(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の全部または一部がシリコン結晶面であるベース基板と、
前記ベース基板の上に位置し、前記シリコン結晶面に達する開口を有し、結晶の成長を阻害する阻害体と、
前記開口の底部の前記シリコン結晶面の上に位置し、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層と、
前記第１結晶層の上に位置し、前記第１結晶層よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２結晶層と、
前記阻害体および前記第２結晶層の上に位置する一対の金属層と、を有し、
前記一対の金属層のそれぞれの金属層が、前記第１結晶層および前記第２結晶層とそれぞれ接触している半導体基板。
【請求項２】
前記一対の金属層が前記第２結晶層の上において隙間を構成し、前記隙間の短辺の長さが１００ｎｍ以下である
請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記第２結晶層の上に位置し、前記一対の金属層を互いに電気的に分離する絶縁部をさらに有し、
前記絶縁部が、前記金属層を構成する金属原子の酸化物または窒化物からなる
請求項１または請求項２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記絶縁部の短辺の長さが、１μｍ以下である
請求項３に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記絶縁部の短辺の長さが、１００ｎｍ以下である
請求項４に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記金属層を構成する材料が、チタン、ニオブ、クロム、アルミニウム、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれた単一原子からなる金属または前記群から選ばれた２以上の原子からなる合金である
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記阻害体が、前記開口を複数有し、
複数の前記開口のそれぞれに前記第１結晶層および前記第２結晶層を有し、
複数の前記第１結晶層および複数の前記第２結晶層のそれぞれに前記一対の金属層を有する
請求項１から請求項６の何れか一項に記載の半導体基板。
【請求項８】
請求項１から請求項６の何れか一項に記載の半導体基板を有する半導体装置であって、前記第１結晶層および前記第２結晶層を光伝導層とし、前記一対の金属層を一対の電極とする光伝導スイッチを有する半導体装置。
【請求項９】
前記阻害体が、前記光伝導スイッチが位置する前記開口とは異なる位置に他の開口を有し、
前記他の開口に位置する前記第１結晶層および前記第２結晶層と、
前記他の開口に位置する前記第２結晶層またはその上に形成された他の結晶層を活性層とする能動素子と、をさらに有し、
前記光伝導スイッチと前記能動素子とが、前記阻害体の上に位置する配線で相互に接続されている
請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の半導体基板を有する半導体装置であって、前記複数の第１結晶層および前記複数の第２結晶層のそれぞれを光伝導層とし、前記複数の一対の金属層のそれぞれを一対の電極とする、複数の光伝導スイッチを有し、
前記複数の光伝導スイッチがアレイ状に配置されている半導体装置。
【請求項１１】
前記阻害体が、前記複数の光伝導スイッチが位置する前記複数の開口とは異なる位置に複数の他の開口を有し、
前記複数の他の開口のそれぞれに位置する複数の前記第１結晶層および前記第２結晶層と、
前記複数の他の開口のそれぞれに位置する前記第２結晶層またはその上に形成された他の結晶層を活性層とする複数の能動素子と、をさらに有し、
前記複数の光伝導スイッチのそれぞれと前記複数の能動素子のそれぞれとが、前記阻害体の上に位置する複数の配線でそれぞれ相互に接続されている
請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
表面の全部または一部がシリコン結晶面であるベース基板上に阻害体を形成するステップと、
前記阻害体に、前記シリコン結晶面に達する開口を形成するステップと、
前記開口の底部の前記シリコン結晶面の上に、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル成長法により形成するステップと、
前記第１結晶層の上面に、前記第１結晶層よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル成長法により形成するステップと、
前記阻害体および前記第２結晶層の上面に、前記第１結晶層の一部に接して、金属層を形成するステップと、
を有する半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記第２結晶層の上の前記金属層に絶縁部を形成するステップをさらに有し、
前記絶縁部を形成するステップが、前記金属層の一部を陽極酸化するステップである
請求項１２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
