JP2740029B2 - 半導体ヘテロ構造 - Google Patents
半導体ヘテロ構造Info
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/15—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices
- H01L29/151—Compositional structures
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Description
【発明の詳細な説明】 この発明は、シリコンとゲルマニウム（またはSiGe合
金）よりなるSi,Ge系の異なる組成を有する第１の材料
と第２の材料との交互の層の積層体で構成されている交
互の組を備え、少なくとも一方の材料の層は弾性変形状
態にあるように充分に薄くされ、したがってコヒーレン
トな短周期超格子を定めている半導体ヘテロ構造に関す
る。この発明は特に発光装置として使用するのに適した
この種の準直接バンドギャッブヘテロ構造に関するが、
発光装置用だけに限定されるものではない。
金）よりなるSi,Ge系の異なる組成を有する第１の材料
と第２の材料との交互の層の積層体で構成されている交
互の組を備え、少なくとも一方の材料の層は弾性変形状
態にあるように充分に薄くされ、したがってコヒーレン
トな短周期超格子を定めている半導体ヘテロ構造に関す
る。この発明は特に発光装置として使用するのに適した
この種の準直接バンドギャッブヘテロ構造に関するが、
発光装置用だけに限定されるものではない。
良好な光学的特性を有する装置として第１に必要なこ
とは半導体の伝導帯の最低エベルギレベルと価電子帯の
最高エネルギレベルの位置が一致して直接転移が行われ
ることである。シリコンやゲルマニウムは半導体として
は良く知られているが、発光装置として使用するのには
適しておらず、通常はGaAsが使用されている。結晶のバ
ンド構造図において、GaAsは伝導帯の最低エネルギレベ
ルの位置と価電子帯の最高エネルギレベルの位置が同じ
モーメントｋが０の位置にあり、したがって伝導帯の最
高レベルにある電子が価電子帯の最高レベルの位置に転
移する直接転移が行われてその時に光子を放出して発光
するものである。これに対してGeでは価電子帯の最高レ
ベルはｋ＝０の位置にあるが、伝導帯の最低レベルの位
置はブリュアン領域の境界付近にあり一致しない。ま
た、Siでは価電子帯の最高レベルはｋ＝０の位置にある
が、伝導帯の最低レベルの位置は（100）方向の軸付近
にあり一致しない。このように価電子帯の最高レベルの
位置と伝導帯の最低レベルの位置がｋの同じ位置にない
と直接転移が行われず間接転移となるために光子を放出
することができないのでGeやSiは発光装置として使用す
るのには適ししていないのである。本発明は、超格子構
造を使用して発光装置として使用することも可能な新し
い半導体ヘテロ構造を開発したものである。
とは半導体の伝導帯の最低エベルギレベルと価電子帯の
最高エネルギレベルの位置が一致して直接転移が行われ
ることである。シリコンやゲルマニウムは半導体として
は良く知られているが、発光装置として使用するのには
適しておらず、通常はGaAsが使用されている。結晶のバ
ンド構造図において、GaAsは伝導帯の最低エネルギレベ
ルの位置と価電子帯の最高エネルギレベルの位置が同じ
モーメントｋが０の位置にあり、したがって伝導帯の最
高レベルにある電子が価電子帯の最高レベルの位置に転
移する直接転移が行われてその時に光子を放出して発光
するものである。これに対してGeでは価電子帯の最高レ
ベルはｋ＝０の位置にあるが、伝導帯の最低レベルの位
置はブリュアン領域の境界付近にあり一致しない。ま
た、Siでは価電子帯の最高レベルはｋ＝０の位置にある
が、伝導帯の最低レベルの位置は（100）方向の軸付近
にあり一致しない。このように価電子帯の最高レベルの
位置と伝導帯の最低レベルの位置がｋの同じ位置にない
と直接転移が行われず間接転移となるために光子を放出
することができないのでGeやSiは発光装置として使用す
るのには適ししていないのである。本発明は、超格子構
造を使用して発光装置として使用することも可能な新し
い半導体ヘテロ構造を開発したものである。
超格子、すなわち共通の格子構造を共有する異なるバ
ンドギャッブを有する材料の交互の層から構成されたヘ
テロ構造装置はよく知られており、実用されている。交
互の層を構成する材料が実質的に異なる格子パラメータ
を有する場合には、格子欠陥が層間に生成されるが、も
しも、１組の層が非常に薄い場合には一方または両方の
層は恒久的な弾性変形状態にある。
ンドギャッブを有する材料の交互の層から構成されたヘ
テロ構造装置はよく知られており、実用されている。交
互の層を構成する材料が実質的に異なる格子パラメータ
を有する場合には、格子欠陥が層間に生成されるが、も
しも、１組の層が非常に薄い場合には一方または両方の
層は恒久的な弾性変形状態にある。
通常超格子に使用されているAlGaAs系においては交互
の層間の不整合は実質的にゼロであるが、シリコンとゲ
ルマニウムの場合にはそうではなく格子不整合は約４％
に達する。このため通常の（長周期）超格子構造におい
て可成の格子欠陥が存在することになり、格子欠陥は再
結合中心として作用し、またさらに再結合中心を発生さ
