(57)【要約】【課題】ゲルマニウムは、半導体プロセスを用いて光電気混載ＬＳＩに搭載される長波長帯光デバイスに用いる場合、吸収の長波長化又は長波長帯での吸収が実用化されていない。【解決手段】ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体であり、基板格子定数がゲルマニウムよりも小さく、基板面方位が｛１１１｝面であり、基板面と垂直な＜１１１＞軸方向に半導体格子を伸長される光電変換層を用いる光デバイスである。【選択図】      図１
2008091572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板格子定数がゲルマニウムよりも小さく、｛１１１｝面の基板面方位を有する基板と、
前記基板の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長されている光電変換層と、を具備することを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
基板格子定数がゲルマニウムよりも小さく、且つ基板主面上に面出しされた基板面方位｛１１１｝面を有する基板と、
前記基板の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長されている光電変換層と、を具備することを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
前記光電変換層は、前記｛１１１｝面上に配置された突起形状を成す複数の突起部を備え、当該突起部の周囲に絶縁体が充填されてなり、
前記絶縁体は、アモルファスシリコン膜の選択酸化により形成され、前記突起部を側面側から面内圧縮していることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記光電変換層上に面内圧縮応力を生じる膜を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項５】
基板格子定数がゲルマニウムよりも大きく、基板面方位が（ＬＭＮ）面とするとＬ＋Ｍ＋Ｎ＝０である基板と、
前記基板上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記基板面と平行な＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長されている光電変換層と、
を具備することを特徴とする光デバイス。
【請求項６】
ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記四面体結合される半導体の格子点サイトのゲルマニウム原子を置換する第１導電型のドーパントＤ又は第２導電型のドーパントＡのいずれかと、前記ゲルマニウム原子を置換するドーパントに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｚは前記ドーパントとの電荷補償により電子配置が閉殻構造を成す光電変換層を具備することを特徴とする光デバイス。
【請求項７】
｛１１１｝面の基板面方位を有する第１導電型のシリコン領域を少なくとも表面に備えた基板と、
前記シリコン領域の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなる複数の突起部と、
前記突起部の周囲を充填して側面側から面内圧縮し、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に前記突起部の半導体格子を伸長させる絶縁体と、
前記突起部の頂部に電気的に接続される第２導電型のシリコン層と、
前記１導電型のシリコン領域に電気的に接続される第１の電極と、
前記２導電型のシリコン層に電気的に接続される第２の電極と、
を具備することを特徴とする光デバイス。
【請求項８】
前記ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体と前記｛１１１｝面との間に設けられたシリコン・ゲルマニウム・バッファ層を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項９】
前記｛１１１｝面は、逆ピラミッド形状に形成された凹凸面に相当することを特徴とする請求項１乃至８に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体上に、面内圧縮応力分布を生じさせる複数のシリコンナイトライド膜が配置されることを特徴とする請求項１乃至９に記載の光デバイス。
【請求項１１】
｛１１１｝面の基板面方位を有する第１導電型のシリコン領域を少なくとも表面に備えた基板と、
前記シリコン領域の｛１１１｝面上に配置された突起形状を成す複数のIII−V化合物半導体からなる突起部と、
それらの周囲及び頂部を充填するIII−V化合物半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に配置されゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなる光電変換層と、
前記光電変換層上に配置される第２導電型のシリコン層と、
前記１導電型のシリコン領域に電気的に接続される第１の電極と、
前記２導電型のシリコン層に電気的に接続される第２の電極と、
を具備することを特徴とする光デバイス。
【請求項１２】
前記突起部はアルミニウムアンチモンからなり、前記バッファ層はガリウムアンチモンからなり、前記バッファ層と前記光電変換層との間にインジウムガリウムアンチモン層を具備すること特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記光電変換層は、前記｛１１１｝面上に配置された複数のナノドットを備え、当該ナノドットの周囲に絶縁体が充填されてなり、
前記絶縁体は、アモルファスシリコン膜の選択酸化により形成され、前記ナノドットを側面側から面内圧縮していることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項１４】
｛１１１｝面の基板面方位を有する第１導電型のシリコン領域を少なくとも表面に備えた基板と、
前記シリコン領域の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなる複数のナノドットと、
前記ナノドットの周囲を充填して側面側から面内圧縮し、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に前記ナノドットの半導体格子を伸長させる絶縁体と、
前記ナノドットの頂部に電気的に接続される第２導電型のシリコン層と、
前記１導電型のシリコン領域に電気的に接続される第１の電極と、
前記２導電型のシリコン層に電気的に接続される第２の電極と、
を具備することを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲルマニウムを主成分とし、軸引っ張り構造若しくは、ＦＴ構造の構成部位に作製された長波長帯における感度が増強された光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ゲルマニウムは、近赤外領域に感度を持つ代表的な光電変換材料として光デバイスに用いられている。光デバイスのうち、ゲルマニウム系材料を光電変換層に用いた光デバイスは、半導体製造プロセスによりＳｉ基板上に作製可能であることから、近年開発が盛んな光電気混載ＬＳＩ分野における長波長帯光デバイスの候補と考えられている。
【０００３】
ゲルマニウム光デバイスの外部量子効率は、例えば、非特許文献１において波長１．５μｍを超えると急激に減少することが報告されている。従って、数１０ＧＨｚオーダーの高速応答を実現できる可能性を持つ波長領域は１．５μｍより短波長側である。ところが、通信用光源である光ファイバーの増幅領域は波長１．５３−１．５６μｍであるため、この領域で高速応答を実現しようとするとゲルマニウム光デバイスでは分光感度が足りないことになる。
【０００４】
