DE60220803T2

DE60220803T2 - Halbleiterstruktur für Infrarotbereich und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60220803T2
Application number: DE60220803T
Authority: DE
Inventors: George Dr. Cirlin; Viatchesla Dr. Egorov; Vadim. Dr. Talalaev; Peter Dr. Werner; Nikolai Dr. Zakharov
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2022-11-30
Also published as: US7119358B2; ATE365382T1; EP1424736B1; US20040140531A1; EP1424736A1; DE60220803D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur zur Verwendung im Bereich des nahen Infrarot, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 1,3 bis 1,6 μm und ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterstruktur der zuvor erwähnten Art.
Auf dem Gebiet der Computer, Telekommunikation und Faseroptik besteht Bedarf an optischen Schaltkreisen, die im Bereich des nahen Infrarot, d. h. im Bereich von Wellenlängen zwischen 1,3 μm und 1,6 μm, arbeiten. Halbleitervorrichtungen, die in diesem Wellenlängenbereich arbeiten, sind allgemein bekannt. Bekannte Emitter und Detektoren zur Verwendung in diesem Wellenlängenbereich umfassen typischerweise Heterostrukturen, die aus Materialien auf der Basis von III-V-Verbindungshalbleitern, z. B. GaAs, AlGaAs oder InGaAs, hergestellt sind. Diese Heterostrukturen sind vom Halbleitertyp I, d. h., sie sind durch einen direkten Übergang der Ladungsträger von dem Leitungsband CB zu dem Valenzband VB gekennzeichnet. Der direkte Interband-Übergang ist durch den Pfeil in 1 angezeigt, die die Energiebandstruktur im Impulsraum eines Typ-I-Halbleiters zeigt. Auf Grund dieses direkten Interband-Übergangs ist die Rekombinationseffizienz und somit die Photolumineszenz-Intensität sehr hoch und die Ladungsträger-Lebensdauer beträgt typischerweise weniger als wenige Mikrosekunden.
Allerdings ist die III-V-Heterostruktur-Technologie sehr kostspielig. Darüber hinaus werden bei der Herstellung solcher III-V-Heterostrukturen gefährliche Ausgangsmaterialien verwendet, z. B. wenn eine metallorganische chemische Gasphasenabscheidungs (MOCVD-)Technik verwendet wird. Daher sind Emitter, beispielsweise Leuchtdioden, und Detektoren wünschenswert, die auf Silizium basieren, das etwa zweihundert Mal günstiger ist als III-V-Halbleitermaterial. Ferner würde das Integrieren von Emittern und Detektoren auf Si-Basis die Realisierung effektiver Kopplungen zwischen integrierten Schaltkreisen auf Si-Basis und internen Lichtquellen zulassen. Somit wäre eine optische Kommunikation zwischen Komponenten von Computer und Telekommunikationseinrichtungen möglich, bei Vermeidung von Wärmeableitungsproblemen, die mit bestehenden Schaltkreisen verbunden sind.
Im Fall von Infrarot ausstrahlenden Schaltkreisen besteht jedoch ein allgemeines Problem. Silizium ist nämlich ein Typ-II-Halbleiter, d. h., es ist gekennzeichnet durch eine indirekte fundamentale Bandlücke zwischen dem Leitungsband E_C und dem Valenzband E_V, wie aus der Energiebandstruktur in dem Impulsraum, die in 2 gezeigt ist, ersichtlich ist. Das Maximum des Valenzbandes VB und das Minimum des Leitungsbandes CB liegen einander nicht direkt gegenüber, vielmehr befindet sich ein allgemeines Minimum des CB bei einem Wert eines Wellenvektors k # 0. Auf Grund des Prinzips der Impulserhaltung kann sich ein Photon mit einem Loch rekombinieren und ein Elektron nur durch einen Impulsaustausch mit einem dritten Teilchen wie z. B. einem Phonon emittieren. Dieser Rekombinationsvorgang ist im Vergleich mit direkten Übergangen in Typ-I-Halbleitern sehr selten. Somit ist die Rekombinationseffizienz von Ladungsträgern und somit die Photolumineszenz-Intensität von Emittern auf Si-Basis stark reduziert.
Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, um neue Konzepte von Licht emittierenden Strukturen oder Detektoren zu entwickeln, die in der Siliziumtechnologie aufgenommen werden können. Beispielsweise wurden Infrarotdetektoren, die auf Germanium auf Si-Wafern basieren, untersucht, siehe z. B. L. Colace et al., Appl. Phys. Lett. 76, 1231 (2000). Au ßerdem wurde poröses Silizium analysiert (A. G. Cullis et al., J. Appl. Phys. 83, 909 (1997)). Darüber hinaus wurden Si-Ge-Quantentopfstrukturen (H. Presting et al., Appl. Phys. Lett. 69, 2376 (1996)) wie auch Quantenpunkt-Strukturen von SiGe (P. Schittenhelm, „Selbstorganisation und Selbstordnung in Si/SiGe-Heterostrukturen", in „Selected Topics of Semiconductor Physics", Eds: G. Abstreiter, M. Stutzmann, P. Vogl, TU München 1997, ISBN 3-932749-02-2) untersucht. Des Weiteren wurde kohlenstoffdotiertes SiGe untersucht, siehe T. Brunhes et al., Appl. Phys. Lett. 77, 1822 (2000) und K. Eberl et al., Thin Solid Films 294, 98 (1997). Ferner wurde/n die Dotierung von Silizium mit Lumineszenz-Zentren, z. B. die Dotierung mit Erbium (S. Coffa et al., MRS Bulletin 23(4), 25 (1998)) und Silizium-Nanokristalle untersucht.
Aus bestimmten Gründen wie z. B. einer geringen Effizienz und eines Betriebs nur bei niedrigen Temperaturen hat noch keines der oben erwähnten Systeme zu einem Handelsprodukt geführt. Lediglich Halbleiterstrukturen mit kleinen Dimensionen, insbesondere Quantenpunkte (QD), haben zunehmendes Interesse aus der Sicht der Fundamentalphysik und Geräteanwendung auf sich gezogen. Beispielsweise war das verspannte SiGe/Si-System Gegenstand zahlreicher Untersuchungen (O. G. Schmidt und K. Eberl, Phys. Rev. B61, 13721 (2000) und M. Goryll et al., thin Solid Films 226, 244 (1998)). Optische Eigenschaften von Ge-Inseln wurden in großem Umfang untersucht und die komplexen Übergangs- und Rekombinations-Phänomene in Mehrschicht-Strukturen wurden analysiert. Eine Photolumineszenz von Si/Ge-Inseln wird allgemein bei niedrigen Temperaturen erhalten. In jüngster Zeit wurde in einigen Veröffentlichungen von einer Photolumineszenz bei Raumtemperatur berichtet, die von Si/Ge-Quantenpunkt-Strukturen herrührt (H. Sunamura et al., J. Cryst. Growth 157, 265 (1995) und O. G. Schmidt et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2509 (2000)). Es wurden jedoch keine detaillierten Untersuchungen über die optischen Eigenschaften vorgestellt.
Eine Halbleitervorrichtung mit einem Kurzperioden-Übergitter aus abwechselnden Monoschichten aus Silizium und Germanium, die auf einem 100 orientierten SiGe-Substrat aufgewachsen sind, ist aus der US-A-4 959 694 bekannt. Das Übergitter ist ausreichend quasi-dierkt für die Vorrichtung, um als eine Licht emittierende optoelektronische Vorrichtung zu dienen.