せる原因ともなるからそのような超格子構造は多くの応
用において使用できない。そのため超薄形のシリコン／
ゲルマニウム超格子構造について注目されているが、そ
れには弾性変形が残った状態のままの非常に薄い層（典
型的には１乃至30層の原子で構成されている層）を生成
する必要があるので製造が困難であり、10年以上にわた
って実際の装置についての研究ではなく、理論的に論じ
られているだけであり、最近ようやくそのような構造を
得ることのできる製造技術が開発されるようになった。
さらにそのような超格子の微細構造の特徴を解明するこ
とは非常に困難である。すなわち、そのような構造を製
造した場合に、得られる構造がどのような性質を有する
ものであるかを予測することができない。また、そのよ
うな構造についての初期の論文では変形した層の結晶の
バンド構造における歪の（危険な）効果を無視してい
る。
の層間の不整合は実質的にゼロであるが、シリコンとゲ
ルマニウムの場合にはそうではなく格子不整合は約４％
に達する。このため通常の（長周期）超格子構造におい
て可成の格子欠陥が存在することになり、格子欠陥は再
結合中心として作用し、またさらに再結合中心を発生さ
せる原因ともなるからそのような超格子構造は多くの応
用において使用できない。そのため超薄形のシリコン／
ゲルマニウム超格子構造について注目されているが、そ
れには弾性変形が残った状態のままの非常に薄い層（典
型的には１乃至30層の原子で構成されている層）を生成
する必要があるので製造が困難であり、10年以上にわた
って実際の装置についての研究ではなく、理論的に論じ
られているだけであり、最近ようやくそのような構造を
得ることのできる製造技術が開発されるようになった。
さらにそのような超格子の微細構造の特徴を解明するこ
とは非常に困難である。すなわち、そのような構造を製
造した場合に、得られる構造がどのような性質を有する
ものであるかを予測することができない。また、そのよ
うな構造についての初期の論文では変形した層の結晶の
バンド構造における歪の（危険な）効果を無視してい
る。
したがって、そのような構造をどのようなものにすべ
きかについて幾つかの異なる理論的モデルがあるが、実
証はされておらず、それらの理論は実用化の役にはたた
ない。さらに使用されるモデルの性質上、所定の構造の
特性の理論的予測すら計算に数日を必要とし、膨大なコ
ンピュータハードウエアが必要とされる。
きかについて幾つかの異なる理論的モデルがあるが、実
証はされておらず、それらの理論は実用化の役にはたた
ない。さらに使用されるモデルの性質上、所定の構造の
特性の理論的予測すら計算に数日を必要とし、膨大なコ
ンピュータハードウエアが必要とされる。
本発明は、極めて薄いシリコンとゲルマニウムの交互
の層より構成された短周期の超格子構造を有する新しい
形式のヘテロ構造装置を開発したものである。
の層より構成された短周期の超格子構造を有する新しい
形式のヘテロ構造装置を開発したものである。
本発明の装置は、（100）方位の基体上にエピタキシ
ャル成長させたSi、Ge系（Si,Ge,またはSiGe合金）内の
異なる組成の第１と第２の材料の交互の層の短周期超格
子を具備し、第１の材料の層は第２の材料の層よりも実
質上多量のシリコンを含み、第１の材料の層は原子の単
層の厚さのＭ倍の厚さであり、第２の材料の層は原子の
単層の厚さのＮ倍の厚さであり、この場合にＭはＮより
も小さい。
ャル成長させたSi、Ge系（Si,Ge,またはSiGe合金）内の
異なる組成の第１と第２の材料の交互の層の短周期超格
子を具備し、第１の材料の層は第２の材料の層よりも実
質上多量のシリコンを含み、第１の材料の層は原子の単
層の厚さのＭ倍の厚さであり、第２の材料の層は原子の
単層の厚さのＮ倍の厚さであり、この場合にＭはＮより
も小さい。
第１の層はシリコンであり、第２の層はゲルマニウム
であることが好ましいが、いずれか一方あるいは双方を
SiGe合金で構成してもよい。双方をSiGe合金で構成した
場合には第１の層は第２の層よりも多量のシリコンを含
んでいることが必要である。
であることが好ましいが、いずれか一方あるいは双方を
SiGe合金で構成してもよい。双方をSiGe合金で構成した
場合には第１の層は第２の層よりも多量のシリコンを含
んでいることが必要である。
好ましくはＭは、Ｍ＝２（2m＋１）−Ｘであり、Ｎ
は、Ｎ＝２（2n＋１）−Ｘである。ここでＸ＝０または
１であり、ｍ＝0,1,または２であり、ｎは整数であり、
１以上で６より小さい（特に好ましくは５より小さい）
ことが好ましいが、６から10までの値もまた有効であ
る。
は、Ｎ＝２（2n＋１）−Ｘである。ここでＸ＝０または
１であり、ｍ＝0,1,または２であり、ｎは整数であり、
１以上で６より小さい（特に好ましくは５より小さい）
ことが好ましいが、６から10までの値もまた有効であ
る。
特に好ましい実施例ではＭ＝２、Ｎ＝６であり、ま
た、別の例ではＭ＝３、Ｎ＝（4n＋１）であり、この場
合にはｎは１より大きい整数である。
た、別の例ではＭ＝３、Ｎ＝（4n＋１）であり、この場
合にはｎは１より大きい整数である。
この超格子は装置の基体を基体としてその上に成長さ
せて形成することができる。また、その代りに装置の基
体上にエピタキシャル成長したバッファ層を基体として
その上に成長させて形成することもできる。基体材料は
