(57)【要約】【課題】動作波長をより簡便に制御することができる光電変換デバイス、および光電変換デバイスの動作波長の制御方法を提供する。【解決手段】少なくとも表面にＳｉ層１０５を有する半導体基板１０２と、前記半導体基板１０２上に選択成長したＧｅ層からなる光吸収層１１４ａと、前記光吸収層１１４ａの上面に設けられ、前記光吸収層１１４ａに圧縮応力または引張り応力を印加する応力印加層１１７Ａとを備え、前記応力印加層１１７Ａは、下地に格子整合したＳｉＧｅ層１１６を含むことを特徴とする。【選択図】図１２
2018041957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面にＳｉ層を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に選択成長したＧｅ層からなる光吸収層と、
前記光吸収層の上面に設けられ、前記光吸収層に圧縮応力または引張り応力を印加する応力印加層とを備え、
前記応力印加層は、下地に格子整合したＳｉＧｅ層を含むことを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項２】
前記下地は前記光吸収層であり、前記ＳｉＧｅ層は、前記光吸収層に圧縮応力を印加することを特徴とする請求項１記載の光電変換デバイス。
【請求項３】
前記光吸収層は、矩形状の断面を有することを特徴とする請求項２記載の光電変換デバイス。
【請求項４】
前記ＳｉＧｅ層は、臨界膜厚以下の厚さを有することを特徴とする請求項２または３記載の光電変換デバイス。
【請求項５】
光変調器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の光電変換デバイス。
【請求項６】
前記下地は、前記光吸収層上に格子整合せずに形成されたＳｉ層であり、前記ＳｉＧｅ層は、前記光吸収層に引張り応力を印加することを特徴とする請求項１記載の光電変換デバイス。
【請求項７】
前記光吸収層は、メサ型構造を有することを特徴とする請求項６記載の光電変換デバイス。
【請求項８】
前記Ｓｉ層は、臨界膜厚以上の厚さを有することを特徴とする請求項６または７記載の光電変換デバイス。
【請求項９】
受光器であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項記載の光電変換デバイス。
【請求項１０】
前記半導体基板は、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の光電変換デバイス。
【請求項１１】
少なくとも表面にＳｉ層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したＧｅ層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、
前記光吸収層に格子整合したＳｉＧｅ層からなる応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に圧縮応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを増加させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を短波長化することを特徴とする制御方法。
【請求項１２】
少なくとも表面にＳｉ層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したＧｅ層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、
Ｓｉ層と、前記Ｓｉ層に格子整合したＳｉＧｅ層とを含む応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に引張り応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを減少させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を長波長化することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換デバイスおよび光電変換デバイスの動作波長の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号を電気信号に変換する光電変換デバイスとして、フォトダイオード（以下、ＰＤとも称する）が知られている。ゲルマニウム（Ｇｅ）は、光通信波長帯の近赤外光を吸収し、シリコン（Ｓｉ）基板上にエピタキシャル成長させて光吸収層を形成することができる。このため、Ｇｅを用いるｐｉｎ構造のＰＤは、Ｓｉ光電子集積回路技術「Ｓｉフォトニクス」におけるＰＤとして応用されている（例えば非特許文献１）。
【０００３】
ｐｉｎダイオード構造に印加される電界強度を変調すると（最大値１００ｋＶ／ｃｍオーダー）、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果により、光吸収層における光吸収の大きさを制御できる。すなわち、光吸収層を透過する光の強度を制御でき、電界吸収型光変調器を実現できる（例えば非特許文献２）。
【０００４】
大容量の波長分割多重光通信では、波長１．２６０〜１．３６０μｍのＯ帯、１．５３０〜１．５６５μｍのＣ帯、１．５６５〜１．６２５μｍのＬ帯といった様々な波長の光が利用されている。Ｇｅからなる光吸収層がＳｉ基板上に設けられた現状の受光器は、Ｃ帯より短波長側では高効率で受光することができるが、長波長側のＬ帯では受光効率が減少する。Ｌ帯で高効率化するには、光吸収端波長を決めているＧｅの直接遷移バンドギャップを減少させる必要がある。
【０００５】
一方、電界吸収型光変調器では、動作波長は光吸収端波長の周辺に限られている。より広範な波長で動作可能とするためには、直接遷移バンドギャップを減少または増加させる必要がある。直接遷移バンドギャップの大きさを制御する方法として、エピタキシャル成長したＳｉＧｅまたはＧｅＳｎ（例えば非特許文献３）などの混晶半導体やそのヘテロ接合（例えば非特許文献４）を用いる方法がある。また、ＳｉＮｘなど応力を内包する誘電体膜を表面に堆積し、Ｇｅに格子ひずみを誘起する方法（例えば非特許文献５）がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G. Li et al., Opt. Express 20 (2012) 26345
【非特許文献２】J. Liu et al., Nature Photon. 2 (2008) 433
【非特許文献３】M. Oehme et al., Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 161115
【非特許文献４】E. H. Edwards et al., Opt. Express 21 (2013) 867
