(57)【要約】【課題】光−電気変換の量子効率が高く、受光素子及び発光素子として、優れた実用性が得られる鉄シリサイド半導体薄膜を有する光半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１上に、スパッタ法、蒸着法又はレーザアブレーション法により粒径が１０乃至１００ｎｍの微細多結晶からなる第１のβ−ＦｅＳｉ２層２を初期層として形成する。次いで、化学気相成長法又は気相エピタキシ法により初期層の結晶粒の横方向成長を促進しつつ第１のβ−ＦｅＳｉ２層２上に粒径が１０乃至１００μｍの第２のβ−ＦｅＳｉ２層３を形成する。【選択図】図１
2011198941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上の全面に形成され粒径が１０乃至１００ｎｍの微細多結晶からなる第１のβ−ＦｅＳｉ２層と、この第１のβ−ＦｅＳｉ２層を初期層としてその上に結晶粒の横方向成長を促進することにより形成され粒径が１０乃至１００μｍの粗大多結晶からなる第２のβ−ＦｅＳｉ２層と、を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
基板上の全面に、スパッタ法、蒸着法又はレーザアブレーション法により粒径が１０乃至１００ｎｍの微細多結晶からなる第１のβ−ＦｅＳｉ２層を初期層として形成する工程と、化学気相成長法又は気相エピタキシ法により前記初期層の結晶粒の横方向成長を促進しつつ前記第１のβ−ＦｅＳｉ２層上に粒径が１０乃至１００μｍの第２のβ−ＦｅＳｉ２層を形成する工程と、を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄シリサイド（β−ＦｅＳｉ２）半導体薄膜を受光層又は発光層とする光半導体装置に関し、近赤外領域までの受光センサ、太陽電池、特に、光ファイバ通信帯域等に適用することができる光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄シリサイド半導体薄膜は、光が入射したときに、キャリアを発生する受光素子として、また電流を注入したときに光を出射する発光素子として、知られており（特許文献１，２）、太陽電池又は光ファイバ通信帯域に適用可能な発光素子及び受光素子として注目されている。
【０００３】
特に、鉄シリサイド半導体は、禁制帯幅が０．７８ｅＶと光ファイバ通信帯域の波長帯との整合性が良いため、この光ファイバ通信帯域の受光素子及び発光素子として有望である。また、鉄シリサイド半導体は、光吸収係数が１ｅＶで１０５ｃｍ−１を超え、その波長領域での高感度受光センサ材料であるゲルマニウム（Ｇｅ）の１０倍以上と極めて大きな光吸収係数を有している。
【０００４】
一方，インジウム・ガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）化合物を使用した受光センサが一部で実用化されているものの、所謂、シリコン（Ｓｉ）テクノロジー、即ち、シリコン基板を基本として、その上に層構成を積み上げて半導体装置を製造する技術分野において、インジウム・ガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）化合物を使用した受光センサは導入しにくい。
【０００５】
しかし、ＦｅＳｉ２半導体薄膜は、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させることが可能であり、このため、駆動回路等の電子デバイスとの融合性が高く、シリコンテクノロジーの中で、種々のデバイスと組み合わせることが可能である。
【０００６】
ところで、半導体薄膜の光−電気変換デバイスへの応用及び半導体薄膜を使用したデバイスの開発に際しては、半導体薄膜に対して電気伝導キャリアを効率よく注入すること、及び半導体薄膜から電気伝導キャリアを効率よく抽出することが、重要であり、この観点にたって、光半導体装置の層構成及び材料を設計することが必要である。
【０００７】
化学気相輸送方法で育成したバルク単結晶のβ−ＦｅＳｉ２半導体を使用したショットキー接合型の受光センサの分光感度は、１．３μｍの波長に対し、０．２Ａ／Ｗであり、量子効率としては約２０％となり、実用レベルに近い量子効率が得られている（非特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−４７５６９号公報
【特許文献２】特開２００３−８６５１５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】APL91(2007)142114