普通GaAsまたはSi1-XGeXで構成され、後者の場合にはｘ
は0.5＜ｘ＜１であり、0.6＜ｘ＜１であることが好まし
い。この後者の実施例でM:Nの比は基体のシリコンとゲ
ルマニウムの比に近似している。少なくとも幾つかの連
続する第２の材料の層のＮの値は等しい必要はない。
せて形成することができる。また、その代りに装置の基
体上にエピタキシャル成長したバッファ層を基体として
その上に成長させて形成することもできる。基体材料は
普通GaAsまたはSi1-XGeXで構成され、後者の場合にはｘ
は0.5＜ｘ＜１であり、0.6＜ｘ＜１であることが好まし
い。この後者の実施例でM:Nの比は基体のシリコンとゲ
ルマニウムの比に近似している。少なくとも幾つかの連
続する第２の材料の層のＮの値は等しい必要はない。
この発明の１実施形態では、層と平面の方向に光を放
射することのできる発光装置が提供される。
射することのできる発光装置が提供される。
前記のようにSiとGeは共に間接転移を行う材料である
けれども、以下説明するように本発明のSiGe超格子では
バンド構造が変形されてGaAsのような直接転移を行う材
料に近似したバンド構造となり、発光可能な準直接と言
うことのできるバンド構造が得られ、高い発光効率の発
光装置を得ることが可能になる。
けれども、以下説明するように本発明のSiGe超格子では
バンド構造が変形されてGaAsのような直接転移を行う材
料に近似したバンド構造となり、発光可能な準直接と言
うことのできるバンド構造が得られ、高い発光効率の発
光装置を得ることが可能になる。
本発明の装置の製造には現在のシリコンをベースとし
たVLSI技術を利用することができるために、GaAs系より
も構造コストが低い利点がある。
たVLSI技術を利用することができるために、GaAs系より
も構造コストが低い利点がある。
この発明の装置の構造について以下添付図面を参照に
して基礎となる理論的説明と共に説明する。
して基礎となる理論的説明と共に説明する。
第１図はバルクのSiまたはGeの（001）方向における
格子構造を示す。
格子構造を示す。
第２図は短周期Si/Ge超格子構造の概略図を示す。
第３図はこの発明の１態様による超格子構造の概略図
を示す。
を示す。
第１図を参照すると、SiおよびGeの両者はダイヤモン
ド立方格子を形成する。立方体の（001）方向に沿って
見たとき格子の各セルはａを格子パラメータとするとa/
4の間隔で原子の単層が４個重なった構造を構成してい
ると考えられる。
ド立方格子を形成する。立方体の（001）方向に沿って
見たとき格子の各セルはａを格子パラメータとするとa/
4の間隔で原子の単層が４個重なった構造を構成してい
ると考えられる。
格子パラメータａはSiでは5.43オングストローム、Ge
では5.65オングストロームであるから、２つの格子間に
は約４％の格子不整合がある。短周期超格子ではこれは
一方または双方の層の組による弾性変形として適合され
なければならない。
では5.65オングストロームであるから、２つの格子間に
は約４％の格子不整合がある。短周期超格子ではこれは
一方または双方の層の組による弾性変形として適合され
なければならない。
第２図を参照すると、実際の短周期超格子装置は（00
1）方位の基体１および単層のＭ倍の厚さの第１の材料
の層（Siとして示されている）2a,2b,2cと単層のＮ倍の
厚さの第２の材料の層（Geとして示されている）3a,3b,
3cの交互のエピタキシャル層を備えている。従来知られ
ていた超格子は基体にSiが使用され、各層の厚さは等し
く、すなわちＮ＝Ｍである。
1）方位の基体１および単層のＭ倍の厚さの第１の材料
の層（Siとして示されている）2a,2b,2cと単層のＮ倍の
厚さの第２の材料の層（Geとして示されている）3a,3b,
3cの交互のエピタキシャル層を備えている。従来知られ
ていた超格子は基体にSiが使用され、各層の厚さは等し
く、すなわちＮ＝Ｍである。
そのような装置は文献（シリコン分子ビームエピタキ
シ、1984−1986,JCBean,JCrystalGrowth81,411頁、1987
年）に記載されているような分子ビームエピタキシ（MB
E）を使用して製作されることができる。
シ、1984−1986,JCBean,JCrystalGrowth81,411頁、1987
年）に記載されているような分子ビームエピタキシ（MB
E）を使用して製作されることができる。
この発明の短周期の超格子について説明すると、前述
のようなSiとGeの格子不整合による歪の影響により、全
体として格子の対称性が低下してもはや立方体ではなく
なり、縮退状態や光学的選択規則等の変化を生じる。ま
た超格子構造によって新しい光学的転移がモーメント混
合によって生じる。
のようなSiとGeの格子不整合による歪の影響により、全
体として格子の対称性が低下してもはや立方体ではなく
なり、縮退状態や光学的選択規則等の変化を生じる。ま
た超格子構造によって新しい光学的転移がモーメント混
合によって生じる。
すなわち、超格子構造は結晶バンド構造の“領域折曲
げ（Zone−folding）”を生じ、モーメント状態（ｋ）
空間で表される結晶バンド構造は、バルクのブリュアン
領域の縁部付近の状態が超格子ブリュアン領域では中心
に向かっで戻るように変形される。これは伝導帯の最低
エネルギレベルが価電子帯の最高エネルギレベルのｋの
位置からずれたオフセンター状態である間接バンドギャ
