q及2Q所示狀態。於圖2Q亦圖示背面開口部分22之位置。

作為本實施形態中使用異方性濕蝕刻除去支撐基板之一部分之取代，亦可使用形成SON(silicon-on-nothing)基板之習知技術、亦即於氫環境中之退火處理或氫等之離子注入等之製程，來除去支撐矽基板之一部分。

接著，於背面側全面蒸鍍介電體20及冷卻用電極21，加工成為圖1R及2R所示狀態，完成矽雷射元件。本實施形態中，介電體20之材料雖使用厚度1μm之二氧化矽，但亦可使用其他介電材料例如氮化矽、鋁氮化物、氧化鋁、氧化鉿等。特別是使用鋁氮化物之優點在於，不僅可減少介電體之光損，亦可有效放出發光元件產生之熱。本實施形態中，冷卻用電極21係使用鋁。其中，於圖2Q，薄膜矽6、熱氧化膜7、p型Si電極8、n型Si電極9、極薄矽11及氮化矽膜14，本來存在於二氧化矽15之下，不存在於最表面，但於完成圖為容易辨識而予以表示。另外，於圖2Q亦圖示背面開口部分32。

作成光積體電路時，之後，施予所要之配線工程，進行將形成於同一基板上的CMOS積體電路等，連結於作成之矽雷射元件的工程。又，作成CMOS電路時，在作成本實施形態之矽雷射之前，事先作成CMOS電路亦可。反之，作成矽雷射元件之後，作成CMOS電路亦可。另外，本實施形態之配線工程等，亦可和CMOS電路之配線工程同時進行。積體電路作成時，關於作成工程之順序可有多種變形。

作成之矽雷射，係於設計波長約850nm振盪，經由光譜解析發現為單一模態。此乃因為，本發明之矽雷射構成為分布回授型(Distributed Feed-Back)構造，可以選擇性增強由鏡部之週期構造所決定之波長。欲更確實實現單一模態型，可以使氮化矽14之導波路構造成為最佳化，而使中心附近之光之相位偏移1/4波長。雷射光對於矽基板1由水平方向射出，因此亦可以證實最適合單晶片上之光配線等之用途。又，對作成之元件進行局部應力測定映射結果發現，藉由矽膜厚對於基板之水平方向呈階段狀變化，應力不致於集中在端部，可於空間呈圓滑分布。另外，和成為發光部的極薄矽11鄰接，而形成膜厚稍大的薄膜矽6，如此則，具有減低元件外部電阻之效果。

(第2實施形態)

本實施形態揭示，作為鏡部構造而使用分布布雷格反射型(Distributed Bragg Reflector，以下略稱DBR)之矽雷射及其製造方法。

圖1A～1G及圖3H～3M表示製造工程順序之斷面構造。圖2A～2G(2)及圖4H～4M表示由基板上部觀察的製造工程順序之模式圖。其中，圖1A～1G及圖3H～3M分別為圖2A～2G(2)及圖4H～4M的橫向斷面圖。例如圖3M表示沿著圖4M的斷面33切斷時之構造。本實施形態之元件之完成圖為圖3M及圖4M。

首先，藉由和第1實施形態相同之製造工程，依據圖1A～1G及圖2A～2G(2)所示製造工程順序，作成元件，形成薄膜矽6之後，進行雜質離子注入，施予活化熱處理，加工成為形成有p型Si電極8及n型Si電極9的圖1G及圖2G(2)所示狀態。

接著，藉由洗淨工程以及使用氟酸的濕蝕刻，除去表面之熱氧化膜7及二氧化矽4，加工成為圖3H及圖4H所示狀態。藉由除去表面之熱氧化膜7，可以緩和施加於薄膜矽6之應力，可防止變形引起之元件破壞。

之後，進行氧化處理使薄膜矽6更為薄膜化而形成極薄矽11，同時設為表面形成有熱氧化膜12的圖3I及4I所示狀態。調整氧化溫度及氧化時間使極薄矽11之膜厚成為2.0nm。又，熱氧化膜12之膜厚為16.0nm。

