JPH1168151A

JPH1168151A - 光半導体素子およびその作製方法

Info

Publication number: JPH1168151A
Application number: JP22053297A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Wada; 一実和田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1997-08-15
Publication date: 1999-03-09

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】室温以上の比較的高い温度でも、準安定状態
の持続が可能な結晶欠陥を有する光半導体素子およびそ
の作製方法を提供する。【解決手段】光半導体素子は、基体１と、該基体の表
面上に形成された半導体層３と、該半導体層の表面上に
形成され、任意の光を透過できるショットキー電極５
と、該基体の裏面上に形成されたオーミック電極２とを
備え、該半導体層はプラズマ照射又はイオン注入によっ
て導入された欠陥をしている。光半導体素子の作製方法
は、基体の表面上に設けた半導体層３にプラズマ照射又
はイオン注入することによって、該半導体層に欠陥を導
入する工程と、前記半導体層の表面上に任意の光を透過
できるショットキー電極５を、前記基体の裏面上にオー
ミック電極２を、それぞれ形成する工程と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体素子およ
びその作製方法に係る。より詳細には、室温以上の比較
的高い温度でも準安定状態を保持できる結晶欠陥を有す
る光半導体素子およびその作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光半導体素子は、以下に示すような原理
に基づき動作する素子である。

【０００３】結晶欠陥を含む半導体に光を照射する
と、結晶欠陥から電子が伝導帯に放出されるため、結晶
欠陥は荷電状態を変える。

【０００４】特定の結晶欠陥では荷電状態変化が引き
金となって、別種の結晶欠陥に構造変化するため、バン
ドギャップ中から結晶欠陥の起因する準位が消滅する。

【０００５】この結果、光の照射された領域のフェル
ミ準位は光を断った後にも変化した状態（準安定状態）
を保つ。

【０００６】上記〜によって、光照射領域と非光
照射領域との境界に電界が発生し、これにより屈折率の
変化が生じる。

【０００７】従来、上述した原理に基づく光半導体素子
としては、例えば結晶欠陥として、電子トラップのラベ
リングの１つであるＥＬ２を用いたものが報告されてい
る（D. D. Nolte, F. H. Olson and A. M. Glass, Phy
s, Rev, B40, 10650, 1989）。この論文では、１４０Ｋ
以下の温度で生じるＥＬ２の光学的quenchingと言う現
象を用い、低温での光照射によりＥＬ２を消滅させ、そ
の領域のフェルミ準位を価電子帯に近づけている。その
結果、結晶中に電界を生じさせ、屈折率の変化を生じさ
せている。これ以外の報告としては、電子トラップのラ
ベリングの１つであるＤＸセンターの準安定状態を用い
た例が挙げられる（R. A. Linke, T. Thio, Chadi and
G. E. Devlin, Appl. Phys. Lett. 65, 16, 1994）。

【０００８】しかしながら、上述した従来の光半導体素
子では、準安定状態が低温でしか存在しないため、ＥＬ
２およびＤＸセンターのいずれの場合も、光半導体素子
の動作可能温度が１００Ｋ前後と極めて低温に限定さ
れ、これが素子の応用分野を狭めていた。従って、室温
以上の比較的高い温度でも上記準安定状態が持続する結
晶欠陥を有する素子の開発が望まれていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、室温以上の
比較的高い温度でも、準安定状態の持続が可能な結晶欠
陥を有する光半導体素子およびその作製方法を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者は熱的安定性の高い複合結晶欠陥に着目
し、その中から準安定状態を示すものを鋭意探究した。

【００１１】一般に、プラズマ処理やイオン注入により
半導体中に導入された結晶欠陥は、これを除去するため
には高温の熱処理を行う必要がある。これは、単独の結
晶欠陥と異なり、上記処理により発生した結晶欠陥がド
ナー不純物やアクセプター不純物などと結合し、複合欠
陥を作るため、熱的に高い安定性が得られるものと考え
られている。例えば、半導体がＧａＡｓの場合、上記の
複合欠陥の消去には６００℃以上の高温熱処理が必要と
されている。しかし、これまでの研究ではこれらの結晶
欠陥の内、準安定状態を室温付近で示すものは、報告が
なかった。

【００１２】本発明者は、最近上記処理によって生じる
結晶欠陥の一種に準安定性を示すものを発見し、これを
詳細に調べた結果、本発明をするに至った。

【００１３】すなわち、本発明に係る光半導体素子は、
基体と、該基体の表面上に形成された半導体層と、該半
導体層の表面上に形成され、任意の光を透過できるショ
ットキー電極と、該基体の裏面上に形成されたオーミッ
ク電極とを備え、該半導体層はプラズマ照射又はイオン
注入によって導入された欠陥を有することを特徴として
いる。