ップ構造から伝導帯の最低エネルギレベルと価電子帯の
最高エネルギレベルのｋの値が一致している直接バンド
ギャップ構造に近い準直接バンドギャップ構造に変化さ
せ、したがって光放射に適したものとなる。
げ（Zone−folding）”を生じ、モーメント状態（ｋ）
空間で表される結晶バンド構造は、バルクのブリュアン
領域の縁部付近の状態が超格子ブリュアン領域では中心
に向かっで戻るように変形される。これは伝導帯の最低
エネルギレベルが価電子帯の最高エネルギレベルのｋの
位置からずれたオフセンター状態である間接バンドギャ
ップ構造から伝導帯の最低エネルギレベルと価電子帯の
最高エネルギレベルのｋの値が一致している直接バンド
ギャップ構造に近い準直接バンドギャップ構造に変化さ
せ、したがって光放射に適したものとなる。
このようなSi、Ge系の超格子はスピン軌道結合を有す
る経験的局部原子疑似電位に基づいた理論によりうまく
モデル化されることが認められた。
る経験的局部原子疑似電位に基づいた理論によりうまく
モデル化されることが認められた。
良好な発光特性を得るために第１に必要なことは伝導
帯の最低エネルギレベルから価電子帯の最高エネルギレ
ベルへの電子の転移確率が高いことである。このため前
述のようにGaAsのような直接転移を行わせる必要があ
る。転移確率ＰはＬを光学的ダイポールマトリックス素
子としてlog10|L|として定められる。本発明者は、Si層
の厚さＭをGe層の厚さＮより大きく選定することによっ
て高い転移確率Ｐが得られることを確認して本発明を開
発したものである。転移確率ＰとSi層のＭの値との間に
は規則的な相関関係があり、転移確率ＰはＭ＝2,6,10・
・において最大値を有し、換言すればＭ＝２（2m＋１）
であり、ｍは0,1,2,等である。さらに最高の転移確率は
Ｍ＝２で得られる。
帯の最低エネルギレベルから価電子帯の最高エネルギレ
ベルへの電子の転移確率が高いことである。このため前
述のようにGaAsのような直接転移を行わせる必要があ
る。転移確率ＰはＬを光学的ダイポールマトリックス素
子としてlog10|L|として定められる。本発明者は、Si層
の厚さＭをGe層の厚さＮより大きく選定することによっ
て高い転移確率Ｐが得られることを確認して本発明を開
発したものである。転移確率ＰとSi層のＭの値との間に
は規則的な相関関係があり、転移確率ＰはＭ＝2,6,10・
・において最大値を有し、換言すればＭ＝２（2m＋１）
であり、ｍは0,1,2,等である。さらに最高の転移確率は
Ｍ＝２で得られる。
またGe層の厚さＮは、高い転移確率Ｐを与え、超格子
ブリュアン領域の中心において超格子伝導帯最小値を有
するＮの値はＮ＝２（2n＋１）であり、ｎは1,2,3・・
・であり、またＮ＞Ｍである。
ブリュアン領域の中心において超格子伝導帯最小値を有
するＮの値はＮ＝２（2n＋１）であり、ｎは1,2,3・・
・であり、またＮ＞Ｍである。
したがって、この発明の好ましい実施形態ではM:Nが
2:6,2:10,2:14,2:18,2:22の構造である（それらは全て
良好な光学特性を示す）である。しかしながら以下説明
するように2:26等の構造もまたこの発明の技術的範囲に
含まれる。
2:6,2:10,2:14,2:18,2:22の構造である（それらは全て
良好な光学特性を示す）である。しかしながら以下説明
するように2:26等の構造もまたこの発明の技術的範囲に
含まれる。
基体またはバッファ層１の第１の影響は、もしも基体
またはバッファ層１がGeであり、隣接するSi層2aおよび
後続するSi層2b,2cが（100）および（010）方向でバル
クのGeの格子定数をとるように強制され、一方Ge層3a,3
b,3cは歪を受けない状態になっている場合には、弾性変
形の分布を定めることができる。もしも基体がSiであれ
ば反対になり、またSiGe基体はSi層とGe層との間で歪を
分配させる。もちろんSiまたはGe単独の基体、特にSiの
基体を使用すればずつと簡単で安価になり、そのため従
来技術では望ましい方法としてSiが使用されることが多
い。超格子軸（001方向）に沿った格子間隔は個々のSi
とGeのバルクの格子の弾性特性から簡単に決定され近似
される。
またはバッファ層１がGeであり、隣接するSi層2aおよび
後続するSi層2b,2cが（100）および（010）方向でバル
クのGeの格子定数をとるように強制され、一方Ge層3a,3
b,3cは歪を受けない状態になっている場合には、弾性変
形の分布を定めることができる。もしも基体がSiであれ
ば反対になり、またSiGe基体はSi層とGe層との間で歪を
分配させる。もちろんSiまたはGe単独の基体、特にSiの
基体を使用すればずつと簡単で安価になり、そのため従
来技術では望ましい方法としてSiが使用されることが多
い。超格子軸（001方向）に沿った格子間隔は個々のSi
とGeのバルクの格子の弾性特性から簡単に決定され近似
される。
製作される装置の超格子（001）軸に沿った最大寸法
またはバッファ層の組成によって制限される。もしもバ
ッファ層中のSiとGeの相対比率が超格子中のそれらの相
対比率（すなわちＮに対するＭの比）に等しいならば、
歪はSi層とGe層の間で均等に分布し、装置は任意所望の
大きさに成長させることができる。純粋なSiまたはGeバ
ッファの場合のように歪が均等に分布しないならば、連