ゲルマニウム光デバイスの分光感度を高めるには、吸収を長波長化する、または吸収を強めることが有効である。ゲルマニウムは半導体であり、バンド端近傍の近赤外領域では吸収が小さい本質的な問題がある。これらの本質的な問題の根源的な原因は、その波長域における価電子帯と伝導帯間の電気双極子遷移がそもそも光学禁制であるためである。
【０００５】
エネルギーバンド構造を変調することで、吸収や発光などの光学特性を制御する技術をバンドエンジニアリングと呼び、盛んに研究されている。材料としては化合物半導体系が主流であり、技術としては量子ドット（量子細線、超格子）がよく知られている。この量子ドットは、物質の大きさを３次元的（２次元的、１次元的）に縮小し、電子をその中に閉じ込めることでバンド構造を変調するものである。しかしながら、この技術では、物質のサイズを小さくして電子を閉じ込めるほど、吸収は短波長シフトする。
【０００６】
従って、ゲルマニウムの吸収を長波長化させる、あるいは長波長帯での吸収を強めることは技術的に困難だという問題がある。
【特許文献１】特表２００５−５３０３６０号公報
【非特許文献１】M.Jutzi, IEEE Photonics Technology Lett., 17,1510 (2005)
【非特許文献２】（K. Akahane, N. Yamamoto, S. Gozu, A. Ueta and N. Ohtani, J. Cryst. Growth 264, 21 (2004)）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した量子ドット（量子細線、超格子）は、物質の大きさを３次元的（２次元的、１次元的）に縮小し、電子をその中に閉じ込めることでバンド構造を変調するものである。しかしながら、このバンド構造を変調する技術では、物質のサイズを小さくして電子を閉じ込めるほど、吸収は短波長シフトする。
【０００８】
従って、ゲルマニウムの吸収を長波長化させる、あるいは長波長帯での吸収を強めることは技術的に困難である。従って、ゲルマニウムはＳｉ基板上に作製可能であり、光電気混載ＬＳＩにおける長波長帯光デバイスの有力候補であるが、分光感度が足りず実質的な利用には至っていない。
【０００９】
そこで本発明は、ゲルマニウム原子間の結合長を伸長する又はゲルマニウム中にＦＴ構造を形成してバンド構造を変調し、長波長帯で実用可能な光デバイスを提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、基板格子定数がゲルマニウムよりも小さく、｛１１１｝面の基板面方位を有する基板と、前記基板の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長されている光電変換層と、を具備する光デバイスを提供する。
【００１１】
さらに、基板格子定数がゲルマニウムよりも小さく、且つ基板主面上に面出しされた基板面方位｛１１１｝面を有する基板と、前記基板の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長されている光電変換層と、を具備する光デバイスを提供する。
【００１２】
また、基板格子定数がゲルマニウムよりも大きく、基板面方位が（ＬＭＮ）面とするとＬ＋Ｍ＋Ｎ＝０である基板と、前記基板上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記基板面と平行な＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長されている光電変換層と、と具備する光デバイスを提供する。さらに、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなり、前記四面体結合される半導体の格子点サイトのゲルマニウム原子を置換する第１導電型のドーパントＤ又は第２導電型のドーパントＡのいずれかと、前記ゲルマニウム原子を置換するドーパントに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとを含み、前記異種原子Ｚは前記ドーパントとの電荷補償により電子配置が閉殻構造を成す光電変換層を具備することを特徴とする光デバイスを提供する。
【００１３】
さらに、｛１１１｝面の基板面方位を有する第１導電型のシリコン領域を少なくとも表面に備えた基板と、前記シリコン領域の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなる複数の突起部と、前記突起部の周囲を充填して側面側から面内圧縮し、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に前記突起部の半導体格子を伸長させる絶縁体と、前記突起部の頂部に電気的に接続される第２導電型のシリコン層と、前記１導電型のシリコン領域に電気的に接続される第１の電極と、前記２導電型のシリコン層に電気的に接続される第２の電極と、を具備する光デバイスを提供する。
【００１４】
また、｛１１１｝面の基板面方位を有する第１導電型のシリコン領域を少なくとも表面に備えた基板と、前記シリコン領域の｛１１１｝面上に配置された突起形状を成す複数のIII−V化合物半導体からなる突起部と、それらの周囲及び頂部を充填するIII−V化合物半導体からなるバッファ層と、前記バッファ層上に配置されゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなる光電変換層と、前記光電変換層上に配置される第２導電型のシリコン層と、前記１導電型のシリコン領域に電気的に接続される第１の電極と、
前記２導電型のシリコン層に電気的に接続される第２の電極と、を具備する光デバイスを提供する。
【００１５】
また、｛１１１｝面の基板面方位を有する第１導電型のシリコン領域を少なくとも表面に備えた基板と、前記シリコン領域の｛１１１｝面上に配置され、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体からなる複数のナノドットと、前記ナノドットの周囲を充填して側面側から面内圧縮し、前記｛１１１｝面と垂直な＜１１１＞軸方向に前記ナノドットの半導体格子を伸長させる絶縁体と、前記ナノドットの頂部に電気的に接続される第２導電型のシリコン層と、前記１導電型のシリコン領域に電気的に接続される第１の電極と、前記２導電型のシリコン層に電気的に接続される第２の電極と、
を具備する光デバイスを提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ゲルマニウム原子間の結合長を伸長する又はゲルマニウム中にＦＴ構造を形成してバンド構造を変調し、ゲルマニウム系光電変換層の吸収係数を増大させることが可能になり、長波長帯が高感度化された光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。  
本実施形態の光デバイスにおける光電変化層に適用する半導体のバンド構造の変調について説明する。本実施形態では、光デバイスのうち、２つのバンドエンジニアリング法である、「＜１１１＞軸引張り構造」と「ＦＴ（filled tetrahedral）構造」の光電変化層を用いて作製した受光素子を一例として説明する。尚、以下の説明において、ミラー指数において、（  ）は（面）を示し、［  ］は［結晶の方向：面と垂直になる法線方向］を示す。また、｛  ｝は互いに等価な（面）を包括する｛面｝を示し、＜  ＞は互いに等価な［方向］を包括する＜方向＞を意味する。例えば、＜１１１＞は結晶の方向：［１１１］、［−１−１１］、［−１１−１］、［１−１−１］等の軸方向の総括を意味する。また、｛１１１｝は面方位：（１１１）面、（１−１１）面、（−１１１）面、（−１−１１）面等の面方位の総括を意味する。
【００１８】
（１）ゲルマニウムのバンド構造と光学特性  
ゲルマニウム等の間接半導体が持つ間接的なバンド構造及び吸収係数が小さい理由について説明する。図２には、ゲルマニウムのバンド構造を示している。ゲルマニウムが間接半導体となる主たる理由は、構成原子間の結合長ｄが僅かに短いためと考えられている。Γ点における伝導帯と価電子帯のエネルギー差ΔＥは結合長ｄに強く依存し、結合長ｄが短くなるほどΔＥは増加する。従って、結合長ｄが長くなるとエネルギー差ΔＥが急速に小さくなり、直接バンド構造をとるように変化すると推測される。