接著，全面沈積氮化矽之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行異方性乾蝕刻，對氮化矽進行圖案化，而成為形成有導波路30及DBR鏡部31的圖3J及4J所示形狀。如圖4J所示，由上部觀察時，DBR鏡部31被圖案化為島形狀。光沿著導波路30前進而被配置在端面的DBR鏡部31反射，因此導波路30與DBR鏡部31合為光共振器之功能。DBR鏡部31中之氮化矽寬度設計成為氮化矽中之光波長之約1/4。

又，氮化矽之島與島之間的間隔物之間隔，被設計為之後沈積的二氧化矽膜15中之光波長之約1/4。更詳言之為，假設發光波長為850nm，氮化矽之導波路部分之有效折射率約1.78，則島之寬度設計成為119nm。另外，假設二氧化矽膜15中被填埋部分之導波路之有效折射率約1.41，發光波長為850nm時之氮化矽之島與島之間的間隔物間隔設計成為151nm。和氮化矽構成之島之導波方向垂直的方向的橫寬設為1μm。於圖2M，為簡化而僅有數個氮化矽構成之島之數被圖示，實際上卻形成100個之島。成為共振長之導波路30之長度設為500μm，寬設為1μm。

接著，使用CVD裝置，於基板表面全面沈積1μm之二氧化矽15，設為圖3K及4K所示狀態。如上述說明，DBR鏡部31中之氮化矽之島與島之間的間隔物，係藉由二氧化矽15被填埋。

接著，藉由微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行使用氟酸之濕蝕刻，於二氧化矽15之一部分形成開口部16。接著，全面沈積TiN及Al之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用包含磷酸、醋酸、及硝酸的蝕刻溶液進行Al之濕蝕刻，之後，使用包含氨與過氧化氫(雙氧水)的蝕刻溶液進行TiN之濕蝕刻。圖案化而形成TiN電極17及Al電極18，加工成為圖3L及4L所示狀態。之後，於400℃溫度進行氫退火處理，進行使製程中產生之缺陷以氫加以終結的處理。

接著，於表面塗敷有機物質構成之保護膜(未圖示)之後，對矽基板1之背面側，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用乾蝕刻進行異方性蝕刻，進行氮化矽膜14之圖案化。此時，欲局部除去氮化矽膜14正下方存在之矽基板1，而進行和表面圖案間之定位之同時，進行背面側之微影成像。之後，藉由使用鹼性蝕刻溶液之異方性蝕刻，於矽基板1之所要部分形成開口部19之後，使用丙酮及甲醇進行表面之有機洗淨，除去上述有機保護膜(未圖示)。接著，於背面側全面蒸鍍介電體20及冷卻用電極21，加工成為圖3M及4M所示狀態，完成矽雷射元件。其中，於圖4M，p型Si電極8、n型Si電極9、極薄矽11、導波路30及DBR鏡部31，本來存在於二氧化矽15之下，不存在於最表面，但於完成圖為容易辨識而予以表示。

作成之矽雷射，係於設計波長約850nm振盪，經由其之光譜解析發現為單一模態。此乃因為，欲選擇性增強由DBR鏡部之週期構造所決定之波長。欲使此種DBR鏡部於第5實施形態之圖9M所示上下方向以積層膜形成時，需要將氮化矽與二氧化矽之層之對(pair)重疊積層約數10～100對，但因為矽製程技術本屬於平面技術(planar technology)，可以容易以平面狀作成鏡部。實際上，如本實施形態之揭示，可藉由氮化矽之圖案化與其後之二氧化矽沈積等簡單之製程，而作成高效率之DBR鏡部。

(第3實施形態)

本實施形態揭示DFB型矽雷射及其製造方法。

圖1A～1G及圖5H～5K表示製造工程順序之斷面構造。圖2A～2G(2)及圖6H～6K表示由基板上部觀察的製造工程順序之模式圖。其中，圖1A～1G及圖5H～5K分別為圖2A～2G(2)及圖6H～6K的橫向斷面圖。例如圖5K表示沿著圖6H的斷面42切斷時之構造。本實施形態之元件之完成圖為圖3M及圖4M。

