JPH03503343A

JPH03503343A - 半導体ヘテロ構造

Info

Publication number: JPH03503343A
Application number: JP1501155A
Authority: JP
Inventors: ゲル，ミカエル・アンソニー
Original assignee: ブリテツシユ・テレコミユニケイシヨンズ・パブリツク・リミテツド・カンパニー
Priority date: 1987-12-23
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1991-07-25
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: EP0393135A1; JP2740029B2; DE3852180D1; WO1989006050A1; CA1301957C; DE3852180T2; CN1013536B; CN1035585A; HK137996A; ATE114386T1; EP0393135B1; US4959694A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】半導体へテロ構造この発明は、シリコンとゲルマニウム（または５ｉＧｅ合金）の交互の組を備え、少なくとも１組の層は弾性変形状態にあるように、したがってコヒーレントな短周期超格子を定めるように充分に薄い半導体へテロ構造に関する。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プへテロ構造に関するが、それに限定されるものではない。

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プを有する材料の交互の層を備えたベ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２つの状態の一つが必ず得られる。すなイツち格子欠陥が層間に生成されるか、または（もしも、１組の層が非常に薄いならばその場合のみ）一方または両方の組の層は恒久的な弾性変形状態にある。

Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ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する（さらに再結合中心を発生させる）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。それ故超薄形シリコン／ゲルマニウム超格子構造の可能性が重要であり、これらは１０年以上にわたって理論的に論じられた。しかしながら弾性変形が残った状態のままである層を生成する必要があるのでそのような微細層（典型的には１乃至３０層の原子で構成されている）の付着ができるような製造技術はつい最近開発されたに過ぎない。

さらにそのような超格子の微細構造は特徴づけることが非常に困難である。換言すればそのような構造を製造するならば、しばしば構造がどのようであるかを述べることができない。

初期の議論ではまた変形した層の電子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はどうあらねばならないかのいく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、そのような理論は実用化の助けにはならない。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、過大なコンピュータハードウェアが要求される。本発明は新しい形式のへテロ構造装置の実現を可能にする手段を開発したものである。

本発明によれば、０００）方位の基体上にエピタキシャル成長させたＳｉ／Ｇｅ系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する半導体装置が提供され、シリコン層はＭ個の単層の厚さであり、ゲルマニウム層はＮ個の単層の厚さであり、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。

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は整数である。

特に好ましい実施例ではＭ−２、Ｎ−６である。

別の例ではＭ−３、Ｎ−（４ｎ＋１）であり、ｎは１より大きい整数である。

１実施例では基体は装置の基体である。

その代りに基体は装置の基体上にエピタキシャル成長したバッファ層である。基体はＧａＡｓまたはＳｉ１．、、ＸＧｅＸから本質的に構成され、Ｘは０．５＜Ｘ＜１であり、ｏ、ｅ＜ｘ＜１であることが好ましい。この後者の実施例でＭＡＮ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態様によれば、層と共通平面の方向に光を放射することのできる装置が提供される。

ＳｉとＧｅは共に間接バンドギャップ材料であるけれども、５ｉＧｅ超格子は装置品質の発光構造として使用されるように充分に準直接である（すなわちそれらの光学的マトリックス素子は直接バンドギャップ材料に近似する一数オーダーの大きさで近接する）。

この発明の１態様によれば、上記のような発光装置が提供される。

そのような構造は現在のシリコンをベースとしたＶＬＳＩ技術とよく適合し、ＧａＡｓ系よりも材料の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。

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。

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。

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４原子の単層構造を構成していると考えられる。

ａはＳｉでは５，４３人、Ｇｅでは５，６５人であるから、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（００１）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、　２ｅ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。従来の提案では基体は典型的にＳｉであり、ＮはＭに等しくされている。

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　、　Ｊ　ＣＢｅａｎ、Ｊ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　８１，４１１頁、１９８７年）に記載されているような分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を使用して製作されることが好ましい。

