JP2672581B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置に係り,特にダイアモンド型,ジ
ンクブレンド型などの正四面体配位をもつ半導体単結晶
基板上に,元素の周期表III族,IV族,V族,IV族の元素か
らなる各原子層,あるいはIII−V族元素の化合物から
なる原子層,IV族元素からなる原子層を順次繰り返して
積層し構成した超格子構造を有する半導体装置に関し,
さらには,上記超格子同士の接合あるいは上記超格子と
正四面体配位の半導体との半導体−金属,金属−金属超
格子および同様の組合せからなるヘテロ接合において,
その界面構造を良好に保ち,上記超格子あるいはヘテロ
接合が本来もつ性質を制御した半導体装置に関する。
〔従来の技術〕
近年,MBE(分子線エピタキシー)法またはMOCVD(有
機金属気相成長)法などの結晶成長技術の進歩により,
良好なヘテロ接合界面を保持し,かつ精確な膜厚制御が
可能となり,例えば典型的な,元素の周期表III−V族
化合物半導体GaAsとAlAsを,一層ずつ積み重ねた {(GaAs)(AlAs)超格子など,設定どおりの
超格子構造を有する半導体超格子の作製が実現されるよ
うになってきた〔個体物理,第21巻第8号(1986年8
月)第450頁〕。
また,一方,基板と同一の結晶構造をもつ金属の多層
膜をエピタキシー結晶成長させて,金属超格子を形成さ
せる方法についても論じられている〔固体物理,第21巻
第8号(1986年8月)第582頁〕。
一般に,正四面体配位の結晶構造をもたせるために
は,結晶の平均原子価が4であることが必要であり,こ
の制約の下において,元素の周期表III−V族元素の化
合物,IV族の元素などは半導体としての性質を具備して
きた。そして,従来の技術において,正四面体配位の同
一の結晶構造をもつ,半導体−半導体超格子,金属−金
属超格子,あるいは半導体−半導体ヘテロ接合,金属−
金属ヘテロ接合については,すでに実現され実用化され
ている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述したごとく,従来技術において,半導体−半導体
超格子,金属−金属超格子あるいは半導体−半導体ヘテ
ロ接合,金属−金属ヘテロ接合においては,同一の結晶
構造をもつものが実現されているが,半導体−金属超格
子あるいは半導体−金属ヘテロ接合において,同一の結
晶構造をもつものは存在しなかった。そして,半導体上
に金属を積層させる場合に,その単結晶化は困難であ
り,半導体−金属超格子の形成は不可能であるとされて
きた。
本発明の目的は,従来不可能とされてきた,同一の結
晶構造をもつ半導体−金属超格子あるいは半導体−金属
ヘテロ接合を可能とするものであって,ダイアモンド型
あるいはジンクブレンド型などの正四面体配位をもつ半
導体単結晶基板上に,元素の周期表III族,IV族,V族,IV
族の各元素からなる原子層,あるいはIII−V族元素の
化合物からなる原子層,IV族元素からなる原子層を,順
次繰り返して積層して超格子を形成し,さらに該超格子
同士あるいは該超格子と正四面体配位の半導体との半導
体−金属,金属−金属超格子および,同様の組合せから
なるヘテロ接合を実現するものであって,上記超格子あ
るいはヘテロ接合において界面構造を良好に保ち,超格
子あるいはヘテロ接合が本来もつ性質を制御した半導体
装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記本発明の目的は,基本的には,平均原子価4をも
ち,正四面体配位の結晶構造を保ちつつ金属としての性
質を有する材料を実現させることにより,達成される。
すなわち,本発明は,単結晶基板上に元素の周期表II
I族,IV族,V族元素の各原子層を積層した超格子を形成
し,III族,IV族,V族の元素を選択することにより,正四
面体配位をもつ金属相を実現することができる。そし
て,上記超格子を用いることにより,良好な界面をもつ
半導体−金属超格子,金属−金属超格子,半導体−金属
ヘテロ接合,金属−金属ヘテロ接合を得ることができ
る。
本発明は,単結晶基板上に,元素の周期表III族元素
のうちより選択される少なくとも1種の元素からなる原
子層,IV族元素のうちより選択される少なくとも1種の
元素からなる原子層,V族元素のうちより選択される少な
くとも1種の元素からなる原子層を,それぞれ設定の順
序で1層以上積層して構成した,正四面体配位の結晶構
造を有し,かつ金属としての性質をもつ超格子構造を有
する半導体装置である。
具体的に本発明は,単結晶基板上に,元素の周期表II
I族元素のうちより選択される少なくとも1種の元素か
らなるN1原子層,IV族元素のうちより選択される少なく
とも1種の元素からなるN2原子層,V族元素のうちより選
択される少なくとも1種の元素からなるN3原子層および
IV族元素のうちより選択される少なくとも1種の元素か
らなるN4原子層を順次積層し,該積層した原子層を一つ
の周期となし,これを一周期以上,正四面体配位を保ち
