JPH06101588B2 - 半導体材料 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体材料に関し、特に半導体材料の光機能
と性能の改良に関する。
と性能の改良に関する。
（従来の技術） 従来、発光素子用半導体材料として、単結晶砒化ガリウ
ム（GaAs）や、アモルファスシリコン（Si）半導体が用
いられている。単結晶砒化ガリウムは、直接遷移型のエ
ネルギバンド構造をもち、発光材料として適した材料で
あるからである。しかし、エネルギバンド幅εｇ＝1.43
eVであるため、発光波長λは0.867μｍであり、殆ど赤
外光である。一方、アモルファスシリコン半導体は、そ
の局在準位を通しての再結合により、発光強度が強く、
発光素子用材料をとして適した性質を有している。しか
し、アモルファスシリコンはエピタキシャル成長が不可
能であり、エピタキシャル成長を必要とする素子の製造
に難点がある。
ム（GaAs）や、アモルファスシリコン（Si）半導体が用
いられている。単結晶砒化ガリウムは、直接遷移型のエ
ネルギバンド構造をもち、発光材料として適した材料で
あるからである。しかし、エネルギバンド幅εｇ＝1.43
eVであるため、発光波長λは0.867μｍであり、殆ど赤
外光である。一方、アモルファスシリコン半導体は、そ
の局在準位を通しての再結合により、発光強度が強く、
発光素子用材料をとして適した性質を有している。しか
し、アモルファスシリコンはエピタキシャル成長が不可
能であり、エピタキシャル成長を必要とする素子の製造
に難点がある。
単結晶シリコン（Si）半導体材料は、エピタキシャル成
長が可能であるが、間接遷移型のエネルギバンド構造を
有するので、発光素子用材料としては不適当である。
長が可能であるが、間接遷移型のエネルギバンド構造を
有するので、発光素子用材料としては不適当である。
AlP、GaPは、それぞれ、エネルギバンド幅が、εｇ＝2.
43eV（λ=0.510μｍ）、εｇ＝2.25eV（λ=0.551μｍ）
であり、AlPは緑色、GaPは黄緑色の発光色を示し、可視
光の発光が可能であるが、間接遷移型のエネルギバンド
を有するので、発光効率が非常に悪い。
43eV（λ=0.510μｍ）、εｇ＝2.25eV（λ=0.551μｍ）
であり、AlPは緑色、GaPは黄緑色の発光色を示し、可視
光の発光が可能であるが、間接遷移型のエネルギバンド
を有するので、発光効率が非常に悪い。
（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来の発光素子用半導体材料は、そ
れぞれに問題点を有する。
れぞれに問題点を有する。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、エピタキシャル成長が可能な半導体材料にお
いて、発光材料として適した特性を具備する半導体材料
として不規則結晶半導体材料を提供することを目的とす
る。
たもので、エピタキシャル成長が可能な半導体材料にお
いて、発光材料として適した特性を具備する半導体材料
として不規則結晶半導体材料を提供することを目的とす
る。
「発明の構成」 （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するための本発明の第１の半導体材料
は、エピタキシャル成長可能な半導体材料であって、前
記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接遷移型と
直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなるエネルギ
バンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半導体層か
らなり、前記各半導体層はその面方向には規則正しく構
成されているが、前記各半導体層は、その厚み方向に
は、前記各半導体層を構成する原子層の層数或いは分子
層の層数、前記分子層のうち特定の分子層の組成、前記
半導体層への不純物添加のうちの少なくとも一つが不規
則に構成されることを特徴とする。
は、エピタキシャル成長可能な半導体材料であって、前
記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接遷移型と
直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなるエネルギ
バンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半導体層か
らなり、前記各半導体層はその面方向には規則正しく構
成されているが、前記各半導体層は、その厚み方向に
は、前記各半導体層を構成する原子層の層数或いは分子
層の層数、前記分子層のうち特定の分子層の組成、前記
半導体層への不純物添加のうちの少なくとも一つが不規
則に構成されることを特徴とする。
上記課題を解決するための本発明の第２の半導体材料
は、エピタキシャル成長可能な半導体材料であって、前
記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接遷移型と
直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなるエネルギ
バンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半導体層か
らなり、前記各半導体層はその厚み方向には規則正しく
配列されているが、前記各半導体層の組成分布、前記半
導体層への不純物添加のうちの少なくとも一つが前記半
導体層の面方向に不規則に構成されることを特徴とす
る。
は、エピタキシャル成長可能な半導体材料であって、前
記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接遷移型と
直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなるエネルギ
バンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半導体層か
らなり、前記各半導体層はその厚み方向には規則正しく
配列されているが、前記各半導体層の組成分布、前記半
導体層への不純物添加のうちの少なくとも一つが前記半
導体層の面方向に不規則に構成されることを特徴とす
る。
上記課題を解決するための本発明の第３の半導体材料
は、エピタキシャル成長可能な半導体材料であって、前
記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接遷移型と
直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなるエネルギ
バンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半導体層か
らなり、前記各半導体層はその厚み方向には前記各半導
体層を構成する原子層の層数或いは分子層の層数、前記
分子層のうち特定の分子層の組成、前記半導体層への不
純物添加のうちの少なくとも一つが不規則に構成され、
かつ前記半導体層の面方向には前記各半導体層の組成分
布、前記半導体層への不純物添加のうちの少なくとも一
つが不規則に構成されることを特徴とする。
は、エピタキシャル成長可能な半導体材料であって、前
記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接遷移型と
直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなるエネルギ
バンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半導体層か
らなり、前記各半導体層はその厚み方向には前記各半導
体層を構成する原子層の層数或いは分子層の層数、前記
分子層のうち特定の分子層の組成、前記半導体層への不
純物添加のうちの少なくとも一つが不規則に構成され、
かつ前記半導体層の面方向には前記各半導体層の組成分
布、前記半導体層への不純物添加のうちの少なくとも一
つが不規則に構成されることを特徴とする。
前記半導体層をシリコン層から構成し、前記シリコン層
にはデルタ・ドーピングにより不純物が不規則に添加さ
れてもよい。
にはデルタ・ドーピングにより不純物が不規則に添加さ
れてもよい。
前記半導体層はシリコンとゲルマニウムから構成しても
よい。
よい。
前記半導体材料を、超格子半導体材料で構成してもよ
い。
い。
前述したように、前記半導体層を、間接遷移型のエネル
ギバンド構造を有する材料で構成しても良いし、直接遷
移型のエネルギバンド構造を有する材料で構成しても良
いし、また直接遷移型のエネルギバンド構造を有する材
料と間接遷移型のエネルギバンド構造を有する材料の組
み合わせで構成しても良い。
ギバンド構造を有する材料で構成しても良いし、直接遷
移型のエネルギバンド構造を有する材料で構成しても良
いし、また直接遷移型のエネルギバンド構造を有する材
料と間接遷移型のエネルギバンド構造を有する材料の組
み合わせで構成しても良い。
（作 用） 間接遷移型半導体材料は、直接遷移型半導体材料に比較
して発光強度が低い。しかし、本発明のような不規則結
晶半導体材料によると、局在準位を多数形成することが
でき、その局在準位における運動量変化を、ハイゼンベ
ルグによる不確定性原理Δｒ・Δｋh/4πに基づき∞
とすることができる。従って、アモルファス性を有する
半導体材料が構成でき、エネルギ遷移確率を高めること
ができるので、その結果発光強度を高くすることができ
る。
して発光強度が低い。しかし、本発明のような不規則結
晶半導体材料によると、局在準位を多数形成することが
でき、その局在準位における運動量変化を、ハイゼンベ
ルグによる不確定性原理Δｒ・Δｋh/4πに基づき∞
とすることができる。従って、アモルファス性を有する
半導体材料が構成でき、エネルギ遷移確率を高めること
ができるので、その結果発光強度を高くすることができ
る。
更に、間接遷移型であるため発光素子として適さなかっ
たAlPやGaPといった大きなバンドギャップを有する材料
においても強い発光強度を期待できるので、現在より短
波長領域で発光する半導体発光素子を得ることができ
る。
たAlPやGaPといった大きなバンドギャップを有する材料
においても強い発光強度を期待できるので、現在より短
波長領域で発光する半導体発光素子を得ることができ
る。
また、間接遷移型であるシリコンを用いて半導体発光素
子を得ることができるので、シリコン材料を基本とした
光電子集積回路を得ることができる。従って、現在の半
導体技術を飛躍的に向上させることができる。
子を得ることができるので、シリコン材料を基本とした
光電子集積回路を得ることができる。従って、現在の半
導体技術を飛躍的に向上させることができる。
また、直接遷移型エネルギバンド構造を有する半導体材
料に本発明を適用すると、発光強度が更に増す。直接遷
移型エネルギバンド構造を有する材料と間接遷移型のエ
ネルギバンド構造を有する材料により、本発明の半導体
材料を作製すると、従来発光しにくかったものは発光し
易くなるし、従来発光し易かったものは更に発光し易く
なる。
料に本発明を適用すると、発光強度が更に増す。直接遷
移型エネルギバンド構造を有する材料と間接遷移型のエ
ネルギバンド構造を有する材料により、本発明の半導体
材料を作製すると、従来発光しにくかったものは発光し
易くなるし、従来発光し易かったものは更に発光し易く
なる。
また、従来技術であるエピタキシャル成長により半導体
材料を形成できるので、製造が容易である。
材料を形成できるので、製造が容易である。
（実施例） 第１図乃至第３図を参照して、本発明に係る半導体材料
の第１実施例を説明する。
の第１実施例を説明する。
第１図はｙ−ｚ平面に関しては規則的構成を有するが、
ｘ方向、即ち、厚み方向に不規則性を有する超格子半導
体材料である。GaAs基板10上に、エネルギバンド幅εｇ
の異なる半導体材料を不規則な分子層数で順次堆積させ
た材料である。例えば、εｇが2.17eVのAlAsとεｇが1.
