JPH0541355A - 変調半導体材料およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents
変調半導体材料およびそれを用いた半導体装置Info
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- JPH0541355A JPH0541355A JP19532591A JP19532591A JPH0541355A JP H0541355 A JPH0541355 A JP H0541355A JP 19532591 A JP19532591 A JP 19532591A JP 19532591 A JP19532591 A JP 19532591A JP H0541355 A JPH0541355 A JP H0541355A
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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- H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
- H10D62/81—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials of structures exhibiting quantum-confinement effects, e.g. single quantum wells; of structures having periodic or quasi-periodic potential variation
- H10D62/815—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials of structures exhibiting quantum-confinement effects, e.g. single quantum wells; of structures having periodic or quasi-periodic potential variation of structures having periodic or quasi-periodic potential variation, e.g. superlattices or multiple quantum wells [MQW]
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 そのままでは自然界に存在しない性質を具備
した変調半導体材料およびそれを用いた半導体装置に関
し、複数の半導体を所定の構成で組み合わせることによ
り、今までにない有効な性質を実現することのできる変
調半導体材料およびそれを用いた半導体装置を提供する
ことを目的とする。 【構成】 Ｇｅを主成分とし、所定範囲内の厚さを有す
る量子井戸層と、Ｇｅとほぼ格子整合し、伝導帯のΓ点
のエネルギがＧｅの伝導帯のΓ点のエネルギより高く、
かつ伝導帯のＬ点のエネルギがΓ点のエネルギより高い
極性半導体を主成分とし、前記量子井戸層を挟んで配置
された量子障壁層とを含み、量子井戸層内のΓ点起源の
サブバンドのエネルギがＬ点起源のサブバンドのエネル
ギよりも低くなるように少なくとも前記所定範囲内の厚
さが選択されている。
した変調半導体材料およびそれを用いた半導体装置に関
し、複数の半導体を所定の構成で組み合わせることによ
り、今までにない有効な性質を実現することのできる変
調半導体材料およびそれを用いた半導体装置を提供する
ことを目的とする。 【構成】 Ｇｅを主成分とし、所定範囲内の厚さを有す
る量子井戸層と、Ｇｅとほぼ格子整合し、伝導帯のΓ点
のエネルギがＧｅの伝導帯のΓ点のエネルギより高く、
かつ伝導帯のＬ点のエネルギがΓ点のエネルギより高い
極性半導体を主成分とし、前記量子井戸層を挟んで配置
された量子障壁層とを含み、量子井戸層内のΓ点起源の
サブバンドのエネルギがＬ点起源のサブバンドのエネル
ギよりも低くなるように少なくとも前記所定範囲内の厚
さが選択されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体材料および半導体
装置に関し、特にそのままでは自然界に存在しない性質
を具備した変調半導体材料およびそれを用いた半導体装
置に関する。
装置に関し、特にそのままでは自然界に存在しない性質
を具備した変調半導体材料およびそれを用いた半導体装
置に関する。
【０００２】近年、各種半導体装置の高性能比、多機能
化（新機能を含む）が求められ、それに適した材料とし
て化合物半導体が注目されている。既に、ＧａＡｓおよ
びＧａＡｓ系の混晶を用いた高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ）等の電子デバイスや半導体レーザ等の光デ
バイスが実用化され、優れた性能を発揮している。その
他の半導体材料も研究、開発されている。
化（新機能を含む）が求められ、それに適した材料とし
て化合物半導体が注目されている。既に、ＧａＡｓおよ
びＧａＡｓ系の混晶を用いた高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ）等の電子デバイスや半導体レーザ等の光デ
バイスが実用化され、優れた性能を発揮している。その
他の半導体材料も研究、開発されている。
【０００３】
【従来の技術】半導体中のキャリア（電子、正孔）の移
動度は一般的に有効質量ｍ* が小さいほど大きくなる。
また、移動度を支配する散乱機構としては、音響フォノ
ン散乱、イオン化不純物散乱、光学フォノン散乱等があ
る。
動度は一般的に有効質量ｍ* が小さいほど大きくなる。