接著，藉由洗淨工程以及使用氟酸的濕蝕刻，除去表面之熱氧化膜7及二氧化矽4，加工成為圖5H及圖6H所示狀態。

之後，進行氧化處理使薄膜矽6更為薄膜化而形成極薄矽11，同時設為表面形成有熱氧化膜12的圖5I及6I所示狀態。調整氧化溫度及氧化時間使極薄矽11之膜厚成為2.0nm。又，熱氧化膜12之膜厚為16.0nm。

接著，全面沈積氮化矽之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行異方性乾蝕刻，對氮化矽40進行圖案化，而成為圖5J及6J所示狀態。氮化矽40成為導波路兼具鏡部功能的光共振器。其中，成為共振長的氮化矽40之長度，被設為500μm。又，氮化矽40，被設為粗部分與細部分交互重複而成之背骨構造。氮化矽40之粗部分設為2μm，細部分設為1μm。又，相對於導波路內被閉鎖的光之進行方向，氮化矽40之粗部分與細部分之長度均設計成為導波路中之光波長之1/4。更詳言之為，假設發光波長為850nm，氮化矽40之導波路部分之有效折射率約1.76，則氮化矽40之粗部分與細部分之長度均被設計成為121nm。

接著，藉由微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行使用氟酸之濕蝕刻，於熱氧化膜12之一部分形成開口部。接著，全面沈積TiN及Al之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用包含磷酸、醋酸、及硝酸的蝕刻溶液進行Al之濕蝕刻，之後，使用包含氨與過氧化氫(雙氧水)的蝕刻溶液進行TiN之濕蝕刻。圖案化而形成TiN電極17及Al電極18。之後，於400℃溫度進行氫退火處理，進行使製程中產生之缺陷以氫加以終結的處理。接著，於表面塗敷有機物質構成之保護膜(未圖示)之後，對矽基板1之背面側，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用乾蝕刻進行異方性蝕刻，進行氮化矽14之圖案化。此時，欲局部除去氮化矽14正下方存在之矽基板1，而進行和表面圖案間之定位之同時，進行背面側之微影成像。之後，藉由使用鹼性蝕刻溶液之異方性蝕刻，於矽基板1之所要部分形成開口部19之後，使用丙酮及甲醇進行表面之有機洗淨，除去上述有機保護膜(未圖示)。接著，於背面側全面蒸鍍介電體20及冷卻用電極21，加工成為圖5K及6K所示狀態，完成矽雷射元件。其中，於圖6K，p型Si電極8、n型Si電極9、極薄矽11，本來存在於熱氧化膜12之下，不存在於最表面，但於完成圖為容易辨識而予以表示。

作成之矽雷射，係於設計波長約850nm振盪，經由其之光譜解析發現為單一模態。此乃因為，選擇性增強由矽雷射元件之氮化矽40之粗部分與細部分交互重複而成之背骨之週期構造所決定之波長。

如上述說明，將粗細不同之氮化矽40交互連結實際上可以有效變化導波路中之折射率。特別是氮化矽40之側面鄰接於空氣時，折射率約2.0之氮化矽與折射率約1.0之空氣之間，可以確保約1.0之較大折射率，因此對導波路中之光可提供大的調變。結果，可以獲得和導波路中週期性配置鏡部者同樣之效果，可以提供大的分布回授效果。結果，第1實施形態所揭示藉由氮化矽與二氧化矽之週期構造而達成的鏡部效果，可以僅以單一材料之氮化矽予以實現。因此，本實施形態中，不必使用第1實施形態所使用之二氧化矽(亦即層間絕緣膜)15。反而，本實施形態中，因為利用氮化矽40與空氣之折射率差而具有較佳性能，因而較好是於氮化矽40之周邊不存在層間絕緣膜。

(第4實施形態)

本實施形態揭示，藉由2個閘極可以控制電流値與雷射振盪的DFB型矽雷射及其製造方法。

圖1A～1G及圖7H～7L表示製造工程順序之斷面構造。圖2A～2G(2)及圖8H～8L表示由基板上部觀察的製造工程順序之模式圖。其中，圖1A～1G及圖7H～7L分別為圖2A～2G(2)及圖8H～8L的橫向斷面圖。例如圖7L表示沿著圖8L的斷面54切斷時之構造。本實施形態之元件之完成圖為圖7L及圖8L。