表面の全部または一部がシリコン結晶面であるベース基板上に阻害体を形成するステップと、
前記阻害体に、前記シリコン結晶面に達する開口を形成するステップと、
前記開口の底部の前記シリコン結晶面の上に、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル成長法により形成するステップと、
前記第１結晶層の上面に、前記第１結晶層よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル成長法により形成するステップと、
前記第１結晶層および前記第２結晶層に接する一対の金属層を互いに離して形成するステップと
を有する半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
互いに離して形成された前記一対の金属層の隙間に絶縁物を埋め込むステップをさらに有する
請求項１４に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記金属層を形成した後に、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記金属層を含む前記半導体基板の全体を、アニールするステップをさらに有する
請求項１２から請求項１５の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
前記アニールは、水素、窒素およびアルゴンからかるガス群から選択された１以上のガスを含む雰囲気において、２００℃から５００℃の範囲の温度で実施される
請求項１６に記載の半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、半導体装置および半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＭＳＭ（金属−半導体−金属）構造の受光素子およびその製造方法が記載されている。当該受光素子の光吸収層としてノンドープのＩｎＧａＡｓからなる層が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３４０４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＳＭ構造の受光素子に要求される特性として、高速応答性（高周波応答性）がある。高速応答性を高めるには、光吸収層のキャリア移動度を高めることが有効であり、その観点から結晶性が良好なIII-V族化合物半導体を光吸収層に適用することが望ましい。また、結晶性が良好なIII-V族化合物半導体の製造コストを低くする観点から、ベース基板としてシリコン基板を用いることが好ましい。本発明の目的は、ベース基板としてシリコン基板を用い、良好な性能のＭＳＭ受光素子（光伝導スイッチ）が製造できる半導体基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、表面の全部または一部がシリコン結晶面であるベース基板と、前記ベース基板の上に位置し、前記シリコン結晶面に達する開口を有し、結晶の成長を阻害する阻害体と、前記開口の底部の前記シリコン結晶面の上に位置し、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層と、前記第１結晶層の上に位置し、前記第１結晶層よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２結晶層と、前記阻害体および前記第２結晶層の上に位置する一対の金属層と、を有し、前記一対の金属層のそれぞれの金属層が、前記第１結晶層および前記第２結晶層とそれぞれ接触している半導体基板を提供する。なお、開口の底部のシリコン結晶面は、開口により露出されたシリコン結晶面を意味する。
【０００６】
前記第２結晶層の上に位置し、前記一対の金属層を互いに電気的に分離する絶縁部をさらに有してもよく、この場合、前記絶縁部が、前記金属層を構成する金属原子の酸化物または窒化物からなるものであってもよい。前記絶縁部の短辺の長さとして、１μｍ以下が挙げられる。前記金属層を構成する材料として、チタン、ニオブ、クロム、アルミニウム、ハフニウム、およびジルコニウムからなる群から選ばれた単一原子からなる金属または前記群から選ばれた２以上の原子からなる合金が挙げられる。前記阻害体が、前記開口を複数有してもよく、この場合、複数の前記開口のそれぞれに前記第１結晶層および前記第２結晶層を有し、複数の前記第１結晶層および複数の前記第２結晶層のそれぞれに前記一対の金属層を有するものであってもよい。
【０００７】
本発明の第２の態様においては、上記した半導体基板を有し、前記第１結晶層および前記第２結晶層を光伝導層とし、前記一対の金属層を一対の電極とする光伝導スイッチを有する半導体装置を提供する。
【０００８】
前記阻害体が、前記光伝導スイッチが位置する前記開口とは異なる位置に他の開口を有してよく、この場合、前記他の開口に位置する前記第１結晶層および前記第２結晶層と、前記他の開口に位置する前記第２結晶層またはその上に形成された他の結晶層を活性層とする能動素子と、をさらに有してよく、前記光伝導スイッチと前記能動素子とが、前記阻害体の上に位置する配線で相互に接続されていてもよい。
