(57)【要約】【課題】シリコン導波路を利用した赤外線検出器を実用的に用いることができるようにする。【解決手段】単結晶シリコンからなる、リブ部１２１とリブ部１２１の両脇に形成されたスラブ部１２２およびスラブ部１２３とを有するリブ型のコア層１０２とを備え、加えて、リブ部１２１の断面方向の中央部に形成されたループ型結晶欠陥１２４を備える。リブ部１２１に備えるループ型結晶欠陥１２４において光を吸収してキャリアをし、生成したキャリアを、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４に逆バイアスを印加することにより、外部回路に取り出す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層の上に形成され、単結晶シリコンからなる、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第１スラブ部および第２スラブ部とを備えるリブ型のコア層と、
前記第１スラブ部に接続するｐ型不純物領域と、
前記第２スラブ部に接続するｎ型不純物領域と、
前記リブ部の断面方向の中央部に形成されたループ型結晶欠陥と、
前記コア層を覆う上部クラッド層と、
前記ｐ型不純物領域に接続する第１電極と、
前記ｎ型不純物領域に接続する第２電極と
を少なくとも備えることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
下部クラッド層の上に、単結晶シリコンからなる、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第１スラブ部および第２スラブ部とを備えるリブ型のコア層を形成する工程と、
前記第１スラブ部に接続するｐ型不純物領域を形成する工程と、
前記第２スラブ部に接続するｎ型不純物領域を形成する工程と、
前記リブ部を含む前記第１スラブ部および前記第２スラブ部の一部領域にイオン注入によりシリコンの非晶質領域を形成し、熱処理により前記非晶質領域を再結晶化させることで前記リブ部にループ型結晶欠陥を形成する工程と、
前記コア層を覆う上部クラッド層を形成する工程と、
前記ｐ型不純物領域に接続する第１電極を形成する工程と、
前記ｎ型不純物領域に接続する第２電極を形成する工程と
を少なくとも備え、
前記シリコンの非晶質領域の形成は、シリコンがｐ型およびｎ型の導電形を示さない元素のイオン注入で行う
ことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の赤外線検出器の製造方法において、
前記シリコンの非晶質領域の形成は、希ガス元素、シリコン、およびゲルマニウムの中より選択された元素のイオン注入で行う
ことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【請求項４】
請求項２または３記載の赤外線検出器の製造方法において、
前記非晶質領域の再結晶化は、６００〜１０００℃の範囲の熱処理で行う
ことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リブ型のシリコン導波路より構成された赤外線検出器およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンをコアに用いた導波路は、一般に、シリコン酸化膜をクラッド層に用いており、これらの間の屈折率差は約０．４と、石英系導波路に比べて数１０倍大きく、屈折率差による大きな閉じ込め効果が特徴となっている。このようなシリコンよりなる光導波路では、光通信用の波長１．５５μｍ付近の光信号に対し、単一モード条件を満たすコアの断面寸法は、５００×２００ｎｍ程度となり、石英系導波路の数１００分の一の断面積となる。また、シリコン導波路は、高屈折率差のために数μｍの微小な曲げ半径が可能であり、微小な光集積回路の形成が可能となる。加えて、シリコンは、電子デバイスに最も一般的に用いられている半導体材料であり、シリコン導波路と電子デバイスとを組み合わせたオプトエレクトロニクスデバイスの開発もなされている。
【０００３】
ところで、上述したようなシリコン導波路を光通信システムの一部として組み込んで使用するためには、光検出器と結合して光を受光できるようにすることが重要となる。これを実現するための１つの方法として、リブ型としたシリコン導波路の両脇のスラブ部をｐ型およびｎ型半導体とし、光が伝搬するリブ部には格子欠陥を導入した導波路型受光構造が提案されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
通常、シリコンは、通信用の波長１．５５μｍ付近の光は透過して吸収しないので、この波長帯域での光検出器とはならない。しかしながら、アルゴンやヘリウムなどの希ガス元素、あるいはシリコンなどをイオン注入して格子欠陥を導入すると、格子欠陥（複空孔系格子欠陥）を導入した部分においては光を吸収してキャリアを生成する。このキャリアは、リブ部の両側のスラブ部のｐ型およびｎ型半導体に逆バイアスを印加することにより、外部回路に取り出すことが可能である。このように、上記構成としたリブ型シリコン導波路は、シリコンコアよりなる導波路を導波する赤外線の受光器としての動作が可能となる。
【０００５】
【非特許文献１】M.W.Geis, et al., "CMOS-Compatible All-Si High-Speed Waveguide Photodiode With High Responsivity in Near-Infrared Communication Band", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.19, No.3, pp.152-154, 2007.