【００１９】
ゲルマニウムの光学特性は、間接半導体であるために電気双極子遷移が光学禁制となり、バンド端付近の低エネルギー領域では弱い吸収しか示さない。即ち、吸収係数が小さい。対照的に、ＧａＡｓなどの直接半導体は電気双極子遷移に由来する直接遷移が起こり、強いバンド間吸収が生じる。即ち、吸収係数が大きい。両者の相違は、以下に述べる２つの選択則を満たすか否かの主な原因がある。
【００２０】
その１つは波数の選択則であり、特定波数でエネルギーギャップが最小となることである。もう１つは波動関数の対称性に関する選択則であり、ギャップ最小となる波数において、伝導帯と価電子帯のうち一方が偶関数、他方が奇関数となることである。
【００２１】
対称性の選択則について補足すると、２準位間の発光や光吸収の強さは＜上準位｜遷移双極子モーメントμ｜下準位＞で与えられ、この２準位が原子軌道近似でｓ軌道（偶関数）及びｐ軌道（奇関数）で表される半導体では、μは奇関数であることから、＜ｓ｜μ｜ｐ＞＝∫偶・奇・奇ｄｒ≠０であり、光学許容となる。これに対し、２準位がともにｐ軌道で表される半導体では、＜ｐ｜μ｜ｐ＞＝∫奇・奇・奇ｄｒ＝０であり、光学禁制となる。
【００２２】
光半導体は、Γ点でギャップ最小となり波数の選択則を満足する。光半導体は、伝導帯と価電子帯の波動関数がそれぞれｓ軌道とｐ軌道で表されるため、対称性の選択則も満たす。一方、間接半導体は、ギャップ最小となる波数が伝導帯と価電子帯で異なることから波数の選択則を満足せず、しかも伝導帯と価電子帯の波動関数がともにｐ軌道であることから対称性の選択則も満足しない。このために光学禁制となる。
【００２３】
（２）＜１１１＞軸引張り構造によるバンド構造変調と吸収変調の原理  
＜１１１＞軸引張り構造の特徴を述べ、長波長帯の吸収が強まる原理について説明する。上述したように、原子間結合長が短いとΓ点における伝導帯と価電子帯のエネルギー差ΔＥは広がり、間接半導体になり易い。結合長の短い半導体としては、ダイヤモンド（ｄ＝１．５４Å、間接）、シリコン（ｄ＝２．３５Å、間接）、ＳｉＣ（ｄ＝１．８８Å、間接）、ＢＮ（ｄ＝１．５７Å、間接）、ＢＰ（ｄ＝１．９７Å、間接）、ＧａＮ（ｄ＝１．９４Å、直接）、ＧａＰ（ｄ＝２．３６Å、間接）、ＡｌＮ（ｄ＝１．８９Å、直接）、ＡｌＰ（ｄ＝２．３６Å、間接）、ＺｎＯ（ｄ＝１．９８Å、直接）などが知られており、傾向としては間接半導体が多い。
【００２４】
図３はゲルマニウムにおける、格子定数変化に対する３つのエネルギー差、伝導帯Γ点と価電子帯Γ点とのエネルギー差［Γｃ−Γｖ］１１、伝導帯Ｌ点と価電子帯Γ点とのエネルギー差［Ｌｃ−Γｖ］１２、伝導帯Ｘ点と価電子帯Γ点とのエネルギー差［Ｘｃ−Γｖ］の変化を計算した結果を示す。
【００２５】
図中に示すように、格子定数変化０％ではＬｃ−Γｖがゲルマニウムのバンドギャップ（０．８ｅＶ）を決める。格子定数が増える方向に変化するとＬｃ−Γｖは徐々に減り、＋０．８％以上では伝導帯最下端はＬｃからΓｃに乗り移り、Γｃ−Γｖが最小ギャップ（０．５ｅＶ以下）となる。すなわち、＋０．８％以上の格子定数変化領域のゲルマニウムは直接的なバンド構造を持つ半導体に変化し、且つバンドギャップは０．５ｅＶ以下にまで低減する。
【００２６】
以上の結果は、ゲルマニウムの格子定数が３次元的に膨らむ場合に関するものである。３次元的な引張りでは、全てのＧｅ−Ｇｅ結合長が増加する。このため、先の（１）で説明した結合長増加の効果により、ゲルマニウムは直接半導体に変化すると考えられる。
【００２７】
これに対して、我々の研究によれば、１つのＧｅ原子から４方向に伸びたＧｅ−Ｇｅ結合のうち、ある一方向（［１１１］軸、［−１−１１］軸、［−１１−１］軸、［１−１−１］軸のいずれか）だけを伸長させた場合でも、比較的小さな格子定数増加で、ゲルマニウムを直接半導体に変化させられることが明らかになった。図３には、＜１１１＞軸引張り構造［Γｃ−Γｖ］１３、［Ｌｃ−Γｖ］１４を示している。
【００２８】
定性的には、他の結晶軸、例えば［１００］軸を引っ張る構造では、Ｇｅ−Ｇｅ結合の結合長は引張り応力と圧縮応力が相殺して格子定数変化自体が小さくなり、バンド構造の変調も小さいが、結合に平行な結晶軸、例えば＜１１１＞軸を引っ張る構造では、４つのＧｅ−Ｇｅ結合のうち、＜１１１＞軸に平行な結合のみ選択的に結合長が長くなり、効果的に直接遷移化が起きると考えられる。
【００２９】
この＜１１１＞軸引張り構造による長波長帯での吸収増加の原理であるが、これは、図４（ｂ）に示すように、バンドギャップが狭まることによって吸収スペクトルが低エネルギーシフトするためである。なお、吸収が低エネルギー化するほど、光学許容遷移であるΓｃ−Γｖ遷移も低エネルギーシフトする。バンド端近傍の波長領域、すなわち、長波長帯では、引張り構造の導入によって吸収に占めるΓｃ−Γｖ遷移の割合が増すことから、吸収係数も劇的に増加する。
【００３０】
（３）ＦＴ（filled tetrahedral）構造によるバンド構造変調と吸収変調の原理
ＦＴ構造の特徴と吸収が強まる原理を説明する。以下の説明において、ＦＴ構造を持つ半導体をＦＴ半導体と称する。ＦＴ半導体は、図５（ａ）に示すように、格子間サイトの空間に閉殻構造の希ガス原子２２が導入された半導体、あるいは図５（ｂ）に示すように、格子点サイトを置換するｎ型ドーパントＤ（またはｐ型ドーパントＡ）２３と格子間サイトに挿入された異種原子Ｚ２４との組合せであるＤ−Ｚペア（またはＡ−Ｚペア）が導入された半導体を指す。なお、Ｄ−Ｚペア（またはＡ−Ｚペア）間の電荷補償効果により、ドーパントＤ（またはＡ）の最外殻電子配置はゲルマニウム原子２１のそれと同等であり、また異種原子Ｚ２４の電子配置は閉殻構造となるため、希ガス原子２２のそれと同じになる。
【００３１】
これら２種類のＦＴ半導体のうち、希ガス原子を導入した図５（ａ）のＦＴ半導体は熱的に不安定である。その理由は、加熱により、希ガス原子２２が容易に母体半導体中を拡散してしまうためである。図５（ｂ）のＤ−Ｚペア（またはＡ−Ｚペア）を持つＦＴ半導体は、熱的安定性を向上させるために考案した新半導体である。これは、ドーパントＤ（またはＡ）と異種原子Ｚ２４を引き離そうとすると、両者の間に静電相互作用が働き、両者の結合を保持しようとする力が生じる。
【００３２】
図６（ａ）乃至（ｃ）は、ゲルマニウムのダイヤモンド構造における、伝導帯Γ点（Γｃ）［図６（ａ）］、伝導帯Ｌ点（Ｌｃ）［図６（ｂ）］、価電子帯Γ点（Γｖ）［図６（ｃ）］の各々について実空間上での電子状態を示す図である。
【００３３】
図６（ａ）に示すように、＜１１１＞軸方向で見ると、原子座標（０，０，０）、（１／４，１／４，１／４）にゲルマニウム原子が位置し、Ｇｅ−Ｇｅ結合で結ばれている。原子座標（２／４，２／４，２／４）、（３／４，３／４，３／４）には格子間サイトが並ぶ。四面体結合構造では、＜１１１＞軸に沿って原子が２個並び、格子間サイトが２個並び、再び原子が２個並ぶという、隙間の多い結晶構造をとる。
【００３４】
格子間サイトには、原子は存在しないが、ゲルマニウム原子の反結合性ｐ軌道と結合性ｐ軌道が格子間サイト方向に向かって広がるため、格子間サイトには電子状態が存在する。要するに、格子間サイトにはｐ軌道状態が存在する。吸収を高める原理は、格子点サイトにドーパントＤ（Ａ）を導入し、格子間サイトに異種原子Ｚを導入することでＦＴ構造を作り、ｐ軌道を選択的に変調することにある。
【００３５】
ＦＴ構造が作られると、格子間サイトの電子が排除され、ｐ軌道に由来するＬｃとΓｖのエネルギーは上昇する。しかし、反結合性ｓ軌道に由来するΓｃエネルギーは殆ど影響を受けない。従って、Γｃ−Γｖのエネルギー差が減少し、Γｖに対するΓｃの位置が相対的に下がって直接遷移化するため、光の吸収が増大する。
【００３６】
図７（ａ），（ｂ）に示すエネルギーバンド図を参照して、ＦＴ構造がバンド構造変調と吸収変調の原理を整理して説明する。  
図７（ａ）に示すように、ゲルマニウム［結晶Ｇｅ］ではｐ軌道が伝導帯の下端と価電子帯の上端を構成し、ｓ軌道は伝導帯のさらに上方にある。ＦＴ構造［ＦＴ−Ｇｅ］は、格子間サイトに閉殻構造を持つ異種原子を導入することによって、この２つのｐ軌道を上昇させてｓ軌道に近づける。さらには、レベル交差させてｓ軌道の伝導帯の上方にｐ軌道の価電子帯の上端が位置する。つまり、光学許容遷移であり、強い吸収を示すΓｃ−Γｖ遷移が低エネルギーにシフトすることで長波長帯における吸収係数が増大する。