基体またはバッファ層１の第１の効果は、もしもバッファ層１がＧｅであり、隣接するＳｔ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、　３ｂ、　３ｃは歪を受けないならば、弾性変形の分布は指定される。もしも基体がＳｉであれば反対になり、また５ｉＧｅ基体はＳｉ層とＧｅ層との間で歪を分配させる（もちろん純粋な基体、特に純粋なＳｉを使用すればずっ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であった）。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応答特性から簡単に決定され近似さ口る。

製作される装置の超格子（００１）軸に沿った最大寸法はまた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８１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層の間で対称に分布し、装置は任意所望の大きさに成長させることができる。もしも歪が対称に分布しないならば、（もちろん純粋なＳｌまたはＧｅバッファの場合には常にそうである）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。

したがってこの発明は、高いＧｅバッファの使用が示された場合にはＧａＡｓが置換される（ａ−５，６５人としＣ）ことができる。

この種の歪の効果は、全体として格子の対称性を低下させ（もはや立方体ではない）、そうでない場合の再生状態の分割および光学的選択規則の変更を生じる。

またイントリンシックから超格子構造への新しい光学的転移がモーメント混合により生じる。

５ｉＧｅ超格子はスピン軌道結合を有する実験的局部原子仮想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。

良好な光学的特性を有する装置に対する第１の要求は最低エネルギ交差ギャップ転移確率が高いことである（例えばＧａＡｓの直接領域中心転移と比較して）。

Ｐ　（Ｌを光学的ダイポールマトリックス素子として１０ｇ１ｏｌＬｌとして定められた転移確率）とＭの値（Ｓｉ層の単層群の厚さ）との間の規則的な相関関係が発見され、Ｎ（Ｇｅ層の厚さ）の所定の値に対して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、それ故これはこの発明の好ましい特徴である。

またＮは同様の“選択原理”に従い、（１）高い転移確率を与えるＮの値、および（ｉｉ）超格子ブリローイン領域の中心において超格子伝導バンド中に包括的最小値を有する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。

これらの原則内のこの発明の好ましい実施例は以下説明するような理由により２：６．２：１０．２：１４．２：１ｇ、　２：２２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。

超格子構造は“領域折曲げ（ｚｏｎｅ（ｏｌｄｌｎｇ）”を生じる。

すなわちモーメント状Ｂ（ｋ）空間で表されるとき超格子ブリローイン領域の中心に向かってバルクのブリローイン領域の縁部付近の状態がマツプして戻ることを行なわせる。折曲げに応じてこれはもっと低いエネルギレベルを有するオフセンター状態を生成することができ、したがって間接バンドギャップ材料を生成する。しかしながら、バッファ層１の組成はこの領域折曲げの状況を決定する主要部分を担い、特にバッファ層が約２０％以上のＧｅを含むときこれらの超格子は準直接となり、したがって光放射に適したものとなる。バッファ層は光転移確率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の組成はまた超格子バンド構造の他の点に関しても影響する。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の一番上の領域中心原子価状態はｍＪ−３７２状態である。Ｇｅバッファ層の場合に、Ｓｉ層だけが四角形の歪下にあり、バルクＳｉの一番上の領域中心の原子価状態はｉｌｌ、ｍ１／２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５ｉＧｅバッファ組成に対して一定したままであるが、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ＳＬからＧｅバッファになるにしたがって低下する（約０．７ｅＶから０．３ｅＶに）。領域中心バルク原子価状態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領域中心超格子状態から反対に交差したｍＪ−８７２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成分において生じる（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の変化それ自身を示す。

例えば４：４構造においてＶ２−Ｃ５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ｖ２状態の波間数のＰ２２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（００１）偏光になるＶｌ−０５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５ｉＧｅ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（１１０）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、或いは一番上の原予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結合する（基体と平行に）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−”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Ｎｌ。

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ＳＬｌ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５ｉＧｅ組成のバッファ層が適当な０１着処理によりエビタギ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く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。