続する比較的少数の層からなる比較的短い超格子領域の
みが生成される。
またはバッファ層の組成によって制限される。もしもバ
ッファ層中のSiとGeの相対比率が超格子中のそれらの相
対比率（すなわちＮに対するＭの比）に等しいならば、
歪はSi層とGe層の間で均等に分布し、装置は任意所望の
大きさに成長させることができる。純粋なSiまたはGeバ
ッファの場合のように歪が均等に分布しないならば、連
続する比較的少数の層からなる比較的短い超格子領域の
みが生成される。
前述のように、この発明では、基体は通常GaAsまたは
Si1-XGeXで構成され、後者の場合にはｘは0.5＜ｘ＜１
であり、0.6＜ｘ＜１であることが好ましい。高いGe含
有率のバッファ層をGaAsバッファ層の代りに使用するこ
ともできる（ａ＝5.65オングストロームとして）。
Si1-XGeXで構成され、後者の場合にはｘは0.5＜ｘ＜１
であり、0.6＜ｘ＜１であることが好ましい。高いGe含
有率のバッファ層をGaAsバッファ層の代りに使用するこ
ともできる（ａ＝5.65オングストロームとして）。
バッファ層１の組成は前記のような結晶バンド構造の
ブリュアン領域の折曲げに影響を与え、特にバッファ層
が約20％以上のGeを含むとき超格子を準直接バンドギャ
ップ構造とするのに有効である。バッファ層は光転移確
率Ｐの決定に主要な役割を担うものではないが、転移エ
ネルギを変化させる（したがって放射される光の波長を
変化させる）。
ブリュアン領域の折曲げに影響を与え、特にバッファ層
が約20％以上のGeを含むとき超格子を準直接バンドギャ
ップ構造とするのに有効である。バッファ層は光転移確
率Ｐの決定に主要な役割を担うものではないが、転移エ
ネルギを変化させる（したがって放射される光の波長を
変化させる）。
バッファ層（または基体層）１の組成の影響はまた超
格子バンド構造に対して別の観点で説明することができ
る。Siバッファ層（または基体層）の場合に、Ge層だけ
が四角形の歪下にあり、バルクGeの結晶バンド構造の価
電子帯の一番上の状態はmj＝3/2状態である。Geバッフ
ァ層の場合には、Si層だけが四角形の歪下にあり、バル
クSiの結晶バンド構造の価電子帯の一番上の状態はmj＝
1/2状態である。したがってバッファ層の組成の変化は
実質上SiとGeの層のバンド構造の変化を生じる。この発
明の構造では、実効的に重いホール状の障壁は全てのSi
Geバッファ組成に対して一定に維持されるが、実効的に
軽いホール状（厳密には軽いホール／分割状）の障壁は
SiからGeバッファになるにしたがって低下する（約0.7e
Vから0.3eVに）。結晶バンド構造の価電子帯の中心の相
対位置と結合したこの実効的に軽いホール状障壁中の実
質上の低下はmj＝1/2の中心の超格子状態から反対に交
差したmj＝3/2状態に、或いは任意の割合に変化させ、
状態間の実質的な混合が高いGe比率において生じる（約
60％であるが、超格子のM:N比に関係している）。
格子バンド構造に対して別の観点で説明することができ
る。Siバッファ層（または基体層）の場合に、Ge層だけ
が四角形の歪下にあり、バルクGeの結晶バンド構造の価
電子帯の一番上の状態はmj＝3/2状態である。Geバッフ
ァ層の場合には、Si層だけが四角形の歪下にあり、バル
クSiの結晶バンド構造の価電子帯の一番上の状態はmj＝
1/2状態である。したがってバッファ層の組成の変化は
実質上SiとGeの層のバンド構造の変化を生じる。この発
明の構造では、実効的に重いホール状の障壁は全てのSi
Geバッファ組成に対して一定に維持されるが、実効的に
軽いホール状（厳密には軽いホール／分割状）の障壁は
SiからGeバッファになるにしたがって低下する（約0.7e
Vから0.3eVに）。結晶バンド構造の価電子帯の中心の相
対位置と結合したこの実効的に軽いホール状障壁中の実
質上の低下はmj＝1/2の中心の超格子状態から反対に交
差したmj＝3/2状態に、或いは任意の割合に変化させ、
状態間の実質的な混合が高いGe比率において生じる（約
60％であるが、超格子のM:N比に関係している）。
このクロスオーバーは光学的特性自体の変化を示す。
例えば4:4構造において伝導帯と価電子帯との間の転移
のための（001）偏光を有する方形マトリックス素子は
交差後約３桁大きさが低下する。これはバッファ層中の
Ge濃度の増加により波動関数のPz状成分の減少を反映し
たものである。シリコンバッファ上の（110）から（00
1）偏光になる伝導帯と価電子帯との間の転移のための
マトリックス素子の値における対応する降下はずっと少
なく、強い重・軽ホール混合の反射が超格子中で生じ
る。
例えば4:4構造において伝導帯と価電子帯との間の転移
のための（001）偏光を有する方形マトリックス素子は
交差後約３桁大きさが低下する。これはバッファ層中の
Ge濃度の増加により波動関数のPz状成分の減少を反映し
たものである。シリコンバッファ上の（110）から（00
1）偏光になる伝導帯と価電子帯との間の転移のための
マトリックス素子の値における対応する降下はずっと少
なく、強い重・軽ホール混合の反射が超格子中で生じ
る。
ここで説明した逆交差は一般にSiGe超格子中で生じ
る。固定周期に対してはホール状態が交差するGe濃度は
M:Nの比（SiとGeの層の幅の比）が増加するにしたがっ
て減少する。このホール反転は光電子装置の設計者にと
