(57)【要約】  集積回路は、積層された複数の層群を含む超格子を有する少なくとも１つの能動光デバイスを含んでいる。超格子の層群の各々は、ベース半導体部分を形作る積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、その上のエネルギー帯修正層とを有する。エネルギー帯修正層は隣接するベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤーを有する。この集積回路は更に上記の少なくとも１つの能動光デバイスに結合された導波路を有していてもよい。
2008512873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の層群を含む超格子を有する少なくとも１つの能動光デバイスであり、前記超格子の層群の各々は、ベース半導体部分を形作る積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、その上のエネルギー帯修正層とを有し、前記エネルギー帯修正層は隣接するベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤーを有する、少なくとも１つの能動光デバイス；及び
前記少なくとも１つの能動光デバイスに結合された導波路；
を有する集積回路。
【請求項２】
前記少なくとも１つの能動光デバイスは光送信器を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項３】
前記超格子の少なくとも１つの部分が前記導波路に結合された前記光送信器の光放射領域を形作り；且つ前記光送信器は更に、光ビームを形作るための、前記光放射領域に隣接する少なくとも１つの面を有する、請求項２に記載の集積回路。
【請求項４】
前記少なくとも１つの能動光デバイスは光受信器を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項５】
前記超格子の少なくとも１つの部分が前記導波路に結合された前記光受信器の光検出器の領域を形作り；且つ前記光受信器は更に、散乱光を吸収するための、前記光検出器に隣接する光吸収領域を有する、請求項４に記載の集積回路。
【請求項６】
前記導波路も前記超格子を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項７】
前記導波路は更に前記超格子上に層を有する、請求項６に記載の集積回路。
【請求項８】
前記層はエピタキシャルシリコン層を有する、請求項７に記載の集積回路。
【請求項９】
前記導波路の前記超格子は前記少なくとも１つの能動光デバイスに隣接して厚さが増大されている、請求項６に記載の集積回路。
【請求項１０】
前記超格子はその中に共通のエネルギーバンド構造を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１１】
前記超格子は、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーがない場合に存在することになる電荷キャリア移動度より高い電荷キャリア移動度を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１２】
前記ベース半導体部分の各々はシリコンを有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１３】
前記ベース半導体部分の各々はゲルマニウムを有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１４】
前記エネルギー帯修正層の各々は酸素を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１５】
前記エネルギー帯修正層の各々は単層のモノレイヤーの厚さである、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１６】
前記ベース半導体部分の各々は８層のモノレイヤーの厚さより薄い、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１７】
前記超格子は更に、実質的な直接エネルギーバンドギャップを有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１８】
前記超格子は更に、最も上側の層群の上にベース半導体のキャップ層を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項１９】
前記エネルギー帯修正層の各々は、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を有する、請求項１に記載の集積回路。
【請求項２０】
積層された複数の層群を含む超格子を有する少なくとも１つの能動光デバイスを形成する工程であり、前記超格子の層群の各々は、ベース半導体部分を形作る積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、その上のエネルギー帯修正層とを有し、前記エネルギー帯修正層は隣接するベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤーを有する、形成工程；及び
前記少なくとも１つの能動光デバイスに結合された導波路を形成する工程；
