(57)【要約】【課題】シリコンからなる集積回路とゲルマニウム受光器との集積化がより容易に行えるようにする。【解決手段】シリコン層１０１の上に形成された第１ゲルマニウム層１０２と、第１ゲルマニウム層１０２の上に形成された第２ゲルマニウム層１０３と、第２ゲルマニウム層１０３の上に第２ゲルマニウム層１０３の上面を覆って形成されたシリコンキャップ層１０４とを少なくとも備える。第１ゲルマニウム層１０２および第２ゲルマニウム層１０３は、周囲が絶縁層１０５により覆われている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン層の上に形成された第１ゲルマニウム層と、
この第１ゲルマニウム層の上に形成された第２ゲルマニウム層と、
この第２ゲルマニウム層の上に前記第２ゲルマニウム層の上面を覆って形成されたシリコンキャップ層と
を少なくとも備え、
前記第１ゲルマニウム層および前記第２ゲルマニウム層の一方はノンドープとされ、他方は第１導電型とされ、
ノンドープとされた前記第１ゲルマニウム層の側の前記シリコン層、もしくはノンドープとされた前記第２ゲルマニウム層の側の前記シリコンキャップ層は、第２導電型とされ、
第１導電型とされた前記第２ゲルマニウム層の側の前記シリコンキャップ層、もしくは第１導電型とされた前記第１ゲルマニウム層の側の前記シリコン層は、第１導電型とされている
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
【請求項２】
請求項１記載のゲルマニウム受光器において、
第２導電型とされた前記シリコン層の上にノンドープとされた前記第１ゲルマニウム層が形成され、
前記第１ゲルマニウム層の上に第１導電型とされた前記第２ゲルマニウム層が形成され、
前記第２ゲルマニウム層の上に第１導電型とされた前記シリコンキャップ層が形成されている
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
【請求項３】
請求項２記載のゲルマニウム受光器において、
前記シリコン層の上に形成された第２導電型とされた第３ゲルマニウム層を備え、
この第３ゲルマニウム層の上に前記第１ゲルマニウム層が形成されている
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
【請求項４】
請求項１記載のゲルマニウム受光器において、
第１導電型とされた前記シリコン層の上に第１導電型とされた前記第１ゲルマニウム層が形成され、
前記第１ゲルマニウム層の上にノンドープとされた前記第２ゲルマニウム層が形成され、
前記第２ゲルマニウム層の上に第２導電型とされた前記シリコンキャップ層が形成されている
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
【請求項５】
酸化シリコンからなる下部クラッド層の上にシリコンからなるシリコンコアを形成する第１工程と、
一部の前記シリコンコアに第１導電型の不純物を導入して第１導電型領域を形成する第２工程と、
前記下部クラッド層の上に前記シリコンコアを覆うように上部クラッド層を形成する第３工程と、
前記シリコンコアの前記第１導電型領域の一部が露出する開口部を前記上部クラッド層に形成する第４工程と、
前記第１導電型領域の露出部に接してゲルマニウム層を選択的に形成する第５工程と、
前記ゲルマニウム層の上に前記ゲルマニウム層の上面を覆ってシリコンキャップ層を形成する第６工程と、
前記ゲルマニウム層の上層に第２導電型の不純物を導入して第２導電型領域を形成し、少なくとも前記ゲルマニウム層および前記第２導電型領域を含んで構成されたゲルマニウム受光器を形成する第７工程と
を少なくとも備えることを特徴とするゲルマニウム受光器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲルマニウムの層とシリコンとの層から構成したゲルマニウム受光器およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板の上に形成された光導波路を基本とする平面導波型光回路は、光分岐,光スイッチ,波長フィルターなどの光通信のキー部品に広く利用されている。また、光デバイスの大幅な小型化、高集積化、さらにはシリコン電子素子との融合を目的に、近年では、シリコンからなるコアを用いたシリコン導波路が用いられるようになっている。シリコンは電子回路（シリコン集積回路）で広く使われている材料であり、シリコン導波路は、いわゆるＣＭＯＳプロセスで形成できることから、シリコン導波路を使うことで光回路とシリコン集積回路とを同一シリコン基板上に作製することが可能となる。
【０００３】
このような光回路とシリコン集積回路とを融合させるためには、受光器の集積が不可欠となるが、シリコン集積回路上で、通信波長帯である１．６μｍ程度までの波長の近赤外光を検出するためには、シリコン半導体より禁制帯幅の狭いゲルマニウム半導体を利用することになる。シリコン集積回路上のゲルマニウム受光器としては、ｐ型ゲルマニウム層とｎ型ゲルマニウム層との間にノンドープのｉ型ゲルマニウム層を吸収層として形成したものがある。