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）−１１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ローイ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ウムとして説明されたけれど、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５ｉＧｅ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５ｉＧｅ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。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）１６国際出願番号Ｐ　ＣＴ／’ＧＢ８８１０１１１８２、発明の名称半導体へテロ構造３、特許出願人名称　ブリテラシュ・テレコミュニケイションズ・パブリック・国籍　イギリス国４６代理人東京都千代田区霞が関３丁目７番２号長されたＳｉ、Ｇｅ系内の異なる組成の第１および第２の材料の交互の層の短周期の超格子を具備し、第１の材料の層は第２の材料の層よりも実質的に多くのシリコンを含み、第１の材料の層は単層のＭ倍の厚さであり、第２の材料の層は単層のＮ倍の厚さであり、ＭはＮよりも小である半導体装置。

（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。

（３）Ｍ−２（２ｍ＋１）　十Ｘ、Ｎ−２（２ｎ＋１）−Ｘであり、Ｘ−０または１．ｍ−０，１，または２であり、ｎはか］項記載の半導体装置。

（５）Ｎ−６である請求項３または４記載の半導体装置。

（６）ｎか０＜ｎ＜６である請求項３または４記載の半導体装置。

（７）Ｏ＜ｎ＜５である請求項６記載の半導体装置。

（８）ｎが６乃至１０の範囲にある請求項３または４記載の半導体装置。

（９）Ｍ−３，Ｎ−（４ｎ＋１）であり、ここでｎは１より大きい整数である請求項３紀載の半導体装置。

（１０）基体が装置の基体である請求項１乃至９のいずれか１項記載の半導体装置。

（１１）基体が装置の基体上にエピタキシヤリに形成されたバッファ層である請求項１乃至９のいずれか１項記載の半導体装置。

（１２）基体が本質的にＧａＡｓから構成されている請求項１０または１１記載の半導体装置。

（１３）基体が本質的に５ｉｔ−）ＨＧｅＸから構成され、Ｘが、０．５　＜ｘ＜　１の範囲である請求項１０または１１記載の半導体装置。

（１４）　Ｘが、０，６≦Ｘく１の範囲である請求項１３記載の半導体装置。

（１５）　Ｍ　：　Ｎの比が基体中のシリコンとゲルマニウムの比に近似している請求項１４記載の半導体装置。

（１Ｇ）少なくとも連続する複数の第２の材料の層のＮの値が等しくない請求項１乃至１５のいずれか１項記載の半導体装置。

（１７）準直接バンドギャップ装置である請求項１乃至１６のいずれか１項記載の装置。

（１８）発光装置である請求項１７記載の装置。

（Ｉ９）層と同一平面方向に光を放射する発光装置である請求項１８記載の装置。

（２０）光検出装置として構成されている請求項１乃至１７のいずれか１項記載の半導体装置。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）−１０国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ８８／　０１１１８２、発明の名称半導体へテロ構造３、特許出願人住所　イギリス国　イー・シー１ニー、７エイ・ジエイ、ロンドン。

ニューゲイト・ストリート＄１名称　ブリテラシュ・テレコミュニケイションズ・ノ（ブリック・国籍　イギリス国４、代理人東京都千代田区霞が関３丁目７番２号明　　　　細　　　　書半導体へテロ構造この発明は、シリコンとゲルマニウム（または５ｉＧｅ合金）の交互の組を備え、少なくとも１絹の層は弾性変形状態にあるように、したがってコヒーレントな短周期超格子を定めるように充分に薄い半導体へテロ構造に関する。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プへテロ構造に関するが、それに限定されるものではない。

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プを有する材料の交互の層を備え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２つの状態の一つが必ず得られる。すなわち格子欠陥が層間に生成されるか、または（もしも、１組の層が非常に薄いならばその場合のみ）一方または両方の組の層は恒久的な弾性変形状態にある。

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する（さらに再結合中心を発生させる）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。それ故超薄形シリコン／ゲルマニウム超格子構造の可能性が重要であり、これらは１０年以上にわたって理論的に論じられた。しかしながら弾性変形が残った状態のままである層を生成する必要があるのでそのような微細層（典型的には１乃至３０層の原子で構成されている）の付着ができるような製造技術はつい最近開発されたに過ぎない。

本発明によれば、（１００）方位の基体上にエピタキシャル成長させたＳｉ／Ｇｅ系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する半導体装置が提供さ第２の材料の層はＮ個の単層の厚さであり、ＭはＮよりも小さい。