っては重要である。光が放射される場合に通常は（11
0）偏光を有するTEモードでのみ放射され、したがって
放射は超格子軸に沿ってのみ生じる。しかしながら装置
がホール反転を示すような充分に高いGe濃度（約60％程
度）を有し、或いは一番上の原子価状態間の顕著な混合
があるバッファ（基体）上に形成されるならば、光はTE
およびTMの両モードで放射される。換言すれば、光は超
格子軸に垂直にも放射される。これは明らかに多くの装
置の応用を可能にし、設計者に他の光電子装置に側方
に、すなわち、基体と平行に結合することを可能にする
柔軟性を与える。
る。固定周期に対してはホール状態が交差するGe濃度は
M:Nの比（SiとGeの層の幅の比）が増加するにしたがっ
て減少する。このホール反転は光電子装置の設計者にと
っては重要である。光が放射される場合に通常は（11
0）偏光を有するTEモードでのみ放射され、したがって
放射は超格子軸に沿ってのみ生じる。しかしながら装置
がホール反転を示すような充分に高いGe濃度（約60％程
度）を有し、或いは一番上の原子価状態間の顕著な混合
があるバッファ（基体）上に形成されるならば、光はTE
およびTMの両モードで放射される。換言すれば、光は超
格子軸に垂直にも放射される。これは明らかに多くの装
置の応用を可能にし、設計者に他の光電子装置に側方
に、すなわち、基体と平行に結合することを可能にする
柔軟性を与える。
さらに連続するSiまたはGeの層は等しい厚さを有する
必要はないことが発見された。第３図の実施例を参照す
ると、Ｍ＝２であり、Ｎは6,10,14,18のセットから選択
され、“非均一”超格子構造（2:N1,2:N2,2:N3,2:N4,・
・・）を製造することが可能である。ここでN1,N2,N3等
は全て異なる必要はなく、これらはまた準直接性であ
る。明らかにそのような無数の構造の利用は電子特性の
調整において可成の自由度を設計者に与える。
必要はないことが発見された。第３図の実施例を参照す
ると、Ｍ＝２であり、Ｎは6,10,14,18のセットから選択
され、“非均一”超格子構造（2:N1,2:N2,2:N3,2:N4,・
・・）を製造することが可能である。ここでN1,N2,N3等
は全て異なる必要はなく、これらはまた準直接性であ
る。明らかにそのような無数の構造の利用は電子特性の
調整において可成の自由度を設計者に与える。
別のクラスの装置は一連の超格子領域SLI,SL2,SL3等
（ここでSLI等は超格子軸に沿った限定された量の各短
周期超格子である）を重ねて（或いは実際に互いに直角
に）製造することによって生成される。超格子SLI,SL2
等は中間バッファ層によって分離され、それらは全て同
じ組成を有する必要はない。
（ここでSLI等は超格子軸に沿った限定された量の各短
周期超格子である）を重ねて（或いは実際に互いに直角
に）製造することによって生成される。超格子SLI,SL2
等は中間バッファ層によって分離され、それらは全て同
じ組成を有する必要はない。
この発明による製造方法について以下簡単に説明す
る。もしも例えば装置が他のものと共に共通の基体上に
形成されるならば、シリコン（またはゲルマニウム）の
基体を使用することが都合が良い。この基体上に所望の
SiGe組成のバッファ層が適当な付着処理によりエピタキ
シャルに形成される。バッファ層はこの実施例では基体
と同じ格子パラメータを有していないため、“緩和され
た”、すなわち基体との境界において格子欠陥を有する
（もしもその組成に関して臨界的な厚さにわたってい
る）か、または弾性的に歪んでいる（もしも臨界的な厚
さより小さいならば）かのいずれかである。バッファ基
体境界面に格子欠陥をトラップすることは困難であるか
ら、一般に臨界的な厚さ（100乃至数1000オングストロ
ーム）より小さい歪のあるバッファ層を成長させること
が好ましい。そのような厚さは現在の技術によって容易
に可能である。分子ビームエピタキシ（MBE）がその後
使用されてバッファ層上にコヒーレントなシリコンとゲ
ルマニウムの連続層を成長させる。
る。もしも例えば装置が他のものと共に共通の基体上に
形成されるならば、シリコン（またはゲルマニウム）の
基体を使用することが都合が良い。この基体上に所望の
SiGe組成のバッファ層が適当な付着処理によりエピタキ
シャルに形成される。バッファ層はこの実施例では基体
と同じ格子パラメータを有していないため、“緩和され
た”、すなわち基体との境界において格子欠陥を有する
（もしもその組成に関して臨界的な厚さにわたってい
る）か、または弾性的に歪んでいる（もしも臨界的な厚
さより小さいならば）かのいずれかである。バッファ基
体境界面に格子欠陥をトラップすることは困難であるか
ら、一般に臨界的な厚さ（100乃至数1000オングストロ
ーム）より小さい歪のあるバッファ層を成長させること
が好ましい。そのような厚さは現在の技術によって容易
に可能である。分子ビームエピタキシ（MBE）がその後
使用されてバッファ層上にコヒーレントなシリコンとゲ
ルマニウムの連続層を成長させる。
MBEを使用する方法は同じでない完全な単一層を生成
する。もちろん単一層および層の厚さに対する前記の参
照は意図した技術的効果を得るために近似を含むことが
理解されるべきである。
する。もちろん単一層および層の厚さに対する前記の参
照は意図した技術的効果を得るために近似を含むことが
理解されるべきである。
