JPS607121A - 超格子の構造 - Google Patents

超格子の構造

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JPS607121A
JPS607121A JP11380183A JP11380183A JPS607121A JP S607121 A JPS607121 A JP S607121A JP 11380183 A JP11380183 A JP 11380183A JP 11380183 A JP11380183 A JP 11380183A JP S607121 A JPS607121 A JP S607121A
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semiconductor
layer
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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】 本発明は高いキャリア濃度を実現できる超格子の構造に
関する。
従来の化合物半導体への不純物のドーピングの方法は、
Stや伽の単元素からなる元素半導体へのドーピングと
同様に、一様に化合物半導体中に不純−を含有させるも
のである。したがって、不純物をドーピングした化合物
半導体の従来の構造は、ドーピングした不純物と化合物
半導体を構成する原子の一部とが置換して(格子間に不
純物が入る場合もある)、化合部半導体中にほぼ一様に
不純物が分布したものとなって〜・る。GaAs、 I
nPのような化合物半導体では、このような不純物を一
様に分布させた構造によっても容易に高い電子濃度およ
び正孔濃度を得ることができるが、化合物半導体の中に
はAdz Ga1−x As (x = 0.2〜0.
6 )中へのシリコン(St)のドーピングのように、
このような従来構造では高いキャリア濃度が容易には得
られないものもある。
従来の不純物をドーピングした化合物半導体の構造につ
いて図面を用いて説明する。
第1図は従来の不純物をドーピングした化合物半導体の
概略断面図である。1は半導体基板、2は不純物、3は
不純物2を均一に含有し半導体基板1の上に形成した化
合物半導体層である。
従来構造では容易に高いキャリア濃度が得られないもの
の例として、AA!(1,s Gao、y As中への
Siのドーピングを説明すると次のようになる。分子線
エピタキシ(MBE)法により基板温度を580℃とじ
てStをI X 10”m ’含有するAl o、aG
a O,7AIlを成長させると、室温での電子濃度(
n)がlXl0”−一3程度で、さらに液体窒素温度(
77k)ではn〈1×1016CI!V3となるものが
得られる。この場合、結晶成長時の基板温度を高めると
ある程度の改善が見られ、基板温度730℃で成長する
と室温でn ”’::− 3 X 10”tx ”。
77にでn ”:2 X 1016c1n”とドーピン
グの効率が改善されたものも得られるが、根本的な解決
にはならない。G a A BへのStのドーピングで
はStの量とほぼ同量の電子濃度が得られることがらs
 AA’0.3Ga0.7Asにおいて含有したStの
量ζこ対応した電子濃度が得られないのは、AI!を含
む半導体層にStが存在することに原因があると考えら
れる。したがって、この系ではStとiとを空間的に分
離することが必要と考えられるが、AIとStが同一半
導体中でランダムに分布する従来の構造ではこれを実現
させるのは不可能である。
したがって、この解決手段として従来構造とは異なり、
不純物と化合物半導体を構成するある種の元素とを空間
的に分離する新しい構造が必要である。
本発明の目的は、かかる従来構造の持つ欠点を除去し、
容易に高いキャリア濃度を実現できる超格子の構造を提
供することにある。
本発明の超格子の構造は、電子波長以下の厚さを有する
第1の固体層と、該第1の固体層より電子親和力が小さ
く、第1の固体層中の電子がトンネル可能な厚さを有す
る第2の固体層とを交互に ・とを特徴とする。
