(57)【要約】【課題】発光効率を向上させることができる。【解決手段】半導体基板上に絶縁層１１と、絶縁層１１上に第１の半導体層１２と、第１の半導体層１２上に、第１の半導体層１２よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層１３と、第２の半導体層１３上に、第２の半導体層１３面に垂直に、正孔１６および電子１５をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層１４ｂ，１４ａとを有し、Ｐ型およびＮ型の導電層１４ｂ，１４ａの下部領域の第１および第２の半導体層１２，１３がＰ型およびＮ型の導電層１４ｂ，１４ａと同じ導電型である半導体光学素子１０が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＰＮ接合を有する半導体光学素子において、
前記基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層と、を有し、
前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層の下部領域の前記第１および前記第２の半導体層が前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層と同じ導電型である、
ことを特徴とする半導体光学素子。
【請求項２】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、４族化合物半導体および４族半導体であることを特徴とする請求項１記載の半導体光学素子。
【請求項３】
前記絶縁層と前記第１の半導体層との間に形成された前記第２の半導体層をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光学素子。
【請求項４】
前記第２の半導体層の上部および前記導電層間に導波路をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の半導体光学素子。
【請求項５】
前記第２の半導体層の上部および前記導電層間に多層膜をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の半導体光学素子。
【請求項６】
基板上にＰＮ接合を有する半導体光学素子の製造方法において、
前記基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層上に、前記第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層を形成する工程と、
前記第２の半導体層上に、前記第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層を形成する工程と、を有し、
前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層の下部領域の前記第１および前記第２の半導体層が前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層と同じ導電型である、
ことを特徴とする半導体光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光学素子およびその製造方法に関し、特に、基板上にＰＮ接合を有する半導体光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンテクノロジを用いた光変調器や光学素子を高性能化するためには、電荷を局所的かつ高密度に注入する必要がある（例えば、非特許文献１参照。）。
そこで、光学的な要請や量子閉じ込め構造を実現するために、絶縁層上の単結晶シリコン上にトランジスタを形成するＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造を用いた半導体光学素子が今まで提案されている。以下にＳＯＩ構造について図を用いて説明する。
【０００３】
図７は、従来における半導体光学素子の模式図である。また、図７（Ａ）は半導体光学素子１００の断面模式図、図７（Ｂ）は半導体光学素子１００の平面模式図を示している。
【０００４】
半導体光学素子１００は、図７（Ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板１１０上に、絶縁層の酸化シリコン（ＳｉＯ2）層１２０が形成され、ＳｉＯ2層１２０上に、Ｐ型のＳｉ（Ｐ−Ｓｉ）層１３１およびＮ型のＳｉ（Ｎ−Ｓｉ）層１３２が形成されている。さらに、Ｐ−Ｓｉ層１３１およびＮ−Ｓｉ層１３２の間に、厚さが数原子ほどのＰ−Ｓｉ薄膜層１３１ａおよびＮ−Ｓｉ薄膜層１３２ａが形成されているとともに、Ｐ−Ｓｉ薄膜層１３１ａおよびＮ−Ｓｉ薄膜層１３２ａの上にＳｉＯ2層１３０が形成されている。また、図７（Ｂ）に示すように、半導体光学素子１００は、Ｐ−Ｓｉ薄膜層１３１ａとＮ−Ｓｉ薄膜層１３２ａとの境界にて発光が生じる。さらに、このような構造における発光原理について、図を用いて以下に説明する。
【０００５】
図８は、従来における半導体光学素子のエネルギーバンドを示した模式図である。
模式図２００は、図７における微細構造のＰ−Ｓｉ薄膜層１３１ａおよびＮ−Ｓｉ薄膜層１３２ａ間のＰＮ接合におけるエネルギーバンドを示している。バンドギャップ２０３が等しく単一のＳｉであるＰ−Ｓｉ薄膜層１３１ａおよびＮ−Ｓｉ薄膜層１３２ａにそれぞれ正孔２０６と電子２０５とが注入されると、バンドギャップ２０３を超えて、正孔２０６と電子２０５とが再結合することによって、半導体光学素子１００が発光する。
【０００６】
その他、電子と正孔を同じ場所に注入するバイポーラ素子は、発光デバイスとして利用できるだけでなく、それぞれの電荷密度を高くすることが容易で屈折率変化を大きくできるため光変調器としても有望である。