Resonanz-Tunneldioden, die aus mehreren Schichten aus selbst angeordneten Ge/Si-Inseln gebildet sind, sind von O. G. Schmidt in dem Artikel mit dem Titel „Resonant tunneling diodes made up of stacked selfassembled Ge/Si-islands", Appl. Phys. Lett. 77, 4341-4343 (2000) beschrieben.
J. L. Liu diskutiert in dem Artikel mit dem Titel „Observation of inter-sublevel transitions in modulation-doped Ge quantum dots", Appl. Phys. Lett. 75, 1745-1747 (1999) die Intersublevel-Übergänge, die in einer modulationsdodierten p-Typ-Ge-Quantenpunkt-Struktur mit 30 Perioden von Ge-Quantenpunkten, die zwischen zwei bordodierten Si-Schichten mit 6 nm angeordnet sind.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine auf Silizium basierende Halbleiterstruktur zur Verwendung im Bereich des nahen Infrarot bereitzustellen, die eine Rekombinationseffizienz und Photolumineszenz-Intensität aufweist, die jener einer Typ-I-Heterostruktur nahe kommt. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterstruktur der zuvor erwähnten Art bereitzustellen.
Diese Ziele werden durch eine Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 17 erreicht.
Die Erfinder haben entdeckt, dass es durch Bilden eines Übergitters aus abwechselnden Si- und Ge-Schichten möglich ist, die Energiebandstruktur der Struktur auf Si-Basis zu steuern, sodass Löcher in Quantentöpfen oder Quantenpunkten lokalisiert werden können und Elektronen sich in einem Miniband benachbart des Leitungsbandes frei bewegen können. Überraschenderweise besitzt die Halbleiterstruktur auf Si-Basis der Erfindung lichtemittierende Eigenschaften, die jenen von III-V-Heterostrukturen ähnlich sind.
Messungen haben gezeigt, dass Ladungsträger-Lebensdauern in der Struktur der Erfindung kürzer als 10 μs sind. Dies ist ein extrem niedriger Wert für eine Struktur, die aus einem Typ-II-Halbleitermaterial hergestellt ist. Tatsächlich sind Ladungsträger-Lebensdauern von wenigen Mikrosekunden typisch für Typ-I-Halbleiter. Somit zeigt die Halbleiterstruktur der Erfindung ein Interband-Übergangsverhalten, das direkten Interbandübergängen zumindest ähnlich ist. Infolgedessen zeigt die Halbleiterstruktur der Erfindung eine Photolumineszenz-Intensität, die nur unbedeutend kleiner ist als die eines III-V-Heterostruktur-Emitters. Darüber hinaus ist die Struktur der Erfindung auf Grund der Verwendung der Si-Technologie um einen Faktor von etwa 200 weniger kostspielig als eine ähnliche Vorrichtung, die aus einem III-V-Halbleitermaterial hergestellt ist. Somit ist ein auf Si basierender Emitter, der die Struktur der Erfindung umfasst, gut geeignet für die Verwendung in Computer, Telekommunikationseinrichtungen und Faseroptiksystemen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Halbleiterstruktur ist ein Dotierungsmaterial in die abwechselnden Schichten der aktiven Zone derart eingearbeitet, dass in dem Übergitter ein Dotierungsgradient realisiert ist. Der Dotierungsgradient bewirkt eine Krümmung der Energiebandstruktur, auf Grund der Elektronen in der aktiven Zone der Struktur eingeschlossen sind. Dies führt zu einer erhöhten Photolumineszenz-Intensität.
Zumindest eine Barriereschicht kann zwischen einer Seite der aktiven Zone und der Basisschicht und/oder der Deckschicht, an welcher die Dotierungsdichte am höchsten ist, vorgesehen sein. Eine Barriereschicht zwischen der aktiven Zone und der Deckschicht verhindert, dass die in der aktiven Zone eingeschlossenen Elektronen sich in die Deckschicht verschieben. Somit sind die Elektronen in der aktiven Zone noch effektiver eingeschlossen und die Photolumineszenz-Intensität ist weiter erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Ge-Schichten der aktiven Zone jeweils eine relativ dünne Schicht aus Germaniummaterial und im Wesentlichen regelmäßig beabstandete Inseln oder Ansammlungen von Germanium, wobei jede Insel eine relativ größere Dicke als die dünne Schicht aufweist, wobei die Inseln Quantenpunkte bilden, die die quantisierten Energieniveaus für die Löcher bereitstellen. Auf Grund des Einschlusses von Löchern in den Inseln sind die Löcher an vorbestimmten Positionen lokalisiert. Infolgedessen zeigt die als eine Funktion der Photonenenergie aufgetragene Photolumineszenz-Intensität eine minimale Spitzenbreite bei halber Höhe. Obwohl die Physik der Wechselwirkung von Quantenpunkten und einem Miniband noch nicht vollständig verstanden wird, nehmen die Erfinder an, dass der Einschluss von Löchern in Quantenpunkten auch den direkten Übergang zwischen einem Miniband und einem Valenzband verbessert.
Vorzugsweise weisen die Germaniumschichten jeweils eine mittlere Dicke im Bereich zwischen 0,7 nm und 0,9 nm auf. Eine mittlere Dicke in die sem Bereich führt zu einem besonders guten Inselwachstum und zu einer besonders effektiven Bildung von Quantenpunkten. Infolgedessen wird eine maximale Photolumineszenz-Intensität erreicht.
Die höchste Dotierungsdichte in der aktiven Zone kann etwa 10¹⁸ cm^–3 betragen und die geringste Dotierungsdichte in der aktiven Zone kann etwa 5 × 10¹⁶ cm^–3 betragen. Diese Dotierungsdichten erzeugen einen Dotierungsgradienten in der aktiven Zone, der zu einer effektiven Elektroneneingrenzung in der aktiven Zone und somit zu maximalen Photolumineszenz-Intensitäten führt.
Antimon stimuliert das Inselwachstum und glättet auch die Oberfläche der Schicht, die aufgewachsen werden soll.
Die aktive Zone sollte zumindest 12 abwechselnde Schichten und vorzugsweise nicht mehr als 30 abwechselnde Schichten umfassen. Weniger als 12 abwechselnde Schichten reichen nicht aus, um ein elektrisches Miniband zu erzeugen. Mehr als 30 Schichten sind schwierig aufzuwachsen, ohne Defekte wie z. B. Sekundärinseln oder Inhomogenitäten in der aktiven Zone zu schaffen, die als Rekombinationszentren wirken und das Leistungsvermögen der Struktur verschlechtern.
Die aktive Zone umfasst vorzugsweise zwischen 15 und 25 abwechselnde Schichten. Mit dieser Anzahl von Schichten wird ein besonders effektives Übergitter und somit eine maximale Photolumineszenz-Intensität erreicht.