【０００９】
前記した半導体基板の前記阻害体が複数の前記開口を有し、複数の前記開口のそれぞれに前記第１結晶層および前記第２結晶層を有し、複数の前記第１結晶層および複数の前記第２結晶層のそれぞれに前記一対の金属層を有する場合、半導体装置は、前記複数の第１結晶層および前記複数の第２結晶層のそれぞれを光伝導層とし、前記複数の一対の金属層のそれぞれを一対の電極とする、複数の光伝導スイッチを有してよく、前記複数の光伝導スイッチがアレイ状に配置されていてもよい。
【００１０】
前記阻害体が、前記複数の光伝導スイッチが位置する前記複数の開口とは異なる位置に複数の他の開口を有してもよく、この場合、前記複数の他の開口のそれぞれに位置する複数の前記第１結晶層および前記第２結晶層と、前記複数の他の開口のそれぞれに位置する前記第２結晶層またはその上に形成された他の結晶層を活性層とする複数の能動素子と、をさらに有してよく、前記複数の光伝導スイッチのそれぞれと前記複数の能動素子のそれぞれとが、前記阻害体の上に位置する複数の配線でそれぞれ相互に接続されていてもよい。
【００１１】
本発明の第３の態様においては、表面の全部または一部がシリコン結晶面であるベース基板上に阻害体を形成するステップと、前記阻害体に、前記シリコン結晶面に達する開口を形成するステップと、前記開口の底部の前記シリコン結晶面の上に、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル法により形成するステップと、前記第１結晶層の上面に、前記第１結晶層よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル法により形成するステップと、前記阻害体および前記第２結晶層の上面に、前記第１結晶層の一部に接して、金属層を形成するステップと、を有する半導体基板の製造方法を提供する。
【００１２】
前記第２結晶層の上の前記金属層に絶縁部を形成するステップをさらに有してよく、前記絶縁部を形成するステップが、前記金属層の一部を陽極酸化するステップであってもよい。
【００１３】
本発明の第４の形態においては、表面の全部または一部がシリコン結晶面であるベース基板上に阻害体を形成するステップと、前記阻害体に、前記シリコン結晶面に達する開口を形成するステップと、前記開口の底部の前記シリコン結晶面の上に、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル成長法により形成するステップと、前記第１結晶層の上面に、前記第１結晶層よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル成長法により形成するステップと、前記第１結晶層および前記第２結晶層に接する一対の金属層を互いに離して形成するステップとを有する半導体基板の製造方法を提供する。互いに離して形成された前記一対の金属層の隙間に絶縁物を埋め込むステップをさらに有してもよい。
【００１４】
前記した第３の形態あるいは第４の形態において、前記金属層を形成した後に、前記第１結晶層、前記第２結晶層および前記金属層を含む前記半導体基板の全体を、アニールするステップをさらに有してもよい。前記アニールは、水素、窒素およびアルゴンからなるガス群から選択された１以上のガスを含む雰囲気において、２００℃から５００℃の範囲の温度で実施することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】半導体基板１００の断面を示す。
【図２】半導体基板２００の断面を示す。
【図３】半導体基板１００または半導体基板２００を上面から見た上面図を示す。
【図４】半導体基板２００の製造過程における断面を示す。
【図５】半導体基板２００の製造過程における断面を示す。
【図６】半導体基板２００の製造過程における断面を示す。
【図７】半導体基板２００の製造過程における断面を示す。
【図８】半導体基板２００の他の例の製造過程における断面を示す。
【図９】半導体基板２００のさらに他の例の製造過程における断面を示す。
【図１０】半導体基板３００の断面を示す。
【図１１】実施例の半導体基板のＳＥＭ写真を示す。
【図１２】実施例のＭＳＭ素子の上面から見た顕微鏡写真を示す。
【図１３】実施例のＭＳＭ素子の入射光エネルギーに対する出力電圧を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、半導体基板１００の断面を示す。半導体基板１００は、ベース基板１０２と、阻害体１０４と、第１結晶層１０６と、第２結晶層１０８と、一対の金属層１１０と、を有する。
【００１７】
ベース基板１０２は、表面の全部または一部がシリコン結晶面１０２ａである。表面の全部または一部がシリコン結晶である基板として、シリコン基板、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が挙げられる。ベース基板１０２としてシリコン基板が好ましい。ベース基板１０２として表面の全部または一部がシリコン結晶である基板を用いることで、高価な化合物半導体結晶基板を用いる必要がない。また、ベース基板１０２としてシリコン基板を用いることで、シリコンウェハプロセスで用いられている既存の製造装置および既存の製造プロセスが利用でき、更に化合物半導体基板に比べて大口径の基板を用いことができるので、製造コストを低くすることができる。
