(57)【要約】【課題】引張歪による直接エネルギーギャップＥ０の縮小効果を増大するゲルマニウム構造体を提供すること。【解決手段】ゲルマニウム粒子と、前記ゲルマニウム粒子の周囲を覆って、前記ゲルマニウム粒子を埋め込む埋め込み層を具備し、前記埋め込み層が、前記ゲルマニウム粒子の３つの結晶軸方向夫々に於いて、引張歪を前記ゲルマニウム粒子に発生させていること。【選択図】    図４
2010103430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム粒子と、
前記ゲルマニウム粒子の周囲を覆って、前記ゲルマニウム粒子を埋め込む埋め込み層を具備し、
前記埋め込み層が、前記ゲルマニウム粒子の３つの結晶軸方向夫々に於いて、引張歪を前記ゲルマニウム粒子に発生させている、
構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の構造体において、
各結晶軸方向の歪の和が０．００５４以上で、
且つ、各結晶軸方向の歪の絶対値が０．０２以下あることを、
特徴とする構造体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の構造体において、
前記埋め込み層が、
前記ゲルマニウム粒子の底面に接し、ゲルマニウムより格子定数の大きな半導体単結晶と、
前記ゲルマニウム粒子の頂上及び側面に密着し、熱膨張係数がゲルマニウムより小さい金属膜又は酸化物膜とによって形成され、
前記ゲルマニウム粒子及び前記半導体単結晶を形成する原子が、夫々の原子配列が連続するように前記底面で結合し、
前記金属膜又は前記酸化物膜が、前記構造体の使用温度より高い温度で前記ゲルマニウム粒子に密着するように形成されたことを、
特徴とする構造体。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の構造体を、
光を受けてフォトキャリアを生成する受光層、又は電流が注入されて光を生成する発光層とする、
光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲルマニウムを具備する構造体、および当該構造体によって受光層又は発光層が形成された光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置（半導体チップ）間の光配線や、半導体集積回路装置を搭載したボード間を光配線で接続する光インターコネクトの要素技術の一つとして、シリコン（Ｓｉ）基板上に発光素子及び受光素子を集積化する技術が求められている。
【０００３】
発光素子や受光素子は、通常、直接遷移によって光を吸収し発光する、III-V族半導体（例えば、InGaAsP）によって形成される。
【０００４】
III-V族化合物半導体は、原子間の結合にイオン性結合が寄与する極性半導体である。一方、Ｓｉは、原子間の結合が共有性結合だけによって形成される無極性半導体である。このため、III-V族化合物半導体をＳｉ基板上に成長しようとすると種々の困難に直面する。
【０００５】
一方、ゲルマニウム（Ｇｅ）は、Ｓｉと同じ無極性半導体であり、Ｓｉとの親和性は高い。このため、Ｓｉ基板上へのＧｅの結晶成長は容易である。このような観点から、Ｇｅ製の受光素子および発光素子の、Ｓｉ基板上への集積化が期待されている。
【０００６】
しかし、Ｇｅは間接遷移型半導体である。従って、Ｇｅによって、発光素子を形成することは極めて困難である。
【０００７】
一方、Ｇｅは、受光素子の形成に利用される、数少ないIV族半導体である。
【０００８】
Ｇｅの基礎吸収端は、価電子帯の頂上であるΓ点と伝導帯の底であるＬ点間の間接エネルギーギャップ０．６７ｅＶに相当する１．８５μｍにある（３００Ｋにおいて）。しかし、間接遷移に起因する光吸収は極めて弱いので、１．８５μｍ近傍では、実質的には光は吸収されない。
【０００９】
一方、ＧｅのΓ点に於ける直接エネルギーギャップＥ０は、０．８１ｅＶである。このため、Ｇｅは、０．８１ｅＶに相当する１．５４μｍより短波長側で光を強く吸収する。このためＧｅを光吸収層とする受光器は、１．５４μｍより短波長側で光を検出する。
【００１０】
光インターコネクトは、半導体チップやボード間の近距離光通信を可能とする技術である。従って、伝送損失低減の観点からは、必ずしも、半導体チップやボード間の通信に、光ファイバ通信に於いて使用される波長帯（Ｃバンド、Ｌバンド、Ｕバンド等）を使う必要はない。しかし、各種光学部品（光カップラ等）は、光ファイバ通信用の波長帯に合わせて開発されている。従って、光インターコネクトでも、光ファイバ通信と同じ波長帯を使用することが好ましい。
【００１１】
ところで、上述したようにＧｅが光を吸収する波長帯は、実質的には１．５４μｍより短波長側にあり、Ｃバンド（１．５３μｍ−１．５７μｍ）の一部をカバーするに過ぎない。
【００１２】
このような事態に鑑み、Ｇｅ薄膜に引張歪を発生させて、Γ点での直接エネルギーギャップＥ０を縮小させようとする試みがなされている（非特許文献１）。
【００１３】
Γ点での直接エネルギーギャップＥ０が縮小すると、Ｇｅの実質的な光吸収端は１．５４μｍより長波長側にシフトする（すなわち、ダウンシフトする。）。このように光吸収端のダウンシフトが実現すれば、Ｇｅを受光層とする光受光器の動作波長帯が広がり、その有用性、特に光インタコネクト用のＧｅ光受光器としての有用性が高くなる。
【００１４】
更にΓ点間の直接エネルギーギャップＥ０が縮小して、Γ点とＬ点の間の間接エネルギーギャップより小さくなれば、Ｇｅによる発光素子の形成も可能になる。
【非特許文献１】"Perfectly tetragonal, tensile-strained Ge on Ge1-ySny buffered Si(100)",Appled Physics Letters 90, 061915(2007).