また、移動度を支配する散乱機構としては、音響フォノ
ン散乱、イオン化不純物散乱、光学フォノン散乱等があ
る。
【０００４】従来、トランジスタ等の半導体装置を構成
する材料としては、単体半導体であるＧｅ、Ｓｉが主に
多く用いられてきた。単体半導体は無極性であり、光学
フォノンによる電子の散乱は少ない。伝導帯の最低エネ
ルギ位置は、ＧｅはＬ点に、ＳｉはＸ点近傍にある。
する材料としては、単体半導体であるＧｅ、Ｓｉが主に
多く用いられてきた。単体半導体は無極性であり、光学
フォノンによる電子の散乱は少ない。伝導帯の最低エネ
ルギ位置は、ＧｅはＬ点に、ＳｉはＸ点近傍にある。
【０００５】近年、これらの材料よりも伝導帯の底にお
ける電子の有効質量がはるかに小さく、低電界における
電子移動度の大きなＧａＡｓ等の化合物半導体が素子の
性能向上等を目的として用いられるようになってきた。
ける電子の有効質量がはるかに小さく、低電界における
電子移動度の大きなＧａＡｓ等の化合物半導体が素子の
性能向上等を目的として用いられるようになってきた。
【０００６】化合物半導体は、極性半導体であり、無極
性半導体と比較して電子と光学フォノンとの相互作用が
大きく、電子−光学フォノン散乱の確率が大きい。この
ため、多くの化合物半導体では電子の低電界移動度が大
きいにもかかわらず、高電界においては光学フォノン散
乱により、電子飽和速度が十分高くならない。
性半導体と比較して電子と光学フォノンとの相互作用が
大きく、電子−光学フォノン散乱の確率が大きい。この
ため、多くの化合物半導体では電子の低電界移動度が大
きいにもかかわらず、高電界においては光学フォノン散
乱により、電子飽和速度が十分高くならない。
【０００７】このように、有効質量の小さな半導体と、
光学フォノン散乱の小さな半導体とは相反する要求とな
る。この相反する要求を同時に満足させる１つの提案と
して、極性半導体であるＩｎＡｓを量子井戸層とし、そ
の両側の量子障壁層に無極性半導体であるＧｅを用いた
超格子モデルがある（N. Mori and T. Ando; Physical
Review B40 (1989)6175) 。
光学フォノン散乱の小さな半導体とは相反する要求とな
る。この相反する要求を同時に満足させる１つの提案と
して、極性半導体であるＩｎＡｓを量子井戸層とし、そ
の両側の量子障壁層に無極性半導体であるＧｅを用いた
超格子モデルがある（N. Mori and T. Ando; Physical
Review B40 (1989)6175) 。
【０００８】このモデルにおいては、電子の存在する極
性半導体の近傍に無極性半導体を配置し、この無極性半
導体の存在によって光学フォノン散乱の確率を下げよう
とするものである。
性半導体の近傍に無極性半導体を配置し、この無極性半
導体の存在によって光学フォノン散乱の確率を下げよう
とするものである。
【０００９】このモデルに基づく計算によれば、量子井
戸層であるＩｎＡｓ層の厚さを薄くしていくと、光学フ
ォノン散乱の確率は減少することが示された。ただし、
このモデルは仮想上のものであり、ＩｎＡｓとＧｅとは
格子不整合が大きく、実際上、積層構造を作成すること
は困難である。
戸層であるＩｎＡｓ層の厚さを薄くしていくと、光学フ
ォノン散乱の確率は減少することが示された。ただし、
このモデルは仮想上のものであり、ＩｎＡｓとＧｅとは
格子不整合が大きく、実際上、積層構造を作成すること
は困難である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】現在知られている半導
体および混晶半導体においては、たとえば有効質量が小
さく、光学フォノン散乱の確率が小さいというような相
反する要求を同時に満たすものは知られていない。極薄
膜等を用いることにより、バルク結晶の性質を変調する
可能性が示唆されているが、今までにない有効な性質を
実現した例は少ない。
体および混晶半導体においては、たとえば有効質量が小
さく、光学フォノン散乱の確率が小さいというような相
反する要求を同時に満たすものは知られていない。極薄
膜等を用いることにより、バルク結晶の性質を変調する
可能性が示唆されているが、今までにない有効な性質を
実現した例は少ない。
【００１１】本発明の目的は、複数の半導体を所定の構
成で組み合わせることにより、今までにない有効な性質
を実現することのできる変調半導体材料を提供すること
である。
成で組み合わせることにより、今までにない有効な性質
を実現することのできる変調半導体材料を提供すること
である。
【００１２】本発明の目的は、このような半導体材料を
用いた半導体装置を提供することである。
用いた半導体装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の変調半導体材料
は、Ｇｅを主成分とし、所定範囲内の厚さを有する量子
井戸層と、Ｇｅとほぼ格子整合し、伝導帯のΓ点のエネ
ルギがＧｅの伝導帯のΓ点のエネルギより高く、かつ伝
導帯のＬ点のエネルギがΓ点のエネルギより高い極性半
導体を主成分とし、前記量子井戸層を挟んで配置された
量子障壁層とを含み、量子井戸層内のΓ点起源のサブバ
ンドのエネルギがＬ点起源のサブバンドのエネルギより
も低くなるように少なくとも前記所定範囲内の厚さが選
択されている。
は、Ｇｅを主成分とし、所定範囲内の厚さを有する量子
井戸層と、Ｇｅとほぼ格子整合し、伝導帯のΓ点のエネ
ルギがＧｅの伝導帯のΓ点のエネルギより高く、かつ伝
導帯のＬ点のエネルギがΓ点のエネルギより高い極性半
導体を主成分とし、前記量子井戸層を挟んで配置された
量子障壁層とを含み、量子井戸層内のΓ点起源のサブバ
ンドのエネルギがＬ点起源のサブバンドのエネルギより
も低くなるように少なくとも前記所定範囲内の厚さが選
択されている。
【００１４】
【作用】Ｇｅを主成分とした量子井戸層を、量子障壁層