を有する集積回路の製造方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの能動光デバイスを形成する工程は、光送信器を形成する工程を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光送信器を形成する工程は、前記超格子を含み且つ前記導波路に結合された光放射領域を形成すること、及び前記光放射領域に隣接する少なくとも１つの面を形成することを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの能動光デバイスを形成する工程は、光受信器を形成する工程を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記光受信器を形成する工程は、前記超格子を含み且つ前記導波路に結合された光検出器領域を形成すること、及び散乱光を吸収するための、前記光検出器に隣接する光吸収領域を形成することを有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記導波路を形成する工程は、半導体基板上に前記超格子を有する第１層を形成する工程、及び前記第１層上に第２層を形成する工程を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１層を形成する工程は、前記少なくとも１つの能動光デバイスに隣接して厚さが増大されるように該第１層を形成することを有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２層を形成する工程は、エピタキシャルシリコン層を形成することを有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記超格子はその中に共通のエネルギーバンド構造を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記超格子は、前記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーがない場合に存在することになる電荷キャリア移動度より高い電荷キャリア移動度を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記ベース半導体部分の各々はシリコンを有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
前記ベース半導体部分の各々はゲルマニウムを有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３２】
前記エネルギー帯修正層の各々は酸素を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３３】
前記エネルギー帯修正層の各々は単層のモノレイヤーの厚さである、請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
前記ベース半導体部分の各々は８層のモノレイヤーの厚さより薄い、請求項２０に記載の方法。
【請求項３５】
前記超格子は更に、実質的な直接エネルギーバンドギャップを有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３６】
前記超格子は更に、最も上側の層群の上にベース半導体のキャップ層を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３７】
前記エネルギー帯修正層の各々は、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を有する、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体分野に関し、より具体的には、エネルギー帯エンジニアリングに基づいて特性改善された半導体及びそれに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電荷キャリアの移動度を高めることによってなど、半導体デバイスの性能を向上させるための構造及び技術が提案されている。例えば、シリコンの歪み材料層、シリコン・ゲルマニウム、及び歪み緩和されたシリコンが、さもなければ性能低下を引き起こすであろう不純物フリー領域を含め、特許文献１にて開示されている。上部シリコン層内に得られる二軸歪みはキャリア移動度を変化させ、より高速且つ／或いは低電力のデバイスを可能にする。また、やはり同様の歪みシリコン技術に基づくＣＭＯＳインバータが特許文献２にて開示されている。
【０００３】
特許文献３は、シリコン層間に挟み込まれたシリコン及び炭素の層を含み、第２のシリコン層の伝導帯及び価電子帯が引っ張り歪みを受けるようにされた半導体デバイスを開示している。より小さい有効質量を有し且つゲート電極に印加された電界によって誘導された電子が第２のシリコン層内に閉じ込められるため、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴはより高い移動度を有するとされている。
【０００４】
特許文献４は、分数又は二元化合物の半導体層を含む８原子層以下の複数の層が交互にエピタキシャル成長された超格子を開示している。主電流の方向は超格子の層群に垂直である。
【０００５】
特許文献５は、超格子内の合金散乱を抑制することによって移動度が高められたSi-Geの短周期超格子を開示している。これらの路線に沿って、特許文献６が開示している移動度が向上されたＭＯＳＦＥＴは、シリコンと、チャネル層を引っ張り応力の下に置くような割合でシリコン格子内に置換的に存在する第２の材料との合金を有するチャネル層を含んでいる。
【０００６】
特許文献７は、２つの障壁領域とこれら障壁間に挟み込まれた薄いエピタキシャル成長半導体層とを有する量子井戸構造を開示している。各障壁領域は、一般的に２原子層から６原子層の範囲の厚さを有する交互になったSiO2／Si層から構成されている。シリコンの遙かに厚い部分が障壁間に挟み込まれている。
【０００７】
非特許文献１は、シリコンと酸素との半導体原子超格子（semiconductor-atomic  superlattice；ＳＡＳ）を開示している。Si／O超格子はシリコンの量子発光デバイスに有用であるとして開示されている。具体的には、緑色エレクトロルミネセンスダイオード構造が試作・試験されている。ダイオード構造内の電流は縦方向、すなわち、ＳＡＳの層群に垂直である。開示されたＳＡＳは、例えば酸素原子及びＣＯ分子などの吸収種によって分離された半導体層を含んでいてもよい。かなり低い欠陥密度を有するエピタキシャルとして、酸素の吸収モノレイヤーを超えるシリコン成長が記載されている。１つのＳＡＳ構造が、およそシリコンの８原子層である1.1nm厚さのシリコン部分を含んでおり、他の構造はこの２倍の厚さのシリコンを有している。さらに、非特許文献２は非特許文献１の発光ＳＡＳ構造について議論している。
【０００８】
特許文献８は、格子を縦方向に流れる電流を４桁以上低減する、薄いシリコン及び酸素、炭素、窒素、リン、アンチモン、ヒ素又は水素から成る障壁構築物（barrier  building  block）を開示している。絶縁層／障壁層により、低欠陥のエピタキシャルシリコンが絶縁層の隣に堆積されることが可能になる。
