注入方法
【課題】間接遷移型の半導体を用いた単一の電子の転送により単一の光子を生成する発光素子が、容易に製造できるようにする。
【解決手段】まず、ステップＳ１０１で、同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する（第１工程）。次に、ステップＳ１０２で、原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する（第２工程）。例えば、注入エネルギーなどの注入の条件は、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される条件とすればよい。
【解決手段】まず、ステップＳ１０１で、同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する（第１工程）。次に、ステップＳ１０２で、原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する（第２工程）。例えば、注入エネルギーなどの注入の条件は、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される条件とすればよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、間接遷移型の半導体を用いた発光素子を製造するために不純物原子を注入する注入方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンに代表される間接半導体を用いた素子には、様々な形態が提案されているが、最近、半導体中の不純物を利用する素子が提案されている（特許文献１参照）。また、この半導体中の不純物を利用することで発光を得る発光素子が提案されている。これらの素子では、原子核が持つ引力ポテンシャルにより、不純物原子が量子ドットと同様な働きを持つことを利用するものである。この素子により、間接半導体であるシリコンを用いても効率的な発光が可能となる。また、素子内の不純物の数を減らすことにより単一光子の生成も可能となる。
【０００３】
上述した半導体中の不純物を利用する発光素子について図３，図４を用いて説明する。この発光素子は、図３に示すように、例えばシリコンからなる半導体層３０１と、半導体層３０１に形成されたｐ型領域３０２と、半導体層３０１に形成されたｎ型領域３０３と、ｐ型領域３０２およびｎ型領域３０３に挟まれた領域の半導体層３０１の上に、ゲート絶縁層３０４を介して形成されたゲート電極３０５とを備える。
【０００４】
また、この発光素子は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３とに挾まれた領域の半導体層３０１に導入されたドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７からなるドナー・アクセプター対を備える。ドナー・アクセプター対は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３とに挾まれた領域（チャネル領域）に配置される。また、ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７は、上記チャネル領域のゲート電極３０５の側の界面より３０ｎｍの範囲に導入されている。なお、ゲート電極３０５は、ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７が導入されたチャネル領域に結合（容量結合）している。
【０００５】
また、ドナー原子３０６は、チャネル領域の中にドナー準位を形成し、アクセプター原子３０７は、チャネル領域の中にアクセプター準位を形成し、ドナー・アクセプター対を構成するドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７の距離は、互いの波動関数の広がりの範囲内とされている。ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７の各々波動関数の広がり程度は、１０ｎｍであり、ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７の距離は、１０ｎｍより小さい状態とされている。
【０００６】
本発光素子では、上述したドナー・アクセプター対により、単一光子の発生が可能となる。多数のドナー・アクセプター対を有する素子では、多数の光子の発生が可能となる。
【０００７】
次に、上述した発光素子の動作（駆動方法）について図４を用いて説明する。なお、図４は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３に挾まれた半導体層３０１（チャネル領域）における、半導体層３０１の表面近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。
【０００８】
まず、初期状態では、電子チャネルのしきい値ＶTH-nと、正孔チャネルのしきい値ＶTH-pとの中間の値のゲート電圧（例えば０Ｖ程度）が、ゲート電極３０５に印加された状態としておく。なお、ＶTH-n＞ＶTH-pである。この状態では、図４の（ａ）に示すように、電子のチャネルも正孔のチャネルもどちらも開いておらず、ドナー原子３０６には、電子は捕獲されておらず、アクセプター原子３０７にも、正孔は捕獲されていない。
【０００９】
初期状態についで、ゲート電極３０５に電子チャネルのしきい値ＶTH-nを超える大きさのゲート電圧を印加する。このゲート電圧の印加により、図４の（ｂ）に示すように、ゲート電極３０５の下のチャネル領域にｎ型領域３０３から電子が供給され、電子チャネル３３１が形成される。電子チャネル３３１は、半導体層３０１を構成している半導体の伝導帯中に形成される。この結果、形成された電子チャネル３３１より、１個の電子がドナー原子３０６に捕獲される。この過程で捕獲される電子は、ドナー原子３０６のイオン化エネルギー分のエネルギーを失うことになるが、このエネルギーは、フォノンにより吸収される。このため、この過程は、発光には寄与しない。
【００１０】
次に、上述したようにして１個の電子がドナー原子３０６に捕獲された後、ゲート電極３０５に初期状態と同様のゲート電圧が印加された状態にすると、電子チャネル３３１は閉まり、電子チャネル３３１として供給されていた電子（伝導体中の電子）は、ｎ型領域３０３に回収される。しかしながら、図４の（ｃ）に示すように、ドナー原子３０６に捕獲された電子は、有限のイオン化エネルギーのために、ｎ型領域３０３に戻れずに、ドナー原子３０６に捕獲された状態が維持される。
【００１１】