【００３７】
一般に格子間に原子が存在すると、バンドギャップ内に深い準位や欠陥準位が形成される場合があり、光電変化層内での光から電気への変換効率に悪影響を与える場合がある。しかし、本実施形態のＦＴ構造では、ワイドギャップを有する閉殻構造の異種原子が挿入されるため、原理的にそのような準位は形成されない。
【００３８】
本実施形態において、＜１１１＞軸引張り構造を有する半導体としては、単体元素半導体であるゲルマニウムＧｅや、化合物半導体であるＧｅ1-yＣy（１＜ｙ＜１）、ＳｉxＧｅ1-x（０＜ｘ＜１）、及びＳｉxＧｅ1-x-yＣy（０＜ｘ＜１，１＜ｙ＜１）からなる群より選択される。
【００３９】
光電変換層に用いる半導体層の＜１１１＞軸を引っ張る方法としては、以下の例が挙げられる。
【００４０】
（i）１つの結合方向を＜１１１＞方向として、光電変換層に用いる半導体と比較して格子定数が小さい物質の｛１１１｝基板を用いることで、光電変換層に面内圧縮応力を加え、基板法線方向、要するに＜１１１＞軸方向に伸長させる。
【００４１】
（ii）前記(i)の場合において、光電変換層に用いる半導体と比較して格子定数が小さい物質の｛１１１｝以外の面方位を持つ基板、例えば（１００）基板を用い、異方性エッチングにより（１１１）面、（１−１１）面、（−１１１）面、（−１−１１）面を面出した凹凸状表面とし、その上に光電変換層に形成することで、各面にて光電変換層に面内圧縮応力を加え、各々［１１１］軸、［１−１１］軸、［−１１１］軸、［−１−１１］軸方向に伸長させる。
【００４２】
（iii）前記（i）（ii）の場合において、基板上に光電変換材料からなる突起構造を複数個形成し、突起部間にアモルファスシリコンなどの異種材料を充填し、例えばこのアモルファスシリコン層を選択酸化させることにより、突起構造に面内圧縮を加え、［１１１］］軸（又は、［１−１１］軸、［−１１１］軸、［−１−１１］軸）方向に伸長させる。尚、突起構造とは、光デバイス（ここでは、受光素子）を上面から見ると、ゲルマニウムからなる複数の突起部がドットマトリックス状に配置され、側面（断面）から見ると、基板面上に複数の突起部とが配列された構造を示している。また、ここでは、突起部即ち、複数のゲルマニウムナノドット部が｛１１１｝面上に、ドットマトリクス状に並置（juxtapose）され、それらの周囲を絶縁体で充填されたゲルマニウムナノナノドット構造と称してもよい。尚、ナノドットとは、典型的には１ナノメートルから１０００ナノメートルまでの大きさの微細構造を示唆する。
【００４３】
（iv）前記（i）（ii）の場合において、基板上に光電変換層を形成し、この層の上部に面内圧縮応力を生じさせる積層膜を形成することで、光電変換層を［１１１］軸（又は、［１−１１］軸、［−１１１］軸、［−１−１１］軸）方向に伸長させる。
【００４４】
（v）前記（i）（ii）の場合と異なり、光電変換層に用いる半導体と比較して格子定数が大きい物質を基板に用い、基板面方位を（ＬＭＮ）面として、Ｌ＋Ｍ＋Ｎ＝０を満足する基板を用いることで、光電変換層に面内引張り応力を加え、基板面と平行な［１１１］軸方向に伸長させる。補足すると、仮に、基板面と［−１１１］軸とが平行で、この［−１１１］軸を伸長させるには、基板法線ベクトル（Ｌ，Ｍ，Ｎ）とベクトル（−１，１，１）との内積がゼロになるＬＭＮの組み合わせを選べばよい。すなわち、基板面方位として｛１１０｝面を選べばよいという具合である。
【００４５】
光電変換層に用いる半導体と比較して小さい格子定数を持つ基板としては、単体元素半導体であるシリコンが挙げられる。さらに、光電変換層と類似の化合物半導体であるＧｅ1-yＣy（１＜ｙ＜１）、ＳｉxＧｅ1-x（０＜ｘ＜１）、又はＳｉxＧｅ1-x-yＣy（０＜ｘ＜１，１＜ｙ＜１）からなる群より選択することも可能である。この場合、基板に用いる化合物半導体のＳｉとＣの組成比ｘ、ｙは、光電変換層の組成比よりも大きい値の化合物半導体を用いる。従って、基板の格子定数は、光電変換層よりも小さくすることになる。
【００４６】
また、反対に、光電変換層よりも大きい格子定数を持つ基板としては、シリコン基板上にＭＳｂ（Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、またはその合金）で表されるアンチモン系III−V化合物半導体層を被覆した、擬似III−V化合物半導体基板を用いることができる。
【００４７】
公知な技術として、Ｓｉ｛１００｝基板上にゲルマニウムを成長させ、格子ミスマッチによる歪み効果を利用してゲルマニウムに引っ張り応力を与えて吸収を長波長化させる方法が知られている（特許文献１）。この方法では、引っ張り応力を［１１１］軸方向ではなく、［１００］軸方向に働かせることが技術的に大きな相違点である。先の「＜１１１＞軸引張り構造によるバンド構造変調と吸収変調の原理」の節でも述べたように、［１００］軸引張り構造では、Ｇｅ−Ｇｅ結合の結合長は引張り応力と圧縮応力が相殺して格子定数変化自体が小さくなり、バンド構造の変調も小さいという欠点がある。
【００４８】
特許文献１によれば、格子定数変化が＋２％まではバンド構造は間接的であり、＋０．８％のときのバンドギャップ減少量は０．１ｅＶである。＜１１１＞軸引張り構造と比べると、バンド変調を引き起こすにはより大きな格子定数変化が必要である。要するに、（１００）基板を用いるこの方法は、本実施形態のおける｛１１１｝基板を用いて、＜１１１＞軸を選択的に引っ張る方法と比較して、ゲルマニウムのバンド変調効果は小さい。
【００４９】
また、本実施形態において、ＦＴ半導体に含まれる母体半導体、ドーパントＤまたはＡ、及び異種原子Ｚの組み合わせとしては、以下の例が挙げられる。
【００５０】
（vi）母体半導体をIVb単体半導体及びIVb-IVb化合物半導体からなる群より選択し、ドーパントＤをVa元素またはVb元素からなる群より選択し、異種原子ＺをVIIb元素からなる群より選択する。
【００５１】
（vii）母体半導体をIVb単体半導体及びIVb-IVb化合物半導体からなる群より選択し、ドーパントＡをIIIa元素及びIIIb元素からなる群より選択し、異種原子ＺをIa元素及びIb元素からなる群より選択する。
【００５２】
ＩＶｂ系以外の母体半導体、ドーパントＤまたはＡ、及び異種原子Ｚの組み合わせとしては、以下の例が挙げられる。
【００５３】
母体半導体の例としては以下のようなものが挙げられる。IVb単体半導体はゲルマニウムを指す。IVb-IVb化合物半導体はＧｅ1-yＣy（１＜ｙ＜１）、ＳｉxＧｅ1-x（０＜ｘ＜１）、又はＳｉxＧｅ1-x-yＣy（０＜ｘ＜１，１＜ｙ＜１）からなる群より選択される。
【００５４】
また、ドーパントＤ、Ａ及び異種原子Ｚの例としては以下のようなものが挙げられる。Ia元素はＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、及びＣｓからなる群より選択される。Ib元素はＣｕ、Ａｇ、及びＡｕからなる群より選択される。IIIa元素は、元素はＳｃ、Ｙ及びＬａからなる群より選択される。IIIb元素はＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＴｌからなる群より選択される。Vb元素はＶ、Ｎｂ、及びＴａからなる群より選択される。Vb元素はＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、及びＢｉからなる群より選択される。VIIb元素はＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、及びＩからなる群より選択される。IIIa、およびＬｕからなる群より選択される。
【００５５】
本実施形態に係る光デバイスは、＜１１１＞軸引っ張り構造、ＦＴ構造を有するゲルマニウム系光電変換層を有する。光電変換層に対する電極配置は特には限定されない。
【００５６】
図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の実施形態に係るゲルマニウム系光デバイスの断面図を示す。こごて、図８（ａ）は縦型通電の受光素子、図８（ｂ）は横型通電の受光素子である。