【０００４】
上述したゲルマニウム受光器は、エピタキシャル成長によって、ｐ型ゲルマニウム層，ｉ型ゲルマニウム層，およびｎ型ゲルマニウム層が、シリコン基板から順に積層され、ｐｉｎ構造とされている。このｐｉｎ構造に上方から空間を介して光が照射されると光電流が流れる。また、光導波路を組み合わせる場合は、横方向から光が照射され、光電流が流れるようになっている。
【０００５】
この種の受光器として、非特許文献１に記載の受光器がある。この受光器は、層厚約１μｍのｉ型ゲルマニウム層をｐ型シリコン基板上へ形成した後、形成したｉ型ゲルマニウム層の０．２μｍの深さまでリンなどのｎ型不純物をイオン注入することにより、ｎ型ゲルマニウム層を最表面に形成し、ｐｉｎ構造としている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G. Masini, et al. ,"High-Performance p-i-n Ge on Si Photodetectors for the Near Infrared: From Model to Demonstration",IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.48, NO.6, pp.1092-1096, 2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、シリコン光回路や電子回路などのシリコン集積回路とゲルマニウムによる受光器とを集積する場合、次に示すような問題がある。
【０００８】
ゲルマニウムは、酸化やエッチングがされやすい性質がある。このため、標準的なアニール炉での熱処理中にゲルマニウムが酸化・蒸発し、表面荒れやゲルマニウム膜厚の減少により受光器の作製が困難になるという問題がある。また、ゲルマニウムは、シリコンプロセスにおいて一般的に用いられているＲＣＡ洗浄や硫酸・過酸化水素混合液洗浄に耐性がない。このため、これらの洗浄を行うことができず、金属や有機物の汚染原子の除去ができないためシリコン集積回路の性能が低下するという問題もある。上述した熱処理や洗浄処理などで除去されたゲルマニウムがシリコン集積回路に付着すると汚染原子となり、シリコン集積回路の性能が低下するという問題もある。これらの問題は、ゲルマニウム受光器とシリコン集積回路の集積化を困難にしている。
【０００９】
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、シリコンからなる集積回路とゲルマニウム受光器との集積化がより容易に行え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】
【００１０】
本発明に係るゲルマニウム受光器は、シリコン層の上に形成された第１ゲルマニウム層と、この第１ゲルマニウム層の上に形成された第２ゲルマニウム層と、この第２ゲルマニウム層の上に第２ゲルマニウム層の上面を覆って形成されたシリコンキャップ層とを少なくとも備え、第１ゲルマニウム層および第２ゲルマニウム層の一方はノンドープとされ、他方は第１導電型とされ、ノンドープとされた第１ゲルマニウム層の側のシリコン層、もしくはノンドープとされた第２ゲルマニウム層の側のシリコンキャップ層は、第２導電型とされ、第１導電型とされた第２ゲルマニウム層の側のシリコンキャップ層、もしくは第１導電型とされた第１ゲルマニウム層の側のシリコン層は、第１導電型とされている。
【００１１】
上記ゲルマニウム受光器において、第２導電型とされたシリコン層の上にノンドープとされた第１ゲルマニウム層が形成され、第１ゲルマニウム層の上に第１導電型とされた第２ゲルマニウム層が形成され、第２ゲルマニウム層の上に第１導電型とされたシリコンキャップ層が形成されているようにしてもよい。この場合、シリコン層の上に形成された第２導電型とされた第３ゲルマニウム層を備え、この第３ゲルマニウム層の上に第１ゲルマニウム層が形成されているようにしてもよい。
【００１２】
上記ゲルマニウム受光器において、第１導電型とされたシリコン層の上に第１導電型とされた第１ゲルマニウム層が形成され、第１ゲルマニウム層の上にノンドープとされた第２ゲルマニウム層が形成され、第２ゲルマニウム層の上に第２導電型とされたシリコンキャップ層が形成されているようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明に係るゲルマニウム受光器の製造方法は、酸化シリコンからなる下部クラッド層の上にシリコンからなるシリコンコアを形成する第１工程と、一部のシリコンコアに第１導電型の不純物を導入して第１導電型領域を形成する第２工程と、下部クラッド層の上にシリコンコアを覆うように上部クラッド層を形成する第３工程と、シリコンコアの第１導電型領域の一部が露出する開口部を上部クラッド層に形成する第４工程と、第１導電型領域の露出部に接してゲルマニウム層を選択的に形成する第５工程と、ゲルマニウム層の上にゲルマニウム層の上面を覆ってシリコンキャップ層を形成する第６工程と、ゲルマニウム層の上層に第２導電型の不純物を導入して第２導電型領域を形成し、少なくともゲルマニウム層および第２導電型領域を含んで構成されたゲルマニウム受光器を形成する第７工程とを少なくとも備える。