JP2747232B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、発光素子や受光素子等
の光半導体素子と電子素子とを一体形成した半導体装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ(LD),発光ダイオード
(LED),光検出器等の発・受光デバイスと、FE
T,バイポーラトランジスタ等の電子デバイスとを同一
基板上にモノリシックに集積化した、所謂集積化光デバ
イスは、動作の高速化がはかれることによる性能向上,
集積化による信頼性向上,コストダウン等の多くの長所
を有するため、光通信の分野でのその実現が望まれてい
る。また、半導体電子デバイスの高速化に伴い、高密度
に集積化されたLSIチップ間の信号伝達遅延が無視で
きなくなりつつある。このため、LSIチップ上に光半
導体デバイスをモノリシックに集積化し、電気信号に変
えて光信号によりチップ間の信号伝送を行うことが論値
演算回路の高速化をはかる上で極めて有力な手段とな
る。このような点から、発・受光デバイスを電子デバイ
スと同一基板上にモノリシックに集積化する技術の実現
が強く望まれている。
【0003】しかしながら、電子デバイスが形成されて
いるSi基板と、発・受光デバイスを構成する直接遷移
型のGaAs,GaAlAs,InP,InGaAs
P,InGaAs等の化合物半導体混晶とは格子定数が
著しく異なるため、Si基板上にエピタキシャル成長法
によって高品質な上記化合物半導体混晶を得ることは極
めて困難である。即ち、両者の格子定数が異なるため
に、結晶成長界面に転位等の格子欠陥が高密度に導入さ
れ、これらが結晶成長と共に、エピタキシャル成長層中
にも侵入し、非発光結合中心として働く結果、特に発・
受光デバイスにおいては発光効率,受光感度の低下や素
子寿命の劣化を招き、素子特性に致命的な悪影響を与え
ていた。このことが、発・受光デバイスを電子デバイス
と同一基板上に集積化する上での大きな障害になってい
る。
【0004】一方、電子デバイスの形成された半導体基
板と発・受光デバイスの形成された半導体基板とを電極
を介して積層一体化した従来のハイブリッド集積回路
は、容易に実現できるが、この場合配線が長くなったり
接触部の電極面積が大きくなったりする。このため、モ
ノリシック集積化半導体装置に比べて寄生容量やインダ
クタンスが大きくなり、素子本来の性能を引出せないと
いう欠点があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、発・
受光デバイスを電子デバイスと同一基板上に集積化する
と、発・受光デバイスにおける発光効率,受光感度の低
下や素子寿命の劣化を招き、素子特性に致命的な悪影響
を与えていた。また、電子デバイスの形成された半導体
基板と発・受光デバイスの形成された半導体基板とを電
極を介して積層一体化した従来のハイブリッド集積回路
においては、モノシリック集積化半導体装置に比べて寄
生容量やインダクタンスが大きくなり、素子本来の性能
を引出せないという問題があった。
【0006】本発明は、上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的とするところは、発・受光デバイスと
電子デバイスとを集積一体化することができ、且つ素子
特性の向上をはかり得る半導体装置を提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の骨子
は、化合物半導体混晶により形成された発・受光デバイ
スを、これと格子定数が極めて近い半導体基板上に形成
し、これを電子デバイスの形成に適した半導体基板上に
接合させることにより、発・受光デバイスを電子デバイ
スとを集積一体化することにある。
【0008】本発明者等は、2種の異なる結晶体、例え
ば発・受光デバイスの形成された化合物半導体混晶基板
表面と電子デバイスの形成に適したSi基板表面とが、
表面粗さ50[nm]以下の平坦面である場合、それら
表面を水洗・乾燥した後、これらを例えばゴミ浮遊量2
0[個/m3 ]以下のクリーンルーム内で、上記各平坦
表面間に実質的に異物が介入しない条件下で相互に密着
させて200[℃]以上の温度で加熱することによっ
て、2つの結晶体が強固に接合することを見出した。
【0009】従来、鏡面研磨された半導体ウェハ同志を
水やアルコール等で濡れた状態で接触させると、両者が
接着する現象はしばしば経験するところである。しかし
ながら、これは水等の液体の表面張力によるものであ
り、乾燥させたウェハでは観察されていない。本発明物
等は、鏡面研磨されたGaAs、InP等の化合物半導
体やシリコンの表面を十分に清浄にし、且つ高度にクリ
ーンな雰囲気の下で同種或いは異種の2つの面を接触さ
せると強固な接合体が得られることを見出した。さら
に、このようにして得られた接合体の接着強度を十分と
高めるには、200[℃]以上の熱処理が必須であるこ
とが判った。
【0010】この接着の現象を更に詳しく調べた結果、
これら結晶の表面に自然酸化膜が形成されていることが
接着させるための必須の条件であることが判った。この
自然酸化膜の存在は、例えばエリプソメトリー等の方法
で確められるが、より簡便には清浄化された表面に水滴
を置き、それが広がることで容易に判定できる。即ち、