事実、2:N構造より固有の準直接性が劣っている3:N構
造［Ｎ＝２（2n＋１）−１］もまた発光装置として使用
するのに充分に準直接性であることが予測される。Ｎの
値は上記のものに近似しており、そのため伝導帯状態は
超格子ブリュアン領域中で上方に分散する（または任意
の速度で顕著でなく下方に分散する）。特に3:5,3:9,3:
13,3:17,3:21等は準直接性［対称に対してＮ＝２（2n＋
１）−１＝4n＋１］である。
造［Ｎ＝２（2n＋１）−１］もまた発光装置として使用
するのに充分に準直接性であることが予測される。Ｎの
値は上記のものに近似しており、そのため伝導帯状態は
超格子ブリュアン領域中で上方に分散する（または任意
の速度で顕著でなく下方に分散する）。特に3:5,3:9,3:
13,3:17,3:21等は準直接性［対称に対してＮ＝２（2n＋
１）−１＝4n＋１］である。
さらに交互の層はシリコンとゲルマニムとして説明し
たが、実際には製造技術は複雑になるけれども超格子は
一方または両方の層の組に対してSiGe合金を使用するこ
ともできる（層から層に充分に異なる合金組成を与え
る）。それ故この発明は交互のSiGe合金ならびに純粋な
SiおよびGeを含むように拡張される。
たが、実際には製造技術は複雑になるけれども超格子は
一方または両方の層の組に対してSiGe合金を使用するこ
ともできる（層から層に充分に異なる合金組成を与え
る）。それ故この発明は交互のSiGe合金ならびに純粋な
SiおよびGeを含むように拡張される。
この発明は原理的に発光光電子装置として動作する充
分に準直接性である超格子を提供するものであるが、例
えば光検出装置（間接的であってもよい）として使用す
るのに適した装置も含むことを理解すべきである。
分に準直接性である超格子を提供するものであるが、例
えば光検出装置（間接的であってもよい）として使用す
るのに適した装置も含むことを理解すべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ８８１７８８４．３ (32)優先日 1988年７月27日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (31)優先権主張番号 ８８２０１５０．４ (32)優先日 1988年８月25日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (56)参考文献 特開 昭62−128183（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−28268（ＪＰ，Ａ)
Claims (10)
- 【請求項１】（100）方位の基体上にエピタキシャルに
成長されたSi,Ge系の異なる組成を有する第１の材料と
第２の材料との交互の層の積層体で構成されている短周
期の超格子を具備し、第１の材料は第２の材料と比較し
てシリコンの含有量が大きく、第１の材料の層はＭ単原
子層の厚さであり、第２の材料の層はＮ単原子層の厚さ
であり、ＭはＮよりも小であることを特徴とする半導体
装置。 - 【請求項２】第１の材料がシリコンであり、第２の材料
がゲルマニウムである請求項１記載の半導体装置。 - 【請求項３】Ｍ＝２（2m＋１）＋Ｘであり、Ｎ＝２（2n
＋１）−Ｘであり、Ｘは０または１であり、ｍは０また
は１または２であり、ｎは整数である請求項１または２
記載の半導体装置。 - 【請求項４】Ｍ＝２である請求項１乃至３のいずれか１
項記載の半導体装置。 - 【請求項５】Ｎ＝６である請求項３記載の半導体装置。
- 【請求項６】Ｍ＝３であり、Ｎ＝4n＋１であり、ｎは１
より大きい整数である請求項３記載の半導体装置。 - 【請求項７】基体が本質的にGaAsから構成されている請
求項１乃至６のいずれか１項記載の半導体装置。 - 【請求項８】基体が本質的にSi1-XGeXから構成され、ｘ
は0.5＜ｘ＜１の範囲である請求項１乃至６のいずれか
１項記載の半導体装置。 - 【請求項９】ｘは0.6≦ｘ＜１の範囲であり、M:Nの比率
が基体中のGeに対するSiの比率に近似している請求項８
記載の半導体装置。 - 【請求項１０】短周期の超格子は準直接バンドギャップ
発光装置を構成している請求項１乃至９のいずれか１項
記載の半導体装置。
Applications Claiming Priority (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB878729953A GB8729953D0 (en) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Semiconductor heterostructures |
| GB8729953 | 1987-12-23 | ||
| GB8807350.7 | 1988-03-28 | ||
| GB888807350A GB8807350D0 (en) | 1988-03-28 | 1988-03-28 | Semiconductor heterostructures |
| GB888817884A GB8817884D0 (en) | 1988-07-27 | 1988-07-27 | Semiconductor heterostructures |
| GB8817884.3 | 1988-07-27 | ||