まず本発明の原理について説明する。一般に電子親和力
の異なる半導体の積層構造において、電子親和力の大き
な半導体の厚さが電子波長以下になると量子効果が顕著
になり、この電子親和力の大きな半導体内には新たなエ
ネルギ準位(量子化準位)が形成される。さらに、電子
親和力の小さな半導体の厚さがこの半導体中を量子化準
位の電子がトンネルできるほど薄いと、電子は量子化準
位において積層構造の膜中を自由に運動できるようにな
る。本発明の構造はこの条件を満たしているため、第1
の固体層から発生する電子および第2の固体層から発生
する電子も量子化準位において積層構造全体に広がる。
したがって、第1の固体層内部、第2の固体層内部また
は第1の固体層と第2の固体層との界面に不純物の活性
化が容易な領域が少なくとも1ケ所有れば、そこに不純
物をドーピングすることにより容易に積層構造全体のキ
ャリア濃度を高くすることができる。
以下本発明について実施例を示す図面を参照して詳細に
説明する。
第2図は本発明の第1の実施例を示した断面模式図であ
る。第2図において第1図と同じ番号のものは第1図と
同等物で同一機能を果すものであり、4は不純物2を含
有し電子波長以下の厚さを有する第1の半導体層、5は
該第1の半導体層4より電子親和力が小さく、第1の半
導体層4中の電子がトンネル可能な厚さを有する第2の
半導体層である。第1の半導体層4と第2の半導体層5
とが交互に積層し、積層構造を形成している。
(5) 本実施例の構造は、第1の半導体層4中での不純物2の
活性化が容易な場合に有効である。
本実施例では不純物2としてS11第1の半導体層4と
して厚さ13AのGaAs、第2の半導体層5として厚
さ39AのAAIAsを用いた。本実施例を用いて本発
明を説明すると次のようになる。
GaAs中での室温におけるStの活性化率はほぼ10
0%であるので、厚さ13AのGaAs中にドーピング
したSlのほとんど全部が活性化して、81量とほぼ同
量の電子が発生し、この電子はGaAsとAA!A[I
の積層構造によって形成されたGaAsの伝導体より約
0.5eV高い量子化準位において積層構造をもったこ
の膜全体に広がる。
結晶成長方法としてMBEを用い、膜全体の平均的なS
l濃度として2.5 X 1018crrV” をドー
ピングした結果、室温での電子濃度として2.OX 1
0”cm−3が得られた。これはドーピングしたSiの
80%が活性化したことを示しており、容易ζこ高い電
子濃度が得られることがわかる。
第3図は本発明の第2の実施例を示した断面模(6) 成因である。この第2の実施例は第3図で示すように、
第1の半導体層4のうち第2の半導体層5との界面近傍
では不純物2を含有しない第1の半導体層41とし、不
純物2を完全に第1の半導体層5の内部だけに含有する
ことだけが第1の実施例と異なるだけで、それ以外は第
2図で説明した第1の実施例と同じである。この構造で
は、不純物2は第2の半導体層5と全く接しなくなり、
不純物2の活性化において第2の半導体Ill 5の影
響をほぼ完全に除去することができる。
不純物2としてSi、第1の半導体層4として厚さ23
AのGaAs 、不純物2を含有しない第1の半導体層
41として厚さ6AのGaAs、第2の半導体層5とし
て厚さ15AのAJAsを用いた本実施例の構造におい
て、次の結果を得た。
結晶成長方法としてはMBE法を用い、基板温度を比較
的低温の580℃とし、膜全体のStの平均濃度がI 
X 10”cm ” となるようにした。その結果、室
温においてドープしたSiの90%が活性化し、膜全体
の電子濃度として9X10cm が得られ、77kにお
いても雷、子温度として5 X 1017cm ”が得
られた。この構造により生じる最低次の量子化準位は、
従来の構造を持つ均一組成のAA’ o、30a67A
sの伝導帯とは・ぼ等しいエネルギ位置にあるが、この
従来のA16,3Ga6,7As よりも本発明の構造
の方が3倍以上大きなドーピング効率が得られ、容易に
高い電子濃度が得られた。さらに室温におけるArレー
ザー光によるフォト・ルミネッセンスの測定においても
、従来構造のAJo、3Ga(1,7Asに比べ数倍の
