JPH04112584A - 半導体装置 - Google Patents

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】 【産業上の利用分野】

本発明は半導体を用いた新しい原理に基づく発光・受光
装置にかかわり、特に、極めて鋭い発光・受光スペクト
ラムを有する半導体装置に関する。 ［従来の技術］ ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＰ等の直接遷移型半導
体を用いたｐｎ接合に純バイアスを印加するときに発生
する電子、正孔対の発光現象を利用するＬＥＤがよく知
られている。［例えば、文献１：フィジックス　オブ　
セミコンダクタ　デバイシズ（Ｐｈｉｓｉｃｓ　ｏｆ　
Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）１９８
１年、ワイリーアンドサンズ社発行］このような発光デ
バイスでは、直接遷移型半導体のｐｎ接合を利用し、接
合部分の空乏層領域へ電子、正孔を注入させ、電子と正
孔の再結合現象を利用している。 また、受光素子として考えることができる半導体太陽電
池は、上記過程と逆のプロセスによって起電力を得てい
ると言える。ｐｎ接合によるビルトイン電位のために形
成されたｐｎ接合領域空乏層に、バンドギャップ以上の
エネルギーを持つ光を照射し、電子・正孔対を形成する
ことによって電位がとりだされる。 一方、最近では、非線形光学材料として、半導体微粒子
分散がラス［例えば、文献２：ジャーナル　オブ　アプ
ライド　フィジクス（Ｊ、ＡＰρ１．Ｐｈ１ｓ、６１巻
５３９９頁、１９８７年）］の研究が進められ、非線形
感受率が非常に大きくなる可能性が論じられている。さ
らに、最近提案されている量子箱（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｂ
ｏｘ）レーザ［文献３ニアブライド　フイジクス　レタ
ー（Ａｐｐｌ　、Ｐｈ１ｓ　、Ｌｅｔｔ　、　）４０巻
、９３９頁、１９８２年コは、半導体レーザの低閾値発
振に大きく寄与することが認識され始めているが、微細
加工技術、特にリソグラフィーを用いて１０ｎｍ以下の
３次元的な量子箱（Ｑａｎｔｕｍ　Ｂｏｘ）を形成する
ことは極めて困難である。 以下、第６図を用いて、従来の量子箱形成の難点を、Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ　／Ａ　（２ＸＧ　ａｘ−１Ａ　ｓ糸材料
を例に説明する。 従来ＡＲｘＧａｘ−１Ａｓ　（ｘ−０，４５）５００上
に１０ｎｍ程度のＧ　ａ　Ａ　ｓ　５１０を、ＭＯＣＶ
Ｄ法により結晶成長させ、ＥＢ（電子ビーム）露光法に
よりＧ　ａ　Ａ、　ｓ　５　］、　Ｏを加工し、平面寸
法で１０ｎｍＸ　１０ｎｍのパターンを形成後、ＡＱｘ
Ｇａｘ−１Ａ　ｓ　５００に対して選択的にＧａＡｓ５
００を取り除き、ＭＯＣＶＤ法によりＡ　Ｄ、　ｘＧ　
ａ　ｘ−０Ａｓ５０１を再成長させる。 このようにして、ＧａＡｓ５１０より電子親和力が／Ｉ
ＸさいＡ　ＤｘＧ　ａｘ−□Ａ　ｓ　５０１で上記Ｇａ
ＡＳパターンを囲むことにより電子・正孔を閉じ込める
量子箱が形成される。 しかし、この時Ａ　ＱｘＧ　ａｘ−□Ａ　ｓのＧａＡｓ
上再成長界面に界面準位５１１が５Ｘ１０”〜１０”°
ｃ「２程度残り、電子・正孔対の発光／受光効率を著し
く下げてしまうという大きな問題点が生じていた。

【発明が解決しようとする課ＭＪ 上記半導体材料のｐｎ接合からの発光スペクトラムは、
ＬＥＤモードでは、広い波長領域に広がることが知られ
ている（前記文献１参照）。 ここで、光強度■と発光波長λの関係を、模式的に第２
図（ａ）に示す。発光中心波長λ。は、大略バンドギャ
ップに対応する波長である。 従来、ＬＥＤの発光スペクトラムのうち、特別の波長を
選択的に取り呂す（発光させる）には、共振器の寸法を
制御して、レーザモードにする以外に方法がなかった。 本発明の目的は、半導体微粒子の集合体からなる層を、
半導体ｐｎ接合の接合領域に挿入する構造とすることに
よって、微粒子の寸法に起因する特有な量子サイズ効果
のために、発光スペクトラムを鋭くする発光・受光装置
を稈供することにある。 この様子を第２図（ｂ）に、概念的に示す。中心発光波
長λＮや、スペクトラムの幅Δλがどのように決まるか
については後述する。また、従来の発光・受光素子では
１発光・受光ピークは第２図（ａ）に示すように、唯一
つであった。 ［課題を解決するための手段１ 本発明の発光・受光素子の原理的構成を第１図（ａ）に
