(57)【要約】光検出器デバイスは、基板上に生長しかつ規定された温度範囲内でアニールされた複数のＧｅエピ層を包含する。そのＧｅエピ層は、その光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする引き伸ばされたＧｅ層を形成している。
2005530360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器デバイスであって、
基板；及び
複数のＧｅエピ層であって、前記基板上に生長しておりかつ規定された温度範囲内でアニールされており、前記Ｇｅエピ層が、前記光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする引き伸ばされたＧｅ層を形成している、複数のＧｅエピ層
を含んでなるデバイス。
【請求項２】
請求項１の光検出器デバイスであって、前記Ｇｅエピ層が１ミクロンの厚さであるデバイス。：
【請求項３】
請求項１の光検出器デバイスであって、前記Ｇｅエピ層が約０.５ミクロンの厚さであるデバイス。
【請求項４】
請求項１の光検出器デバイスであって、前記引き伸ばされたＧｅ層が引き伸ばし率約０.２％のもとでバンドギャップ縮小を示すデバイス。
【請求項５】
請求項１の光検出器デバイスであって、前記引き伸ばされたＧｅ層が引き伸ばし率約０.２〜０.３２％のもとでバンドギャップ縮小を示すデバイス。
【請求項６】
請求項１の光検出器デバイスであって、前記基板がシリコン基板であるデバイス。
【請求項７】
請求項６の光検出器デバイスであって、前記エピ層が前記シリコン基板上に７００℃で生長しているデバイス。
【請求項８】
請求項１の光検出器デバイスであって、前記エピ層が前記基板上に凡そ６００℃を越える温度で生長しているデバイス。
【請求項９】
請求項７の光検出器デバイスであって、前記エピ層が７００〜９００℃の前記規定された温度でアニールされているデバイス。
【請求項１０】
請求項８の光検出器デバイスであって、前記エピ層が前記規定された９００℃の温度での等温アニーリングを使用してアニールされているデバイス。
【請求項１１】
光検出器デバイスを形成する方法であって、
複数のＧｅエピ層を基板上に形成すること；
前記Ｇｅエピ層を規定された温度範囲内でアニールすること；及び
前記アニールされたＧｅエピ層を使用して引き伸ばされたＧｅ層を発達させること
を含んでなり、前記引き伸ばされたＧｅ層が、前記光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法であって、前記Ｇｅエピ層が１ミクロンの厚さである方法。
【請求項１３】
請求項１１の方法であって、前記Ｇｅエピ層が約０.５ミクロンの厚さである方法。
【請求項１４】
請求項１１の方法であって、前記引き伸ばされたＧｅ層が引き伸ばし率約０.２％のもとでバンドギャップ縮小を示す方法。
【請求項１５】
請求項１１の方法であって、前記引き伸ばされたＧｅ層が引き伸ばし率約０.２〜０.３２％のもとでバンドギャップ縮小を示す方法。
【請求項１６】
請求項１１の方法であって、前記基板がシリコン基板である方法。
【請求項１７】
請求項１６の方法であって、前記エピ層が前記シリコン基板上に７００℃で生長する方法。
【請求項１８】
請求項１１の方法であって、前記エピ層が前記基板上に凡そ６００℃を越える温度で生長する方法。
【請求項１９】
請求項１７の方法であって、前記エピ層が７００〜９００℃の前記規定された温度でアニールされる方法。
【請求項２０】
請求項１８の方法であって、前記エピ層が前記規定された９００℃の温度での等温アニーリングを使用してアニールされる方法。
【請求項２１】
光検出器デバイスであって、
基板；及び
複数のＳｉＧｅエピ層であって、前記基板上にＳｉＧｅ構造を形成するように高温で生長したものであり、前記ＳｉＧｅエピ層が、該ＳｉＧｅ構造を室温まで冷却することにより、バイメタル効果を使用して、引き伸ばされたＳｉＧｅ層を形成し、前記引き伸ばされたＳｉＧｅ層が、前記光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする、複数のＳｉＧｅエピ層
を含んでなるデバイス。
【請求項２２】
請求項２１の光検出器デバイスであって、前記ＳｉＧｅエピ層が１ミクロンの厚さであるデバイス。