【非特許文献５】R. Kuroyanagi et al., Opt. Express 21 (2013) 18553
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光電変換デバイスの動作波長は、エピタキシャル成長の条件で決まる混晶の組成で決定される。非特許文献２に記載されている光変調器では、混晶組成を１％あるいはそれ以下の精度で制御しなければならない。非特許文献５に記載された方法では、１ＧＰａ近傍あるいはそれ以上の大きな応力を有する誘電体膜が必要とされる。
【０００８】
より広範な波長で動作可能とするために、動作波長をより簡便に制御できる光電変換デバイスは、未だ得られていない。
【０００９】
そこで本発明は、動作波長をより簡便に制御することができる光電変換デバイス、および光電変換デバイスの動作波長の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光電変換デバイスは、少なくとも表面にＳｉ層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したＧｅ層からなる光吸収層と、前記光吸収層の上面に設けられ、前記光吸収層に圧縮応力または引張り応力を印加する応力印加層とを備え、前記応力印加層は、下地に格子整合したＳｉＧｅ層を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る光電変換デバイスの動作波長の制御方法は、少なくとも表面にＳｉ層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したＧｅ層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、前記光吸収層に格子整合したＳｉＧｅ層からなる応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に圧縮応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを増加させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を短波長化することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る光電変換デバイスの動作波長の制御方法は、少なくとも表面にＳｉ層を有する半導体基板と、前記半導体基板上に選択成長したＧｅ層からなる光吸収層とを備える光電変換デバイスの動作波長の制御方法であって、Ｓｉ層と、前記Ｓｉ層に格子整合したＳｉＧｅ層とを含む応力印加層を、前記光吸収層の上に形成し、前記応力印加層から前記光吸収層に引張り応力を印加して、前記光吸収層の直接遷移バンドギャップを減少させることで、前記光電変換デバイスの動作波長を長波長化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光電変換デバイスは、光吸収層に応力を印加する応力印加層を備えている。光吸収層は、応力印加層から応力を印加されることによって、直接遷移バンドギャップが増加または減少する。
【００１４】
光吸収層の直接遷移バンドギャップが増加する場合には、光電変換デバイスの動作波長を短波長化することができ、光吸収層の直接遷移バンドギャップが減少する場合には、光電変換デバイスの動作波長を長波長化することができる。これによって、光電変換デバイスの動作波長を簡便に制御することができ、より広範な波長での動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の光電変換デバイスの原理を説明するための模式図であり、図１Ａは第１の例、図１Ｂは第２の例の模式図である。
【図２】Ｇｅ層の（００１）面に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果であり、図２Ａは、［１００］方向に一軸性の応力を印加した場合、図２Ｂは、［１１０］方向に一軸性の応力を印加した場合の計算結果である。
【図３】Ｇｅ層の（００１）面に一軸性の応力を印加した場合の直接遷移バンドギャップの計算結果であり、図３Ａは、［１００］方向に一軸性の応力を印加した場合、図３Ｂは、［１１０］方向に一軸性の応力を印加した場合の計算結果である。
【図４】ＳｉＧｅ層の組成と応力との関係を示すグラフ図である。
【図５】ＳｉＧｅ層の組成と臨界膜厚との関係を示すグラフ図であり、図５Ａは、Ｇｅ層上のＳｉＧｅ層、図５Ｂは、Ｓｉ層上のＳｉＧｅ層についての計算結果である。
【図６】第１実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。
【図７】第１実施形態に係る光電変換デバイスの顕微鏡像であり、図７Ａは上面の光学顕微鏡像、図７Ｂは断面の走査電子顕微鏡像である。
【図８】Ｇｅのフォトルミネセンス発光スペクトルである。
【図９】Ｇｅのフォトルミネセンス発光ピークのＧｅ層幅依存性を示すグラフ図である。
【図１０】上面に異なる層が設けられたＧｅのフォトルミネセンス発光スペクトルである。
【図１１】Ｇｅのフォトルミネセンス発光スペクトルである。
【図１２】第２実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。
【図１３】第２実施形態に係る光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図１３Ａはメサ型のＧｅ層上にＳｉＧｅ層を形成した段階、図１３Ｂは、メサ型のＧｅ層の側面を除去した段階を示す断面図である。
【図１４】第２実施形態の変形例の光電変換デバイスを示す断面図である。
【図１５】第２実施形態の変形例の光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図１５Ａはメサ型のＧｅ層上にＳｉＧｅ層を形成した段階、図１５Ｂは、メサ型のＧｅ層の側面を除去した段階を示す断面図である。
【図１６】第３実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。
【図１７】第３実施形態に係る光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図１７Ａはメサ型のＧｅ層上にＳｉ層を形成した段階、図１７Ｂは、Ｓｉ層上にＳｉＧｅ層を形成した段階を示す断面図である。
【図１８】第３実施形態の変形例の光電変換デバイスを示す断面図である。
【図１９】第３実施形態の変形例の光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図１９Ａはメサ型のＧｅ層上にＳｉ層を形成した段階、図１９Ｂは、Ｓｉ層上にＳｉＧｅ層を形成した段階を示す断面図である。
【図２０】第４実施形態に係る光電変換デバイスを示す断面図である。