【０００９】
特許文献９は、非周期的光バンドギャップ（Aperiodic  Photonic  Band-Gap）構造の原理が電子バンドギャップエンジニアリングに適応され得ることを開示している。具体的には、この文献は、例えばバンドの極小位置や有効質量などの材料パラメータは、望ましいバンド構造の特徴を有する新たな非周期性材料を生じさせるために調整可能であることを開示している。
【００１０】
電荷キャリアの移動度を高め、半導体デバイスの光学特性を向上させるための材料工学的な相当の努力にも拘わらず、更なる向上が依然として望まれている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００５７４１６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／００３４５２９号明細書
【特許文献３】米国特許第６４７２６８５号明細書
【特許文献４】米国特許第４９３７２０４号明細書
【特許文献５】米国特許第５３５７１１９号明細書
【特許文献６】米国特許第５６８３９３４号明細書
【特許文献７】米国特許第５２１６２６２号明細書
【特許文献８】国際公開第０２／１０３７６７号パンフレット
【特許文献９】英国特許出願公開第２３４７５２０号明細書
【非特許文献１】Tsu、「Phenomena  in  silicon  nanostructure  devices」、Applied  Physics  and  Materials  Science  ＆  Processing、2000年9月6日、p.391-402
【非特許文献２】Luo等、「Chemical  Design  of  Direct-Gap  Light-Emitting  Silicon」、Physical  Review  Letters、第８９巻、第７号、2002年8月12日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、エネルギー帯エンジニアリングに基づいて改善された材料を有する１つ以上の能動光デバイスを含む集積回路と、それに関連する方法と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】
本発明に従った、この及び他の目的、特徴及び利点は、超格子を有する少なくとも１つの能動光デバイスを含む集積回路によって提供される。この超格子は積層された複数の層群を含む。より具体的には、超格子の層群の各々は、ベース半導体部分を形作る積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、その上のエネルギー帯修正層とを有する。エネルギー帯修正層は隣接するベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤーを有する。当該集積回路は上記少なくとも１つの能動光デバイスに結合された導波路を更に有してもよい。
【００１３】
例として上記少なくとも１つの能動光デバイスは光送信器としてもよく、超格子の少なくとも１つの部分が、導波路に結合された光送信器の光放射領域を形作る。光送信器は更に、前記光放射領域に隣接する少なくとも１つの面（facet）を含んでもよい。上記少なくとも１つの能動光デバイスは例えば光受信器であってもよい。より具体的には、超格子の少なくとも１つの部分が、導波路に結合された光受信器の光検出器領域を形作ってもよく、光受信器は更に、散乱光を吸収するための、光検出器に隣接する光吸収領域を有していてもよい。
【００１４】
加えて、導波路も上記の超格子を有していてもよい。また、導波路は更に超格子上に例えばエピタキシャルシリコン層などの層を有していてもよい。さらに、導波路の超格子は上記少なくとも１つの能動光デバイスに隣接して厚さが増大されていてもよい。
【００１５】
超格子はその中に共通のエネルギーバンド構造を有していてもよく、超格子は、上記少なくとも１つの非半導体モノレイヤーがない場合に存在するであろう電荷キャリア移動度より高い電荷キャリア移動度を有し得る。例として、各ベース半導体部分はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を有し、各エネルギー帯修正層は酸素を有する。
【００１６】
加えて、例えば、各エネルギー帯修正層は単一のモノレイヤーの厚さであり、各ベース半導体部分は８層のモノレイヤーの厚さより薄い。超格子は更に、実質的な直接エネルギーバンドギャップを有していてもよく、更に、最も上側の層群の上にベース半導体から成るキャップ層を含んでいてもよい。各エネルギー帯修正層は、例えば、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を有する。
【００１７】
本発明の他の一態様は、エネルギー帯エンジニアリングに基づいて改善された材料を有する集積回路を製造する方法に関する。当該方法は、超格子を含む少なくとも１つの能動光デバイスを形成する工程を含む集積回路の製造のためのものである。上記超格子は積層された複数の層群を有する。より具体的には、超格子の層群の各々は、ベース半導体部分を形作る積層された複数のベース半導体モノレイヤーと、その上のエネルギー帯修正層とを有する。エネルギー帯修正層は隣接するベース半導体部分の結晶格子内に拘束された少なくとも１つの非半導体モノレイヤーを有する。当該方法は更に、上記少なくとも１つの能動光デバイスに結合された導波路を形成する工程を含んでもよい。
【００１８】
加えて、少なくとも１つの能動光デバイスを形成する工程は、光送信器を形成する工程を有していてもよく、この光送信器を形成する工程は、超格子を含み且つ導波路に結合された光放射領域を形成すること、及び光放射領域に隣接する少なくとも１つの面（facet）を形成することを含んでいてもよい。また、少なくとも１つの能動光デバイスを形成する工程は、光受信器を形成する工程を有していてもよい。より具体的には、光受信器を形成する工程は、超格子を含み且つ導波路に結合された光検出器領域を形成すること、及び散乱光を吸収するための、光検出器領域に隣接する光吸収領域を形成することを含んでいてもよい。
【００１９】