【請求項２３】
請求項２１の光検出器デバイスであって、前記ＳｉＧｅエピ層が約０.５ミクロンの厚さであるデバイス。
【請求項２４】
請求項２１の光検出器デバイスであって、前記引き伸ばされたＳｉＧｅ層が引き伸ばし率約０.２〜０.３２％のもとでバンドギャップ縮小を示すデバイス。
【請求項２５】
請求項２１の光検出器デバイスであって、前記基板がシリコン基板であるデバイス。
【請求項２６】
請求項２５の光検出器デバイスであって、前記エピ層が前記シリコン基板上に７００℃で生長しているデバイス。
【請求項２７】
請求項２６の光検出器デバイスであって、前記エピ層が前記規定された１３３０℃の温度での等温アニーリングを使用してアニールされているデバイス。
【請求項２８】
光検出器デバイスを形成する方法であって、
複数のＳｉＧｅエピ層をシリコン基板上にＳｉＧｅ構造を形成するように高温で生長させること；及び
該ＳｉＧｅ構造を室温まで冷却することにより、バイメタル効果を使用して、引き伸ばされたＳｉＧｅ層を形成すること
を含んでなり、前記引き伸ばされたＳｉＧｅ層が、前記光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする方法。
【請求項２９】
請求項２８の方法であって、前記Ｇｅエピ層が１ミクロンの厚さである方法。
【請求項３０】
請求項２８の方法であって、前記Ｇｅエピ層が約０.５ミクロンの厚さである方法。
【請求項３１】
請求項２８の方法であって、前記引き伸ばされたＧｅ層が引き伸ばし率約０.２％のもとでバンドギャップ縮小を示す方法。
【請求項３２】
請求項２８の方法であって、前記引き伸ばされたＧｅ層が引き伸ばし率約０.２〜０.３２％のもとでバンドギャップ縮小を示す方法。
【請求項３３】
請求項２８の方法であって、前記基板がシリコン基板である方法。
【請求項３４】
請求項３３の方法であって、前記エピ層が前記シリコン基板上に７００℃で生長する方法。
【請求項３５】
請求項３４の方法であって、前記エピ層が前記規定された１３３０℃の温度での等温アニーリングを使用してアニールされる方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権情報】
【０００１】
本願は、参照により本明細書に組み込まれる、２００２年６月１９日に出願された仮出願第６０／３８９,８１９号からの優先権を主張するものである。
【発明の背景】
【０００２】
本発明は、光検出器の分野に関し、特にＳｉ上に一体式に積層されたＧｅ光検出器に関する。
光検出器は、光信号を電気信号に変換する基礎的デバイスである。光ファイバー通信は、シリカファイバーの低い減衰係数の故に、１３００及び１５５０ｎｍの波長を用いる。Ｅｒドープされたファイバー増幅器は、光信号を電気信号に変換せずに直接増幅するが故に、１５５０ｎｍの重要性を引き立てるものである。１５３０〜１５６０ｎｍの増幅範囲はＣ−バンドと言われ、そして最近拡張された１５７０〜１６０８ｎｍの増幅範囲はＬ−バンドと言われる。１５５０ｎｍ検出用の光検出器は、これまでＩｎＧａＡｓ光検出器であった。というのは、ＩｎＧａＡｓは、そのバンドギャップが０.７５ｅＶ（１６５３ｎｍに対応する）である直接半導体だからである。かくして、ＩｎＧａＡｓ光検出器は、あらゆる光信号をＣ−及びＬ−バンドにおいて電気信号に変換できる。これら光ファイバー通信コンポーネントは、十分に発達している。
【０００３】
最近、光テクノロジーは、そのテリトリーをファイバー通信からチップ上の光子積層回路 (photonic integrated circuits) へと拡げている。これは、ハイスピードでブロードバンドの通信を可能にする。そのインパクトは、光学素子がＳｉ ＬＳＩ、例えば、１０ＧＨｚクロックプロセッサー (clock processors) 等に合体しても、まだ大きなものである。ＩｎＧａＡｓ光検出器をシリコンチップ上に施すのは容易ではない。というのは、ＩｎＧａＡｓは III〜Ｖ族の化合物半導体だからである。一般に、元素Ｉｎ、Ｇａ、及びＡｓは全て、シリコン中でドナー又はアクセプター性を示すドーパントであるから、拡散するとその回路の性能を変えてしまう。Ｇｅは、IV 族元素であるから拡散しても有害な効果をもたらさないので、オン−チップ光検出器の候補であり得る。かくして、Ｇｅは、高度に効率的な光検出器を形成するための完璧な機会を提供する。