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、第２ゲルマニウム層の上面を覆って形成されたシリコンキャップ層を備えるようにしたので、シリコンからなる集積回路とゲルマニウム受光器との集積化がより容易に行えるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の構成例について示す構成図である。
【図２Ａ】層厚２００ｎｍのシリコンキャップ層を設けたＧｅ−ｐｉｎ構造の透過電子顕微鏡断面写真である。
【図２Ｂ】図２Ａに示したゲルマニウム受光器の暗状態での電流−電圧特性を示す特性図である。
【図２Ｃ】図２Ａに示したゲルマニウム受光器の波長−受光効率特性を示す特性図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｃ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｄ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｅ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｆ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｇ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｈ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｉ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｊ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図３Ｋ】本発明の実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法を説明するための工程図である。
【図４】図３Ａ〜図３Ｋを用いて説明した製造方法により、シリコン導波路に集積して作製したゲルマニウム受光器の電流電圧特性を、導波路に光を入射した場合としない場合とで比較したものである。
【図５】集積デバイスの光顕微鏡写真である。
【図６】図５を用いて説明した集積デバイスに波長１５６０ｎｍの光を入射し、可変光減衰器への注入電流を変えることで変化させた光強度を、集積しているゲルマニウム受光器とチップ外のパワーメータとで検出し、比較した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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ゲルマニウム受光器の構成例について示す構成図である。図１では、ゲルマニウム受光器の一部断面を模式的に示している。図１に例示するゲルマニウム受光器は、シリコン層１０１の上に形成された第１ゲルマニウム層１０２と、第１ゲルマニウム層１０２の上に形成された第２ゲルマニウム層１０３と、第２ゲルマニウム層１０３の上に第２ゲルマニウム層１０３の上面を覆って形成されたシリコンキャップ層１０４とを少なくとも備える。本実施の形態では、第１ゲルマニウム層１０２および第２ゲルマニウム層１０３は、周囲が絶縁層１０５により覆われている。絶縁層１０５は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料から構成されていればよい。また、ポリイミド樹脂など、絶縁性を有する有機材料から構成してもよい。
【００１７】
ここで、例えば、第１ゲルマニウム層１０２がノンドープ（ｉ型）とされ、第２ゲルマニウム層１０３がｎ型とされ、ノンドープとされた第１ゲルマニウム層１０２の側のシリコン層１０１は、ｐ型とされ、ｎ型とされた第２ゲルマニウム層１０３の側のシリコンキャップ層１０４は、ｎ型とされている。
【００１８】
また、第２ゲルマニウム層１０３がノンドープとされ、第１ゲルマニウム層１０２がｎ型とされ、ノンドープとされた第２ゲルマニウム層１０３の側のシリコンキャップ層１０４はｐ型とされ、第１ゲルマニウム層１０２の側のシリコン層１０１が、ｎ型とされていてもよい。
【００１９】
また、シリコン層１０１の上に形成されたｐ型とされた第３ゲルマニウム層（不図示）を備えるようにし、この第３ゲルマニウム層の上に第１ゲルマニウム層１０２が形成されているようにしてもよい。この場合、第１ゲルマニウム層１０２がノンドープとされ、第２ゲルマニウム層１０３がｎ型とされ、ノンドープとされた第１ゲルマニウム層１０２の側のシリコン層１０１は、ｐ型とされ、ｎ型とされた第２ゲルマニウム層１０３の側のシリコンキャップ層１０４は、ｎ型とされていればよい。