Die hohen Wachstumsraten der Ge- und Si-Schichten und der Deckschicht reduzieren die Gesamtprozessdauer zum Herstellen der Halbleiterstruktur und verhindern eine unerwünschte Interdiffusion der verschiedenen Materialien. Die hohe Aufwachstemperatur unterstützt überdies gleichzeitig die Heilung jeglicher Gitterdefekte, die auftreten können. Gitterdefekte sind besonders problematisch, da sie zu einer unerwünschten nicht strahlenden Rekombination von Löchern und Elektronen führen. Es ist besonders vorteilhaft, dass das Wachstum von Ge-Inseln in den Ge-Schichten der aktiven Zone infolge dieser hohen Wachstumsraten verbessert ist. Dies führt zur Bildung von morphologisch flachen Quantenpunkten für die Löcher, die mit dem Miniband für die Elektronen interagieren, da das Übergitter verbessert ist, wodurch die Rekombinationseffizienz und somit die PL-Intensität des Emitters erhöht ist.
Dadurch, dass die Temperatur der Struktur während des Wachstums auf im Bereich zwischen 400°C und 650°C und vorzugsweise zwischen 425°C und 550°C gehalten wird, können Defekte, insbesondere Punktdefekte, die bei den oben erwähnten hohen Wachstumsraten auftreten, in situ effizient ausgeheilt werden. Daher ist am Ende des Herstellungsprozesses der Struktur kein zusätzlicher Ausheilungsschritt erforderlich. Stattdessen werden möglicherweise auftretende Punktdefekte gleich während des Schichtwachstums der Struktur ausgeheilt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung werden regelmäßig beabstandete Inseln oder Ansammlungen von Germanium in den Ge-Schichten auf Grund inhärenter Spannungen infolge einer Gitterfehlanpassung einer Ge-Schicht und einer Si-Schicht aufgewachsen, wobei die Inseln als Quantenpunkte wirken, die die quantisierten Energieniveaus für die Löcher bereitstellen. Dieser Prozess eines Inselwachstums wird auch als Stranski-Krastanow-Wachstum bezeichnet und kann ohne jegliche zusätzliche Photolithographie- oder Nanoimprint-Schritte für die Definition des Musters, in dem die Inseln aufgewachsen werden sollen, durchgeführt werden. Das Inselwachstum ist rein selbstorganisiert. Elektronenphotolithographie- und Nanoimprint-Techniken kön nen jedoch auch verwendet werden, um ein Inselwachstum in Übereinstimmung mit der vorliegenden Lehre zu initiieren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und in den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Energiebandstruktur im Impulsraum eines Typ-I-Halbleiters zeigt;
2 eine Energiebandstruktur im Impulsraum eines Typ-II-Halbleiters zeigt;
3 einen schematischen Querschnitt durch eine Halbleiterstruktur gemäß der Erfindung zeigt;
4 und 5 Bilder zeigen, die durch Transmissionselektronenmikroskopie des Querschnitts des Übergitters der Struktur von 3 erhalten werden;
6 ein Bild, das durch Transmissionselektronenmikroskopie erhalten wird, in der Form einer Draufsicht des Übergitters von 3 gemäß dem Pfeil VI zeigt;
7 eine Energiebandstruktur im Realraum einer herkömmlichen Mehrquantentopf-Struktur zeigt;
8 eine Energiebandstruktur im Realraum einer Si/Ge-Übergitterstruktur mit einem Miniband zeigt;
9 die Energiebandstruktur im Impulsraum der Si/Ge-Übergitterstruktur von 8 mit einem Miniband zeigt;
10 eine Energiebandstruktur im Realraum der Struktur von 3 mit einem Dotierungsgradienten in der aktiven Zone zeigt;
11 ein Graph ist, der die Photolumineszenz-Intensität als eine Funktion der Photonenenergie für a) 10 und b) 20 abwechselnde Si-und Ge-Schichten, die das Übergitter der Struktur von 3 bilden, zeigt;
12 ein Graph ist, der die Photolumineszenz -Intensität als eine Funktion der Photonenenergie für unterschiedliche Schichtdicken von Germanium in dem Übergitter der Struktur von 3 zeigt;
13 ein Graph ist, der die Photolumineszenz -Intensität als eine-Funktion der Photonenenergie für die Struktur in 3 im Vergleich mit einer InAs-Heterostruktur zeigt;
14 schematisch eine Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren der Erfindung zeigt;
15 schematisch einen Prozess zum Aufwachsen von Ge-Inseln auf Si auf Grund inhärenter Spannung infolge der Gitterfehlausrichtung von Ge auf Si zeigt;
16 schematisch einen Prozess zum Definieren von Ge-Inseln auf Si mittels Elektronenstrahl-Photolithographie zeigt; und
17 schematisch einen Prozess zum Erzeugen von Ge-Inseln auf Wachstumskernen in der Form von Nanovertiefungen, die durch eine Nanoimprint-Technik bewirkt werden, zeigt.
3 veranschaulicht die Halbleiterstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Beispielhaft wird eine lichtemittierende Struktur beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch einsehen, dass ein Lichterritter allgemein auch als ein Lichtdetektor verwendet werden kann, was nur geringfügige Abwandlungen der Emitterstruktur erfordert, die im Stand der Technik gut bekannt sind, um die Effizienz des Detektors zu optimieren.
Die Ausgangsschicht der in 3 gezeigten Emitterstruktur ist eine Basisschicht 10, die in diesem Beispiel ein Siliziumsubstrat, vorzugsweise einen monokristallinen Silizium-Wafer mit einer (100)-Orientierung umfasst. Die Basisschicht 10 weist eine p-Typ-Leitfähigkeit auf, wobei das Dotiermittel Bor oder Indium ist. Alternativ kann die Basisschicht 10 auch eine (100)-Siliziumschicht sein, die von einem Substrat, das aus einem geeigneten Fremdmaterial hergestellt sein kann, getragen ist.
Auf der Basisschicht 10 ist eine Si-Pufferschicht 12, die aus intrinsischem Silizium hergestellt ist und typischerweise eine Dicke von etwa 5 nm bis 10 nm aufweist, epitaktisch angeordnet ist.
Auf der Pufferschicht 12 ist eine aktive Zone 14 angeordnet, die aus einem Übergitter besteht, das durch 20 abwechselnde Schichten aus Ge und Si gebildet ist, wobei jede abwechselnde Schicht eine epitaktisch aufgewachsene Schicht aus Ge 16 und eine epitaktisch aufgewachsene Schicht aus Si 18 umfasst. 3 zeigt, dass das Übergitter mit einer ersten Ge- Schicht 16 beginnt. Es ist jedoch auch möglich, zuerst eine Si-Schicht 18 auf der Pufferschicht 12 anzuordnen.