43eVのGaAsを用いて、（AlAs）ｍ（GaAs）ｎを構成す
る。第３図に示すように、第１層を１分子層のAlAs層12
で構成し、第２層を２分子層のGaAs層14で構成し、第３
層を１分子層のAlAs層15で構成し、第４層を３分子層の
GaAs層16で構成する。以下同様にして、AlAs層とGaAs層
の層数に不規則性をもたせて、AlAs層とGaAs層を交互に
堆積する。各AlAs、GaAsの分子層の層数は、乱数表によ
り決定する。１、２、３の層数の出る確率Ｐ（１）、Ｐ
（２）、Ｐ（３）は各々1/3である。或いはＰ（１）＝
Ｐ（３）＝1/4、Ｐ（２）＝1/2というようにすることも
できる。
ｘ方向、即ち、厚み方向に不規則性を有する超格子半導
体材料である。GaAs基板10上に、エネルギバンド幅εｇ
の異なる半導体材料を不規則な分子層数で順次堆積させ
た材料である。例えば、εｇが2.17eVのAlAsとεｇが1.
43eVのGaAsを用いて、（AlAs）ｍ（GaAs）ｎを構成す
る。第３図に示すように、第１層を１分子層のAlAs層12
で構成し、第２層を２分子層のGaAs層14で構成し、第３
層を１分子層のAlAs層15で構成し、第４層を３分子層の
GaAs層16で構成する。以下同様にして、AlAs層とGaAs層
の層数に不規則性をもたせて、AlAs層とGaAs層を交互に
堆積する。各AlAs、GaAsの分子層の層数は、乱数表によ
り決定する。１、２、３の層数の出る確率Ｐ（１）、Ｐ
（２）、Ｐ（３）は各々1/3である。或いはＰ（１）＝
Ｐ（３）＝1/4、Ｐ（２）＝1/2というようにすることも
できる。
通常の超格子では上記ｍ、ｎは一定値であるが、本実施
例では上記ｍ、ｎは一定値ではない。
例では上記ｍ、ｎは一定値ではない。
次ぎに、上記半導体材料の作製法を第２図を用いて説明
する。基本的には分子線エピタキシャル法を用いる。10
-10〜10-11Torrの真空雰囲気中にGaAs基板10を配置す
る。そして、GaAs基板10の前面にはAs銃20、Al銃22、Ga
銃24を配置し、それぞれの銃からAs、Al、Gaの分子線を
GaAs基板10に吹き付ける。Al銃22とGa銃24の前にはシャ
ッター26、27が設けられている。As銃20から常にAsを放
出すると共に、シャッター26、28の開閉時間を前記乱数
を用いて不規則に制御することにより、AlAs層とGaAs層
の層数を不規則に変化させて、AlAs層とGaAs層を交互に
堆積する。このようにして、第一実施例の半導体材料が
形成される。なお、通常の超格子の作製法では、シャッ
ター26、28の開閉時間は不規則ではなく、ある定まった
規則的な時間である。
する。基本的には分子線エピタキシャル法を用いる。10
-10〜10-11Torrの真空雰囲気中にGaAs基板10を配置す
る。そして、GaAs基板10の前面にはAs銃20、Al銃22、Ga
銃24を配置し、それぞれの銃からAs、Al、Gaの分子線を
GaAs基板10に吹き付ける。Al銃22とGa銃24の前にはシャ
ッター26、27が設けられている。As銃20から常にAsを放
出すると共に、シャッター26、28の開閉時間を前記乱数
を用いて不規則に制御することにより、AlAs層とGaAs層
の層数を不規則に変化させて、AlAs層とGaAs層を交互に
堆積する。このようにして、第一実施例の半導体材料が
形成される。なお、通常の超格子の作製法では、シャッ
ター26、28の開閉時間は不規則ではなく、ある定まった
規則的な時間である。
このようにして形成された（AlAs）ｍ（GaAs）ｎの本発
明の半導体のホトルミネッセンス（PL）の温度特性を、
バルクの（AlAs）0.5（GaAs）0.5、通常の２分子層超格
子（AlAs）2/（GaAs）２、及び通常の３分子層超格子
（AlAs）3/（GaAs）３のそれと比較実験した。
明の半導体のホトルミネッセンス（PL）の温度特性を、
バルクの（AlAs）0.5（GaAs）0.5、通常の２分子層超格
子（AlAs）2/（GaAs）２、及び通常の３分子層超格子
（AlAs）3/（GaAs）３のそれと比較実験した。
（AlAs）ｍ（GaAs）ｎの本発明の半導体の特性は、4K、
77K及び常温において、それぞれ６×104、６×103、1.5
×101である。一方、（AlAs）0.5（GaAs）0.5（バル
ク）の場合には、それぞれ４×103、２×100、３×10-1
であり、（AlAs）2/（GaAs）２（通常超格子）の場合に