【非特許文献２】”Theoretical calculations of heterojunction discontinuities in the Si/Ge system”, Physical Review B 34, 5621 (1986).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記試みによって期待される直接エネルギーギャップＥ０の減少量は、けして十分なものではない。このため、上記試み従うゲルマニウム薄膜によっては、Ｇｅによる発光はおろか、（直接遷移に基づく）Ｇｅの光吸収帯がＵバンド（１．６３μｍ−１．６８μｍ）をカバーすることもできない。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、引張歪による直接エネルギーギャップＥ０の縮小効果を増大するゲルマニウム構造体および当該ゲルマニウム構造体を利用した半導体光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために、本構造体は、ゲルマニウム粒子と、前記ゲルマニウム粒子の周囲を覆って、前記ゲルマニウム粒子を埋め込む埋め込み層を具備し、前記埋め込み層が、前記ゲルマニウム粒子の３つの結晶軸方向夫々に於いて、引張歪を前記ゲルマニウム粒子に発生させている。
【００１８】
また、本光半導体装置は、上記構造体を、光を受けてフォトキャリアを生成する受光層又は電流が注入されて光を生成する発光層とする。
【発明の効果】
【００１９】
本構造体によれば、ゲルマニウムを具備する構造体（ゲルマニウム構造体）において、引張歪による直接エネルギーギャップＥ０の縮小効果を増大することができる。
【００２０】
また、本光半導体装置では受光層が上記ゲルマニウム構造体によって形成されるので、Ｇｅを受光層とする光半導体装置において、光通信波長帯（特に、Ｃバンド〜Ｕバンド）での光検出が可能になる。従って、本光半導体装置によれば、Ｓｉとの親和性が高いＧｅによって形成された光半導体装置をＳｉ基板上に集積して、インターコネクト用集積回路装置を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００２２】
（引張歪によるＥ０の縮小）
まず、本発明者独自の知見も交えて、先に説明した、引張歪を導入してＧｅ薄膜の直接エネルギーギャップＥ０を縮小させる方法（関連技術）とその原理について説明する。
【００２３】
（１）歪Ｇｅ薄膜の形成
図１は、引張歪を導入して直接エネルギーギャップＥ０を縮小させたＧｅ薄膜の構成を説明する断面図である。図１には、Ｇｅ薄膜の結晶軸と、後述する歪の定義に使用する座標軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）が図示されている。
【００２４】
Ｇｅ薄膜２に引張歪を導入して直接エネルギーギャップＥ０を縮小させるためには、まずＳｉ（１００）基板４の上にゲルマニウム−スズ混晶バッファ層（Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６）が形成される。ここで、Ｓｎの組成比ｘは、０．０１５〜０．０２５である。Ｇｅ１−ｘＳｎｘの格子定数はＳｉより大きいが、Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６は、Ｓｉ（１００）基板４との格子不整合による歪が略完全に緩和された状態で形成される。
【００２５】
このＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の上に、厚さ１２０〜２４０ｎｍのＧｅ薄膜２が形成される。
【００２６】
ところでＧｅの格子定数は、Ｇｅ１−ｘＳｎｘ混晶より小さい。このため、Ｇｅ薄膜６には２軸性の引張歪が発生する。後述するように、この引張歪によって、直接エネルギーギャップＥ0が縮小する。
【００２７】
図２は、Ｇｅ薄膜２とＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の界面１０に於ける原子配列を説明する図である。図２に示すように、Ｇｅ薄膜２を構成する原子（Ｇｅ原子１８）およびＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６を構成する原子（Ｇｅ原子２０およびＳｎ原子２２）は、夫々の原子配列が連続するように、界面１０で結合している。
【００２８】
よく知られているように、Ｇｅの結晶構造はダイヤモンド構造である。一方、Ｇｅ１−ｘＳｎｘの結晶構造は、ダイヤモンド構造の各格子点にＧｅ原子又はＳｎ原子の何れかが一つずつ配置された構造である。
【００２９】
従って、Ｇｅ薄膜２を構成する原子（Ｇｅ１８）とＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６を構成する原子（Ｇｅ２０またはＳｎ２２）の配列は同じである（原子の配列に注目しているので、元素の違いには着目しない。）。そして、図１を参照して説明した構造では、Ｇｅ薄膜２は、Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の上にエピタキシャル成長によって形成される。
【００３０】
故に、Ｇｅ薄膜２を構成する原子（Ｇｅ原子１８）とＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６を構成する原子（Ｇｅ原子２０およびＳｎ原子２２）は、図２に示すように、夫々の原子配列が連続するように界面１０で結合する。
【００３１】
このようにＧｅ薄膜２とＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６は夫々の原子配列が界面１０で連続するように接続するので、両者の格子定数は界面に平行な方向で一致する。
【００３２】
ところで、図１を参照して説明した関連技術では、Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６はＧｅ薄膜２より十分に厚く形成される。このため、Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の格子定数は殆ど変化しない。一方、Ｇｅ薄膜２の格子定数は、界面１０に平行な方向で、Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の格子定数に一致するように変化する。
【００３３】
ところで、Ｇｅ１−ｘＳｎｘの格子定数は、Ｇｅの格子定数より大きい。従って、Ｇｅ薄膜２には、界面１０に平行な方向に引張歪（２軸性の引張歪）が発生する。
【００３４】
但し、Ｇｅ薄膜２とＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の格子定数の違いが大きくなり過ぎると、Ｇｅ薄膜２に結晶欠陥が発生して、引張歪が緩和してしまう。従って、図１を参照して説明した構造によって、Ｇｅ薄膜２に生成可能な歪には上限が存在する。この上限は、後述する歪ε（＝εｘｘ＝εｙｙ）によって表すならば、０．００２５（０．２５％）になる。
【００３５】
（２）歪によるＥ０の変化
図３は、Ｇｅの波数空間に於けるバンド構造を説明する図である。横軸の右半分は、Γ点（波数ｋ＝０）から＜１００＞方向の端のＸ点に向かうΔ軸に沿った波数である。一方、横軸の左半分は、Γ点（波数ｋ＝０）から＜１１１＞方向の端のＬ点に向かうΛ軸に沿った波数である。縦軸は、価電子帯の頂上８に対する電子のエネルギーである。