【図２１】第４実施形態に係る光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図２１Ａはメサ型のＧｅ層の一方の上にＳｉ層を形成した段階、図２１Ｂは、ＳｉＧｅ層を形成した段階、図２１Ｃは、他方のＧｅ層の側面を除去した段階を示す断面図である。
【図２２】第４実施形態の変形例の光電変換デバイスを示す断面図である。
【図２３】第４実施形態の変形例の光電変換デバイスの製造方法を段階的に示す図であり、図２３Ａはメサ型のＧｅ層の一方の上にＳｉ層を形成した段階、図２３Ｂは、ＳｉＧｅ層を形成した段階、図２３Ｃは、他方のＧｅ層の側面を除去した段階を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
［基本原理］
まず、本発明の光電変換デバイスの基本原理を説明する。図１Ａ、図１Ｂに、本発明の光電変換デバイスの模式図を示す。図１Ａに示す光電変換デバイス１０Ａは、半導体基板１２上に細線状のＧｅ層からなる光吸収層１４が形成されている。ここでの半導体基板１２は、絶縁層（ＳｉＯ2層）１２ｂおよびＳｉ層１２ｃがＳｉ基板１２ａ上に順次形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であるが、Ｓｉ基板１２ａを半導体基板１２として用いることもできる。
【００１８】
光吸収層１４は、半導体基板１２表面の絶縁層（ＳｉＯ2層）２０で画定された領域にＧｅ層を選択成長させることによって形成される。光吸収層１４上には、ＳｉＧｅ層１６からなる応力印加層１７Ａが設けられている。ＳｉＧｅ層１６は、下地である光吸収層１４に直接成長させることで得られ、光吸収層１４に格子整合している。追って説明するように、応力印加層１７ＡとしてのＳｉＧｅ層１６の厚さは、臨界膜厚以下であることが好ましい。
【００１９】
Ｇｅ層からなる光吸収層１４上に直接成長させたＳｉＧｅ層１６は、矢印ＴＳと反対方向に引張り応力を有する。ＳｉＧｅ層１６からなる応力印加層１７Ａが、引張り応力を開放するために収縮するような弾性変形を起こすことによって、光吸収層１４に矢印ＣＳで表わされる圧縮応力が印加される。Ｇｅ層からなる光吸収層１４に圧縮応力が印加されると、直接遷移バンドギャップが増加して、光電変換デバイス１０Ａの動作波長が短波長化する。
【００２０】
図１Ｂに示す光電変換デバイス１０Ｂは、光吸収層１４上の応力印加層１７Ｂが、Ｓｉ層１８とＳｉＧｅ層１６とから構成されている。ＳｉＧｅ層１６は、下層のＳｉ層１８に格子整合して直接成長させたものである。Ｓｉ層１８は、格子整合せずに光吸収層１４上に形成されている。この点が異なる以外は、光電変換デバイス１０Ｂは、光電変換デバイス１０Ａと同様の構成である。
【００２１】
応力印加層１７ＢにおけるＳｉＧｅ層１６は、下層のＳｉ層１８に格子整合している。Ｓｉ層１８は、Ｇｅ層からなる光吸収層１４に格子整合していないので、格子緩和層として作用する。Ｓｉ層１８とＳｉＧｅ層１６とを含む応力印加層１７Ｂは、矢印ＣＳと反対方向に圧縮応力を有する。応力印加層１７Ｂが圧縮応力を開放するために膨張するような弾性変形を起こすことによって、光吸収層１４には矢印ＴＳで表わされる引張り応力が印加される。Ｇｅ層からなる光吸収層１４に引張り応力が印加されると、直接遷移バンドギャップが減少して、光電変換デバイス１０Ｂの動作波長が長波長化する。
【００２２】
Ｓｉ層上に成長させたＧｅ層には、熱応力による引張りひずみが予め存在していてもよい。Ｇｅ層に外部から応力が印加された際のＧｅのバンドギャップについて、以下に説明する。
【００２３】
図２Ａのグラフには、Ｇｅ層の（００１）面の面内の［１００］方向に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果を示す。図２Ｂのグラフには、Ｇｅ層の（００１）面の面内の［１１０］方向に一軸性の応力を印加した場合の伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーの計算結果を示す。
【００２４】
図２Ａ、図２Ｂのグラフ中、ＥＣΓおよびＥＣＬは、それぞれ伝導帯のΓ点およびＬ点のエネルギーを表わしている。ＥＶHHおよびＥＶLHは、それぞれ価電子帯のヘビーホールおよびライトホールのエネルギーを表わしている。ＥＶSOは、価電子帯のスプリットオフバンドのエネルギーを表わしている。これらのグラフから、格子ひずみによって、Ｇｅの伝導帯および価電子帯のバンド端エネルギーが変化することがわかる。
【００２５】
図３Ａには、Ｇｅ層の（００１）面の面内の［１００］方向に一軸性の応力を印加した場合のΓ点の直接遷移バンドギャップの計算結果を示す。図３Ｂには、Ｇｅ層の（００１）面の面内の［１１０］方向に一軸性の応力を印加した場合のΓ点の直接遷移バンドギャップの計算結果を示す。ここでの計算においては、熱応力の影響は考慮していない。
【００２６】
図３Ａ、図３Ｂのグラフ中、Ｃ−ＨＨは、ヘビーホールに対する直接遷移バンドギャップを表わし、Ｃ−ＬＨは、ライトホールに対する直接遷移バンドギャップを表わしている。これらのグラフから、Ｇｅに格子ひずみを与えることによって、直接遷移バンドギャップが変化することがわかる。
【００２７】
下層に格子整合したＳｉＧｅ層には、応力が発生する。図４に示すように、Ｇｅ層上に格子整合したＳｉＧｅ層（SiGe on Ge）には、引張り応力が発生する。一方、Ｓｉ層上に格子整合したＳｉＧｅ層（SiGe on Si）には、圧縮応力が発生する。ＳｉＧｅ層に発生する応力は、数ＧＰａのオーダーである。いずれの場合も、ＳｉＧｅ層中のＧｅ含有量が多くなると応力は負方向に変化する。ＳｉＧｅの組成を変更することで、ＳｉＧｅ層の応力の大きさを制御できる。
【００２８】
ＳｉＧｅ層は、臨界膜厚以下であれば、Ｇｅ層またはＳｉ層に格子整合して形成することができる。
【００２９】
図５Ａには、Ｇｅ層上のＳｉＧｅ層の臨界膜厚の計算結果を示し、図５Ｂには、Ｓｉ層上のＳｉＧｅ層の臨界膜厚の結果を示す。知られているとおり、ＳｉＧｅ層の臨界膜厚は成長温度に依存する。低温では、Ｐｅｏｐｌｅ−Ｂｅａｎのモデルによる計算結果によく一致する。高温では、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅのモデルによる計算結果によく一致している。
【００３０】
ＳｉＧｅ層の厚さは、Ｇｅ含有量に応じて適宜選択することができる。Ｇｅ層上のＳｉＧｅ層のＧｅ含有量は、３０〜９０％程度が好ましく、５０〜９０％程度がより好ましく、７０〜９０％程度が最も好ましい。Ｓｉ層上のＳｉＧｅ層のＧｅ含有量は、１０〜７０％程度が好ましく、１０〜５０％程度がより好ましく、１０〜３０％程度が最も好ましい。
【００３１】
例えば、Ｇｅ含有量が８０％の場合、Ｇｅ層上のＳｉＧｅ層の厚さは５〜２００ｎｍ程度が好ましく、１０〜１５０ｎｍ程度がより好ましく、２０〜１００ｎｍ程度が最も好ましい。Ｇｅ含有量が８０％の場合、Ｓｉ層上のＳｉＧｅ層の厚さは５〜２００ｎｍ程度が好ましく、１０〜１５０ｎｍ程度がより好ましく、２０〜１００ｎｍ程度が最も好ましい。
【００３２】
［第１実施形態］
