(57)【要約】シリコン基板上に光活性領域を形成するための方法が、シリコン基板上にシリコンのバッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、複数の量子ドットアレイを有するＳｉＧｅのクラッド層をエピタキシャル成長させるステップとを具えており、量子ドットが、シリコンのバッファ層に対して格子不整合を有する化合物半導体材料で形成される。光活性領域を、発光ダイオード、レーザダイオード、及び光検出器といったデバイスに組み込んでよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に光活性領域を形成するための方法であって、
前記シリコン基板上にシリコンバッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、
複数の量子ドットアレイを有するクラッド層をエピタキシャル成長させるステップと、を具えており、
前記量子ドットが、前記シリコンバッファ層に対して格子不整合を有する化合物半導体材料で形成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記化合物半導体材料が、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＳｂ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳｅ，及びＰｂＴｅから成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記クラッド層がＳｉを具えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記クラッド層がＳｉＧｅを具えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１のスペーサ層が隣接する量子ドットアレイを分けていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
シリコン基板と、
前記シリコン基板上にエピタキシャル成長したＳｉＧｅのクラッド層であって、少なくとも１のＳｉＧｅのスペーサ層で分けられる複数の量子ドットアレイを具えるＳｉＧｅのクラッド層とを具えており、
前記量子ドットが化合物半導体材料で形成されることを特徴とする光活性領域を有するデバイス。
【請求項７】
前記光活性領域がレーザダイオードに形成されることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記光活性領域が発光ダイオードに形成されることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記光活性領域が光検出器に形成されることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記光活性領域が垂直キャビティ面発光レーザに形成されることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項１１】
シリコン基板上に光活性領域を形成するための方法であって、
シリコン基板上にＳｉＧｅのエッチング停止層をエピタキシャル成長させるステップと、
前記ＳｉＧｅのエッチング停止層にシリコンバッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、
化合物半導体材料で形成された量子ドットアレイを有するＳｉＧｅのクラッド層をエピタキシャル成長させるステップと、
前記シリコン基板の背面をエッチングするステップと、
前記シリコンバッファ層の底面が露出するように前記ＳｉＧｅのエッチング停止層をエッチングするステップと、
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
さらに、前記量子ドットアレイを含む前記ＳｉＧｅのクラッド層の上方に第１の四分の一波長スタック（ＱＷＳ）を形成するステップを具えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、前記量子ドットアレイを含む前記ＳｉＧｅのクラッド層の下方に第２の四分の一波長スタック（ＱＷＳ）を形成するステップを具えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＳｉＧｅのクラッド層が、間隔を開けた複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットアレイを有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記量子ドットが、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＳｂ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳｅ，及びＰｂＴｅから成る群から選択される化合物半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光電子デバイス及びこれを作成する方法に関する。特に、本発明は、例えば、量子ドットを使用して形成されたレーザダイオード、発光ダイオード、及び光検出器といった光電子デバイスの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電子デバイスは、例えば、電気通信産業といった多くの産業にとって増々重要になっている。典型的な光電子ベースのデバイスは、レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）、及び光検出器（ＰＤｓ）を有する。これらのデバイスは、それが配置される基板とは異なる格子定数を有する半導体材料でできた光活性領域を具えて製造される。シリコン（Ｓｉ）は、集積回路技術に使用されるよく知られた基板材料であり、集積回路を製造する際のその使用に関して成熟した技術的基礎を開発している。都合の悪いことに、シリコンは発光できないため、発光又は光学的放射の検出のための光電子デバイスの「活性」部分で使用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
