JPH0758357A - SiGe多重細線発光素子 - Google Patents

SiGe多重細線発光素子

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JPH0758357A
JPH0758357A JP20491793A JP20491793A JPH0758357A JP H0758357 A JPH0758357 A JP H0758357A JP 20491793 A JP20491793 A JP 20491793A JP 20491793 A JP20491793 A JP 20491793A JP H0758357 A JPH0758357 A JP H0758357A
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JP
Japan
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layer
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grown
thickness
substrate
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JP20491793A
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English (en)
Inventor
Kiyokazu Nakagawa
清和 中川
Akio Nishida
彰男 西田
Juichi Shimada
寿一 嶋田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】Si基板表面を凹凸に加工しておき、その上に
不純物を添加していないSi層を1nm以上50nm以
下の膜厚で成長し、その上に不純物を添加していないS
1-XGeX(0.2<X<0.5)層を10nm以上10
0nm以下の膜厚で結晶成長することで凹の底面および
凸の表面にSi1-XGeX層を分離して形成し、さらに不
純物を添加していないSi層を1nm以上50nm以下
の膜厚で成長するという方法で、厚さの厚いSi1-X
X膜でもGeの混晶比(x)の大きい膜でも良質の多
層構造が得られるようにして、発光効率の良いSi/S
1-XGeX/Si発光素子を可能にする。 【効果】欠陥発生のために発光効率の低かったSi/S
iGe/Si構造を用いて効率の良い発光素子構造を提
供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は四族半導体のSi,Ge
による発光素子および受光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】SiやGeの四族の半導体は間接遷移型
の半導体であるため発光効率が極めて低く発光素子とし
ては用いられず、トランジスタ等の電子素子として用い
られるのみであった。最近、例えばアプライド フィジ
ックス レターズ 1991年,巻58,ナンバー9,
頁957−頁958(Applied Physics Letters,Volume
58 Number 9(1991)pp.957−pp95
8.)に示されているようにSi基板/Si1-XGeX
造を用いることにより電流注入で発光が観測されて以来
Si,Geによる発光素子の研究が盛んとなっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】SiとGeの結晶格子
定数は4%異なるため、Si基板/Si1-XGeX/Si
多層構造ではSi1-XGeX層がGeの混晶比(x)に比
例する圧縮応力を上下のSi層から受けている。このた
めSi1-XGeX層に蓄積される歪みエネルギはSi1-X
GeX層の厚さだけではなくGeの混晶比(x)にも比
例することになる。この歪みエネルギのために、欠陥の
すくない良質の多層構造は厚さの薄いSi1-XGeX膜か
Geの混晶比(x)の小さい膜でしか得ることができな
かった。このため素子構造の設計に制限があり、発光や
受光の効率の低い素子構造しか実現できないという問題
があった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題を解
決するために、Si基板表面を凹凸に加工しておき、そ
の上に不純物を添加していないSi層を1nm以上50
nm以下の膜厚で成長し、その上に不純物を添加してい
ないSi1-XGeX(0.2<X<0.5)層を10nm以上
100nm以下の膜厚で結晶成長することで凹の底面お
よび凸の表面にSi1-XGeX層を分離して形成し、さら
に不純物を添加していないSi層を1nm以上50nm
以下の膜厚で成長するという方法で、厚さの厚いSi
1-XGeX膜でもGeの混晶比(x)の大きい膜でも良質