【００２０】
上述したように第３ゲルマニウム層を備える場合、次に示すように各層を構成すればよい。
【００２１】
まず、第３ゲルマニウム層および第２ゲルマニウム層１０３は、例えば層厚１００ｎｍ程度とすればよい。これらは、よく知られたエピタキシャル成長により形成すればよく、成長温度は通常６００℃程度で行えばよい。第３ゲルマニウム層をｐ型とする場合、ドーピング材料には、Ｂ（ボロン）など用いればよい。また、ｎ型とする第２ゲルマニウム層１０３のドーピング材料には、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などを用いればよい。
【００２２】
下地のシリコン層１０１に接した第３ゲルマニウム層のドーピングは、成長中にドーピング材料を含むガスを導入することにより行えばよい。シリコン層１０１がドーピングされている場合は、シリコン層１０１にドーピングされている不純物を、結晶成長や成長後の熱処理工程により拡散させることで、第３ゲルマニウム層へ不純物を導入することができる。
【００２３】
また、第２ゲルマニウム層１０３のドーピングも、この層を結晶成長しているときにドーピング材料を含むガスを導入することにより行えばよい。また、この上に形成するシリコンキャップ層１０４を形成した後に、イオン注入法によりドーピング材料を導入しても良い。
【００２４】
第１ゲルマニウム層１０２は、例えば、層厚１００ｎｍ〜１０μｍとすればよい。この層の層厚が、１００ｎｍより薄くなると、０．５Ｖ程の逆方向電圧で第１ゲルマニウム層１０２中の電界強度が破壊電界０．１  ＭＶ／ｃｍに達し、受光器として動作しなくなる。一方、ゲルマニウムのエピタキシャル成長で、均一な膜厚を維持できる限界の厚さは１０μｍ程度である。従って、第１ゲルマニウム層１０２は、最大でも層厚１０μｍ程度とした方がよい。
【００２５】
シリコンキャップ層１０４は、不純物が導入されている第２ゲルマニウム層１０３からの拡散により不純物を導入してもよく、また、イオン注入法によりドーピング材料を打ち込んでも良い。イオン注入法の場合、例えば、６５０℃以下の熱処理を行い、ドーピング材料の活性化と結晶性の回復を行う。
【００２６】
シリコンキャップ層１０４は、層厚１〜２００ｎｍとすればよい。シリコンキャップ層１０４は、第２ゲルマニウム層１０３に対する電極として機能させる。また、エピタキシャル成長後のデバイスプロセスで多用される硫酸・過酸化水素水の混合液や塩酸・過酸化水素水の混合液などによる洗浄において、シリコンキャップ層１０４は、表面から数原子層が酸化されて１ｎｍ程の酸化シリコン層に変化する。シリコンキャップ層１０４の層厚が薄く、上述した酸化が下層のゲルマニウム層にまで到達すると、ゲルマニウム層に損傷を与えることになる。例えば、ゲルマニウム層が酸化されると、受光器として動作しなくなる。従って、シリコンキャップ層１０４は、洗浄による酸化が下層にまで進行しないような十分な層厚に形成されていることが重要となる。
【００２７】
また、洗浄により形成された薄い酸化シリコン層は、希フッ酸溶液や緩衝フッ酸液により除去することができるが、この処理の結果、シリコンキャップ層１０４が消滅すると、ゲルマニウム層が露出することになる。この状態を避けるためにも、シリコンキャップ層１０４は、層厚が１ｎｍを超えているとよい。なお、上述した導電型を入れ替えてもよいことはいうまでもない。
【００２８】
いずれにおいても、少なくとも２つのゲルマニウム層による３つの半導体層で、いわゆるｐｉｎ構造が形成され、受光器として機能する。加えて、本実施の形態によれば、シリコンキャップ層１０４を備えており、ゲルマニウム層が露出していない状態となる。このため、シリコンキャップ層１０４を形成した後のプロセスにおいて、ゲルマニウム層に、表面荒れや層厚の減少などの損傷を与えることがなくなる。また、ＲＣＡ洗浄や硫酸・過酸化水素混合液洗浄などにおいても、ゲルマニウム層が洗浄液に触れることがないので、これらの洗浄が行えるようになり、性能が低下が抑制できるようになる。このように、本実施の形態によれば、シリコンからなる集積回路とゲルマニウム受光器との集積化がより容易に行えるようになる。
【００２９】
次に、シリコンキャップ層１０４を設けることによる効果を確認する。図２Ａは、層厚２００ｎｍのシリコンキャップ層を設けたＧｅ−ｐｉｎ構造の透過電子顕微鏡断面写真である。なお、図２Ａでは区別がつかないが、ゲルマニウム層において、ｐ型シリコン層側より、ｐ型ゲルマニウム層、ノンドープゲルマニウム層、ｎ型ゲルマニウム層が積層されている。この素子は、硫酸・過酸化水素水の混合液と希フッ酸溶液による繰り返し洗浄処理を３回行っている。しかしながら、シリコンキャップ層を備えているので、Ｇｅ−ｐｉｎ構造に損傷が生じないことがわかる。
【００３０】