Die Ge-Schichten 16 weisen jeweils eine mittlere Dicke im Bereich zwischen 0,7 nm und 0,9 nm, vorzugsweise von 0,8 nm, auf. Die Schichtdicke der Ge-Schichten 16 ist jedoch nicht über die gesamte laterale Abmessung der Ge-Schichten 16 gleichmäßig. Da die Germanium-Gitterkonstante um etwa 4% größer ist als die Silizium-Gitterkonstante, wird durch die Gitterfehlanpassung zwischen Germanium und Silizium eine inhärente Spannung in den Ge-Schichten 16 verursacht. Diese inhärente Spannung führt zur Bildung von im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Inseln 20 oder Ansammlungen von Germaniummaterial in der Ge-Schicht 16, wie in den 4 und 5 gezeigt ist. Die Inseln 20 weisen eine relativ größere Dicke auf als ein dünner Bereich vom Ge-Material, der auch als Benetzungsschicht 22 bekannt ist, die die Inseln 20 umgibt. Diese Bildung von Inseln ist allgemein als Stranski-Krastanov-Wachstum bekannt.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Ge-Schichten 16 ist eine Si-Spacer-Schicht 18 mit einer mittleren Dicke von weniger als 5 nm angeordnet. Die Dicke der Si-Spacer-Schicht 18 variiert auch lateral. Wie in 5 ersichtlich, ist die Dicke der Si-Schicht 18 in dem Bereich der Ge-Inseln 20 geringfügig kleiner als sie in dem Bereich der Benetzungsschicht 22 ist. Die Ge-Inseln 20, die in jeder Ge-Schicht 16 gebildet sind, sind mit den Ge-Inseln 20 der anderen Ge-Schichten 16 in der Richtung des epitaktischen Wachstums ausgerichtet. Infolgedessen zeigt das Übergitter der aktiven Zone 14 eine Welligkeit, wie am besten in 4 zu sehen ist. Die Gesamtdicke der aktiven Zone 14 beträgt etwa 100 nm.
6 veranschaulicht die laterale Verteilung von Ge-Inseln 20, die durch ein Stranski-Krastanov-Wachstum gebildet sind. Die Ge-Inseln 20 sind zufällig verteilt und die laterale Dichte der beabstandeten Ge-Inseln 20 liegt im Bereich von 10¹⁰ bis 10¹¹ cm^–2.
Eine Barriereschicht 24 ist epitaktisch auf der Endschicht des Übergitters der aktiven Zone 14 angeordnet – dies kann entweder eine Si-Spacer-Schicht 18 oder eine Ge-Schicht 20 sein. Diese Barriereschicht 24 besteht aus intrinsischem oder n-Typ-Silizium. Alternativ kann sie auch eine siliziumreiche Legierung aus Si und Ge umfassen. Die Dicke der Barriereschicht 24 beträgt etwa 10 nm.
Eine Deckschicht 26, die aus einem n-dotierten Si oder geringfügig Gelegiertem Si wie z. B. Si_0,98Ge_0,02 besteht, ist epitaktisch auf der Barriereschicht 24 angeordnet, wobei die Deckschicht 26 eine Dicke von einigen 10 nm bis zu einigen 100 nm, aber nicht mehr als 1 μm aufweist. Für einen elektrischen Kontakt mit der Halbleiterstruktur können geeignete ohmsche Metallkontakte – in 3 nicht gezeigt – beispielsweise auf der Basisschicht 10 und auf der Deckschicht 26 angeordnet sein. Die Deckschicht 26 könnte alternativ als ein Metallsilizid realisiert sein.
Unter Bezugnahme auf die 7 und 8 wird die elektronische Bandstruktur der Si/Ge-Suppergitterstruktur beschrieben. 7 zeigt die Energiebänder im Realraum einer herkömmlichen Mehrquantentopf-(oder Quantenpunkt)-Struktur, die aus abwechselnden Schichten von Typ-II-Halbleitermaterial, in diesem Fall Si und Ge, hergestellt ist. Das obere Band ist das Leitungsband CB und das untere Band ist das Valenzband VB. Die Ordinate stellt die Energie E dar und die Abszisse stellt die Position X dar. Die X-Achse gibt die Wachstumsrichtung an.
Die Ge-Schichten sind durch Si-Spacer-Schichten mit einer relativ großen Dicke, z. B. in der Größenordnung von 10 nm bis 50 nm, beabstandet. Infolgedessen wirkt jede Ge-Schicht als ein Quantentopf (oder Quantenpunkt), in dem ein Loch lokalisiert ist, und jede Si-Schicht wirkt als ein Quantentopf (oder Quantenpunkt), in dem ein Elektron lokalisiert ist, wie durch die Elektronenzustände der Elektronen e und der Löcher h angegeben ist. Somit können sich weder Löcher noch Elektronen in der X-Richtung (oder der X-und Y-Richtung im Fall von Quantenpunkten) frei bewegen. Die Quantentöpfe für die Löcher und die Elektronen sind nicht einander direkt gegenüberliegend angeordnet sondern seitlich verschoben. Somit können sich Elektronen und Löcher nicht durch einen direkten Interband-Übergang rekombinieren. Auf Grund dessen sind Interbandübergänge selten und die Rekombinationseffizienz und Photolumineszenz dieser Struktur ist gering.
Wenn die Dicke der Si-Spacer-Schichten auf z. B. unter 5 nm verringert ist, wie in der Struktur der Erfindung, bleiben die Löcher dennoch in den durch die Ge-Schichten gebildeten Quantentöpfen oder Quantenpunkten. Allerdings besteht für die Elektronen die periodische Struktur nicht mehr aus einzelnen Quantentöpfen oder Quantenpunkten, sondern besitzt ein Miniband MB infolge einer nicht resonanten Tunnelung von Elektronen zwischen den Si-Spacer-Schichten. Anders ausgedrückt, die periodische Struktur weist überlappende Elektronenwellenfunktionen auf.
Das Konzept von „Minibändern" (oder „Zone-Folding") wurde zuerst theoretisch für Verbundhalbleiter diskutiert (M. Helm, Semicond. Sci. Technol. 10,557 (1995)) und später experimentell für AlInAs/GaInAs demonstriert (G. Scamarci et al., Appl. Phys. Lett. 70, 1796 (1997) und R.D. Deutschmann et al., Appl. Phys. Lett. 97, 1564 (2001)).
In der Si/Ge-Übergitterstruktur der Erfindung sind die Löcher in den Ge-Inseln 20 lokalisiert, die als Quantenpunkte wirken, wobei sich die Elektronen innerhalb des Minibandes MB frei bewegen können. Somit ist es möglich, dass ein Elektron direkt gegenüber einem Quantenpunkt vorhanden ist, in dem ein Loch eingeschlossen ist. Dies lässt nun eine Elektronenloch-Rekombination über einen direkten Interband-Übergang zu, wie durch den Pfeil 30 in 8 angezeigt.
9 veranschaulicht die elektronische Bandstruktur des Si/Ge-Übergitters im Impulsraum. Die Situation entspricht der in 8 gezeigten. Die Ordinate stellt die Energie dar und die Abszisse stellt den Wellenvektor k dar. Das Maximum des Valenzbandes befindet sich bei k = 0.
Das Leitungsband CB eines herkömmlichen Typ-II-Halbleiters wie Si oder Ge weist ein lokales Minimum bei k = 0 und ein zusätzliches allgemeines Minimum bei k ≠ 0 auf, das kleiner ist als das lokale Minimum bei k = 0. Der charakteristische Interband-Übergang tritt daher nicht bei k = 0 auf, sondern zwischen dem allgemeinen Minimum des Leitungsbandes und dem Maximum des Valenzbandes. Auf Grund des Prinzips der Erhaltung des Impulses ist in diesem indirekten Übergang ein drittes Teilchen, typischerweise ein Phonon, involviert und die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination ist gering.