【非特許文献２】William C. O'Mara, et al., "HANDBOOK OF SEMICONDUCTOR SILICON TECHNOLOGY",NOYES PUBLICATIONS, p555,1990.
【非特許文献３】M. Takahashi, et al., "Source/Drain Ion Implantation into Ultra-Thin-Single-Crystalline-Silicon-Layer of Separation by IMplanted OXygen (SIMOX) Wafers", Jpn. J. Appl. Phys., Vol.35, pp.5237-5241, 1996.
【非特許文献４】山田  浩治、他、「シリコンの非線形光学効果とその応用」、光学、（社）応用物理学会分科会  日本光学学会、第３７巻、第１号、２７−３４頁、２００８年．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述したような導波路による赤外線受光器（赤外線検出器）を実用化するためには、電気出力を得るための電極や、導波路の保護にもなる上部クラッド層の形成が重要となる。これらの形成では、通常、４００〜５００℃の高温処理がなされることになる。しかしながら、上述した赤外線検出器の機能の源である複空孔系格子欠陥は、４００℃程度の高温処理により消失してしまうため、赤外線検出器としての機能を大幅に損なってしまうことが知られている（非特許文献１参照）。このように、従来では、上述した構成の赤外線受光器は、実用的に用いることが容易ではないという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコン導波路を利用した赤外線検出器を実用的に用いることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る赤外線検出器は、下部クラッド層の上に形成され、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第１スラブ部および第２スラブ部とを備える単結晶シリコンからなるリブ型のコア層と、第１スラブ部に接続するｐ型不純物領域と、第２スラブ部に接続するｎ型不純物領域と、リブ部の断面方向の中央部に形成されたループ型結晶欠陥と、コア層を覆う上部クラッド層と、ｐ型不純物領域に接続する第１電極と、ｎ型不純物領域に接続する第２電極とを少なくとも備えるものである。
【０００９】
また、本発明に係る赤外線検出器の製造方法は、下部クラッド層の上に、リブ部とこのリブ部の両脇に形成された第１スラブ部および第２スラブ部とを備える単結晶シリコンからなるリブ型のコア層を形成する工程と、第１スラブ部にｐ型不純物領域を形成する工程と、第２スラブ部にｎ型不純物領域を形成する工程と、リブ部を含む第１スラブ部および第２スラブ部の一部領域にイオン注入によりシリコンの非晶質領域を形成し、熱処理により非晶質領域を再結晶化させることでリブ部にループ型結晶欠陥を形成する工程と、コア層を覆う上部クラッド層を形成する工程と、ｐ型不純物領域に接続する第１電極を形成する工程と、ｎ型不純物領域に接続する第２電極を形成する工程とを少なくとも備え、シリコンの非晶質領域の形成は、シリコンがｐ型およびｎ型の導電形を示さない元素のイオン注入で行うようにした方法である。
【００１０】
上記赤外線検出器の製造方法において、シリコンの非晶質領域の形成は、希ガス元素、シリコン、およびゲルマニウムの中より選択された元素のイオン注入で行うようにすればよい。また、非晶質領域の再結晶化は、６００〜１０００℃の範囲の熱処理で行えばよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、リブ部の断面方向の中央部にループ型結晶欠陥を形成するようにしたので、シリコン導波路を利用した赤外線検出器を実用的に用いることができるようなるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における赤外線検出器の構成例を模式的に示す断面図である。この赤外線検出器は、まず、下部クラッド層１０１と、この下部クラッド層１０１の上に形成され、リブ部１２１とリブ部１２１の両脇に形成されたスラブ部（第１スラブ部）１２２およびスラブ部（第２スラブ部）１２３とを有するリブ型のコア層１０２とを備える。例えば、リブ部１２１は、幅５００ｎｍ、高さ（厚さ）２００ｎｍとされている。また、スラブ部１２２，１２３は、例えば、厚さ５０〜１００ｎｍとされている。このようなリブ型のコア層１０２は、単結晶シリコンからなる。