光活性な（例えば、光学的放射を行う）化合物半導体材料をシリコンと一体化するための取り組みが過去になされているが、うまくいっていない。シリコンに化合物半導体材料を組み込む際の第１の障害は、シリコン基板上の化合物半導体材料の成長によって生じる結晶の欠陥である。このような欠陥は、近接する化合物半導体材料と下位のシリコン基板との間の比較的大きな格子不整合（すなわち、異なる格子定数）によるものである。例えば、ＩｎＡｓとＳｉとの間に約１１％の格子不整合、及びＧａＡｓとＳｉとの間に４％の格子不整合がある。ＩｎＧａＡｓは、０．８μｍから１．５μｍ以上の波長−すなわち、現状の電気通信事業のニーズ（例えば、インターネット及び他のＷＡＮ）に応える大部分の光ファイバネットワークの波長−の光を発光する２つの化合物半導体材料（ＩｎＡｓ及びＧａＡｓ）の合金である。
【０００４】
ＩｎＧａＡｓは、Ｓｉ＜００１＞基板上にエピタキシャル成長する場合に、１０オングストロームのオーダーの層の臨界厚さを有するものと知られている。このため、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長可能なＩｎＧａＡｓの厚さは、１０オングストロームよりも薄い。比較として、ＩｎＧａＡｓで形成される典型的な量子井戸レーザの厚さは、２０００オングストロームのオーダーである。このため、ＩｎＧａＡｓの転位は、不可避である。エピタキシャル膜の緩和によって導入される転位は、例えば、半導体レーザといった、光電子デバイスの性能及び寿命を大幅に制限する。
【０００５】
このため、シリコン基板上で化合物半導体材料を使用するためのデバイス及び方法の必要性がある。好適には、このようなデバイスを、シリコン基板上での光電子デバイスの光活性領域のエピタキシャル形成によって作成できる。好適には、このようなデバイスを、非常に小さく又は限られた量の光活性な材料で形成してよい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、シリコン基板上に光活性領域を有する光電子デバイスを形成する方法を扱う。本発明の一態様によれば、化合物半導体材料からエピタキシャル成長した量子ドットアレイを使用して、シリコン基板上に光活性領域を形成する。例えば、化合物半導体材料は、下位のＳｉ基板に対して格子不整合を有してよい。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、量子ドットの形式で与えられた場合に、優れた性能を発揮しながら、光活性化材料（例えば、ＩｎＧａＡｓ）の量又は数を最小限にする。例えば、ＩｎＧａＡｓ量子ドットが、転位無しに、例えば光学利得を形成してもよい。これは、光活性のレベルに達するのに多くの材料を必要とするフィルムベースの方法と対照的であるため、化合物半導体材料及びシリコン間の格子不整合により、光電子アプリケーションのための十分な厚さの層の中に高密度の転位をもたらす。
【０００８】
本発明の一態様によれば、シリコン基板上に光活性領域を形成する方法が、シリコン基板上に任意のシリコンバッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、複数の量子ドットアレイを有するクラッド層をエピタキシャル成長させるステップとを有しており、量子ドットがシリコンバッファ層に対して格子不整合を有する化合物半導体材料で形成される。光活性領域を、発光ダイオード、レーザダイオード、及び光検出器といったデバイスに組み込んでもよい。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、光活性領域を有するデバイスが、シリコン基板と、シリコン基板上にエピタキシャル成長したＳｉＧｅクラッド層とを有しており、ＳｉＧｅクラッド層が、少なくとも１のＳｉＧｅスペーサ層によって分けられた複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットアレイを具えている。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、シリコン基板上に光活性領域を形成する方法が、シリコン基板上にＳｉＧｅエッチング停止層をエピタキシャル成長させるステップと、ＳｉＧｅエッチング停止層にシリコンバッファ層をエピタキシャル成長させるステップとを有している。そして、エピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓ量子ドットのアレイを有するＳｉＧｅのクラッド層をエピタキシャル成長させる。そして、シリコン基板の背面をエッチングするのに続いて、シリコンバッファ層の下面が露出するようにＳｉＧｅエッチング停止層をエッチングする。上記の光活性領域を２つの四分の一波長スタック間に入れて、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を形成してもよい。
【００１１】