【００５７】
図８（ａ）の縦型通電の受光素子では、基板のシリコンｎ＋領域３２の上に、基板主面と垂直方向に半導体格子が伸張したゲルマニウムからなる光電変換層３３が形成され、さらに光電変換層３３上にシリコンｐ＋領域３４が形成されている。この構成において、光電変換層３３を挟んでそれぞれｎ＋領域３２及びｐ+領域３４が接している。ｎ+領域３２にはｎ電極３１が形成され、ｐ＋領域３４にはｐ電極３６が接続されている。光電変換層３３とｐ電極３６は絶縁層３５によって絶縁されている。
【００５８】
この縦型通電の受光素子では、光電変換層３３で発生した光キャリア（電子及び正孔）を縦方向にドリフトさせ、ｎ＋領域３２を経てｎ電極３１から電子を取り出し、またｐ＋領域３４を経てｐ電極３６から正孔を取り出すことで光電流を得ている。
【００５９】
図８（ｂ）の横型通電の受光素子では、シリコン基板３７に埋め込み酸化膜３８が形成され、その上に基板主面と垂直方向に半導体光子が伸張したゲルマニウムからなる光電変換層３９が形成され、絶縁膜４０によって素子分離されている。光電変換層３９の表面には、同一面内において光電変換層３９を挟むようにｎ＋領域４２及びｐ＋領域４１が形成されている。ｎ＋領域４２にはｎ電極４４が接続され、ｐ＋領域４１にはｐ電極４３が接続されている。
【００６０】
この横型通電の受光素子では、光電変換層３９で発生した光キャリア（電子及び正孔）を横方向にドリフトさせ、ｎ＋領域４２を経てｎ電極４４から電子を取り出し、またｐ+領域４１を経てｐ電極４３から正孔を取り出すことで光電流を得ている。
【００６１】
なお、縦型通電及び横型通電のいずれの受光素子でも、埋め込み酸化膜を設けて電流リークを防いでいるが、素子構成、基板抵抗、回路など、いずれかの手段で絶縁性を確保できる場合には、埋め込み酸化膜は必ずしも必要ではない。
【００６２】
図８（ａ），（ｂ）は、受光素子の基本構造を示したものであり、具体的な受光素子については種々の構造が考えられる。本実施形態に係る受光素子は、単体素子として用いることができる。
【００６３】
また、同一基板上に複数の受光素子を集積化してアレイ状に配置して、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを作製してもよい。同一基板上に複数の受光素子を集積化して太陽電池パネルを作製してもよい。同一基板上に受光素子と発光素子とこれらを結ぶ導波路を集積化して光デバイスアレイを作製してもよい。これらの変形例については後により詳細に説明する。
【００６４】
次に、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示す断面構成を参照して、＜１１１＞軸引っ張り構造を有する光電変換層の形成工程について説明する。ここでは、ゲルマニウム突起構造からなる光電変換層を形成する工程について説明する。
【００６５】
図９（ａ）に示す製造工程では、Ｓｉ｛１１１｝基板４５を用意し、ｎ型シリコン層４６上に超高真空レベルの雰囲気下で成膜可能なＣＶＤ装置を用いてゲルマニウム突起部（ゲルマニウム突起構造）４７を成長させる。ここでは、ゲルマニウム源として、水素ガスで希釈したゲルマンガスを用いる。Ｓｉ基板４５は、不純物拡散やイオン注入によりＳｉ基板４５の表面にｎ型シリコン層４６を形成している。次にＳｉ基板４５は、希フッ酸処理で表面酸化膜が除去された後、スピン乾燥され、上記ＣＶＤ装置のプレチャンバーを経て、リアクターチャンバーに導入される。Ｓｉ基板４５を一定温度に加熱してゲルマンを供給することで、ｎ型シリコン層４６上に凸となる形状のゲルマニウム突起構造が形成される。膜形状ではなく突起形状に成長するのは、ＳＫ（Stranski-Krastanov）成長モードが支配的なためと考えられている。
【００６６】
ゲルマニウム突起構造の各突起部４７のサイズは、基板温度及び、ゲルマン供給量に強く依存することから、これらを制御することでサイズ制御が可能である。本実施形態の受光素子に用いるゲルマニウム突起部４７の平均サイズとしては、高さが１０ｎｍから１００ｎｍ、基板と接する面の直径が８０ｎｍから８００ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【００６７】
なお、ゲルマニウム突起部４７を形成する直前に、シランガスを用いて、基板表面にシリコンバッファー層を設けることは有効である（図示せず）。このようなシリコンバッファー層を設けることにより、Ｓｉ基板４６が平坦化し、さらに表面が正常化するため、サイズの揃ったゲルマニウム突起構造が得られる効果がある。
【００６８】
図９（ｂ）に示す製造工程では、引き続きＣＶＤ装置によりアモルファスシリコン層４８を形成し、ＲＩＥ装置により、このアモルファスシリコン層４８にエッチバック処理を施し、ゲルマニウム突起部４７の各突起頂上部分の頭出しする。
【００６９】
図９（ｃ）に示す製造工程では、酸化炉にてアモルファスシリコン層４８を選択酸化させて、酸化シリコン化を図る。この時、アモルファスシリコンが酸化シリコンに酸化される際に、上下方向だけでなく横方向にも広がろうとするため、各ゲルマニウム突起部４７に径が狭められるような圧縮応力が掛かる。この圧縮応力を緩和させるために、＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長する。このような伸長作用により、引っ張り構造を有し、形状がゲルマニウム突起構造化された光電変換層４８ａを形成する。この酸化工程では、酸化処理温度、プロセス時間等を調整することで、＜１１１＞軸方向の半導体格子の変形の度合いを制御することができる。
【００７０】
図９（ｄ）に示す製造工程では、ＣＶＤ装置を用いてシリコン酸化膜４８ａ上にシリコン層４９を形成し、イオン注入工程により、ｐ＋化させる。また、同様にＳｉ｛１１１｝基板４５側をＣＭＰ装置を用いて薄化させて、イオン注入工程により、ｎ＋化させる。  
さらに、通常の製造工程を用いて、電極形成や層間絶縁膜形成を実施することにより、図８（ａ）に示したような縦型通電の受光素子の光デバイスを作製することができる。または、その他の通常の製造工程を用いて、図８（ｂ）に示したような横型通電の受光素子の光デバイスを作製することができる。
【００７１】
以上のような製造工程により、＜１１１＞軸引っ張り構造を有する光電変換層を形成することができる。なお、以上説明した製造工程は一例であり、その他の製造手法や製造工程により同様に引っ張り構造を有する光電変換層を形成することもできる。  
ゲルマニウムの格子変形を検知する間接的かつ簡便な方法としては、ラマン散乱などの光学的測定を用いることができる。この測定は、格子変形がない場合、ゲルマニウムはＧｅ−Ｇｅ結合に由来する固有振動モードが波数３００ｃｍ−１付近に生じる。格子が変形すると、固有振動モードの波数もそれに応じて変化する。振動モードの評価は、格子変形の有無を調べる有力な手段の１つである。ここで、格子が伸びると固有振動モードの波数が小さくなり、格子が縮むと固有振動モードの波数が大きくなる。
【００７２】
次に、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示す断面構成を参照して、ＦＴ構造を有する光電変換層の形成工程について説明する。ここでは、Ｐ−Ｆペアドープしたゲルマニウムからなる光電変換層を形成する工程について説明する。
【００７３】
図１０（ａ）に示す製造工程では、Ｓｉウエハ５１上にゲルマニウム層５２を形成する。次に図１０（ｂ）に示す製造工程では、ゲルマニウム層５２にｎ型ドーパントＤとしてリン（Ｐ）をドープする。
【００７４】
図１０（ｃ）に示す製造工程では、Ｐドープされたｎ型ゲルマニウム層５３に異種原子Ｚとしてフッ素イオン（Ｆ＋）をイオン注入したゲルマニウム層５４を形成する。このイオン注入工程では、エネルギー、ドーズ量、基板面方位、チルト角、基板温度などを最適化する。Ｆ＋イオンは、Ｐ原子がもつ余分な電子や基板を介してグランドから供給された電子を受け取ってＦ−イオンになると考えられる。
【００７５】