第］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。

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−Ｏまたは１であり、ｍ−０，１，または２であり、ｎは整数である。

特に好ましい実施例ではＭ−２、Ｎ−６である。

１実施例では基体は装置の基体である。

その代りに基体は装置の基体上にエピタキシャル成長したバッファ層である。基体はＧａＡｓまたはＳｔ、）（Ｇｅ）（から本質的に構成され、Ｘは０．５＜Ｘ＜１であり、ｏ、ｅ＜ｘ＜１であることが好ましい。この後者の実施例でＭＡＮ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。

ＳｉとＧｅは共に間接バンドギャップ材料であるけれども、５ｉＧｅ超格子は装置品質の発光構造として使用されるように充分に準直接である（すなわちそれらの光学的マトリ・ンクス素子は直接バンドギャップ材料に近似する一敗オーダーの大きさで近接する）。

第２図は短周期Ｓｉ／Ｇｅ超格子構造の概略図を示す。

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４原子の１１１層構造を構成していると考えられる。

ａは３ｉては５．４３人、Ｇｅでは５．６５人であるから、２つの格Ｊ’間には約４９６の格子不整合かある。短周期超格子ではこれは一方または双方の層の絹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（００１）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、　ａｂ、　３ｃの交Ｕｌ′、のエピタキシャル層を備えている。従来の提案では基体は典型的にＳｉであり、ＮはＭに等しくされている。

基体またはバッファ層ｌの第１の効果は、もしもバッファ層ＩがＧｅであり、隣接するＳｉ層２ａおよび後続するＳｔ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、　３ｂ、　３ｃは歪を受けないならば、弾性変形の分布は指定される。もしも基体がＳｉであれば反対になり、また５ｉＧｅ基体はＳｉ層とＧｅ層との間で歪を分配させる（もちろん純粋な基体、特に純粋なＳｉを使用すればずっ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であった）。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応答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はまた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層の間で対称に分布し、装置は任意所望の大きさに成長させることができる。もしも歪が対称に分布しないならば、（もちろん純粋なＳｉまたはＧｅバッファの場合には常にそうである）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。

したがってこの発明は、高いＧｅバッファの使用が示された場合にはＧａＡｓバッファか置換される（ａ−５，６５人として）ことができる。

この種の歪の効果は、全体として格子の対称性を低下させ（もはや立方体ではない）、そ・うでない場合の再生状態の分割および光学的選択規則の変更を生じる。またイントリンシックから超格子構造への新しい光学的転移がモーメント混合により生じる。

良好な光学的特性を存する装置に対する第１の要求は最低エネルギ交差ギャップ転移確率が高いことである（例えばＧａＡｓの直接領域中心転移と比較して）。

Ｐ　（Ｌを光学的ダイポールマトリックス素子として’ＯｇｔｏｌＬｌとして定められた転移確率）とＭの値（Ｓｉ層の単層群の厚さ）との間の規則的な相関関係が発見され、Ｎ（Ｇｅ層の厚さ）の所定の値に対してＰはＭ＝２．　６．　１．０・・・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、それ故これはこの発明の好ましい特徴である。

またＮは同様の“選択原理”に従い、（ｉ）高い転移確率を与えるＮの値、および（ｉ　ｉ）超格子ブリローイン領域の中心において超格子伝導バンド中に包括的最小値を有するＮの値はＮ−２（２ｎ＋ｌ）であり、ｎは１，２．３−・・であり、またＮ＜＞Ｍである。

これらの原則内のこの発明の好ましい実施例は以下説明するような理由により２：６．２：１．０．２：Ｌ４．２：１ｇ、　２：２２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。