【００１８】
阻害体１０４は、ベース基板１０２の上に位置し、シリコン結晶面１０２ａに達する開口１０４ａを有する。阻害体１０４は、結晶の成長を阻害する。阻害体１０４として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム等が挙げられる。開口１０４ａのサイズは３０μｍ以下が好ましい。ここで、「開口１０４ａのサイズ」とは、開口１０４ａがベース基板１０２を露出する領域が正方形の場合はその一辺の長さであり、長方形の場合はその短辺の長さであり、楕円形の場合はその短辺の長さであり、円形の場合はその直径である。
【００１９】
第１結晶層１０６は、開口１０４ａの底部のシリコン結晶面１０２ａの上に位置し、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる。第１結晶層１０６は、好ましくはＧｅからなる。第１結晶層１０６は、３０μｍ以下の小さな開口１０４ａの内部に形成されるので、結晶欠陥が少なく、多くの場合無欠陥で形成される。この結果、第１結晶層１０６の品質が高まるとともに、第１結晶層１０６の上に形成される第２結晶層１０８の欠陥を少なくし、あるいは無くし、第２結晶層１０８の品質を高めることができる。第１結晶層１０６は、シリコン結晶面１０２ａの上に直接成長させてもよく、Ｓｉバッファ層またはＳｉＧｅバッファ層を介して成長させてもよい。
【００２０】
第１結晶層１０６は、阻害体１０４におけるベース基板１０２と接する面と反対の面に対して突出している。つまり、第１結晶層１０６の厚みは、阻害体１０４の厚みよりも大きい。第１結晶層１０６は、阻害体１０４に接する面と、ベース基板１０２に接する面の反対面との間に、１対の金属層１１０と接する金属接触面を有する。本例の第１結晶層１０６は、阻害体１０４に接する面と、第２結晶層１０８に接する面との間に、当該金属接触面を有する。当該金属接触面は、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８の積層方向に対して傾斜を有してもよい。当該金属接触面は、第１結晶層１０６が阻害体１０４に接する面と平行な面と、第１結晶層１０６がベース基板１０２に接する面と平行な面とを有してもよい。
【００２１】
第１結晶層１０６は、阻害体１０４におけるベース基板１０２と接する面と反対の面に対して凹んでいてもよい。つまり、第１結晶層１０６の厚みは、阻害体１０４の厚みより小さくてもよい。この場合においても、第１結晶層１０６は、阻害体１０４に接する面と、ベース基板１０２に接する面の反対面との間に、１対の金属層１１０と接する金属接触面を有する。
【００２２】
第２結晶層１０８は、第１結晶層１０６の上に位置し、第１結晶層１０６よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第２結晶層１０８は好ましくはＩｎＧａＡｌＡｓＰからなる。第２結晶層１０８は、結晶性のよい第１結晶層１０６の上に形成されるので、結晶欠陥が少なく、多くの場合無欠陥で形成される。
【００２３】
一対の金属層１１０は、阻害体１０４および第２結晶層１０８の上に位置する。そして、一対の金属層１１０のそれぞれの金属層１１０は、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８とそれぞれ接触している。一例として、金属層１１０は、第１結晶層１０６の金属接触面、第２結晶層１０８の側面および第２結晶層１０８における第１結晶層１０６に接する面の反対面に接触する。また、一対の金属層１１０のそれぞれの金属層１１０は、第２結晶層１０８上に形成された金属層１１０間の隙間１１０ａにより分離されている。一対の金属層１１０は、たとえばフォトリソグラフィ法とエッチング法を用いたパターニングにより形成されてもよく、隙間１１０ａは、当該パターニングの際に形成されてもよい。
【００２４】
上記した半導体基板１００は、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８を光伝導層とし、一対の金属層１１０を一対の電極とすることで、光伝導スイッチとして機能させることができる。なお、以降に説明する他の半導体基板についても、同様に光伝導スイッチとして機能させることができる。
【００２５】
半導体基板１００においては、一対の金属層１１０のそれぞれが、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８とそれぞれ接触している。このため、半導体基板１００を用いて光伝導スイッチを構成した場合、第１結晶層１０６、第２結晶層１０８の何れか一方の結晶層または両方の結晶層で発生した光励起キャリアが、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８のどちらの結晶層にも伝導し得る。この結果、半導体基板１００を用いて構成した光伝導スイッチは、複数の電流経路を有するので、出力電流の飽和光強度を大きくすることができる。
【００２６】