図６に示す光電変換デバイス１０Ａは、半導体基板１２上に設けられた光吸収層１４と、光吸収層１４を覆う応力印加層１７Ａとを備える。半導体基板１２は、Ｓｉ基板１２ａ上に、絶縁層（ＳｉＯ2層）１２ｂおよびＳｉ層１２ｃが順次積層されている。光吸収層１４は、化学気相堆積（ＣＶＤ）によりＳｉ層１２ｃ上にＧｅ層を選択成長させることによって形成することができる。
【００３３】
応力印加層１７Ａは、Ｇｅ層からなる光吸収層１４上に直接成長させたＳｉＧｅ層１６により構成される。本実施形態においては、ＳｉＧｅ層１６中におけるＧｅ組成は、約８０％である。
【００３４】
図７Ａに示すように、光吸収層１４の幅は５μｍ程度である。図７Ｂに示すように、光吸収層１４の厚さは、約５００ｎｍであり、ＳｉＧｅ層１６からなる応力印加層１７Ａの厚さは約４０ｎｍである。光吸収層１４の幅は、０．５〜２０μｍの範囲で適宜選択することができる。光吸収層１４の厚さは、０．１〜２．０μｍの範囲で適宜選択することができる。
【００３５】
上面にＳｉＧｅ層が設けられたＧｅのフォトルミネセンス発光スペクトルを、図８に示す。図８には、Ｇｅ層の底面の幅が異なる５種類（１００μｍ、１０μｍ、５μｍ、３μｍ、２μｍ）の構造についての発光スペクトルを、参照としてのバルクＧｅの発光スペクトルとともに示している。図８は、バンド間の直接遷移による発光が生じていることを表わす。発光ピークの波長（以下、「発光ピーク」と称す）は、バンドギャップに相当するエネルギーを有する光の波長である。
【００３６】
Ｇｅ層の幅が１００μｍの場合の発光ピークは、バルクＧｅの発光ピークより長波長側にある。これは、Ｇｅ層の幅を１００μｍとすることで、熱応力によりバンドギャップが減少したことに起因すると推測される。Ｇｅ層の幅が狭くなると、発光ピークは短波長側にシフトすることが、図８に示されている。発光ピークの短波長側へのシフトは、ＳｉＧｅ層から受けるひずみの影響が大きくなって、直接遷移バンドギャップが増大することに対応する。
【００３７】
図９には、Ｇｅのフォトルミネセンス発光ピークのＧｅ層幅依存性を示す。Ｇｅ層の幅を１００μｍから３μｍに減少させることによって、発光ピークを１０ｎｍ以上シフトさせることができる。
【００３８】
図１０には、上面に異なる層が設けられたＧｅのフォトルミネセンス発光スペクトルを、比較して示している。“SiGe cap”は、Ｇｅ層上にＳｉＧｅ層を直接成長させて形成した場合であり、“Si cap”は、Ｇｅ層上にＳｉ層を形成した場合である。いずれについても、Ｇｅ層の幅は５μｍとした。
【００３９】
“SiGe cap”の発光ピークは、“Si cap”の発光ピークより１０ｎｍ以上短波長側にある。Ｓｉ層は、基本的にはＧｅ層上に格子整合させることができないのに対し、ＳｉＧｅ層はＧｅ層上に直接成長させることができる。Ｇｅ層上に直接成長させたＳｉＧｅ層は、格子ひずみを有しているので、Ｇｅ層に圧縮応力を印加して、発光波長を短波長化することができる。
【００４０】
（変形例）
Ｇｅ層からなる光吸収層１４とＳｉＧｅ層１６との間に、１０ｎｍ程度の厚さのＳｉ層１８を設ける以外は、前述の光電変換デバイス１０Ａの場合と同様の手法により、図１Ｂに示した光電変換デバイス１０Ｂを作製した。Ｓｉ層１８とＳｉＧｅ層１６とから、応力印加層１７Ｂが構成される。すでに説明したとおり、ＳｉＧｅ層１６は、Ｓｉ層１８上に直接成長させて得られ、Ｓｉ層１８に格子整合している。Ｓｉ層１８は、Ｇｅ層からなる光吸収層１４に格子整合していないので、格子緩和層として作用する。
【００４１】
このような応力印加層１７Ｂが上面に設けられたＧｅのフォトルミネセンス発光スペクトルを、図１１中に“compressive SiGe cap”として示す。図１１中、“relaxed Si cap”は、Ｇｅ層の上面に、厚さ約５０ｎｍのＳｉ層のみを設けた場合のＧｅのフォトルミネセンス発光スペクトルを示している。図１１中、“tensile SiGe cap”は図１Ａに示した光電変換デバイス１０ＡにおけるＧｅのフォトルミネセンス発光スペクトルであり、“reference bulk Ge”は、参照としてのバルクＧｅの発光スペクトルである。
【００４２】
図８の場合と同様、図１１は、バンド間の直接遷移による発光が生じていることを表わしている。したがって、発光ピークは、バンドギャップに相当するエネルギーを有する光の波長である。
【００４３】
光吸収層（Ｇｅ層）の上面にＳｉ層のみを設けた“relaxed Si cap”の場合、発光ピークは、バルクＧｅの場合より長波長側にある。Ｇｅ層と、Ｇｅ層の下地の半導体基板との間には、熱膨張係数の差による応力（熱応力）が生じている。この熱応力によって、Ｇｅ層に引張りひずみが予め内蔵され、その影響により発光ピークが長波長側にシフトしたものと推測される。
【００４４】
Ｓｉ層とＳｉＧｅ層とからなる応力印加層が設けられた“compressive SiGe cap”では、発光ピークは、Ｓｉ層のみの場合よりもさらに長波長側にシフトしている。Ｓｉ層（格子緩和層）をＳｉＧｅ層の下層に有する応力印加層が弾性変形を起こすことによって、Ｇｅ層からなる光吸収層に引張り応力が印加される。その結果、直接遷移バンドギャップが減少して、発光ピークがさらに長波長側へシフトした。
【００４５】
［第２実施形態］
（全体構成）
図１２に示す光電変換デバイス１００Ａは、Ｓｉ基板１０３上に絶縁層１０４およびＳｉ層１０５が順次設けられた半導体基板１０２を備える。半導体基板１０２は、ＳＯＩ基板である。Ｓｉ層１０５は、ｐ−Ｓｉ領域１０７およびｎ−Ｓｉ領域１０８が、ｉ層（真性半導体層）１１０を挟んで離間形成されている。光電変換デバイス１００Ａは、半導体基板１０２の表面に平行な方向にｐｉｎダイオード構造を有している。
【００４６】
半導体基板１０２上には、選択成長させたＧｅ層からなる断面矩形の光吸収層１１４ａが配置される。光吸収層１１４ａは、紙面に直交する方向に延びた細線状である。光吸収層１１４ａ上には、直接成長させたＳｉＧｅ層１１６からなる応力印加層１１７Ａが設けられている。
【００４７】
応力印加層１１７Ａが設けられた光吸収層１１４ａをＳｉ層１０５とともに覆って、絶縁層１２０が設けられている。Ｓｉ層１０５のｐ−Ｓｉ領域１０７およびｎ−Ｓｉ領域１０８に接続するように、絶縁層１２０を貫通して一対の電極（第１の電極１１９ａおよび第２の電極１１９ｂ）が形成されている。
【００４８】
（製造方法）
光電変換デバイス１００Ａを製造するにあたっては、まず、図１３Ａに示すように、絶縁層（ＳｉＯ2層）１０４およびＳｉ層１０５がＳｉ基板１０３上に順次形成されたＳＯＩ基板を準備し、Ｓｉ層１０５の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、ｐ−Ｓｉ領域１０７、ｎ−Ｓｉ領域１０８およびｉ層１１０を形成する。
【００４９】