は、それぞれ５×102、1.5×100、５×10-1であり、（A
lAs）3/（GaAs）３（通常超格子）の場合には、それぞ
れ７×104、５×10-1、1.5×10-1であった。総合的に見
て、（AlAs）ｍ（GaAs）ｎの本発明の不規則結晶半導体
の特性は、4K、77K及び常温において、それぞれ6/7〜1.
5×10倍、３×103〜1.2×104倍、30〜100倍である。こ
のように本発明の半導体の発光特性は、バルク及び通常
の超格子に比較して格段に優れていることが分かる。
77K及び常温において、それぞれ６×104、６×103、1.5
×101である。一方、（AlAs）0.5（GaAs）0.5（バル
ク）の場合には、それぞれ４×103、２×100、３×10-1
であり、（AlAs）2/（GaAs）２（通常超格子）の場合に
は、それぞれ５×102、1.5×100、５×10-1であり、（A
lAs）3/（GaAs）３（通常超格子）の場合には、それぞ
れ７×104、５×10-1、1.5×10-1であった。総合的に見
て、（AlAs）ｍ（GaAs）ｎの本発明の不規則結晶半導体
の特性は、4K、77K及び常温において、それぞれ6/7〜1.
5×10倍、３×103〜1.2×104倍、30〜100倍である。こ
のように本発明の半導体の発光特性は、バルク及び通常
の超格子に比較して格段に優れていることが分かる。
次ぎに、間接遷移型半導体同士で構成される超格子に不
規則性を与えた第２実施例について説明する。この実施
例では、AlAs層とAl0.5Ga0.5As層を構成する分子層の層
数に不規則性をもたしている。即ち、（AlAs）ｍ（Al
0.5Ga0.5As）ｎにおいてｍ、ｎを不規則に変化させる。
（AlAs）ｍ（Al0.5Ga0.5As）ｎを作製するには、第１実
施例と同様に、分子線エピタキシャル法を用いる。各Al
As、Al0.5Ga0.5Asの分子層の層数は、乱数表により決定
する。１、２、３の層数の出る確率は各々1/3である。G
a分子線銃のシャッターの開閉時間により、Al0.5Ga0.5A
s、AlAsの層数を定める。
規則性を与えた第２実施例について説明する。この実施
例では、AlAs層とAl0.5Ga0.5As層を構成する分子層の層
数に不規則性をもたしている。即ち、（AlAs）ｍ（Al
0.5Ga0.5As）ｎにおいてｍ、ｎを不規則に変化させる。
（AlAs）ｍ（Al0.5Ga0.5As）ｎを作製するには、第１実
施例と同様に、分子線エピタキシャル法を用いる。各Al
As、Al0.5Ga0.5Asの分子層の層数は、乱数表により決定
する。１、２、３の層数の出る確率は各々1/3である。G
a分子線銃のシャッターの開閉時間により、Al0.5Ga0.5A
s、AlAsの層数を定める。
この不規則超格子（AlAs）ｍ（Al0.5Ga0.5As）ｎのPL特
性（フォトルミネッセンス特性）を、Al0.76Ga0.24Asバ
ルク混晶、および（AlAs）2/（Al0.5Ga0.5As）２ ２分
子層超格子のPL特性と比較した。不規則超格子（AlAs）
ｍ（Al0.5Ga0.5As）ｎ、Al0.76Ga0.24Asバルク混晶およ
び（AlAs）2/（Al0.5Ga0.5As）22分子層超格子はそれぞ
れ、605.0nm（2.049eV）、597.0nm（2.077eV）、597.5n
m（2.075eV）に発光ピークを示した。不規則超格子（Al
As）ｍ（Al0.5Ga0.5As）ｎの発光強度は、Al0.76Ga0.24
Asバルク混晶および（AlAs）2/（Al0.5Ga0.5As）２ ２
分子層超格子の発光強度に比べて、それぞれ14倍、2.3
倍であり、間接遷移の不規則超格子は、通常の超格子よ
り強い発光強度を示した。
性（フォトルミネッセンス特性）を、Al0.76Ga0.24Asバ
ルク混晶、および（AlAs）2/（Al0.5Ga0.5As）２ ２分
子層超格子のPL特性と比較した。不規則超格子（AlAs）
ｍ（Al0.5Ga0.5As）ｎ、Al0.76Ga0.24Asバルク混晶およ
び（AlAs）2/（Al0.5Ga0.5As）22分子層超格子はそれぞ
れ、605.0nm（2.049eV）、597.0nm（2.077eV）、597.5n
m（2.075eV）に発光ピークを示した。不規則超格子（Al
As）ｍ（Al0.5Ga0.5As）ｎの発光強度は、Al0.76Ga0.24
Asバルク混晶および（AlAs）2/（Al0.5Ga0.5As）２ ２