接著，藉由洗淨工程以及使用氟酸的濕蝕刻，除去表面之熱氧化膜7及二氧化矽4，加工成為圖7H及圖8H所示狀態。

之後，進行氧化處理使薄膜矽6更為薄膜化而形成極薄矽11，同時設為表面形成有熱氧化膜12的圖7I及8I所示狀態。調整氧化溫度及氧化時間使極薄矽11之膜厚成為2.0nm。又，熱氧化膜12之膜厚為16.0nm。

接著，全面沈積多晶矽50，設為圖7J及圖8J所示狀態。

接著，藉由使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，於多晶矽50中，以摻雜量1×10¹⁵ /cm² 進行BF₂ 離子之離子注入。接著，除去阻劑之後，再度藉由使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，於多晶矽50中，以摻雜量1×10¹⁵ /cm² 進行P(磷)離子之離子注入。之後，於900℃之氮環境中進行20分之氫退火處理，使注入之離子活化。接著，藉由使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用異方性乾蝕刻對多晶矽50進行圖案化，而作成p型多晶矽電極51及n型多晶矽電極52。

接著，全面沈積氮化矽之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行異方性乾蝕刻，進行氮化矽40之圖案化，成為圖7K及8K所示狀態。氮化矽40成為導波路兼具鏡部功能的光共振器。其中，成為共振長的氮化矽40之長度，被設為500μm。又，氮化矽40，被設為粗部分與細部分交互重複而成之背骨構造。氮化矽40之粗部分設為2μm，細部分設為1μm。又，相對於導波路內被閉鎖的光之進行方向，氮化矽40之粗部分與細部分之長度均設計成為導波路中之光波長之1/4。更詳言之為，假設發光波長為850nm，氮化矽40之導波路部分之有效折射率約1.76，則氮化矽40之粗部分與細部分之長度均被設計成為121nm。

接著，藉由微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行使用氟酸之濕蝕刻，於熱氧化膜12之一部分形成開口部。接著，全面沈積TiN及Al之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用包含磷酸、醋酸、及硝酸的蝕刻溶液進行Al之濕蝕刻，之後，使用包含氨與過氧化氫(雙氧水)的蝕刻溶液進行TiN之濕蝕刻。結果，圖案化而形成TiN電極17及Al電極18。之後，於400℃溫度進行氫退火處理，進行使製程中產生之缺陷以氫加以終結的處理。接著，於表面塗敷有機物質構成之保護膜(未圖示)之後，對矽基板1之背面側，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用乾蝕刻進行異方性蝕刻，進行氮化矽膜14之圖案化。此時，欲局部除去氮化矽膜14正下方存在之矽基板1，而進行和表面圖案間之定位之同時，進行背面側之微影成像。之後，藉由使用鹼性蝕刻溶液之異方性蝕刻，於矽基板1之所要部分形成開口部19之後，使用丙酮及甲醇進行表面之有機洗淨，除去上述有機保護膜(未圖示)。接著，於背面側全面蒸鍍介電體20及冷卻用電極21，加工成為圖7L及8L所示狀態，完成矽雷射元件。其中，於圖7L，p型Si電極8、n型Si電極9、極薄矽11，本來存在於熱氧化膜12之下，不存在於最表面，但於完成圖為容易辨識而予以表示。於圖7L亦圖示由上部觀察時之背面開口部分53。

作成之矽雷射，係於設計波長約850nm振盪，經由其之光譜解析發現為單一模態。此乃因為，選擇性增強由矽雷射元件之氮化矽40之粗部分與細部分交互重複而成之背骨之週期構造所決定之波長。又，閘極電壓施加前之雷射振盪必要之臨限値電流値為50mA。藉由對p型多晶矽電極51施加+5V，對n型多晶矽電極52施加-5V之電壓，可將臨限値電流値減低為10mA。此乃因為，藉由閘極電壓施加，電子與電洞有效被閉鎖於共振器內。對p型多晶矽電極51施加正電壓時，熱氧化膜12作為閘極絕緣膜之功能，可使p型多晶矽電極51正下方之極薄矽11之電洞密度上升。同樣地，對n型多晶矽電極52施加負電壓時，熱氧化膜12作為閘極絕緣膜之功能，可使n型多晶矽電極52正下方之極薄矽11之電子密度上升。在對p型多晶矽電極51施加正電壓之同時，對n型多晶矽電極52施加負電壓狀態下，於p型Si電極8與n型Si電極9之間施加順向電壓時，和未施加閘極電壓之情況比較，可流入大的順向電流。另外，由p型Si電極8被注入之電洞，難以流至n型多晶矽電極52正下方，而被閉鎖於氮化矽40正下方之共振器內部。同樣地，由n型Si電極9被注入之電子，難以流至p型多晶矽電極51正下方，而被閉鎖於氮化矽40正下方之共振器內部。