で挟み、量子井戸層内のΓ点起源のサブバンドのエネル
ギが、Ｌ点起源のサブバンドのエネルギよりも低くなる
ように量子井戸層の厚さ等を選択することにより、Ｇｅ
を主成分としながら、伝導帯の最低エネルギがΓ点に存
在するような変調半導体材料を実現することができる。
で挟み、量子井戸層内のΓ点起源のサブバンドのエネル
ギが、Ｌ点起源のサブバンドのエネルギよりも低くなる
ように量子井戸層の厚さ等を選択することにより、Ｇｅ
を主成分としながら、伝導帯の最低エネルギがΓ点に存
在するような変調半導体材料を実現することができる。
【００１５】ＧｅのΓ点のバンドは、極めて小さな有効
質量を有する。また、Ｇｅは無極性半導体であるため、
本来光学フォノン散乱の確率は低い。このようにして、
有効質量が小さく、光学フォノン散乱の確率が低い変調
半導体材料が形成される。
質量を有する。また、Ｇｅは無極性半導体であるため、
本来光学フォノン散乱の確率は低い。このようにして、
有効質量が小さく、光学フォノン散乱の確率が低い変調
半導体材料が形成される。
【００１６】また、伝導帯の最低エネルギ位置がΓ点に
移行するため、このＧｅを主成分とする変調半導体材料
は、直接遷移型半導体となる。このため、光半導体装置
としての可能性も生じる。
移行するため、このＧｅを主成分とする変調半導体材料
は、直接遷移型半導体となる。このため、光半導体装置
としての可能性も生じる。
【００１７】
【実施例】図１に本発明の実施例による半導体材料を示
す。図１（Ａ）は構成を示し、図１（Ｂ）は伝導帯のバ
ンド構造を示し、図１（Ｃ）はＧｅ層の厚さによるバン
ド構造の変化を示す。
す。図１（Ａ）は構成を示し、図１（Ｂ）は伝導帯のバ
ンド構造を示し、図１（Ｃ）はＧｅ層の厚さによるバン
ド構造の変化を示す。
【００１８】図１（Ａ）に示すように、半導体材料は極
性半導体層１とＧｅ層２を交互に積層し、複数のＧｅ層
２の各々をＧａＡｓ等の極性半導体層１で挟んだ積層構
造を有する。
性半導体層１とＧｅ層２を交互に積層し、複数のＧｅ層
２の各々をＧａＡｓ等の極性半導体層１で挟んだ積層構
造を有する。
【００１９】ここで、極性半導体はＧｅとほぼ格子整合
し、積層エピタキシャル成長の可能な半導体であり、伝
導帯のΓ点のエネルギがＧｅの伝導帯のΓ点のエネルギ
より高く、伝導体のＬ点のエネルギがΓ点のエネルギよ
り高いものである。以下、主に極性半導体がＧａＡｓで
ある場合を例にとって説明する。
し、積層エピタキシャル成長の可能な半導体であり、伝
導帯のΓ点のエネルギがＧｅの伝導帯のΓ点のエネルギ
より高く、伝導体のＬ点のエネルギがΓ点のエネルギよ
り高いものである。以下、主に極性半導体がＧａＡｓで
ある場合を例にとって説明する。
【００２０】図２に、ＧｅとＧａＡｓのバンド構造を概
略的に示す。図２（Ａ）は、Ｇｅのバンド構造を概略的
に示す。Ｇｅの価電子帯の最高エネルギ位置はΓ点にあ
り、伝導帯の最低エネルギ位置はＬ点にある。このＬ点
のエネルギよりも約１００ｍｅＶ高い位置に伝導帯のΓ
谷がある。図に示すように、Γ谷の有効質量ｍ* （Γ）
はＬ谷の有効質量ｍ* （Ｌ）よりずっと小さい。
略的に示す。図２（Ａ）は、Ｇｅのバンド構造を概略的
に示す。Ｇｅの価電子帯の最高エネルギ位置はΓ点にあ
り、伝導帯の最低エネルギ位置はＬ点にある。このＬ点
のエネルギよりも約１００ｍｅＶ高い位置に伝導帯のΓ
谷がある。図に示すように、Γ谷の有効質量ｍ* （Γ）
はＬ谷の有効質量ｍ* （Ｌ）よりずっと小さい。
【００２１】図２（Ｂ）は、ＧａＡｓのバンド構造を概
略的に示す。ＧａＡｓの価電子帯の最高エネルギ位置は
Γ点にあり、伝導帯の最低エネルギ位置もΓ点にある。
また、Γ点のエネルギよりも約３００ｍｅＶ高いエネル
ギ位置に、ＧａＡｓの伝導帯のＬ谷が存在する。
略的に示す。ＧａＡｓの価電子帯の最高エネルギ位置は
Γ点にあり、伝導帯の最低エネルギ位置もΓ点にある。
また、Γ点のエネルギよりも約３００ｍｅＶ高いエネル
ギ位置に、ＧａＡｓの伝導帯のＬ谷が存在する。
【００２２】Ｇｅは伝導帯の底がＬ点に存在する間接遷
移型半導体であり、ＧａＡｓは伝導帯の最低エネルギ位
置がΓ点にある直接遷移型半導体である。これらの半導
体において、伝導帯の２番目に低いエネルギの谷はＧｅ
においてはΓ点にあり、ＧａＡｓにおいてはＬ点にあ
る。
移型半導体であり、ＧａＡｓは伝導帯の最低エネルギ位
置がΓ点にある直接遷移型半導体である。これらの半導
体において、伝導帯の２番目に低いエネルギの谷はＧｅ
においてはΓ点にあり、ＧａＡｓにおいてはＬ点にあ
る。
【００２３】このようなＧｅとＧａＡｓとを、図１
（Ａ）のように、積層した積層構造のバンド構造を各層
に対して垂直な方向からみると、まず第１近似としては
図１（Ｂ）のようになる。図１（Ｂ）においては、伝導
帯のΓ点のエネルギを実線３で示し、伝導帯のＬ点のエ
ネルギを破線４で示す。
（Ａ）のように、積層した積層構造のバンド構造を各層
に対して垂直な方向からみると、まず第１近似としては
図１（Ｂ）のようになる。図１（Ｂ）においては、伝導
帯のΓ点のエネルギを実線３で示し、伝導帯のＬ点のエ
ネルギを破線４で示す。
【００２４】Ｇｅ層２の伝導帯底のエネルギは、ＧａＡ
ｓ層１の伝導帯底のエネルギよりも低い位置にあり、Ｇ
ｅ層２が量子井戸層を構成し、ＧａＡｓ層１が量子障壁
層を形成する。
ｓ層１の伝導帯底のエネルギよりも低い位置にあり、Ｇ
ｅ層２が量子井戸層を構成し、ＧａＡｓ層１が量子障壁
層を形成する。
【００２５】Ｇｅ層２においては、Ｌ点のエネルギ４が
最低エネルギ位置にあり、その上約１００ｍｅＶの位置
にΓ点のエネルギ位置が存在する。ＧａＡｓ層１におい
ては、Γ点のエネルギ３が最低エネルギ位置にあり、Ｌ
点のエネルギ４がそれよりも約３００ｍｅＶ高い位置に
ある。
最低エネルギ位置にあり、その上約１００ｍｅＶの位置
にΓ点のエネルギ位置が存在する。ＧａＡｓ層１におい