分子層超格子の発光強度に比べて、それぞれ14倍、2.3
倍であり、間接遷移の不規則超格子は、通常の超格子よ
り強い発光強度を示した。
次ぎに、Si（εｇ=1.12ev）とGe（εｇ=0.80eV）を用い
た不規則超格子の第３実施例を第４図を参照して説明す
る。Si基板40上に、Siの原子層とGeの原子層の層数を、
前述の実施例のように不規則に変化させて、エピタキシ
ャル成長によりSimGenを形成する。ｍ、ｎは一定でなく
不規則に変化する。この様な構成によっても、間接遷移
型の半導体の発光強度を増加させることができると共
に、製造技術において最もよく知られた材料であるシリ
コンを用いて光半導体装置を形成できるので、製造が容
易である。
た不規則超格子の第３実施例を第４図を参照して説明す
る。Si基板40上に、Siの原子層とGeの原子層の層数を、
前述の実施例のように不規則に変化させて、エピタキシ
ャル成長によりSimGenを形成する。ｍ、ｎは一定でなく
不規則に変化する。この様な構成によっても、間接遷移
型の半導体の発光強度を増加させることができると共
に、製造技術において最もよく知られた材料であるシリ
コンを用いて光半導体装置を形成できるので、製造が容
易である。
次ぎに、第５図および第６図を参照して、本発明に係る
半導体材料の第４実施例を説明する。この実施例では、
超格子を構成する半導体層の分子層数は第５図に示すよ
うに一定に設定されているが、前記半導体層の組成変化
が不規則となるように形成されている。例えば、（AlA
s）ａ（Al1-xGaxAs）ｂにおいて、通常の超格子のよう
にａとｂは一定に設定されていて、ａとｂは周期性を有
するが、各Al1-xGaxAs層でのｘ値が互いに不規則な値を
有する。
半導体材料の第４実施例を説明する。この実施例では、
超格子を構成する半導体層の分子層数は第５図に示すよ
うに一定に設定されているが、前記半導体層の組成変化
が不規則となるように形成されている。例えば、（AlA
s）ａ（Al1-xGaxAs）ｂにおいて、通常の超格子のよう
にａとｂは一定に設定されていて、ａとｂは周期性を有
するが、各Al1-xGaxAs層でのｘ値が互いに不規則な値を
有する。
このような不規則超格子（AlAs）ａ（Al1-xGaxAs）ｂ
は、第６図のような装置を用いて有機金属分子線エピタ
キシャル成長法により形成される。As銃20とGa銃24とに
設けられたシャッター30、28は常に開状態に保ち、Al銃
22のシャッター26を周期的に開閉する。Al銃22のシャッ
ター26が開状態のとき、Alの分子線の量は一定である
が、それぞれの開状態間のAlの分子線の量を不規則に変
化させる。また一つの開状態の間でAlの量は一定である
必要はない。そうすると、各Al1-xGaxAs層の組成を不規
則に変化させることができるので、不規則性を有する超
格子を得ることができる。
は、第６図のような装置を用いて有機金属分子線エピタ
キシャル成長法により形成される。As銃20とGa銃24とに
設けられたシャッター30、28は常に開状態に保ち、Al銃
22のシャッター26を周期的に開閉する。Al銃22のシャッ
ター26が開状態のとき、Alの分子線の量は一定である
が、それぞれの開状態間のAlの分子線の量を不規則に変
化させる。また一つの開状態の間でAlの量は一定である
必要はない。そうすると、各Al1-xGaxAs層の組成を不規
則に変化させることができるので、不規則性を有する超
格子を得ることができる。
この実施例においても先の実施例と同様な効果を得るこ
とができる。
とができる。
なお、（Al1-xGaxAs）ａ（Al1-yGayAs）ｂのように、両
方の層のｘ値、ｙ値を不規則に変化させても良い。
方の層のｘ値、ｙ値を不規則に変化させても良い。
更に、第１乃至第３実施例のように分子層の層数を不規
則に変化させると共に、第４実施例のように各層の組成
を不規則に変化させても良い。
則に変化させると共に、第４実施例のように各層の組成
を不規則に変化させても良い。
第７図および第８図を参照して、本発明の第５実施例を
説明する。第７図および第８図に示すように、Si基板50
上にエピタキシャル法によりSi原子層52を成長させると
共に、ボロンＢおよび燐Ｐを不規則的にデルタドーピン
グする。即ち、特定の位置における不純物の濃度や、ｎ
型とｐ型不純物のｘ軸方向の配列を不規則にする。第８
図は、Si原子層52のｘ軸方向のデルタドーピングの様子
と、そのデルタドーピングによるエネルギバンド構造を