また、導波路を形成する工程は、半導体基板上に上記超格子を有する第１層を形成する工程、及び第１層上に例えばエピタキシャルシリコン層などの第２層を形成する工程を含んでいてもよい。さらに、第１層を形成する工程は、光送信器及び光受信器の少なくとも一方に隣接して厚さが増大されるように超格子を形成すること含んでいてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施形態を示す添付図面を参照しながら、より完全に本発明について説明する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で具現化され得るものであり、ここで説明される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が詳細且つ完全であって本発明の範囲を当業者に完全に伝えるために提供されるものである。全体を通して似通った符号は似通った要素を参照するものとし、代替実施形態における同様の要素を指し示すために「’」及び複数の「’」を使用することとする。
【００２１】
本発明は、半導体デバイスの性能を向上させるために、半導体材料の特性を原子又は分子のレベルで制御することに関する。本発明は更に、半導体デバイスの導電経路及び光デバイスに使用される改善された材料の識別、創出、及び用途に関する。
【００２２】
理論に囚われるべきではないが、ここでは、ここに記載される或る一定の超格子は電荷キャリアの有効質量を低減させること、及びそれによって、より高い電荷キャリア移動度が得られることを理論化する。有効質量は文字通り様々な定義を用いて記述される。有効質量の改善の指標として、ここでは“伝導率反転（conductivity  reciprocal）有効質量テンソル”、すなわち電子及び正孔に対して、それぞれ、次のように定義されるMe-1及びMh-1を使用する：
【００２３】
【数１】
2008512873.tif 000003
（電子の場合）
【００２４】
【数２】
2008512873.tif 000004
（正孔の場合）
ただし、fはフェルミ−ディラック分布関数、EFはフェルミ準位、Tは温度、E(ベクトルk,n)は波数ベクトルｋ及びｎ番目のエネルギー帯に対応する状態にある電子のエネルギーであり、添字i及びjはデカルト座標x、y及びzを参照するものであり、積分はブリルアン領域（B.Z.）全体で取られ、和は電子及び正孔に対し、それぞれ、フェルミ準位より高いエネルギー及び低いエネルギーを有する帯の全体で取られる。
【００２５】
ここでの伝導率反転有効質量テンソルの定義は、材料の伝導率のテンソル成分が、伝導率反転有効質量テンソルの対応する成分の値が大きくなるほど大きくなるものである。ここでも、理論に囚われるべきではないが、ここで説明される超格子が、例えば典型的に好適な電荷キャリア輸送の方向に対しての、材料の伝導特性を高めるように伝導率反転有効質量テンソルの値を設定することを理論化する。さらに、これらの超格子は、直接バンドギャップ、故に望ましい光伝送特性をもたらすように有利に構成され得る。
【００２６】
適当なテンソル要素の逆数を伝導率有効質量（conductivity  effective  mass）と呼ぶ。換言すれば、半導体材料の構造を特徴付けるため、意図されるキャリア輸送方向で計算された上述の電子／正孔の伝導率有効質量を使用することにより、改善された材料が識別され得る。
【００２７】
上述の指標を用いると、特定の目的のために改善されたバンド構造を有する材料を選択することができる。その一例は、例えば図１及び２Ａに例示された集積回路20等の半導体デバイスにおいて光学素子に使用される超格子材料25である。集積回路20は、例示的に、半導体基板21（例えば、シリコン）に形成された２つの能動光デバイスを有している。第１の能動光デバイスは光送信器22であり、第２の光デバイスは光受信器23である。さらに、光送信器22と光受信器23との間には導波路24が結合されている。例示された実施形態において、光送信器22、光受信器23及び導波路24の各々は、更に後述される超格子材料25を含んでいる。超格子材料25は図１では、図の明瞭化のため、ドット領域で示されている。
【００２８】
なお、光送信器22、光受信器23及び導波路24の各々に超格子材料25が使用されることは、全ての実施形態において必要なわけではない。例えば、超格子材料25は単に光送信器22及び／又は光受信器23に使用されてもよいし、光送信器若しくは受信器の何れかで使用されながら、あるいは使用されずに導波路24に使用されてもよい。さらに、図の明瞭化のために単一の光送信器22、光受信器23及び導波路24のみが示されているが、当業者に認識されるように、集積回路20にはこれらデバイスが数多く含まれていてもよい。他方、一部の実施形態においては、集積回路20には単一の種類の能動光デバイスが含まれていてもよく、また上記デバイスの１つ又は複数が存在していてもよい。
【００２９】
例示された実施形態において、光送信器22の超格子材料部分は、導波路24に結合された該光送信器の光放出領域を定めている。光送信器22はまた例示的に、レーザ光送信器を形作るように一対の面（facet）26a、26bと導電性コンタクト27（例えば、金属又はシリサイドのコンタクト）とを光放射領域に近接して含んでいる。なお、コンタクト27は図１には断面で示されていないが、図の明瞭化のため斜線領域で示されている。
【００３０】
より具体的には、光放射領域及び面26a、26bは光キャビティを形作っており、この光キャビティは、コンタクト27間に電圧が印加されると放出される光子を格納する。第１の面26aは光放射領域の導波路とは反対側に位置付けられ、光子を反射するようにされている。他方、面26bは光放射領域と導波路24との間に位置付けられ、当業者に認識されるように、一部の放射線がキャビティから導波路に抜け出るように部分的に反射するようにされている。なお、この他の様々な光送信構成が用いられてもよい。例として、光送信器22は発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。
【００３１】