次に、上述したようにドナー原子３０６に電子が捕獲されている状態で、ゲート電極３０５に正孔チャネルのしきい値ＶTH-pよりも低い値のゲート電圧（負の電圧）を印加する。このゲート電圧の印加により、図４の（ｄ）に示すように、ゲート電極３０５の下のチャネル領域にｐ型領域３０２より正孔が供給され、正孔チャネル３２１が形成される。正孔チャネル３２１は、半導体層３０１を構成している半導体の価電子帯中に形成される。この正孔チャネル３２１の形成により、まず、正孔がアクセプター原子３０７に捕獲される。この過程で捕獲される正孔は、アクセプター原子３０７のイオン化エネルギー分のエネルギーを失うことになるが、このエネルギーは、フォノンにより吸収される。このため、この過程は、発光には寄与しない。
【００１２】
次に、以上のようにして、ドナー原子３０６に電子が捕獲され、アクセプター原子３０７に正孔が捕獲された状態で、ゲート電極３０５に初期状態と同様のゲート電圧を印加すると、正孔チャネル３２１は閉じられ、価電子帯中の正孔は、ｐ型領域３０２に回収される。しかしながら、図４の（ｅ）に示すように、アクセプター原子３０７に捕獲された正孔は、有限のイオン化エネルギーのために、ｐ型領域３０２に戻れずに、アクセプター原子３０７に捕獲された状態が維持される。
【００１３】
以上のことにより、電子がドナー原子３０６に捕獲され、正孔がアクセプター原子３０７に捕獲された状態で、チャネル領域に電子正孔対が形成される。また、形成された電子正孔対が再結合することで単一の光子が発生する。この状態では、伝導帯および価電子帯に、各々電子および正孔が存在しないので、上述した電子正孔対が再結合するときにオージェ過程が存在しない。従って、効率よく光子を生成することができる。
【００１４】
また、上述した（ａ）から（ｅ）の過程で、電子正孔対が１つ消滅するので、ｎ型領域３０３からは電子が１つ消失し、ｐ型領域３０２からは正孔が１つ消滅したことになる。ｐ型領域３０２からの１つ正孔の消滅は、電子が１つ生成されたことに対応し、結果として、単一の電荷（１つの電子）が、ｎ型領域３０３からｐ型領域３０２に転送されたことになる。
【００１５】
上述した発光素子では、不純物原子の半導体中での位置は、深さ方向に制約があり、半導体の界面からの距離が３０ｎｍ以内である必要がある。これは、界面に形成されるチャネルとの間で、電子あるいは正孔を捕獲するためには、チャネルの電子あるいは正孔と不純物の電荷の波動関数にオーバーラップが必要なためである。不純物に捕獲された電荷の波動関数の広がりは１０ｎｍ程度である。また、チャネル電子、チャネル正孔の波動関数の広がりは５ｎｍ程度である。従って、深さ方向の距離が、これらの和の２倍程度以下にないと、十分な捕獲が起こらない。
【００１６】
また、ドナーとアクセプターの距離は、互いの波動関数の広がり程度、すなわち１０ｎｍ以下が必要となる。これより距離が離れると再結合の起こる確率が減少する。また、１サイクルで２個（あるいはｎ個）の光子生成を行いたい場合には、ドナー・アクセプター対を２個（ｎ個）導入する必要がある。この場合、各々のドナー・アクセプター対は互いに独立でなければならない。つまり、２つのドナー・アクセプター対の再近接原子間距離は、１０ｎｍ以上でなければならない。他のドナー・アクセプター対が近接して存在すると、１つの対で再結合が起こる過程で、再結合に伴い発生するエネルギーを別の対のドナー、あるいはアクセプターが受け取ってしまう。この状態では、オージェ過程が支配的となり発光に至らない。
【００１７】
以上の動作原理から分かるように、ドナー・アクセプター対を用いた発光素子を動作させるためには、ドナー・アクセプター対のドナーあるいはアクセプターのいずれかの不純物が、半導体界面からの距離が３０ｎｍ以内であり、かつ、互いに１０ｎｍ以内に近接するドナー・アクセプター対を、他のドナー・アクセプター対との距離を１０ｎｍ以上にして形成することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００６−３３２０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、汎用のイオン注入装置を用いた場合、上述した関係で、ドナー・アクセプター対を形成することが困難であった。まず、汎用のイオン注入装置を用いる場合、ドナーとなる原子（例えばリン）、およびアクセプターとなる原子（例えばホウ素）を別々にイオン注入することになる。この場合、各々の原子の注入位置は、深さ方向に関しては、注入エネルギーを制御することにより、界面からの距離を３０ｎｍ以内とし、かつ、深さ位置も２つの不純物で同程度にすることはできる。しかしながら、界面に水平方向に対しては、まったくランダムであるため、ドナー・アクセプター対を形成することはできない。
【００２０】
注入時のドーズ量を増やせば、ドナーとアクセプターの平均間隔を１０ｎｍ以下にすることはできるが、各々の不純物原子が他の複数の原子と対をなす（例えばドナー２個とアクセプター１個）構造が形成され、このような場合、オージェ過程が支配的となり効率の良い発光には至らない。
【００２１】
一方、シングルイオン注入技術を用いれば、互いに独立したドナー・アクセプター対を形成することができる。しかしながら、現状のシングルイオン注入技術では、イオン注入場所の精度が高くないため、以下のような煩雑なプロセスを必要とする。まず、不純物を所望の場所に注入するために、１０ｎｍレベルの微細な穴の開いたイオン注入用マスクを用意し、シングルイオン注入装置を用い、作製したマスクの穴の領域に選択的に単一のドナー（あるいはアクセプター）原子を注入する。
【００２２】
このとき、シングルイオン注入の位置精度が高くないために、１回の注入で穴に命中して注入が行われるとは限らない。このため、電極を用意し、注入が成功したときにのみ発生する微少電流を検出し、この電流が検出されるまで注入を繰り返し、検出されたところで注入を終了する。
【００２３】
次に、アクセプター（あるいはドナー）を、最初に注入したドナー（あるいはアクセプター）と進入深さが等しくなるように加速エネルギーを設定して、上述同一のプロセスを繰り返す。
【００２４】
以上に説明したように、シングルイオン注入装置を用いても、前述した発光素子の核となるドナー・アクセプター対を効率よく形成することができない。このように、従来の技術では、間接遷移型の半導体を用いた単一の電子の転送により単一の光子を生成する発光素子が、容易に製造できないという問題がある。
【００２５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、間接遷移型の半導体を用いた発光素子が、容易に製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明に係る注入方法は、同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する第１工程と、原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する第２工程とを少なくとも備える。原子クラスターは、イオン化されていてもよい。