藉由導入此種載子閉鎖機構，可提升再度結合效率，可實現更容易發光之構造。又，藉由時間性調變施加於閘極之電壓，可以直接調變由矽雷射產生之雷射光強度。可藉由電壓直接調變雷射，因此本發明之矽雷射，具有和電壓驅動方式之CMOS電路良好之相容性。

(第5實施形態)

本實施形態揭示，VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)矽雷射及其製造方法。

圖1A～1G及圖9H～9M表示製造工程順序之斷面構造。圖2A～2G(2)及圖10H～10M表示由基板上部觀察的製造工程順序之模式圖。其中，圖1A～1G及圖9H～9M分別為圖2A～2G(2)及圖10H～10M的橫向斷面圖。例如圖9L表示沿著圖10L的斷面52切斷時之構造。本實施形態之元件之完成圖為圖9M及圖10M。

接著，藉由洗淨工程以及使用氟酸的濕蝕刻，除去表面之熱氧化膜7及二氧化矽4，加工成為圖9H及圖10H所示狀態。

之後，進行氧化處理使薄膜矽6更為薄膜化而形成極薄矽11，同時設為表面形成有熱氧化膜12的圖9I及10I所示狀態。調整氧化溫度及氧化時間使極薄矽11之膜厚成為2.0nm。又，熱氧化膜12之膜厚為16.0nm。

接著，僅於矽基板1背面側全面沈積氮化矽60，設為圖9J及圖10J所示狀態。

接著，藉由微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後進行使用氟酸之濕蝕刻，於熱氧化膜12之一部分形成開口部。接著，全面沈積TiN及Al之後，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用包含磷酸，醋酸、及硝酸的蝕刻溶液進行Al之濕蝕刻，之後，使用包含氨與過氧化氫(雙氧水)的蝕刻溶液進行TiN之濕蝕刻。結果，圖案化而形成TiN電極17及Al電極18。之後，於400℃溫度進行氫退火處理，進行使製程中產生之缺陷以氫加以終結的處理，設為圖9K及圖10K所示狀態。本實施形態之VCSEL矽雷射，係將厚絕緣體構成之DBR鏡部形成於上下，因此較好是於此階段進行對CMOS元件之配線或外部取出，進行對焊墊電極之配線(未圖示)。就物理性而言，之後形成配線並非不可能，但須蝕刻厚絕緣膜，較為不好。

接著，於表面塗敷有機物質構成之保護膜(未圖示)之後，對矽基板1之背面側，使用微影成像技術進行阻劑之圖案化，僅於特定區域殘留阻劑之後，使用乾蝕刻進行異方性蝕刻，進行氮化矽14之圖案化。此時，欲局部除去氮化矽14正下方存在之矽基板1，而進行和表面圖案間之定位之同時，進行背面側之微影成像。之後，藉由使用鹼性蝕刻溶液之異方性蝕刻，於矽基板1之所要部分形成開口部19之後，使用丙酮及甲醇進行表面之有機洗淨，除去上述有機保護膜(未圖示)，加工成為圖9L及10L所示狀態。於圖10L亦圖示背面開口部分63。

之後，僅於背面側沈積二氧化矽61。二氧化矽61與BOX2合計之膜厚成為共振器長度，因此設定二氧化矽61之膜厚，以使共振器長度成為二氧化矽中之光之波長之一半之整數倍，如此則，可以使光有效閉鎖。例如極薄矽11之膜厚為2.0nm時，發光波長之峰値約850nm，因此，可以設計共振器長度為850÷1.45÷2≒293nm。本實施形態中使用之SOI基板之BOX2層之厚度為150nm，因此，二氧化矽61之膜厚為143nm。