【非特許文献２】APL92(2008)192114
【非特許文献３】JJAP39(2000)L1013,2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、β−ＦｅＳｉ２半導体層を、スパッタ法又は蒸着法等の通常の薄膜形成方法で形成すると、それにより得られた光デバイスの光−電気変換の量子効率は、０．１％以下であり（非特許文献３）、極めて低い量子効率しか得られないという問題点がある。このため、従来のβ−ＦｅＳｉ２半導体層は、受光素子及び発光素子としての特性が不十分であった。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、光−電気変換の量子効率が高く、受光素子及び発光素子として、優れた実用性が得られる鉄シリサイド半導体薄膜を有する光半導体装置及びその製造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】
【００１２】
本発明に係る光半導体装置は、基板と、この基板上の全面に形成され粒径が１０乃至１００ｎｍの微細多結晶からなる第１のβ−ＦｅＳｉ２層と、この第１のβ−ＦｅＳｉ２層を初期層としてその上に結晶粒の横方向成長を促進することにより形成され粒径が１０乃至１００μｍの粗大多結晶からなる第２のβ−ＦｅＳｉ２層と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る光半導体装置の製造方法は、基板上の全面に、スパッタ法、蒸着法又はレーザアブレーション法（以下、ＰＬＤ法）により粒径が１０乃至１００ｎｍの微細多結晶からなる第１のβ−ＦｅＳｉ２層を初期層として形成する工程と、化学気相成長法（以下、ＣＶＤ法）又は気相エピタキシ法（以下、ＶＰＥ法）により前記初期層の結晶粒の横方向成長を促進しつつ前記第１のβ−ＦｅＳｉ２層上に粒径が１０乃至１００μｍの第２のβ−ＦｅＳｉ２層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、結晶粒径が１０乃至１００ｎｍの第１のβ−ＦｅＳｉ２層を初期層として基板の全面に形成することにより、微細で緻密なβ−ＦｅＳｉ２初期層を形成した後、化学気相成長法又は気相エピタキシ法により、この初期層の微細な結晶粒の核を横方向に成長させつつ第２のβ−ＦｅＳｉ２層を形成するので、前記初期層の上に、結晶粒径が１０乃至１００μｍの粗大結晶粒の第２のβ−ＦｅＳｉ２層を形成することができる。即ち、基板上に直接β−ＦｅＳｉ２層を形成する場合は、スパッタ法であっても、ＣＶＤ法であっても、結晶粒径が小さい微細な多結晶しか得られないが、この微細で緻密な第１のβ−ＦｅＳｉ２層上に、第２のβ−ＦｅＳｉ２層を、例えば、ＣＶＤ法又はＶＰＥ法により形成すると、この第２のβ−ＦｅＳｉ２層は、結晶粒径が１０乃至１００μｍと粗大な結晶粒の多結晶層が得られる。この粗大な結晶粒の多結晶層は、キャリアの伝導を阻害しにくく、キャリア移動度が高く、光−電気変換の量子効率が極めて高くなり、実用上十分な光−電気変換効率の光半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る光半導体装置を示す断面図である。
【図２】同じくその他の使用形態を示す断面図である。
【図３】スパッタ法及びＭＯＣＶＤ法により形成されたβ−ＦｅＳｉ２層の粒界組織を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者等は、バルク単結晶のβ−ＦｅＳｉ２層を使用したショットキー接合型の受光センサにおいては、前述の如く、波長が１．３μｍの光に対し、０．２Ａ／Ｗの分光感度が得られ、２０％の量子効率が得られるのに対し、β−ＦｅＳｉ２層多結晶薄膜を使用した光デバイスの光−電気変換の量子効率は０．１％以下と極めて小さいことの原因を究明すべく、種々実験研究を行った結果、薄膜を構成する多結晶層の結晶粒の大きさが１００ｎｍ乃至１μｍ程度と小さいことが量子効率が低いことの原因であることを見いだした。即ち、結晶の境界（結晶粒界）には、結晶欠陥が発生し、受光素子の場合には、結晶粒界が光生成キャリアの移動を阻害するとともに、生成したキャリアを消滅させる。また、発光素子の場合には、結晶粒界という結晶欠陥が多数存在すると、電流注入量に対する効率的な発光強度の増加を実現することが困難になる。微細結晶粒の場合には、伝導キャリアの移動方向について、このような結晶粒界が多数出現する。このため、微細結晶粒の場合には、光−電気変換の量子効率が低い。