【非特許文献１】ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Japanese Journal of Applied Physics），２００６年７月，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．２７，Ｐ．Ｌ６７９−Ｌ６８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述のようにバンドギャップが等しく単一のＳｉでＰＮ接合を形成し、正孔と電子とがそれぞれに注入されると、Ｐ−Ｓｉ薄膜層１３１ａおよびＮ−Ｓｉ薄膜層１３２ａの境界に電子と正孔は存在し発光するものの、バンドギャップが等しいために、電子および正孔のほとんどが電流として通過し、図８に示すような電子および正孔の流れが生じ、発光に寄与しない電子および正孔が多く存在し、効率よく発光させることが難しいという問題点があった。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、発光効率を向上させることができる半導体光学素子およ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】
【０００９】
本発明では上記課題を解決するために、基板上にＰＮ接合を有する半導体光学素子１０において、図１に示すように、基板上に形成された絶縁層１１と、絶縁層１１上に形成された第１の半導体層１２と、第１の半導体層１２上に形成され、第１の半導体層１２よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層１３と、第２の半導体層１３上に形成され、第２の半導体層１３面に垂直に、正孔１６および電子１５をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層１４ｂ，１４ａと、を有し、Ｐ型およびＮ型の導電層の下部領域の第１および第２の半導体層１２，１３がＰ型およびＮ型の導電層１４ｂ，１４ａと同じ導電型であることを特徴とする半導体光学素子１０が提供される。
【００１０】
このような半導体光学素子によれば、半導体基板上に絶縁層と、絶縁層上に第１の半導体層と、第１の半導体層上に、第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層と、第２の半導体層上に、第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層とを有し、Ｐ型およびＮ型の導電層の下部領域の第１および第２の半導体層がＰ型およびＮ型の導電層と同じ導電型である半導体光学素子が形成される。
【００１１】
また、本発明では上記課題を解決するために、基板上にＰＮ接合を有する半導体光学素子の製造方法において、前記基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上に第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層上に、前記第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層を形成する工程と、前記第２の半導体層上に、前記第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層を形成する工程と、を有し、前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層の下部領域の前記第１および前記第２の半導体層が前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層と同じ導電型であることを特徴とする半導体光学素子の製造方法が提供される。
【００１２】
このような半導体光学素子の製造方法によれば、半導体基板上に絶縁層が形成され、絶縁層上に第１の半導体層が形成され、第１の半導体層上に、第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層が形成され、第２の半導体層上に、第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層が形成され、かつ各導電層の下部領域の各半導体層が各導電層と同じ導電型となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、半導体基板上に絶縁層と、絶縁層上に第１の半導体層と、第１の半導体層上に、第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層と、第２の半導体層上に、第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層とを有し、Ｐ型およびＮ型の導電層の下部領域の第１および第２の半導体層がＰ型およびＮ型の導電層と同じ導電型である半導体光学素子を形成するようにした。これにより、第２の半導体層のバンドギャップは第１の半導体層よりも大きいために、第１の半導体層と第２の半導体層との間でエネルギー的な障壁が生じ、この障壁のために、正孔および電子は電流としてのみならず、再結合が生じやすくなり、発光効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されない。
まず、本発明の概要について説明し、その後に実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の概念図である。
半導体光学素子１０は、図１に示すように、絶縁層１１上に、第１の半導体層１２、第２の半導体層１３が順に形成されており、第２の半導体層１３の面に対して垂直にＮ型導電層１４ａおよびＰ型導電層１４ｂが形成されている。
【００１６】
なお、第２の半導体層１３のバンドギャップは、第１の半導体層１２よりも大きく、また、Ｎ型導電層１４ａおよびＰ型導電層１４ｂから、第２の半導体層１３へ、ほぼ垂直に電子１５および正孔１６がそれぞれ注入される。