【００１４】上記構成では、半導体層を挟んで、任意の
光を透過できるショットキー電極と、オーミック電極と
を設けたことにより、前記半導体層に対して、任意の光
を照射しながら、任意の大きさの電界を印加することが
できる。その結果、プラズマ照射又はイオン注入によっ
て導入された欠陥を有する半導体層は、その一部又は全
部の領域において、半導体層を構成する材料の屈折率を
変化させることが可能となる。

【００１５】上記特徴において、前記欠陥は、前記半導
体層を５０℃以上の温度に保持した状態で、前記欠陥が
形成する準位とバンド端との差に相当するエネルギー以
上のエネルギーを有する光を照射することによって、前
記欠陥の荷電状態が第一の荷電状態から第二の荷電状態
へ変化する性質と、続いて前記半導体素子を５０℃より
低い温度にした場合、前記欠陥の荷電状態が前記第二の
荷電状態に保持される性質と、続いて前記半導体素子を
再度５０℃以上の温度にした場合、前記欠陥の荷電状態
が前記第二の荷電状態から前記第一の荷電状態へ変化す
る性質と、を有することによって、前記欠陥を有する半
導体層の一部又は全部の領域の屈折率を、前記光照射の
後の５０℃を境とした熱サイクルに対して、可変とする
ことが可能となる。

【００１６】また上記特徴において、前記欠陥は、前記
半導体層を５０℃より低い温度に保持した状態で、前記
欠陥が形成する準位とバンド端との差に相当するエネル
ギー以上のエネルギーを有する光を照射することによっ
て、前記欠陥の荷電状態が第一の荷電状態から第二の荷
電状態へ変化する性質と、続いて前記半導体素子を５０
℃以上の温度にした場合、前記欠陥の荷電状態が前記第
二の荷電状態に保持される性質と、続いて前記半導体素
子を再度５０℃より低い温度にした場合、前記欠陥の荷
電状態が前記第二の荷電状態に保持される性質と、を有
することによって、前記欠陥を有する半導体層の一部又
は全部の領域の屈折率を、前記光照射の後の５０℃を境
とした熱サイクルに対して、不変とすることが可能とな
る。

【００１７】上記特徴において、前記第一の荷電状態は
アクセプタ型であり、前記第二の荷電状態は無電荷状態
であることが好ましい。

【００１８】また上記特徴において、前記半導体層とし
てはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＰを用い、前記欠
陥は前記半導体層に対するアルゴン、水素又はヘリウム
を用いたプラズマ照射によって導入されたものが好まし
い。

【００１９】さらに上記特徴において、半導体層として
はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＰを用い、前記欠陥
は前記半導体層に対する水素、窒素、酸素、ヘリウム又
はアルゴンを用いたイオン注入によって導入されたもの
が望ましい。

【００２０】さらにまた上記特徴において、前記基体と
前記欠陥を有する半導体層との間に、該欠陥を有する半
導体層よりもバンドギャップの大きな半導体材料からな
るバリア層を設けたことによって、光照射により生じる
キャリアは結晶欠陥を有する半導体層の中に閉じこめら
れる。その結果、結晶欠陥の準安定状態への移行を、効
率的に発生させることができる。

【００２１】本発明に係る光半導体素子の作製方法は、
基体の表面上に設けた半導体層にプラズマ照射又はイオ
ン注入することによって、該半導体層に欠陥を導入する
工程と、前記半導体層の表面上に任意の光を透過できる
ショットキー電極を、前記基体の裏面上にオーミック電
極を、それぞれ形成する工程と、を有することを特徴と
する。

【００２２】上記２つの工程を有することにより、前記
半導体層に対して、任意の光を照射しながら、任意の大
きさの電界を印加することが可能となる。これによっ
て、プラズマ照射又はイオン注入によって導入された欠
陥を有する半導体層は、その一部又は全部の領域におい
て、半導体層を構成する材料の屈折率を変化させること
が可能となる。

【００２３】上記特徴において、前記欠陥を導入した半
導体層の面内で線状に周期的に欠陥の荷電状態が変化す
るように、前記欠陥を導入した半導体層に対して、前記
欠陥が形成する準位とバンド端との差に相当するエネル
ギー以上のエネルギーを有する光を照射する工程を有す
ることにより、前記半導体層の面内において周期的な電
界分布を形成することができる。その結果、二波混合や
四波混合の可能な光半導体素子が得られる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下では、本発明に係る光半導体
素子およびその作製方法について図面を参照して具体的
に説明する。