Im Fall einer Miniband MB-Bildung in dem Si/Ge-Übergitter der Erfindung wird in dem Leitungsband CB ein neues allgemeines Minimum geschaffen. Man geht davon aus, dass dieser durch das Miniband MB verursachte Minimumzustand nahe bei k = 0 liegt. Messungen der Lebensdauer, die von den Erfindern durchgeführt wurden, haben überraschenderweise Ladungsträger-Lebensdauern von weniger als 10 μs gezeigt. Dies ist ein Lebensdauerbereich, der jenem von direkten Halbleitern ähnlich ist. Bis her haben Experimente nicht ausgeschlossen, dass das Minimum auf Grund des Minibandes 28 sogar bei k = 0 liegen könnte.
Auf Grund dieses durch das Miniband MB verursachte zusätzliche Minimum verhält sich die Si/Ge-Übergittertstruktur sehr ähnlich einem direkten Halbleiter, obwohl sie nur aus einem indirekten Halbleitermaterial hergestellt ist. Auf Grund der Möglichkeit von direkten Interbandübergängen – oder zumindest Übergängen, die direkten Übergangen sehr nahe kommen – ist die Rekombinationswahrscheinlichkeit von Elektronen und Löchern sehr hoch. Daher kann ein Emitter mit einer hohen Photolumineszenz aus dieser Si/Ge-Übergitterstruktur hergestellt werden, wie unten stehend weiter erläutert wird.
Um die Rekombinationseffizienz des Emitters weiter zu erhöhen, ist die in 3 gezeigte aktive Zone 14 der Halbleiterstruktur mit einem Dotierungsgradienten in der Wachstumsrichtung versehen. Die Dotierung der aktiven Zone 14 ist ein n-Typ und das Dotiermittel ist Antimon (Sb), obwohl auch Phosphor möglich ist. Es ist jedoch bekannt, dass Sb das Inselwachstum in der Ge-Schicht 16 begünstigt und auch die Oberfläche der aufgewachsenen Schicht glättet, d. h., es wirkt als oberflächenaktive Substanz.
Die geringste Dotierungsdichte in der aktiven Zone 14 befindet sich in der Näher der Si-Pufferschicht 12 und beträgt etwa 5 × 10¹⁶ cm^–3. Die Dotierungsdichte nimmt über die aktive Zone 14 in der Richtung des epitaktischen Wachstums auf etwa 10¹⁸ cm^–3 zu. Das Dotiermittel Sb wird nur während des Wachstums der Si-Spacer-Schichten 18 eingebaut. Auf Grund von Diffusion breitet sich Sb jedoch auch in die Ge-Schichten 16 aus, sodass eine kontinuierlich ansteigende Dotiermittelkonzentration von Sb in der Dotierungszone 14 erhalten wird.
10 zeigt die Energiebandlückenstruktur im Realraum des Emitters von 3. Der Dotierungsgradient führt zu einer Krümmung der Energiebänder in der aktiven Zone 14. Das Leitungsband CB und das Valenzband VB krümmen sich in Richtung niedriger Energien auf der Seite der aktiven Zone 14 benachbart der Deckschicht 26. Elektronen, die sich von der Deckschicht 26 in die aktive Zone 14 bewegen, zeigen daher die Tendenz, sich entlang der aktiven Zone 14 in Richtung der Basisschicht 10 zu verschieben. Um zu verhindern, dass die Elektronen in der aktiven Zone 14 sich aus der aktiven Zone 14 in die Deckschicht 26 hinein bewegen, ist die Barriereschicht 24 zwischen der aktiven Zone 14 und der Deckschicht 26 angeordnet. Somit sind die Elektronen auf die aktive Zone 14 eingegrenzt und die Rekombinationswahrscheinlichkeit von Elektronen und Löchern in der aktiven Zone 14 ist weiter erhöht. Auf Grund dessen wird eine höhere Photolumineszenz-Intensität des Emitters erreicht.
In der Halbleiterstruktur von 3 bilden 20 abwechselnde Schichten aus Ge und Si das Übergitter der aktiven Zone 14, wobei jede abwechselnde Schicht aus einer Ge-Schicht 16 und einer Si-Spacer-Schicht 18 besteht. Es ist auch vorstellbar, dass etwas weniger oder etwas mehr als 20 abwechselnde Schichten vorhanden sind. Wie oben erklärt ist die Bildung eines Minibandes MB für die Elektronen jedoch eine Voraussetzung dafür, dass die Struktur der Erfindung funktioniert. Damit sich in einem Übergitter ein Miniband bildet, ist eine minimale Anzahl n von abwechselnden Schichten aus Ge und Si, die das Übergitter bilden, erforderlich.
11 zeigt die Photolumineszenz (PL)-Intensität in beliebigen Einheiten des Emitters von 3 als eine Funktion der Photonenenergie in Elektronenvolt, gemessen bei 300°K, d. h. bei Raumtemperatur. Die Volllinie stellt einen Emitter mit einem Übergitter aus n = 20 abwechselnden Schich ten dar und die Strichlinie stellt einen Emitter mit einem Übergitter aus n = 10 abwechselnden Schichten dar. Beide Linien zeigen eine Spitze bei etwa 1,1 eV. Diese Spitze ist typisch für Siliziummaterial und entspricht dem indirekten Interband-Übergang in Silizium.
Allerdings zeigt die Volllinie im Gegensatz zu der Strichlinie auch eine starke PL-Intensitätsspitze bei etwa 0,83 eV, was der Wellenlänge von etwa 1,5 μm im nahen Infrarot entspricht. Diese Spitze wird durch eine strahlende Elektronenloch-Rekombination auf Grund des direkten Übergangs 30 zwischen dem Miniband MB und den Quantenpunkten wie in den 8 und 9 gezeigt verursacht. Aus diesem Graph ist ersichtlich, dass mehr als 10 abwechselnde Schichten aus Ge und Si und vorzugsweise zumindest 15 abwechselnde Schichten erforderlich sind, um ein Miniband MB in einem Si/Ge-Übergitter zu bilden.
Weitere Experimente haben gezeigt, dass die PL-Intensität nicht wesentlich zunimmt, wenn viel mehr als 25 abwechselnde Schichten aus Ge und Si verwendet werden, um das Übergitter zu bilden. Tatsächlich ist die Anzahl von Übergitterschichten durch das Vermögen begrenzt, Schichten epitaktisch aufzuwachsen, die im Wesentlichen frei von strukturellen Defekten sind. Man geht davon aus, dass eine Dichte von Punktdefekten, die 10¹⁶ cm^–3 nicht übersteigt, für die elektrischen Eigenschaften der Emitterstruktur unbedenklich ist. Allerdings wirkt abgesehen davon jeder strukturelle Defekt in der Halbleiterstruktur als ein Rekombinationszentrum und verringert somit die PL-Intensität deutlich. Die Erfinder haben festgestellt, dass es extrem schwierig ist, mehr als 30 abwechselnde Schichten aus Ge und Si mittels MBE aufzuwachsen, ohne eine beträchtliche Anzahl von Defekten und/oder Inhomogenitäten in die aktive Zone 14 einzubringen. Man geht daher davon aus, dass eine optimale Anzahl von abwechselnden Schichten aus Ge und Si zwischen 15 und 25 beträgt.