ては、Γ点のエネルギ３が最低エネルギ位置にあり、Ｌ
点のエネルギ４がそれよりも約３００ｍｅＶ高い位置に
ある。
【００２６】Γ点のエネルギ３は、Ｇｅ層２内とＧａＡ
ｓ層１内において一定の差を持つが、Ｌ点のエネルギ
は、Ｇｅ層２内とＧａＡｓ層１内においてその一定の差
より約４００ｍｅＶ大きな差を持つ。また、Γ点・Ｌ点
ともにＧｅ層２が井戸層となっている。
ｓ層１内において一定の差を持つが、Ｌ点のエネルギ
は、Ｇｅ層２内とＧａＡｓ層１内においてその一定の差
より約４００ｍｅＶ大きな差を持つ。また、Γ点・Ｌ点
ともにＧｅ層２が井戸層となっている。
【００２７】このため、Ｇｅ層２の厚さｄGeが十分大き
い場合には、バルク半導体のΓ谷およびＬ谷を起源とす
るサブバンドのうち、それぞれ最もエネルギの低いサブ
バンドの波動関数は、どちらもほとんどＧｅ層２に閉じ
込められている。
い場合には、バルク半導体のΓ谷およびＬ谷を起源とす
るサブバンドのうち、それぞれ最もエネルギの低いサブ
バンドの波動関数は、どちらもほとんどＧｅ層２に閉じ
込められている。
【００２８】この閉じ込めが完全で、ＧａＡｓ層１には
波動関数がまったくしみださないとすると、それらのエ
ネルギはそれぞれＧｅ層２のΓ点・Ｌ点のエネルギを基
準として、（ｈ／２π）2 ／（２ｍ* G ）（π／ｄGe）
2 、（ｈ／２π）2 ／（２ｍ * L ）（π／ｄGe）2 と独
立に表すことができる。ここで（ｈ／２π）はプランク
定数、ｍ* G ・ｍ* L はそれぞれバルクＧｅのΓ谷・Ｌ
谷におけるＧｅ／ＧａＡｓ界面に垂直な方向の有効質量
である。
波動関数がまったくしみださないとすると、それらのエ
ネルギはそれぞれＧｅ層２のΓ点・Ｌ点のエネルギを基
準として、（ｈ／２π）2 ／（２ｍ* G ）（π／ｄGe）
2 、（ｈ／２π）2 ／（２ｍ * L ）（π／ｄGe）2 と独
立に表すことができる。ここで（ｈ／２π）はプランク
定数、ｍ* G ・ｍ* L はそれぞれバルクＧｅのΓ谷・Ｌ
谷におけるＧｅ／ＧａＡｓ界面に垂直な方向の有効質量
である。
【００２９】Ｇｅにおいてはｍ* G ＜ｍ* L であり、か
つバルクＧｅのＬ点のエネルギがΓ点のエネルギより低
いことを考えると、この場合、最もエネルギの低いサブ
バンドは、Ｌ谷起源であることがわかる。
つバルクＧｅのＬ点のエネルギがΓ点のエネルギより低
いことを考えると、この場合、最もエネルギの低いサブ
バンドは、Ｌ谷起源であることがわかる。
【００３０】図１（Ｃ）に、ＧａＡｓ層１の幅が十分厚
いとしたとき、Ｇｅ層２の幅ｄGeを変化させたときのＧ
ｅ層２内のΓ谷起源の最低エネルギサブバンドのエネル
ギ５とＬ谷起源の最低エネルギサブバンドのエネルギ６
の変化を示す。
いとしたとき、Ｇｅ層２の幅ｄGeを変化させたときのＧ
ｅ層２内のΓ谷起源の最低エネルギサブバンドのエネル
ギ５とＬ谷起源の最低エネルギサブバンドのエネルギ６
の変化を示す。
【００３１】Ｇｅ層２の厚さｄGeを次第に減少させる
と、波動関数の閉じ込め効果によりΓ谷・Ｌ谷起源の最
低エネルギサブバンドのエネルギは上昇する。ｄGeが大
きい場合には、有効質量の違いからエネルギの上昇率は
Γ谷起源のサブバンドのほうが大きい。
と、波動関数の閉じ込め効果によりΓ谷・Ｌ谷起源の最
低エネルギサブバンドのエネルギは上昇する。ｄGeが大
きい場合には、有効質量の違いからエネルギの上昇率は
Γ谷起源のサブバンドのほうが大きい。
【００３２】しかし、さらにｄGeを減少させると、Γ谷
起源の最低エネルギサブバンドのエネルギは、ＧａＡｓ
のΓ点のエネルギに近づく。このとき、Γ谷起源の最低
エネルギサブバンドに対する閉じ込めの効果は弱くな
り、Γ谷起源の最低エネルギサブバンドの波動関数は次
第にＧａＡｓ層に広がっていき、エネルギ上昇率は急激
に低下する。
起源の最低エネルギサブバンドのエネルギは、ＧａＡｓ
のΓ点のエネルギに近づく。このとき、Γ谷起源の最低
エネルギサブバンドに対する閉じ込めの効果は弱くな
り、Γ谷起源の最低エネルギサブバンドの波動関数は次
第にＧａＡｓ層に広がっていき、エネルギ上昇率は急激
に低下する。
【００３３】この時点においても、ＧａＡｓのＬ点のエ
ネルギが高いため、Ｌ谷起源のサブバンドに対する閉じ
込めの効果は大きく、Ｌ谷起源のサブバンドのエネルギ
は上昇を続ける。
ネルギが高いため、Ｌ谷起源のサブバンドに対する閉じ
込めの効果は大きく、Ｌ谷起源のサブバンドのエネルギ
は上昇を続ける。
【００３４】このため、Ｇｅ層２の厚さｄGeが約３ｎｍ
で、Ｌ谷起源の最低エネルギサブバンドのエネルギとΓ
谷起源の最低エネルギサブバンドのエネルギは交差し、
ｄGeが約３ｎｍ以下の領域においては、Γ谷起源のサブ
バンドのエネルギが伝導帯の最低エネルギとなる。
で、Ｌ谷起源の最低エネルギサブバンドのエネルギとΓ
谷起源の最低エネルギサブバンドのエネルギは交差し、
ｄGeが約３ｎｍ以下の領域においては、Γ谷起源のサブ
バンドのエネルギが伝導帯の最低エネルギとなる。
【００３５】なお、ＧａＡｓ層１の厚さが薄くなると、
図１（Ｂ）の量子井戸層２内の電子の波動関数は量子障
壁層１を越えて、隣の量子井戸層にまで及ぶようにな
り、バンド構造の変化はより小さくなる。また、ＧａＡ
ｓ層１内のΓ谷起源のサブバンドのエネルギ３ｂと、Ｌ
谷起源のサブバンドのエネルギ４ｂもＧａＡｓ層１の厚
さ等に依存して変化する。
図１（Ｂ）の量子井戸層２内の電子の波動関数は量子障
壁層１を越えて、隣の量子井戸層にまで及ぶようにな
り、バンド構造の変化はより小さくなる。また、ＧａＡ
ｓ層１内のΓ谷起源のサブバンドのエネルギ３ｂと、Ｌ
谷起源のサブバンドのエネルギ４ｂもＧａＡｓ層１の厚
さ等に依存して変化する。
【００３６】なお、極性半導体としてＧａＡｓ以外の材
料を用いたときには、当然バンド構造の変化の態様は変
わる。ただし、多くの化合物半導体はＧｅよりも広いバ