【００３６】
図３に示すように、Ｇｅの価電子帯の頂上８およびは伝導帯の底９は、夫々、Γ点およびＬ点にある。このため、Ｇｅの価電子帯の頂上８を占有する電子が、光を吸収（又は放出）して、伝導帯の底９に遷移するためには、フォノンが介在して波数保存則が満たさなければならない。また、Ｇｅの伝導帯の底９を占有する電子が、価電子帯の頂上８を占有するホールと再結合するためにも、フォノンが介在して波数保存則が満たさなければならない。
【００３７】
このように、波数の異なる準位間の遷移すなわち間接遷移は、フォノンの介在を必要とするので、フォノンの介在を必要としない直接遷移（波数の変化を伴わない遷移）に比べ遷移確率が数桁低くなる。このため、（伝導帯の底９と価電子帯の頂上８のエネルギー差に相当する）基礎吸収端１．８５μｍの（短波長側）近傍では、Ｇｅは殆ど光を吸収しない（但し、基礎吸収端の波長１．８５μｍは、温度が３００Ｋの場合の値）。
【００３８】
しかし、Γ点における伝導帯の底１１と価電子帯の頂上８の間の遷移は直接遷移であり、その遷移確率は高い。このため、Ｇｅは、この直接遷移に基づくエネルギーギャップすなわち直接エネルギーギャップＥ０に相当する波長１．５４μｍより短波長側で、光を強く吸収する。
【００３９】
ところで、半導体に歪が発生すると、そのバンド構造が変化する。このため歪が発生すると、直接エネルギーギャップＥ０も変化する。
【００４０】
歪による直接エネルギーギャップＥ０の変化ΔＥｃΓは、一般的には、ディフォーメーションポテンシャルを考慮した数値計算によって算出される（非特許文献２）。
【００４１】
特殊な場合を除き、ΔＥｃΓを明示的に記述することは困難である。但し、次式によってΔＥｃΓを近似することは可能である。
【００４２】
【数１】
2010103430.tif 000003
【００４３】
ここでａｃΓは、歪に対するΓ点に於ける直接エネルギーギャップＥ０の変化率である。図１に示すように座標軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）と結晶軸（[１００]、[０１０]、[００１]）を一致させると、Ｇｅの場合、ａｃΓは-9.４８ｅＶになる。
【００４４】
一方、εｘｘ、εｙｙ、εｚｚは、歪の成分であり次式によって定義される。
【００４５】
【数２】
2010103430.tif 000004
【００４６】
ここで、ｘ、ｙ、ｚは、固体内部の点Ｐの位置座標である。
【００４７】
一方、ｕｘ、ｕｙ、及びｕｚは、当該固体の弾性変形によって誘起される点Ｐの変位である。すなわち、弾性変形によって、固体内部の点Ｐが、座標（ｘ,ｙ,ｚ）から座標（ｘ+ｕｘ,ｙ+ｕy,ｚ+ｕz）に変位する。尚、固体の変形が一様な場合には、εｘｘ、εｙｙ、εｚｚは、位置の関数ではなく定数になる。
【００４８】
以下の説明では、εｘｘ、εｙｙ、εｚｚ夫々は、定数と考えてよい。
【００４９】
（３）Ｅ０縮小の原理
ところで、Ｇｅ１−ｘＳｎｘの格子定数は、Ｇｅの格子定数より大きい。
【００５０】
故に、上述したように、Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の上に形成されたＧｅ薄膜２には、２軸性の引張歪が発生する。すなわち、Ｇｅ薄膜２では、Ｓｉ基板４の主面（００１）に平行な、ｘ軸方向およびｙ軸方向に歪εｘｘ、εｙｙが発生する。
【００５１】
ところで引張歪の符号は正である。従って、εｘｘ、εｙｙは正の値である。
【００５２】
一方、Ｓｉ基板４の主面（００１）に垂直な方向の歪εｚｚは、ポアッソン効果により負の値になる。具体的には、次式であらわされる。
【００５３】
【数３】
2010103430.tif 000005
【００５４】
ここで、Ｃ１１及びＣ１２は、弾性定数（弾性コンプライアンス定数）であり、弾性率テンソル[Ｃ]の成分である。
【００５５】
ＧｅのＣ１１及びＣ１２は、夫々、１３．１５×１０１１ｄｙｎ／ｃｍ２及び４．１３×１０１１ｄｙｎ／ｃｍ２である。
【００５６】
従って、Ｇｅ薄膜２に於ける直接エネルギーギャップＥ０の変化ΔＥｃΓは、以下のように表される。
【００５７】
【数４】
2010103430.tif 000006
【００５８】
ところで、２軸性歪ではεｘｘとεｙｙは等しい。そこで、εｘｘ及びεｙｙをε（＝εｘｘ＝εｙｙ）で表すと、ΔＥｃΓは、次式によって表される。
【００５９】
【数５】
2010103430.tif 000007
【００６０】
すなわち、Ｇｅより格子定数の大きなＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層６の上に、Ｇｅ薄膜２を成長すると、式（５）に従って直接エネルギーギャップＥ０が縮小する。
【００６１】
（４）課  題
上述したように、図１を参照して説明した関連技術に於けるεの上限は０．００２５である。従って、式（５）に従えば、ΔＥｃΓは高々３２．５ｍｅＶにしかならない。この時の直接エネルギーギャップＥ０（０．７７２３ｅＶ）は、波長１．６１μｍに相当する。
【００６２】
しかし、この程度のダウンシフトでは、Ｃバンド（１．５３μｍ−１．５７μｍ）をカバーすることはできるが、Ｌバンド（１．５７μｍ−１．６３μｍ）やＵバンド（１．６３μｍ−１．６８μｍ）をカバーすることはできない。
【００６３】
そこで、下記各実施の形態では、直接エネルギーギャップＥ０の縮小幅を増大したＧｅ構造体等が提供される。
【００６４】
（実施の形態１）
本実施の形態は、Ｇｅ粒子がＧｅ１−ｘＳｎｘ製の埋め込み層で埋め込まれた構造体に関する。
【００６５】
（１）構  成
図４は、本実施の形態に従う構造体の構成を説明する断面図である。図４の下側には、Ｇｅの結晶軸が示されている。
【００６６】
図４に示すように、本実施の形態に従う構造体１２は、ゲルマニウム粒子１４を具備している。
【００６７】
また、本構造体１２は、ゲルマニウム粒子１４の周囲を覆って、ゲルマニウム粒子１４を埋め込む埋め込み層１６を具備している。
【００６８】
そして、本構造体１２では、埋め込み層１６が、ゲルマニウム粒子１４の３つの結晶軸方向夫々に、引張歪をゲルマニウム粒子１４に発生させている。
【００６９】
ここで、埋め込み層１４は、Ｇｅより格子定数の大きな半導体単結晶、例えば、Ｇｅ１−ｘＳｎｘ（但し、０＜ｘ＜１）、又はＳｉｙＧｅ１−ｘ−ｙＳｎｘ（但し、０＜ｘ,y＜１）によって形成されている。
【００７０】
図５は、本実施の形態に従うＧｅ粒子１４と埋め込み層（半導体単結晶）１６の界面２６に於ける原子配列を説明する図である。
【００７１】
図５に示すように、本構造体１２では、Ｇｅ粒子１４及び埋め込み層１６を形成する原子２４が、夫々の原子配列が連続するように界面２６で結合している。更に、Ｇｅ粒子１４は、周囲が埋め込み層１６によって覆われている。従って、Ｇｅ粒子１４には、２軸性の引張歪ではなく、３つの結晶軸方向夫々に向かう引張歪が発生する。
【００７２】
（２）原  理
ここで、埋め込み層１６の体積がＧｅ粒子１４の体積に比べて十分に大きい場合には、埋め込み層１６を形成する半導体単結晶は殆ど歪まず、Ｇｅ粒子１４が３つの結晶軸方向夫々に等しく歪む。
【００７３】
この歪をε（＝εｘｘ＝εｙｙ＝εｚｚ）とし、式（１）にこの歪εを代入する。すると、以下に示す通り、直接エネルギーギャップＥ０の変化ΔＥｃΓを表す計算式が得られる。