次に、所定のパターンに形成されたレジスト膜（レジストパターン）をマスクとして用いてＳｉ層１０５をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層１２０ａをＣＶＤで形成し、化学機械研磨（chemical mechanical polishing)により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層１２０ａをエッチングし、所定のパターンのＳｉ層１０５を露出させる。
【００５０】
露出したＳｉ層１０５の上にＧｅ層１１４を選択成長させる。このときＳｉ層１０５の一部が絶縁層１２０ａで覆われているので、Ｇｅ層１１４は、Ｓｉ層１０５の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図１３Ａに示すように、Ｓｉ層１０５上に選択成長させたメサ型のＧｅ層１１４上に、ＳｉＧｅ層１１６を直接成長させて応力印加層１１７Ａを得る。ＳｉＧｅ層１１６は、メサ型のＧｅ層１１４の側面の斜面を含む全表面に形成される。
【００５１】
レジストパターンをマスクとして用いて、ＳｉＧｅ層１１６が形成されたメサ型のＧｅ層１１４の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図１３Ｂに示すような矩形状の断面を有する光吸収層１１４ａを得る。
【００５２】
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層１１７Ａが設けられた光吸収層１１４ａとともにＳｉ層１０５を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Ｓｉ層１０５に接続する第１、第２の電極１１９ａ，１１９ｂを形成する。以上の工程によって、図１２に示した光電変換デバイス１００Ａが得られる。
【００５３】
（動作および効果）
光電変換デバイス１００Ａは、入射用および出射用の光導波路を設けて、光変調器として用いることができる。光導波路は、紙面に直交する方向で光吸収層１１４ａの両端面に接続する。
【００５４】
光吸収層１１４ａを構成しているＧｅは屈折率が高いので、光導波路から光吸収層１１４ａに光を入射すると、光は光吸収層１１４中に存在し易くなる。光吸収層１１４ａは、主に光導波路のコアとして機能する。
【００５５】
光吸収層１１４ａの幅が０．２〜０．８μｍ程度の場合には、シングルモード光導波路とすることができるので、光は、出射側へ低損失で伝播することが可能となる。
【００５６】
第１の電極１１９ａと第２の電極１１９ｂとの間に電圧を印加して、光吸収層１１４ａの電界強度を制御することによって、出射側導波路へ通過する光強度を変化させることができる。例えば、ｐ−Ｓｉ領域１０７／ｉ層１１０／ｎ−Ｓｉ領域１０８で構成されるｐｉｎダイオードに電圧を印加しない場合、光吸収層１１４ａ中の電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ程度と小さくなる。この際、Ｇｅの直接遷移バンドギャップよりもエネルギーの小さい光は、吸収されることなく通過する。また、ｐｉｎダイオードの逆方向に電圧を印加し、数１０ｋＶ／ｃｍを越える大きな電界を光吸収層１１４ａに印加すると、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果により光吸収が大きくなる。この場合には、光は透過しなくなる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス１００Ａは、電界吸収型光変調器として機能する。
【００５７】
また、前述のとおり、本実施例では、光電変換デバイス１００Ａは、光吸収層１１４ａ上に格子整合したＳｉＧｅ層１１６からなる応力印加層１１７Ａが設けられているので、光吸収層１１４ａに圧縮応力が印加される。これによって、光吸収層１１４ａの直接遷移バンドギャップが増加して、電界吸収型光変調器として動作する波長を短波長化することができる。
【００５８】
（変形例）
光電変換デバイス１００Ａは、ｐｉｎダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図１４に示す光電変換デバイス１００Ｂのように、半導体基板２０２の表面に直交する方向にｐｉｎダイオード構造を有していてもよい。
【００５９】
光電変換デバイス１００Ｂは、Ｓｉ基板２０３上に絶縁層（ＳｉＯ2層）２０４およびＳｉ層２０５が順次設けられた半導体基板２０２を備える。ここで「ｐ（ｎ）−Ｓｉ」は、「ｐ−Ｓｉ」または「ｎ−Ｓｉ」の意味である。
【００６０】
光吸収層１１４ａ上には、ＳｉＧｅ層１１６からなる応力印加層１１７Ａが設けられている。ＳｉＧｅ層１１６は、Ｓｉ層２０５がｐ−Ｓｉである場合は、ｎ−ＳｉＧｅからなり、Ｓｉ層２０５がｎ−Ｓｉである場合は、ｐ−ＳｉＧｅからなる。つまり、光電変換デバイス１００Ｂは、Ｓｉ層２０５と、光吸収層１１４ａを構成しているＧｅ層と、応力印加層１１７Ａを構成しているＳｉＧｅ層１１６とで構成されるｐｉｎダイオード構造を、半導体基板２０２の表面に直交する方向に有している。
【００６１】
第１の電極１１９ａはＳｉ層２０５に２つ接続され、第２の電極１１９ｂはＳｉＧｅ層１１６からなる応力印加層１１７Ａに接続されている。第１の電極１１９ａは、必ずしも２つが必要ではなく、第１の電極１１９ａと第２の電極１１９ｂとの一対の電極が存在すればよい。
【００６２】
光電変換デバイス１００Ｂは、ｐｉｎダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス１００Ａと同様の構成である。光電変換デバイス１００Ｂは、基本的には、光電変換デバイス１００Ａと同様の方法により製造することができる。
【００６３】
光電変換デバイス１００Ｂを製造するにあたっては、まず、図１５Ａに示すように、絶縁層（ＳｉＯ2層）２０４およびＳｉ層２０５がＳｉ基板２０３上に順次形成されたＳＯＩ基板を準備し、Ｓｉ層２０５の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、ｐ−Ｓｉ領域を形成する。
【００６４】
次に、レジストパターンをマスクとして用いてＳｉ層２０５をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層１２０ａをＣＶＤで形成し、化学機械研磨により全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層１２０ａをエッチングし、所定のパターンのＳｉ層２０５を露出させる。
【００６５】
露出したＳｉ層２０５の上に、Ｇｅ層１１４を選択成長させる。このときＳｉ層２０５の一部が絶縁層１２０ａで覆われているので、Ｇｅ層１１４は、Ｓｉ層２０５の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図１５Ａに示すように、Ｓｉ層２０５上に選択成長させたメサ型のＧｅ層１１４上に、ＳｉＧｅ層１１６を直接成長させて応力印加層１１７Ａを得る。ＳｉＧｅ層１１６は、メサ型のＧｅ層１１４の側面の斜面を含む全表面に形成される。
【００６６】