Die Dicke der Ge-Schichten 16 spielt auch eine wichtige Rolle für die Minibandbildung in dem Si/Ge-Übergitter der aktiven Zone 14. 12 zeigt die PL-Intensität eines Emitters als eine Funktion der Photonenenergie für drei unterschiedliche Ge-Schichtdicken. Die gepunktete Linie stellt eine mittlere Dicke von 0,7 nm, die Volllinie von 0,8 nm und die Strichlinie von 0,9 nm dar. Die PL-Intensität, die von Interesse ist, ist die PL-Spitze im Bereich des nahen Infrarot, d. h. bei etwa 0,83 eV. In 12 ist zu sehen, dass der Emitter mit einer Ge-Schichtdicke von 0,7 nm bei dieser Wellenlänge keinerlei PL-Spitze zeigt. Im Gegensatz dazu weist der Emitter mit einer Ge-Schichtdicke von 0,9 nm eine wesentliche PL-Spitze bei etwa 0,8 eV auf. Die höchste PL-Intensität im Bereich des nahen Infrarot wird durch eine Übergitterstruktur mit einer Ge-Schichtdicke von 0,8 nm erreicht. Somit ergibt eine mittlere Dicke der Ge-Schicht 16 von 0,8 nm eine maximale Rekombinationseffizienz.
13 zeigt die PL-Intensität als eine Funktion der Photonenenergie der Halbleiterstruktur von 3, die ein Übergitter aus 20 abwechselnden Schichten aus Si und Ge, wobei jede Ge-Schicht 16 eine mittlere Dicke von 0,8 nm aufweist, und einen Dotierungsgradienten in der aktiven Zone 14 aufweist, im Vergleich mit einer herkömmlichen III-V-Heterostruktur, die InAs-Quantenpunkte aufweist. Die Volllinie stellt die III-V-Struktur dar und die Strichlinie stellt die Si/Ge-Struktur dar. Die Fig. zeigt, dass im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot die PL-Intensität der III-V-Struktur nur etwas mehr als das Vierfache jener der Si/Ge-Struktur beträgt. Dies bestätigt die extrem hohe Rekombinationseffizienz der Si/Ge-Struktur der Erfindung, die durch den direkten Rekombinationsprozess auf Grund des Minibandes für die Elektronen bewirkt wird. Der Graph zeigt auch die Anwendbarkeit der Struktur auf dem Gebiet der Telekommunikation und Faseroptik an.
Die bevorzugte Ausführungsform der Halbleiterstruktur der Erfindung umfasst eine Deckschicht 26 und eine aktive Zone 14 mit einer n-Typ-Leitfähigkeit, die auf einer Basisschicht 10 mit einer p-Typ-Leitfähigkeit gebildet ist. Es wird jedoch angemerkt, dass es im Prinzip auch möglich ist, eine Struktur auszuführen, die eine Deckschicht mit einer p-Typ-Leitfähigkeit und eine Basisschicht mit einer n-Typ-Leitfähigkeit umfasst. Die aktive Zone könnte dann intrinsisch sein oder eine p-Typ-Leitfähigkeit aufweisen. In diesem Fall wären Bor oder Indium geeignete Dotiermittel für eine p-Typ-Dotierung der Deckschicht und der aktiven Zone.
Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen der Halbleiterstruktur von 3 erklärt. Die Si-Pufferschicht 12, die Ge- und Si-Schichten 16, 18, die Si-Barriereschicht 24 und die Deckschicht 26 werden aufeinanderfolgend auf einen Si-Substrat-Werfer 10 durch ein Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Verfahren in einer im Stand der Technik bekannten MBE-Vorrichtung epitaktisch aufgewachsen.
Die in 14 gezeigte MBE-Vorrichtung umfasst eine Vakuumkammer 32. Im Inneren der Vakuumkammer 32 ist eine Probenhalterung 34 zum Halten des Substrat-Werfers 10 zumindest einer Probe 35, die aufgewachsen werden soll. Ein Heizmittel 36 ist mit der Probenhalterung 34 verbunden, um den Substrat-Werfer 10 auf eine Temperatur im Bereich von 400°C bis 650°C und vorzugsweise zwischen 425° und 550°C während des Wachstums der zuvor erwähnten Schichten zu erhitzen. Diese Temperatur ist hoch genug, um Punktdefekte auszuheilen, die während des Schichtwachstums auftreten, und bringt gleichzeitig eine minimale thermische Spannung auf der Halbleiterstruktur, die aufgewachsen werden soll, mit sich. Damit wird eine Ausheilung in-situ ausgeführt, sodass kein zusätzli cher Ausheilungsschritt nach Abschluss des Wachstums der Struktur durchgeführt werden muss.
In einem Abstand von der Probenhalterung 34 befinden sich ein Tiegel 38, der Si enthält, und ein Tiegel 40, der Ge enthält. Jeder Tiegel 38, 40 ist mit einer Elektronenquelle 42 versehen. Elektronen 44, die von den Elektronenquellen 42 emittiert werden, werden durch ein Magnetfeld 46 auf das Material in ihren jeweiligen Tiegeln 38, 40 abgelenkt und bringen ausreichend Energie in das Material ein, das in den jeweiligen Tiegeln 38, 40 enthalten ist, um das Quellenmaterial zu schmelzen. Verdampfte Silizium- oder Germaniummoleküle und/oder -atome 47, 48 wandern durch die Kammer in Richtung der Probenhalterung 34 und werden auf der Probe 35 abgeschieden. Der Fluss von verdampftem Si 47 und Ge 48 in Richtung der Probe 35 ist durch Klappen 60 gesteuert. Während eines Schichtwachstums wird der Druck in der Kammer durch eine Vakuumpumpe 49 derart gesteuert, dass die Atome und/oder Moleküle in Richtung der Probe 35 wandern, ohne irgendwelche Zusammenstöße zu erfahren.
Zusätzlich zu den Si-und Ge-Tiegeln 38, 40 ist ein Dotiermaterial, vorzugsweise Antimon (Sb) in der Kammer in der Form eines Pellets 50 vorhanden. Ein Heizmittel 51 ist mit dem Pellet 50 verbunden, um das Pellet 50 zu erhitzen. Abhängig von der Temperatur des Pellets 50 wird Pelletmaterial 52 in einer Menge verdampft, die zu der gewünschten Dotiermitteldichte in der aufgewachsenen Schicht führt. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird das Sb gleichzeitig mit der Verdampfung des Si während des Wachstums der Si-Spacer-Schichten 18 der aktiven Zone 14 verdampft, wobei die Menge an verdampftem Antimon 52 mit jeder aufgewachsenen Si-Schicht 18 zunimmt. Der Fluss von verdampftem Sb 52 ist ebenfalls durch eine Klappe 60 gesteuert.
Das Antimon ist vorwiegend in den Si-Schichten 18 eingearbeitet. Allerdings diffundiert ein Teil des in die Si-Spacer-Schichten 18 eingebauten Dotiermittels auch in die darunter liegenden Ge-Schichten 16. Infolgedessen wird eine kontinuierlich zunehmende Dotierungsdichte über die aktive Zone 14 in der Wachstumsrichtung erhalten. Die geringste Dotierungsdichte von Sb in der aktiven Zone 14 beträgt 5 × 10¹⁶ cm^–3 und die höchste Dichte beträgt 10¹⁸ cm^–3.