示す。この素子は、ＧａＡｓ微粒子をＧａＡｓのｐｎ接
合の空乏層に集合的に形成した構造を有している。 この構造の形成方法の概略を以下に述べる。 ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、直径Ｒが大略１０ｎｍ程度
の球状ＧａＡｓ微粒子１１１を多層にしきつめ、半導体
微粒子層１１を形成する。さらにこのＧａＡｓ微粒子層
１１上にｐ型ＧａＡｓ層１２を形成し、上記ｐ型および
ｎ型ＧａＡｓ層１０．１２にそれぞれオーミックに接続
する電極２０．２１を形成する。 本構造を形成する上で留意すべきことは、球状ＧａＡｓ
微粒子１１１同志が被着し合っている場所、ＧａＡｓ微
粒子１１１とｎ型もしくはｐ型のＧ　ａ　Ａ　ｓ層１０
あるいは１２とが接触している場所では、それらの接合
面で界面準位が極めて低いことが、発光・受光プロセス
で高い効率を維持するために必要であるということであ
る。しかし、この問題は、製造上の問題であり、デバイ
ス動作の固有の問題ではない。 以上ではＧａＡｓのｐｎ接合を例に説明したが、本発明
は、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩｎＰ、ＩｎＧａ　Ａ　
ｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＧａＮなどのｐｎ接合を
用いても実現可能である。また、拡散長が、ｍ−ｖ族化
合物に比して著しく小さい■−■族化合物、たとえばＺ
ｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅＨｇな
とのｐｎ接合を用いることも有効である。 ＩＩ−ＶＩ族化合物の場合、電子・正孔の束縛エネルギ
ーが、一般に■−■族化合物に比較して大きいので、特
に励起子を利用する際に有効となる。 また、発光スペクトラムを第２図（Ｃ）に示すように、
多重（複数種）にするためには、ＧａＡＳ微粒子球体の
直径Ｒとして、例えば、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の３種を、各
々Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３個用意すれば、３つのピークを有す
るスペクトラム特性が得られる。その発光スペクトラム
■□、■２、■３は、それぞれ上記Ｎ□、Ｎ２、Ｎ３に
比例する。 ［作用］ 直径ＲのＧａＡｓ球体の模式図を第１図（ｂ）に示す。 ＧａＡｓ球面には、ダングリングボンドの不対電子に由
来する表面準位１００が存在する。 第１図（ｄ）のエネルギーバンド図を用いてこのように
狭い領域に電子と正孔が閉じ込められたときの物理現象
を、説明する。 第１図（ｄ）は、横軸に球の中心からの半径ｒをとり、
ＧａＡｓのバンドギャップの中范４こエネルギー原点を
とったときのポテンシャル図である。 また、電子および正孔は球の外側には存在しない（ポテ
ンシャル障壁の高さが無限大）ものと仮定している。 自由電子は、球形ポテンシャル内に閉じ込められ、伝導
帯Ｅｃより、Ｅｎ、だけ離れたところに量子化準位を形
成する。正孔は、軽い正孔と重い正孔に応じて価電子帯
の下側に各々Ｅｐｏ−Ｅｐｔの量子化準位を形成する。 特に、このような微小ＧａＡｓ球体を用いることの利点
は、量子サイズ効果のために、電子・正孔のエネルギー
が量子化され、基底状態と第１励起状態のエネルギー差
ΔＥが室温（ｋＴ〜２５ｍｅＶ）よりも−桁以上大きく
とることができ、事実上、電子・正孔は基底状態に存在
゛しているため、電子・正孔対の消滅に応じて発光する
光の波長は、第２図（ｂ）に示すように非常に狭くなる
。この場合、ピークの幅Δλは、ＧａＡｓ球体直径Ｒの
バラツキによってほとんど決まってしまう。 一方、第１図（ｃ）のように、ＧａＡｓ球体１１１をＡ
ＱＧａＡｓ１３で薄く（〜数ｎｍないし数十ｎ　ｍ　）
被い、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ球面に生じる表面準位１００（第
１図（ｂ））の影響をなくす構造を用いることもできる
。その場合、表面準位１０１は、ＡＱＧａＡｓ１３の球
面に形成されているので、ＧａＡｓ球体１１１内に形成
された電子・正孔の発光キラーセンターの役割を除去で
きる。 【実施例】 以下、本発明を、実施例に基づいてさらに詳細に説明す
る。 実施例１ 第３図（ａ）〜（ｄ）を用いて、本発明をＬＥＤ素子形