表面が揮発性から親水性に変ることが自然酸化膜の存在
の証拠になる。この自然酸化膜はさまざまな条件下で形
成されるが、本発明物等の実験によれば高々数分の通常
の水洗工程で十分であった。
【0011】このようにして得られた親水性且つ正常な
面を持つウェハ同志は容易に接着できるのに対し、例え
ば弗酸等に浸漬して自然酸化膜を除去し、さらに再び自
然酸か膜が形成されないよう注意深く取扱い、表面が発
水性を保っている面について接着を試みたが、十分な接
着体が得られないことが判った。また、十分な接着強度
を得るために200[℃]以上の熱処理が必要な理由
は、この温度付近で自然酸化膜の表面に存在する活性な
OH基同志が反応し、半導体−O−半導体の強固な結合
を作るためと考えられる。なお、このようにして接着さ
れた半導体同志は電気的に導通状態になることも確認さ
れた。
【0012】本発明はこのような点に着目し、発光素子
及び受光素子等の光半導体素子と通常の電子素子とを含
む半導体装置において、表面側に半導体発光素子或いは
半導体受光素子が形成され且つ表面側が鏡面状態に形成
された第1の半導体基板と、この第1の半導体基板とは
異なる半導体材料からなり、表面側に電子素子が形成さ
れ且つ表面側が鏡面状態に形成された第2の半導体基板
とを具備してなり、上記各半導体基板はその表面側を、
該表面を融解させることなく直接接着して一体化するよ
うにしたものである。
【0013】
【作用】本発明によれば、発・受光デバイスと電子デバ
イスとを独立なプロセスで製造できるので、その製造が
極めて容易となる。また、それぞれの素子の特性を最適
化することができるので、一体化後の素子性能を従来の
モノリシック光電子集積化半導体装置に比べて大幅に向
上させることができる。さらに、接着面は鏡面研磨され
たままの面なので、上部に電極や絶縁膜の凸部がなく、
接着は容易である。しかも、不要な電極が接着面にない
ため、寄生容量を減らすことができる。この効果は、特
に半絶縁性基板を用いると顕著に現れる。
【0014】また、従来のエピタキシャル成長法による
ことなく、電子デバイスの形成に適した、例えばSi基
板上に別基板上に形成した化合物半導体混晶発・受光デ
バイスを集積化形成できるので、両者の格子定数が著し
く異なる場合でも、良好な結晶により発・受光デバイス
を構成でき、これらのデバイスの特性劣化を招くことも
ない。このため、格子定数の差異にとらわれることな
く、発・受光デバイス及び電子デバイスそれぞれに適し
た基板上にそれらを形成することができ、発・受光デバ
イス−電子デバイス集積化デバイスの特性の向上及び組
合わせ自由度の拡大による応用範囲の拡大をはかること
ができる。その結果、これらデバイスを利用した光通信
及び計算機の分野に与える効果は絶大である。
【0015】
【実施例】まず、実施例を説明する前に、本発明の基本
原理について説明する。従来、ガラス板の平滑な面を極
めて正常に保ち、このような2枚のガラス板を直接密着
させると、その間の摩擦係数が増大して接合状態が得ら
れることが知られている。そして、これに逆らって上記
ガラス板の面同志を滑らすと、その接合面のむしり取り
によるクラックが発生することも知られている。これに
対して従来、半導体結晶体同志の上記ガラスの如き接合
法が知られていないことは、半導体結晶体の接合すべき
面の平滑性とその清浄性を厳密に保つことが難しかった
ことが最大の原因であったと言える。
【0016】そこで本発明物等は、次のような処理を施
すことにより、ガラス同志の接合のように半導体結晶体
同志の接合も可能なことを見出した。即ち、2つの半導
体結晶体の接合すべき面を表面粗さ50[nm]以下に
平滑化し、5分間水洗した。平滑化の方法は、鏡面研磨
或いは鏡面研磨した表面上にその平坦さを損なわない方
法、例えばMOCVD法或いはMBE法によってエピタ
キシャル成長層を形成して行う。得られた半導体の面は
水に良く濡れ、自然酸化物の層が形成されていることが
推定された。その後、メタノール置換、フレオン乾燥を
行い、このようにして得られた半導体結晶体を、ゴミ浮
遊量20[個/m3 ]の実質的にゴミのないクリーンル
ーム中で上記接合面を相互に直接密着させて200
[℃]以上の温度で熱処理したところ、両者は極めて強
固に接合した。この接合体の接着強度は、熱処理温度2
00[℃]以上で特に著しく上昇する。
【0017】以上のことから、研磨した清浄な半導体の
面は水洗だけで表面が親水性となり、清浄な環境下で且
つ200[℃]以上の温度下で接合すれば強固に接着体
を得ることができる。
【0018】一方、200[℃]程度の加熱温度では、
半導体構成原子についてはもとより、最も拡散し易い1
価イオンでも、半導体結晶中における拡散速度は通常無
視できる程度に小さいことは周知である。また、この2
00[℃]付近の温度では、酸化膜の表面に吸着された
水分子が殆ど脱離し、化学吸着により形成された−OH
基の脱水結合が起こり始めることも知られている。これ
らのこと考え合わせれば、前記半導体結晶体相互の結合
は、金属同志の接合として知られている相互拡散による
ものではなく、半導体結晶体の表面酸化膜の水和層間の
相互作用や、−OH基の脱水重合によって半導体−O−
半導体となる強固な接合構造を成しているものと考えら
れる。
【0019】このような事実は、半導体結晶体の表面を
親水性にして、その密着接合後に200[℃]以上の加