【００１７】
そこで、本願発明者等は、結晶粒径が大きな多結晶膜を形成すべく種々実験研究を行った結果、基板上に直接形成したβ−ＦｅＳｉ２層は、その形成手段がどのようなものであっても、大きな結晶粒の多結晶層とはならないが、基板上の全面に、先ず、結晶粒径が１０乃至１００ｎｍと微細な第１のβ−ＦｅＳｉ２層を形成した後、この第１のβ−ＦｅＳｉ２層を初期層として、化学気相成長法（ＣＶＤ法）又は気相エピタキシ法（ＶＰＥ法）により、第２のβ−ＦｅＳｉ２層を形成すると、この第２のβ−ＦｅＳｉ２層は、結晶粒径が１０乃至１００μｍの粗大な結晶粒となることを見いだした。この場合に、第２のβ−ＦｅＳｉ２層は、第１のβ−ＦｅＳｉ２層の結晶粒を核として、この核を横方向（基板の表面に平行の方向）に成長させつつ、堆積されていく。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。
【００１８】
以下、本発明の好適実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係る鉄シリサイド半導体薄膜を有する光半導体装置を示す断面図である。基板１上に結晶粒径が１０乃至１００ｎｍの第１のβ−ＦｅＳｉ２層２が形成されており、この第１のβ−ＦｅＳｉ２層２の上に、結晶粒径が１０乃至１００μｍの第２のβ−ＦｅＳｉ２層が形成されている。そして、第２のβ−ＦｅＳｉ２層３上には、保護層又は反射防止膜層となるオーバーレイヤ層４が形成されている。
【００１９】
基板１の裏面には、例えば、格子状の電極５が形成されており、保護層又は反射防止膜層（オーバーレイヤ層４）の上には、同様に格子状の電極６が形成されている。そして、オーバーレイヤ層４に対して、格子状の電極６の開口部を介して光が入射し、入射光は、このオーバーレイヤ層４を透過して、第２のβ−ＦｅＳｉ２層３に入射する。又は、第２のβ−ＦｅＳｉ２層３からの出射光は、オーバーレイヤ層４を透過して、格子状の電極６の開口部を介して外部に放射される。
【００２０】
基板１は、シリコン基板、炭化シリコン基板、ガラス基板、又は酸化物基板等を使用することができる。また、これらのシリコン基板、炭化シリコン基板、又は酸化物基板は、その上に、鉄シリサイド半導体薄膜がエピタキシャル成長しやすいが、例えば、ガラス基板等のように、エピタキシャル成長しにくい基板の場合は、基板上に、シリコン、炭化シリコン、又はシリコン・ゲルマニウム層等のように、鉄シリサイド半導体薄膜がエピタキシャル成長しやすい層を形成したものを使用することが好ましい。なお、基板１としては、その上に層がエピタキシャル成長しやすいものに限らず、種々の基板を使用することもできる。炭化シリコン基板は、通常、立方晶又は六方晶の結晶構造を有する。
【００２１】
更に、基板１として、シリコンがエピタキシャル成長するＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム基板）、ＭｇＯ（マグネシア基板）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア基板）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ基板又はサファイア基板）、又はガラス基板を使用することができる。これらの基板の上に、１０μｍ以下の厚さを有するシリコン層又はシリコン・ゲルマニウム層をエピタキシャル成長させて、これをバッファ層として使用することもできる。このバッファ層には、基板１の半導体と同一導電型となるように、不純物元素を高濃度にドーピングする。また、基板１が半導体ではない場合は、バッファ層に任意の不純物元素を高濃度にドーピングすることにより、バッファ層を含めた基板１の全体として、所定のｎ型又はｐ型の導電性を具備させてもよい。
【００２２】
この基板１（以下、バッファ層を設けた場合は、基板１上のバッファ層も含めて基板という）上の全面に、結晶粒径が１０乃至１００ｎｍの第１のβ−ＦｅＳｉ２層２を形成する。先ず、基板１を５５０℃以上に加熱し、スパッタ法、蒸着法又はレーザアブレーション法（ＰＬＤ法）等により、鉄単独で、又は鉄とシリコンとを同時に、供給することにより、結晶粒径が１０乃至１００ｎｍの緻密で、微細な結晶粒で構成される鉄シリサイド半導体層（β−ＦｅＳｉ２層）２を初期層として、例えば、９０乃至２００ｎｍの厚さに形成する。第１のβ−ＦｅＳｉ２層２は、基板１上の全面に形成するので、得られた第１のβ−ＦｅＳｉ２層２は、微細結晶粒の緻密な層になる。