【００７４】
【数６】
2010103430.tif 000008
【００７５】
この式と式（５）を比較すると明らかように、本実施の形態に従う構造体１２に於ける直接エネルギーギャップＥ０の変化は、同じ大きさの引張歪εに対するＧｅ薄膜のＥ０の変化の約２．１９倍になる。
【００７６】
従って、本構造体１２によれば、僅かな歪で大きなＥ０の変化を実現することができる。例えば、僅か０．００１９たらずの引張歪で、Ｕバンドをカバーすることが可能になる。この値は、Ｇｅ薄膜に形成可能な歪の上限０．００２５より小さい。
【００７７】
これは、Ｇｅ薄膜では、εｚｚが負の値（式（３）参照）となって、εｘｘ及びεｙｙにって誘起されるＥ０のダウンシフトを減じるのに対して、本実施の形態のＧｅ粒子では、εｚｚも正の値ε（＝εｘｘ＝εｙｙ＝εｚｚ）となってＥ０のダウンシフトに寄与するからである（式（１）参照）。
【００７８】
デイフォーメーション・ポテンシャを用いた精度の高い計算結果によれば、Ｕバンドをカバーするためには、各結晶軸方向の歪の和（εｘｘ＋εｙｙ＋εｚｚ）が０．００５４以上であればよいことが分かる。但し、εｘｘ、εｙｙ、εｚｚの何れかの絶対値が０．０２より大きくなることは、Ｇｅ粒子に結晶欠陥を発生させるので好ましくない。（
すなわち、本実施の形態に従う構造体１２では、各結晶軸方向の歪の和が０．００５４以上で、且つ各結晶軸方向の歪の絶対値が０．０２以下であることが好ましい。
【００７９】
以上説明した通り、本実施の形態に従えば、Ｇｅを具備した構造体に於いて、引張歪によるＧｅの直接エネルギーギャップＥ０の縮小幅を、容易に増大することができる。
【００８０】
（３）製造方法
次に、本実施の形態に従う構造体１２の詳細を製造手順に従って説明する。
【００８１】
図６は、本実施の形態に従う構造体１２の一例を説明する断面図である。図７は、本実施の形態に従う構造体の製造手順を説明するフロー図である。
【００８２】
（ｉ）傾斜組成層の形成（ステップＳ１）
まず、Ｇｅ（００１）基板２８が、ガスソース分子線成長装置に装着され、例えば３００〜７００℃に加熱される。
【００８３】
次に、加熱された状態のＧｅ（００１）基板２８に、ゲルマン（ＧｅＨ４）および重水素化スズ（ＳｎＤ４）が供給される。ここで、ＧｅＨ４に対するＳｎＤ４の供給割合は、徐々に増加させられる。
【００８４】
本ステップによって、Ｓｎの組成比が徐々に増加する傾斜組成ＧｅＳｎ層３０が形成される。傾斜組成ＧｅＳｎ層３０は、例えば、厚さ１μｍになるように形成される。尚、「ＧｅＳｎ」等、元素記号だけの表記は、当該混晶半導体の組成は特定しないものとする（すなわち、ＧｅＳｎは、Ｇｅ：Ｓｎ＝１：１のゲルマニウム−スズを意味するものではない。）。
【００８５】
尚、重水素化スズ（ＳｎＤ４）は、高純度のものが得られやすい。このため、本実施の形態では、Ｓｎの原料ガスとして重水素化スズ（ＳｎＤ４）が使用される。
【００８６】
（ｉｉ）歪緩和層の形成（ステップＳ２）
次に、ＧｅＨ４に対するＳｎＤ４の供給割合を固定して、一定組成のＧｅ１−ｘＳｎｘ層を、例えば５００ｎｍ成長する。ここで、ｘは、傾斜組成ＧｅＳｎ層３０の最上部に於けるＳｎの組成である（但し、０＜ｘ＜１）。ｘの具体的値については後述する。
【００８７】
ステップＳ１及び本ステップによって形成される傾斜組成ＧｅＳｎ層及びＧｅ１−ｘＳｎｘ層によって、Ｇｅ（００１）基板２８との格子不整合が解消された半導体層が形成される。
【００８８】
すなわち、Ｇｅ１−ｘＳｎｘ層３２の最上部の格子定数は、Ｇｅ１−ｘＳｎｘ本来の格子定数となっている。
【００８９】
尚、Ｇｅ１−ｘＳｎｘ層３２は、以後、歪緩和ＧｅＳｎ層と呼ばれる。
【００９０】
（ｉｉｉ）Ｇｅ粒子の形成（ステップＳ３）
次に、ＳｎＤ４の供給が停止されＧｅＨ４のみが供給されて、３〜１０ＭＬ（原子層）相当のＧｅが供給される。
【００９１】
この時、ＳＫ（Stranski-Krastanov）モードによってＧｅが成長し、Ｇｅ製の微粒子３４（Ｇｅ粒子）が形成される。このＧｅ微粒子３４の寸法は、全ての方向で１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。すなわち、Ｇｅ製の量子ドットが成長する。
【００９２】
（ｉｖ）被覆層の形成（ステップＳ４）
次に、ＳｎＤ４の供給が再開され、Ｇｅ１−ｘＳｎｘ製の被覆層３６が形成される。
【００９３】
被覆層３６の厚さは、１０以上１００ｎｍ以下である。ここで被覆層３６は、Ｇｅ微粒子３４の周囲を覆って、Ｇｅ微粒子３４を埋め込む。また、被覆層３６の組成比ｘは、上述した歪緩和ＧｅＳｎ層３２と同じである。この被覆層３６は、Ｇｅ微粒子３４すなわちＧｅ量子ドットのスペーサ層として機能する。
【００９４】
ここで、Ｇｅ微粒子３４は、その周囲を歪緩和ＧｅＳｎ層３２とＧｅＳｎ製の被服層３６によって覆われている。すなわち、歪緩和ＧｅＳｎ層３２とＧｅＳｎ製の被服層３６によって、Ｇｅ微粒子３４の周囲を覆って、Ｇｅ微粒子３４を埋め込む埋め込み層１６が形成される。
【００９５】
（ｖ）多層化（ステップＳ５）
次に、ステップＳ３とステップＳ４が複数回繰り返されて、図６に示す構造体１２が形成される。ただし、本ステップは実施されなくてもよい。その場合には、Ｇｅ微粒子が形成されＧｅ微粒子層は１層のみ形成されることになる。
【００９６】
但し、Ｇｅ微粒子層を多層化することによって、本構造体１２を光半導体装置に適用した場合、外部量子効率を高くすることができる。
【００９７】
以上の例では、Ｇｅ微粒子３４は、ＳＫモードを利用した自己形成方法によって形成される。しかし、Ｇｅ微粒子３６は、リソグラフィー技術とエッチングによってＧｅ層が加工されて、形成されてもよい。
【００９８】
（４）動  作
以上のようにして形成された構造体１２では、Ｇｅ製の微粒子３４とその周囲を覆うＧｅ１−ｘＳｎｘ（０＜ｘ＜１）製の埋め込み層１６の構成原子が、夫々の原子配列が連続するように界面で結合している。
【００９９】
ところで、Ｇｅの格子定数はＧｅ１−ｘＳｎｘより小さい。従って、埋め込み層１６が、Ｇｅ微粒子３４の３つの結晶軸（［１００］、［０１０］、［００１］）の方向夫々に向かう引張歪を、Ｇｅ微粒子３４に発生させる（図６の下側に、Ｇｅ微粒子の結晶軸とその方位が図示されている。）。
【０１００】
従って、Ｇｅ微粒子３４の直接エネルギーギャップは、上述した式（６）に従ってダウンシフトする。
【０１０１】
ところで、本実施の形態に従う構造体１２では、Ｇｅ微粒子３４は埋め込み層１６に比べ、圧倒的に体積が小さい。従って、Ｇｅ微粒子３４の格子定数は、埋め込み層１６を形成するＧｅ１−ｘＳｎｘの格子定数に一致する。故に、Ｇｅ微粒子３４に発生する歪ε（＝εｘｘ＝εｙｙ＝εｚｚ）は、以下のように表される。
【０１０２】
【数７】
2010103430.tif 000009
【０１０３】
ここで、ａＧｅＳｎは、埋め込み層１６を形成するＧｅ１−ｘＳｎｘの格子定数である。一方、ａＧｅは、歪が発生していなＧｅ本来の格子定数（５．６７９ｎｍ）である。
【０１０４】
一方、Ｇｅ１−ｘＳｎｘの格子定数ａＧｅＳｎは、以下のように表される。
【０１０５】
【数８】
2010103430.tif 000010
【０１０６】
ここで、ｘは、Ｓｎの組成比である。
【０１０７】
従って、式（６）〜式（８）に従えば、所望のダウンシフトΔＥｃΓを形成するＧｅ１−ｘＳｎｘの組成ｘが得られる。例えば、Ｕバンドをカバーするためには、ｘは０．０１３以上であればよい（但し、量子ドットに於けるエネルギー準位の上昇は考慮していない。）。