熱処理を施せば、高い接着強度が得られることを意味し
ている。
【0020】以下、本発明の詳細を図示の実施例によっ
て説明する。
(実施例1)図1,図2は、本発明の第1の実施例に係
わる半導体装置の製造工程を示す斜視図及び側面図であ
る。この実施例は、GaAlAs系半導体レーザと電子
デバイスとを集積一体化し、モノリシックに形成したも
のである。
【0021】まず、図1(a)に示す如くn−GaAs
基板11の上面を表面粗さ50[nm]以下に鏡面研磨
したのち、この基板11上にn−Ga0.65Al0.35As
クラッド層12,アンドープGaAs活性層13,p−
Ga0.65Al0.35Asクラッド層14及びn−GaAs
コンタクト層15を順次成長形成する。このとき、成長
層表面が当初の鏡面研磨した基板表面の平坦性を損なう
ことのないようMOCVD法或いはMBE法によって成
長形成することが望ましい。
【0022】次いで、SiNをマスクとして、図1
(b)に示す如く幅5[μm]程度のストライプ状部分
の表面にZn拡散を行い、n−GaAsコンタクト層1
5の一部をp型化してp−GaAsコンタクト層16を
形成する。これは、GaAs活性層13に流れる電流を
ストライプ状に狭窄するためのものである。
【0023】次いで、フォトレジスト等をマスクとし
て、BCl3 +Cl2 混合ガスによる反応性イオンエッ
チング法により、図1(c)に示す如く電流ストライプ
(p型コンタクト層)16と垂直に共振器端面18を形
成すると共に、不要な部分をエッチング除去する。これ
により、半導体レーザ基板10が形成される。
【0024】次に、図2(d)に示す如く、電子デバイ
スの製造に適したSi基板19の表面を表面粗さ50
[nm]以下に鏡面研磨し、先に述べた手順により、半
導体レーザ基板10と接着した。熱処理は、H2 雰囲気
中500[℃]で1時間行った。また、Si基板19と
しては、B等の適当な不純物のイオン打込み或いは拡散
により、表面をp型伝導としたものを用いた。かくし
て、Si基板19上にGaAs−GaAlAs半導体レ
ーザが得られることになる。
【0025】なお、Si基板19上に形成する電子デバ
イスは、上記の接着工程前に予め形成しておくのが望ま
しい。また、必要があれば、NH4 −H2 O2 −H2 O
系等のエッチング液を用いて、図2(e)に示す如くn
−GaAs基板11を最終的に除去するようにしてもよ
い。
【0026】かくして得られた半導体装置においては、
半導体レーザ10が良好な特性を示し、またp−GaA
sコンタクト層16とp型Si基板19の表面とは良好
な電気伝導特性を示した。従って本実施例によれば、半
導体レーザと通常の電子デバイスとをモノリシックに形
成することができ、しかも半導体レーザ及び電子デバイ
スをそれぞれ単体で作製したときと同等の特性にするこ
とができる。このため、半導体レーザ−電子デバイスの
集積化デバイスの特性の向上及び組合わせ自由度の拡大
をはかることができ、光通信の分野に与える効果は絶大
である。
(実施例2)図3,図4は、本発明の第2の実施例に係
わる半導体装置の製造工程を示す断面図である。この実
施例は、InGaAsP系半導体レーザとこのレーザを
駆動するGaAs系MESFETとを集積一体化したも
のである。
【0027】まず、図3(a)に示す如く、半絶縁性I
nP基板21の表面に凹部22を形成し、この凹部22
内に図3(b)に示す如くp+ −In1-u Gau Asv
P1-V 電極取出し層23,p−InPクラッド層24,
アンドープIn1-x Gax Asy P1-Y 活性層25及び
n−InPクラッド層26を順次成長形成する。
【0028】次いで、図3(c)に示す如くクラッド層
24,26及び活性層25を、レーザ発振領域部を除い
てメサエッチングし、その後図3(d)に示す如くメサ
の側部をn−InP埋込み層27及びp−InP埋込み
層28で埋込んだ。次いで、図3(e)に示す如く凹部
22にの不要部を全てメサエッチングで除去し、最後に
p+ 型電極取出し層23上にオーミック電極29を形成
する。これにより、半導体レーザ基板20が形成される
ことになる。
【0029】ここで、成長するメサ部の高さは略凹部2
2の外側と同じ高さになるよう調整し、最後の鏡面研磨
で完全に同一高さとする。図には示さないが、最後に研
磨を行うために、半導体レーザ基板及び後述する電子素
子部基体共に凹部内の素子主要部には、必要に応じて研
磨の前に保護膜を付けるものとする。
【0030】一方、図4(f)に示す如く半絶縁性Ga
As基板31上に凹部32を形成し、この凹部32の表
面にSiイオン注入でn型活性層33の形成する。次い
で、図4(g)に示す如くゲート部ショットキー電極3
4をFETチャネル部上部に作り、該ゲート電極をマス
クとしてn+ 型領域35をイオン注入で形成し、ソース
電極36を作製する。これにより、電子デバイス基体3
0が形成されることになる。
【0031】以上のようにして作成した基体20,30
の表面を鏡面研磨して、先に述べた手順により水洗洗浄
後位置合わせして圧着すると、図4(h)に示す如く2
つの基体20,30は一体の半導体装置となる。ここ
で、鏡面研磨は表面粗さが50[nm]以下となる条件
とし、熱処理はH2 雰囲気中500[℃]で1時間行っ
た。
【0032】かくして製造された半導体装置は、製造方
法が簡単であるため、製造歩留りや信頼性が高く、また