ンドギャップを有し、かつ伝導帯のＬ点のエネルギがΓ
点のエネルギよりも高い位置にあるため、同様な変化を
期待することができる。
料を用いたときには、当然バンド構造の変化の態様は変
わる。ただし、多くの化合物半導体はＧｅよりも広いバ
ンドギャップを有し、かつ伝導帯のＬ点のエネルギがΓ
点のエネルギよりも高い位置にあるため、同様な変化を
期待することができる。
【００３７】なお、積層超格子の場合を説明したが、Ｇ
ｅ層２は単層であっても同様のバンド構造の変化は生じ
る。ただし、Ｇｅ層２の厚さが、図１（Ｃ）に示すよう
に所定範囲内に制限されるため、ある程度以上の厚さが
ほしい場合は積層構造にするのがよい。
ｅ層２は単層であっても同様のバンド構造の変化は生じ
る。ただし、Ｇｅ層２の厚さが、図１（Ｃ）に示すよう
に所定範囲内に制限されるため、ある程度以上の厚さが
ほしい場合は積層構造にするのがよい。
【００３８】このように、Ｇｅ層を所定の性質を有する
極性半導体層で挟み、かつＧｅ層の厚さ等を十分薄く選
択することにより、基底サブバンドをΓ谷起源に変更す
ることができる。
極性半導体層で挟み、かつＧｅ層の厚さ等を十分薄く選
択することにより、基底サブバンドをΓ谷起源に変更す
ることができる。
【００３９】Ｇｅのバンド構造のΓ点においては、有効
質量は０°Ｋにおいて約０．０３７ｍ0 と極めて小さい
ため、通常の極性半導体の有効質量、たとえばＧａＡｓ
で約０．０６７ｍ0 、ＩｎＡｓで約０．０２４ｍ0 、と
比較して遜色ないものとなる。
質量は０°Ｋにおいて約０．０３７ｍ0 と極めて小さい
ため、通常の極性半導体の有効質量、たとえばＧａＡｓ
で約０．０６７ｍ0 、ＩｎＡｓで約０．０２４ｍ0 、と
比較して遜色ないものとなる。
【００４０】図１（Ａ）に示すように、極性半導体層１
とＧｅ層２とで超格子構造を形成し、特にＧｅ層２の厚
さを薄く選択することにより、上述のようなバンド構造
の変化を生じさせたときは、超格子全体のΓ点起源のサ
ブバンドの有効質量は、ＧｅのΓ点の有効質量と極性半
導体のΓ点の有効質量のある種の平均値となる。
とＧｅ層２とで超格子構造を形成し、特にＧｅ層２の厚
さを薄く選択することにより、上述のようなバンド構造
の変化を生じさせたときは、超格子全体のΓ点起源のサ
ブバンドの有効質量は、ＧｅのΓ点の有効質量と極性半
導体のΓ点の有効質量のある種の平均値となる。
【００４１】光学フォノン散乱は、無極性半導体である
Ｇｅが存在する分減少する。このようにして、図１に示
すような構成により、電子の有効質量が小さく、かつ光
学フォノンによる散乱確率が低い変調半導体が得られ
る。したがって、電子の高電界での飽和速度、高温の場
合の低電界移動度およびバリスティック走行時の走行速
度の向上が可能となる。
Ｇｅが存在する分減少する。このようにして、図１に示
すような構成により、電子の有効質量が小さく、かつ光
学フォノンによる散乱確率が低い変調半導体が得られ
る。したがって、電子の高電界での飽和速度、高温の場
合の低電界移動度およびバリスティック走行時の走行速
度の向上が可能となる。
【００４２】なお、井戸層として、Ｇｅ層を用いた場合
を説明したが、Ｇｅと同等の性質を有する半導体であれ
ば同等の効果が期待できる。したがって、Ｇｅにある濃
度までのＳｉを混合した混晶、不純物をドープしたＧ
ｅ、またはＧｅを主成分とする混晶等についても同様の
効果が期待できる。
を説明したが、Ｇｅと同等の性質を有する半導体であれ
ば同等の効果が期待できる。したがって、Ｇｅにある濃
度までのＳｉを混合した混晶、不純物をドープしたＧ
ｅ、またはＧｅを主成分とする混晶等についても同様の
効果が期待できる。
【００４３】また、井戸層と極性半導体層の間の格子整
合を図るために、いずれかもしくは両方の組成を調整す
ることもできる。たとえば、ＧａＡｓの代わりにＩｎＧ
ａＡｓを用い、その組成を調整することにより、Ｇｅと
格子整合を図ることもできる。また、極性半導体層に電
気的に活性な不純物をドープすることも当然可能であ
る。
合を図るために、いずれかもしくは両方の組成を調整す
ることもできる。たとえば、ＧａＡｓの代わりにＩｎＧ
ａＡｓを用い、その組成を調整することにより、Ｇｅと
格子整合を図ることもできる。また、極性半導体層に電
気的に活性な不純物をドープすることも当然可能であ
る。
【００４４】電気的に活性な不純物としては、Ｇｅに対
してはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等、Ｇａ
Ａｓ等の極性半導体に対しては、Ｚｎ、Ｓｉ等を用いる
ことができる。
してはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ等、Ｇａ
Ａｓ等の極性半導体に対しては、Ｚｎ、Ｓｉ等を用いる
ことができる。
【００４５】また、伝導帯基底サブバンドΓ谷起源とな
ったＧｅは、直接遷移型半導体であり、キャリアの直接
遷移を行わせることが可能となる。図３は、上述のよう
な変調半導体材料を用いた高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ）を示す。
ったＧｅは、直接遷移型半導体であり、キャリアの直接
遷移を行わせることが可能となる。図３は、上述のよう
な変調半導体材料を用いた高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ）を示す。
【００４６】図３において、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１
の上に、ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＡｓで形成さ
れたＡｌＧａＡｓ障壁層１２が形成され、その上に上述
のようなＧｅ／ＧａＡｓ超格子層１３が形成される。な