【０１０８】
但し、歪が大きなり過ぎるとＧｅ微粒子に結晶欠陥が発生してしまう。従って、歪（εｘｘ,εｙｙ,εｚｚ）の絶対値は０．０２以下であることが望ましい。
【０１０９】
ところで、埋め込み層１６は、ＳｉｙＧｅ１−ｘ−ｙＳｎｘ（但し、０＜ｘ，ｙ＜１）によって形成してもよい。ここでＳｉｙＧｅ１−ｘ−ｙＳｎｘの格子定数ａＳｉＧｅＳｎは、以下のように表される。
【０１１０】
【数９】
2010103430.tif 000011
【０１１１】
この式と、式（６）及び式（７）に従えば、所望のダウンシフトΔＥｃΓを形成するＳｉｙＧｅ１−ｘ−ｙＳｎｘの組成ｘ，ｙが得られる（但し、式（７）では、ａＧｅＳｎがａＳｉＧｅＳｎで置き換えられる。）。
【０１１２】
例えば、Ｕバンドをカバーするためには、０．０１３＜ｘ−０．３０６ｙであればよい。但し、Ｇｅ微粒子に結晶欠陥が発生しないようにするためには、Ｇｅ微粒子に発生する歪の絶対値は０．０２以下であることが好ましい。
【０１１３】
尚、埋め込み層１６が互いに分離している場合に、Ｇｅ粒子が埋め込み層の中心からズレると、Ｇｅ粒子に発生する歪は位置に依って変化するようになる。また、埋め込み層１６の一部に格子定数の異なる材料を挿入することによっても、Ｇｅ粒子の歪は位置に依って変化するようになる。
【０１１４】
（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１に従う構造体を受光層とする光半導体装置（光受光器）に関する。
【０１１５】
（１）構成及び製造方法
以下、本実施の形態に従う光半導体装置（光受光器）の構成を、製造手順に従って説明する。
【０１１６】
図８は、本実施の形態の従う光半導体装置（光受光器３７）の構成を説明する断面図である。図９は、本実施の形態に従う光半導体装置（光受光器３７）の製造手順を説明するフロー図である。
【０１１７】
（ｉ）ＳＧＯＩ基板の形成（ステップＳ１）
まず、Ｓｉ基板３８の上に、ＳｉＯ２層４０とＳｉ単結晶層（図示せず）が順次形成されたＳＯＩ基板４４（silicon on insulator  基板；図示せず）が用意される。このＳＯＩ基板４４は、例えば、ＳｉＯ２膜の形成されたＳｉ基板にＳｉ単結晶層を貼り合せることによって形成することができる。
【０１１８】
次に、このＳＯＩ基板の上にＳｉＧｅ層がエピタキシャル成長によって形成される。
【０１１９】
次に、このＳｉＧｅ膜が酸化される。この時、Ｓｉが選択的に酸化されて、ＳｉＧｅ層の表面にＳｉＯ２膜が形成される。一方、ＧｅはＳｉＧｅ層の内部に拡散して、ＳｉＧｅ層のＧｅ組成を高くする。
【０１２０】
次に、このＳｉＯ２膜がエッチングによって除去される。
【０１２１】
この酸化とエッチングの工程が複数回繰り返されて、厚さが１０〜３００ｎｍでＧｅの組成比が０．５〜１．０のＳｉＧｅ層４２が形成される。
【０１２２】
このような高いＧｅ組成を有するＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長によって形成するためには、ＳｉＧｅ層を厚く成長しなければならない。しかし、上記工程によれば、薄いＧｅＳｉ層を成長するだけで、高Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層を形成することができる。
【０１２３】
本ステップにより、ＳＧＯＩ基板４４（silicon- germanium on insulator 基板）が形成される。
【０１２４】
（ｉｉ）歪緩和ＧｅＳｎ層の形成（ステップＳ２）
次に、このＳＧＯＩ基板４４の上に、実施の形態１のステップＳ２に準じてＧｅＳｎ製の歪緩和層４６が形成される。
【０１２５】
但し、ＧｅＳｎ製の歪緩和層４６は、ＳｉＧｅ層４２の厚さの３〜１０倍厚く形成される。この時、ＳｉＧｅ層４２より厚く形成された歪緩和層４６には殆ど歪が発生せず、ＳｉＧｅ層４２が歪む。或いは、ＳｉＧｅ／ＳｉＯ２界面でＳｉＧｅが滑って、歪が開放される。
【０１２６】
尚、ＧｅＳｎ製の歪緩和層４６には、ホウ素（Ｂ）等のｐ型不純物がドーピングされる。ｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３である。
【０１２７】
（ｉｉｉ）受光層の形成（ステップＳ３）
次に、アンドープＧｅＳｎ層４８が形成される。
【０１２８】
次に、実施の形態１のステップＳ３及びステップＳ４と略同じ手順に従って、Ｇｅ微粒子３４及びＧｅＳｎ製の被服層３６が形成される。
【０１２９】
ここで、アンドープのＧｅＳｎ層４８及び被服層３６によって、埋め込み層１６が形成される。
【０１３０】
本ステップによって、受光層４９が形成される。
【０１３１】
（ｉｖ）ｎ型ＧｅＳｎ層の形成（ステップＳ４）
次に、ｎ型ＧｅＳｎ層５０が、例えば１００〜３００ｎｍ成長される。この時、リン（Ｐ）等のｎ型不純物がドーピングされる。不純物濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３である。
【０１３２】
（ｖ）電極の形成（ステップＳ５）
次に、リソグラフィー技術とエッチングによって、ｎ型ＧｅＳｎ層５０〜アンドープＧｅＳｎ層４８までが部分的に除去されて、ｐ型ＧｅＳｎ製の歪緩和層４６の表面が露出させられる。
【０１３３】
この露出面及びｎ型ＧｅＳｎ層５０の表面にｐ電極５８及びｎ電極６０が夫々形成されて、光受光器３７が完成する。
【０１３４】
（２）動  作
本受光器３７を形成する各ＧｅＳｎ層のＳｎ組成比は、量子効果も考慮して、Ｇｅ微粒子３４の直接ギャップがＵバンドをカバーするように設定される。
【０１３５】
従って、例えば、Ｓｉ基板３８の裏面から入射光３９を入射させると、Ｕバンドを含む広い波長範囲に反応して、Ｇｅ微粒子３４に電子とホール（フォトキャリア）が発生する。
【０１３６】
この電子とホールは、ｐ電極４６とｎ電極６０の間に印加された電界によって、夫々ｐ電極４６及びｎ電極６０に向かって加速され光電流となる。
【０１３７】
この光電流が、受光器３７に接続された測定器によって計測され、入射光３９が検出される。
【０１３８】
従って、本受光器３７によれば、Ｕバンドを含み広い範囲の光を検出することができる。また、本受光器３７の形成されたＳｉ基板３８に集積回路装置を形成すれば、他のＳｉ基板に形成された集積回路装置が発生した光信号を本受光器３７が受信し、光電変換した信号を同一基板上の集積回路装置に受け渡すことができる。
【０１３９】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に従えば、Ｇｅによって吸収層が形成された受光器に於いて、検出限界波長の引張歪による長波長化を増進することができる。
【０１４０】
（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態１に従う構造体を発光層とする光半導体装置（発光ダイオード）に関する。
【０１４１】
（１）構成及び製造方法
以下、本実施の形態に従う光半導体装置（発光ダイオード）の構成を、製造手順に従って説明する。
【０１４２】
図１０は、本実施の形態に従う光導波層の製造手順を説明するフロー図である。図１１は、本実施の形態の従う光半導体装置（発光ダイオード５２）の構成を説明する断面図である。
【０１４３】
（ｉ）ＳＧＯＩ基板の形成（ステップＳ１）