半導体レーザと電子デバイスとの特性をそれぞれ最適化
することができる。さらに、半導体レーザのn−InP
クラッド層26と電子デバイスのn+ 型層35との接続
配線が不要となり、寄生容量等も小さくできる構造を持
つので、高いパフォーマンスを有する。
【0033】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。例えば、前記発・受光デバイスとし
ては、半導体レーザの代りに発光ダイオード,PINフ
ォトダイオード及びアバランシェフォトダイオード等を
用いることが可能であり、またそれらの材料としてはG
aAs/GaAlAs,InP/InGaAsP等のII
I −V族化合半導体の他に、HgCdTe,ZnS,Z
nSe等のII−VI族化合物半導体にも適用可能である。
同様に、電子デバイス形式に適した基板としては、S
i,InPの他に、GaAs等の半導体を用いることが
可能である。また、半導体基板の表面に素子形成を行っ
た後その表面が鏡面状態であれば、鏡面研磨工程を省略
してよいのは明らかであり、このことから鏡面研磨工程
と素子形成工程の順序を入替えてもよい。その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施するこ
とができる。
【0034】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、化
合物半導体混晶により形成された発・受光デバイスを、
これと格子定数が極めて近い半導体基板上に形成し、こ
れを電子デバイスの形成に適した半導体基板上に接合さ
せることにより、発・受光デバイスを電子デバイスとを
集積一体化することができ、且つ素子特性の向上をはか
り得る半導体装置を実現することが可能となる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device in which an optical semiconductor element such as a light emitting element or a light receiving element and an electronic element are integrally formed. 2. Description of the Related Art Light emitting and receiving devices such as a semiconductor laser (LD), a light emitting diode (LED), and a photodetector, and an FE
A so-called integrated optical device, in which electronic devices such as T and bipolar transistors are monolithically integrated on the same substrate, is capable of improving performance by increasing the operation speed.
Since it has many advantages such as reliability improvement and cost reduction due to integration, it is desired to realize it in the field of optical communication. Also, with the speeding up of semiconductor electronic devices, signal transmission delay between LSI chips integrated at a high density cannot be ignored. Therefore, it is extremely effective to monolithically integrate an optical semiconductor device on an LSI chip and perform signal transmission between the chips by an optical signal instead of an electric signal in order to increase the speed of the theoretical value arithmetic circuit. . From such a point, it is strongly desired to realize a technology for monolithically integrating the light emitting / receiving device on the same substrate as the electronic device. However, a Si substrate on which an electronic device is formed and GaAs, GaAlAs, InP, InGaAs of direct transition type constituting a light emitting / receiving device.