示している。この実施例によると、シリコンのエピタキ
シャル成長とデルタドーピングにより、容易に高出力の
光半導体装置を作製できる。このようにシリコン材料だ
けにより光集積回路を実現できるメリットは大きい。
説明する。第７図および第８図に示すように、Si基板50
上にエピタキシャル法によりSi原子層52を成長させると
共に、ボロンＢおよび燐Ｐを不規則的にデルタドーピン
グする。即ち、特定の位置における不純物の濃度や、ｎ
型とｐ型不純物のｘ軸方向の配列を不規則にする。第８
図は、Si原子層52のｘ軸方向のデルタドーピングの様子
と、そのデルタドーピングによるエネルギバンド構造を
示している。この実施例によると、シリコンのエピタキ
シャル成長とデルタドーピングにより、容易に高出力の
光半導体装置を作製できる。このようにシリコン材料だ
けにより光集積回路を実現できるメリットは大きい。
この第５実施例の不純物ドーピングの技術を、第１乃至
第４実施例の少なくとも一つの実施例に適用すると、更
に半導体材料の不規則性を増すことができる。
第４実施例の少なくとも一つの実施例に適用すると、更
に半導体材料の不規則性を増すことができる。
以上の実施例では、ｘ方向、即ち厚み方向に不規則性を
実現していて、ｘ方向に対して直角なｙ−ｚ平面内では
半導体材料は均一、即ち規則的である。ところで、本発
明の技術的思想は、以下のようにさらに発展させること
ができる。ｘ方向における各原子層の厚み、分子層の厚
み、各分子層の組成、不純物の配列と濃度は規則的にし
て、ｙ−ｚ平面内において原子層の領域面積、分子層の
領域面積、分子層の組成、不純物濃度分布、不純物配列
のうちの少なくとも一つを不規則にすることも可能であ
る。
実現していて、ｘ方向に対して直角なｙ−ｚ平面内では
半導体材料は均一、即ち規則的である。ところで、本発
明の技術的思想は、以下のようにさらに発展させること
ができる。ｘ方向における各原子層の厚み、分子層の厚
み、各分子層の組成、不純物の配列と濃度は規則的にし
て、ｙ−ｚ平面内において原子層の領域面積、分子層の
領域面積、分子層の組成、不純物濃度分布、不純物配列
のうちの少なくとも一つを不規則にすることも可能であ
る。
例えば、第９図に示すように、ｙ−ｚ面内に、AlAs層60
とGaAs層62とを不規則的に配列してもよい。Al、Ga、In
はIII族元素であり、Ｐ、As、SbはＶ族元素であるの
で、III−Ｖ族半導体は９通り考えられる。特にAlAsとG
aAsは原子間距離が略同一であるので、ｙ−ｚ面内にAlA
sとGaAsとを不規則に配列することが可能である。
とGaAs層62とを不規則的に配列してもよい。Al、Ga、In
はIII族元素であり、Ｐ、As、SbはＶ族元素であるの
で、III−Ｖ族半導体は９通り考えられる。特にAlAsとG
aAsは原子間距離が略同一であるので、ｙ−ｚ面内にAlA
sとGaAsとを不規則に配列することが可能である。
更に、第10図に示すように、GaAs層66のｙ−ｚ面に集束
イオンビームを照射して、不純物層64を不規則に形成し
てもよい。
イオンビームを照射して、不純物層64を不規則に形成し
てもよい。
更に本発明を発展させて、ｘ方向およびｙ−ｚ面内の両
方において、上述した不規則性を実現してもよい。
方において、上述した不規則性を実現してもよい。
以下、本発明は、本発明の範囲内において、種々変形し
て実施できる。
て実施できる。
「発明の効果」 本発明のような半導体材料によると、局在準位を多数形
成することができ、その局在準位における運動量変化を
不確定性原理に基づき∞とすることができ、従って、エ
ネルギ遷移確率を高めることができる。その結果発光強
度を高くすることができる。更に、間接遷移型であるた
め発光素子として適さなかったAlPやGaPといった大きな
バンドギャップを有する材料においても強い発光強度を
期待できるので、現在より短波長領域で発光する半導体
発光素子が得られる。また、間接遷移型であるシリコン
を用いて半導体発光素子を得ることができるので、シリ
コンを基本とした光電子集積回路を得ることができる。
従って、現在の半導体技術を飛躍的に向上させることが
できる。
成することができ、その局在準位における運動量変化を
不確定性原理に基づき∞とすることができ、従って、エ
ネルギ遷移確率を高めることができる。その結果発光強
度を高くすることができる。更に、間接遷移型であるた
め発光素子として適さなかったAlPやGaPといった大きな