【００１７】
図２は、本発明における半導体光学素子のエネルギーバンドを示した模式図である。なお、図２では、特に断りがない限り、図１と同じ符号は同じものを意味している。
図８で説明したように、従来のエネルギーバンドでは、バンドギャップが等しい単一のＰ型およびＮ型のＳｉをＰＮ接合していたために、注入された正孔２０６および電子２０５の多くは、電子２０５の流れ、正孔２０６の流れが生じて、電流を発生させ、発光に寄与しない電子２０５および正孔２０６が多くあった。
【００１８】
一方、本発明では、図２に示すように、第２の半導体層１３のバンドギャップは第１の半導体層１２よりも大きいために、第１の半導体層１２と第２の半導体層１３との間でエネルギー的な障壁２７が生じる。この障壁２７のために、電子１５および正孔１６は電流としてのみならず、再結合が生じやすくなり、発光に多く寄与することができる。
【００１９】
つまり、図１に示す、Ｎ型導電層１４ａおよびＰ型導電層１４ｂによって、第２の半導体層１３に垂直に注入された電子１５および正孔１６は、その後、半導体基板と平行に第１の半導体層１２を移動して、電流が流れるだけでなく、電子１５および正孔１６で再結合が多く発生し、発光効率を向上させることが可能となる。
【００２０】
以下に、本発明を利用した実施の形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の半導体光学素子の製造方法について説明する。
図３，４は、実施の形態における半導体光学素子の製造方法の工程を示す断面模式図である。なお、以下に示す製造方法として、周知従来のリソグラフィー技術、積層技術、エッチング技術などを適宜利用して実現される。
【００２１】
まず、Ｓｉ基板３１上に、ＳｉＯ2層３２を形成する。さらに、ＳｉＯ2層３２上に、Ｓｉ層３４ｂ，３４ｃで挟まれたシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層３４ａ（以下、この３層を合わせてＳＧＯＩ（Silicon Germanium On Insulator）層３３と呼ぶ。）を形成する。なお、Ｓｉ層３４ｃを、ＳｉＯ2層３２とＳｉＧｅ層３４ａとの間に形成することによって、ＳｉＧｅ層３４ａとＳｉＯ2層３２とのなじみが良くなるといった効果がある。またＳＧＯＩ層３３の構成として、４族半導体および４族化合物半導体の例としてＳｉとＳｉＧｅとを用いたが、他にもゲルマニウム（Ｇｅ）などでも同様の効果が得られる（以上、図３（Ａ）。）。
【００２２】
このようにして構成された素子に、エッチングを行った後に、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）を行って、ＳｉＯ2層３５などの酸化膜を形成する（以上、図３（Ｂ）。）。
【００２３】
酸化膜が形成された素子に対して、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）層３６によって、コンタクト領域と電荷注入領域を形成し、これらの表面を酸化させてＳｉＯ2層３７を形成する（以上、図４（Ａ）。）。
【００２４】
Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層３６およびＳＧＯＩ層３３にリン（Ｐ）やホウ素（Ｂ）などのイオン注入を行って、Ｎ型やＰ型に導電させた導電層３６ａおよびＳＧＯＩ層３３にてＰＮ接合を形成し、さらに各コンタクト領域とその周辺がそれぞれＮ型およびＰ型となるようにイオン注入を行う。これらを覆うように、層間膜絶縁膜としてＳｉＯ2層３８を形成して、最後に、コンタクト領域に金属電極３９と金属配線とを形成して、半導体光学素子が形成される。また、ＳＧＯＩ層３３の厚さは５ｎｍ〜１０ｎｍ程度、ＳｉＯ2層３５とＳｉＯ2層３８とを合わせた厚さは１５０ｎｍ程度とする。
【００２５】
なお、このようにＬＯＣＯＳを行ってＳｉＧｅ層３４ａを覆うために、ＳｉＧｅが現れずに製造プロセスを実施することができるため、これまでＳｉＧｅなどを扱っていない、また、管理が難しいプロセスラインを利用して製造することができる（以上、図４（Ｂ）。）。
【００２６】
したがって、以上の工程によって形成された半導体光学素子３０では、ＳｉＧｅ層３４ａ上に、ＳｉＧｅ層３４ａよりもバンドギャップが大きいＳｉ層３４ｂを形成して、Ｓｉ層３４ｂの表面に対して垂直に注入された電子および正孔は、ＳＧＯＩ層３３をＳｉ基板３１に平行に移動するとともに、ＳｉＧｅ層３４ａとＳｉ層３４ｂとの間にエネルギー的に障壁が生じて、再結合が効果的に行われ、発光効率を向上させることが可能となる。
【００２７】
次に、本発明を利用した実施の形態について以下に説明する。
図５は、本実施の形態において導波路が導入された半導体光学素子の断面模式図である。
【００２８】
図５は、図３，４で製造された半導体光学素子に対して、導波路５０が形成された場合について模式的に示している。なお、特に断りがない限り、図４（Ｂ）と同じ符号を用いている。
【００２９】
半導体光学素子４０の製造方法としては、図４（Ａ）の工程後に、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層を形成して、エッチングなどによって導波路５０を形成することができる。なお、図３，４と同様に、導波路５０の形成方法も周知従来のリソグラフィー技術、積層技術、エッチング技術などを適宜利用して実現される。
【００３０】
半導体光学素子４０において、ＳｉＧｅ層３４ａにて発生させられる（あるいは吸収される）光の波長は、Ｓｉ層３４ｂに対して透過できるように設定することができる。したがって、ＳｉＧｅ層３４ａを、半導体光学素子４０に形成された導波路５０に近接するように配置すると、導波路５０内に光を注入（あるいは、吸収）させることが可能となる。
【００３１】
次に、本発明を利用した別の実施の形態について以下に説明する。