超格子構造は“領域折曲げ（ｚｏｎｅ−ｆ’ｏｌｄｉｎｇ）”を生じる。

すなわちモーメント状態（ｋ）空間で表されるとき超格子ブリローイン領域の中心に向かってバルクのブリローイン領域の縁部付近の状態がマツプして戻ることを行なわせる。折曲げに応じてこれはもっと低いエネルギレベルを有するオフセンター状態を生成することができ、したがって間接バンドギャップ材料を生成する。しかしながら、バッファ層１の組成はこの領域折曲げの状況を決定する主要部分を担い、特にバッファ層が約２０％以上のＧｅを含むときこれらの超格子は準直接となり、したがって光放射に適したものとなる。バッファ層は光転移確率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）■の組成はまた超格子バンド構造の他の点に関しても影響する。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の一番上の領域中心原子価状態はｍＪ−３／２状態である。Ｇｅバッファ層の場合に、Ｓｉ層だけが四角形の歪下にあり、バルクＳｉの一番上の領域中心の原子価状態は１７１Ｊ１１１１１／２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５ｉＧｅバッファ組成に対して一定したままであるが、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０．７ｅＶから０．３ｅＶに）。領域中心バルク原子価状態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領域中心超格子状態から反対に交差したｍ、−３７２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成分において生じる（約６０％であるが、超格子のＭＡＮ比に関係している）。

このクロスオーバーは光学的特性の変化それ自身を示す。

例えば４：４構造においてＶ２−Ｃ５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Ｇｅａ度の増加によりＶ２状態の波関数のＰ２２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（００１）偏光になるＶｌ−Ｃ５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１７た逆交差は一般に５ｉＧｅ超格子中で生じる。

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（１１０）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。

さらに連続するＳｉまたはＧｅ０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８　、１０．１４．１８のセットから選択され、“非均−”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Ｎｌ。

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。

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Ｓ　ｉＧｅ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く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。

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ローイ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。

国際調査報告１Ｍ１６Ｍｍ１１６ＲＭｌ＾＃ｅ”ｃＩＩ＝−Ｎ−、ＰＣＴ／ＧＢ　　８８１０１１１８国際調査報告ＧＢ　８８０１１１Ｂ圭

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（１００）方位基体上にエピタキシャルに成長されたＳｉ，Ｇｅ系内の異なる組成の第１および第２の材料の交互の層の短周期の超格子を具備し、シリコン層は単層のＭ倍の厚さであり、ゲルマニウム層は単層のＮ倍の厚さであり、ＭはＮよりも小である半導体装置。
（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。
（３）Ｍ＝２（２ｍ＋１）＋Ｘ，Ｎ＝２（２ｎ＋１）−Ｘであり、Ｘ＝０または１，ｍ＝０，１，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。
（４）Ｍ＝２である請求項３記載の半導体装置。
（５）Ｎ＝６である請求項３または４記載の半導体装置。
（６）ｎが０＜ｎ＜６である請求項３または４記載の半導体装置。
（７）０＜ｎ＜５である請求項６記載の半導体装置。
（８）ｎが６乃至１０の範囲にある請求項３または４記載の半導体装置。
（９）Ｍ＝３，Ｎ＝（４ｎ＋１）であり、ここで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。
（１０）基体が装置の基体である請求項１乃至９のいずれか１項記載の半導体装置。
（１１）基体が装置の基体上にエピタキシャリに形成されたバッファ層である請求項１乃至９のいずれか１項記載の半導体装置。
（１２）基体が本質的にＧａＡｓから構成されている請求項１０または１１記載の半導体装置。
（１３）基体が本質的にＳｉ１−ｘＧｅｘから構成され、Ｘが、０．５＜Ｘ＜１の範囲である請求項１０または１１記載の半導体装置。
（１４）Ｘが、０．６≦Ｘ＜１の範囲である請求項１３記載の半導体装置。
（１５）Ｍ：Ｎの比が基体中のシリコンとゲルマニウムの比に近似している請求項１４記載の半導体装置。
（１６）少なくとも連続する複数の第２の材料の層のＮの値が等しくない請求項１乃至１５のいずれか１項記載の半導体装置。
（１７）準直接バンドギャップ装置である請求項１乃至１６のいずれか１項記載の装置。
（１８）発光装置である請求項１７記載の装置。
（１９）層と同一平面方向に光を放射する発光装置である請求項１８記載の装置。
（２０）光検出装置として構成されている請求項１乃至１７のいずれか１項記載の半導体装置。