光受信器23においては、超格子材料25は、例示的に導波路24に結合された光検出器領域を形作っている。光検出器領域は、光送信器22の光放射領域から放射された光子を導波路24を介して受け取り、そして、受け取られた光子は光検出器領域に結合された頂部及び底部コンタクト31t、31b（例えば、金属又はシリサイドのコンタクト）間の電圧として検出され得る。また、当業者に認識されるように、望まれるのであれば、光受信器23は更に、基板21内に光検出器に隣接してドープされた光吸収領域28を含んでいてもよい。この領域は散乱光を吸収するためのものである。
【００３２】
底部コンタクト31bは、ドープされたコンタクト領域32を介して光検出器領域の超格子25の底部に電気的に接続された金属ビアであってもよい。しかしながら、当業者に認識されるように、光送信器22及び光受信器23の何れに関しても、所与の実装に応じて多くのコンタクト構成（例えば、頂部／底部、前後、側面コンタクト）が可能である。
【００３３】
例として、図１６乃至１８に幾つかの付加的なコンタクト構成が例示されている。より具体的には、図１６には、超格子25が基板160上に形成され、複数の背合わせのｐ型領域161及びｎ型領域162が超格子を貫通して基板内にドープされた光検出器領域が例示されている。図の明瞭化のため、超格子25はドーピングが行われた領域では破線で示されている。コンタクト163、164（例えば、金属又はシリサイド）が、それぞれ、ｐ型領域161及びｎ型領域162の頂部に形成されている。動作時、ｐ−ｎ領域161、162は逆バイアスされ、当業者に認識されるように、それらの間の空乏領域に光子が到達すると導通して超格子25内に電荷キャリアを生成する。複数のｐ−ｎ領域を用いることにより、有利なことに、より多くの光が捕捉されることが可能になる。このことは、比較的小さい厚さの超格子25が使用される或る一定の実施形態において望ましいことである。
【００３４】
図１７には他の一実施形態が例示されており、そこでは、超格子25が第１導電型（例えば、ｎ型）の基板170上に形成されている。更に後述する超格子25の頂部キャップ層52は第２導電型（例えば、ｐ型）の不純物を注入されている。また、第１導電型のコンタクト領域172が超格子25を貫通して基板170までドープされており、超格子への底部コンタクトをもたらしている。超格子25の頂部コンタクトを設けるためにキャップ層52上にコンタクト173が形成されており、また、コンタクト領域172上にコンタクト174が形成されている。
【００３５】
図１８Ａ及び１８Ｂには更に他の一実施形態が例示されており、そこでは、図１８Ａの破線矢印によって示されるように光が超格子25を通って進行する経路と平行に、ｐ型コンタクト領域181、及びｎ型コンタクト領域182が基板180（例えば、ｎ型）に形成されている。この場合も、ｐ型及びｎ型コンタクト領域181、182上には、それぞれ、コンタクト領域183、184が形成されている。
【００３６】
以上により当業者に認識されるように、コンタクト領域は超格子25の所与の向き及び光の伝搬方向に関連して、具体的な実装法に応じて様々に構成されてもよい。一般的に言えば、当業者に認識されるように、信号の損失を回避するため、ドープされた領域を光が通過しなければならない距離を最小化することが望ましい。また、上記のコンタクト構成は光受信器を参照して説明されているが、これらは光送信器にも同様に用いられてもよいことは認識されるところである。
【００３７】
上述の実施形態では超格子25は基板の上表面に対して実質的に横向き又は平行であるように示されているが、他の実施形態では超格子は、例えば、実質的に縦向き（すなわち、基板の上表面に垂直）にされ、コンタクト領域がそれに応じて構成されてもよい。半導体デバイス内の超格子の縦向き実装に関する更なる詳細は、発明の名称が「縦型超格子構造を有する半導体デバイス（SEMICONDUCTOR  DEVICE  COMPRISING  A  VERTICAL  SUPERLATTICE  STRUCTURE）」である同時係属出願（代理人整理番号62651）中に提供されている。
【００３８】
上述のように、導波路24は光送信器22によって発生された光子を光受信器23へと伝送する。図１に例示された実施形態においては、導波路24は超格子25上のリブ33を定める上部層29を含むリブ状（rib）導波路である。例として、層29は超格子25（又は、超格子のキャップ層であってもよい）の頂部に成長されたエピタキシャルシリコン層（又は層群）であってもよい。ある一定の実施形態においては、種々の部品の位置合わせを容易にするために、図２Ｂの拡大図に示されるように、光送信器22及び／又は光受信器23に隣接する超格子材料25の厚さを増大させることが望ましい。
【００３９】
図３はリブ状導波路24の断面図を示している。光伝送領域34が破線で示されており、それはリブ33及び層29の内部、そして超格子25内へと広がっている。図示された例では、導波路24の超格子25は約500nmの厚さとし、層29及びリブ33は約2μmから4μmの厚さとし得るが、他の寸法が用いられてもよい。
【００４０】
他の同様の導波路24’が図１９Ａに例示されている。導波路24’は同様にリブ状導波路であるが、当業者に認識されるようにシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）実装を提供するように、基板21’に直接的に形成される代わりに絶縁層190’（例えば、二酸化シリコン）上に形成されている。他のＳＯＩリブ状導波路24’’が図１９Ｂに例示されている。そこには、ｐ＋及びｎ＋領域191’’、192’’が、その間に延在する超格子25’’をバイアスするために含まれている。更に他の例示的な導波路の実施形態が図１９Ｃに示されている。導波路24’’’は、頂部及び底部の半導体（例えば、シリコン又はゲルマニウム）層193’’’、194’’’とその間の超格子25’’’との縦型積層体でリッジ（ridge）が構成されたリッジ状導波路である。このリッジは、望まれるのであれば、絶縁層190’’’上に形成されてもよい。
【００４１】
当業者に認識されるように、様々な実施形態において様々な形状をもたらすように様々な要素構成が用いられてもよい。例えば、単一の光送信器22は、集積回路20の数多くの他の部品にクロック及び／又はデータ信号を光学的に分配するように用いられ得る。例えば、導波路24は、当業者に認識されるように、集積回路20の全体に分布された複数の光受信器23にクロック及び／又はデータ信号を分配するように、例えばＨツリー型ネットワーク等のネットワークに構成されてもよい。さらに、超格子25を含む導波路24はまた、部品間の電圧分離を提供するように、すなわち光アイソレータとして、効果的に用いられてもよい。これは、集積回路20内に高電圧部品が含まれる場合に特に重要である。