また、半導体基板１００においては、第１結晶層１０６の禁制帯幅が第２結晶層１０８の禁制帯幅よりも小さい。したがって、第１結晶層１０６は、第２結晶層１０８側から入射した光のうち、第２結晶層１０８で吸収されない波長の光を吸収することができる。その結果、半導体基板１００は、一対の金属層１１０が第１結晶層１０６および第２結晶層１０８に接触していることで、一対の金属層１１０が第２結晶層１０８にのみ接触している場合に比べて広い波長領域の光を検出することができる。
【００２７】
図２は、半導体基板２００の断面を示す。半導体基板１００は、一対の金属層１１０のそれぞれを隙間１１０ａで分離した例を示したが、半導体基板２００は、絶縁部２０２を有し、当該絶縁部２０２でそれぞれの金属層１１０が分離されている。すなわち、一対の金属層１１０が、第２結晶層１０８の上に位置する絶縁部２０２において電気的に分離されている。
【００２８】
絶縁部２０２は、金属層１１０を構成する金属原子の酸化物または窒化物からなるものとすることができる。後に説明する金属層１１０の陽極酸化法を用いる場合、このような絶縁部２０２が形成できる。絶縁部２０２は、パターニングにより形成した隙間に絶縁物を埋め込んで形成してもよい。この場合の絶縁物として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム等が挙げられ、酸化シリコンが好ましい。酸化シリコンは、蒸着法、スパッタ法等により形成することが容易であり、パターニングすることも容易であり、選択成長させることも容易である。また、酸化シリコンは、シリコン基板を熱酸化することによっても形成することができるので、量産性に優れる。
【００２９】
図１における隙間１１０aまたは図２における絶縁部２０２の短辺の長さとして、１μｍ以下が挙げられる。隙間１１０aまたは絶縁部２０２の短辺の長さは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、隙間１１０aまたは絶縁部２０２の短辺の長さとは、一対の金属層１１０のそれぞれの金属層１１０の間の最短距離に相当する。
【００３０】
図１または図２における半導体基板を上面方向から見た場合、隙間１１０aまたは絶縁部２０２の平面形状は、長方形または細長い長方形（直線状）であってもよく、図３に示すように、櫛形のようなジグザク状であってもよい。一対の金属層１１０に電圧をかけた場合に、金属層１１０間の電界が均一であり、電界が集中する箇所が生じないことが好ましいので、一対の金属層１１０のそれぞれが互いに対向する面は平行であることが好ましい。隙間１１０aまたは絶縁部２０２が図３に示すようにジグザク状である場合、屈曲部４０２の形状は円弧状であることが好ましい。このような形状を採用することで、隙間１１０aまたは絶縁部２０２での局所的な電界集中を抑制することができる。
【００３１】
金属層１１０を構成する材料として、チタン、ニオブ、クロム、アルミニウム、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれた単一原子からなる金属または前記群から選ばれた２以上の原子からなる合金が挙げられる。金属層１１０を構成する材料は、好ましくはチタン、ニオブ、クロムからなる群から選ばれた単一原子からなる金属または前記群から選ばれた２以上の原子からなる合金であり、チタンがより好ましい。金属層１１０は、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８から選択された少なくとも１つの結晶層とショットキー接合を形成する。金属層１１０が第２結晶層１０８とショットキー接合を形成する際、金属層１１０は第１結晶層１０６とオーミック接続してよい。
【００３２】
図４から図６は、半導体基板２００の製造過程における断面を示す。図４に示すように、ベース基板１０２上に阻害体１０４を形成し、阻害体１０４に、シリコン結晶面１０２ａに達する開口１０４ａを形成する。次に、図５に示すように、開口１０４ａの底部のシリコン結晶面１０２ａの上に、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層１０６をエピタキシャル成長法により形成する。さらに第１結晶層１０６の上面に、第１結晶層１０６よりも禁制帯幅が大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２結晶層１０８をエピタキシャル成長法により形成する。
【００３３】
第１結晶層１０６および第２結晶層１０８のエピタキシャル成長には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を利用することができる。ＣＶＤ法において、ＧｅソースにはＧｅＨ４（ゲルマン）を、ＳｉソースにはＳｉＨ４（シラン）またはＳｉ２Ｈ６（ジシラン）を用いることができる。ＭＯＣＶＤ法において、ＩｎソースにはＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を、ＧａソースにはＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を、ＡｌソースにはＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を、ＡｓソースにはＡｓＨ３（アルシン）を、ＰソースにはＰＨ３（ホスフィン）を、ＧｅソースにはｔＢｕＧｅ（ターシャリブチルゲルマン）を、ＳｉソースにはＴＭｅＳｉ（テトラメチルシラン）を用いることができる。キャリアガスには水素を用いることができる。反応温度は、３００℃から９００℃の範囲で、好ましくは４５０〜７５０℃の範囲で適宜選択できる。反応時間を適宜選択することでエピタキシャル成長層の厚さを制御することができる。