【００２３】
なお、スパッタ法により第１のβ−ＦｅＳｉ２層２を形成する場合は、６５０乃至７５０℃、例えば、６８０℃の温度で、ＦｅとＳｉとを１：２の割合（原子比）で供給し、堆積速度が０．０１乃至１ｎｍ／ｍｉｎ、例えば０．０３ｎｍ／ｍｉｎとなるようにすることが好ましい。また、蒸着法又はレーザアブレーション法でも、同様にして、緻密で微細結晶粒の第１のβ−ＦｅＳｉ２層２を形成することができる。
【００２４】
この第１のβ−ＦｅＳｉ２層２は、ｎ型の鉄シリサイド層でのみ構成してもよいし、ｐ型の鉄シリサイド層でのみ構成してもよいし、また、ｎ型とｐ型の鉄シリサイド層を積層した構造のものでもよい。この第１のβ−ＦｅＳｉ２層２の電気伝導型を制御するために、任意の不純物元素をドーピングすることができる。例えば、ｎ型の鉄シリサイド層は、ｎ型不純物として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等を鉄シリサイド層にドーピングすることにより、形成することができる。また、ｐ型の鉄シリサイド層は、ｐ型不純物として、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ，Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｕ等を鉄シリサイド膜にドーピングすることにより、形成することができる。
【００２５】
次に、上述の微細で緻密な第１のβ−ＦｅＳｉ２層２上に、結晶粒径が１０乃至１００μｍの第２のβ−ＦｅＳｉ２層３を形成する。この第２のβ−ＦｅＳｉ２層３は、化学気相成長法（ＣＶＤ法）又は気相エピタキシ法（ＶＰＥ法）により成膜する。例えば、ＣＶＤ法により第２のβ−ＦｅＳｉ２層を形成する場合は、６００乃至８２０℃の温度、例えば、７５０℃にて、ＦｅとＳｉとを１：２の割合（原子比）で供給し、堆積速度が０．０１乃至１０ｎｍ／ｍｉｎ、例えば１ｎｍ／ｍｉｎになるようにして、第１のβ−ＦｅＳｉ２層２上に第２のβ−ＦｅＳｉ２層３をエピタキシャル成長させる。この第２のβ−ＦｅＳｉ２層の膜厚は、５０乃至５００ｎｍ、例えば２００ｎｍである。この第２のβ−ＦｅＳｉ２層３は、結晶粒径が１０乃至１００μｍと大きいので、層内におけるキャリアの移動経路上の結晶粒界の数が少なく、転位等の結晶欠陥の密度が極めて低い。
【００２６】
次に、第２のβ−ＦｅＳｉ２層３上に、保護層又は反射防止膜層として、半導体又は絶縁体からなるオーバーレイヤ層４を、ＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ・アブレーション法等により形成する。絶縁体としては、ＳｉＯ２又はＳｉＮｘがあり、このオーバーレイヤ層４の膜厚は１００ｎｍ以下とすればよい。但し、このオーバーレイヤ層４は形成しなくてもよい。
【００２７】
その後、基板１の裏面に例えば格子状の薄膜電極５を形成し、オーバーレイヤ層４の上に例えば格子状の薄膜電極６を形成する。
【００２８】
このように構成された光半導体装置において、図１に示すように、オーバーレイヤ層４に対して、格子状の電極６の開口部を介して光が入射すると、結晶粒径が１０乃至１００μｍの粗大結晶粒の第２のβ−ＦｅＳｉ２層３に光が入射して、キャリアが生起され、このキャリアは電極５，６間で電流として取り出される。この場合に、第２のβ−ＦｅＳｉ２層３の半導体薄膜内の結晶粒界は少ないので、この半導体薄膜内の伝導キャリアの移動度は、バルク単結晶と同一レベル（５〜２０ｃｍ２／Ｖｓｅｃ）となる。このため、光生成キャリアの拡散長はバルク単結晶と同一レベルの数１０μｍとなり、単結晶鉄シリサイドと同一レベルの数１０％の光−電気変換効率が得られる。
【００２９】
また、電極５，６間に電圧を印加し、第２のβ−ＦｅＳｉ２層３内に電流を注入すると、この第２のβ−ＦｅＳｉ２層３から発光し、オーバーレイヤ層４から放射光が出射される。このように、光半導体装置が発光素子として機能する場合も、結晶粒の粗大化によって結晶粒界という欠陥の密度が低減されることになり、電流注入量に対して効率的に発光させることができ、発光強度が増加する。
【００３０】
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、図２に示すように、基板１の裏面側を、発光面及び受光面とすることも可能である。同様に、格子状の電極５の開口部を介して光を入射させ、また発光させることができる。
【００３１】
以上のように、本発明により、１０乃至１００μｍという粗大な結晶粒の第２のβ−ＦｅＳｉ２層３を形成することができるので、光−電気変換に際し、実用上、十分なレベルの量子効率（変換効率）が得られる。