お、Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子層１３は、ノンドープで作成
する。
の上に、ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＡｓで形成さ
れたＡｌＧａＡｓ障壁層１２が形成され、その上に上述
のようなＧｅ／ＧａＡｓ超格子層１３が形成される。な
お、Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子層１３は、ノンドープで作成
する。
【００４７】この超格子層１３の上に、ＡｌＧａＡｓで
形成されたＡｌＧａＡｓ障壁層１４が形成され、その表
面にショットキ接触するゲート電極１５、オーミック接
触するソース電極１６とドレイン電極１７が形成されて
いる。
形成されたＡｌＧａＡｓ障壁層１４が形成され、その表
面にショットキ接触するゲート電極１５、オーミック接
触するソース電極１６とドレイン電極１７が形成されて
いる。
【００４８】なお、図示の構成においては、リセスドゲ
ート構造とされているが、必ずしもこのようにする必要
はない。また、必要に応じてＡｌＧａＡｓ障壁層１２、
１４のいずれかまたは両方に不純物をドープしてもよ
い。
ート構造とされているが、必ずしもこのようにする必要
はない。また、必要に応じてＡｌＧａＡｓ障壁層１２、
１４のいずれかまたは両方に不純物をドープしてもよ
い。
【００４９】Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子層１３は、上述のよ
うに有効質量が小さく、光学フォノン散乱の確率が小さ
い性質を有し、電子を高速で輸送するチャネル層（電子
走行層）を構成する。このため、高速動作するＨＥＭＴ
を実現することができる。
うに有効質量が小さく、光学フォノン散乱の確率が小さ
い性質を有し、電子を高速で輸送するチャネル層（電子
走行層）を構成する。このため、高速動作するＨＥＭＴ
を実現することができる。
【００５０】図４は、上述のような変調半材料を用いた
ＭＥＳＦＥＴの構造を示す。図において、半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板１１の上に、上述のようなＧｅ／ＧａＡｓ超格
子層１３が形成され、その上にゲート電極１５、ソース
電極１６、ドレイン電極１７が形成されている。この構
成においては、超格子層１３はｎ型不純物をドープさ
れ、ｎ型導電性を示す。
ＭＥＳＦＥＴの構造を示す。図において、半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板１１の上に、上述のようなＧｅ／ＧａＡｓ超格
子層１３が形成され、その上にゲート電極１５、ソース
電極１６、ドレイン電極１７が形成されている。この構
成においては、超格子層１３はｎ型不純物をドープさ
れ、ｎ型導電性を示す。
【００５１】以上説明した半導体装置においては、Ｇｅ
／ＧａＡｓ超格子層が高速で電子を輸送できることを利
用したが、Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子が、直接遷移型半導体
となることを利用して光半導体装置を形成することもで
きる。
／ＧａＡｓ超格子層が高速で電子を輸送できることを利
用したが、Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子が、直接遷移型半導体
となることを利用して光半導体装置を形成することもで
きる。
【００５２】図５は、光半導体の例を示す。ｐ型ＧａＡ
ｓ基板２１の上に、上述のようなＧｅ／ＧａＡｓ超格子
層２２をノンドープで形成し、その上にｎ型ＧａＡｓ領
域２３を形成する。
ｓ基板２１の上に、上述のようなＧｅ／ＧａＡｓ超格子
層２２をノンドープで形成し、その上にｎ型ＧａＡｓ領
域２３を形成する。
【００５３】このｎ型ＧａＡｓ領域２３の上に、開口部
２４を有するカソード電極２６を形成し、ｐ型ＧａＡｓ
領域２１の表面上にアノード電極２５を形成する。アノ
ード電極２５からカソード電極２６に電流を流すことに
より、Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子層２２内において直接遷移
による電子・正孔の発光性再結合を行わせ、光を発射さ
せることが可能である。
２４を有するカソード電極２６を形成し、ｐ型ＧａＡｓ
領域２１の表面上にアノード電極２５を形成する。アノ
ード電極２５からカソード電極２６に電流を流すことに
より、Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子層２２内において直接遷移
による電子・正孔の発光性再結合を行わせ、光を発射さ
せることが可能である。
【００５４】発生する光は、図示の構成の場合、開口部
２４から上方に取りだすことができる。なお、超格子層
２２から発生する光を、側方から取り出すことも可能で
ある。この場合、カソード電極２６に開口部２４を形成
する必要は必ずしもない。
２４から上方に取りだすことができる。なお、超格子層
２２から発生する光を、側方から取り出すことも可能で
ある。この場合、カソード電極２６に開口部２４を形成
する必要は必ずしもない。
【００５５】図５に示すダイオード構造を逆バイアスし
て受光ダイオードとすることもできる。カソード電極２
７の開口２４を受光窓とすればよい。なお、図５の構成
においては、ｐ型、ｎ型を反転してもよい。
て受光ダイオードとすることもできる。カソード電極２
７の開口２４を受光窓とすればよい。なお、図５の構成
においては、ｐ型、ｎ型を反転してもよい。
【００５６】なお、以上説明した実施例において、極性
半導体として他の材料、たとえばＡｌＧａＡｓ等を用い
ることも可能である。以上実施例に沿って本発明を説明