レジストパターンをマスクとして用いて、ＳｉＧｅ層１１６が形成されたメサ型のＧｅ層１１４の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図１５Ｂに示すような矩形状の断面を有する光吸収層１１４ａを得る。
【００６７】
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層１１７Ａが設けられた光吸収層１１４ａとともにＳｉ層２０５を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Ｓｉ層２０５に接続する第１の電極１１９ａと応力印加層１１７Ａに接続する第２の電極１１９ｂとを形成する。以上の工程によって、図１４に示した光電変換デバイス１００Ｂが得られる。
【００６８】
光電変換デバイス１００Ｂは、光電変換デバイス１００Ａと同様に、入射用および出射用の光導波路を設けて、光変調器として用いることができる。光導波路は、紙面に直交する方向で光吸収層１１４ａの両端面に接続する。
【００６９】
第１の電極１１９ａと第２の電極１１９ｂとの間に電圧を印加して、光吸収層１１４ａの電界強度を制御することによって、出射側導波路へ通過する光強度を変化させることができる。例えば、ｐ−Ｓｉ領域２０５／Ｇｅ層１１４ａ／ｎ−ＳｉＧｅ１１６で構成されるｐｉｎダイオードに電圧を印加しない場合、光吸収層１１４ａ中の電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ程度と小さくなる。この際、Ｇｅの直接遷移バンドギャップよりもエネルギーの小さい光は吸収されることなく通過する。また、ｐｉｎダイオードの逆方向に電圧を印加し、数１０ｋＶ／ｃｍを越える大きな電界を光吸収層１１４ａに印加すると、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果により光吸収が大きくなる。この場合には、光は透過しなくなる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス１００Ｂは、電界吸収型光変調器として機能する。
【００７０】
また、前述のとおり、本実施例では、光電変換デバイス１００Ｂは、光吸収層１１４ａ上に格子整合したＳｉＧｅ層１１６からなる応力印加層１１７Ａが設けられているので、光吸収層１１４ａに圧縮応力が印加される。これによって、光吸収層１１４ａの直接遷移バンドギャップが増加して、電界吸収型光変調器として動作する波長を短波長化することができる。
【００７１】
上述のとおり、光電変換デバイス１００Ｂの場合も、光電変換デバイス１００Ａと同様の効果が得られるが、第２の電極１１９ｂが金属製の場合には、光の導波損失が増大する場合がある。これを避けるために、低抵抗のＳｉ（不純物ドープしたポリＳｉなど）を用いて、透過する光が金属で吸収されることを防ぐことが望まれる。
【００７２】
［第３実施形態］
（全体構成）
図１６に示す光電変換デバイス２００Ａは、Ｓｉ基板１０３上に絶縁層１０４およびＳｉ層１０５が順次設けられた半導体基板１０２を備える。半導体基板１０２は、ＳＯＩ基板である。Ｓｉ層１０５は、ｐ−Ｓｉ領域１０７およびｎ−Ｓｉ領域１０８が、ｉ層１１０を挟んで離間形成されている。光電変換デバイス１００Ａは、半導体基板１０２の表面に平行な方向にｐｉｎダイオード構造を有している。
【００７３】
半導体基板１０２上には、選択成長させたメサ型のＧｅ層からなる光吸収層１１４が配置される。光吸収層１１４は、紙面に直交する方向に延びた細線状である。光吸収層１１４上には、Ｓｉ層１１８と、Ｓｉ層１１８に直接選択成長させたＳｉＧｅ層１１６とを含む応力印加層１１７Ｂが設けられている。
【００７４】
光電変換デバイス２００Ａは、光吸収層１１４の断面形状、応力印加層１１７Ｂの構成が異なる以外は、光電変換デバイス１００Ａと同様である。
【００７５】
光電変換デバイス１００Ａと同様に、応力印加層１１７Ｂが設けられた光吸収層１１４とＳｉ層１０５とをともに覆って、絶縁層１２０が設けられている。Ｓｉ層１０５のｐ−Ｓｉ領域１０７およびｎ−Ｓｉ領域１０８に接続するように、絶縁層１２０を貫通して一対の電極（第１の電極１１９ａおよび第２の電極１１９ｂ）が形成されている。
【００７６】
（製造方法）
光電変換デバイス２００Ａを製造するにあたっては、まず、図１７Ａに示すように、絶縁層（ＳｉＯ2層）１０４およびＳｉ層１０５がＳｉ基板１０３上に順次形成されたＳＯＩ基板を準備し、Ｓｉ層１０５の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、ｐ−Ｓｉ領域１０７、ｎ−Ｓｉ領域１０８およびｉ層１１０を形成する。
【００７７】
次に、レジストパターンをマスクとして用いてＳｉ層１０５をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層１２０ａをＣＶＤで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層１２０ａをエッチングし、所定のパターンのＳｉ層１０５を露出させる。
【００７８】
露出したＳｉ層１０５の上にＧｅ層１１４を選択成長させる。このときＳｉ層１０５の一部が絶縁層１２０ａで覆われているので、Ｇｅ層１１４は、Ｓｉ層１０５の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図１７Ａに示すように、Ｇｅ層１１４上にＳｉ層１１８を選択成長させる。Ｓｉ層１１８の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、２〜１００ｎｍ程度とすることができる。Ｓｉ層１１８上にはＳｉＧｅ層１１６を直接成長させて、図１７Ｂに示すような応力印加層１１７Ｂを得る。ＳｉＧｅ層１１６は、メサ型のＧｅ層１１４の側面の斜面を含む全表面に形成される。
【００７９】
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層１１７Ｂが設けられた光吸収層１１４ａとともにＳｉ層１０５を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Ｓｉ層１０５に接続する第１、第２の電極１１９ａ，１１９ｂを形成する。以上の工程によって、図１６に示した光電変換デバイス２００Ａが得られる。
【００８０】
（動作および効果）
光電変換デバイス２００Ａは、紙面に直交する方向に光を入射して、受光器として用いることができる。具体的には、紙面に直交する方向で光吸収層１１４の両端面に光導波路を接続する。例えば、第１の電極１１９ａと第２の電極１１９ｂとを介して、ｐ−Ｓｉ領域１０７／ｉ層１１０／ｎ−Ｓｉ領域１０８で構成されるｐｉｎダイオードの逆方向に電圧を印加し、光吸収層１１４に電圧をかけた状態に、光導波路から特定の波長の光が入射すると、光吸収層１１４中で、電子とホールが生成し、第１の電極１１９ａと第２の電極１１９ｂとに電流が流れる。以上のように本実施例では、光電変換デバイス２００Ａは、ｐｉｎ受光器として機能する。