バンドギャップを有する材料においても強い発光強度を
期待できるので、現在より短波長領域で発光する半導体
発光素子が得られる。また、間接遷移型であるシリコン
を用いて半導体発光素子を得ることができるので、シリ
コンを基本とした光電子集積回路を得ることができる。
従って、現在の半導体技術を飛躍的に向上させることが
できる。
また、直接遷移型エネルギバンド構造を有する半導体材
料に本発明を適用すると、発光強度が更に増す。直接遷
移型エネルギバンド構造を有する材料と間接遷移型のエ
ネルギバンド構造を有する材料により、本発明の半導体
材料を作製すると、従来発光しにくかったものは発光し
易くなるし、従来発光し易かったものは更に発光し易く
なる。
料に本発明を適用すると、発光強度が更に増す。直接遷
移型エネルギバンド構造を有する材料と間接遷移型のエ
ネルギバンド構造を有する材料により、本発明の半導体
材料を作製すると、従来発光しにくかったものは発光し
易くなるし、従来発光し易かったものは更に発光し易く
なる。
また、従来技術であるエピタキシャル成長により本発明
の半導体材料を形成できるので、製造が容易である。
の半導体材料を形成できるので、製造が容易である。
第１図は本発明の第１実施例に係る半導体材料の斜視
図、第２図は第１図の半導体材料を製造するための方法
を示す図、第３図は第１実施例の半導体材料のエネルギ
バンド構造を示す図、第４図は本発明の第３実施例に係
る半導体材料の断面図、第５図は本発明の第４実施例に
係る半導体材料のエネルギバンド構造を示す図、第６図
は第４実施例の半導体材料を製造するための方法を示す
図、第７図は本発明の第５実施例に係る半導体材料の断
面図、第８図は本発明の第５実施例に係る半導体材料の
エネルギバンド構造を示す図、第９図および第10図は本
発明に係る他の実施例の半導体材料の平面図である。 10……GaAs基板、12、16……AlAs層、14……GaAs層、20
……As銃、22……Al銃、24……Ga銃、26、28、30……シ
ャッター、40、50……Si基板、52……Si分子層、60……
AlAs層、62……GaAs層、64……不純物層、66……GaAs層
図、第２図は第１図の半導体材料を製造するための方法
を示す図、第３図は第１実施例の半導体材料のエネルギ
バンド構造を示す図、第４図は本発明の第３実施例に係
る半導体材料の断面図、第５図は本発明の第４実施例に
係る半導体材料のエネルギバンド構造を示す図、第６図
は第４実施例の半導体材料を製造するための方法を示す
図、第７図は本発明の第５実施例に係る半導体材料の断
面図、第８図は本発明の第５実施例に係る半導体材料の
エネルギバンド構造を示す図、第９図および第10図は本
発明に係る他の実施例の半導体材料の平面図である。 10……GaAs基板、12、16……AlAs層、14……GaAs層、20
……As銃、22……Al銃、24……Ga銃、26、28、30……シ
ャッター、40、50……Si基板、52……Si分子層、60……
AlAs層、62……GaAs層、64……不純物層、66……GaAs層
Claims (10)
- 【請求項１】エピタキシャル成長可能な半導体材料であ
って、前記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接
遷移型と直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなる
エネルギバンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半
導体層からなり、前記各半導体層はその面方向には規則
正しく構成されているが、前記各半導体層は、その厚み
方向には、前記各半導体層を構成する原子層の層数或い
は分子層の層数、前記分子層のうち特定の分子層の組
成、前記半導体層への不純物添加のうちの少なくとも一
つが不規則に構成されることを特徴とする半導体材料。 - 【請求項２】エピタキシャル成長可能な半導体材料であ
って、前記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接
遷移型と直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなる
エネルギバンド構造を有し、前記半導体材料が複数の半
導体層からなり、前記各半導体層はその厚み方向には規
則正しく配列されているが、前記各半導体層の組成分