の多層構造が得られるようにし、発光効率を向上させた
ものである。
【0005】
【作用】Si基板表面を凹凸に加工してその上にSi層
とSi1-XGeX(0.2<X<0.5)層を成長すること
で凹の底面および凸の表面に分離してSi1-XGe
X(0.2<X<0.5)層を形成することができ、図1
に示すように凹凸の形状により細線または島上構造とす
ることができる。このような構造では一様な層状構造と
は異なり、Si1-XGeXの表面積が大きいために表面近
傍で歪みが解放され、厚さの厚いSi1-XGeX膜でもG
eの混晶比(x)の大きい膜でも良質の多層構造が得ら
れる。このため、100nm程度の厚いSi1-XGeX
を形成して光の閉じ込めを有効にし、さらに、Geの混
晶比(x)を大きくすることで注入キャリアのSi1-X
GeX膜内への閉じ込めを有効にして発光遷移確率を増
加させ、高効率の素子形成が可能となった。
【0006】
【実施例】(実施例1)p型Si(100)基板を電子
線リソグラフィ法とドライエッチング法を用いて図2
(a)の線幅約0.25μm,溝幅約0.25μm,深さ
0.15μm の構造に加工する。その後、化学洗浄を行
った後に分子線成長装置に入れ、表面清浄化した後に図
2(b)に示すように基板温度600℃程度でi型Si
層11を10nm成長し、さらにSi0.6Ge0.412を
50nm成長し、さらにi型Si層13を10nm成長
し、Siと同時にアンチモンを基板に蒸着することで図
2(c)のようにアンチモン濃度1×1017/cm3 のn
型Si層14を1μm成長し、最後にアンチモン濃度1
×1020/cm3 のn型Si層15を0.1μm 成長し、
分子線成長装置から取り出した。その後、アルミ電極の
真空蒸着を行い、フォトリソグラフィ法とドライエッチ
ング法により図2(d)の形状の発光素子を形成した。
【0007】(実施例2)n型Si(100)基板を電
子線リソグラフィ法とドライエッチング法を用いて図3
(a)の線幅約0.25μm,溝幅約0.25μm,深さ
0.15μm の構造に加工する。その後、化学洗浄を行
った後に分子線成長装置に入れ、表面清浄化した後に図
3(b)に示すごとく基板温度600℃程度でi型Si
層21を10nm成長しさらにSi0.6Ge0.422を5
0nm成長し、さらにi型Si層23を10nm成長
し、Siと同時にボロンを基板に蒸着することで図3
(c)のようにボロン濃度1×1017/cm3 のp型Si
層(24)を1μm成長し、最後にボロン濃度1×10
20/cm3 のp型Si層(25)を0.1μm成長し、分
子線成長装置から取り出した。その後、アルミ電極の真
空蒸着を行い、フォトリソグラフィ法とドライエッチン
グ法により図3(d)の形状の発光素子を形成した。
【0008】(実施例3)p型Si(100)基板を電
子線リソグラフィ法とドライエッチング法を用いて図4
(a)の線幅約0.25μm,溝幅約0.25μm,深さ
0.15μm の構造に加工する。その後、化学洗浄を行
った後に分子線成長装置に入れ、表面清浄化した後に図
4(b)に示すように基板温度600℃程度でi型Si
層31を10nm成長しさらにSi0.6Ge0.432を5
0nm成長し、さらにi型Si層33を10nm成長
し、Siと同時にアンチモンを基板に蒸着することで図
4(c)のようにアンチモン濃度1×1017/cm3 のn
型Si層34を1μm成長し、最後にアンチモン濃度1
×1020/cm320/cm3のn型Si層35を0.1μm
成長し、分子線成長装置から取り出した。その後、アル
ミ電極の真空蒸着を行い、フォトリソグラフィ法とドラ
イエッチング法により図4(d)の形状の受光素子を形
成した。
【0009】(実施例4)n型Si(100)基板を電
子線リソグラフィ法とドライエッチング法を用いて図5
(a)の線幅約0.25μm,溝幅約0.25μm,深さ
0.15μm の構造に加工する。その後、化学洗浄を行
った後に分子線成長装置に入れ、表面清浄化した後に図
5(b)に示すごとく基板温度600℃程度でi型Si
層41を10nm成長しさらにSi0.6Ge0.442を5
0nm成長し、さらにi型Si層43を10nm成長
し、Siと同時にボロンを基板に蒸着することで図5
(c)のようにボロン濃度1×1017/cm3 のp型Si
層44を1μm成長し、最後にボロン濃度1x1020
cm3のp型Si層(45)を0.1μm成長し、分子線
成長装置から取り出した。その後、アルミ電極の真空蒸
着を行い、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法
により図5(d)の形状の受光素子を形成した。
【0010】
【発明の効果】本発明によれば、100nm程度の厚い
Si1-XGeX膜でも良質の結晶が得られるようになり、
その結果、有効に光を閉じ込めることが可能となり、さ
らに、Geの混晶比(x)を大きくすることで注入キャ