Der Fluss von Elektronen 44, der das Germanium-Quellenmaterial schmilzt, ist derart festgelegt, dass eine Wachstumsrate der Ge-Schichten 16 von zumindest 0,02 nm/s erreicht wird. Beim MBE ist dies eine extrem hohe Wachstumsrate und man nimmt nicht an, dass Ge-Wachstumsraten möglich sein werden, die wesentlich höher als 2 nm/s sind. Der Fluss von Elektronen, der das Si-Quellenmaterial schmilzt, ist derart festgelegt, dass die Wachstumsraten der Si-Spacer-Schichten 18 und der Deckschicht 26 zumindest 0,05 nm/s betragen. Dies ist ebenfalls eine extrem hohe Wachstumsrate und man nimmt nicht an, dass Si-Wachstumsraten möglich sein werden, die wesentlich höher als 4 nm/s sind.
Diese hohen Wachstumsraten verringern die Gesamtprozessdauer zum Herstellen der Halbleiterstruktur von 3 und verhindern eine unerwünschte Interdiffusion der verschiedenen Materialien. Die hohe Wachstumstemperatur unterstützt überdies gleichzeitig die Heilung jeglicher Gitterdefekte, die auftreten können. Gitterdefekte sind besonders problematisch, da sie zu einer unerwünschten nicht strahlenden Rekombination von Löchern und Elektronen führen. Es ist besonders vorteilhaft, dass das Wachstum der Ge-Inseln 20 in den Ge-Schichten 16 der aktiven Zone 14 als ein Ergebnis dieser hohen Wachstumsraten verbessert ist. Dies führt zur Bildung von morphologisch flachen Quantenpunkten für die Löcher, die mit dem Miniband für die Elektronen interagieren, da das Übergitter verbessert ist, wodurch die Rekombinationseffizienz und somit die PL-Intensität des Emitters erhöht ist.
Die Wachstumsdauer einer jeden Ge-Schicht 16 ist derart festgelegt, dass eine mittlere Dicke von 0,8 nm auf der Probe 35 abgeschieden wird. Wie unter Bezugnahme auf die 4 und 5 erklärt wurde, ist auf Grund des Stranski-Krastanov-Wachstums die Dicke der Ge-Schichten 16 nicht gleichmäßig, aber Ge-Inseln 20, die von einer dünnen Benetzungsschicht 22 aus Germanium umgeben sind, werden gebildet. In diesem Kontext ist die „mittlere Dicke" einer aufgewachsenen Schicht lediglich ein Maß für die Gesamtmenge des abgeschiedenen Materials und entspricht der Menge von Material, die in einer Schicht mit einer entsprechenden gleichmäßigen Dicke abgeschieden ist.
Die mittlere Dicke einer jeden gewachsenen Schicht wird bestimmt, indem die Dicke des Materials gemessen wird, das auf einer Messvorrichtung 53 abgeschieden wird, die knapp neben der Substrathalterung 34 in der MBE-Kammer 32 angeordnet ist.
15 zeigt die Erzeugung von Ge-Inseln 20 in der Halbleitervorrichtung von 3. Eine Si-Pufferschicht 12 wird auf einem p-dotierten (100)-Siliziumsubstrat-Werfer 10 aufgewachsen. Eine erste Ge-Schicht 16 wird dann auf der Pufferschicht 12 aufgewachsen. Auf Grund inhärenter Spannung infolge einer Gitterfehlausrichtung der Ge-Schicht 16 und der Si-Pufferschicht 12 werden regelmäßig beabstandete Inseln 20 aus Germanium in der Ge-Schicht 16 gebildet. Die laterale Anordnung der Ge-Inseln 20 kann bis zu einem bestimmten Grad durch die Wahl von Wachstumsparametern, insbesondere durch die Wachstumsrate und die Substrattemperatur, beeinflusst werden. Auf der Ge-Schicht 16 wird eine Si- Spacer-Schicht 18 aufgewachsen. Diese Si-Schicht 18 ist nicht dick genug, um die unregelmäßige Dicke der Ge-Schicht 16 auf Grund der Ge-Inseln 20 auszugleichen. Dann wird eine weitere Ge-Schicht 16 auf der Si-Spacer-Schicht 18 aufgewachsen. Wiederum werden Ge-Inseln 16 in dieser zweiten Ge-Schicht 16 gebildet, wobei die Ge-Inseln 20 der zweiten Ge-Schicht 16 in der Wachstumsrichtung mit den Inseln 20 der ersten Ge-Schicht 16 ausgerichtet sind.
16 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen von Ge-Inseln 20 mit einer definierten lateralen Anordnung in der aktiven Zone 14. Anstatt Ge-Inseln 20 auf Grund inhärenter Spannung in der auf der Si-Pufferschicht 12 aufgewachsenen ersten Ge-Schicht 16 zufällig zu erzeugen, werden definierte Bereiche 54 aus Germanium gebildet, indem die Si-Schicht 12 zuerst einer Elektronenphotolithographie unterzogen wird, um Si-Bereiche frei zu lassen, auf denen Germanium beispielsweise durch MBE epitaktisch aufgewachsen werden kann. Dann wird eine erste Si-Spacer-Schicht 18 auf der Si-Pufferschicht 12 aufgewachsen, wodurch die definierten Bereiche 54 aus Germanium bedeckt werden. Die Ge-Bereiche 54 wirken als Wachstumskerne für Ge-Inseln 20 in den Ge-Schichten 16, die anschließend auf den Si-Spacer-Schichten 18 aufgewachsen werden, und hier umfassen anschließend aufgewachsene Ge-Schichten Ge-Inseln in einer Ge-Benetzungsschicht.
Ein alternativer Prozess zum Erzeugen von Ge-Inseln 20 mit einer definierten lateralen Anordnung ist in 17 gezeigt. Die Si-Pufferschicht 12 wird mit Nanovertiefungen 56 versehen, die mithilfe einer Nanoimprint-Vorrichtung 58, wie z. b. in der gemeinsam anhängigen deutschen Patentanmeldung 10 207 952.8 vom 25. Februar 2002 beschrieben ist, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, in einem definierten Muster lateral angeordnet werden. Die Nanovertiefungen 56 dienen als Wachstumskerne für Ge-Inseln 20 in der ersten Ge-Schicht 16 der aktiven Zone 14, die auf der Si-Pufferschicht 12 gebildet wird. Somit können auf diese Weise die Ge-Inseln 20 in einem vorbestimmten Muster lateral angeordnet werden.
In jedem der in den 15 bis 17 gezeigten Verfahren wird der Prozess des Aufwachsens abwechselnder Ge-Schichten 16 und Si-Spacer-Schichten 18 wiederholt, bis insgesamt etwa 40 Schichten aus Ge und Si, d. h. 20 Schichten aus Ge und 20 Schichten aus Si, aufgewachsen wurden. Infolgedessen wird eine Welligkeit der aktiven Zone 14 gebildet, wie am besten in 4 zu sehen ist. Somit wird ein Übergitter mit einem Miniband für die Elektronen und gut definierten Quantenpunkten für die Löcher erzeugt, was in einem direkten Übergangsverhalten der Si/Ge-Struktur der Erfindung resultiert und daher in einer hohen Rekombinationseffizienz und ausgezeichneten Photolumineszenz-Intensität im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot von 1,3 μm bis 1,6 μm resultiert.