次に、本実施の形態におけるゲルマニウム受光器の電流−電圧特性について説明する。図２Ｂは、図２Ａに示したゲルマニウム受光器の暗状態での電流−電圧特性を示す特性図である。図２Ｂより明らかなように、ｐｉｎ構造特有の整流特性が得られている。シリコンキャップ層が積層されても、良好な整流特性を実現できることがわかる。
【００３１】
次に、本実施の形態におけるゲルマニウム受光器の波長−受光効率特性について説明する。図２Ｃは、図２Ａに示したゲルマニウム受光器の波長−受光効率特性を示す特性図である。なお、図中の点線は理論特性を示している。図２Ｃよりわかるように、点線で示した理論特性と同様な大きな受光効率を示している。シリコンキャップ層が積層されても、十分な受光特性を実現できることがわかる。
【００３２】
以下、本実施の形態におけるゲルマニウム受光器の製造方法例について、図３Ａ〜図３Ｋを用いて説明する。以下では、ゲルマニウム受光器をシリコン細線導波路よりなるシリコン集積回路に集積して形成する場合について説明する。
【００３３】
まず、図３Ａに示すように、シリコン基板３０１上に酸化シリコン層３０２とシリコン層（表面シリコン層：ＳＯＩ層）３０３とが積層された基板（ＳＯＩ基板）を用意する。例えば、酸化シリコン層３０２は、層厚１〜４μｍ程度とされ、シリコン層３０３は、層厚２００〜３００ｎｍ程度とされている。
【００３４】
次に、図３Ｂに示すように、シリコン層３０３の上に酸化シリコン層３０４を形成し、酸化シリコン層３０４の上にレジスト層３０５を形成する。例えば、ＳｉＨ4およびＯ2をソースガスとしたよく知られたプラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン層３０４が形成できる。また、紫外線感光レジストや電子線感光レジストなどを、回転塗布法などにより塗布することで、レジスト層３０５が形成できる。
【００３５】
次に、よく知られたリソグラフィ技術によりレジスト層３０５をパターニングし、図３Ｃに示すように、レジストパターン３５１およびレジストパターン３５２を形成する。例えば、レジスト層３０５が紫外線感光レジストである場合、紫外線露光装置を用いて所望の形状のパターンの潜像を露光し、この後、現像することでレジストパターン３５１およびレジストパターン３５２が形成できる。また、レジスト層３０５が電子線感光レジストである場合、電子線露光装置を用いて所望の形状のパターンの潜像を露光し、この後、現像することでレジストパターン３５１およびレジストパターン３５２が形成できる。
【００３６】
次に、レジストパターン３５１およびレジストパターン３５２をマスクとして酸化シリコン層３０４を選択的に除去し、マスクパターン３４１およびマスクパターン３４２を形成する。例えば、フッ化炭素系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、高い異方性を備えた状態で酸化シリコン層３０４をエッチングし、レジストパターン３５１およびレジストパターン３５２の形状を酸化シリコン層３０４に転写すれば、マスクパターン３４１およびマスクパターン３４２が形成できる。
【００３７】
次に、レジストパターン３５１およびレジストパターン３５２を除去した後、マスクパターン３４１およびマスクパターン３４２をマスクとしてシリコン層３０３を選択的に除去し、図３Ｄに示すように、シリコンコア３３１およびシリコンコア３３２を形成する。例えば、塩素系またはフッ素系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、高い異方性を備えた状態でシリコン層３０３をエッチングし、マスクパターン３４１およびマスクパターン３４２の形状を酸化シリコン層３０４に転写すれば、シリコンコア３３１およびシリコンコア３３２が形成できる。シリコンコア３３１，シリコンコア３３２は、例えば、断面の形状が、幅３００〜６００ｎｍ，高さ２００〜３００ｎｍ程度に形成されればよい。
【００３８】
この後、マスクパターン３４１およびマスクパターン３４２を除去することで、図３Ｅに示すように、酸化シリコン層３０２よりなる下部クラッド層の上に、シリコンコア３３１およびシリコンコア３３２が形成された状態が得られる。ここで、シリコンコア３３２には、上部に光吸収層としてのゲルマニウム層が形成されて受光器（光検出器）となる部分が形成される。本例では、この部分のシリコンコア３３２が、図１を用いて説明したシリコン層１０１に対応するものとなる。
【００３９】
なお、マスクパターン３４１，３４２の除去は、例えば、濃度１％程度の薄いフッ酸溶液によるウエットエッチにより行えばよい。このとき、下層の酸化シリコン層３０２もある程度エッチングされる。マスクパターン３４１，３４２はシリコンコア３３１，３３２のエッチング後には数十ｎｍと薄くなっているので、マスクパターン３４１，３４２のエッチングにおいて、酸化シリコン層３０２も厚さ数十ｎｍ程度エッチングされる。しかしながら、この程度の量であれば、酸化シリコン層３０２がエッチングされても影響はない。
【００４０】