まず、実施の形態２のステップＳ１と同じ手順でＳＧＯＩ基板が形成される。
【０１４４】
（ｉｉ）歪緩和層の形成（ステップＳ２）
次に、実施の形態２のステップＳ２と略同じ手順でＧｅＳｎ製の歪緩和層４６が形成される。
【０１４５】
但し、ｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。また、歪緩和層４６の組成比は、後述するアンドープＧｅＳｎ層４８及び被覆層３６の組成と同じに設定される。
【０１４６】
（ｉｉｉ）下部ＳＣＨ層の形成（ステップＳ３）
次に、厚さ１０−１００ｎｍのアンドープＳｉＧｅＳｎ層５４が形成される。
【０１４７】
ここで、Ｓｉ及びＳｎの組成比ｙ及びｘは、例えば0.03及び0.023とする。このＳｉＧｅＳｎ層５４の屈折率はＧｅより小さい。
【０１４８】
一方、ＳｉＧｅＳｎ層５４の（Γ点に於ける）直接エネルギーギャップＥ０は、Ｇｅの直接エネルギーギャップＥ０より大きくなる。従って、ＳｉＧｅＳｎ層５４は下部ＳＣＨ（separate confinement heterostructure）層として機能する。
【０１４９】
（ｉｖ）発光層の形成（ステップＳ４）
次に、実施の形態２のステップＳ３と略同じ手順で、アンドープＧｅＳｎ層４８、Ｇｅ微粒子３４、及び被覆層３６が形成される。但し、アンドープＧｅＳｎ層４８及び被覆層３６の組成は、後述するように、Ｇｅ微粒子３４のΓ点及びＬ点に於ける直接エネルギーギャップの大きさが逆転するよう設定される。
【０１５０】
本ステップによって、発光層５６が形成される。
【０１５１】
（ｖ）上部ＳＣＨ層の形成（ステップＳ５）
次に、アンドープＳｉＧｅＳｎ層５８が形成される。ＳｉＧｅＳｎ層５８の厚さ及び組成は、上記アンドープＳｉＧｅＳｎ層５４と同じである。
【０１５２】
ＳｉＧｅＳｎ層５８も、ＳｉＧｅＳｎ層５４と同様、ＳＣＨ層として機能する。
【０１５３】
（ｖｉ）ｎ型ＧｅＳｎ層の形成（ステップＳ６）
次に、実施の形態２のステップＳ４と略同じ手順で、ｎ型ＧｅＳｎ層５０が形成される。
【０１５４】
但し、ｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。また、ＧｅＳｎ層５０の組成は、上記被覆層３６及びアンドープＧｅＳｎ層４８と同じである。
【０１５５】
（ｖｉｉ）電極の形成（ステップＳ７）
次に、リソグラフィー技術とエッチングによって、ｎ型ＧｅＳｎ層５０〜アンドープＧｅＳｎ層４８までが部分的に除去されて、ｐ型ＧｅＳｎ製の歪緩和層４６の表面が露出される。
【０１５６】
この露出面及びｎ型ＧｅＳｎ層５０の表面にｐ電極５８及びｎ電極６０が夫々形成されて、発光ダイオード５２が完成する。
【０１５７】
尚、ｎ電極６０は、リング状に形成される。
【０１５８】
（２）動  作
本発光ダイオード５２を形成する各ＧｅＳｎ層のＳｎ組成比は、Ｇｅ微粒子３４のΓ点に於ける直接エネルギーギャップが、Ｌ点に於ける直接エネルギーギャップより小さくなるように設定される。従って、Ｇｅ微粒子３４の伝導帯の底および価電子帯の頂上は共にΓ点になる。
【０１５９】
従って、電極６０とｎ電極５８の間に信号源を接続して電流を発光層５６に注入すると、Ｇｅ微粒子３４の伝導帯の底と価電子帯の頂上に夫々電子とホールが集中して、反転分布が形成される。反転分布を形成した後、電子とホールは結合し消滅する。この時、電子は、伝導帯の底から価電子帯の頂上に直接遷移して、光を発生する。
【０１６０】
この光がリング状のｎ電極６０の内側を通って取り出され、出射光６２となる。
【０１６１】
ところで、本発光ダイオード５２は、ＳＣＨ層５４，５８を備えているので、導波路形の発光ダイオードに加工して使用することができる。
【０１６２】
（３）原  理
次に、歪の導入によって、Ｇｅ粒子が直接遷移型半導体となる理由について説明する。
【０１６３】
上述したように、Ｇｅの価電子帯の頂上８はΓ点にある（図３参照）。一方、伝導帯の底９はＬ点に存在する。ここで、伝導帯に於ける、Γ点１１とＬ点のエネルギー差は０．１５ｅＶである。
【０１６４】
ところで、Γ点に於ける直接エネルギーギャップＥ０は、上述したように歪によって変化する。その変化量ΔＥｃΓは、次式で近似できる（式（１）及び式（６）参照）。
【０１６５】
【数１０】
2010103430.tif 000012
【０１６６】
一方、Ｌ点に於ける直接エネルギーギャップも歪によって変化する。その変化量ΔＥｃＬは、次式で近似される。
【０１６７】
【数１１】
2010103430.tif 000013
【０１６８】
ここで、ε＝εｘｘ＝εｙｙ＝εｚｚとした。また、ａｃΓ＝−９．４８（ｅＶ）及びａｃＬ＝−２．７８（ｅＶ）である。
【０１６９】
式（１０）と式（１１）とを比較すると明らかなように、歪に対する直接エネルギーギャップの変化量はΓ点の方が格段に大きい。
【０１７０】
従って、歪εを大きくしていくと、（伝導帯における）Ｌ点とΓ点のエネルギー差０．１５ｅＶがやがて解消し、遂にはΓ点が伝導帯の底になる。故に、所定の歪を導入することによって、Ｇｅ粒子を直接遷移型半導体とすることができる。
【０１７１】
Ｇｅ粒子を直接遷移型半導体にするために必要な歪εは、式（１０）、式（１１）、及びΓ点とＬ点のエネルギー差０．１５ｅＶから０．００８であることが分かる。
【０１７２】
一方、図１を参照して説明したＧｅ薄膜を直接遷移型半導体にするために必要な歪εは、式（５）、式（３）と式（１１）、及びΓ点とＬ点の上記エネルギー差０．１５ｅＶから０．０１８であることが分かる。
【０１７３】
すなわち、本実施の形態によれば、Ｇｅの直接遷移型化が容易になる。従って、本実施の形態によれば、Ｇｅを発光層とする発光装置を形成することができる。また、本発光ダイオード５２の形成されたＳｉ基板３８に集積回路装置を形成すれば、この集積回路装置で生成された電気信号を本発光ダイオード５２で光電変換して、他のＳｉ基板に形成された集積回路装置との間で光通信を実施することが可能になる。
【０１７４】
（実施の形態４）
本実施の形態は、金属製又は酸化物の埋め込み層で埋め込まれた構造体に関する。
【０１７５】
（１）構  成
図１２は、本実施の形態に従う構造体６４の構成を説明する断面図である。図１２に示すように、本実施の形態に従う構造体６４は、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）を具備している。
【０１７６】
また、本構造体６４は、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）の周囲を覆って、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）を埋め込む埋め込み層１６を具備している。
【０１７７】
そして、本構造体６４では、埋め込み層１６が、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）の３つの結晶軸方向夫々に向かう引張歪をゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）に発生させている。尚、図１２の下側には、ゲルマニウム微粒子３４の結晶軸の方位が図示されている。
【０１７８】