【００４２】
集積回路20は光送信器22と光受信器23との間の“オンチップ”光通信を効果的に提供するが、オフチップ又はチップ間の光通信をも提供するために、複数の集積回路が本発明に従って組み合わされてもよい。図４及び５を参照するに、電子デバイス60’は例示的に、光送信器22’を有する第１の集積回路20a’、及び光受信器23’を有する第２の集積回路20b’を含んでいる。図示された実施形態においては、光送信器22’は、超格子25’によって定められた光放射領域、及びそれに結合されたコンタクト27’を含んでいる。ここでは、図示されるような端面発光デバイスをもたらすように、光放射領域は集積回路20a’の端面に隣接して位置付けられている。
【００４３】
第１及び第２の集積回路20a’、20b’は、光送信器22’と光受信器23’とがそれらの間に光通信リンクを構築するように互いに対して位置付けられている。典型的な実施形態においては、図示されるように、光通信リンクは自由空間の光（free  space  optical；ＦＳＯ）通信リンクである。しかしながら、ある一定の実施形態において望まれるのであれば、導波路又は他の光学素子／デバイス（例えば、レンズ、ミラー等）が光送信器22’と光受信器23’との間の光路内に結合されてもよい。
【００４４】
また、端面発光／受光デバイス以外の構成が用いられてもよい。例として、光送信器22’は縦方向の面発光デバイスとしてもよい。当業者に認識されるように、このような縦方向の面発光型の構成とともに、例えばホログラム光子及び／又はミラー等の様々な光学素子／デバイスが用いられてもよい。特に有利な実施形態において、当業者に認識されるように、電子デバイス60’はマルチチップモジュール61’（図６）内に実装され得るが、他の構成が用いられてもよい。
【００４５】
更に図７及び８を参照して、集積回路20に使用される超格子25について更に説明する。原子又は分子のレベルで制御された構造を有する超格子25を形成するために使用される材料／構造は、既知の原子又は分子層堆積技術を用いて形成され得る。超格子25は、恐らくは図７の概略断面図を参照して最も理解されるように、積層関係に配置された複数の層群45a乃至45nを含んでいる。
【００４６】
超格子25の層群45a乃至45nの各々は例示的に、それぞれのベース半導体部分46a乃至46nを定める積層された複数のベース半導体のモノレイヤー46と、その上のエネルギー帯修正層50とを含んでいる。エネルギー帯修正層50は図の明瞭化のために図７においてはドット領域で示されている。
【００４７】
エネルギー帯修正層50は例示的に、隣接するベース半導体部分の結晶格子内に拘束された１つの非半導体モノレイヤーを含んでいる。他の実施形態においては、複数のこのようなモノレイヤーも可能である。なお、ここで言う非半導体／半導体モノレイヤーは、モノレイヤーに使用される材料が、もしバルク状に形成されるとしたら、非半導体／半導体になることを意味する。すなわち、当業者に認識されるように、半導体などの材料の単一のモノレイヤーは必ずしも、それがバルク状又は比較的厚い層として形成されるときと同一の特性を示す必要はない。
【００４８】
理論に囚われるべきではないが、ここでは、エネルギー帯修正層50及び隣接するベース半導体部分46a乃至46nにより、超格子25が平行方向の電荷キャリアに対して有する伝導率有効質量が、こうでない場合に存在するであろうものより低く適切にされることを理論化する。別の考え方をすれば、この平行方向とは積層方向に垂直な方向である。エネルギー帯修正層50はまた、超格子25に共通のエネルギーバンド構造を有させてもよい。
【００４９】
本発明によって達成されるエネルギー帯エンジニアリングの結果として、超格子25は、更に後述するように光電子デバイスにとって特に有利な実質的な直接エネルギーバンドギャップを有し得る。当業者に認識されるように、超格子を介する電荷キャリアの輸送は積層群45a乃至45nの層群に対して平行方向にある。
【００５０】
超格子25はまた例示的に、上側の層群45n上にキャップ層52を含んでいる。キャップ層52は複数のベース半導体モノレイヤー46を有していてもよい。キャップ層52は2層と100層との間のベース半導体モノレイヤーを有していてもよく、より好ましくは10層と50層との間のモノレイヤーを有する。
【００５１】
各ベース半導体部分46a乃至46nは、IV族半導体、III-V族半導体及びII-VI族半導体から成るグループから選択されたベース半導体を有していてもよい。当業者に認識されるように、IV族半導体という用語は当然ながらIV-IV族半導体をも含むものである。より具体的には、例えば、ベース半導体材料はシリコン及びゲルマニウムの少なくとも一方を有していてもよい。
【００５２】
各エネルギー帯修正層50は、酸素、窒素、フッ素及び炭素−酸素から成るグループから選択された非半導体を有していてもよい。非半導体はまた望ましくは、製造を容易にするように、次の層の堆積を通じて熱的に安定である。他の実施形態においては、当業者に認識されるように、非半導体は所与の半導体プロセスと相性のよい他の無機若しくは有機元素又は化合物を有していてもよい。
【００５３】
なお、モノレイヤーという用語は単一原子層及び単一分子層を含むものである。また、単一のモノレイヤーによって提供されるエネルギー帯修正層50は、可能なサイトの全てが占有されているわけではないモノレイヤーも含むものである。例えば、図８の原子図を参照するに、ベース半導体としてのシリコンとエネルギー帯修正材料としての酸素とに関して、４／１の反復構造が例示されている。酸素に関する可能なサイトの1/2のみが占有されている。他の実施形態において、あるいは異なる材料を用いる場合、当業者に認識されるように、この1/2の占有は必ずしも当てはまらない。実際、この概略図においてさえも、原子堆積の当業者にやはり認識されるように、所与のモノレイヤー内の個々の酸素原子は平坦面に沿って正確には整列していない。例として、好適な占有範囲は満たされ得る酸素サイトの約1/8から1/2であるが、ある一定の実施形態においては他の数が用いられてもよい。
【００５４】