【００８１】
また、上述のように構成された光電変換デバイス２００Ａは、光吸収層１１４上に、Ｓｉ層１１８とＳｉＧｅ層１１６とを含む応力印加層１１７Ｂが設けられている。ＳｉＧｅ層１１６は、Ｓｉ層１１８に格子整合しているので、光吸収層１１４に引張り応力が印加される。これによって、光吸収層１１４の直接遷移バンドギャップが減少して、動作波長を長波長化することができる。
【００８２】
光電変換デバイス２００Ａは、応力印加層１１７Ｂに向けて上から下方向に光を入射させてもよい。
【００８３】
（変形例）
光電変換デバイス２００Ａは、ｐｉｎダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図１８に示す光電変換デバイス２００Ｂのように、半導体基板２０２の表面に直交する方向にｐｉｎダイオード構造を有していてもよい。
【００８４】
光電変換デバイス２００Ｂは、Ｓｉ基板２０３上に絶縁層（ＳｉＯ2層）２０４およびＳｉ層２０５が順次設けられた半導体基板２０２を備える。ここで「ｐ（ｎ）−Ｓｉ」は、「ｐ−Ｓｉ」または「ｎ−Ｓｉ」の意味である。
【００８５】
光吸収層１１４上には、Ｓｉ層１１８とＳｉＧｅ層１１６とを含む応力印加層１１７Ｂが設けられている。ＳｉＧｅ層１１６は、Ｓｉ層２０５がｐ−Ｓｉである場合は、ｎ−ＳｉＧｅからなり、Ｓｉ層２０５がｎ−Ｓｉである場合は、ｐ−ＳｉＧｅからなる。つまり、光電変換デバイス２００Ｂは、Ｓｉ層２０５と、光吸収層１１４を構成しているＧｅ層と、応力印加層１１７Ｂとで構成されるｐｉｎダイオード構造を、半導体基板２０２の表面に直交する方向に有している。
【００８６】
光電変換デバイス２００Ｂは、光電変換デバイス１００Ｂと同様に、Ｓｉ層２０５に接続した２つの第１の電極１１９ａと、ＳｉＧｅ層１１６に接続した第２の電極１１９ｂとを備えている。第１の電極１１９ａは、必ずしも２つが必要ではなく、第１の電極１１９ａと第２の電極１１９ｂとの一対の電極が存在すればよい。
【００８７】
光電変換デバイス２００Ｂは、ｐｉｎダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス２００Ａと同様の構成である。光電変換デバイス２００Ｂは、基本的には、光電変換デバイス２００Ａと同様の方法により製造することができる。
【００８８】
光電変換デバイス２００Ｂを製造するにあたっては、まず、図１９Ａに示すように、絶縁層（ＳｉＯ2層）２０４およびＳｉ層２０５がＳｉ基板２０３上に順次形成されたＳＯＩ基板を準備し、Ｓｉ層２０５の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、ｐ−Ｓｉ領域を形成する。
【００８９】
次に、レジストパターンをマスクとして用いてＳｉ層２０５をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層１２０ａをＣＶＤで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層１２０をエッチングし、所定のパターンのＳｉ層２０５を露出させる。
【００９０】
露出したＳｉ層２０５の上に、Ｇｅ層１１４を選択成長させる。このときＳｉ層２０５の一部が絶縁層１２０ａで覆われているので、Ｇｅ層１１４は、Ｓｉ層２０５の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。図１９Ａに示すように、Ｇｅ層１１４上にＳｉ層１１８を選択成長させる。Ｓｉ層１１８の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、２〜１００ｎｍ程度とすることができる。Ｓｉ層１１８上にはＳｉＧｅ層１１６を直接成長させて、図１９Ｂに示すような応力印加層１１７Ｂを得る。ＳｉＧｅ層１１６は、メサ型のＧｅ層１１４の側面の斜面を含む全表面に形成される。
【００９１】
次いで、全面に絶縁層を形成して、応力印加層１１７Ｂが設けられた光吸収層１１４とともにＳｉ層２０５を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Ｓｉ層２０５に接続する第１の電極１１９ａと、ＳｉＧｅ層１１６に接続する第２の電極１１９ｂとを形成する。以上の工程によって、図１８に示した光電変換デバイス２００Ｂが得られる。
【００９２】
光電変換デバイス２００Ｂは、光電変換デバイス２００Ａと同様に光導波路を設けて、受光器として用いることができる。光電変換デバイス２００Ｂの場合も、光電変換デバイス２００Ａと同様の効果が得られるが、応力印加層１１７Ｂに向けて上から下方向に光を入射させる場合には、光反射を抑えることが望まれる。
【００９３】
［第４実施形態］
（全体構成）
図２０に示す光電変換デバイス３００Ａは、Ｓｉ基板１０３上に絶縁層１０４およびＳｉ層１０５が順次設けられた半導体基板１０２を備えている。光電変換デバイス３００Ａは、半導体基板１０２の表面に平行な方向にｐｉｎダイオード構造を有し、上述した光電変換デバイス１００Ａと光電変換デバイス２００Ａとが一体に形成されたものである。
【００９４】
すでに説明したように、光電変換デバイス１００Ａは、断面矩形の光吸収層１１４ａ上に格子整合したＳｉＧｅ層１１６からなる応力印加層１１７Ａが設けられている。光電変換デバイス２００Ａは、メサ型のＧｅ層からなる光吸収層１１４の上に、Ｓｉ層１１８とＳｉ層１１８に格子整合したＳｉＧｅ１１６層とを含む応力印加層１１７Ｂが設けられている。
【００９５】
（製造方法）
光電変換デバイス３００Ａを製造するにあたっては、まず、図２１Ａに示すように、絶縁層（ＳｉＯ2層）１０４およびＳｉ層１０５がＳｉ基板１０３上に順次形成されたＳＯＩ基板を準備し、Ｓｉ層１０５の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、ｐ−Ｓｉ領域１０７、ｎ−Ｓｉ領域１０８およびｉ層１１０を形成する。
【００９６】
次に、レジストパターンをマスクとして用いてＳｉ層１０５をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層１２０ａをＣＶＤで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層１２０ａをエッチングし、所定のパターンのＳｉ層１０５を露出させる。
【００９７】
露出したＳｉ層１０５の上にＧｅ層１１４を選択成長させる。このときＳｉ層１０５の一部が絶縁層１２０ａで覆われているので、Ｇｅ層１１４は、Ｓｉ層１０５の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。
【００９８】