図６は、本実施の形態において多層膜が導入された半導体光学素子の断面模式図である。
【００３２】
図６は、図３，４で形成された半導体光学素子に対して、多層膜７０が形成された場合について模式的に示している。なお、特に断りがない限り、図４（Ｂ）と同じ符号を用いている。
【００３３】
半導体光学素子６０の製造方法としては、図４（Ａ）の工程後に、Ｐｏｌｙ−ＳｉおよびＳｉＯ2によって多層膜７０を形成することができる。なお、図３，４と同様に、これらの形成方法も周知従来のリソグラフィー技術、積層技術、エッチング技術などを適宜利用して実現される。
【００３４】
半導体光学素子６０において、ＳｉＧｅ層３４ａにて発生させられる（あるいは吸収される）光の波長が、半導体光学素子６０に導入された多層膜７０によって反射させられるように設計すると、Ｓｉ基板３１に対して垂直方向に光を出射あるいは入射可能な半導体光学素子６０を製造することが可能となる。
【００３５】
以上によって、本発明では、半導体層上に、バンドギャップが大きい別の半導体層を形成し、別の半導体層の面に垂直に正孔および電子を注入するＰ型導電層およびＮ型導電層を形成することによって、半導体層と別の半導体層との間にエネルギー的な障壁を生じさせることができ、電子と正孔との再結合率を向上させて、発光効率を向上させることが可能となる。
【００３６】
なお、今回示した実施例は、半導体光学素子を構成する材料として、上記説明に用いた材料としたが、本発明を構成可能な材料系の組み合わせにしても同様の効果が得られる。
（付記１）  基板上にＰＮ接合を有する半導体光学素子において、
前記基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層と、を有し、
前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層の下部領域の前記第１および前記第２の半導体層が前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層と同じ導電型である、
ことを特徴とする半導体光学素子。
【００３７】
（付記２）  前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、４族化合物半導体および４族半導体であることを特徴とする付記１記載の半導体光学素子。
（付記３）  前記４族化合物半導体はシリコンゲルマニウム、前記４族半導体はシリコンまたはゲルマニウムであることを特徴とする付記２記載の半導体光学素子。
【００３８】
（付記４）  前記絶縁層と前記第１の半導体層との間に形成された前記第２の半導体層をさらに有することを特徴とする付記１乃至３に記載の半導体光学素子。
（付記５）  前記第２の半導体層の上部および前記導電層間に導波路をさらに有することを特徴とする付記１乃至４に記載の半導体光学素子。
【００３９】
（付記６）  前記導波路は、多結晶シリコンで形成されることを特徴とする付記５記載の半導体光学素子。
（付記７）  前記第２の半導体層の上部および前記導電層間に多層膜をさらに有することを特徴とする付記１乃至４に記載の半導体光学素子。
【００４０】
（付記８）  前記多層膜は、多結晶シリコンおよび酸化シリコンで形成されることを特徴とする付記７記載の半導体光学素子。
（付記９）  基板上にＰＮ接合を有する半導体光学素子の製造方法において、
前記基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層上に、前記第１の半導体層よりも大きなバンドギャップである第２の半導体層を形成する工程と、
前記第２の半導体層上に、前記第２の半導体層面に垂直に、正孔および電子をそれぞれ注入する一対のＰ型およびＮ型の導電層を形成する工程と、を有し、
前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層の下部領域の前記第１および前記第２の半導体層が前記Ｐ型および前記Ｎ型の導電層と同じ導電型である、
ことを特徴とする半導体光学素子の製造方法。
【００４１】
（付記１０）  前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、４族化合物半導体および４族半導体であることを特徴とする付記９記載の半導体光学素子の製造方法。
（付記１１）  前記４族化合物半導体はシリコンゲルマニウム、前記４族半導体はシリコンまたはゲルマニウムであることを特徴とする付記１０記載の半導体光学素子の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の概念図である。
【図２】本発明における半導体光学素子のエネルギーバンドを示した模式図である。
【図３】実施の形態における半導体光学素子の製造方法の工程を示す断面模式図（その１）である。
【図４】実施の形態における半導体光学素子の製造方法の工程を示す断面模式図（その２）である。
【図５】本実施の形態において導波路が導入された半導体光学素子の断面模式図である。
【図６】本実施の形態において多層膜が導入された半導体光学素子の断面模式図である。
【図７】従来における半導体光学素子の模式図である。
【図８】従来における半導体光学素子のエネルギーバンドを示した模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  半導体光学素子
１１  絶縁層
１２  第１の半導体層
１３  第２の半導体層
１４ａ  Ｎ型の導電層
１４ｂ  Ｐ型の導電層
１５  電子
１６  正孔
【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】
2008244308.tif 000008
【図７】
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【図８】
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