明るさが得られ、本発明により得られる膜は光学的にも
優れていることがわかった。
第4図は本発明の第3の実施例を示した断面模式図であ
る。第4図において第1図〜第3図と同じ番号のものは
第1図〜第3図と同等物で同一機能を果すものである。
本実施例では第1の半導体層4と不純物2を含有した第
2の半導体層5との積層構造となっている。この構造は
、電子親和方の小さな第2の半導体層5から発生した電
子が第1の半導体層4および第2の半導体層5全体に広
がる点だけが本発明の第1の実施例と異なるたけで、第
1の実施例と同様の光学特性および電気特性を示す。こ
の構造では、第2の半導体層5の中にドーピングされた
不純物2のほとんど全部が活性化すれば、積層構造全体
の電子濃度を高めることが容易となる。本実施例では不
純物2としてSt。
第1の半導体層4として厚さ23AのAJ(1,5In
g、5As 。
第2の半導体層5として厚さ15AのGaAsを用いた
本実施例を用いて本発明を説明すると次のようになる。
AJ(1,5I n6.5ABとGaAsとは格子定数
が4チ程度異なるので、この積層構造意識的に歪を入れ
た、いわゆる5trained 5uper 1att
iceとなる。GaAs中のStから発生した電子は、
GaAsの伝導体より0.2eV低いところにAJ6,
5Ino、sAsとGaAaの積層構造によって形成さ
れた量子化準位によって膜全体に広がる。
結晶成長方法としてMBEを用い、膜全体の平均的なS
t濃度としてI X 1018cm−3をドーピングし
た結果、室温での電子濃度として8x1017c!IL
−3が得られた。これはドーピングしたSlの80%が
活性化したことを示しており、容易に高い電子濃度が得
ら(9) れることかわかる。
第5図は本発明の第4の実施例を示した断面模式図であ
る。この第4の実施例は第5図で示すように、第2の半
導体層5のうち第1の半導体層4との界面近傍では不純
物2を含有しない第2の半導体層51とし、不純物2を
完全に第2の半導体層5の内部だけに含有することだけ
が第3の実施例と異なるだけで、それ以外は第4図で説
明した第3の実施例と同じである。この構造では不純物
2は全く第1の半導体層4と接しなくなり、不純物2の
活性化において第1の半導体層4の影響をほぼ完全に除
去することができる。
不純物2としてSi1第1の半導体層4として厚さ23
AのGaAs、不純物2を含有しない第1の半導体層4
1として厚さ6^のGaAs、第2の半導体層5として
厚さ15^のAlO,5I no、sAsを用い、第3
の実施例と同じ方法で平均のSt濃度がI X 101
8cIn−3の積層構造を形成した結果、室温での電子
濃度が9×1017cIIL−3と高い値が得られた。
第6図は本発明の第5の実施例を示した断面模(lO) 成因である。第6図において第1図〜第5図と同じ番号
のものは第1図〜第3図と同等物で同一機能を果すもの
である。不純物2を含有した第1の半導体層4と不純物
2を含有した第2の半導体層5との積層構造であるが、
第1の半導体4と第2の半導体5との界面近傍は、不純
物2を含有しない第1の半導体層41および不純物2を
含有しない第2の半導体層51となっている。この構造
は、第1の半導体層4と第2の半導体層5との界面近傍
以外の部分より発生した電子が全体に広がり、電工〜第
4の実施例と同様の特性を示す。この構造では、第1の
半導体層4と第2の半導体層5との混合領域では不純物
2の活性化が低くとも、第1の半導体層4内部および第
2の半導体層5内部では不純物2がほとんど活性化すれ
ば、積層構造全体の電子濃度を高めることが容易となる
不純物2としてSt、第1の半導体層4として厚さ23
^のIn o、5 Gao、5 A8.不純物2を含有
しない第1の半導体層41として厚さ6^のInO,、
Ga6,5Aう第2の半導体層5として厚さ15大のG
aAs、不純物2を含有しない第2の半導体層51とし
て厚さ6大のGaAsを用い、 MBE法によりこの構
造を形成した。
I n (1,5Ga6.5A8とGaAs では格子
定数が4係程度異なり、格子定数の違いにより発生する
応力は主にIno、5Gao、5AsとGaAaとの界