更に、本構造体６４では、埋め込み層１６が、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）の底面に接しゲルマニウムより格子定数の大きな半導体単結晶６６と、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）の頂上及び側面に密着し熱膨張係数がゲルマニウムより小さい金属膜６８（又は酸化物膜）によって形成されている。
【０１７９】
そして、本構造体６４では、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）及び半導体単結晶６６を形成する原子が、夫々の原子配列が連続するように、ゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）の底面で結合している。
【０１８０】
そして、金属膜６８（又は酸化物膜）は、本構造体６４の使用温度より高い温度でゲルマニウム微粒子３４（ゲルマニウム粒子）に密着するように形成されたものである。
【０１８１】
（２）原  理
本構造体６４は、実施の形態１に従う構造体１２と同じように、埋め込み層１６が、ゲルマニウム微粒子３４の３つの結晶軸方向夫々に向かう引張歪をゲルマニウム粒子３４に発生させる。従って、実施の形態１に従う構造体１２と同じように、直接エネルギーギャップＥ０が縮小する。
【０１８２】
但し、本構造体６４のＧｅ微粒子３４には、その底面に接する半導体単結晶６６との格子定数の違い起因して、当該底面に平行な２つの結晶軸方向に引張歪が発生する。一方、当該底面に垂直な方向には、金属膜６８（又は酸化膜）によって引張歪が発生する。
【０１８３】
ここで、半導体単結晶６６との格子定数の相違に起因する引張歪の形成過程は、実施の形態１で説明した引張歪の形成過程と同じある。従って、半導体単結晶６６との格子定数の相違に起因する引張歪の形成過程に関する説明は省略する。
【０１８４】
次に、金属膜６８（又は酸化膜）によって、Ｇｅ微粒子３４に発生する引張歪について説明する。
【０１８５】
金属膜６８（又は酸化膜）は、上述したように（本構造体６４の使用温度より）高い温度でゲルマニウム微粒子３４に密着するように形成されたものである。
【０１８６】
一般的に、金属（又は酸化）の結晶構造は、半導体、特IV族半導体の結晶構造とは異なっている。従って、Ｇｅ微粒子３４の上に金属膜６８（又は酸化膜）を形成すると、双方の原子は距離が十分に接近した場合にだけ結合する。この段階では、Ｇｅ微粒子３４に歪（底面に垂直な方向の歪εｚｚ）は発生していない。
【０１８７】
しかし、高温で金属膜６８（又は酸化膜）を形成しその後構造体６４の温度を下げると、金属膜６８（又は酸化膜）とＧｅ微粒子３４の熱膨張係数の違いにより、Ｇｅ微粒子３４に歪が発生する。
【０１８８】
ここで、埋め込み層１６を形成する金属膜６８（又は酸化膜）の熱膨張係数が、ゲルマニウムより小さいとする。この場合、構造体６４の温度が下がると、金属膜６８（又は酸化膜）よりＧｅ微粒子３４がより縮もうとする。このため、Ｇｅ微粒子３４には、底面に垂直な方向にも引張歪が発生する。
【０１８９】
ここで、Ｇｅの熱膨張係数をＫＧｅとし、金属膜６８（又は酸化膜）の熱膨張係数をＫＭａｔｒｉｘとする。また、構造体６４の使用温度（例えば、室温）に於けるＧｅの格子定数をａＧｅとし、構造体６４の使用温度と金属膜６８（又は酸化膜）の形成時の温度との差をΔＴとする。
【０１９０】
すると、Ｇｅ微粒子３４に発生する歪εｚｚは、次式で表される。
【０１９１】
【数１２】
2010103430.tif 000014
【０１９２】
ここで、Ｇｅ微粒子３４に発生する歪が、結晶軸の方向に依らず一定の場合（εｘｘ＝εｙｙ＝εｚｚ）を考える。このような場合、Ｌバンド（１．５７μｍ−１．６３μｍ）をカバーするためには、歪ε（＝εｘｘ＝εｙｙ＝εｚｚ）が０．００１以上でなければならない。
【０１９３】
この条件を満たす金属膜としては、例えば、使用温度より６００Ｋ以上高い温度で形成されたタングステン（Ｗ）膜や、使用温度より１０４０Ｋ以上高い温度で形成されたモリブデン（Ｍｏ）膜がある。
【０１９４】
尚、実施の形態１に従う構造体でも、埋め込み層は使用温度より高温で形成される。従って、埋め込み層とＧｅの熱膨張係数の相違によって歪が、影響を受けるようにも思われる。しかし、実施の形態１に従う構造体では、埋め込み層も半導体で形成されているので、Ｇｅと埋め込み層の熱膨張係数の相違は少ない。このため埋め込み層とＧｅの熱膨張係数の相違が、Ｇｅ粒子に発生する歪に及ぼす影響は少ない。
【０１９５】
そもそも、実施の形態１では、埋め込み層の形成時点で、埋め込み層とＧｅ粒子の構成原子は、夫々の原子配列を乱さないように界面で結合している。そして、この状態を保ったまま、Ｇｅ粒子が形成された構造体は、冷却され使用される。すなわち、Ｇｅ粒子と埋め込み層を形成する半導体は、その温度に拘わらず、互いの構成原子が互いの原子配列を乱さないように規則正しく結合している。
【０１９６】
従って、実施の形態１に従う構造体では、使用温度に於けるＧｅと、埋め込み層を形成する半導体の格子定数の相違に起因して発生する歪だけに着目すればよい。
【０１９７】
（３）製造方法
次に、本実施の形態に従う構造体６４の構成を製造手順に従って説明する。
【０１９８】
図１３は、本実施の形態に従う構造体の製造手順を説明するフロー図である。
【０１９９】
（ｉ）傾斜組成層、歪緩和層、及びＧｅ粒子の形成（ステップＳ１〜Ｓ３）
実施の形態１で説明したステップＳ１〜Ｓ３に従って、Ｇｅ（００１）基板２８の上に、ＧｅＳｎ製の傾斜組成ＧｅＳｎ層３０、同じくＧｅＳｎ製の歪緩和ＧｅＳｎ層３２（半導体単結晶６６）、及びＧｅ微粒子３４が形成される。
【０２００】
この時、Ｇｅ微粒子３４には、その底面に平行な２軸方向の引張歪が発生する。
【０２０１】
（ｉｉ）金属膜の形成（ステップＳ４）
次に、製造途中の構造体６４が６２７℃に昇温される。
【０２０２】
次に、厚さ１００−３００ｎｍのＷ膜（金属膜６８）がＧｅ微粒子３４の頂上及び側面に密着するように、例えば真空蒸着により形成される。
【０２０３】
その後、構造体６４の温度が室温（２７℃）に下げられる。この時、Ｇｅ微粒子３４には、その底面に垂直な方向にも引張歪が発生する。その結果、Ｇｅ微粒子３４には、３つに結晶軸全ての方向に引張歪が発生する。
【０２０４】
以上の手順によって、本構造体６４が完成する。
【０２０５】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に従えば、Ｇｅを具備した構造体に於いて、引張歪によるＧｅの直接エネルギーギャップＥ０の縮小幅を、図１を参照して説明したＧｅ薄膜をより広くすることができる。
【０２０６】
尚、以上の例ではＧｅ粒子の頂上及び側面に密着する膜は金属であったが、ＳｉＯ２等の酸化膜を使用してもよい。
【０２０７】
（実施の形態５）
本実施の形態は、実施の形態４に従う構造体を受光層とする光半導体装置（光受光器）に関する。
【０２０８】
（１）構成及び製造方法
以下、本実施の形態に従う光半導体装置（光受光器）の構成を、製造手順に従って説明する。
【０２０９】
図１４は、本実施の形態の従う光半導体装置（光受光器７０）の構成を説明する断面図である。図１５は、本実施の形態に従う光半導体装置（光受光器７０）の製造手順を説明するフロー図である。
【０２１０】
（ｉ）ＳＧＯＩ基板の形成および歪緩和層の形成、（ステップＳ１〜Ｓ２）
まず、実施の形態２で説明したステップＳ１及びＳ２と略同じ手順によって、ＳＧＯＩ基板４４およびＧｅＳｎ製の歪緩和層４６が形成される。