【００３４】
第２結晶層１０８の形成の後、図６に示すように、阻害体１０４および第２結晶層１０８の上面並びに第１結晶層１０６の一部に接する金属層１１０を成膜する。さらに金属層１１０の一部を陽極酸化する。金属層１１０の一部の陽極酸化は、プローブ２０４に負電圧を印加しつつ金属層１１０の表面に近づけ、プローブ２０４の先端から金属層１１０に負電流を流すことで行える。プローブ２０４への負電圧の印加は、ベース基板１０２の電位を基準とした負電圧出力の直流電源２０６により行える。プローブ２０４を移動することで、酸化領域を決定できる。このような陽極酸化により第２結晶層１０８の上の金属層１１０に絶縁部２０２が形成できる。このようにして図２に示す半導体基板２００が製造できる。なお、金属層１１０を適切にパターニングすることで、金属層１１０を一対の電極となし、光伝導スイッチとして機能させることもできる。
【００３５】
ベース基板１０２上に形成した阻害体１０４に開口１０４aを設け、その開口１０４aの内部に第１結晶層１０６を選択エピタキシャル成長法により形成することにより、第１結晶層１０６の側面に斜めの結晶面が形成されやすく、金属層１１０との接触を得やすくなる。このため、阻害体１０４における開口１０４aの内部に第１結晶層１０６を選択エピタキシャル成長法により形成することが好ましい。ベース基板１０２が、（１００）面を主面とするＳｉ基板であり、第１結晶層１０６としてＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）を形成する場合、第１結晶層１０６の斜めの結晶面として（３１１）面が形成される。当該（３１１）面は適度な傾斜を有しており、上記した金属接触面として好適に用いることができる。
【００３６】
ここで、「金属層１１０が第１結晶層１０６の一部に接する」とは、以下の場合を含む。図７に示すように、第１結晶層１０６の上面が阻害体１０４の表面より上になるよう形成され、結果として第１結晶層１０６の側面１０６ａの少なくとも一部が阻害体１０４表面より上に形成され、第２結晶層１０８が第１結晶層１０６の上面１０６ｂに選択成長される場合、金属層１１０が第１結晶層１０６の側面１０６ａに接する。このような場合は前記した「一部に接する」場合の一例である。
【００３７】
また、図８に示すように、第１結晶層１０６が開口１０４ａ内部において断面が台形状に形成され、第２結晶層１０８が台形状の第１結晶層１０６の上面１０６ｂに選択成長され、金属層１１０が台形状の第１結晶層１０６の底部にまでコンフォーマルに形成される場合、金属層１１０が台形状の第１結晶層１０６の側面１０６ａに接する。このような場合も前記した「一部に接する」場合の一例である。
【００３８】
さらに、図９に示すように、第１結晶層１０６の上に第２結晶層１０８が形成され、第２結晶層１０８の一部をエッチングにより除去して第１結晶層１０６の上面の一部１０６ｃを露出した場合、エッチングにより露出した第１結晶層１０６の上面の一部１０６ｃに金属層１１０が接する。このような場合も前記した「一部に接する」場合の一例である。
【００３９】
なお、第１結晶層１０６をアニールすることが好ましい。アニールすることによって結晶品質の良好な第１結晶層１０６が得られる。また、アニールにより、第１結晶層１０６の斜めの結晶面の角度を調整でき、阻害体１０４との間に隙間を形成して、広い面積で金属層１１０と第１結晶層１０６とを接触できる。アニールの温度は、ベース基板１０２として（１００）面を主面とするＳｉ基板を用い、第１結晶層１０６としてＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ＜１）を形成する場合、６００℃から９００℃の範囲であることが好ましい。アニール温度が６００℃より低い場合、結晶品質を十分に向上することができず、結晶欠陥が残存するから好ましくなく、アニール温度が９００℃を超える場合、第１結晶層１０６上面の平坦性が得られなくなり、その上に第２結晶層１０８を高品質で成長させることができなくなるので好ましくない。６００℃以上９００℃以下であれば結晶品質を向上させることができ、かつ良好な角度で斜めの結晶面が形成できる。
【００４０】
また、絶縁部２０２を形成する他の方法として、第２結晶層１０８の上の金属層１１０を２つに分けるように金属層１１０の一部をエッチング（パターニング）により除去した領域に絶縁部２０２を形成してもよい。
【００４１】
阻害体１０４に開口１０４ａを形成する際のエッチング工程において、ウェットエッチング法を用いることができる。ウェットエッチング法により、開口１０４ａの形状が急峻でなくなり、第１結晶層１０６を阻害体１０４の上にも横方向に成長させることができる。この場合、阻害体１０４の上に横方向成長した第１結晶層１０６の側面においても、金属層１１０との接触を得ることができる。
【００４２】