図１０（ｄ）に示す製造工程では、歪ゲルマニウム層５４に対してアニール処理を施し、イオン注入で乱された格子を再結晶化してＰ−Ｆペアが導入されたＦＴ−ゲルマニウムからなる光電変換層５５を形成する。このアニール処理工程では、アニール温度、処理時間、ガス雰囲気などを調整することで、格子点のゲルマニウム原子がＰ原子で置換され、格子間にＦ原子が挿入されるよう制御できる。Ｐ原子は格子点に位置するが、Ｆ原子に電子を奪われるため、電気的には不活性となり高抵抗化する。Ｐ原子とＦ原子はイオン結合で結びつけられ、アニール処理による温度上昇によっても解離せず、ペアリング状態を保っている。
【００７６】
さらに、その他の通常の製造工程を用いて、電極形成や層間絶縁膜形成を実施することにより、図８（ａ），（ｂ）に示したような縦型通電の受光素子又は横型通電の受光素子の光デバイスを作製することができる。
【００７７】
以上のように、イオン注入とアニール処理を組み合わせた製造工程により、母体半導体中にＦＴ構造を有する光電変換層を形成することができる。なお、熱拡散とアニール処理を組み合わせて、ＦＴ構造を有する光電変換層を形成してもよい。これら以外の製造工程を用いてＦＴ構造を有する光電変換層を形成してもよい。また、引っ張り構造とＦＴ構造を組み合わせた光電変換層を形成してもよい。
【００７８】
Ｐ−Ｆペアのように、格子点のドーパントＤと格子間の異種原子Ｚが結びつくと、母体半導体の格子振動とは別の固有振動モードが生じる。このため、赤外分光またはラマン分光から、ＦＴ構造を直接的に解析することが可能になる。Ｐ−Ｆペアを例に挙げると、基準振動計算から、波数１５０〜２００ｃｍ−１付近に振動モードが現れる。このように、振動モードの評価は、ＦＴ構造の有無を調べる有力な手段の１つである。
【００７９】
Ｄ―Ｚ（またはＡ―Ｚ）ペアの存在を検知する間接的かつ簡便な方法として、電気抵抗やホール測定などの電気測定を用いることもできる。ｎ型（またはｐ型）ドーパントを用いた場合、格子間の異種原子Ｚをドーピングする前の基板はｎ型（またはｐ型）となり低抵抗である。ここで、ドーパントＤ（またはＡ）と異種原子Ｚをペアリングさせると、電荷補償によりフリーキャリアが減って基板は高抵抗化する。このため、異種原子Ｚのドーピング前後における電気抵抗やキャリア濃度の変化を調べることでＤＺ（またはＡＺ）ペアが形成できたか否かを知ることができる。
【００８０】
次に、第１の実施形態として、前述した光電変換層を備える受光素子について説明する。  
図１（ａ），（ｂ）には、第１の実施形態に係る＜引っ張り構造、｛１１１｝基板、ゲルマニウム突起構造＞の光電変換層を備える縦型通電の受光素子の断面構成を示している。
【００８１】
この受光素子は、シリコン基板１上に埋め込み酸化膜２が形成され、さらにイオン注入により、ｎ＋化されたｎ型シリコン層３が形成される。埋め込み酸化膜２は、１つの手法として貼り合わせ基板により形成することができる。例えば、第１のシリコン基板｛１１１｝の一主面に熱酸化等の手法により酸化膜（埋め込み酸化膜２）を形成する。この酸化膜に第２のシリコン基板｛１１１｝の主面を貼り合わせて一体化させる。このｎ型シリコン層３上には、前述した＜１１１＞軸方向に半導体格子が伸長された複数のゲルマニウム突起部４とその周囲に充填された絶縁層５（これらの積層を光電変換層とする）が形成される。さらにゲルマニウム突起部４及び絶縁層５の上層に、ｐ＋化されたｐ型シリコン層６及びｐ電極７が形成される。また、ｎ型シリコン層３は、一部の領域が溝状に切り欠かれて露呈しており、その上にｎ電極８が形成される。
【００８２】
ｎ型シリコン層３は、基板格子定数がゲルマニウムよりも小さく、｛１１１｝面の基板面方位を有しており、光電変換層に対する基板として機能している。光電変換層は、図９で説明した製造工程に従って形成されている。基板法線方向のゲルマニウム＜１１１＞軸が伸長していることはラマン分光から確認している。
【００８３】
引っ張り構造を持つゲルマニウムのバンドギャップは、結晶ゲルマニウムのバンドギャップよりも小さく略０．５ｅＶである。バンド端が低エネルギーシフトしたために、近赤外領域における光の吸収係数は１０５ｃｍ−１以上と大幅に増強されている。この光デバイスの光電変換層を光励起すると、光電流が生じる。
【００８４】
光電変換層で発生した光電流を電極から外部に有効に取り出すには、図１には図示していないが、ｎ電極８とｐ電極７の間に駆動電圧Ｖを印加する。この駆動電圧Ｖの大きさは、この受光素子の開放端電圧をＶocとすると、Ｖ＜Ｖocとすればよい。Ｖ＞Ｖocでは、逆に電極から光電変換層に外部キャリアが注入されて光電流と相殺し合うため、見掛け上、光電流は減る。このため、動作電圧Ｖの設定は素子特性を決める重要な因子である。なお、開放端電圧Ｖocは、駆動電圧を振って光電流ゼロとなる電圧（Ｖ＝Ｖoc）から求めることが出来る。
【００８５】
図１１に、本実施形態の受光素子に１０ＧＨｚで変調された波長１５５０ｎｍの光信号を入力したときの、出力光電流の応答特性を示す。図１１からわかるように、入力光信号に対し、略同一な波形の出力光電流が得られている。このように、本実施形態の受光素子によれば、結晶ゲルマニウムでは分光感度が低い波長１５５０ｎｍの近赤外光に対して、高速・高感度な光検出が可能になる。
【００８６】
以上のことから、ゲルマニウム受光素子の光電変換層の長波長帯化を図る方法として、エネルギーバンドを変調して吸収を強める引っ張り構造は大変有効であることがわかる。
【００８７】
次に、第２の実施形態として、前述した光電変換層を備える受光素子について説明する。図１２には、第２の実施形態に係る＜引っ張り構造、｛１１１｝基板、ゲルマニウム＞の光電変換層を備える縦型通電の受光素子の断面構成を示している。本実施形態では、前述した第１の実施形態とは、光電変換層等が異なっており、これ以外の構成部位は同じであり、同じ参照符号を付してその説明は省略する。
【００８８】
光電変換層６１，６２は、まず｛１１１｝シリコン基板１上に埋め込み酸化膜２とｎ型シリコン層３が積層形成される。このｎ型シリコン層３上に、シリコン・ゲルマニウム・バッファ層６１を形成した後に、歪ゲルマニウム層６２を形成する。シリコンとゲルマニウムでは格子定数差が約４％と大きいために、シリコン上に直接ゲルマニウムをエピタキシャル成長させると、膜に転位などの欠陥が入りやすく、暗電流の大きい光電変換層が作られる場合がある。そこで、格子定数が両者の間の値を持つシリコン・ゲルマニウム・バッファ層６１を挿入することで、基板面内方向に圧縮応力を受け、基板法線方向に引っ張り応力を受けた、歪ゲルマニウム層６２のエピタキシャル成長が可能になる。基板法線方向のゲルマニウム＜１１１＞軸が伸長していることはラマン分光から確認している。
【００８９】
引っ張り構造を持つゲルマニウムのバンドギャップは結晶ゲルマニウムのそれよりも小さく略０．５ｅＶである。バンド端が低エネルギーシフトしたために、近赤外領域における光の吸収係数は１０５ｃｍ−１以上と大幅に増強される。この光デバイスの光電変換層を光励起すると、光電流が発生する。
【００９０】
本実施形態の受光素子に１０ＧＨｚで変調された波長１５５０ｎｍの光信号を入力すると、前述した図１１と同様に、入力光信号に対して略同一な波形の出力光電流が得られる。このことから、本実施形態の光デバイスによれば、結晶ゲルマニウムでは分光感度が低い波長１５５０ｎｍの近赤外光に対して、高速・高感度な光検出が可能になる。
【００９１】
次に、第３の実施形態として、前述した光電変換層を備える受光素子について説明する。図１３には、第３の実施形態に係る＜引っ張り構造、（１００）基板、ゲルマニウム＞の光電変換層を備える縦型通電の受光素子の断面構成を示している。本実施形態では、前述した第２の実施形態とは、シリコン基板と光電変換層等が異なっており、これ以外の構成部位は同じであり、同じ参照符号を付してその説明は省略する。
【００９２】
本実施形態は、｛１００｝シリコン基板を用いて、基板表面をＫＯＨ溶液による異方性エッチングにより（１１１）面、（−１１１）面、（１−１１）面、（−１−１１）面を出し、逆ピラミッド形状の凹凸面を設けている。ゲルマニウム［１１１］軸、［−１１１］軸、［１−１１］軸、［−１−１１］軸が伸長していることはラマン分光から確認している。
【００９３】