【００２７】
上記注入方法において、半導体層は、シリコンから構成され、第１工程では、ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウムの中より選択されたＩＩＩ族原子および窒素，リン，砒素，アンチモン，ビスマスの中より選択されたＶ族原子から原子クラスターを生成し、第２工程では、ホウ素および窒素から構成された原子クラスターは５ｋｅＶ以下のエネルギー、アルミニウムおよびリンから構成された原子クラスターは２２ｋｅＶ以下の注入エネルギー、ガリウムおよび砒素から構成された原子クラスターは３８ｋｅＶ以下の注入エネルギー、インジウムおよびアンチモンから構成された原子クラスターは５０ｋｅＶ以下の注入エネルギー、タリウムおよびビスマスから構成された原子クラスターは７０ｋｅＶ以下の注入エネルギーのいずれかの注入条件により原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入すればよい。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、ＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを注入するようにしたので、間接遷移型の半導体を用いた発光素子が、容易に製造できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における注入方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、ガリウム原子２２１と砒素原子２２２とからなる原子クラスター２０２を、シリコン層２０１の表面に注入する過程を示す説明図である。
【図３】図３は、不純物を利用する発光素子の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３に挾まれた半導体層３０１における、半導体層３０１の表面近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における注入方法を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する（第１工程）。次に、ステップＳ１０２で、原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する（第２工程）。ここで、原子クラスターは、イオン化したものであってもよい。なお、ＩＩＩ族原子は、属番号を１８に分けた表記では１３属原子であり、Ｖ族原子は、属番号を１８に分けた表記では１５属原子である。
【００３１】
上述した本実施の形態によれば、１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から原子クラスターを構成し、これを、例えばイオン注入法により注入するので、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される状態とすることが容易である。この結果、本実施の形態によれば、間接遷移型の半導体を用いた単一の電子の転送により単一の光子を生成する発光素子が、容易に製造できるようになる。
【００３２】
なお、本実施の形態における注入方法では、上述したように、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される状態とすることが目的である。従って、例えば、注入エネルギーなどの注入の条件は、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される条件とすればよい。
【００３３】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００３４】
[実施例１]
はじめに、実施例１について図２を用いて説明する。実施例１では、ＩＩＩ族原子がガリウムであり、Ｖ族原子が砒素である場合について説明する。図２は、ガリウム原子２２１と砒素原子２２２とからなる原子クラスター２０２が、シリコン層２０１の表面に注入される過程を示す説明図である。
【００３５】
図２の（ａ）に示すように、原子クラスター２０２は、１個のガリウム原子２２１および１個の砒素原子２２２から構成され、これらの結合が、イオン結合に支配されている。このような原子クラスター２０２を注入する過程で、まず、図２の（ｂ）に示すように、原子クラスター２０２がシリコン層２０１の表面に衝突すると、この衝突と同時に分解（解離）し、図２の（ｃ）に示すように、各々単体のガリウム原子２２１および砒素原子２２２となり、シリコン層２０１の内部に侵入する。
【００３６】
上述した解離および侵入の際、飛行してきた原子クラスター２０２の運動エネルギーは、分解する過程で原子の質量に比例して各原子に分配される。ガリウムは、69Ｇａおよび71Ｇａの２つの同位体を有し、Ａｓは、75Ａｓが１００％である。従って、いずれの質量数のガリウムを用いても、ほぼ、１対１の割合でガリウム原子２２１と砒素原子２２２とにエネルギーが分配される。
【００３７】
また、ガリウム原子２２１および砒素原子２２２は、各々が、シリコンの原子核と衝突を繰り返し、移動の方向をランダムに変えながらシリコン層２０１の内部に進入し、やがてエネルギーを失って停止する。シリコン層２０１の表面からの進入深さは、各々の原子が表面衝突時に分配されたエネルギーの大きさによって決定される。エネルギーが大きいほど進入深さも深い。上述した衝突は、ランダムな過程であるので、進入深さもばらつきを持ち、この分布はガウス分布となる。ガウス分布の中心を与える深さを投影飛程（projected range；Ｒｐ）と呼び、これは進入深さの平均値に他ならない。また、ガウス分布の広がり（ΔＲｐ）は、進入深さのばらつきの度合いを示し、これはＲｐの１／３程度となる。
【００３８】
例えば、イオン注入法により、71Ｇａ原子と75Ａｓ原子とからなる原子クラスターを３８ｋｅＶで注入した場合、シリコン層の表面での分解により、71Ｇａ原子は１８ｋｅＶ、75Ａｓ原子は２０ｋｅＶのエネルギーを得る。１８ｋｅＶのエネルギーを得た71Ｇａ原子のＲｐは１９ｎｍ、２０ｋｅＶのエネルギーを得た75Ａｓ原子のＲｐは２０ｎｍである。従って、両原子ともに表面から３０ｎｍ以内の表面層に留まっている。また、両原子の質量数がほとんど同じであるため、Ｒｐもほとんど同じであり、互いに近接する原子対の形成に適している。
【００３９】