【発明の要旨】
【０００４】
本発明の一側面によれば、光検出器デバイスが提供される。その光検出器デバイスは、シリコン基板上で生長しかつ規定された温度範囲内でアニールされた複数のＧｅエピ層 (Ge epilayers) を包含する。そのＧｅエピ層は、その光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする引き伸ばされたＧｅ層を形成する。
【０００５】
本発明の別の側面によれば、光検出器デバイスを形成する方法が提供される。その方法は、基板上で生長した複数のＧｅエピ層を形成することを包含する。更には、その方法は、アニールされたＧｅエピ層を使用して、その光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする、引き伸ばされたＧｅ層を発達させることを包含する。
【０００６】
本発明の別の側面によれば、別の光検出器デバイスが提供される。その光検出器デバイスは、基板上にＳｉＧｅ構造を形成するように高温で生長した複数のＳｉＧｅエピ層を包含する。そのＳｉＧｅ層は、そのＳｉＧｅ構造を室温まで冷却することにより、バイメタル効果を使用して、引き伸ばされたＳｉＧｅ層を形成する。その引き伸ばされたＳｉＧｅ層は、その光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする。
【０００７】
本発明の別の側面によれば、別の光検出器デバイスを形成する方法が提供される。その方法は、シリコン基板上にＳｉＧｅ構造を形成するために、複数のＳｉＧｅエピ層を高温で生長させることを包含する。更には、その方法は、そのＳｉＧｅ構造を室温まで冷却することにより、バイメタル効果を使用して、引き伸ばされたＳｉＧｅ層を形成することを包含する。その引き伸ばされたＳｉＧｅ層は、その光検出器デバイスがＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて効率的に作動するのを可能にする。
【発明の詳細な説明】
【０００８】
Ｇｅは、そのバンドギャップが１８５０ｎｍに対応する０.６６７ｅＶである間接半導体である。間接バンドギャップ性の故に、その吸収係数は小さくて、波長に依って約１００ｃｍ-1である。Ｇｅの直接バンドギャップは、１５５０ｎｍに対応する０.８ｅＶである。かくして、Ｇｅの光検出器能力は、Ｃ−バンドではかろうじて良好であるか、Ｌ−バンドでは乏しい。このＧｅの欠点を克服するために、そのバンドギャップを高めようと、ＧｅＳｎ合金などの種々の試みが行われてきた。
【０００９】
Ｇｅ光検出器における一つの目標は、Ｃ−及びＬ−バンドを高い効率でカバーするようにバンドギャップを縮小することである。本発明は、この使命を全うするために引き伸ばしを使用する。
【００１０】
図１は、引き伸ばされたＧｅ層８を使用してＧｅ光検出器２を創るのに使用される技術を例示するための概略的なブロックダイヤグラムである。そのＧｅ光検出器は、Ｓｉウェハー上に形成される。これは、Ｓｉ−ＬＳＩにおいて、Ｓｉをベースとする光電子回路並びに光学的インターコネクションを実現するのに理想的である。ＧｅとＳｉの間の大きな格子ミスマッチ（４％）にも拘らず、Ｇｅの層８は、超高真空化学蒸着（ＵＨＶ−ＣＶＤ）技術を使用すると、均一な厚さ及び低い捩れ離れ密度でＳｉウェハー４上に直接に生長する。他の蒸着技術も本発明に従って使用され得る。
【００１１】
Ｇｅ層８をＳｉ上に直接に生長させることにより、バンドギャップ縮小が引き伸ばしによって誘発されることが示される。Ｇｅ層８は、重度にドープされたｐ−Ｓｉ（１００）ウェハー上に、蒸着ガスとしてＧｅＨ4（Ａｒ中１５％）を用いるＵＨＶ−ＣＶＤ技術を用いて７００℃で生長した、規定数のＧｅエピ層６を包含する。生長後、周期的な熱アニーリング（９００〜７００℃で１０サイクル）が、捩れ離れ密度を下げるために行われる。責任スペクトル (responsibility spectra) から誘導される吸収係数は、塊状Ｇｅと比較した実質的な赤色シフトを示す。ＰＲスペクトルから、その赤色シフトがバンドギャップ縮小によって誘発されたことが分かる。それらＧｅエピ層は、約０.７７ｅＶを示し、塊状Ｇｅについての直接バンドギャップよりも約０.０３ｅＶだけ小さい。この特性は、Ｃ−バンド並びにＬ−バンドにおいて作動できるＧｅ光検出器に有益である。縮小の起源は、Franz-Keldysh 効果などの電場増強トンネル形成 (electric-field-enhanced tunneling) によるものではないことが分かる。偽ポテンシャル計算 (pseudo potential calculation) は、このバンドギャップ縮小が、約０.２％の引き伸ばし率のもとで起こることを示唆している。そのような引き伸ばしの発生は、ＧｅとＳｉの間の熱膨張の差の所為であると考えられる。