10: Basisschicht
12: Si-Pufferschicht
14: aktive Zone
16: Ge-Schicht
18: Si-Spacer-Schicht
20: Ge-Insel
22: Ge-Benetzungsschicht
24: Si-Pufferschicht
26: Deckschicht
30: Übergang
32: Vakuumkammer
34: Probenhalterung
35: Probe
36: Heizmittel
38: Tiegel
40: Tiegel
42: Elektronenquelle
44: Elektronen
46: Magnetfeld
47: verdampftes Si
48: verdampftes Ge
49: Vakuumpumpe
50: Pellet
51: Heizmittel
52: verdampftes Sb
53: Messvorrichtung
54: Ge-Bereich
56: Nanovertiefungen
58: Nanoimprint-Vorrichtung
60: Klappe

Claims

Halbleiterstruktur zur Verwendung im Bereich des nahen Infrarot, vorzugsweise im Bereich von 1,3 bis 1,6 μm, wobei die Struktur aufweist: – eine aktive Zone (14), die aus einer Vielzahl von epitaktisch aufgewachsenen abwechselnden Schichten aus Si und Ge (18, 16) besteht und ein Valenzband und ein Leitungsband aufweist, – eine Basisschicht (10) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, der auf einer Seite der aktiven Zone (14) angeordnet ist, – eine Deckschicht (26) von dem zu der Basisschicht (10) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, wobei die Deckschicht (26) auf der zu der Basisschicht (10) entgegengesetzten Seite der aktiven Zone (10) vorgesehen ist, wobei – die abwechselnden Si- und Ge-Schichten (18, 16) der aktiven Zone (14) ein Übergitter bilden, wobei dem Valenzband quantisierte Energieniveaus zugeordnet sind, in denen sich Löcher befinden, und dem Leitungsband ein Miniband zugeordnet ist, in dem sich Elektronen befinden, und wobei Sb in die abwechselnden Schichten der aktiven Zone als ein Dotiermittel eingearbeitet ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sb in die abwechselnden Schichten (16, 18) der aktiven Zone (14) derart eingearbeitet ist, dass in dem Übergitter ein Dotierungsgradient realisiert ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Barrierenschicht (12, 14) vorgesehen ist zwischen einer Seite der aktiven Zone (14) und der Basisschicht (10) und/oder der Deckschicht (26), an welcher die Dotierungsdichte am höchsten ist.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ge-Schichten (16) der aktiven Zone (14) jeweils eine relative dünne Schicht (22) aus Germaniummaterial und im Wesentlichen regelmäßig beabstandete Inseln (20) oder Ansammlungen von Germanium umfassen, wobei jede Insel eine größere Dicke als die relativ dünne Schicht (22) aufweist, wobei die Inseln (20) Quantenpunkte bilden, die die quantisierten Energieniveaus für die Löcher bereitstellen.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen regelmäßig beabstandeten Inseln (20) jeder Ge-Schicht (16) in der Richtung des epitaktischen Wachstums mit den Inseln (20) der anderen Ge-Schichten (16) ausgerichtet sind.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Germaniumschichten (16) jeweils eine mittlere Dicke im Bereich zwischen 0,7 nm und 0,9 nm aufweisen.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (10) Silizium umfasst.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckschicht (26) Silizium und/oder ein Metallsilizid mit einer Siliziumgitterstruktur umfasst.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 3, wobei die Barrierenschicht (12, 24) intrinsisches oder dotiertes Silizium und/oder eine intrinsische oder dotierte siliziumreiche Legierung aus Silizium und Germanium umfasst.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 2 und einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die höchste Dotierungsdichte in der aktiven Zone (14) etwa 10¹⁸ cm^–3 beträgt.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 2 und einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigste Dotierungsdichte in der aktiven Zone (14) etwa 5 × 10¹⁶ cm^–3 beträgt.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Zone (14) zumindest 12 abwechselnde Schichten (16, 18) umfasst.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Zone (14) nicht mehr als 30 abwechselnde Schichten (16, 18) umfasst.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Zone (14) zwischen 15 und 25 abwechselnde Schichten (16, 18) umfasst.
Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke jeder Siliziumschicht der aktive Zone (14) geringer als 5 mm ist.
Halbleiterstruktur nach Anspruch 4 und einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Dichte der Germaniuminseln (20) im Bereich von 10¹⁰ bis 10¹¹ cm^–2 liegt.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterstruktur nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: – eine abwechselnde Folge von Si- und Ge-Schichten (16, 18) auf einer Basisschicht (10) mit der gleichen Kristallstruktur und mit zumindest beinahe der gleichen Gitterkonstante wie Si epitaktisch aufgewachsen wird, – die Temperatur der Struktur während des Wachstums auf im Bereich zwischen 400°C und 650°C und vorzugsweise zwischen 425°C und 550°C gehalten wird, – eine jede Ge-Schicht (16) mit einer Wachstumsrate von zumindest 0,02 nm/s aber nicht höher als 2 nm/s aufgewachsen wird, – jede Si-Schicht (18) mit einer Wachstumsrate von zumindest 0,05 nm/s aber nicht höher als 4 mm/s aufgewachsen wird, – die Deckschicht (26) mit einer Rate von zumindest 0,05 nm/s aber nicht höher als 4 nm/s aufgewachsen wird, – Sb als ein Dotiermittel in die abwechselnde Folge von Si- und Ge-Schichten (16, 18) eingearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch den Schritt, dass zumindest eine Barrierenschicht (12, 24) vorgesehen wird zwi schen einer Seite der aktiven Zone (14) und der Basisschicht (10) und/oder der Deckschicht (26), an der die Dotierungsdichte am höchsten ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Sb in den abwechselnden Schichten (16, 18) der aktiven Zone (14) derart eingearbeitet wird, dass ein Dotierungsgradient in dem Übergitter realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch den Schritt, dass die abwechselnden Schichten (16, 18) der aktiven Zone (14) mit Sb dotiert werden, um eine höchste Dotierungsdichte in der aktiven Zone (14) von etwa 10¹⁸ cm^–3 und eine niedrigste Dotierungsdichte in der aktiven Zone (14) von etwa 10¹⁷ cm^–3 zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch den Schritt, dass regelmäßig beabstandete Inseln (20) oder Ansammlungen von Germanium in den Ge-Schichten (16) aufgrund inhärenter Spannung infolge einer Gitterfehlanpassung einer Ge-Schicht (16) und einer Si-Schicht (18) aufgewachsen werden, wobei die Insel (20) Quantenpunkte bildet, die die quantisierten Energieniveaus für die Löcher bereitstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, gekennzeichnet durch den Schritt, dass Elektronenphotolithographie und epitaktisches Aufwachsen dazu verwendet werden, regelmäßig beabstandete Bereiche von Germaniummaterial (54) auf einer Pufferschicht (12) oder einer ersten Si-Schicht (18) der aktiven Zone (14) zu schaffen, welche als Wachstumskerne für Inseln (20) oder Ansammlungen von Germanium in den Ge-Schichten (16) wirken, wobei die Inseln (20) Quantenpunkte bilden, die die quantisierten Energieniveaus für die Löcher bereitstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch den Schritt, dass eine Nanoimprint-Technik verwendet wird, um regelmäßig beabstandete Vertiefungen (56) zu schaffen, die als Wachstumskerne für Inseln (20) oder Ansammlungen von Germanium in den Ge-Schichten (16) wirken, wobei die Inseln (20) Quantenpunkte bilden, die die quantisierten Energieniveaus für die Löcher bereitstellen.