Since the lattice constant is significantly different from that of a compound semiconductor mixed crystal such as P or InGaAs, it is extremely difficult to obtain a high-quality compound semiconductor mixed crystal on a Si substrate by an epitaxial growth method. That is, since the two have different lattice constants, lattice defects such as dislocations are introduced at a high density at the crystal growth interface, which penetrate into the epitaxial growth layer together with the crystal growth, and act as non-emission coupling centers. Departure
In the light receiving device, the light emitting efficiency and the light receiving sensitivity are reduced, and the life of the device is deteriorated. This is a major obstacle in integrating the light emitting / receiving device on the same substrate as the electronic device. On the other hand, a conventional hybrid integrated circuit in which a semiconductor substrate on which an electronic device is formed and a semiconductor substrate on which a light emitting / receiving device is formed is laminated and integrated via electrodes, but can be easily realized. And the electrode area of the contact portion increases. For this reason, there is a disadvantage that the parasitic capacitance and the inductance are increased as compared with the monolithic integrated semiconductor device, and the inherent performance of the element cannot be brought out. [0005] As described above, conventionally,
If the light receiving device is integrated on the same substrate as the electronic device, the light emitting efficiency and the light receiving sensitivity of the light emitting / receiving device are reduced, and the life of the device is shortened. Further, in a conventional hybrid integrated circuit in which a semiconductor substrate on which an electronic device is formed and a semiconductor substrate on which a light emitting / receiving device is formed are laminated and integrated via electrodes, parasitic capacitance and parasitic capacitance are lower than those of a monolithically integrated semiconductor device. There is a problem that the inductance becomes large and the original performance of the element cannot be obtained. The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to integrate a light emitting / receiving device and an electronic device, and to improve element characteristics. To provide a semiconductor device that can be obtained. The gist of the present invention is to form a light emitting / receiving device formed of a compound semiconductor mixed crystal on a semiconductor substrate having a lattice constant very close to that of the device. An object of the present invention is to integrate a light emitting / receiving device with an electronic device by bonding the semiconductor device to a semiconductor substrate suitable for forming an electronic device. The present inventors have found that two different types of crystals, for example, the surface of a compound semiconductor mixed crystal substrate on which a light emitting / receiving device is formed and the surface of a Si substrate suitable for forming an electronic device,
In the case of flat surfaces having a surface roughness of 50 [nm] or less, those surfaces are washed with water and dried, and then, for example, the dust floating amount 2
In a clean room of 0 [pieces / m 3 ] or less, the two flat crystals are heated to a temperature of 200 ° C. or more by being brought into close contact with each other under the condition that substantially no foreign substance intervenes between the flat surfaces. I found that my body joined tightly. Conventionally, when semiconductor wafers that have been mirror-polished are brought into contact with each other in a wet state with water, alcohol, or the like, a phenomenon in which the two adhere to each other is often experienced. However, this is due to the surface tension of a liquid such as water, and has not been observed on a dried wafer. The present invention is capable of sufficiently cleaning the surface of a mirror-polished compound semiconductor such as GaAs or InP or silicon and firmly bonding two surfaces of the same type or different types under a highly clean atmosphere. I found that I got a body. Furthermore, it was found that a heat treatment at 200 ° C. or more was essential to sufficiently increase the bonding strength of the joined body thus obtained. As a result of further investigating this phenomenon of adhesion,
It has been found that the formation of a natural oxide film on the surface of these crystals is an essential condition for bonding. The presence of the natural oxide film can be confirmed by a method such as ellipsometry, but it can be more easily determined by placing a water droplet on the cleaned surface and spreading it. That is,
The change of the surface from volatile to hydrophilic is evidence of the presence of a native oxide film. Although this natural oxide film is formed under various conditions, according to the experiments of the present invention and the like, a normal washing step of at most several minutes was sufficient. The thus obtained wafers having a hydrophilic and normal surface can be easily bonded to each other. On the other hand, the natural oxide film is removed by immersion in, for example, hydrofluoric acid or the like, and then the natural acid film is removed again. Care was taken to prevent the formation of the surface, and an attempt was made to bond the surface having a water-repellent surface, but it was found that a sufficient bonded body could not be obtained. Further, the reason why heat treatment at 200 [° C.] or more is necessary to obtain sufficient adhesive strength is that active OH groups existing on the surface of the natural oxide film react around this temperature, and the semiconductor-O-semiconductor Probably to make a strong bond. It was also confirmed that the semiconductors bonded in this manner were electrically connected. The present invention pays attention to such a point, and in a semiconductor device including an optical semiconductor element such as a light emitting element and a light receiving element and a normal electronic element, a semiconductor light emitting element or a semiconductor light receiving element is formed on the surface side; A first semiconductor substrate having a front surface formed in a mirror state; and a second semiconductor formed of a semiconductor material different from the first semiconductor substrate, wherein an electronic element is formed on the front side and the front side is formed in a mirror state. A substrate, and each of the semiconductor substrates has a surface side thereof,