ただし、注入はランダム過程であるので、Ｒｐが等しくても、両原子はある間隔をもって位置することになる。Ｒｐが等しい場合、２つの原子の平均間隔Ｌは、ΔＲｐを用いて、「（√３／√２）ΔＲｐ＝１．２ΔＲｐ」により見積もることができる。上記のガリウム原子および砒素原子の場合、両原子ともΔＲｐ＝７ｎｍであり、従ってＬ＝９ｎｍとなる。先のＲｐの差、１ｎｍと合わせてＬ＝１０ｎｍとなる。以上の状況は、71Ｇａの代わりに69Ｇａを用いてもほとんど変わらない。
【００４０】
原子クラスター２０２の注入エネルギーを３８ｋｅＶ以下とすれば、結果として両原子の平均間隔はさらに小さくなり、また、両原子の表面からの距離も小さくなるので、効率的な発光のためのより望ましい構造が形成できる。一方、原子クラスター２０２の注入エネルギーを３８ｋｅＶ以上とすれば、結果として両原子の平均間隔は大きくなり、目的とするドナー・アクセプター対の構造は得られにくくなる。従って、ガリウム原子と砒素原子とからなる原子クラスターを用いる場合、平均間隔Ｌを１０ｎｍ以下とするためには、注入エネルギーを３８ｋｅＶ、あるいはそれ以下とすればよい。このとき、表面から３０ｎｍ以内にあるべきという条件も自動的に満たされる。
【００４１】
なお、注入直後の状態では、各原子はまだシリコンの格子間位置にあり、電気的には活性でない。イオン注入した原子を電気的に活性化させるためには、熱処理を施して格子間位置にある原子を格子置換位置に移動させる必要がある。格子置換位置に移動させることにより、ガリウムはアクセプターとして、砒素はドナーとして作用するようになる。ここで、熱処理による活性化プロセスは原子拡散を伴うが、例えば熱処理温度を６００℃以下に抑えることにより、拡散距離を十分小さく押さえて活性化させることができる。従って、熱処理時の拡散により原子間距離が広がってしまう影響は、熱処理条件を最適化することにより回避することが可能である。
【００４２】
また、原子クラスターの注入ドーズ量を十分に小さく、例えば１×１０11ｃｍ-2とすると、１個のガリウム原子と１個の砒素原子からなる原子対の他の原子対との平均間隔は３３ｎｍとなる。このようにドーズ量を低く抑えることで、原子対の間隔が１０ｎｍ以下となってしまう確率を十分小さくすることができ、原子対が互いに独立している状況を作り出すことができる。あるいは、シングルイオン注入技術を用いて、１個ずつ原子クラスターを注入し、注入された原子対の位置間隔を十分広く取れば、互いに独立した原子対（ドナー・アクセプター対）を形成することが可能である。
【００４３】
以上のような条件のもとに図３を用いて説明した発光素子を作製し、図４を用いて説明した素子動作をさせることにより、シリコン内で光子を効率よく発生させることができるようになる。
【００４４】
[実施例２]
次に、実施例２について説明する。上述した実施例１の構成は、周期律表の他の周期群へも同様に適用できる。言い換えると、ホウ素，アルミニウム，インジウム，タリウムの中より選択されたＩＩＩ族原子、および窒素，リン，アンチモン，ビスマスの中より選択されたＶ族原子から原子クラスターを生成すればよい。これを満たす原子クラスターは、窒化ホウ素（ボロン・ナイトライド，ＢＮ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、および、タリウム・ビスマス（ＴｌＢｉ）である。
【００４５】
ただし、平均間隔が１０ｎｍ以下となる原子対を形成するための注入エネルギーは、各々異なる。同一のＲｐ、あるいは同一のΔＲｐを得るために、より大きい質量数を有する原子は、より大きなエネルギーを必要とする。各々の原子クラスターにおいて、条件を満足する臨界エネルギーは、以下の通りである。
【００４６】
ＢＮ：５ｋｅＶ
ＡｌＰ：２２ｋｅＶ
ＩｎＳｂ：５０ｋｅＶ
ＴｌＢｉ：７０ｋｅＶ
【００４７】
いずれの場合もＲｐは３０ｎｍ以下となり、界面からの距離に関する条件は自動的に満足されている。
【００４８】
なお、本発明における注入方法において、イオン源からの原子クラスターの引き出し方法については詳細を問わない。例えば、ガリウム原子と砒素原子とから構成された原子クラスターの生成には、ＧａＡｓ結晶基板をアルゴン等の原子でスパッタリングし、発生した原子クラスター群のうち、所望の質量を有する原子クラスターを選別して用いればよい。あるいは、Ｇａ，ＰｄＡｓなどの液体金属によりイオンビームを形成し、質量分離器によって選別することにより、ＧａＡｓクラスターを生成して注入すればよい。
【００４９】
ホウ素原子と窒素原子とから構成されたクラスターの場合は、ホウ素を気化・イオン化，窒素ガスをイオン化し、イオンビームを生成して注入するという方法もある。その他、アルミニウム，リン，インジウム，アンチモン，タリウム，ビスマスは他の元素と合金化し、液体金属イオン源を構成して各原子クラスターのイオンビームを形成し、質量分離器によって選別して注入すればよい。
【００５０】
また、注入先となるシリコンの表面に、薄い金属層や絶縁層などの被覆層が形成されていても構わない。ただし、被覆層の層厚が２０ｎｍ以上になると、原子クラスターがシリコン中に注入されず被覆層に注入されるので、被覆層の層厚は十分薄くしておくことが重要となる。
【００５１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、注入対象の間接半導体からなる半導体層は、結晶シリコンに限らず、多結晶シリコンでも同様である。また、シリコンと同じＩＶ族半導体であるゲルマニウムであっても同様である。ただし、ゲルマニウム層へ注入する場合、臨界注入エネルギーの値はシリコンの場合とは異なり、適宜に設定する必要がある。
【符号の説明】
【００５２】
２０１…シリコン層、２０２…原子クラスター、２２１…ガリウム原子、２２２…砒素原子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、間接遷移型の半導体を用いた発光素子を製造するために不純物原子を注入する注入方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンに代表される間接半導体を用いた素子には、様々な形態が提案されているが、最近、半導体中の不純物を利用する素子が提案されている（特許文献１参照）。また、この半導体中の不純物を利用することで発光を得る発光素子が提案されている。これらの素子では、原子核が持つ引力ポテンシャルにより、不純物原子が量子ドットと同様な働きを持つことを利用するものである。この素子により、間接半導体であるシリコンを用いても効率的な発光が可能となる。また、素子内の不純物の数を減らすことにより単一光子の生成も可能となる。
【０００３】
上述した半導体中の不純物を利用する発光素子について図３，図４を用いて説明する。この発光素子は、図３に示すように、例えばシリコンからなる半導体層３０１と、半導体層３０１に形成されたｐ型領域３０２と、半導体層３０１に形成されたｎ型領域３０３と、ｐ型領域３０２およびｎ型領域３０３に挟まれた領域の半導体層３０１の上に、ゲート絶縁層３０４を介して形成されたゲート電極３０５とを備える。