したが、本発明はこれらに制限されるものではない。た
とえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なこと
は当業者に自明であろう。
半導体として他の材料、たとえばＡｌＧａＡｓ等を用い
ることも可能である。以上実施例に沿って本発明を説明
したが、本発明はこれらに制限されるものではない。た
とえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なこと
は当業者に自明であろう。
【００５７】
【発明の効果】Ｇｅは、伝導帯の最低エネルギ位置がＬ
点にある間接遷移型半導体であるが、極性半導体で挟ん
だ所定の構造とすることにより、伝導帯の最低エネルギ
位置がΓ点にある直接遷移型半導体とすることができ
る。このため、従来得られなかった新たな物性を有する
変調半導体材料が提供される。
点にある間接遷移型半導体であるが、極性半導体で挟ん
だ所定の構造とすることにより、伝導帯の最低エネルギ
位置がΓ点にある直接遷移型半導体とすることができ
る。このため、従来得られなかった新たな物性を有する
変調半導体材料が提供される。
【００５８】たとえば、電子の有効質量が小さく、光学
フォノン散乱の確率が低い半導体材料を提供することが
できる。このため、電子の高電界における飽和速度、低
電界における移動度、バリスティック走行速度の向上が
図れる。
フォノン散乱の確率が低い半導体材料を提供することが
できる。このため、電子の高電界における飽和速度、低
電界における移動度、バリスティック走行速度の向上が
図れる。
【００５９】変調半導体材料の新規な性質を利用するこ
とにより、優れた性能の半導体装置を提供することがで
きる。
とにより、優れた性能の半導体装置を提供することがで
きる。
【図１】本発明の実施例による変調半導体材料を示す。
図１（Ａ）は変調半導体材料の構成を示す断面図、図１
（Ｂ）は伝導帯のバンド構造を示すグラフ、図１（Ｃ）
はＧｅ層の厚さによるバンド構造の変化を示すグラフで
ある。
図１（Ａ）は変調半導体材料の構成を示す断面図、図１
（Ｂ）は伝導帯のバンド構造を示すグラフ、図１（Ｃ）
はＧｅ層の厚さによるバンド構造の変化を示すグラフで
ある。
【図２】ＧｅとＧａＡｓのバンド構造を概略的に示すグ
ラフである。
ラフである。
【図３】本発明の実施例によるＨＥＭＴの構造を概略的
に示す断面図である。
に示す断面図である。
【図４】本発明の実施例によるＭＥＳＦＥＴの構造を概
略的に示す断面図である。
略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施例による光半導体装置の構造を概
略的に示す断面図である。
略的に示す断面図である。
１ 極性半導体層 ２ Ｇｅ層 ３ 伝導帯のΓ点のエネルギ ４ 伝導帯のＬ点のエネルギ ５ Γ谷起源の伝導帯基底サブバンドのエネルギ ６ Ｌ谷起源の伝導帯基底サブバンドのエネルギ １１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板 １２ ＡｌＧａＡｓ障壁層 １３ Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子層 １４ ＡｌＧａＡｓ障壁層 １５ ゲート電極 １６ ソース電極 １７ ドレイン電極 ２１ ｐ型ＧａＡｓ領域 ２２ Ｇｅ／ＧａＡｓ超格子層 ２３ ｎ型ＧａＡｓ領域 ２４ 開口部 ２５ アノード電極 ２６ カソード電極
Claims (7)
- 【請求項１】 Ｇｅを主成分とし、所定範囲内の厚さを
有する量子井戸層と、 Ｇｅとほぼ格子整合し、伝導帯のΓ点のエネルギがＧｅ
の伝導帯のΓ点のエネルギより高く、かつ伝導帯のＬ点
のエネルギがΓ点のエネルギより高い極性半導体を主成
分とし、前記量子井戸層を挟んで配置された量子障壁層
とを含み、 量子井戸層内のΓ点起源のサブバンドのエネルギがＬ点
起源のサブバンドのエネルギよりも低くなるように少な
くとも前記所定範囲内の厚さが選択されている変調半導
体材料。 - 【請求項２】 前記所定範囲は１原子層の厚さから約
３．０ｎｍの範囲である請求項１記載の変調半導体材
料。 - 【請求項３】 前記量子井戸層と前記量子障壁層とが交
互に積層され、超格子を構成している請求項１ないし２
記載の変調半導体材料。 - 【請求項４】 前記極性半導体がＧａＡｓまたはＩｎＧ
ａＡｓである請求項１〜３いずれかに記載の変調半導体
材料。 - 【請求項５】 前記量子井戸層、前記量子障壁層の少な
くとも一部に、ｎ型不純物がドープされている請求項１
〜４のいずれかに記載の変調半導体材料。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の変調半
導体材料をチャネル領域に用いた半導体装置。 - 【請求項７】 請求項１〜５のいずれかに記載の変調半
導体材料を光−電気変換領域に用いた半導体装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19532591A JPH0541355A (ja) | 1991-08-05 | 1991-08-05 | 変調半導体材料およびそれを用いた半導体装置 |
| EP92113232A EP0526870B1 (en) | 1991-08-05 | 1992-08-03 | Composite semiconductor structure for reducing scattering of carriers by optical phonons and a semiconductor device that uses such a composite semiconductor structure |