また、第１結晶層１０６、第２結晶層１０８および金属層１１０を形成した後、アニール（シンタリング）することができる。アニール（シンタリング）は水素雰囲気で、２００℃〜５００℃の温度範囲で行うことが好ましい。当該アニール（シンタリング）により、第２結晶層１０８と金属層１１０との接触はショットキー接続を確保しつつ、第１結晶層１０６と金属層１１０との接触をオーミック接続にすることができる。第２結晶層１０８と金属層１１０との接触をショットキー接続とすることにより、光伝導スイッチとしての感度が向上し、第１結晶層１０６と金属層１１０との接触をオーミック接続にすることにより、光伝導スイッチの飽和電流を大きくすることができる。前記したアニール（シンタリング）と同様な効果は、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８を形成した後、金属層１１０を形成する前に、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８の表面を水素ラジカル雰囲気に暴露することによっても得られる。また、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８を形成した後、金属層１１０を形成する前の半導体基板をＨＣｌまたはＨＦに浸漬することによっても得られる。
【００４３】
図１０は、半導体基板３００の断面を示す。半導体基板３００では、阻害体１０４が、光伝導スイッチの位置する開口１０４ａとは異なる位置に他の開口１０４ｂを有し、他の開口１０４ｂの内部に第１結晶層１０６および第２結晶層１０８を有する。また、他の開口１０４ｂに位置する第２結晶層１０８の上に形成された他の結晶層３０２を有し、他の結晶層３０２を活性層とする能動素子が形成されている。なお、能動素子は第２結晶層１０８を活性層としてもよい。
【００４４】
そして、光伝導スイッチと能動素子とが、阻害体１０４の上に位置する配線３０４で相互に接続されている。配線３０４は、絶縁層３０６により、他の開口１０４ｂに位置する第１結晶層１０６および第２結晶層１０８から分離される。配線３０４は、他の開口１０４ｂに位置する第２結晶層１０８の上でも、絶縁部２０２により分離されても良い。能動素子として、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）、ＨＢＴ（Heterojunction Bipolar Transistor）、ＨＦＥＴ（hetero-Field Effect Transistor）等が挙げられる。
【００４５】
なお、開口１０４ａに位置する第１結晶層１０６と、開口１０４ｂに位置する第１結晶層１０６とは、同一のエピタキシャル成長工程により同時に形成されたものであってもよい。また、開口１０４ａに位置する第２結晶層１０８と、開口１０４ｂに位置する第２結晶層１０８とは、同一のエピタキシャル成長工程により同時に形成されたものであってもよい。第１結晶層１０６または第２結晶層１０８を同一のエピタキシャル成長工程により同時に形成することで、光伝導スイッチおよび能動素子を形成する工程を簡略化でき、製造コストを低減することができる。
【００４６】
半導体基板３００によれば、単一のベース基板１０２に、光伝導スイッチ（ＭＳＭ素子）と、トランジスタ等の能動素子を集積化できる。たとえばＭＳＭ素子からの信号をトランジスタ等の能動素子で増幅する等の用途に用いることができる。
【００４７】
なお、前記した光伝導スイッチ（ＭＳＭ素子）の構成は、単一のベース基板１０２に複数有することができる。すなわち、阻害体１０４が、開口１０４ａを複数有し、複数の開口１０４ａのそれぞれに第１結晶層１０６および第２結晶層１０８を有し、複数の第１結晶層１０６および複数の第２結晶層１０８のそれぞれに一対の金属層１１０を有することができる。また、複数の第１結晶層１０６および複数の第２結晶層１０８のそれぞれを光伝導層とし、複数の一対の金属層１１０のそれぞれを一対の電極とする、複数の光伝導スイッチを有することができ、複数の光伝導スイッチをアレイ状に配置することができる。
【００４８】
また、図１０に示す光伝導スイッチ（ＭＳＭ素子）とトランジスタ等の能動素子の構成を単一のベース基板１０２に複数有することができる。すなわち、阻害体１０４が、複数の開口１０４ａと、複数の開口１０４ａとは異なる位置に複数の他の開口１０４ｂとを有し、複数の開口１０４ａのそれぞれに、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８を光伝導層とする光伝導スイッチが形成され、複数の他の開口１０４ｂのそれぞれに、第２結晶層１０８またはその上に形成された他の結晶層を活性層とする能動素子が形成されてもよい。そして、複数の開口１０４ａに位置する複数の光伝導スイッチのそれぞれと、複数の他の開口１０４ｂに位置する複数の能動素子のそれぞれとが、阻害体１０４の上に位置する複数の配線でそれぞれ相互に接続されてもよい。
【００４９】
また、第１結晶層１０６と第２結晶層１０８の間に、第１結晶層１０６および第２結晶層１０８よりバンドギャップの大きい層を積層することができる。これにより、第２結晶層１０８だけを光伝導層とする光伝導スイッチとして用いることができる。当該構成においては、第２結晶層１０８で吸収された光によって発生したフォトキャリアが第１結晶層１０６に流れ込まないので、第１結晶層１０６よりも電子キャリアの移動度が高く応答性がよい第２結晶層１０８を流れる電流だけを検出することができる。したがって、第１結晶層１０６と第２結晶層１０８が接する場合に比べて、光伝導スイッチの応答性が向上する。