【０００４】
また、この発光素子は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３とに挾まれた領域の半導体層３０１に導入されたドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７からなるドナー・アクセプター対を備える。ドナー・アクセプター対は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３とに挾まれた領域（チャネル領域）に配置される。また、ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７は、上記チャネル領域のゲート電極３０５の側の界面より３０ｎｍの範囲に導入されている。なお、ゲート電極３０５は、ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７が導入されたチャネル領域に結合（容量結合）している。
【０００５】
また、ドナー原子３０６は、チャネル領域の中にドナー準位を形成し、アクセプター原子３０７は、チャネル領域の中にアクセプター準位を形成し、ドナー・アクセプター対を構成するドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７の距離は、互いの波動関数の広がりの範囲内とされている。ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７の各々波動関数の広がり程度は、１０ｎｍであり、ドナー原子３０６およびアクセプター原子３０７の距離は、１０ｎｍより小さい状態とされている。
【０００６】
本発光素子では、上述したドナー・アクセプター対により、単一光子の発生が可能となる。多数のドナー・アクセプター対を有する素子では、多数の光子の発生が可能となる。
【０００７】
次に、上述した発光素子の動作（駆動方法）について図４を用いて説明する。なお、図４は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３に挾まれた半導体層３０１（チャネル領域）における、半導体層３０１の表面近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。
【０００８】
まず、初期状態では、電子チャネルのしきい値ＶTH-nと、正孔チャネルのしきい値ＶTH-pとの中間の値のゲート電圧（例えば０Ｖ程度）が、ゲート電極３０５に印加された状態としておく。なお、ＶTH-n＞ＶTH-pである。この状態では、図４の（ａ）に示すように、電子のチャネルも正孔のチャネルもどちらも開いておらず、ドナー原子３０６には、電子は捕獲されておらず、アクセプター原子３０７にも、正孔は捕獲されていない。
【０００９】
初期状態についで、ゲート電極３０５に電子チャネルのしきい値ＶTH-nを超える大きさのゲート電圧を印加する。このゲート電圧の印加により、図４の（ｂ）に示すように、ゲート電極３０５の下のチャネル領域にｎ型領域３０３から電子が供給され、電子チャネル３３１が形成される。電子チャネル３３１は、半導体層３０１を構成している半導体の伝導帯中に形成される。この結果、形成された電子チャネル３３１より、１個の電子がドナー原子３０６に捕獲される。この過程で捕獲される電子は、ドナー原子３０６のイオン化エネルギー分のエネルギーを失うことになるが、このエネルギーは、フォノンにより吸収される。このため、この過程は、発光には寄与しない。
【００１０】
次に、上述したようにして１個の電子がドナー原子３０６に捕獲された後、ゲート電極３０５に初期状態と同様のゲート電圧が印加された状態にすると、電子チャネル３３１は閉まり、電子チャネル３３１として供給されていた電子（伝導体中の電子）は、ｎ型領域３０３に回収される。しかしながら、図４の（ｃ）に示すように、ドナー原子３０６に捕獲された電子は、有限のイオン化エネルギーのために、ｎ型領域３０３に戻れずに、ドナー原子３０６に捕獲された状態が維持される。
【００１１】
次に、上述したようにドナー原子３０６に電子が捕獲されている状態で、ゲート電極３０５に正孔チャネルのしきい値ＶTH-pよりも低い値のゲート電圧（負の電圧）を印加する。このゲート電圧の印加により、図４の（ｄ）に示すように、ゲート電極３０５の下のチャネル領域にｐ型領域３０２より正孔が供給され、正孔チャネル３２１が形成される。正孔チャネル３２１は、半導体層３０１を構成している半導体の価電子帯中に形成される。この正孔チャネル３２１の形成により、まず、正孔がアクセプター原子３０７に捕獲される。この過程で捕獲される正孔は、アクセプター原子３０７のイオン化エネルギー分のエネルギーを失うことになるが、このエネルギーは、フォノンにより吸収される。このため、この過程は、発光には寄与しない。
【００１２】
次に、以上のようにして、ドナー原子３０６に電子が捕獲され、アクセプター原子３０７に正孔が捕獲された状態で、ゲート電極３０５に初期状態と同様のゲート電圧を印加すると、正孔チャネル３２１は閉じられ、価電子帯中の正孔は、ｐ型領域３０２に回収される。しかしながら、図４の（ｅ）に示すように、アクセプター原子３０７に捕獲された正孔は、有限のイオン化エネルギーのために、ｐ型領域３０２に戻れずに、アクセプター原子３０７に捕獲された状態が維持される。
【００１３】
以上のことにより、電子がドナー原子３０６に捕獲され、正孔がアクセプター原子３０７に捕獲された状態で、チャネル領域に電子正孔対が形成される。また、形成された電子正孔対が再結合することで単一の光子が発生する。この状態では、伝導帯および価電子帯に、各々電子および正孔が存在しないので、上述した電子正孔対が再結合するときにオージェ過程が存在しない。従って、効率よく光子を生成することができる。
【００１４】
また、上述した（ａ）から（ｅ）の過程で、電子正孔対が１つ消滅するので、ｎ型領域３０３からは電子が１つ消失し、ｐ型領域３０２からは正孔が１つ消滅したことになる。ｐ型領域３０２からの１つ正孔の消滅は、電子が１つ生成されたことに対応し、結果として、単一の電荷（１つの電子）が、ｎ型領域３０３からｐ型領域３０２に転送されたことになる。
【００１５】
上述した発光素子では、不純物原子の半導体中での位置は、深さ方向に制約があり、半導体の界面からの距離が３０ｎｍ以内である必要がある。これは、界面に形成されるチャネルとの間で、電子あるいは正孔を捕獲するためには、チャネルの電子あるいは正孔と不純物の電荷の波動関数にオーバーラップが必要なためである。不純物に捕獲された電荷の波動関数の広がりは１０ｎｍ程度である。また、チャネル電子、チャネル正孔の波動関数の広がりは５ｎｍ程度である。従って、深さ方向の距離が、これらの和の２倍程度以下にないと、十分な捕獲が起こらない。