| US08/206,220 US5336901A (en) | 1991-08-05 | 1994-03-07 | Composite semiconductor structure for reducing scattering of carriers by optical phonons and a semiconductor device that uses such a composite semiconductor structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19532591A JPH0541355A (ja) | 1991-08-05 | 1991-08-05 | 変調半導体材料およびそれを用いた半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0541355A true JPH0541355A (ja) | 1993-02-19 |
Family
ID=16339292
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19532591A Withdrawn JPH0541355A (ja) | 1991-08-05 | 1991-08-05 | 変調半導体材料およびそれを用いた半導体装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5336901A (ja) |
| EP (1) | EP0526870B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0541355A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4859321A (en) * | 1986-04-01 | 1989-08-22 | Katumi Iida | Aeration type water treating device |
| KR20180119039A (ko) * | 2017-04-24 | 2018-11-01 | 아주대학교산학협력단 | 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5917195A (en) * | 1995-02-17 | 1999-06-29 | B.A. Painter, Iii | Phonon resonator and method for its production |
| AUPR083300A0 (en) * | 2000-10-17 | 2000-11-09 | Silex Systems Limited | An isotope structure formed in an indriect band gap semiconductor material |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4163237A (en) * | 1978-04-24 | 1979-07-31 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | High mobility multilayered heterojunction devices employing modulated doping |
| US4261771A (en) * | 1979-10-31 | 1981-04-14 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method of fabricating periodic monolayer semiconductor structures by molecular beam epitaxy |
| JPS6028268A (ja) * | 1983-07-26 | 1985-02-13 | Agency Of Ind Science & Technol | 半導体装置 |
| JPS60175450A (ja) * | 1984-02-22 | 1985-09-09 | Toshiba Corp | ヘテロ接合バイポ−ラ半導体素子 |
| JPH03218078A (ja) * | 1990-01-23 | 1991-09-25 | Sanyo Electric Co Ltd | 光センサ |
-
1991
- 1991-08-05 JP JP19532591A patent/JPH0541355A/ja not_active Withdrawn
-
1992
- 1992-08-03 EP EP92113232A patent/EP0526870B1/en not_active Expired - Lifetime
-
1994
- 1994-03-07 US US08/206,220 patent/US5336901A/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4859321A (en) * | 1986-04-01 | 1989-08-22 | Katumi Iida | Aeration type water treating device |
| KR20180119039A (ko) * | 2017-04-24 | 2018-11-01 | 아주대학교산학협력단 | 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0526870A2 (en) | 1993-02-10 |
| EP0526870B1 (en) | 1998-11-04 |
| EP0526870A3 (en) | 1993-08-25 |
| US5336901A (en) | 1994-08-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19981112 |