【００１３】
また、本実施の形態における赤外線検出器は、スラブ部１２２に接続するｐ型不純物領域１０３と、スラブ部１２３に接続するｎ型不純物領域１０４とを備える。また、コア層１０２を覆う上部クラッド層１０５と、ｐ型不純物領域１０３に接続する電極（第１電極）１０６と、ｎ型不純物領域１０４に接続する電極（第２電極）１０７とを備える。
【００１４】
加えて、本実施の形態における赤外線検出器は、リブ部１２１の断面方向の中央部に形成されたループ型結晶欠陥１２４を備える。本実施の形態では、リブ部１２１に備えるループ型結晶欠陥１２４において光を吸収してキャリアをし、生成したキャリアを、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４に逆バイアスを印加することにより、外部回路に取り出す。
【００１５】
ここで、赤外線の検出について説明する。格子欠陥による赤外線受光の原理は、導入された格子欠陥によりシリコンのバンドギャップ内にエネルギー準位が形成され、このエネルギー準位を経由した、赤外線による荷電子帯電子の伝導体への励起と考えられている。特に、複空孔系格子欠陥は、バンドギャップのほぼ中央付近にエネルギー準位を形成し、シリコンのバンドギャップより低いエネルギーの赤外線に対し、ちょうどよい中間準位となっている。言い換えると、シリコン導波路を用いた赤外線検出では、シリコンのバンドギャップの中央付近にエネルギーを持つ格子欠陥を、コア（リブ部）に導入することが重要であるものと考えられる。
【００１６】
従って、シリコンのバンドギャップのほぼ中央にエネルギー準位を持ち、かつ、上部の各層の形成で加わる熱負荷に対しても安定な格子欠陥をコアに導入できれば、格子欠陥を導入した後に高温処理を経ても、赤外線検出の機能を損なうことなく、感度の大きな赤外線検出器が実現できる。このような条件を満たす格子欠陥として、転位や転位がリング状に形成された転位ループ（ループ型結晶欠陥）が考えられる。
【００１７】
シリコン中のループ型結晶欠陥は、単空孔や格子間原子などの一次欠陥が、６００℃以上の高温の熱処理により離合集散して形成されるものである。このため、少なくとも６００℃よりも低温では、安定な格子欠陥である。また、このようにして形成されるループ型結晶欠陥のエネルギー準位は、複空孔系格子欠陥と同様に、シリコンのバンドギャップのほぼ中央に位置する（非特許文献２参照）。従って、ループ型結晶欠陥１２４を用いることで、上部クラッド層１０５や電極１０６，１０７を形成する際に、４００〜５００℃の高温処理がなされても、感度の低下が抑制された実用的な赤外線検出器が実現できる。
【００１８】
次に、本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例について説明する。まず、図２の断面図に示すように、下部クラッド層１０１の上の単結晶シリコン層２０１に、リブ部１２１，スラブ部１２２，およびスラブ部１２３を備えるコア層１０２を形成する。例えば、下部クラッド層１０１は、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の埋め込み絶縁層であり、単結晶シリコン層２０１は、ＳＯＩ層である。この単結晶シリコン層２０１を、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、スラブ部１２２およびスラブ部１２３となる領域を選択的に除去し、図２の紙面の法線方向に延在して導波路のコアとなるリブ部１２１を形成する。
【００１９】