得る層数にまで積層して構成した,金属としての性質を
持つ超格子構造を有するものである。
また,本発明は,単結晶基板上に,元素の周期表III
−V族元素のうちより選ばれる少なくとも2種の元素の
化合物からなるM1原子層の1層以上と,IV族元素のうち
より選ばれる少なくとも1種の元素からなるM2原子層の
1層以上を順次積層し,該積層した原子層を一つの周期
となし,これを一周期以上,バルクとしての性格を帯び
る層数にまで積層して構成した正四面体配位の結晶構造
を有し,金属としての性質をもつ超格子構造を有する半
導体装置である。
さらに,本発明は,単結晶を基板上に,半導体からな
る原子層と,上記のN1−N2−N3−N4からなる原子層また
は上記のM1−M2からなる原子層,もしくは上記のN1−N2
−N3−N4からなる原子層および上記のM1−M2からなる原
子層,または上記M1−M2からなる原子層および上記N1−
N2−N3−N4からなる原子層を,1層以上,順次積層して構
成した,正四面体配位の結晶構造を有し,かつ金属とし
ての性質をもつ超格子構造を有する半導体装置である。
〔実施例〕
以下に本発明の一実施例を挙げ,図面を参照しなが
ら,さらに詳細に説明する。
第1図および第2図は,本発明の半導体装置の最も基
本的な断面構造の一例を示す模式図である。第1図に示
す構造の半導体装置は,元素の周期表III族元素からな
るN1原子層,IV族元素からなるN2原子層,V族元素からな
るN3原子層,IV族元素からなるN4原子層を,順次積層(N
1=N2=N3=N4=1層)して,これを一つの周期として
少なくとも一周期以上積層して構成した超格子構造であ
る。具体的には,〔100〕方位において,第1層(N1)
にGa,第2層(N2)にGe,第3層(N3)にAs,第4層(N
4)にGeの各単原子層を一つの周期とし,順次繰り返し
て積層した超格子構造を示す。
第2図には,元素の周期表III族とV族の元素(III−
V族化合物)からなるM1原子層,IV族元素からなるM2原
子層を,順次積層(M1=2層,M2=4層)して、これを
一つの周期として少なくとも一周期以上積層して構成し
た超格子構造である。具体的には,〔100〕方位におい
て,2層のGaAs,4層のGeを一つの周期として,順次繰り返
して積層した超格子構造を示す。
上記第1図および第2図で示した超格子構造を構成す
る材料は,いずれも平均原子価4であり,正四面体配位
の結晶構造を有する。このような超格子構造は,通常の
分子線エピタキシー法,有機金属気相成長法などのエピ
タキシャル技術と,プレーナドーピング技術を併用する
ことにより,容易に実現することができる。
第3図に,上記第1図に示した構造を有する超格子に
おけるバンド構造の計算結果を,第4図に,上記第2図
に示した構造を有する超格子におけるバンド構造の計算
結果を,それぞれ示したものである。
なお,第3図および第4図に示すバンド構造は,電子
の波数ベクトル(k)に対するエネルギー(eV)分散の
関係を示したものであり,第3図においては,第5図の
第1ブリュアン帯域における電子の波数ベクトロルに示
すごとく,Zx(1,0,0)→Γ(0,0,0)→Z(0,0,1/2)→
R(1/2,1/2,1/2)という電子の波数ベクトルのもつエ
ネルギー分散を表わし,第4図においては,Zx(1,0,0)
→Γ(0,0,0)→Z(0,0,1/4)→R(1/2,1/2,1/4)→M
z(1/2,1/2,0)という電子の波数ベクトルのもつエネル
ギー分散を表わしている。
第3図および第4図に示すごとく、いずれの場合にお
いてもフェルミ順位EFが複数のバンドを横切っており,
金属としての性質を示していることが分かる。この金属
としての性質をもつという同様の結果は,原子層の層数
1≦Ni(i=1,2,3,4)≦10および層数1≦M1≦5,1≦M2
≦10において,In,Ge,Asから構成されるような元素の周
期表の他のIII族元素,IV族元素,V族元素からなる超格子
についても得ることができた。この超格子構造を構成す
る材料は,平均原子価4であり,正四面体配位の半導体
と同一の結晶構造をもち,かつ金属としての性質をもつ
半導体超格子を実現させることができた。
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したごとく,本発明の超格子構造を有
する材料は,正四面体配位において金属としての性質を
もつだけでなく,本発明の超格子構造を有する材料上
に,半導体単結晶を形成させることも可能であり,従
来,不可能とされてきた単結晶による半導体−金属超格
子を実現することができた。
さらに,本発明の超格子構造の材料を半導体上に形成
し,元素の周期表III族元素,IV族元素,V族元素を適宜選
択することにより,半導体−金属界面の歪を制御するこ
とができるので,オーミック接合,ショットキー接合を
制御することも可能である。
第1表に,元素の周期表III族−IV族−V族−IV族の
元素からなる超格子のいくつかの系についての平衡格子
定数を示す。