次に、よく知られたリソグラフィ技術により基板上に、一部のシリコンコア３３２が露出するレジストマスクを形成し、これをマスクにしたイオン注入技術により、一部のシリコンコア３３２にｐ型不純物を導入し、図３Ｆに示すように、酸化シリコン層３０２の上に、ｐ型シリコンコア３３２ａを形成する。ｐ型シリコンコア３３２ａは、光検出部とする領域である。なお、図示されていないが、他の領域においては、ｐ型シリコンコア３３２ａに連続してシリコンコア３３２が形成されている。
【００４１】
次に、イオン注入したｐ型不純物の活性化および拡散のための熱処理を９００℃〜１０００℃程度の温度条件で行う。
【００４２】
次に、図３Ｇに示すように、酸化シリコン層３０２の上に酸化シリコン膜３０６を形成し、形成した酸化シリコン膜３０６でシリコンコア３３１およびｐ型シリコンコア３３２ａ（シリコンコア３３２）が埋め込まれるようにする。酸化シリコン膜３０６は、上部クラッドとなる。
【００４３】
酸化シリコン膜３０６の形成は、既に形成されているシリコンコア３３１およびｐ型シリコンコア３３２ａ（シリコンコア３３２）が、酸化されることで形状が崩れ、また、屈折率が変化しないような条件で行うことが重要である。例えば、酸化シリコン膜３０６をＣＶＤ法で形成する場合、よく知られた熱酸化がシリコンコア３３１およびｐ型シリコンコア３３２ａ（シリコンコア３３２）に生じない範囲の温度で行う。
【００４４】
一般に、シリコンの酸化プロセスは、８００−１２００℃  で行われている(非特許文献4参照)ので、酸化性の雰囲気で行われるＣＶＤ法で酸化シリコン膜３０６を形成する場合、少なくとも８００℃ よりも低い温度を条件とすることが重要となる。この条件においても、酸化をより抑制するという観点では、安全を見て、６００℃  以下の温度条件とすることが望ましいものと考えられる。
【００４５】
ここで、低温での酸化シリコン膜３０６形成は、ＳｉＨ4およびＯ2ガスを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成することができる。例えば、よく知られたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用い、全圧が１Ｐａ程度の条件でＳｉＨ4ガスおよびＯ2ガスを１：２程度の割合で導入し、マイクロ波パワー４００ＷでＥＣＲプラズマを生成し、酸化シリコンを堆積すればよい。この方法によれば、２００℃程度の低温の温度条件で、成膜速度０．１５μｍ／ｍｉｎ程度で、酸化シリコン膜３０６を形成することができる。また、形成される酸化シリコン膜３０６は、屈折率が１．４６程度となる。なお、前述したように、シリコンコア３３１およびｐ型シリコンコア３３２ａ（シリコンコア３３２）の熱酸化が抑制できる範囲の温度条件であれば、他のプラズマＣＶＤ法で酸化シリコン膜３０６を形成してもよい。
【００４６】
次に、酸化シリコン膜３０６に、ｐ型シリコンコア３３２ａにまで貫通する開口部３６１を形成する。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により、該当部に開口部を有するマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして酸化シリコン膜３０６を選択的にエッチング除去することで、開口部３６１が形成できる。開口部３６１を形成した後に、上記マスクパターンは除去する。
【００４７】
次に、開口部３６１の底部に露出したｐ型シリコンコア３３２ａの上面に、選択的にゲルマニウムを堆積することで、図３Ｈに示すように、一部のｐ型シリコンコア３３２ａの上にゲルマニウム層３０７を形成する。例えば、ＧｅＨ4をソースガスとしたＣＶＤ法により、基板温度６００℃の条件でゲルマニウムを堆積することで、ｐ型シリコンコア３３２ａの露出している上面に、選択的にゲルマニウムを堆積することができる。ゲルマニウム層３０７は、層厚１μｍ程度とすればよい。このように選択的なゲルマニウムの堆積によりゲルマニウム層３０７を形成することで、ゲルマニウム層３０７を形成するときに、エッチングなどのパターニング処理を行う必要がない。エッチングにより除去されたゲルマニウムは、シリコン集積回路に付着すると汚染原子となり、シリコン集積回路の性能が低下するが、このような問題が抑制できるようになる。
【００４８】
次に、図３Ｉに示すように、開口部３６１にゲルマニウム層３０７が形成されている酸化シリコン膜３０６の上に、例えばポリシリコンからなる層厚２０〜５０ｎｍのシリコン層３０８を形成する。例えば、ジシンランによるＣＶＤ法によりシリコンを堆積することで、シリコン層３０８が形成できる。シリコン層３０８はゲルマニウム層３０７の堆積とは別の装置で行ってもよいが、シリコン層３０８は化学的に活性なゲルマニウム層３０７の表面を保護する役割をもつので、ゲルマニウム層３０７堆積した後、同じ装置内で連続的にシリコンを堆積することで形成することが望ましい。また、このように連続的に堆積することで、ゲルマニウム層３０７の上ではシリコンがエピタキシャル成長し、結晶化した状態のシリコンが形成できる。このように結晶化したシリコンによれば、ポリシリコンに比較して、薬液処理などに対してより高い耐性が得られるようになる。