【００１６】
また、ドナーとアクセプターの距離は、互いの波動関数の広がり程度、すなわち１０ｎｍ以下が必要となる。これより距離が離れると再結合の起こる確率が減少する。また、１サイクルで２個（あるいはｎ個）の光子生成を行いたい場合には、ドナー・アクセプター対を２個（ｎ個）導入する必要がある。この場合、各々のドナー・アクセプター対は互いに独立でなければならない。つまり、２つのドナー・アクセプター対の再近接原子間距離は、１０ｎｍ以上でなければならない。他のドナー・アクセプター対が近接して存在すると、１つの対で再結合が起こる過程で、再結合に伴い発生するエネルギーを別の対のドナー、あるいはアクセプターが受け取ってしまう。この状態では、オージェ過程が支配的となり発光に至らない。
【００１７】
以上の動作原理から分かるように、ドナー・アクセプター対を用いた発光素子を動作させるためには、ドナー・アクセプター対のドナーあるいはアクセプターのいずれかの不純物が、半導体界面からの距離が３０ｎｍ以内であり、かつ、互いに１０ｎｍ以内に近接するドナー・アクセプター対を、他のドナー・アクセプター対との距離を１０ｎｍ以上にして形成することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００６−３３２０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、汎用のイオン注入装置を用いた場合、上述した関係で、ドナー・アクセプター対を形成することが困難であった。まず、汎用のイオン注入装置を用いる場合、ドナーとなる原子（例えばリン）、およびアクセプターとなる原子（例えばホウ素）を別々にイオン注入することになる。この場合、各々の原子の注入位置は、深さ方向に関しては、注入エネルギーを制御することにより、界面からの距離を３０ｎｍ以内とし、かつ、深さ位置も２つの不純物で同程度にすることはできる。しかしながら、界面に水平方向に対しては、まったくランダムであるため、ドナー・アクセプター対を形成することはできない。
【００２０】
注入時のドーズ量を増やせば、ドナーとアクセプターの平均間隔を１０ｎｍ以下にすることはできるが、各々の不純物原子が他の複数の原子と対をなす（例えばドナー２個とアクセプター１個）構造が形成され、このような場合、オージェ過程が支配的となり効率の良い発光には至らない。
【００２１】
一方、シングルイオン注入技術を用いれば、互いに独立したドナー・アクセプター対を形成することができる。しかしながら、現状のシングルイオン注入技術では、イオン注入場所の精度が高くないため、以下のような煩雑なプロセスを必要とする。まず、不純物を所望の場所に注入するために、１０ｎｍレベルの微細な穴の開いたイオン注入用マスクを用意し、シングルイオン注入装置を用い、作製したマスクの穴の領域に選択的に単一のドナー（あるいはアクセプター）原子を注入する。
【００２２】
このとき、シングルイオン注入の位置精度が高くないために、１回の注入で穴に命中して注入が行われるとは限らない。このため、電極を用意し、注入が成功したときにのみ発生する微少電流を検出し、この電流が検出されるまで注入を繰り返し、検出されたところで注入を終了する。
【００２３】
次に、アクセプター（あるいはドナー）を、最初に注入したドナー（あるいはアクセプター）と進入深さが等しくなるように加速エネルギーを設定して、上述同一のプロセスを繰り返す。
【００２４】
以上に説明したように、シングルイオン注入装置を用いても、前述した発光素子の核となるドナー・アクセプター対を効率よく形成することができない。このように、従来の技術では、間接遷移型の半導体を用いた単一の電子の転送により単一の光子を生成する発光素子が、容易に製造できないという問題がある。
【００２５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、間接遷移型の半導体を用いた発光素子が、容易に製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明に係る注入方法は、同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する第１工程と、原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する第２工程とを少なくとも備える。原子クラスターは、イオン化されていてもよい。
【００２７】
上記注入方法において、半導体層は、シリコンから構成され、第１工程では、ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウムの中より選択されたＩＩＩ族原子および窒素，リン，砒素，アンチモン，ビスマスの中より選択されたＶ族原子から原子クラスターを生成し、第２工程では、ホウ素および窒素から構成された原子クラスターは５ｋｅＶ以下のエネルギー、アルミニウムおよびリンから構成された原子クラスターは２２ｋｅＶ以下の注入エネルギー、ガリウムおよび砒素から構成された原子クラスターは３８ｋｅＶ以下の注入エネルギー、インジウムおよびアンチモンから構成された原子クラスターは５０ｋｅＶ以下の注入エネルギー、タリウムおよびビスマスから構成された原子クラスターは７０ｋｅＶ以下の注入エネルギーのいずれかの注入条件により原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入すればよい。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、ＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを注入するようにしたので、間接遷移型の半導体を用いた発光素子が、容易に製造できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における注入方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、ガリウム原子２２１と砒素原子２２２とからなる原子クラスター２０２を、シリコン層２０１の表面に注入する過程を示す説明図である。
【図３】図３は、不純物を利用する発光素子の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３に挾まれた半導体層３０１における、半導体層３０１の表面近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における注入方法を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する（第１工程）。次に、ステップＳ１０２で、原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する（第２工程）。ここで、原子クラスターは、イオン化したものであってもよい。なお、ＩＩＩ族原子は、属番号を１８に分けた表記では１３属原子であり、Ｖ族原子は、属番号を１８に分けた表記では１５属原子である。