【０２１１】
（ｉｉ）受光層の形成（ステップＳ３）
次に、アンドープＧｅＳｎ層４８が形成される。
【０２１２】
次に、実施の形態４のステップＳ３と略同じ手順に従って、Ｇｅ微粒子３４が形成される。ここで、Ｇｅ微粒子３４の底辺の幅は１０〜１００ｎｍであり、Ｇｅ微粒子３４の高さも１０〜１００ｎｍである。
【０２１３】
次に、このＧｅ微粒子３４を覆うｎ型ＧｅＳｎ製の被覆層７２が形成される。但し、この被覆層７２は省略されてもよい。
【０２１４】
（ｉｉｉ）金属膜の形成（ステップＳ４）
次に、実施の形態４のステップＳ４と同じ手順によって、Ｗ製の金属膜６８が形成される。
【０２１５】
（ｉｖ）電極の形成（ステップＳ５）
次に、リソグラフィー技術とエッチングによって、ｎ型ＧｅＳｎ製の被覆層７２からアンドープＧｅＳｎ層４８までが部分的に除去されて、ｐ型ＧｅＳｎ製の歪緩和層４６の表面が露出される。
【０２１６】
この露出面にｐ電極５８が形成されて、本光受光器７０が完成する。
【０２１７】
尚、本受光器７０では、金属膜６８がｎ電極となる。
【０２１８】
（３）動  作
本受光器７０は、実施の形態２の光受光器３７に準じて動作する。
【０２１９】
従って、本受光器７０によれば、Ｌバンドを含む広い波長範囲の光を検出することができる。また、本受光器７０が形成されたＳｉ基板３８に集積回路を形成すれば、他のＳｉ基板に形成された集積回路で発生した光信号を本受光器７０が受信し、光電変換した信号を同一基板上の集積回路に受け渡すことができる。
【０２２０】
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に従えば、Ｇｅによって光吸収層が形成された受光器に於いて、引張歪による検出波長限界を長波長化することができる。
【０２２１】
以上の実施の形態をまとめると、次の付記のとおりである。
【０２２２】
（付記１）
ゲルマニウム粒子と、
前記ゲルマニウム粒子の周囲を覆って、前記ゲルマニウム粒子を埋め込む埋め込み層を具備し、
前記埋め込み層が、前記ゲルマニウム粒子の３つの結晶軸方向夫々に於いて、引張歪を前記ゲルマニウム粒子に発生させている、
構造体。      
【０２２３】
（付記２）
付記１に記載の構造体において、
前記前記ゲルマニウム粒子が、量子ドットであることを、
特徴とする構造体。
【０２２４】
（付記３）
付記１又は２に記載の構造体において、
各結晶軸方向の歪の和が０．００５４以上で、
且つ、各結晶軸方向の歪の絶対値が０．０２以下あることを、
特徴とする構造体。          
【０２２５】
（付記４）
付記１乃至３に何れかに記載の構造体において、
前記埋め込み層が、ゲルマニウムより格子定数が大きな半導体単結晶によって形成され、
前記ゲルマニウム粒子及び前記半導体単結晶を形成する原子が、夫々の原子配列が連続するように、前記ゲルマニウム粒子及び前記半導体単結晶の界面で結合していることを、
特徴とする構造体。
【０２２６】
（付記５）
付記４に記載の構造体において、
前記半導体単結晶が、
Ｇｅ１−ｘＳｎｘ  （但し、０＜ｘ＜１）
によって形成さていることを、
特徴とする構造体。
【０２２７】
（付記６）
付記４に記載の構造体において、
前記半導体単結晶が、
ＳｉｙＧｅ１−ｘ−ｙＳｎｘ  （但し、０＜ｘ，ｙ＜１）
によって形成さていることを、
特徴とする構造体。
【０２２８】
（付記７）
付記１乃至３の何れかに記載の構造体において、
前記埋め込み層が、
前記ゲルマニウム粒子の底面に接し、ゲルマニウムより格子定数の大きな半導体単結晶と、
前記ゲルマニウム粒子の頂上及び側面に密着し、熱膨張係数がゲルマニウムより小さい金属膜又は酸化物膜とによって形成され、
前記ゲルマニウム粒子及び前記半導体単結晶を形成する原子が、夫々の原子配列が連続するように前記底面で結合し、
前記金属膜又は前記酸化物膜が、前記構造体の使用温度より高い温度で前記ゲルマニウム粒子に密着するように形成されたことを、
特徴とする構造体。          
【０２２９】
（付記８）
付記１乃至７の何れかに記載の構造体を、
光を受けてフォトキャリアを生成する受光層、又は電流が注入されて光を生成する発光層とする、
光半導体装置。        
【図面の簡単な説明】
【０２３０】
【図１】引張歪を導入して直接エネルギーギャップＥ０を縮小したＧｅ薄膜の構成を説明する断面図である。
【図２】Ｇｅ薄膜とＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層の界面に於ける原子配列を説明する図である。
【図３】Ｇｅの波数空間に於けるバンド構造を説明する図である。
【図４】実施の形態１に従う構造体の構成を説明する断面図である。
【図５】Ｇｅ粒子と埋め込み層（半導体単結晶）の界面に於ける原子配列を説明する図である。
【図６】実施の形態１に従う構造体の一例を説明する断面図である。
【図７】実施の形態１に従う構造体の製造手順を説明するフロー図である。
【図８】実施の形態２の従う光半導体装置（受光器）の構成を説明する断面図である。
【図９】実施の形態２に従う光半導体装置（受光器）の製造手順を説明するフロー図である。
【図１０】実施の形態３の従う光半導体装置（発光ダイオード）の構成を説明する断面図である。
【図１１】実施の形態３に従う光半導体装置（発光ダイオード）の製造手順を説明するフロー図である。
【図１２】実施の形態４の従う構造体の構成を説明する断面図である。
【図１３】実施の形態４に従う構造体の製造手順を説明するフロー図である。
【図１４】実施の形態５の従う光半導体装置（受光器）の構成を説明する断面図である。
【図１５】実施の形態５に従う光半導体装置（受光器）の製造手順を説明するフロー図である。
【符号の説明】
【０２３１】
２・・・Ｇｅ薄膜      ４・・・Ｓｉ（１００）基板
６・・・Ｇｅ１−ｘＳｎｘバッファ層      ８・・・価電子帯の頂上
９・・・伝導帯の底
１０・・・（Ｇｅ薄膜とＧｅ１−ｘＳｎｘバッファ層の）界面
１１・・・Γ点における伝導帯の底
１２・・・構造体（実施の形態１）      １４・・・ゲルマニウム粒子
１６・・・埋め込み層      １８，２０・・・Ｇｅ原子
２２・・・Ｓｎ原子      ２４・・・原子
２６・・・（Ｇｅ粒子と埋め込み層の）界面      ２８・・・Ｇｅ（００１）基板
３０・・・傾斜組成ＧｅＳｎ層    ３２・・・Ｇｅ１−ｘＳｎｘ層（歪緩和ＧｅＳｎ層）
３４・・・Ｇｅ微粒子      ３６・・・被覆層
３７・・・光受光器（実施の形態２）      ３８・・・Ｓｉ基板
３９・・・入射光      ４０・・・ＳｉＯ２層
４２・・・ＳｉＧｅ層      ４４・・・ＳＧＯＩ基板      
４６・・・歪緩和層      ４８・・・アンドープＧｅＳｎ層
４９・・・受光層
５０・・・ｎ型ＧｅＳｎ層      ５２・・・発光ダイオード
５４，５８・・・アンドープＳｉＧｅＳｎ層
５６・・・発光層      ５８・・・ｐ電極
６０・・・ｎ電極      ６２・・・出射光
６４・・・構造体（実施の形態４）      ６６・・・半導体単結晶
６８・・・金属膜      ７０・・・受光器（実施の形態５）
７２・・・（ｎ型ＧｅＳｎ製の）被覆層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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