The surface is directly bonded without melting and integrated. According to the present invention, since the light emitting / receiving device and the electronic device can be manufactured by independent processes, the manufacturing becomes extremely easy. In addition, since the characteristics of each element can be optimized, the element performance after integration can be greatly improved as compared with a conventional monolithic optoelectronic integrated semiconductor device. Furthermore, since the bonding surface is a mirror-polished surface, there is no electrode or insulating film projection on the top,
Adhesion is easy. Moreover, since there is no unnecessary electrode on the bonding surface, the parasitic capacitance can be reduced. This effect is particularly noticeable when a semi-insulating substrate is used. Further, a compound semiconductor mixed crystal emitting / receiving device formed on another substrate such as a Si substrate, which is suitable for forming an electronic device, can be formed without using the conventional epitaxial growth method. Even when the constants are significantly different, the light emitting / receiving device can be constituted by good crystals, and the characteristics of these devices do not deteriorate. For this reason, it is possible to form the light emitting / receiving device and the electronic device on a substrate suitable for each of the electronic devices, regardless of the difference in the lattice constant. The range of application can be expanded by expanding the degree of freedom of alignment. As a result, the effect on the fields of optical communication and computers using these devices is enormous. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing the embodiments, the basic principle of the present invention will be described. Conventionally, it has been known that when a smooth surface of a glass plate is kept extremely normal and such two glass plates are brought into close contact with each other, the friction coefficient between them is increased and a bonded state is obtained. It is also known that if the surfaces of the glass plates are slid against each other, cracks may be generated by removing the joint surfaces. On the other hand, the fact that a bonding method such as the above-mentioned glass between semiconductor crystals has not been known is that it has been difficult to strictly maintain the smoothness and cleanliness of the surface to be bonded of the semiconductor crystals. It can be said that it was the biggest cause. Therefore, it has been found that the present invention and the like can perform bonding between semiconductor crystals like bonding between glasses by performing the following treatment. That is, the surface to be joined between the two semiconductor crystals was smoothed to a surface roughness of 50 [nm] or less, and washed with water for 5 minutes. The smoothing is performed by forming an epitaxial growth layer by mirror polishing or a method that does not impair the flatness on the mirror polished surface, for example, MOCVD or MBE. The surface of the obtained semiconductor was well wetted by water, and it was presumed that a natural oxide layer was formed. Thereafter, methanol replacement and Freon drying are performed, and the semiconductor crystals obtained in this manner are directly adhered to each other in a clean room with a dust floating amount of 20 [pieces / m 3 ] substantially free of dust. Let me 200
When heat-treated at a temperature of [° C.] or more, the two were bonded very firmly. The bonding strength of this bonded body was set at a heat treatment temperature of 2
When the temperature is higher than 00 [° C.], the temperature rises remarkably. From the above, the surface of a polished clean semiconductor becomes hydrophilic only by washing with water, and if bonded under a clean environment and at a temperature of 200 ° C. or more, an adhesive can be obtained firmly. Can be. On the other hand, at a heating temperature of about 200 ° C.,
In addition to semiconductor constituent atoms,
It is well known that the diffusion rate of a valence ion in a semiconductor crystal is usually negligibly small. In addition, this 2
At a temperature around 00 [° C.], the water molecules adsorbed on the surface of the oxide film are almost desorbed, and the —OH formed by the chemical adsorption is removed.
It is also known that dehydration of the group begins to occur. Considering these facts, the mutual bonding of the semiconductor crystals is not due to the mutual diffusion known as a joint between metals, but the interaction between the hydrated layers of the surface oxide film of the semiconductor crystal and the -OH Semiconductor -O-
It is considered that a strong bonding structure serving as a semiconductor is formed. This fact means that a high adhesive strength can be obtained by making the surface of the semiconductor crystal hydrophilic and subjecting it to a heat treatment at 200 ° C. or more after the close bonding. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiment. (Embodiment 1) FIGS. 1 and 2 are a perspective view and a side view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, a GaAlAs-based semiconductor laser and an electronic device are integrated and integrated to be monolithically formed. First, as shown in FIG. 1A, n-GaAs
After the upper surface of the substrate 11 is mirror-polished to a surface roughness of 50 [nm] or less, n-Ga 0.65 Al 0.35 As is formed on the substrate 11.