【００１２】
更には、この方法は、Ｇｅエピ層６に適用できるだけでなく、Ｇｅ濃度が、熱的ミスマッチを持ち込む５０％よりも多いところの、ＳｉＧｅにも適用できる。ＳｉＧｅの場合には、平衡温度が９００℃より高くに、好ましくはその合金の溶融温度に近い温度に、設計されるべきである。この態様では、Ｓｉが基板として使用されているが、その格子膨張率がＧｅのものより小さな他のタイプの基板も使用され得る。
【００１３】
Ｇｅ中に引っ張り応力を創り出す別の技術は、ＧｅとＳｉの間の熱的ミスマッチを使用することである。ＧｅとＳｉの一次膨張率は、それぞれ、５.８×１０-6Ｋ-1 と２.６×１０-6Ｋ-1 である。Ｇｅエピ層６がＳｉ上に生長してから高温に加熱され、生長後にこれら格子を平衡にし、それ自身の格子定数を持たせると、そのＳｉＧｅ構造を室温まで冷却することにより、いわゆるバイメタル効果によって、引き伸ばしがＧｅエピ層６に導入されるに違いない。
【００１４】
この技術によれば、７００℃で生長したＧｅエピ層について９００℃で１０分間又はそれより長い等温アニーリングが行われて、そのＧｅ格子定数が十分に緩められ、Ｇｅはそれ自身の格子定数を有するに至る。６００℃で生長したＧｅエピ層について９００℃で３０分間又はそれより長い等温アニーリングも、そのＧｅ格子定数を十分に緩めるために必要とされる。図５は、バイメタル効果を使用するバンドギャップ縮小の理論的限界を示している。Ｇｅエピ層を瞬間的に室温まで冷却するためには、急速熱アニーリングが使用されると推測される。Ｓｉ上のＧｅエピ層を急速に冷却する技術は、ゆっくりした冷却よりも効果的に違いない。というのは、格子弛緩はゆっくりした冷却で起こるだろうからである。図２に示されるように、それは、最大伸び率０.３２％と最小バンドギャップ０.７５７ｅＶを示している。１６３８ｎｍに対応するバンドギャップが、Ｌ−バンドの長い波長端よりもずっと長いことが注目される。
【００１５】
ＳｉＧｅエピ層は、この技術を使用しても生長させ得る。等温アニーリング温度は、Ｓｉ0.5Ｇｅ0.5 エピ層について約１３３０℃であることができる。
図２は、応力下でのＧｅのエネルギーバンドダイヤグラムである。偽ポテンシャル計算が使用された。このバンドダイヤグラムは、引っ張り応力が誘発されると、Ｇｅバンドギャップが縮小することを示している。このＧｅ直接バンドギャップは、Ｇバレー (G valley) と退行したホールバンドからなる。引っ張り応力が導入されると、Ｇバレーのエネルギー位置が低くなり、軽ホールバンド (light hole band) のエネルギー位置が高くなって、結局は、直接バンドギャップが縮小する。図２は、バンドの端を１６００ｎｍまでシフトさせてＬ−バンドをカバーするのに０.２％の引っ張り応力が必要であることも示している。上記のように、我々の最大伸び率は０.３２％なので、そのバンドギャップは、Ｌ−バンドをカバーするに違いない１６３８ｎｍである。
【００１６】
図３は、本発明を使用して生長したＧｅエピ層の吸収のグラフである。特に、このグラフは、本発明を使用して生長したＧｅエピ層と塊状Ｇｅとの吸収係数を示している。更には、そのグラフは、そのＧｅエピ層についてのＣ−バンドとＬ−バンドの間の１６００ｎｍまでの増加感度を示している。塊状Ｇｅは、Ｃ−バンドにおいて増加感度を示さず、そしてＬ−バンドにおいて実用的には感度がない。かくして、Ｇｅエピ層を引っ張りＧｅ層として使用することは、Ｃ−バンド及びＬ−バンドにおける十分な感度での作動にとって有益である。急速熱アニーリングを使用すると、Ｇｅエピ層は急速に冷却されるので、更なるバンドギャップの縮小をもたらすことができる。
【００１７】