【００２５】図１（ａ）は、本発明に係る光半導体素子
の一例を示す模式的な断面図である。図１（ａ）におい
て、１はＧａＡｓエピ基板からなる基体、２は裏面オー
ミック電極、３は結晶欠陥が導入された半導体層、４は
半導体層３に光照射した結果、結晶欠陥が準安定状態に
変化した領域、５は光が透過するショットキー電極、６
は半導体層へ照射する光、７は電源、を示している。

【００２６】図２は、図１（ａ）におけるＧａＡｓエピ
基板１と半導体層３からなる積層構造を具体的に説明し
た模式的な断面図である。図２において、８はＳｉが添
加されたｎ形の基板（キャリア濃度：３×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）、９は無添加のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなるエピ
層（厚さ：１００ｎｍ）、１０はＳｉが添加されたｎ形
のＧａＡａからなるエピ層（キャリア濃度：３×１０¹⁸
ｃｍ^-3、厚さ：１００ｎｍ）である。図１（ａ）に示し
た結晶欠陥が導入された半導体層３は、図２に示したＳ
ｉが添加されたｎ形のＧａＡａからなるエピ層１０に対
応する。ここで、無添加のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる
エピ層９はバリア層と呼称する。

【００２７】以下では、本発明に係る光半導体素子を、
その作製の手順に従って説明する。

【００２８】（１）既知のドライプロセスを用いて、Ｇ
ａＡｓエピ基板１の表面上に、無添加のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7
Ａｓからなるエピ層（厚さ：１００ｎｍ）と、Ｓｉが添
加されたｎ形のＧａＡａからなるエピ層（キャリア濃
度：３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ：１００ｎｍ）からなる積
層構造を形成した。

【００２９】（２）半導体層への結晶欠陥の導入は、Ａ
ｒプラズマ処理により行った。半導体層に対するＡｒプ
ラズマの照射条件は、次の通りとした。まず、平行平板
型の反応性プラズマエッチング装置において、圧力１０
ＴｏｒｒのＡｒガスに５０Ｗの高周波電力を供給し、プ
ラズマを発生した。この生起させたプラズマを半導体層
に照射した。その際の照射時間は１０分間とした。この
処理によって、半導体層の表面近傍にアクセプター形の
結晶欠陥の濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上導入されるた
め、該半導体層の表面近傍のドナーが枯渇する。この結
果、９および１０のエピ層全体でフェルミ準位は伝導帯
から離れ、禁制帯中央に移動した。

【００３０】（３）上記プラズマ処理を終えた半導体層
の表面上に、任意の光を透過できるショットキー電極と
してＴｉ系の薄膜を、該基体の裏面上にオーミック電極
としてＡｕ系の薄膜を、既知のドライプロセスで形成し
た。

【００３１】（４）エピ基板１、裏面オーミック電極
２、結晶欠陥が導入された半導体層３、及びショットキ
ー電極５からなる試料の温度を１００℃に保持し、ショ
ットキー電極５に−４Ｖの電圧を印加し、該試料に対し
て５ｍＷのＡｒレーザーを照射することによって、半導
体層の電荷密度はＳｉによるドナー濃度にまで回復し
た。言い換えると、結晶欠陥によるアクセプターは消滅
した。ここでは、試料の温度を１００℃に保持した場合
を説明したが、試料の温度は５０℃以上であれば同様の
効果が得られることが確認された。また、照射するレー
ザーの波長は、その光子のもつエネルギーが、欠陥が形
成するエネルギーとバンド端との差に相当するエネルギ
ー以上の値であれば良い。前記エネルギー差は光吸収な
どの方法により求めることができる。この結果、光照射
した領域では、フェルミ準位が伝導帯に近接することに
なる。このように回復したドナーは、試料を温室に保持
する限り、再度消滅する傾向は見られなかった。

【００３２】（５）試料を再度５０℃以上に保持する
と、再びアクセプターが活性となり、エピ層１０の中の
ドナーは消滅することが確認された。

【００３３】上述したところの、光照射によるアクセプ
ターの消滅と熱処理による再発生は何度でも再現するこ
とも明らかとなった。従って、本例で示した結晶欠陥
は、室温以上の温度で準安定状態を示す結晶欠陥である
ことが分かった。