| GB8820150.4 | 1988-08-25 | ||
| GB888820150A GB8820150D0 (en) | 1988-08-25 | 1988-08-25 | Semiconductor heterostructures |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03503343A JPH03503343A (ja) | 1991-07-25 |
| JP2740029B2 true JP2740029B2 (ja) | 1998-04-15 |
Family
ID=27450021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1501155A Expired - Lifetime JP2740029B2 (ja) | 1987-12-23 | 1988-12-22 | 半導体ヘテロ構造 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4959694A (ja) |
| EP (1) | EP0393135B1 (ja) |
| JP (1) | JP2740029B2 (ja) |
| CN (1) | CN1013536B (ja) |
| AT (1) | ATE114386T1 (ja) |
| CA (1) | CA1301957C (ja) |
| DE (1) | DE3852180T2 (ja) |
| HK (1) | HK137996A (ja) |
| WO (1) | WO1989006050A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US6664115B2 (en) * | 1992-10-23 | 2003-12-16 | Symetrix Corporation | Metal insulator structure with polarization-compatible buffer layer |
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| DE19714054A1 (de) * | 1997-04-05 | 1998-10-08 | Daimler Benz Ag | SiGe-Photodetektor mit hohem Wirkungsgrad |
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| WO2003096390A1 (en) * | 2002-04-15 | 2003-11-20 | Stanford University | High-k dielectric for thermodynamically-stable substrate-type materials |
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| CN115537916A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-12-30 | 上海理工大学 | 一种iv族直接带隙半导体超晶格材料及其应用 |
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| DE2139436A1 (de) * | 1971-08-06 | 1973-02-22 | Licentia Gmbh | Halbleiterlaser |
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-
1988
- 1988-12-22 EP EP89901135A patent/EP0393135B1/en not_active Expired - Lifetime
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- 1988-12-22 DE DE3852180T patent/DE3852180T2/de not_active Expired - Lifetime
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- 1988-12-22 CA CA000586931A patent/CA1301957C/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-12-22 WO PCT/GB1988/001118 patent/WO1989006050A1/en active IP Right Grant
- 1988-12-23 US US07/288,828 patent/US4959694A/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-12-23 CN CN88109267A patent/CN1013536B/zh not_active Expired
-
1996
- 1996-07-25 HK HK137996A patent/HK137996A/xx not_active IP Right Cessation
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