面に集中する。そのため、界面にSiをドーピングして
も高い活性化率は得難い。したがって、本実施例の構造
が有効となる。
層全体の平均のSIa度として]×1018cm−3を
ドーピングした結果、室温での電子濃度として ・1×
10cWL と高い電子濃度が得られた。
第7図は本発明の第6の実施例を示した断面模式図であ
る。第7図において第1〜第6図と同じ番号のものは第
1〜第6図と同等物で同一機能を果すものであり、6は
不純物2を含有し電子波長以下の厚さを有する半導体層
、7は該半導体層6より電子親、和力が小さく、半導体
層6中の電子がトンネル可能な厚さを有する絶縁体層で
ある。本実施例では、新しい量子化準位を半導体層6の
伝導帯より1eV以上も高くすることも可能であるため
、高い電子濃度を有し禁止帯が大きな半導体を実現する
ことができる。
不純物2としてP、半導体層6として厚さ14^のSi
1絶縁体層7として厚さ工5^のCa F 2を用い、
MBE法により本構造を構成した結果、新しい量子化準
位はStの伝導帯より0.2eV高くなり、層全体の平
均のSt濃度として1−X 1018crn” ドーピ
ングしたのに対し電子濃度9 X 1017cm−3が
得られた。
第8図は本発明の第7の実施例を示した断面模式図であ
る。この第7の実施例は第8図で示すように、半導体層
6のうち絶縁体層7との界面近傍では不純物2を含有し
ない半導体層61とし、不純物2を完全に半導体層6の
内部だけに含有することだけが第6の実施例と異なるだ
けで、それ以外は第7図で説明した第6の実施例と同じ
である。
この構造では不純物2は全く絶縁体M7と接しなくなり
、不純物2の活性化において絶縁体層7の影響をほぼ完
全に除去することができる。
不純物2を含有しない半導体層61として厚さ5AのS
tとし、他は第6の実施例と同じにして膜(13) 全形成した結果1 1 X to”crn−’の電子濃
度が得られた。
上記の本発明の7つの実施例においては、積層構造とし
て2種類の固体層を交互に積層したものだけしか示さな
かったが、3種類以上の固体層を積層したものであって
も、電子が形成される量子化単位で層全体に広がる構造
であれば、容易に高い電子濃度が得られることは明らか
である。また本発明はG a A sに含有するル型不
純物としてTe。
Se、 Sn、 Sでも良いことは明らかである。
本発明の構造を得る方法としては、原理的にはどんな結
晶成長方法であっても良いが、数λの膜厚制御性が必要
となるため% MBE法やMOCVD(Metal O
rganic Chemical Vapor Dep
osition )法が適している。中でもMBE法は
原料の入った炉から出る分子線をシャッタの開閉だけで
制御で舞るため、遷移層が数人の急峻な界面を容易に実
現することができ、さらにコンピュータによる自動制御
が容易であるため最も適した方法である。
本発明の構造はあらゆる半導体のffiあわせに対し適
用可能である。上述の実施例ではAtA、miべbAs
 。
AtG&A露/GaAmの2つに対して述べたが、他の
璽−■化合物半導体間の組あわせ、たとえばTllAt
Am/丁nGaAs、InAs/AtAs 、 GaP
/AtP、 InA/AtAs8b。
GaAs/Io(JaP、GaA、s/Gapsb 、
’ Ga 8 b/I nAm 、InAs/AtSb
、 GaSb/AtSb、 GaAs/GaP、 Ga
Am/ZnS 。
AtN/GaN 、 InGaAtP/GaAs 、 
InP/InGaAa、’LP/GaA、sSb等に対
しても適用できる。I−V化合物半導体と■族半導体の
組あわせとしては、8)LP。
Ge/Ga A s 、 Go/klk g 、 Ge
/Ga kLk s等に適用可能であ凱IV族半導体間
の組あわせとしては、 81/Go 。
SI/C等に適用可能である。とくにSL/′cの超格
子ではSIにのみル型不純物をドープするととにより良
好なSIC特性を示す材料が提供できる。さらに1[−
Vl化合物間の組あわせでは、 Zn5s/Z++S 
CdSe/ZnTa、 CdTs/’l[(gTs等に
適用可能であり、!1−■化合物半導体とI−V化合物