【００３１】
上述した本実施の形態によれば、１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から原子クラスターを構成し、これを、例えばイオン注入法により注入するので、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される状態とすることが容易である。この結果、本実施の形態によれば、間接遷移型の半導体を用いた単一の電子の転送により単一の光子を生成する発光素子が、容易に製造できるようになる。
【００３２】
なお、本実施の形態における注入方法では、上述したように、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される状態とすることが目的である。従って、例えば、注入エネルギーなどの注入の条件は、ＩＩＩ族原子およびＶ族原子が、互いの波動関数の広がりの範囲内に配置して不純物原子対を構成し、かつ半導体層の界面から深さ方向に３０ｎｍの範囲に配置される条件とすればよい。
【００３３】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００３４】
[実施例１]
はじめに、実施例１について図２を用いて説明する。実施例１では、ＩＩＩ族原子がガリウムであり、Ｖ族原子が砒素である場合について説明する。図２は、ガリウム原子２２１と砒素原子２２２とからなる原子クラスター２０２が、シリコン層２０１の表面に注入される過程を示す説明図である。
【００３５】
図２の（ａ）に示すように、原子クラスター２０２は、１個のガリウム原子２２１および１個の砒素原子２２２から構成され、これらの結合が、イオン結合に支配されている。このような原子クラスター２０２を注入する過程で、まず、図２の（ｂ）に示すように、原子クラスター２０２がシリコン層２０１の表面に衝突すると、この衝突と同時に分解（解離）し、図２の（ｃ）に示すように、各々単体のガリウム原子２２１および砒素原子２２２となり、シリコン層２０１の内部に侵入する。
【００３６】
上述した解離および侵入の際、飛行してきた原子クラスター２０２の運動エネルギーは、分解する過程で原子の質量に比例して各原子に分配される。ガリウムは、69Ｇａおよび71Ｇａの２つの同位体を有し、Ａｓは、75Ａｓが１００％である。従って、いずれの質量数のガリウムを用いても、ほぼ、１対１の割合でガリウム原子２２１と砒素原子２２２とにエネルギーが分配される。
【００３７】
また、ガリウム原子２２１および砒素原子２２２は、各々が、シリコンの原子核と衝突を繰り返し、移動の方向をランダムに変えながらシリコン層２０１の内部に進入し、やがてエネルギーを失って停止する。シリコン層２０１の表面からの進入深さは、各々の原子が表面衝突時に分配されたエネルギーの大きさによって決定される。エネルギーが大きいほど進入深さも深い。上述した衝突は、ランダムな過程であるので、進入深さもばらつきを持ち、この分布はガウス分布となる。ガウス分布の中心を与える深さを投影飛程（projected range；Ｒｐ）と呼び、これは進入深さの平均値に他ならない。また、ガウス分布の広がり（ΔＲｐ）は、進入深さのばらつきの度合いを示し、これはＲｐの１／３程度となる。
【００３８】
例えば、イオン注入法により、71Ｇａ原子と75Ａｓ原子とからなる原子クラスターを３８ｋｅＶで注入した場合、シリコン層の表面での分解により、71Ｇａ原子は１８ｋｅＶ、75Ａｓ原子は２０ｋｅＶのエネルギーを得る。１８ｋｅＶのエネルギーを得た71Ｇａ原子のＲｐは１９ｎｍ、２０ｋｅＶのエネルギーを得た75Ａｓ原子のＲｐは２０ｎｍである。従って、両原子ともに表面から３０ｎｍ以内の表面層に留まっている。また、両原子の質量数がほとんど同じであるため、Ｒｐもほとんど同じであり、互いに近接する原子対の形成に適している。
【００３９】
ただし、注入はランダム過程であるので、Ｒｐが等しくても、両原子はある間隔をもって位置することになる。Ｒｐが等しい場合、２つの原子の平均間隔Ｌは、ΔＲｐを用いて、「（√３／√２）ΔＲｐ＝１．２ΔＲｐ」により見積もることができる。上記のガリウム原子および砒素原子の場合、両原子ともΔＲｐ＝７ｎｍであり、従ってＬ＝９ｎｍとなる。先のＲｐの差、１ｎｍと合わせてＬ＝１０ｎｍとなる。以上の状況は、71Ｇａの代わりに69Ｇａを用いてもほとんど変わらない。
【００４０】
原子クラスター２０２の注入エネルギーを３８ｋｅＶ以下とすれば、結果として両原子の平均間隔はさらに小さくなり、また、両原子の表面からの距離も小さくなるので、効率的な発光のためのより望ましい構造が形成できる。一方、原子クラスター２０２の注入エネルギーを３８ｋｅＶ以上とすれば、結果として両原子の平均間隔は大きくなり、目的とするドナー・アクセプター対の構造は得られにくくなる。従って、ガリウム原子と砒素原子とからなる原子クラスターを用いる場合、平均間隔Ｌを１０ｎｍ以下とするためには、注入エネルギーを３８ｋｅＶ、あるいはそれ以下とすればよい。このとき、表面から３０ｎｍ以内にあるべきという条件も自動的に満たされる。
【００４１】
なお、注入直後の状態では、各原子はまだシリコンの格子間位置にあり、電気的には活性でない。イオン注入した原子を電気的に活性化させるためには、熱処理を施して格子間位置にある原子を格子置換位置に移動させる必要がある。格子置換位置に移動させることにより、ガリウムはアクセプターとして、砒素はドナーとして作用するようになる。ここで、熱処理による活性化プロセスは原子拡散を伴うが、例えば熱処理温度を６００℃以下に抑えることにより、拡散距離を十分小さく押さえて活性化させることができる。従って、熱処理時の拡散により原子間距離が広がってしまう影響は、熱処理条件を最適化することにより回避することが可能である。
【００４２】
また、原子クラスターの注入ドーズ量を十分に小さく、例えば１×１０11ｃｍ-2とすると、１個のガリウム原子と１個の砒素原子からなる原子対の他の原子対との平均間隔は３３ｎｍとなる。このようにドーズ量を低く抑えることで、原子対の間隔が１０ｎｍ以下となってしまう確率を十分小さくすることができ、原子対が互いに独立している状況を作り出すことができる。あるいは、シングルイオン注入技術を用いて、１個ずつ原子クラスターを注入し、注入された原子対の位置間隔を十分広く取れば、互いに独立した原子対（ドナー・アクセプター対）を形成することが可能である。
【００４３】