【００４９】
次に、よく知られたリソグラフィ技術で、ゲルマニウム層３０７が形成されている領域が覆われるようなマスクを形成し、エッチングによってマスクされていない部分のシリコン層３０８を除去し、図３Ｊに示すように、ゲルマニウム層３０７を覆うシリコンキャップ層３８１を形成する。
【００５０】
この後、よく知られたリソグラフィ技術でゲルマニウム層３０７の上面以外の部分にマスクを形成し、ゲルマニウム層３０７の上層およびシリコンキャップ層３８１にイオンインプラ技術を用いてｎ型不純物を導入し、ｎ型ゲルマニウム層（第２導電型領域）３０７ａを形成する。この結果、ｐ型シリコンコア３３２ａ−ゲルマニウム層３０７（第１ゲルマニウム層１０２に対応）−ｎ型ゲルマニウム層３０７ａ（第２ゲルマニウム層１０３に対応）により、いわゆるｐｉｎ構造が形成される。なお、図３Ｊは、上記マスクを除去した後の状態を示している。
【００５１】
次に、図３Ｋに示すように、まず、ＥＣＲＣＶＤ法などにより酸化シリコン膜３１０を形成する。酸化シリコン膜３１０は、ゲルマニウム層３０７，ｎ型ゲルマニウム層３０７ａ，およびシリコンキャップ層３８１を覆うように形成する。次に、酸化シリコン膜３１０に、シリコンキャップ層３８１にまで到達する貫通孔および、ｐ型シリコンコア３３２ａにまで貫通する貫通孔を形成し、これら貫通孔に導電性材料を充填することで、電極３１１，３１２を形成する。電極３１１は、ｐ型シリコンコア３３２ａに接続し、電極３１２は、シリコンキャップ層３８１に接続する。これらのプロセスにより、ｐ型シリコンコア３３２ａ，ゲルマニウム層３０７，およびｎ型ゲルマニウム層３０７ａより構成されたゲルマニウム受光器がシリコン細線導波路と共に形成される。
【００５２】
なお、上述では、「ｐ型シリコンコア３３２ａ−ゲルマニウム層３０７−ｎ型ゲルマニウム層３０７ａ」によりｐｉｎ構造としたが、これに限るものではなく、例えば、ゲルマニウム層３０７のｐ型シリコンコア３３２ａの側に、ｐ型ゲルマニウム層を形成し、このｐ型ゲルマニウム層とゲルマニウム層３０７とｎ型ゲルマニウム層３０７ａとで、ｐｉｎ構造としてもよい。この場合、ｐ型シリコンコア３３２ａよりゲルマニウム層３０７の下層部にｐ型不純物を拡散させることで、ｐ型ゲルマニウム層を形成することができる。また、ｎ型ゲルマニウム層３０７ａを形成せずに、上記ｐ型ゲルマニウム層とゲルマニウム層３０７とシリコンキャップ層３８１とで、ｐｉｎ構造としてもよい。
【００５３】
ところで、上述では、シリコン細線導波路と集積したゲルマニウム受光器の製造方法例を説明したが、シリコン導波路に機能を持たせる目的で、シリコン細線導波路に電子デバイス構造を組み入れる場合は、図３Ｅを用いて説明したように、シリコンコア３３１およびシリコンコア３３２を形成した後で、よく知られたインプラ技術を用い、例えばシリコンコア３３１を挟むようにｐ型とｎ型の不純物を打ち込み、シリコンコア３３１の横方向にｐｉｎダイオード構造を形成すればよい。両脇に不純物領域を形成したシリコンコア３３１の部分は、ノンドープとしておく。このｐｉｎ構造の形成では、ｐｉｎダイオード部分の不純物の活性化および拡散のための熱処理を、図３Ｆを用いて説明したｐ型シリコンコア３３２ａにおける不純物の活性化処理と同時に行えばよい。
【００５４】
以上説明したように、シリコン細線導波路とゲルマニウム受光器とを集積する製造において、リソグラフィおよびエッチング工程が繰り返し行われることになるが、この後には硫酸・過酸化水素水の混合液や塩酸・過酸化水素水の混合液などによる洗浄を行うことが必須になる。ゲルマニウムは、この洗浄に用いられる溶液に耐性がないため、従来は集積作製することが実質的にできない状態であった。これに対し、本実施の形態によれば、ゲルマニウムの上にシリコンキャップ層を有する受光器構造にしているので、デバイスプロセスで多用される硫酸・過酸化水素水の混合液や塩酸・過酸化水素水の混合液などによる洗浄においてゲルマニウム層が傷むことがない。この結果、ゲルマニウム受光器の良好な特性を維持したままシリコン導波路やシリコン細線導波路型光デバイスとの集積ができるようになる。
【００５５】
図４は、図３Ａ〜図３Ｋを用いて説明した製造方法により、シリコン導波路に集積して作製したゲルマニウム受光器の電流電圧特性を、導波路に光を入射した場合としない場合とで比較したものである。光を入射しない場合（ｂ）、逆電圧を印加したときにゲルマニウム受光器から得られる電流（暗電流）は６０ｎＡと非常に小さい値を示した。暗電流が小さいことは、作製された光検出器が微弱な光も検出できる高い検出感度を持っていることを示している。
【００５６】
一方、導波路の片端から光ファイバーを使って光を導入した場合（ａ）は、ゲルマニウム受光器からの電流が約３桁以上増加している。入射した光が導波路を伝わってゲルマニウム受光器に到達し、これによって光検出器で大きい光電流が発生したことを示している。
【００５７】