化合物半導体材料で形成された光活性化領域を有するシリコンベースの光電子デバイスの製造方法を提供することが、本発明の目的の一つである。このようなヘテロ構成（例えば、格子不整合）に基づくデバイスは、商品寿命優れた性能特性を有するであろう。本書に記載された方法に従って製造される典型的な製品は、シリコンベースの光トランシーバチップ、レーザダイオード、発光ダイオード、及び光検出器を有する。
【００１２】
好適な実施例に係る以下の図面及び説明を検討して、さらなる態様及び利点が明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、端面発光レーザ１０の概略図を示す。端面発光レーザ１０は、ｐ型のシリコン基板１０を有する。光活性領域１４が、ｐ型のシリコン基板１２の上面に形成されている。光活性領域１４は、シリコン（Ｓｉ）又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）クラッド層１６を有しており、クラッド層１６は、化合物半導体材料で形成された、それに配置された１又はそれ以上の量子ドット２０アレイ１８層を有する。量子ドット２０は、その寸法が電子又は「正孔」の量子力学的波長よりも小さい原子のクラスタである。本発明に係るある好適な態様では、量子ドット２０がダイレクトエネルギバンドギャップを具えた半導体材料で形成される。説明する量子ドット２０用半導体材料は、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＳｂ，ＰｂＴｅ，ＣｄＴｅ，及びＣｄＳｅを有する。ある態様では、量子ドット２０を、下位のシリコンバッファ層との格子不整合（例えば、少なくとも５％の格子不整合）を有する化合物半導体材料で形成する。図１Ａに示すように、光活性領域１４の端部は、エッチング面１５を有する。
【００１４】
本発明のある態様では、個々の量子ドット２０アレイ１８を、優先的核形成部位のアレイにダイレクトエネルギバンドギャップを具えた半導体材料の島又はドットを成長させることによって形成する。これらの核形成部位を、例えば、ＳｉＧｅといった歪んだ膜をエピタキシャル成長させることにより垂直方向に向いた一連の転位線（図示せず）を導入することによって形成してよく、それに続いてＳｉＧｅを転位を通して緩和することができる。例えば、米国特許番号第５，８８８，８８５号は、３次元量子ドットアレイの製造方法を開示している。’８８５特許は、本書で十分に説明するように参照することにより盛り込まれている。ＳｉＧｅで形成した層といったスペーサ層２２を、隣接する量子ドットアレイ１８間に入れてもよい。
【００１５】
さらに図１を参照すると、端面発光レーザ１０のケースでは、クラッド層１６が、その上に配置されたｎ型シリコン層２４を有している。また、ｎ型シリコン層２４にｎ型不純物を高濃度にドープして、オーム接触し易くしてもよい。図１Ａに開示されている光活性領域１４の利点は、材料が量子ドット２０の形式である場合に所望の光電子機能のために非常に少量の材料（例えば、ＩｎＧａＡｓ）で十分であるという事実を有する。光活性領域１４におけるこのような歪んだ少量の材料は、結晶欠陥の可能性を減らしたり抑制する。光活性領域１４の第２の利点は、転位ネットワークにより、より組織立った且つ均一な量子ドット２０の変形が可能なことである。例えば、埋没した転位ネットワークからの歪み場を利用するナノメートルサイズのパターニングが、より均一な大きさの量子ドット２０の分布を形成する。これは、共振空洞によって単波長を選択するＬＤｓのケースで特に有効である。量子ドット２０がより詰まって分布していることで、より多くの量子ドット２０がレージング作用に関与することになる−このため、必要とする光活性な化合物半導体の量を減らす。
【００１６】
図１Ｂは、面発光レーザ３０の一実施例を示す。面発光レーザ３０は、例えば、図１Ｂに示すようなシリコンベースの垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）でよい。面発光レーザ３０は、四分の一波長スタック３６（ＱＷＳ）を含むキャビティ３６を形成するようエッチングされた底面を有するｐ型のシリコン基板３２を有する。四分の一波長スタック３６は、四分の一波長の厚さで高−低インデックス材料、例えば、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２、が交互に重なった層を蒸着することによって形成した誘電体層である。四分の一波長スタック３６は、レージング作用の際に量子ドット（以下に記載）によって発生する光放射を十分に反射させることができる。ｐ型シリコン基板３２の底面は、金属端子３８を有する。
【００１７】
さらに、図１Ｂを参照すると、ドープしたｐ型シリコンバッファ層４０がシリコン基板３２の上に形成され、四分の一波長スタック３６の間に入っている。光活性領域４２が、ｐ型シリコンバッファ層４０の上面に形成されている。光活性領域４２は、シリコン又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）のクラッド層４４を有しており、クラッド層４４は、それに配置された、化合物半導体で形成した１又はそれ以上の量子ドット４８アレイ４６を有する。本発明の一態様では、量子ドット２０を、下位のシリコンバッファ層に対する格子不整合を有する化合物半導体材料で形成する。代替的に、量子ドット２０を、格子不整合を必要としないように、パターニングすることで形成してもよい。例えば、量子ドット４８をＩｎＧａＡｓで形成してよい。ＳｉＧｅで形成した層といったスペーサ層５０を、隣接する量子ドットアレイ４６間に入れてもよい。ドープしたｎ型シリコン層を、上部接触層５２を形成するよう構成する。第２の四分の一波長スタック５４が、例えば、スパッタリング又は蒸着によって層５２上に配置されている。
【００１８】