第1表に示すごとく,上記の超格子は,元素の周期表
III族,IV族,V族の元素を適宜選択することにより,格子
定数を大きく変化させることが可能であることを示して
いる。したがって,これと同様に本発明の超格子におい
ても格子常数を大きく変化させた超格子構造を適宜得る
ことができる。
そして,半導体−金属接合においてオーミック接合を
形成するか,ショットキー接合を形成するかは,その接
合界面における歪の大小と密接に関連していることが知
られている。本発明の元素の周期表III族−IV族−V族
−IV族の元素からなる超格子においては,構成元素なら
びに接合する半導体の種類により,接合界面での界面歪
の程度を制御することが可能であり,この特徴を用いれ
ば,界面歪の小さな半導体−金属接合においてはオーミ
ック接合を形成し,界面歪の大きな半導体−金属接合に
おいては,ショットキー接合を形成させることが可能と
なるなどの優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の実施例において例示した
半導体装置の断面構造を示す模式図,第3図は第1図に
例示した材料のもつバンド構造を示す図,第4図は第2
図に例示した材料のもつバンド構造を示す図,第5図は
第1ブリュアン帯域における電子の波数ベクトルを示す
模式図である。 1……半導体基板、2……III族層(Ga) 3……IV族層(Ge)、4……V族層(As) 5……原子層

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶基板上に、元素の周期表III族元素
    のうちより選択される少なくとも1種の元素からなる原
    子層、IV族元素のうちより選択される少なくとも1種の
    元素からなる原子層、V族元素のうちより選択される少
    なくとも1種の元素からなる原子層を、それぞれ設定の
    順序で1層以上積層して構成した、正四面体配位の結晶
    構造を有し、かつ金属としての性質をもつ超格子構造を
    有することを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】単結晶基板上に、元素の周期表III族元素
    のうちより選択される少なくとも1種の元素からなるN1
    原子層、IV族元素のうちより選択される少なくとも1種
    の元素からなるN2原子層、V族元素のうちより選択され
    る少なくとも1種の元素からなるN3原子層およびIV族元
    素のうちより選択される少なくとも1種の元素からなる
    N4原子層を順次積層し、該積層した原子層を一つの周期
    となし、これを一周期以上、正四面体配位を保ち得る層
    数にまで積層して構成した金属としての性質をもつ超格
    子構造を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】単結晶基板上に、元素の周期表III−V族
    元素のうちより選ばれる少なくとも2種の元素の化合物
    からなるM1原子層の1層以上と、IV族元素のうちより選
    択される少なくとも1種の元素からなるM2原子層の1層
    以上を順次積層し、該積層した原子層を一つの周期とな
    し、これを一周期以上、バルクとしての性格を帯びる層
    数にまで積層して構成した、正四面体配位の結晶構造を
    有し、かつ金属としての性質をもつ超格子構造を有する
    ことを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項4】単結晶基板上に、半導体からなる原子層
    と、元素の周期表III族元素のうちより選択される少な
    くとも1種の元素からなるN1原子層、IV族元素のうちよ
    り選択される少なくとも1種の元素からなるN2原子層、
    V族元素のうちより選択される少なくとも1種の元素か
    らなるN3原子層およびIV族元素のうちより選択される少
    なくとも1種の元素からなるN4原子層を、1層以上、順
    次積層するか、もしくは上記半導体からなる原子層上
    に、元素の周期表III−V族元素のうちより選ばれる少
    なくとも2種の元素の化合物からなるM1原子層およびIV
    族元素のうちより選択される少なくとも1種の元素から
    なるM2原子層を、1層以上、順次積層するか、もしくは
    上記半導体からなる原子層上に、上記N1原子層、N2原子
    層、N3原子層、N4原子層、M1原子層およびM2原子層を、
    1層以上、順次積層するか、もしくは上記半導体からな
    る原子層上に、上記M1原子層、M2原子層、N1原子層、N2
    原子層、N3原子層およびN4原子層を、1層以上、順次積
    層して構成した、正四面体配位の結晶構造を有し、かつ
    金属としての性質をもつ超格子構造を有することを特徴
    とする半導体装置。
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