【００３４】以上の結果から、光照射領域と非照射領域
の間に電界を発生させることができるとともに、少なく
とも５０℃以上の温度で熱処理することにより上記電界
分布を消去することもできることが明らかとなった。

【００３５】本例では、半導体層へ欠陥を導入するため
にＡｒプラズマ処理を用いたが、ＨやＨｅなどの他のプ
ラズマでも良く、また、水素、窒素、酸素、Ｈｅ、Ａｒ
などのイオン注入でも同様な結晶欠陥の導入が図れるこ
とが確認された。

【００３６】ショットキー電極５としてはＴｉ系の透明
電極を用いたが、光を通過させる窓を設けた非透明電極
としても構わない。

【００３７】また、上述したところの、半導体層におけ
る結晶欠陥のアクセプター状態の消滅は、バイアス電圧
を印加すれば、室温あるいは氷点下での光照射でも行う
ことが可能である。しかし、この場合には、結晶欠陥
は、５０℃での熱処理では再度アクセプター状態（通常
の状態）へ戻らないことが明らかとなった。言い換える
と、この場合の結晶欠陥は準安定状態ではない。このよ
うな状態で結晶欠陥のアクセプター状態を消失させるこ
とによって、半導体層中において空間的な屈折率分布を
固定することが可能となる。従って、この現象は、恒久
的な光メモリとして応用できる。

【００３８】図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した手法を
具体的に適用して作製した素子の断面構造と素子機能を
示す模式的な断面図である。図１（ｂ）において各構成
物を示している番号は、図１（ａ）と同様である。しか
しながら、図１（ｂ）では、半導体層３に光照射した結
果、結晶欠陥が準安定状態に変化した領域４は、本願発
明の欠陥導入法を用い、これに干渉露光法を適用して線
状で周期的な光を照射することにより作製したため、回
折格子として機能する領域となる。この結果、欠陥を導
入した半導体層には面内において線状で周期的に変化し
た電界分布が形成される。

【００３９】次いで、同一波長で相互にコヒーレントな
信号光（ｋ１）と参照光（ｋ２）を相対する方向からこ
の回折格子に照射すると、図１（ｂ）に示すように両光
の干渉が生じ、反射されて出てくる信号光は参照光の強
度まで増幅される。従来技術において説明した２件の引
用文献に記載されている通り、この現象は、光非線形素
子における二波混合として知られている。この構造に本
願発明を適用することにより初めて、室温においても安
定な、二波混合を行うための光非線形素子を実現するこ
とができる。また、同様の構造の素子を、四波混合に適
用することも可能である。

【００４０】図２の構造では、無添加のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7
Ａｓからなるエピ層（すなわちバリア層）９が障壁とし
て機能するため、光照射により生じるキャリアは結晶欠
陥の存在する領域（すなわち、Ｓｉが添加されたｎ形の
ＧａＡａからなるエピ層１０）に閉じこめられる。その
結果、結晶欠陥の準安定状態への移行を、効率的に発生
させることができる。しかしながら、バリア層９とし
て、Ｓｉが添加されたｎ形の基板８と同じＧａＡｓ材料
とした場合でも、やや長い時間光照射をすることで、同
様な効果が得られることが分かった。

【００４１】本例では、半導体がＧａＡｓの場合につい
て述べたが、例えばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰなどの他の化
合物半導体としても、同様の作用・効果が得られる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来のＥＬ２やＤＸセンターを用いた場合に比べ、２０
０Ｋ以上高い温度で光非線形素子動作が可能となる、光
半導体素子およびその作製方法が提供できる。

【００４３】また、従来技術では、結晶欠陥の濃度が、
ＥＬ２の場合に１０¹⁶ｃｍ^-3、ＤＸセンターの場合に１
０¹⁷ｃｍ^-3程度の低濃度であった。これに対して、本願
発明では、結晶欠陥の濃度を、半導体中のＳｉドナー濃
度とほぼ等しい濃度まで導入することができるため、極
めて薄い厚さのエピ層でも非線形素子の実現が可能とな
るなど、その効果は大きい。

【００４４】さらに、光照射の条件を設定することで、
屈折率分布を固定することも可能であり、これまで誘電
体が主流であった光メモリと同様な機能を半導体を用い
て現出させることができ、光素子と電子素子のモノリシ
ックな融合も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光半導体素子の一例を示す模式的
な断面図であり、（ａ）は本発明に係る光半導体素子の
構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示した手法を適用
して作製した素子の断面構造と素子機能を示す断面図で
ある。