図４の結果から、本実施の形態によれば、シリコンキャップ層を備えることで、ゲルマニウム受光器を作製集積してもゲルマニウム層が傷むことがなく、高品質のゲルマニウム層が維持されていることがわかる。図４の結果より、本実施の形態によれば、ゲルマニウム受光器をシリコン導波路と作製集積しても、ゲルマニウム受光器は、単体作製と同等の性能を持ち、導波路を伝搬した光をゲルマニウム受光器が感度よく検出できていることが確認された。
【００５８】
次に、本発明における他の実施の形態について説明する。以下では、電子デバイス構造をもった機能デバイスとの集積例として、本発明によるゲルマニウム受光器（Ｇｅ光受光器）を、シリコン可変光減衰器と集積して作製した例について説明する。図５は、集積デバイスの光顕微鏡写真である。なお、図５は、シリコンキャップ層を備えていない状態を示している。シリコン可変光減衰器は、シリコン細線導波路にｐｉｎダイオードを組み入れ、コア内にキャリアを注入しそのキャリアの光吸収により伝搬光を減衰させるものである。作製は図３Ａ〜図３Ｋを用いて説明した製造方法と同様にして行い、図３Ｅを用いて説明した工程の後に不純物のインプラ（導入）を行い、シリコンコア３３１にｐｉｎダイオード（電子デバイス）を作製している。
【００５９】
この集積デバイスの寸法は、平面方向に１．２×０．３ｍｍ程度であり、導波路コアは断面６００×２００ｎｍ、スラブ厚は１００ｎｍとした。この構造は、リブ型シリコン細線導波路である。
【００６０】
可変光減衰器とゲルマニウム受光器の特性を評価できるように、可変光減衰器とゲルマニウム受光器との間に、多モード干渉型（ＭＭＩ）の２分岐素子を配置し、可変光減衰器からの光を分けてチップ外の光ファイバーにも取り出せる構成としている。
【００６１】
ゲルマニウム受光器を、ゲルマニウム層の上にシリコンキャップ層を備える本発明の構造とすることで、ｐｉｎダイオード（電子デバイス）と集積しても、集積作製プロセスにおいて必ず必要になる洗浄工程において、ゲルマニウム層はシリコンキャップ層で保護されてるため傷むことがなく、ゲルマニウム受光器とシリコン光減衰器とのモノリシック集積が可能になる。
【００６２】
図６は、上述した集積デバイスに波長１５６０ｎｍの光を入射し、可変光減衰器への注入電流を変えることで変化させた光強度を、集積しているゲルマニウム受光器とチップ外のパワーメータとで検出し、比較した結果である。ゲルマニウム受光器の光電流（黒丸）とパワーメータの光パワー（黒四角）の変化がよく一致していることがわかる。この結果は、可変光減衰器でのキャリア注入による光強度減衰を、ゲルマニウム光受光器が正しくモニターしていることを示している。このように、本発明におけるゲルマニウム受光器は、電子デバイス構造を有するシリコン可変光減衰器とモノリシック集積しても良好に動作していることが確認された。
【００６３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。
【００６４】
例えば、上述の実施の形態では、ＣＶＤ法で酸化シリコン膜を堆積して上部クラッド層を形成する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、クラッド層として酸窒化シリコン膜を用いることもできる。ＳｉＨ4，Ｏ2ガスにＮ2を追加したガスを用いることで、酸化シリコン膜の場合と同じ方法を使って低温で酸窒化シリコン膜を堆積できる。
【００６５】
また、ＣＶＤ法に限らず、スパッタ法で堆積することで、上部クラッド層を形成する場合についても、本発明が適用可能である。スパッタ法によっても、シリコンコアにおける熱酸化が抑制される温度条件の範囲で、酸化シリコン膜や酸窒化シリコン膜を形成することができる。また、シリコンキャップ層は、ポリシリコンに限るものではなく、単結晶シリコン、アモルファスシリコンであってもよいことはいうまでもない。なお、いうまでもないが、ｐ型およびｎ型を入れ替えてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０１…シリコン層、１０２…第１ゲルマニウム層、１０３…第２ゲルマニウム層、１０４…シリコンキャップ層、１０５…絶縁層。
【図１】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図３Ｊ】
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【図３Ｋ】
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【図４】
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【図６】
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【図２Ａ】
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【図５】
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