布、前記半導体層への不純物添加のうちの少なくとも一
つが前記半導体層の面方向に不規則に構成されることを
特徴とする半導体材料。 - 【請求項３】エピタキシャル成長可能な半導体材料であ
って、前記半導体材料が間接遷移型、直接遷移型、間接
遷移型と直接遷移型の組み合わせのうちの一つからなる
のエネルギバンド構造を有し、前記半導体材料が複数の
半導体層からなり、前記各半導体層はその厚み方向には
前記各半導体層を構成する原子層の層数或いは分子層の
層数、前記分子層のうち特定の分子層の組成、前記半導
体層への不純物添加のうちの少なくとも一つが不規則に
構成され、かつ前記半導体層の面方向には前記各半導体
層の組成分布、前記半導体層への不純物添加のうちの少
なくとも一つが不規則に構成されることを特徴とする半
導体材料。 - 【請求項４】前記半導体層はシリコン層からなり、前記
シリコン層にはデルタ・ドーピングにより不純物が不規
則に添加されることを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項から第（３）項のうちのいづれか１項に記載の
半導体材料。 - 【請求項５】前記半導体層はシリコンとゲルマニウムか
らなることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項から
第（３）項のうちのいづれか１項に記載の半導体材料。 - 【請求項６】前記各半導体層はGaAs層とAlAs層とからな
り、GaAs層とAlAs層を構成する各分子層の層数が不規則
に変化していることを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項または第（３）項に記載の半導体材料。 - 【請求項７】前記各半導体層はAlAs層とAl0.5Ga0.5As層
からなり、AlAs層とAl0.5Ga0.5As層とを構成する各分子
層の層数が不規則に変化していることを特徴とする特許
請求の範囲第（１）項または第（３）項に記載の半導体
材料。 - 【請求項８】前記各半導体層はAlAs層とAl1-XGaXAs層か
らなり、AlAs層とAl1-XGaXAs層とを構成する各分子層の
層数は一定に設定されていて、各Al1-XGaXAs層の組成が
不規則に変化していることを特徴とする特許請求の範囲
第（２）項または第（３）項に記載の半導体材料。 - 【請求項９】前記各半導体層はAl1-XGaXAs層とAl1-YGaY
As層からなり、Al1-XGaXAs層とAl1-YGaYAs層とを構成す
る各分子層の層数は一定に設定されていて、各Al1-XGaX
As層とAl1-YGaYAs層の組成が不規則に変化していること
を特徴とする特許請求の範囲第（２）項または第（３）
項に記載の半導体材料。 - 【請求項１０】前記半導体材料は、超格子半導体材料で
あることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項から第
（９）項のうちのいづれか１項に記載の半導体材料。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21560189A JPH06101588B2 (ja) | 1989-08-22 | 1989-08-22 | 半導体材料 |
| US08/039,558 US5372658A (en) | 1989-08-22 | 1993-03-22 | Disordered crystalline semiconductor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21560189A JPH06101588B2 (ja) | 1989-08-22 | 1989-08-22 | 半導体材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0379088A JPH0379088A (ja) | 1991-04-04 |
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Also Published As
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|---|---|
| JPH0379088A (ja) | 1991-04-04 |
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