本実施形態の受光素子に１０ＧＨｚで変調された波長１５５０ｎｍの光信号を入力したときの出力光電流の応答特性を調べると、入力光信号に対して略同一波形の出力光電流が得られることがわかった。
【００９４】
本実施形態によれば、加工が容易な｛１００｝基板を用いて、エッチングにより｛１１１｝面を出し、その上に引っ張り構造を持つゲルマニウム光電変換層を形成することで、長波長帯における光デバイスの高速化及び高感度化を図ることができる。
【００９５】
次に、第４の実施形態として、前述した光電変換層を備える受光素子について説明する。図１４には、第４の実施形態に係る＜引っ張り構造、｛１１１｝基板、ゲルマニウム積層膜＞の光電変換層を備える縦型通電の受光素子の断面構成を示している。本実施形態では、前述した第２の実施形態とは、光電変換層上にパターニングされたシリコンナイトライド膜による積層構造が異なっており、これ以外の構成部位は同じであり、同じ参照符号を付してその説明は省略する。
【００９６】
このシリコンナイトライド膜６４は歪ゲルマニウム層６２に面内圧縮応力を与える。  
シリコンナイトライド膜６４は、小片例えば、小型の矩形形状を成している。歪ゲルマニウム層６２上にパターニングにより例えば、マトリックス配列、又は市松模様の配置に形成される。又は、シリコンナイトライド膜６４は、小片が小型の円形に形成され、ドットマトリックス状に配置してもよい。このように配置は、歪ゲルマニウム層６２上でシリコンナイトライド膜６４が所在する領域と、所在しない領域とが均一となるように配置すればよく、特に配置構成に制限があるものではない。また、面内圧縮応力の所望する分布がある場合には、その分布に従い適宜、シリコンナイトライド膜６４を配置すればよい。
【００９７】
従って、歪ゲルマニウム層６２は下層のシリコン・ゲルマニウム層６１と上層のシリコンナイトライド膜６４の両方から圧縮応力を受けて、より＜１１１＞軸方向に格子が伸長しやすくなる。ゲルマニウム＜１１１＞軸が伸長していることはラマン分光から確認している。
【００９８】
本実施形態の光デバイスに１０ＧＨｚで変調された波長１７００ｎｍの光信号を入力したときの出力光電流の応答特性を調べると、入力光信号に対して略同一波形の出力光電流が得られることが確認された。
【００９９】
本実施形態によれば、ゲルマニウム層（歪ゲルマニウム層）に対して、上層及び下層から面内圧縮応力を加えた引っ張り構造を持つゲルマニウム光電変換層を形成することで、より長波長帯において、受光素子の動作の高速化及び高感度化を図ることができる。
【０１００】
次に、第５の実施形態として、前述した光電変換層を備える受光素子について説明する。  
図１５には、第５実施形態に係る＜引っ張り構造＞の光電変換層を備える縦型通電の受光素子の断面構成を示している。本実施形態では、前述した第２の実施形態とはシリコン基板及び光電変換層等が異なっており、これ以外の構成部位は同じであり、同じ参照符号を付してその説明は省略する。
【０１０１】
この受光素子は、シリコン｛１１０｝面基板１上に埋め込み酸化膜２が形成され、さらにイオン注入により、ｎ＋化されたｎ型シリコン層３が形成される。ｎ型シリコン層３は、一部の領域が溝状に切り欠かれて露呈しており、その上にｎ電極８が形成される。
【０１０２】
このｎ型シリコン層３上には、並置された突起形状の複数のアルミニウムアンチモン突起部７１と、アルミニウムアンチモン突起部７１の周囲及び頂部を埋め込むガリウムアンチモン層７２とを備えるIII−V化合物半導体バッファ層と、光電変換層である歪ゲルマニウム層６２が形成される。さらに光電変換層６２の上層に、ｐ＋化されたｐ型シリコン層６及びｐ電極７が形成される。
【０１０３】
III−V化合物半導体バッファ層と、歪ゲルマニウム層の製造工程について説明する。まず、ＭＢＥ装置を用いて、前処理を行った｛１１０｝シリコン基板１のｎ型シリコン層３上にアルミニウムアンチモン突起構造を成長させる。シリコン基板１は、前処理として、希フッ酸処理で表面酸化膜を除去した後、スピン乾燥し、超高真空下のＭＢＥ装置のプレチャンバーを経て、リアクターチャンバーに導入する。
【０１０４】
シリコン基板１を一定温度に加熱し、Ｋ−セルとシャッターを制御してアルミニウムとアンチモンの各々を基板１のｎ型シリコン層３上に供給して、アルミニウムアンチモン突起構造７１を形成させる。引き続き、ＭＢＥ装置により、アルミニウムアンチモン突起構造７１を覆うようにガリウムアンチモン層７２を堆積させる。この成膜により、表面が平坦化され、擬似的な｛１１０｝ガリウムアンチモンエピタキシャル基板が形成される（非特許文献２を参照）。
【０１０５】
さらにガリウムアンチモン層７２上に、ＭＢＥ装置若しくは、ＣＶＤ装置を用いて、歪ゲルマニウム層６２を堆積させる。シリコン基板上のガリウムアンチモン層７２は、ほぼ格子緩和しており、バルクの格子定数０．６０９６ｎｍに近い値を示し、ゲルマニウムの格子定数０．５６４６ｎｍよりも大きい。このため、歪ゲルマニウム層６２は基板面内で引っ張り応力を受け、基板面と平行な［−１１１］軸方向に伸長される。
【０１０６】
引っ張り構造を持つゲルマニウムのバンドギャップは、結晶ゲルマニウムのそれよりも小さく略０．５ｅＶである。バンド端が低エネルギーシフトしたために、近赤外領域における光の吸収係数は１０５ｃｍ−１台に増強される。この光デバイスの光電変換層を光励起すると、光電流が生じる。
【０１０７】
本実施形態の受光素子に１０ＧＨｚで変調された波長１５５０ｎｍの光信号を入力すると、入力光信号に対して略同一波形の出力光電流が得られる。このことから、本実施形態の受光素子によれば、結晶ゲルマニウムでは分光感度が低い波長１５５０ｎｍの近赤外光に対して、高速・高感度な光検出が可能になる。
【０１０８】
次に、第６の実施形態として、前述した光電変換層を備える受光素子について説明する。  
第６実施形態として、前述した図８（ｂ）に示したＦＴ構造を有する、横型通電のＦＴ−ゲルマニウムを光電変換層に用いた受光素子について説明する。
【０１０９】
図８（ｂ）に示した母体半導体としてゲルマニウム、格子点サイトに置換されるｎ型ドーパントＤとしてＰ原子、格子間サイトに挿入される異種原子Ｚとしてフッ素原子Ｆを用い、ＰＦドープのＦＴ−ゲルマニウム光電変換層３９を形成した。Ｐ−Ｆペア濃度は５×１０２１／ｃｍ３である。Ｐ原子とＦ原子の濃度はＳＩＭＳにより確認している。
【０１１０】
光電変換層３９中にＦＴ構造のＰ−Ｆペアが形成できているか否かは、Ｐ−Ｆペア固有の振動モードを調べることが有効であり、光電変換層の顕微分光により検出できる。Ｐ−Ｆペア形成を簡便にチェックする方法として、本実施形態に係る受光素子とは別に、高抵抗基板表面に光電変換層と同一組成のＰ−Ｆドープ領域及びＰ単独ドープ領域を作り、両者のシート抵抗またはキャリア濃度を比較する方法もある。Ｐ−Ｆペアが形成されると電荷補償が生じるため、ＰＦドープ領域はＰ単独ドープ領域と比べて高抵抗化し、キャリア濃度は減少する。
【０１１１】
ＰＦドープゲルマニウムのバンドギャップは、結晶ゲルマニウムのそれとほぼ等しい。この受光素子にバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射して光電変換層のＰＦドープゲルマニウムを光励起すると、光電流が発生する。
【０１１２】
図１６には、本実施形態の受光素子に１０ＧＨｚで変調された波長１５５０ｎｍの光信号を入力したときの、出力光電流の応答特性を示す。図１６からわかるように、入力光信号に対し、略同一波形の出力光電流が得られている。このように、本実施形態の受光素子によれば、結晶ゲルマニウムでは分光感度が低い波長１５５０ｎｍの近赤外光に対して、高速の光検出が可能になる。
【０１１３】
以上のように本実施形態によれば、ゲルマニウム光デバイスの光電変換層の長波長帯化を図る方法として、エネルギーバンドを変調するＦＴ半導体は大変有効である。
【０１１４】
次に、第７の実施形態の光デバイスについて説明する。  
第７の実施形態の光デバイスとして、同一基板上に発光素子と、光デバイスと、これらを結ぶ導波路とが集積化された光素子アレイを例とする。この光素子アレイは、光信号を発信し、伝送し、受信することができる。
【０１１５】
図１７に示すように、シリコン基板８１上に、発信用の端面発光型半導体レーザー素子（以下、ＬＤ素子）８５及び受信用のゲルマニウム受光素子８３が形成されている。これらの中間の領域に酸化膜８２が形成され、その上に伝送用のＳｉ導波路８４が形成されている。