接著，於矽基板1之上下形成DBR鏡部62。DBR鏡部62，係藉由交互積層重疊氮化矽與二氧化矽之層而作成。氮化矽與二氧化矽之膜厚設計為個別膜中之光之波長之1/4。例如極薄矽11之膜厚為2.0nm時，發光波長之峰値約850nm，因此，設計氮化矽之膜厚為850÷2.0÷4≒106nm，設計二氧化矽之膜厚為850÷1.45÷4≒147nm。氮化矽與二氧化矽之層數，以氮化矽層與二氧化矽層之組合為1對而形成100對，加工成為圖9M及圖10M所示狀態。僅於矽基板1之表面側蒸鍍端面反射用金屬(未圖示)，而使雷射光僅由矽基板1之背面側發出。金屬係使用鋁。

如此作成之VCSEL矽雷射，係於設計波長約850nm振盪，經由其之光譜解析發現為單一模態。此乃因為選擇性增強由DBR鏡部62之構造所決定之波長。又，雷射光由矽基板1之垂直方向發出，因此，可以有效作為連接積層晶片間的光配線用途。

(發明效果)

本發明之代表性效果簡單說明如下。

依據本發明可以便宜提供，在矽等之基本上，使用通常之矽製程可以容易形成之矽雷射。

1．．．矽基板

2．．．填埋氧化膜

3．．．SOI(Silicon On Insulator)

4．．．二氧化矽

5．．．氮化矽

6．．．薄膜矽

7．．．熱氧化膜

8．．．p型Si電極

9．．．n型Si電極

10．．．氮化矽

11．．．極薄矽

12．．．熱氧化膜

13、15．．．二氧化矽

14．．．氮化矽

16、19．．．開口部

17．．．TiN電極

18．．．Al電極

20．．．介電體

21．．．冷卻用電極

22、32、41、53、63．．．背面開口部分

30．．．導波路

31、62．．．DBR(Distributed Bragg Reflector)鏡部

33、42、54．．．斷面

40、60．．．氮化矽

50．．．多晶矽

51p．．．型多晶矽電極

52n．．．型多晶矽電極

61．．．二氧化矽

圖1A為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1B為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1C為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1D為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1E為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1F為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1G為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1H為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1I為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1J為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1K為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1L為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1M為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1N為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1O為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1P為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1Q為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖1R為本發明第1實施形態之矽雷射之完成斷面圖。

圖2A為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2B為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2C為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2D為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2E為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2F為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2G(1)、2G(2)為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2H為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2I為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2J為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2K為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2L為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2M為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2N為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2O為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2P為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2Q為本發明第1實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖2R為本發明第1實施形態之矽雷射之由上部觀察之完成圖。

圖3H為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖3I為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖3J為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖3K為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖3L為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖3M為本發明第2實施形態之矽雷射之完成斷面圖。

圖4H為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖4I為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖4J為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖4K為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖4L為本發明第2實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖4M為本發明第2實施形態之矽雷射之由上部觀察之完成圖。

圖5H為本發明第3實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖5I為本發明第3實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖5J為本發明第3實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖5K為本發明第3實施形態之矽雷射之完成斷面圖。

圖6H為本發明第3實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖6I為本發明第3實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖6J為本發明第3實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖6K為本發明第3實施形態之矽雷射之由上部觀察之完成圖。

圖7H為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖7I為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖7J為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖7K為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖7L為本發明第4實施形態之矽雷射之完成斷面圖。

圖8H為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖8I為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖8J為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖8K為本發明第4實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖8L為本發明第4實施形態之矽雷射之由上部觀察之完成斷面圖。

圖9H為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖9I為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖9J為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖9K為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖9L為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之斷面圖。

圖9M為本發明第5實施形態之矽雷射之完成斷面圖。

圖10H為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖10I為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖10J為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖10K為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖10L為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之圖。

圖10M為本發明第5實施形態之矽雷射之製造工程順序之由上部觀察之完成圖。