半導体間の組あわせとしてけGaAl1/Zn5a、 
GaAm/ZnS等が可能である。さらにカルコパライ
ト半導体を含む系にも適用可能である。
(/l−] 本発明の構造は一方がル型不純物のドープされた半導体
であれば、他方は絶縁物であってもよい。
このような絶縁物としては、半導体の格子定数と整数比
を示す格子常数をもつMg0−A、120 sスピネル
化合物やその他BaF2. CaF2等のフッ化物ある
いはBaxCal−zF”z等のフッ化物混晶があげら
れる。
この場合の半導体としては上述の例にあられれた半導体
を含むあらゆる半導体が含まれる。とくに()aP/C
aFz系では青色発光が可能であり、 GaAs/Ca
F2. CdSe/ZaFz等の組あわせでは、直接遷
移型の青色発光が可能であり、したがって青色レーザの
重要なル型半導体材料となる。
本願が上述のような多くの系に適用されうるのは、「電
子波長以下」あるいけ「トンネル可能な」という条件下
では、各層の格子定数が正しく整合されていなくても互
いの格子緩和によりすべり転位の発生しない超格子が形
成できるからである。
以上は格子整合のとれた半導体まだは絶縁体について述
べだが、一般に積層構造においては各層の界面において
膜中のひずみを吸収するため、格Mす 子整合のとれてない半導体または絶縁体の積層構造でも
本発明を実現することは可能である。さらに、 Mis
cibility Gapに相当する組成(InGaA
sSb%InAsPSb等)で予想される光学的および
電気的特性を有し高いキャリア濃度を持つ半導体も本発
明により実現することができる。
また、前記実施例は全てル型不純物を周期的にドーグし
たが、これに限る必要はなくb’型不純物を全くドーグ
しない層を中に含んで1周期性を失っていてもかまわな
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来構造の不純物をドーピングした化合物半導
体の概略断面図、第2図〜第8図はそれぞれ本発明の第
1の実施例〜第7の実施例を説明するための概略断面図
でおる。 l・・・・・・半導体基板、2・・・・・・不純物。 3・・・・・・化合物半導体層% 4・・・・・・第1
の半導体層。 5・・・・第2の半導体層、41・・・・・不純物を含
有しない第1の半導体層、 51・・・・・・不純物を
含有しない第20半導体層、6・・・・・半導体層、 
61・・・・不純物を含有しない半導体層、7・・・・
絶縁体層。 ゛・、−ノ 71図 3 第2図 第3図 74図 第5図 オ6図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 電子波長以下の厚さを有する第1の固体層と、
JP11380183A 1983-06-24 1983-06-24 超格子の構造 Granted JPS607121A (ja)

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US06/624,333 US4695857A (en) 1983-06-24 1984-06-25 Superlattice semiconductor having high carrier density
DE8484304300T DE3480631D1 (de) 1983-06-24 1984-06-25 Halbleiterstruktur mit uebergitter hoher traegerdichte.
EP84304300A EP0133342B1 (en) 1983-06-24 1984-06-25 A superlattice type semiconductor structure having a high carrier density
US07/043,046 US4792832A (en) 1983-06-24 1987-04-24 Superlattice semiconductor having high carrier density

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