酸化分離領域５６（ＳｉＯ２）が、光活性領域４２に隣接して形成されている。面発光レーザ３０は、例えば、パターン化したレジストの上に金属を蒸着した後に湿式溶剤リフトオフプロセスによって除去することで形成した上部金属端子層５８を有する。任意の透明層６０を四分の一波長スタック３６の上に配置してもよい。
【００１９】
面発光レーザ３０からの放射方向を、四分の一波長スタック３６，５４のそれぞれの反射率を調整することによって制御してもよい。
【００２０】
図２は、図１Ｂに示すようなタイプの面発光レーザ３０を形成するためのプロセスのフローチャートを示す。ステップ１００は、ｐ型シリコン基板３２の清掃及び／又は洗浄を含む。例えば、これは、高濃度にドープされたｐ型シリコン基板３２の面の湿式化学洗浄を有してよい。ステップ１０５で、ｐ型ＳｉＧｅエッチング停止層（図示せず）、シリコンバッファ層４０、及び光活性領域４２が、エピタキシャル成長する。シリコンバッファ層４０は、約３０００オングストロームの厚さを有する高濃度にドープされたｐ型シリコンバッファ層４０を用いて、ｐ型ＳｉＧｅエッチング停止層の上に成長する。活性領域４２に関しては、複数（例えば３つ）のＩｎＧａＡｓ量子ドットアレイ４６を有するドープされていない（５％Ｇｅを具えた）ＳｉＧｅクラッド層４４を形成する。図１Ｂに示すように、クラッド層４４は、トータルの厚さが１０００オングストロームのＳｉＧｅスペーサ層５０を有してよい。活性領域４２を、約２００オングストロームの厚さを有するドープしていないシリコンキャップ層で仕上げてもよい。
【００２１】
ステップ１００で、光活性領域４２のレーザ領域を、フォトリソグラフィを用いて形成又はそうでなければ規定する。ステップ１１５で、シリコンバッファ層４０の中に酸化分離領域５６を形成する。例えば、シリコンバッファ層４０の電気化学エッチングといった従来の方法を用いて多孔質シリコンを形成してよい。多孔質シリコンの形成は、好適にはシリコンバッファ層４０の内側で停止する。そして、シリコン基板３２及びこれに形成される構成は、熱酸化を受けて酸化物分離領域５６を形成する。得られる酸化物分離領域は、約１００オングストロームの厚さを有する。
【００２２】
ステップ１２０で、高濃度にドープされたｎ型シリコンの１０００オングストロームよりも薄い厚さの非選択的エピタキシャル成長によって、上部接触層５２を形成する。ステップ１２５で、第１の四分の一波長スタック３６を、例えばスパッタリング又は蒸着によって配置する。そして、第１の四分の一波長３６の上部ミラーを従来のフォトリソグラフィ技術を用いて規定し、第１の四分の一波長スタック３６に、ＱＷＳ３６を形成してｎ型シリコンの上部接触層５２で停まる、エッチング処理を施す。
【００２３】
そして、ステップ１３０で、上部金属接触層５８を、例えば、パターン化したレジストの上に金属を蒸着又はスパッタリングした後に湿式溶剤リフトオフプロセスによって部分的に除去することで形成する。次に、ステップ１３５で、シリコン基板３２の下面に酸化シリコン層を形成する。酸化シリコン層は、それに続くシリコン基板３２のエッチングのための酸化物マスクを形成する。
【００２４】
ステップ１４０で、シリコン基板３２の上面（及び関連する構成要素）を、例えば、ワックス又は蒸着した二酸化シリコンを用いて保護する。そして、ステップ１４５で、シリコン基板３２の下面を、例えばＫＯＨ溶液でエッチングする。好適には、ステップ１０５で成長したＳｉＧｅエッチング停止層から数ミクロンでエッチングを停止する。
【００２５】
ステップ１５０で、ＳｉＧｅエッチング停止層をエッチングして、上部のシリコン層を露出させる。例えば、Ｓｉ及びＧｅに対して代替的な溶液を選択的に使用して、エッチング停止層を除去してよい。ステップ１５５で、シリコン基板３２の下面へのスパッタリング又は蒸着によって、第２の四分の一波長スタック５４を形成する。第２の四分の一波長スタック５４は、フォトリソグラフィによって規定され、続いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。ステップ１６０で、ステップ１３５で形成した下部酸化シリコンマスクを除去して、下部金属接触層３８を形成する。下部金属接触層３８を、初めにパターン化したレジストの上に金属をスパッタリング又は蒸着した後に湿式溶剤リフトオフプロセスによって除去することで形成してよい。
【００２６】
図１Ｂ及び図２に示すプロセスを面発光レーザ３０に関して示したが、光検出器（ＰＤｓ）に対して同一又は類似する構成を使用してよいことに留意されたい。本発明の一態様によれば、発光体及び／又はＰＤｓのスペクトル感度を、量子ドット（２０，４８）の大きさを制御することによって調整してよい。
【００２７】
本書に記載した方法及びデバイスは、様々なデバイスに光活性領域を形成するのに有用となろう。例えば、光活性領域を、シリコンベースの駆動回路及び光検出器と一体となったＬＤｓ又はＬＥＤｓに設けて、高帯域幅光ファイバ通信用の一体型トランシーバを形成してもよい。
【００２８】
本発明の実施例を図示及び記載したが、本発明の範囲から逸脱することなしに、様々な変更を行ってもよい。このため、上記の特許請求の範囲及びそれらに相当するものを除いて、本発明を限定すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】図１Ａは、端面発光レーザの概略図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、面発光レーザの概略図を示す。
【図２】図２は、シリコンベースの面発光レーザの製造方法のプロセスのフローチャートを示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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