次に、Ｇｅ層１１４上にＳｉ層１１８を選択成長させる。Ｓｉ層１１８の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、例えば２〜１００ｎｍ程度とすることができる。光電変換デバイス２００ＡのＳｉ層１１８形成領域をレジストパターンでマスクした後、光電変換デバイス１００Ａの領域のＳｉ層１１８をエッチングし、レジストを除去する（図２１Ａ）。その後、光電変換デバイス１００Ａの領域のＧｅ層１１４上および光電変換デバイス２００ＡのＳｉ層１１８上にＳｉＧｅ層１１６を直接成長させて、図２１Ｂに示すような応力印加層１１７Ａ、１１７Ｂを得る。
【００９９】
なお、応力印加層１１７Ａおよび応力印加層１１７ＢにおけるＳｉＧｅ層１１６は、別々に形成して、Ｇｅ組成の異なるＳｉＧｅ層としてもよい。Ｇｅ組成が異なるＳｉＧｅ層は、Ｇｅ層およびＳｉ層のいずれの上でも格子整合できる可能性が高くなるため、デバイス特性の最適化が期待できる。
【０１００】
ここで、応力印加層１１７Ａは、光吸収層１１４に格子整合したＳｉＧｅ層１１６からなり、応力印加層１１７Ｂは、Ｓｉ層１１８とＳｉ層１１８に格子整合したＳｉＧｅ１１６層からなる。レジストパターンをマスクとして用いて、光電変換デバイス１００Ａの領域の応力印加層１１７Ａが形成されたメサ型のＧｅ層１１４の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図２１Ｃに示すような矩形状の断面を有する光吸収層１１４ａを得る。
【０１０１】
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層１１７Ａ、１１７Ｂが設けられた光吸収層１１４とともにＳｉ層１０５を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Ｓｉ層１０５に接続する第１の電極１１９ａと、ＳｉＧｅ層１１６に接続する第２の電極１１９ｂとを形成する。以上の工程によって、図２０に示した光電変換デバイス３００Ａが得られる。
【０１０２】
（動作および効果）
上記のように構成された光電変換デバイス３００Ａは、光変調器として作用する光電変換デバイス１００Ａと、受光器として作用する光電変換デバイス２００Ａとが一体に設けられている。
【０１０３】
これによって、同一波長の光を入射して、一方の光電変換デバイスで変調し、他方の光電変換デバイスでは受光することが可能となる。しかも、上述したように、光変調器はより短波長の光に対応でき、受光器はより長波長の光に対応できる。
【０１０４】
なお、下地と格子整合せず、完全に格子緩和もしていない状態のＳｉＧｅ層１１６が形成されてもよい。この場合の応力は、図４に示した値よりは小さくなるが、残存しているＳｉＧｅ層となる。
【０１０５】
（変形例）
光電変換デバイス３００Ａは、ｐｉｎダイオード構造の方向を変更することができる。具体的には、図２２に示す光電変換デバイス３００Ｂのように、半導体基板２０２の表面に直交する方向にｐｉｎダイオード構造を有していてもよい。
【０１０６】
光電変換デバイス３００Ｂは、Ｓｉ基板２０３上に絶縁層２０４およびＳｉ層２０５が順次設けられた半導体基板２０２を備えている。光電変換デバイス３００Ｂは、半導体基板２０２の表面に直交する方向にｐｉｎダイオード構造を有し、上述の光電変換デバイス１００Ｂと光電変換デバイス２００Ｂとが一体に形成されたものである。
【０１０７】
すでに説明したように、光電変換デバイス１００Ｂは、断面矩形の光吸収層１１４ａ上に格子整合したＳｉＧｅ層１１６からなる応力印加層１１７Ａが設けられている。光電変換デバイス２００Ａは、メサ型のＧｅ層からなる光吸収層１１４の上に、Ｓｉ層１１８とＳｉ層１１８に格子整合したＳｉＧｅ層１１６とを含む応力印加層１１７Ｂが設けられている。
【０１０８】
光電変換デバイス３００Ｂは、ｐｉｎダイオード構造の方向と、電極の接続が異なる以外は、光電変換デバイス３００Ａと同様の構成である。光電変換デバイス３００Ｂは、基本的には、光電変換デバイス３００Ａと同様の方法により製造することができる。
【０１０９】
光電変換デバイス３００Ｂを製造するにあたっては、まず、図２３Ａに示すように、絶縁層（ＳｉＯ2層）２０４およびＳｉ層２０５がＳｉ基板２０３上に順次形成されたＳＯＩ基板を準備し、Ｓｉ層２０５の所定の領域に、リソグラフィー技術、イオン注入技術を用いて、ｐ−Ｓｉ領域を形成する。
【０１１０】
次に、レジストパターンをマスクとして用いてＳｉ層２０５をエッチングし、レジストパターンを除去する。その後、全面に絶縁層１２０ａをＣＶＤで形成し、化学機械研磨により、全面を平坦にする。更に、再度レジストを塗布し、レジストパターンをマスクとして用いて絶縁層１２０ａをエッチングし、所定のパターンのＳｉ層２０５を露出させる。
【０１１１】
露出したＳｉ層２０５の上にＧｅ層１１４を選択成長させる。このときＳｉ層２０５の一部が絶縁層１２０ａで覆われているので、Ｇｅ層１１４は、Ｓｉ層２０５の上にメサ型に形成されて、側面に斜面を有している。
【０１１２】
次に、Ｇｅ層１１４上にＳｉ層１１８を選択成長させる。Ｓｉ層１１８の厚さは、臨界膜厚以上であることが好ましく、例えば２〜１００ｎｍ程度とすることができる。光電変換デバイス２００ＢのＳｉ層１１８形成領域をレジストパターンでマスクした後、光電変換デバイス１００Ｂの領域のＳｉ層１１８をエッチングし、レジストを除去する（図２３Ａ）。その後、光電変換デバイス１００Ｂの領域のＧｅ層１１４上および光電変換デバイス２００ＢのＳｉ層１１８上にＳｉＧｅ層１１６を直接成長させて、図２３Ｂに示すような応力印加層１１７Ａ、１１７Ｂを得る。
【０１１３】
ここで、応力印加層１１７Ａは、光吸収層１１４に格子整合したＳｉＧｅ層１１６からなり、応力印加層１１７Ｂは、Ｓｉ層１１８とＳｉ層１１８に格子整合したＳｉＧｅ１１６層からなる。レジストパターンをマスクとして用いて、光電変換デバイス１００Ｂの領域の応力印加層１１７Ａが形成されたメサ型のＧｅ層１１４の斜面を含む側壁部分をエッチングし、図２３Ｃに示すような矩形状の断面を有する光吸収層１１４ａを得る。
【０１１４】
次いで、全面に絶縁層を形成して応力印加層１１７Ａ、１１７Ｂが設けられた光吸収層１１４とともにＳｉ層２０５を覆い、化学機械研磨で平坦にした後、リソグラフィー技術、エッチング技術を用いて絶縁層を貫通してコンタクト部を形成する。金属層をスパッタリング法により形成し、パターニングして、Ｓｉ層２０５に接続する第１の電極１１９ａと、ＳｉＧｅ層１１６に接続する第２の電極１１９ｂとを形成する。以上の工程によって、図２２に示した光電変換デバイス３００Ｂが得られる。
【０１１５】
光電変換デバイス３００Ｂは、光電変換デバイス３００Ａと同様に同一波長の光を入射して、一方の光電変換デバイスで変調し、他方の光電変換デバイスでは受光することが可能となる。
【符号の説明】
【０１１６】
１００Ａ，１００Ｂ，２００Ａ，２００Ｂ，３００Ａ，３００Ｂ  光電変換デバイス
１０２，２０２  半導体基板
１１４，１１４ａ  光吸収層
１１６，ＳｉＧｅ層
１１７Ａ，１１７Ｂ  応力印加層
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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