シリコン及び酸素は従来の半導体プロセスにおいて現在広く用いられているので、製造者はこれらの材料をここで述べられるように容易に使用することができる。原子堆積又はモノレイヤー堆積も今日では広く用いられている。従って、当業者に認識されるように、本発明に従って超格子25を組み込んだ半導体デバイスは、容易に採用され且つ実施され得るものである。
【００５５】
理論に囚われるべきではないが、例えばSi／O超格子などの超格子について、所望の利点を実現するためには、超格子のエネルギー帯が全体で共通、あるいは比較的均一になるように、望ましくはシリコンモノレイヤー数が７以下にされるべきであることが理論化される。図７及びSi／Oについての図８に示された４／１の反復構造は、Ｘ方向に高められた電子及び正孔の移動度を指し示すようにモデル化されている。例えば、計算による電子の伝導率有効質量（バルクシリコンに対して等方的）は0.26、Ｘ方向の４／１のSi／O超格子に対しては0.12であり、0.46の比率が得られる。同様に、正孔についての計算は、バルクシリコンに対して0.36、４／１のSi／O超格子に対して0.16となり、0.44の比率が得られる。
【００５６】
このような方向選択性の特徴は一定の半導体デバイスにおいて望ましいものであるが、他のデバイスも、層群に平行な如何なる方向にも移動がより均一に増大されることの恩恵を受け得る。電子又は正孔の双方に対して、あるいはこれらの種類の電荷キャリアの一方のみに対して、移動度が増大されることも有益であり得る。
【００５７】
超格子25の４／１のSi／O実施形態についての低減された伝導率有効質量は、これがない場合に生じる伝導率有効質量の2/3より小さくなり得るものであり、また、このことは電子及び正孔の双方に対して当てはまる。当業者に認識されるように、当然ながら、超格子25は更にその中に少なくとも１種類の伝導性ドーパントを有していてもよい。
【００５８】
実際、更に図９を参照して、本発明に従った他の一実施形態に係る、異なる特性を有する超格子25’について説明する。この実施形態においては、３／１／５／１の反復パターンが示されている。より具体的には、最も下側のベース半導体部分46a’は３つのモノレイヤーを有し、２番目に下側のベース半導体部分46b’は５つのモノレイヤーを有している。このパターンは超格子25’全体で繰り返されている。エネルギー帯修正層50’は各々が単一のモノレイヤーを含んでいてもよい。Si／Oを含むこのような超格子25’の場合、電荷キャリアの移動度の増大化は層群の平面内での方向に無関係である。特に言及されない図９の構成要素は、図７を参照して上述されたものと同様であり、ここでは更なる説明を要しない。
【００５９】
一部のデバイスの実施形態において、超格子のベース半導体部分の全てが同数のモノレイヤーの厚さであってもよい。他の実施形態においては、ベース半導体部分の少なくとも一部は異なる数のモノレイヤーの厚さであってもよい。更に他の実施形態においては、ベース半導体部分の全てが異なる数のモノレイヤーの厚さであってもよい。
【００６０】
図１０Ａ乃至１０Ｃには、密度関数理論（Density  Functional  Theory；ＤＦＴ）を用いて計算されたバンド構造が示されている。ＤＦＴがバンドギャップの絶対値を低く見積もることは技術的に周知である。故に、ギャップより上方の全てのバンドは適切な“シザー（scissors）補正”によってシフトされてもよい。しかしながら、バンド形状は遙かに信頼できるものであることが知られている。縦軸のエネルギーはこの観点から解釈されるべきである。
【００６１】
図１０Ａは、バルクシリコン（実線によって表されている）と、図７及び８に示された４／１のSi／O超格子25（点線によって表されている）との双方に関して、ガンマ点（Ｇ）から計算したバンド構造を示している。方向は４／１のSi／O構造の単位セルを参照しており従来のSiの単位セルを参照していないが、図の（００１）方向は従来のSi単位セルの（００１）方向に対応しており、故に、予期されるSiの伝導帯の最小点を示している。図中の（１００）及び（０１０）方向は従来のSi単位セルの（１１０）及び（−１１０）方向に対応している。当業者に認識されるように、図上のSiのバンドは、４／１のSi／O構造の適切な逆格子方向上のバンドを表すように折り畳まれている。
【００６２】
４／１のSi／O構造の伝導帯の最小点は、バルクシリコン（Si）とは異なり、ガンマ点にあるが、価電子帯の最大点は、ここでＺ点と呼ぶ（００１）方向のブリルアン領域の端部に生じることが見て取れる。また、４／１のSi／O構造の伝導帯の最小点の曲率は、付加された酸素層により導入された摂動に起因するバンド分裂のために、Siの伝導帯の最小点の曲率と比較して大きい。
【００６３】
図１０Ｂは、バルクシリコン（実線）と４／１のSi／O超格子25（点線）との双方に関して、Ｚ点から計算したバンド構造を示している。この図は（１００）方向の価電子帯の増大された曲率を例示している。
【００６４】
図１０Ｃは、バルクシリコン（実線）と、図９の超格子25’の５／１／３／１のSi／O構造（点線）との双方に関して、ガンマ点及びＺ点の双方から計算したバンド構造を示している。５／１／３／１のSi／O構造の対称性により、（１００）及び（０１０）方向の計算によるバンド構造は等しくなっている。故に、伝導率有効質量及び移動度は層群に平行な面内で、すなわち（００１）積層方向に垂直な面内で、等方的であると予期される。なお、５／１／３／１のSi／Oの例では、伝導帯の最小点及び価電子帯の最大点は共にＺ点にあるか、あるいはその近傍にある。
【００６５】
増大された曲率は有効質量が低減されることを指し示すものであり、伝導率反転有効質量テンソルの計算によって適切な比較及び区別が為されてもよい。これにより、５／１／３／１超格子25’は実質的な直接バンドギャップであるべきことの更なる理論化がもたらされる。当業者に理解されるように、光学遷移に関する適切な行列要素は、直接及び間接バンドギャップの挙動を区別する他の指標であるため、改善された材料を識別するために使用され得る。
【００６６】
次に、集積回路20の製造方法を図１１乃至１３を参照して説明する。先ず、超格子材料25の堆積領域を形成するために半導体基板21がエッチングされ、コンタクト領域32がドープされる。そして、上述のように、エッチングされた領域に超格子25が堆積される。当然ながら、当業者に認識されるように、一部の実施形態においてはエッチングすることなく、超格子25は基板21の表面に堆積されてもよい。