Clad layer 12, undoped GaAs active layer 13, p-
Ga 0.65 Al 0.35 As clad layer 14 and n-GaAs
The contact layers 15 are sequentially grown and formed. At this time, it is desirable that the growth layer be formed by MOCVD or MBE so as not to impair the flatness of the mirror-polished substrate surface. Next, using SiN as a mask, FIG.
As shown in (b), Zn is diffused into the surface of the stripe-shaped portion having a width of about 5 [μm] to form the n-GaAs contact layer 1.
The p-type GaAs contact layer 16 is formed by converting a part of 5 into a p-type. This is for narrowing the current flowing through the GaAs active layer 13 in a stripe shape. Next, using a photoresist or the like as a mask, the cavity end face 18 is made perpendicular to the current stripe (p-type contact layer) 16 as shown in FIG. 1C by a reactive ion etching method using a mixed gas of BCl 3 + Cl 2 . And unnecessary portions are removed by etching. Thus, the semiconductor laser substrate 10 is formed. Next, as shown in FIG. 2D, the surface of the Si substrate 19 suitable for manufacturing an electronic device is
Mirror polishing was performed to a thickness of [nm] or less, and the substrate was bonded to the semiconductor laser substrate 10 by the procedure described above. The heat treatment was performed in a H 2 atmosphere at 500 [° C.] for 1 hour. As the Si substrate 19, a substrate having p-type conductivity by ion implantation or diffusion of an appropriate impurity such as B was used. Thus, a GaAs-GaAlAs semiconductor laser is obtained on the Si substrate 19. It is desirable that the electronic device formed on the Si substrate 19 be formed in advance before the above-mentioned bonding step. If necessary, NH 4 —H 2 O 2 —H 2 O
As shown in FIG. 2 (e), using an etching solution such as
-The GaAs substrate 11 may be finally removed. In the semiconductor device thus obtained,
The semiconductor laser 10 shows good characteristics and the p-GaAs
The s-contact layer 16 and the surface of the p-type Si substrate 19 exhibited good electric conduction characteristics. Therefore, according to the present embodiment, the semiconductor laser and the ordinary electronic device can be formed monolithically, and the characteristics can be made the same as when the semiconductor laser and the electronic device are each manufactured alone. For this reason, the characteristics of the integrated device of the semiconductor laser-electronic device can be improved and the degree of freedom in combination can be increased, and the effect on the field of optical communication is enormous. (Embodiment 2) FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views showing steps of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, an InGaAsP semiconductor laser and a GaAs MESFET for driving the laser are integrated and integrated. First, as shown in FIG.
A recess 22 is formed on the surface of the nP substrate 21 and the recess 22 is formed.
As shown in FIG. 3 (b) within p + -In 1-u Ga u As v
A P 1 -V electrode extraction layer 23, a p-InP cladding layer 24,
Sequentially grown and formed an undoped In 1-x Ga x As y P 1-Y active layer 25 and the n-InP cladding layer 26. Next, as shown in FIG. 3 (c), the cladding layers 24 and 26 and the active layer 25 are mesa-etched except for the laser oscillation region, and then the side of the mesa is n-type as shown in FIG. 3 (d). Embedded with an -InP buried layer 27 and a p-InP buried layer 28. Next, as shown in FIG. 3E, all unnecessary portions in the concave portion 22 are removed by mesa etching, and finally an ohmic electrode 29 is formed on the p + -type electrode extraction layer 23. Thereby, the semiconductor laser substrate 20 is formed. Here, the height of the mesa portion to be grown is substantially
The height is adjusted so as to be the same as the outside of 2, and the final mirror polishing is performed so that the height is completely the same. Although not shown in the drawing, in order to perform polishing at the end, the semiconductor laser substrate and an electronic element portion base to be described later shall be provided with a protective film before polishing, as necessary, on the main part of the element in the recess. . On the other hand, as shown in FIG.
A concave portion 32 is formed on an As substrate 31, and an n-type active layer 33 is formed on the surface of the concave portion 32 by Si ion implantation. Next, as shown in FIG.
4 is formed above the FET channel portion, an n + -type region 35 is formed by ion implantation using the gate electrode as a mask, and a source electrode 36 is formed. Thereby, the electronic device substrate 3
0 will be formed. The substrates 20, 30 produced as described above
4 is mirror-polished, and after being washed and washed by the above-described procedure, is aligned and pressed, as shown in FIG.
The two substrates 20 and 30 form an integrated semiconductor device. Here, the mirror polishing was performed under the condition that the surface roughness was 50 [nm] or less, and the heat treatment was performed in a H 2 atmosphere at 500 [° C.] for 1 hour. Since the semiconductor device manufactured in this manner is simple in manufacturing method, the manufacturing yield and the reliability are high, and the characteristics of the semiconductor laser and the electronic device can be optimized. Further, the semiconductor laser n-InP
Since the connection wiring between the cladding layer 26 and the n + -type layer 35 of the electronic device is not required and the parasitic capacitance and the like can be reduced, high performance can be obtained. The present invention is not limited to the above embodiments. For example, as the light emitting / receiving device, a light emitting diode, a PIN photodiode, an avalanche photodiode, or the like can be used instead of a semiconductor laser.