次に、図３の断面図に示すように、スラブ部１２２に接続するｐ型不純物領域１０３と、スラブ部１２３に接続するｎ型不純物領域１０４とを形成する。例えば、まず、ｐ型不純物領域１０３となる領域が開口したマスクパターンを形成し、ホウ素などのｐ型不純物をイオン注入する。また、ｎ型不純物領域１０４となる領域が開口したマスクパターンを形成し、リンなどのｎ型不純物をイオン注入する。次いで、イオン注入により生じた非晶質状態（結晶欠陥）の再結晶化、および導入した不純物原子の活性化のために、例えば、８００℃以上の温度でアニールを行う。これらのことにより、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４が形成される。
【００２０】
次に、図４の断面図に示すように、単結晶シリコン層２０１の上に、公知のフォトリソグラフィ技術により、開口部４０２を備えるレジストマスク層４０１を形成する。例えば、紫外線に感光するレジスト層を紫外線露光装置により露光して現像することで、レジストマスク層４０１が形成できる。また、電子線に感光するレジスト層を電子ビーム露光装置により露光して現像することで、レジストマスク層４０１を形成してもよい。
【００２１】
開口部４０２は、リブ部１２１の延在方向には赤外線検出の機能を発現させようとする領域が開口していればよい。また、開口部４０２は、延在方向に垂直な幅方向には、リブ部１２１を中心とした所定の領域が開口した状態とする。この、開口部４０２の開口幅は、リブ部１２１と同程度の幅、もしくは、リブ部１２１よりやや広い範囲とすればよい。
【００２２】
次に、レジストマスク層４０１をイオン注入制限用のマスクとし、開口部４０２に露出するリブ部１２１を含むスラブ部１２２およびスラブ部１２３の一部領域に、イオン注入を行う。例えば、１３０ｋｅＶのアルゴンイオンを２×１０14ｃｍ-2の密度で開口部４０２に露出す領域に照射すればよい。このイオン注入では、アルゴンやクリプトンなどの希ガス元素や、シリコンおよびゲルマニウムなどの元素を用いればよい。このイオン注入では、シリコンに導入されても、ｎ型あるいやｐ型とならない元素のイオンを注入すればよい。
【００２３】
上述したイオン注入により、図５に示すように、イオン注入した領域に、格子間原子や空孔などの１次格子欠陥が生成された欠陥領域５０１が形成される。ここで、欠陥領域５０１が非晶質状態と見なせるように、格子欠陥密度が２×１０22ｃｍ-3以上となるように上述したイオン注入を行う（非特許文献３参照）。イオン注入を行った後、レジストマスク層４０１を除去する。
【００２４】
以上のようにして、リブ部１２１を含むスラブ部１２２およびスラブ部１２３の一部領域に非晶質領域を形成し、レジストマスク層４０１を除去した後で、結晶欠陥を再結晶化させる熱処理を行う。この熱処理により、図６の断面図に示すように、スラブ部１２２の結晶部１２２ａおよびスラブ部１２３の結晶部１２３ａを種結晶とし、固相エピタキシャル回復により、欠陥領域５０１の幅方向外側からリブ部１２１の中央部へと再結晶化が進行する。
【００２５】
このようにして両方の外側よりリブ部１２１の中央部へと進んだ再結晶化面は、リブ部１２１の中央部で出会うことになるが、この出会うところでは、両者の結晶面が一致しない部分が生じ、転位などの２次欠陥が形成されるようになる。この結果、図７の断面図に示すように、リブ部１２１の中央部に集中してループ型結晶欠陥１２４が形成されるようになる。
【００２６】
ここで、レジストマスク層４０１の開口部４０２の幅により規定される欠陥領域５０１の幅が大きすぎると、上述した両側部から進行する再結晶化の結晶面が出会う箇所が、リブ部１２１の中央部よりずれる場合が発生するようになる。言い換えると、欠陥路油域５０１の幅が大きすぎると、ループ型結晶欠陥の形成される位置精度が悪くなる。この位置精度を確保する観点では、結晶欠陥領域５０１の幅は、リブ部１２１の幅の２倍以下とした方がよい。また、結晶欠陥領域５０１は、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４に重ならない範囲とする。
【００２７】
また、再結晶化によるループ型結晶欠陥５０１形成のための加熱温度範囲は、次に示すことを考慮する。まず、固相エピタキシャル成長では、結晶シリコン中で格子欠陥や原子が移動可能となる６００℃以上に加熱することが重要となる。また、９００℃の加熱条件では処理時間を１５分とした短時間でループ型結晶欠陥が形成されることが報告されているが（非特許文献４参照）、１０００℃を越える加熱をすると、格子欠陥の移動が激しくなり、ループ型結晶欠陥の形成が秒単位で進行するようになるものと推測される。このような状態では、非常に大きなループ型結晶欠陥の形成を通じて格子欠陥が消失してしまう可能性があり、１０００℃を越える加熱では、所望の特性のループ型結晶欠陥を制御性よく形成することが困難になるものと推測される。従って、上述した加熱温度の範囲は、６００〜１０００℃とすることが妥当である。例えば、例えば９００℃・１５分の加熱処理を行えばよい。