成に実施した例を説明する。 膜厚３００μｍのＡＲｘＧａｘ−１Ａｓ　（ｘ〜０゜３
５）基板９上に、ＭＯＣＶＤ　（有機金属気相成長法）
で、Ｍｇをドーパントとするｐ型ＧａＡｓ１２を２μｍ
成長させた。この時、Ｍｇ濃度は２×１０１８ａ１１−
３であった。この試料を真空中で他のチャンバ内に移し
、スパッタ法で、１０ｎｍ径の球状アンドープＧａＡｓ
微粒子を膜厚１５０ｎｍに被着せしめた（第３図（ａ）
）。 上記試料に加熱処理を施した後、試料を真空中でもとの
チャンバに戻し、Ｓｉを２　Ｘ　１０”ａｎ−’含有す
るｎ型ＧａＡｓ　１０を１μｍ成長させた。 次にｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　ｆ＠　１２に電極を形成する
ため、５Ｉｏ２からなるダミーマスク３０を４００ｎｍ
の厚さに形成し、上記マスク３０を介して拡散領域３３
が前記ｐ型ＧａＡｓ層１２にまで達するようにＺｎを拡
散させた（第３図（ｂ））。 次に、ＳＩ○２マスク３０を除去し、再び全面にＳＩ○
２膜３１を被着し、通常のリフトオフ法によって、ｎ型
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　１０へのオーミック電極２０として、
Ａ　ｕ　Ｇ　ｅ　／　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕを被着、アロ
イし、Ｐ型Ｇａ　Ａ　ｓ拡散領域３３へのオーミック電
極としてＡ　ｕ　Ｚ　ｎ　／　Ａ　ｕを被着し、加熱処
理した（第３図（Ｃ））。 次に電極領域の素子間分離を行ない、保護膜としてＳＩ
○２３１′を３００ｎｍ形成した。 次にＡ　ＱｘＧ　ａｘ−□Ａ　ｓ　９を、球形ドーム状
に研磨し、マウントすることで、本実施例のＬＥＤを完
成した。 本実施例によれば、発光領域が球形のＧａＡｓ粒子１１
１が連なった層１１からなっており、粒子径Ｒに依存し
た鋭い発光っスペクトラムを得ることができ、室温での
中心波長λは０．８５μｍ、線幅Δλは０．００３μｍ
と、通常のＬＥＤの発光よりも一桁近く鋭いスペクトラ
ム特性が得られた。さらに、中心ピーク波長λは、約０
．０５μｍ低い波長側にシフトしているが、これは、Ｇ
ａＡ、　ｓ球体の量子準位効果のためである。 また、本実施例のように構成されるＬＥＤにおいて、発
光ピークを３個呂すためには、ＧａＡｓの粒径として、
例えば３口ｍ、５ｎ＋ｎ、　　１０ｎｕ１など、３種類
の粒径を有する微粒子からなるＭｌｌを用意すればよい
。また、それらの発光スペクトラム強度を同レベルにす
るためには、上記３種類の粒径の球状微粒子球の個数を
同レベルに調節すればよい。 次に、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ微粒子の形成方法についてその一
例を以下に説明する。 第７図に示すように、超高真空のチャンバ内で、ターゲ
ット９５に対し、電子線源９６から電子ビームを照射し
、ターゲットからでてくるＧａＡｓ分子９８を基板９．
１２に向けて照射する。この時、同時に分子線源９０．
９１からＧＡ、Ａｓ。 Ｓｉ、Ｂｅ、ＡＱなどの分子線を、上記基板９．１２に
向けて照射しする。これによって、ＧａＡＳ分子を核と
したＭＢＥ　（分子線エピタキシャル成長法）によって
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　＠粒子が形成される。 この時形成される微粒子の径は、電子線９７の照射時間
と強度、分子線源からの分子線の照射強度と時間などに
よって正確に制御できる。 以上の実施例では、球状ＧａＡｓ微粒子の直径は１０ｎ
ｍであったが、通常、Ｚｎｍから５０ｎｍ程度の寸法で
素子形成がなされる。 ＧａＡｓ球体１１１の表面保護膜として、Ａ　Ｑ　ｘＧ
ａｘ−、Ａｓ　（ｘ　：　０．２−０．５）をｌｌｎｍ
−１５ｎ形成することもできる。 このように１発光・受光する半導体よりバンドギャップ
の大きい半導体で被うことにより、発光・受光効率を高
めることができる点は以下の他の実施例でも共通である
。 実施例２ 本発明を用いて半導体レーザを構成した実施例を以下に
説明する。 第４図は本実施例のＧａＡｓ埋込ヘテロ（ＢＨ）レーザ
の断面図である。本実施例の素子構造は、発光領域の形
成部分以外においては、通常のＧａＡｓＢＨレーザと同
一である。 ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０上にＭＯＣＶＤ法で、Ｓｉ
を７　Ｘ　１０１７ｃｍ−’含有するＡ　ＱｘＧ　ａｘ