【０１１６】
ＬＤ素子８５と受光素子８３は、ともに図１８に示す構造のものを用いる。この受光素子は、シリコン｛１１１｝面基板１上に埋め込み酸化膜２が形成され、さらにイオン注入により、ｎ＋化されたｎ型シリコン層３が形成される。ｎ型シリコン層３は、一部の領域が溝状に切り欠かれて露呈しており、その上にｎ電極８が形成される。
【０１１７】
このｎ型シリコン層３上には、アルミニウムアンチモン突起構造７１と（ｎ層）ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）層７２からなるIII−V化合物半導体バッファ層と、（ｎ層）インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）層７３と、光電変換層である歪ゲルマニウム層６２が形成される。さらに光電変換層６２の上層に、ｐ＋化されたｐ型シリコン層６及びｐ電極７が形成される。
【０１１８】
ＬＤ素子８５の活性層と受光素子８３の光電変換層は両者とも歪ゲルマニウム層６２である。ＬＤ素子８５の歪ゲルマニウム層のバンド構造を変調して利得媒体に変換するため、基板面と平行な歪ゲルマニウム層の＜１１１＞軸方向の格子をより伸長させるよう、歪ゲルマニウム層と接するバッファ層にはＧａＳｂよりも格子定数が大きいＩｎＧａＳｂが用いられている。この構成により、歪ゲルマニウム層６２は波長２５００ｎｍ付近で発光し、電流注入によるレーザー発振が可能になる。
【０１１９】
ＬＤ素子８５の発振波長と一致するように受光素子８３の分光感度を長波長化するため、受光素子８３にも同等なＩｎＧａＳｂバッファ層が用いられている。なお本実施形態において、受光素子８３は、歪ゲルマニウム層のバンドギャップを狭めて、発振波長での光デバイスの分光感度を高めるために、ＬＤ素子に比べてバッファ層のＩｎ組成を高めている。
【０１２０】
図１７に示す光素子アレイでは、ｎ電極８３ａ及びｐ電極８３ｂを示している。このＬＤ素子８５に近接するように基板面内にトレンチを掘り、ＬＤ素子８５の端面８８を露呈している。受光素子８３についてもｎ電極８５ａ及びｐ電極８５ｂを示している。
【０１２１】
本実施形態において、ＬＤ素子８５から受光素子８３に向けて１０ＧＨｚで変調された波長２５００ｎｍの光信号を入力すると、受光素子８３において入力光信号に対して略同一波形の出力光電流が得られる。このことから、本実施形態の受光素子８３によれば、結晶ゲルマニウムでは分光感度を示さない波長２５００ｎｍの近赤外光に対しても、高速・高感度な光検出が可能になる。
【０１２２】
以上説明した実施形態においては、以下の特徴を有している。  
（１）ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体を光電変換層に用いる光デバイスであり、基板格子定数がゲルマニウムよりも小さく、基板面方位が｛１１１｝面であり、基板面と垂直な＜１１１＞軸方向に光電変換層の半導体格子を伸長させる特徴を有する。
【０１２３】
（２）上記光デバイスにおいて、基板面方位が｛１１１｝面と異なり、異方性エッチングにより｛１１１｝面を出し、この面上に光電変換層を形成することにより、＜１１１＞軸方向に光電変換層の半導体格子を伸長させる特徴を有する。
【０１２４】
（３）上記光デバイスは、光電変換層がゲルマニウム突起構造からなり、同層にアモルファスシリコン膜を形成し、選択酸化することにより、ゲルマニウム突起構造を面内圧縮し、基板面と垂直方向にゲルマニウム突起構造の半導体格子を伸長させる特徴を有する。
【０１２５】
（４）上記光デバイスにおいて、光電変換層の上方に、一部分、面内圧縮応力を生じる積層膜を形成することで、基板面と垂直方向に光電変換層の半導体格子を伸長させる特徴を有する。
【０１２６】
（５）上記光デバイスにおいて、基板格子定数がゲルマニウムよりも大きく、基板面方位を（ＬＭＮ）面とするとＬ＋Ｍ＋Ｎ＝０であり、基板面と平行方向に＜１１１＞軸を含み、この＜１１１＞軸方向に光電変換層の半導体格子を伸長させる特徴を有する。
【０１２７】
（６）実施形態に係る光デバイスは、ゲルマニウム原子を主成分とする四面体結合される半導体を光電変換層に用いる光デバイスであり、光電変換層を構成する四面体結合される半導体の格子点サイトのゲルマニウム原子を置換するｎ型ドーパントＤまたはｐ型ドーパントAと、前記ドーパントに最近接の格子間サイトに挿入される異種原子Ｚを含み、異種原子Ｚはドーパントとの電荷補償により電子配置が閉殻構造となる特徴を有する。
【０１２８】
また、本実施形態には、基板として、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用いたが、バルク基板を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光デバイスの断面構造を示す図である。
【図２】実施形態に係るゲルマニウムのバンド構造を示す図である。
【図３】実施形態に係るゲルマニウムにおけるΓｃ、Ｌｃ、Ｘｃエネルギーの格子定数依存性を示す図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る＜１１１＞軸引張り構造による長波長帯での吸収増加の原理を説明する図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係るＦＴ半導体の構造を説明する図である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ゲルマニウムのエネルギーバンドのうち、Γ点伝導帯、Ｌ点伝導帯、及びΓ点価電子帯の、実空間上での電子状態を説明する図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、ＦＴ半導体で光の吸収が強まる理由を説明するための、ゲルマニウムのエネルギーバンド図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係る縦型通電及び横型通電のシリコン光デバイスの断面構造を示す図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、実施形態に係る引張り構造ゲルマニウムからなる光電変換層の形成方法を示す断面構造を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、実施形態に係るＰＦドープＦＴ−ゲルマニウムからなる光電変換層の形成方法を示す断面構造を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る光デバイスについて、入力信号に対する応答特性を示す図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る光デバイスの断面構造を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る光デバイスの断面構造を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る光デバイスの断面構造を示す図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る光デバイスの断面構造を示す図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態に係る光デバイスについて、入力信号に対する応答特性を示す図である。
【図１７】本発明の第７の実施形態に係る光素子アレイを斜め上から見た図である。
【図１８】第７の実施形態に係るＬＤ素子且つまた光デバイスの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【０１３０】
１…シリコン基板、２…埋め込み酸化膜、３…ｎ型シリコン層、４…ゲルマニウム突起構造、５…光電変換層、６…ｐ型シリコン層、７…ｐ電極。
【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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