リアのSi1-XGeX膜内への閉じ込めをも有効にして発
光遷移確率を増加させ、高効率の素子形成が可能となっ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理の説明図。
【図2】本発明の実施例1の説明図。
【図3】本発明の実施例2の説明図。
【図4】本発明の実施例3の説明図。
【図5】本発明の実施例4の説明図。
【符号の説明】
11…i型Si層、12…Si0.6Ge0.4層、13…i
型Si層、14…n型Si層、15…n型Si層。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】p型Si基板の表面を凹凸に加工してお
    き、その上に不純物を添加していないSi層を1nm以
    上50nm以下の膜厚で成長し、その上に不純物を添加
    していないSi1-XGeX(0.2<X<0.5)層を10n
    m以上100nm以下の膜厚で結晶成長することで、凹
    の底面と凸の表面とに分離されたSi1-XGeXを形成
    し、さらに不純物を添加していないSi層を1nm以上
    50nm以下の膜厚で成長し、1μm程度のn型Si層
    を成長した多層膜において、前記p型Si基板が正孔注
    入電極、最上層の前記n型Si層が電子注入電極であ
    り、前記Si1-XGeX層が発光領域であることを特徴と
    する発光素子。
  2. 【請求項2】n型Si基板の表面を凹凸に加工してお
    き、その上に不純物を添加していないSi層を1nm以
    上50nm以下の膜厚で成長し、その上に不純物を添加
    していないSi1-XGeX(0.2<X<0.5)層を10
    nm以上100nm以下の膜厚で結晶成長することで凹
    の底面と凸の表面に分離されたSi1-XGeX層を形成
    し、さらに不純物を添加していないSi層を1nm以上
    50nm以下の膜厚で成長し、1μm程度のp型Si層
    を成長した多層膜において、前記n型Si基板が電子注
    入電極、最上層の前記p型Si層が正孔注入電極であ
    り、前記Si1-XGeX層が発光領域であることを特徴と
    する発光素子。
  3. 【請求項3】p型Si基板の表面を凹凸に加工してお
    き、その上に不純物を添加していないSi層を1nm以
    上50nm以下の膜厚で成長し、その上に不純物を添加
    していないSi1-XGeX(0.2<X<0.5)層を10
    nm以上100nm以下の膜厚で結晶成長することで凹
    の底面および凸の表面にSi1-XGeX層を分離して形成
    し、さらに不純物を添加していないSi層を1nm以上
    50nm以下の膜厚で成長し、1μm程度のn型Si層
    を成長した多層膜において、前記p型Si基板が正孔取
    り出し電極、最上層の前記n型Si層が電子取り出し電
    極であり、前記Si1-XGeX層が受光領域であることを
    特徴とする受光素子。
  4. 【請求項4】n型Si基板の表面を凹凸に加工してお
    き、その上に不純物を添加していないSi層を1nm以
    上50nm以下の膜厚で成長し、その上に不純物を添加
    していないSi1-XGeX(0.2<X<0.5)層を10
    nm以上100nm以下の膜厚で結晶成長することで凹
    の底面および凸の表面にSi1-XGeX層を分離して形成
    し、さらに不純物を添加していないSi層を1nm以上
    50nm以下の膜厚で成長し、1μm程度のp型Si層
    を成長した多層膜において、前記n型Si基板が電子取
    り出し電極、最上層の前記p型Si層が正孔取り出し電
    極であり、前記Si1-XGeX層が受光領域であることを
    特徴とする受光素子。
JP20491793A 1993-08-19 1993-08-19 SiGe多重細線発光素子 Pending JPH0758357A (ja)

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JP20491793A JPH0758357A (ja) 1993-08-19 1993-08-19 SiGe多重細線発光素子

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429474A (zh) * 2019-07-31 2019-11-08 天津工业大学 一种全四族硅基c波段半导体激光器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429474A (zh) * 2019-07-31 2019-11-08 天津工业大学 一种全四族硅基c波段半导体激光器

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