以上のような条件のもとに図３を用いて説明した発光素子を作製し、図４を用いて説明した素子動作をさせることにより、シリコン内で光子を効率よく発生させることができるようになる。
【００４４】
[実施例２]
次に、実施例２について説明する。上述した実施例１の構成は、周期律表の他の周期群へも同様に適用できる。言い換えると、ホウ素，アルミニウム，インジウム，タリウムの中より選択されたＩＩＩ族原子、および窒素，リン，アンチモン，ビスマスの中より選択されたＶ族原子から原子クラスターを生成すればよい。これを満たす原子クラスターは、窒化ホウ素（ボロン・ナイトライド，ＢＮ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、および、タリウム・ビスマス（ＴｌＢｉ）である。
【００４５】
ただし、平均間隔が１０ｎｍ以下となる原子対を形成するための注入エネルギーは、各々異なる。同一のＲｐ、あるいは同一のΔＲｐを得るために、より大きい質量数を有する原子は、より大きなエネルギーを必要とする。各々の原子クラスターにおいて、条件を満足する臨界エネルギーは、以下の通りである。
【００４６】
ＢＮ：５ｋｅＶ
ＡｌＰ：２２ｋｅＶ
ＩｎＳｂ：５０ｋｅＶ
ＴｌＢｉ：７０ｋｅＶ
【００４７】
いずれの場合もＲｐは３０ｎｍ以下となり、界面からの距離に関する条件は自動的に満足されている。
【００４８】
なお、本発明における注入方法において、イオン源からの原子クラスターの引き出し方法については詳細を問わない。例えば、ガリウム原子と砒素原子とから構成された原子クラスターの生成には、ＧａＡｓ結晶基板をアルゴン等の原子でスパッタリングし、発生した原子クラスター群のうち、所望の質量を有する原子クラスターを選別して用いればよい。あるいは、Ｇａ，ＰｄＡｓなどの液体金属によりイオンビームを形成し、質量分離器によって選別することにより、ＧａＡｓクラスターを生成して注入すればよい。
【００４９】
ホウ素原子と窒素原子とから構成されたクラスターの場合は、ホウ素を気化・イオン化，窒素ガスをイオン化し、イオンビームを生成して注入するという方法もある。その他、アルミニウム，リン，インジウム，アンチモン，タリウム，ビスマスは他の元素と合金化し、液体金属イオン源を構成して各原子クラスターのイオンビームを形成し、質量分離器によって選別して注入すればよい。
【００５０】
また、注入先となるシリコンの表面に、薄い金属層や絶縁層などの被覆層が形成されていても構わない。ただし、被覆層の層厚が２０ｎｍ以上になると、原子クラスターがシリコン中に注入されず被覆層に注入されるので、被覆層の層厚は十分薄くしておくことが重要となる。
【００５１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、注入対象の間接半導体からなる半導体層は、結晶シリコンに限らず、多結晶シリコンでも同様である。また、シリコンと同じＩＶ族半導体であるゲルマニウムであっても同様である。ただし、ゲルマニウム層へ注入する場合、臨界注入エネルギーの値はシリコンの場合とは異なり、適宜に設定する必要がある。
【符号の説明】
【００５２】
２０１…シリコン層、２０２…原子クラスター、２２１…ガリウム原子、２２２…砒素原子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する第１工程と、
前記原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とする注入方法。
【請求項２】
請求項１記載の注入方法において、
前記原子クラスターは、イオン化されていることを特徴とする注入方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の注入方法において、
前記半導体層は、シリコンから構成され、
前記第１工程では、
ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウムの中より選択されたＩＩＩ族原子、および窒素，リン，砒素，アンチモン，ビスマスの中より選択された前記Ｖ族原子から前記原子クラスターを生成し、
前記第２工程では、
ホウ素および窒素から構成された原子クラスターは５ｋｅＶ以下のエネルギー、
アルミニウムおよびリンから構成された原子クラスターは２２ｋｅＶ以下の注入エネルギー、
ガリウムおよび砒素から構成された原子クラスターは３８ｋｅＶ以下の注入エネルギー、
インジウムおよびアンチモンから構成された原子クラスターは５０ｋｅＶ以下の注入エネルギー、
タリウムおよびビスマスから構成された原子クラスターは７０ｋｅＶ以下の注入エネルギー
のいずれかの注入条件により前記原子クラスターを前記間接半導体からなる半導体層に注入する
ことを特徴とする注入方法。
【請求項１】
同じ周期番号の１つのＩＩＩ族原子および１つのＶ族原子から構成された原子クラスターを生成する第１工程と、
前記原子クラスターを間接半導体からなる半導体層に注入する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とする注入方法。
【請求項２】
請求項１記載の注入方法において、
前記原子クラスターは、イオン化されていることを特徴とする注入方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の注入方法において、
前記半導体層は、シリコンから構成され、
前記第１工程では、
ホウ素，アルミニウム，ガリウム，インジウム，タリウムの中より選択されたＩＩＩ族原子、および窒素，リン，砒素，アンチモン，ビスマスの中より選択された前記Ｖ族原子から前記原子クラスターを生成し、
前記第２工程では、
ホウ素および窒素から構成された原子クラスターは５ｋｅＶ以下のエネルギー、
アルミニウムおよびリンから構成された原子クラスターは２２ｋｅＶ以下の注入エネルギー、
ガリウムおよび砒素から構成された原子クラスターは３８ｋｅＶ以下の注入エネルギー、
インジウムおよびアンチモンから構成された原子クラスターは５０ｋｅＶ以下の注入エネルギー、
タリウムおよびビスマスから構成された原子クラスターは７０ｋｅＶ以下の注入エネルギー
のいずれかの注入条件により前記原子クラスターを前記間接半導体からなる半導体層に注入する
ことを特徴とする注入方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３０９５２（Ｐ２０１２−２３０９５２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９６９００（Ｐ２０１１−９６９００）
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
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