II such as aAs / GaAlAs, InP / InGaAsP
HgCdTe, ZnS, Z besides the IV group compound semiconductor
It is also applicable to II-VI group compound semiconductors such as nSe.
Similarly, substrates suitable for electronic device types include S
In addition to i and InP, a semiconductor such as GaAs can be used. In addition, it is clear that the mirror polishing step may be omitted if the surface is mirror-finished after forming the element on the surface of the semiconductor substrate. Therefore, the order of the mirror polishing step and the element forming step is changed. You may. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. As described in detail above, according to the present invention, a light emitting / receiving device formed of a compound semiconductor mixed crystal can
By forming it on a semiconductor substrate whose lattice constant is very close to this and bonding it to a semiconductor substrate suitable for forming an electronic device, the light emitting / receiving device can be integrated with the electronic device, and A semiconductor device capable of improving element characteristics can be realized.
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例に係わる半導体装置の製造工程の
前半を示す斜視図。
【図2】第1の実施例に係わる半導体装置の製造工程の
後半を示す側面図。
【図3】第2の実施例に係わる半導体装置の製造工程の
前半を示す断面図。
【図4】第2の実施例に係わる半導体装置の製造工程の
後半を示す断面図。
【符号の説明】
10,20…半導体レーザ基体
11…n−GaAs基板
12…n−GaAlAsクラッド層
13…アンドープGaAs活性層
14…p−GaAlAsクラッド層
15…n−GaAsコンタクト層
16…p−GaAsコンタクト層
18…共振器端面
19,31…Si基板
21…半絶縁性InP基板
22,32…凹部
23…p+ −InGaAsP電極取出し層
24…p−InPクラッド層
25…アンドープInGaAsP活性層
26…n−InPクラッド層
27…n−InP埋込み層
28…p−InP埋込み層
29…オーミック電極
30…電子デバイス基体
33…n型活性層
34…ショットキー電極
35…n+ 型領域
36…ソース電極BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing a first half of a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment. FIG. 2 is a side view showing the second half of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 3 is a sectional view showing the first half of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 4 is a sectional view showing the latter half of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 semiconductor laser base 11 n-GaAs substrate 12 n-GaAlAs cladding layer 13 undoped GaAs active layer 14 p-GaAlAs cladding layer 15 n-GaAs contact layer 16 p-GaAs Contact layer 18 resonator end faces 19, 31 Si substrate 21 semi-insulating InP substrates 22, 32 recess 23 p + -InGaAsP electrode extraction layer 24 p-InP clad layer 25 undoped InGaAsP active layer 26 n -InP cladding layer 27 ... n-InP buried layer 28 ... p-InP buried layer 29 ... ohmic electrodes 30 ... electronic device substrate 33 ... n-type active layer 34 ... Schottky electrode 35 ... n + -type region 36 ... source electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−93586(JP,A) 特開 昭59−88864(JP,A) 特開 昭61−182215(JP,A) 特公 昭49−26455(JP,B2) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-50-93586 (JP, A) JP-A-59-88864 (JP, A) JP-A-61-182215 (JP, A) Japanese Patent Publication No. 49-26455 (JP, B2)
Claims (1)
成され且つ表面側が鏡面状態に形成された第1の半導体
基板と、この第1の半導体基板とは異なる半導体材料か
らなり、表面側に電子素子が形成され且つ表面側が鏡面
状態に形成された第2の半導体基板とを具備し、上記各
半導体基板はその表面側を、該表面を融解させることな
く直接接着されて一体化されてなることを特徴とする半
導体装置。 2.第1の半導体基板と第2の半導体基板の直接接着面
には酸素原子が偏析していることを特徴とする請求項1
記載の半導体装置。(57) [Claims] A first semiconductor substrate in which a semiconductor light emitting element or a semiconductor light receiving element is formed on a front surface side and a front surface side is formed in a mirror state; and a semiconductor material different from the first semiconductor substrate.
A second semiconductor substrate having an electronic element formed on the front surface side and a mirror surface formed on the front surface side, wherein each of the semiconductor substrates has a front surface side that does not melt the surface.
Ku semiconductor device characterized by comprising been integrated directly bonded. 2. Direct bonding surface of first semiconductor substrate and second semiconductor substrate
2. An oxygen atom is segregated in the substrate.
13. The semiconductor device according to claim 1.
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