図４は、光対照分光計測法(photoreference spectroscopy) を使用して分析されたＧｅエピ層と塊状Ｇｅの光学的バンドギャップのグラフである。垂直軸は、バンドギャップエネルギーと関連しており、水平軸は、一定値：Ｃj＝［３π（ｊ−１／２）／２］2/3（ｊは、長い方の波長から計数されたスペクトル中のピークとバレーの数を表す整数値である）と関連している。全体を通して、このグラフは、７００℃で生長してから、先に記載したアニーリング工程を使用して９００℃まで加熱され、そして急速に冷却されたＧｅエピ層が、塊状Ｇｅよりも狭いバンドギャップを示すということを証明している。更には、このグラフは、大きなスパンのｊ値（１〜５）全体で、バンドギャップがＣ−バンド及びＬ−バンドにおける構造と一致しており、かつ０.７５ｅＶバンドギャップを越えては滅多に変動しないことを示している。塊状Ｇｅ構造は、小さな範囲のｊ値（１〜３）にわたって変動することを示し、そのことが、この構造をＣ−バンド及びＬ−バンドにおいて有用であるものにしない。
【００１８】
図５は、その直接バンドギャップ（Ｅｇ）を縮小するＧｅの引き伸ばし率を示すグラフである。Ｅｇ縮小の理論的限界は、１６３８ｎｍに対応する０.７５７ｅＶであり、それはＥｒ増幅器のＬ−バンド端（１６０８ｎｍ）を越えている。先に触れた冷却プロセス中に蓄積された最大伸び率は、Ｇｅ及びＳｉの報告された膨張率に基づいて０.００３２である。Ｇｅの引き伸ばしは、Ｅｒドープされた増幅器のＳ＋Ｃ＋Ｌバンドについてのユニバーサル光検出器として機能できる。同じ特性は、引き伸ばしＳｉＧｅ層を使用しても見られる。
【００１９】
図６は、アニールされた引っ張りＧｅエピ層のＸ線ロッキング曲線測定である。このＸ線ロッキング曲線測定は、引っ張りＧｅエピ層とアニールされていないＧｅ層の両方を包含し、特定角においてサンプルに到達するＸ線の波長を測定するものである。これは、それらサンプルの格子定数を確立する。図５は、Ｇｅエピ層の格子定数が塊状Ｇｅよりも実に０.２％だけ大きいことを示している。
【００２０】
Ｇｅエピ層において熱的ミスマッチをより効率的に用いる別の技術は、“石英上のＳｉ (Si on Quartz)”と呼ばれる基板上にＧｅを生長させることである。石英の格子定数膨張率はＳｉよりも一桁小さいので、より大きな伸び率がＧｅエピ層中に蓄積されるに違いない。本発明はＳｉＧｅＣにも適用できる。
【００２１】
更には、この引き伸ばされたＧｅの別の利点は、その軽ホールバンドである。原子価バンド (valence band) は、今や、その状態密度が重ホールバンドよりもずっと小さい軽ホールバンドからなる。これは、光検出器デバイスにとって有用であるところの、ダイオードリバース性におけるより低い飽和電流と、より速いホールのドリフト速度をもたらす。これは、ＲＣ限界様式ではなくてドリフト限界様式で作動するＧｅ光検出器において有益である。ドリフト限界様式では、デバイス応答時間は、ゆっくりしたホールによって限られる。しかしながら、軽ホールは、Γ点において電子と同じほど速いので、応答時間が最も短くなる。
【００２２】
本発明は、幾つかの好ましい態様に関して示されかつ説明されてきたが、種々の変更、省略及びその形態や詳細への付加が、本発明の精神及び範囲を逸脱せずに行い得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】引き伸ばされたＧｅ層を使用してＧｅ光検出器を創るのに使用される技術を例示するための概略的なブロックダイヤグラムである。
【図２】応力下でのＧｅのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図３】本発明を使用して生長したＧｅエピ層の吸収のグラフである。
【図４】光対照分光計測法を使用して分析されたＧｅエピ層と塊状Ｇｅの光学的バンドギャップのグラフである。
【図５】その直接バンドギャップ（Ｅｇ）を縮小するＧｅの引き伸ばし率を示すグラフである。
【図６】アニールされた引っ張りＧｅエピ層のＸ線ロッキング曲線測定である。
【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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【国際調査報告】
2005530360.tif 000009
2005530360.tif 000010
2005530360.tif 000011