【実施例１】
【００３２】
次に、本発明の実施例について説明する。ＳｉＣ基板上に、第１のβ−ＦｅＳｉ２層２として、ＲＦ（高周波）マグネトロン・スパッタ法によりβ−ＦｅＳｉ２層薄膜を成長させ、更に、その後、第２のβ−ＦｅＳｉ２層３として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、β−ＦｅＳｉ２層薄膜を成長させた。ＲＦマグネトロン・スパッタ法では、アルゴンガス雰囲気下で加熱した基板に、鉄とシリコンとが１：２の原子比になるように原料を供給し、２．６ｍｍ／ｍｉｎの堆積速度で、β−ＦｅＳｉ２層を成膜した。その際、基板温度と堆積量を変化させることにより、ＳｉＣ基板上に形成されたβ−ＦｅＳｉ２半導体層の初期核の大きさ及び核密度を変化させた。
【００３３】
ＭＯＣＶＤ法では、モノシランと鉄カルボニルを出発原料に使用して、７５０℃にて成膜速度を１ｎｍ／ｍｉｎにして第２のβ−ＦｅＳｉ２層を約２５０ｎｍの厚さに成膜した。
【００３４】
ＲＦマグネトロン・スパッタ法による第１のβ−ＦｅＳｉ２層と、ＭＯＣＶＤ法による第２のβ−ＦｅＳｉ２層のいずれも、（１００）単一配向したエピタキシャル成長であった。ＲＦマグネトロン・スパッタ法により形成された第１のβ−ＦｅＳｉ２層の走査型電子顕微鏡による組織写真を、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。また、その第１のβ−ＦｅＳｉ２層の上にＭＯＣＶＤ法により形成された第２のβ−ＦｅＳｉ２層の走査型電子顕微鏡による組織写真を、夫々図３（ｂ）´、（ｃ）´、（ｄ）´に示す。図３（ａ）´は、直接、ＳｉＣ基板上にＭＯＣＶＤ法によりβ−ＦｅＳｉ２層を形成した場合の走査型電子顕微鏡による組織写真である。なお、倍率は、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）中に示す線分が２００ｎｍ、図３（ａ）´、（ｂ）´、（ｃ）´、（ｄ）´中に示す線分が５００ｎｍである。
【００３５】
図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は夫々基板温度（成膜温度）が７５０℃、７５０℃、６８０℃であり、堆積量（膜厚）が夫々５ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍである。また、その結晶粒径は、図３（ｂ）が２０〜１００ｎｍ、図３（ｃ）が１００〜２００ｎｍ、図３（ｄ）が１０〜３０ｎｍであった。そして、図３（ａ）´に示すように、ＳｉＣ基板上にＭＯＣＶＤ法で直接β−ＦｅＳｉ２層を成長させた場合は、その薄膜は結晶粒径が数１００ｎｍ（２００〜４００ｎｍ）の微細粒で構成された。これに対し、図１（ｄ）´に示すように、スパッタ法により微細で密度が高い初期核を形成した後、この初期核上にＭＯＣＶＤ法で形成したβ−ＦｅＳｉ２薄膜は、１０〜３０μｍの結晶粒径を有していた。
【００３６】
これらの第２のβ−ＦｅＳｉ２層の伝導キャリアは、いずれもホールであった。しかし、図３（ａ）´、（ｂ）´、（ｃ）´のβ−ＦｅＳｉ２層の移動度は０．１〜０．２ｃｍ２／Ｖ・ｓであるのに対し、図３（ｄ）´のβ−ＦｅＳｉ２層の移動度は、５．５ｃｍ２／Ｖ・ｓと極めて大きいものであった。これは、図３（ｄ）に示す第１のβ−ＦｅＳｉ２層が、結晶粒径が１０〜３０ｎｍと微細であると共に、基板上の全面に形成されているため、緻密な層であったことにより、その上にＭＯＣＶＤ法により形成された図３（ｄ）´の第２のβ−ＦｅＳｉ２層の結晶粒径が１０〜３０μｍと、図３（ｃ）´の第２のβ−ＦｅＳｉ２層の粒径１００〜６００ｎｍに比して著しく大きいものであったためである。なお、図３（ｂ）、（ｃ）に示す第１のβ−ＦｅＳｉ２層は基板の全面には形成されていないため、緻密性が劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、光−電気変換効率が高い受光素子及び発光素子を得ることができ、光ファイバ通信及び太陽電池用の光半導体装置として、極めて有用である。
【符号の説明】
【００３８】
１：基板
２：第１のβ−ＦｅＳｉ２層
３：第２のβ−ＦｅＳｉ２層
４：オーバーレイヤ層
５，６：電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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