シリコンゲルマニウム量子井戸構造を用いた赤外発光素子の開発

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06555005
• Research Institution: NAGOYA UNIVERSITY
• Principal Investigator: 安田 幸夫 名古屋大学, 工学部, 教授 (60126951)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 恩賀 伸二 東芝(株), ULSI研究所, 主任研究員 ; 岩野 博隆 名古屋大学, 工学部, 助手 (50252268) ; 財満 鎭明 名古屋大学, 工学部, 助教授 (70158947)
• Keywords: SiGe薄膜 / 低温成長 / 不純物ドープ / 東縛励起子発光

Research Abstract

本研究では、シリコン上に歪シリコンゲルマニウム膜を成長し、SiGe膜のpn接合を用いて赤外発光素子を開発することを目的としている。しかしながら、研究の過程でn型及びp型SiGe層成長時に、不純物原子によりキャリア数の変化以上にSiGe層が大きく影響を受けることが示された。従って、今回の研究では、不純物ドープしたSiGe層の性質及びその成長過程を明らかにすることが重要なテーマとなっている。以下に明らかになったことを示す。
n型SiGe層の成長では、SiGe層のエピタキシャル成長する臨界膜厚が、Sbドープにより減少することが示された。これは、SiGe中に欠陥を誘起し易いことを意味している。また、電気的測定から中性不純物、空孔が多量に存在することが示されている。以上の結果は、SiGe中における非発光再結合中心が多く存在することを意味しており、発光素子を作製する上で大きなマイナス要因となる。
p型SiGe層の成長では、同一成長条件下で、Ge組成の増加と共に不純物濃度が増加していることがあることが実験で示された。実験解析の結果、Ge原子上へのGa不純物原子の吸着確率及び取込確率がSi原子上に比べ、2倍及び40倍大きいためであることに原因が求められる。
SiGe層の光学的特性を明らかにするために、530度でp型SiGe膜を成長しPL測定を行っている。不純物濃度は10^<17>cm^<-1>以上である。SiGe膜に起因する発光は、不純物による束縛励起子からの発光であった。バンドギャップを評価したところ、Ge組成の増加に対しバンドギャップの低下が観測され、歪SiGe膜の理論値と一致していた。しかしながら、光学フォノンを介したバンド間遷移は観測されず。再結合中心が多く存在していることが示される。束縛励起子による発光が観測されたのは、非発光再結合中心との衝突が抑制されたためであると考えられる。
今後の光学デバイスに関する研究を発展させるために、一層の膜質改善を推進する。