−□Ａ　５（Ｘ−０，３５ン４０を１μｍ形成し、さら
に。 本発明に基づいて、直径５ｎｍの球状ＡＱｘＧａｘ−□
Ａｓ　（ｘ−０，０７）微粒子１１１′からなる厚さ１
５０ｎｍの微粒子膜１１′を形成する。さらにＭ　ｇを
３　Ｘ　１．０１９ｃｍ−’程度含有するＰ型ＡＱＸＧ
ａｘ−０Ａｓ　（ｘ−０，３５）４２を１μｍとｐ型Ｇ
ａＡｓ４３を３００ｎｍの厚さに形成し、次いてＳｉを
Ｉ　Ｘ　１０１６ｃｍ−’程度含有するｎ型ＡＱｘＧａ
ｘ−１Ａｓ　（ｘ−０，３５）埋込１４５を形成する。 次いで、７口の拡散領域４４を形成し、最後に上記Ｚｎ
拡散領域４４に接続するオーミック電極２１およびｎ型
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　１０へのオーミック電極２０を形成し
た。 このようにして形成したＢＨレーザの閾値発振電流は２
０μＡであり、従来の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造に比
して２〜３桁小さい値とすることができた。 以上の実施例では、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系材料を用いた例に
ついて本発明を説明したが、ＩｎＰ系材料においても同
様な効果を有する。 実施例３ 以下に、本発明を受光素子の形成に実施した例を説明す
る。 第５図は本実施例のｐｉｎダイオードの断面図である。 ｎ型ＧａＡｓ基板５０上にＣＶＤ法を用いてｎ型ＧａＡ
ｓ５１をＱ、３μｍさせ、さらに直径２０ｎｍのＧａＡ
ｓ球状微粒子１１２からなる厚さ１μｍの積層膜を形成
する。さらに、Ｍｇを３　Ｘ　１０１ｇｃｍ−９程度含
有するｎ型ＧａＡｓ５２を２μｍの厚さに形成し、５ｉ
ｎ２３３をマスクとした選択拡散法によってＺｎの拡散
を行ない、ｐ型拡散領域５３を形成する。次いで、上記
ｐ型拡散領域へのオーミック電極２１として、Ｃｒ　／
　ＡＰ層を形成し、ｎ型基板５０へのオーミック電極２
０を形成した。 ここで、上記実施例はＧａＡｓを用いたｐｉｎフォトダ
イオードの例であるが、ＳｉやＧｅなどの単元素半導体
を用いた場合においても本発明を実施することができる
。 【発明の効果］ 本発明によれば、発光・受光領域を、化合物半導体の微
粒子をしきつめた層によって形成しているため、急峻な
発光または受光スペクトラムを有する発光・受光素子を
構成することができる。また、上記化合物半導体微粒子
として粒径が異なる複数種の粒径とすると、上記粒径の
種類に応じた複数のの発光・受光スペクトラム特性を有
する素子を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明のための断面図およびエネル
ギーバンド図、第２図は本発明が得ようとする素子の発
光スペクトラム特性図、第３図ないし第５図は本発明の
実施例になる素子の構造を示す断面図、第６図は従来技
術の問題点を説明するための素子断面図、第７図は球状
半導体微粒子を製造するための装置構成を示す概略図で
ある。 符号の説明 ９・・アンドープＡρＧａＡｓ １０−　ｎ型ＧａＡｓ １１・・・化合物半導体微粒子からなる膜１１１・・・
化合物半導体微粒子 １２−ｐ型ＧａＡｓ １３・・・化合物半導体微粒子上の被膜２０．２１・・
・オーミック電極 ３３・・・Ｚｎ拡散層 １００．１０１・・・表面準位 ３０．３１，３１　’・・・Ｓｉ○２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、粒径が大略５０ｎｍ以下の半導体微粒子からなる半
   導体層へ、電子、正孔の供給源となるｎ型半導体及びｐ
   型半導体が接続し、上記電子、正孔の供給源となる半導
   体に電子、正孔を注入できる電極が形成されていること
   を特徴とする半導体装置。 ２、上記半導体微粒子層が、複数種の直径を有する微粒
   子から形成されてなることを特徴とする請求項１記載の
   半導体装置。 ３、上記半導体微粒子が、上記半導体微粒子よりもバン
   ドギャップの広い半導体で被われていることを特徴とす
   る請求項１もしくは２記載の半導体装置。 ４、上記半導体微粒子がＧａＡｓ等のIII−Ｖ族半導体
   からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
   に記載の半導体装置。 ５、上記上記半導体微粒子が、ＺｎＳｅ等のII−VI族半
   導体からなることを特徴とする請求項１ないし３のいず
   れかに記載の半導体装置。