【００６７】
そして、超格子材料25上にエピタキシャルシリコン層29及びリブ33が形成され、図１３に示されるようにパターニングされる。より具体的には、エピタキシャルシリコン層は面（facet）26a、26bの形成プロセスの一部としてパターニングされてもよい。図１及び２に例示された半導体20を設けるために、光検出領域を定める光吸収領域28が基板21内に超格子25の部分に隣接してドープされてもよく、また、コンタクト27、31t、31bが形成されてもよい。
【００６８】
当業者に認識されるように、上記工程群を行うために従来の半導体プロセスが使用されてもよい。また、異なる実施形態において、様々な工程が色々な順序で行われてもよい。例えば、場合によって、光吸収領域は超格子材料25が堆積される前、あるいは面26a、26bが形成される前にドープされてもよい。
【００６９】
続いて、図４及び５に例示された電子デバイス60’の製造方法を図１４及び１５を参照して説明する。これらの図においては図の明瞭化のため、基板21a’、21b’が隣り合わせで示されているが、これらの基板は必ずしも同時に処理される必要はない（すなわち、集積回路20a’、20b’は別々に形成されてもよい）ことは認識されるところである。しかしながら、一部の実施形態においては、図１０乃至１２を参照して上述された工程と同様に、デバイスを単一基板上に形成し、その後、完成したデバイスを２つの集積回路20a’、20b’に分割することにより電子デバイス60’を形成することも可能である。
【００７０】
先ず、上述のように、超格子の堆積領域を形成するために基板21a’、21b’がエッチングされ、コンタクト領域32’がドープされる。超格子堆積領域が形成されると、上述のように、該領域内に超格子部分25a’、25b’が形成される。そして、光吸収領域28’がドープされてもよく、また、コンタクト27’、31t’、31b’が形成されて集積回路20a’、20b’が完成される。この場合も、当業者に認識されるように、上記工程群のために従来の半導体プロセス技術が使用されてもよく、また、異なる実施形態において、様々な工程が色々な順序で行われてもよい。
【００７１】
以上の説明及び添付図面にて提示された教示の恩恵を受けた当業者は、多くの変更及び本発明の他の実施形態に想到するであろう。故に、本発明は開示された具体的な実施形態に限定されるべきではなく、上記変更及び実施形態は添付の特許請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】能動光デバイスと、エネルギー帯エンジニアリングに基づく超格子を有する導波路とを含む、本発明に従った集積回路を示す上面図である。
【図２Ａ】図１の直線２−２で取られた集積回路の概略断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの集積回路の導波路の代替実施形態を例示する拡大された概略断面図である。
【図３】図１の直線３−３で取られた集積回路の端面を示し、且つその導波路を例示する断面図である。
【図４】第１及び第２の集積回路を含む本発明に従った電子デバイスを示す上面図であり、第１及び第２の集積回路の各々がエネルギー帯エンジニアリングに基づく超格子を具備する能動光学素子を有している。
【図５】図４の直線５−５で取られた電子デバイスの概略断面図である。
【図６】マルチチップモジュール内に実装された図４の電子デバイスを例示する概略断面図である。
【図７】図１及び４の集積回路で使用される超格子材料を大きく拡大して示す概略断面図である。
【図８】図１及び４の集積回路で使用される超格子材料の一部を示す概略斜視図である。
【図９】図１及び４の集積回路で使用され得る超格子材料の他の一実施形態を大きく拡大して示す概略断面図である。
【図１０Ａ】従来技術におけるバルクシリコン、及び図７及び８に示される４／１のSi／O超格子に関する、ガンマ点（Ｇ）から計算されたバンド構造を示すグラフである。
【図１０Ｂ】従来技術におけるバルクシリコン、及び図７及び８に示される４／１のSi／O超格子に関する、Ｚ点から計算されたバンド構造を示すグラフである。
【図１０Ｃ】従来技術におけるバルクシリコン、及び図９に示される５／１／３／１のSi／O超格子に関する、ガンマ点とＺ点との双方から計算されたバンド構造を示すグラフである。
【図１１】図１の集積回路の製造方法を例示する概略断面図である。
【図１２】図１の集積回路の製造方法を例示する概略断面図である。
【図１３】図１の集積回路の製造方法を例示する概略断面図である。
【図１４】図４の電子デバイスの製造方法を例示する概略断面図である。
【図１５】図４の電子デバイスの製造方法を例示する概略断面図である。
【図１６】図１の集積回路における光検出領域の代替コンタクト構成を例示する断面図である。
【図１７】図１の集積回路における光検出領域の代替コンタクト構成を例示する断面図である。
【図１８Ａ】図１の集積回路における光検出領域の他の代替コンタクト構成を示す上面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａの直線１８Ｂ−１８Ｂで取られた光検出領域の断面図である。
【図１９Ａ】図３の導波路の代替実施形態を例示する断面図である。
【図１９Ｂ】図３の導波路の代替実施形態を例示する断面図である。
【図１９Ｃ】図３の導波路の代替実施形態を例示する断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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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】
2008512873.tif 000023
【図１７】
2008512873.tif 000024
【図１８Ａ】
2008512873.tif 000025
【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【国際調査報告】
2008512873.tif 000030
2008512873.tif 000031
2008512873.tif 000032