【００２８】
以上のようにして、リブ部１２１の中央部にループ型結晶欠陥１２４を形成した後、図８の断面図に示すように、単結晶シリコン層２０１の上に、例えば、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を堆積することで、上部クラッド層１０５を形成する。この後、上部クラッド層１０５を、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にパターニングし、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４の各々の一部領域にまで貫通する開口部を各々形成する。次いで、各開口部を形成した上部クラッド層１０５の上に、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法などによりアルミニウムなどの金属を堆積して金属層を形成し、この金属層を公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にパターニングし、電極１０６および電極１０７を形成する。
【００２９】
前述したように、ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜の堆積や、金属層の形成では、処理温度が４００〜５００℃となるが、本実施の形態によれば、リブ部１２１に形成されたループ型結晶欠陥１２４が、消失することはない。
【００３０】
ところで、上述では、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４の形成のためのアニール処理をした後に、ループ型結晶欠陥１２４を形成しているが、これに限るものではない。ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４の形成において、イオン注入したイオンをより拡散させようとする場合は、ループ型結晶欠陥１２４のアニールより高い温度処理が必要となるため、前述したように、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４の形成のためのアニール処理の後に、ループ型結晶欠陥１２４の形成を行うことになる。
【００３１】
しかしながら、注入したイオンをあまり拡散させる必要がない場合、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４の形成においても、ループ型結晶欠陥１２４の形成と同様のアニール処理条件を適用できる。このような場合、例えば、ｐ型不純物領域１０３およびｎ型不純物領域１０４のためのイオン注入と、ループ型結晶欠陥１２４のためのイオン注入とを各々行った後、不純物領域形成のためのアニール処理とループ型結晶欠陥１２４形成のためのアニール処理をと同時に行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態における赤外線検出器の構成例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における赤外線検出器の製造方法例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０１…下部クラッド層、１０２…コア層、１０３…ｐ型不純物領域、１０４…ｎ型不純物領域、１０５…上部クラッド層、１０６…電極（第１電極）、１０７…電極（第２電極）、１２１…リブ部、１２２…スラブ部（第１スラブ部）、１２３…スラブ部（第２スラブ部）、１２４…ループ型結晶欠陥。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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