【図２】図１におけるＧａＡｓエピ基板１と半導体層３
からなる積層構造を示す模式的な断面図である。

【符号の説明】

１ＧａＡｓエピ基板からなる基体、２裏面オーミック電極、３結晶欠陥が導入された半導体層、４半導体層３に光照射した結果、結晶欠陥が準安定状
態に変化した領域、５光が透過するショットキー電極、６半導体層へ照射する光、７電源、８Ｓｉが添加されたｎ形の基板、９無添加のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなるエピ層（バリ
ア層）、１０Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＡａからなるエピ
層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体と、該基体の表面上に形成された半
導体層と、該半導体層の表面上に形成され、任意の光を
透過できるショットキー電極と、該基体の裏面上に形成
されたオーミック電極とを備え、該半導体層はプラズマ
照射又はイオン注入によって導入された欠陥を有するこ
とを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】前記欠陥は、前記半導体層を５０℃以上の温度に保持した状態で、前
記欠陥が形成する準位とバンド端との差に相当するエネ
ルギー以上のエネルギーを有する光を照射することによ
って、前記欠陥の荷電状態が第一の荷電状態から第二の
荷電状態へ変化する性質と、続いて前記半導体素子を５０℃より低い温度にした場
合、前記欠陥の荷電状態が前記第二の荷電状態に保持さ
れる性質と、続いて前記半導体素子を再度５０℃以上の温度にした場
合、前記欠陥の荷電状態が前記第二の荷電状態から前記
第一の荷電状態へ変化する性質と、を有することを特徴
とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】前記欠陥は、前記半導体層を５０℃より低い温度に保持した状態で、
前記欠陥が形成する準位とバンド端との差に相当するエ
ネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することに
よって、前記欠陥の荷電状態が第一の荷電状態から第二
の荷電状態へ変化する性質と、続いて前記半導体素子を５０℃以上の温度にした場合、
前記欠陥の荷電状態が前記第二の荷電状態に保持される
性質と、続いて前記半導体素子を再度５０℃より低い温度にした
場合、前記欠陥の荷電状態が前記第二の荷電状態に保持
される性質と、を有することを特徴とする請求項１に記
載の光半導体素子。
【請求項４】前記第一の荷電状態はアクセプタ形であ
り、前記第二の荷電状態は無電荷状態であることを特徴
とする請求項２又は３に記載の光半導体素子。
【請求項５】前記半導体層はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ
又はＩｎＰであり、前記欠陥は前記半導体層に対するア
ルゴン、水素又はヘリウムを用いたプラズマ照射によっ
て導入されたものであることを特徴とする請求項１乃至
４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項６】前記半導体層はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ
又はＩｎＰであり、前記欠陥は前記半導体層に対する水
素、窒素、酸素、ヘリウム又はアルゴンを用いたイオン
注入によって導入されたものであることを特徴とする請
求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】前記基体と前記欠陥を有する半導体層と
の間に、該欠陥を有する半導体層よりもバンドギャップ
の大きな半導体材料からなるバリア層を設けたことを特
徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光半導
体素子。
【請求項８】基体の表面上に設けた半導体層にプラズ
マ照射又はイオン注入することによって、該半導体層に
欠陥を導入する工程と、前記半導体層の表面上に任意の光を透過できるショット
キー電極を、前記基体の裏面上にオーミック電極を、そ
れぞれ形成する工程と、を有することを特徴とする光半
導体素子の作製方法。
【請求項９】前記欠陥を導入した半導体層の面内で線
状に周期的に欠陥の荷電状態が変化するように、前記欠
陥を導入した半導体層に対して、前記欠陥が形成する準
位とバンド端との差に相当するエネルギー以上のエネル
ギーを有する光を照射する工程を有することを特徴とす
る請求項８に記載の光半導体素子の作製方法。
【請求項１０】前記半導体層としてＧａＡｓ、ＡｌＧ
ａＡｓ又はＩｎＰを用い、該半導体層に欠陥を導入する
ために、イオン種としてアルゴン、水素又はヘリウムを
用いて該半導体層に対してプラズマ照射することを特徴
とする請求項８又は９に記載の光半導体素子の作製方
法。
【請求項１１】前記半導体層としてＧａＡｓ、ＡｌＧ
ａＡｓ又はＩｎＰを用い、該半導体層に欠陥を導入する
ために、イオン種として水素、窒素、酸素、ヘリウム又
はアルゴンを用いて該半導体層に対してイオン注入する
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の光半導体素子
の作製方法。