【００５０】
（実施例）
シリコン基板の上に酸化シリコン層を熱酸化法によって形成し、フォトリソグラフィとエッチング法を用いて、酸化シリコン層に３０μｍ□の開口（１辺の長さが３０μｍの正方形の開口）を形成した。当該開口に２μｍの厚さのＧｅ層をエピタキシャル成長法により形成した。Ｇｅ層を８００℃と６８０℃の２段階でアニールするサイクルアニール法で１０サイクルアニールした後、Ｇｅ層の上に５００ｎｍの厚さのＧａＡｓ層をエピタキシャル成長法により形成した。さらに、６ｎｍの厚さのＴｉ層を真空蒸着法により形成した。その後、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）プローブを用いてＴｉ層を陽極酸化し、ＴｉＯｘを形成した。
【００５１】
図１１は、陽極酸化した後のＴｉ層表面を観察したＳＥＭ写真である。短辺が１５０ｎｍの絶縁部（ＴｉＯｘ）が形成できていることがわかる。図１２は、ＴｉＯｘによる分離でアノードおよびカソードを形成したＭＳＭ素子を上面から観察した顕微鏡写真である。精密に素子が形成できていることがわかる。
【００５２】
図１３は、ＭＳＭ素子の入射光エネルギーに対する出力電圧の関係を比較例と共に示したグラフである。入射光として波長７８０ｎｍの光をＭＳＭ素子に照射し、このときの入射光エネルギーに対するＭＳＭ素子の出力電圧を調べた。その結果、実施例のＭＳＭ素子では、８００μＷの入射光エネルギーまで出力電圧が飽和しないことがわかった。作製したＭＳＭ素子の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、アノード電極およびカソード電極がＧｅ層と接し、かつ互いに離れていることが確認できた。
【００５３】
（比較例）
実施例におけるシリコン基板をＧａＡｓ基板とした点、および、Ｇｅ層を形成することなくＧａＡｓ層をエピタキシャル成長法により形成した点を除き、他を実施例と同様としたＭＳＭ素子を比較例として作製した。比較例のＭＳＭ素子について、実施例１と同様に入射光エネルギーと出力電圧との関係を調べたところ、図１３に示すように、２００μＷ以下の入射光エネルギーで出力電圧が飽和した。即ち、実施例のＭＳＭ素子における飽和光強度は、比較例のＭＳＭ素子における飽和光強度の４倍以上であることがわかった。
【００５４】
なお、以下のように実施例に記載の条件を変更できる。すなわち、実施例におけるＧａＡｓ層をＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層とする点を除いて実施例と同様にＭＳＭ素子を作製することができる。得られるＭＳＭ素子について実施例と同様に入射光エネルギーと出力電圧の関係を調べると、出力電圧の飽和が抑制されていることが分かる。あるいは、実施例におけるＧａＡｓ層を１．５５μｍの波長を吸収端とするＩｎＧａＡｓＰとした点を除いて実施例と同様にＭＳＭ素子を作製することができる。得られるＭＳＭ素子について実施例と同様に入射光エネルギーと出力電圧の関係を調べると、出力電圧の飽和が抑制されていることが分かる。あるいは、実施例におけるＴｉ層をＮｂ層とした点を除いて実施例と同様にＭＳＭ素子を作製することができる。得られるＭＳＭ素子について実施例１と同様に入射光エネルギーと出力電圧の関係を調べると、出力電圧の飽和が抑制されていることが分かる。あるいは、実施例におけるＴｉ層をＣｒ層とした点を除いて実施例と同様にＭＳＭ素子を作製することができる。得られるＭＳＭ素子について実施例と同様に入射光エネルギーと出力電圧の関係を調べると、出力電圧の飽和が抑制されていることが分かる。
【符号の説明】
【００５５】
１００  半導体基板、１０２  ベース基板、１０２ａ  シリコン結晶面、１０４  阻害体、１０４ａ  開口、１０４ｂ  他の開口、１０６  第１結晶層、１０６ａ  側面、１０６ｂ  上面、１０６ｃ  一部、１０８  第２結晶層、１１０  金属層、１１０ａ  隙間、２００  半導体基板、２０２  絶縁部、２０４  プローブ、２０６  直流電源、３００  半導体基板、３０２  結晶層、３０４  配線、３０６  絶縁層、４０２  屈曲部。
【図１】
0005943645.tif 000002
【図２】
0005943645.tif 000003
【図３】
0005943645.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005943645.tif 000006
【図６】
0005943645.tif 000007
【図７】
0005943645.tif 000008
【図８】
0005943645.tif 000009
【図９】
0005943645.tif 000010
【図１０】
0005943645.tif 000011
【図１３】
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【図１１】
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【図１２】
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