JPH0658977B2 - 半導体素子 - Google Patents

半導体素子

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JPH0658977B2
JPH0658977B2 JP14722784A JP14722784A JPH0658977B2 JP H0658977 B2 JPH0658977 B2 JP H0658977B2 JP 14722784 A JP14722784 A JP 14722784A JP 14722784 A JP14722784 A JP 14722784A JP H0658977 B2 JPH0658977 B2 JP H0658977B2
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/811Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
    • H10H20/812Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は新規な半導体素子に関する。詳しくは、バンド
ギャップ(禁制帯幅)が広く短波長(高エネルギー)の
光を発光させる発光母体として好適である新規な半導体
素子を提供しようとするものである。
背景技術とその問題点 近年、各種のOA機器に固体発光素子である、LEDや
EL、あるいは半導体レーザー等が広く利用されてい
る。しかしながら、短波長の光(青色)を発光するもの
は未だ開発されていないのが実情である。
これは、青色(短波長=高エネルギー)の発光させる発
光母体として充分に広いバンドギャップを有する材料に
ドーパント(アクセプタ、ドナー)を適宜に添加してp
型あるいはn型の半導体を任意に形成する価電子制御
(p−n制御)ができていないためである。
ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、Cd
TeあるいはZnS1-xSex、ZnSe1-yTey、Zn
Cd1-zTez等のII−VI族化合物半導体は、直接遷移型
でバンドギャップが広いものが多く、短波長寄りの可視
光(青)から近紫外に至る波長域での発光素子用材料と
して良好な特質を備えている。
しかしながら、II−VI族化合物の多くは、自己補償効果
のため、不純物の添加によるp−n制御が殆どできず、
CdTe以外のII−VI族化合物でp型、n型どちらかの
半導体しか形成することができず、p型、n型両方の半
導体を形成することはきわめて困難なこととされてい
る。
なかでも、広いバンドギャップを持ち、青色発光母体と
して期待されるZnSe、ZnSSe、ZnTeにおい
てp−n制御が可能となった例は未だ報告されていな
い。
また、p−n制御を実現するためには、まず、格子整合
の良い、不純物の無い良好な結晶を作る必要があるが、
従来から行なわれている熱平衝状態での結晶成長技術で
あるCVD法やLPE法では上記の如き良好な結晶を作
ることは困難である。そこで、非熱平衝状態での結晶成
長法である、MBE法、ALE法、HWE法、MOCV
D法等が研究されているが、充分な成果は未だ得られて
いない。
発明の目的 そこで、本発明は、超格子構造においては量子井戸のエ
ネルギーレベルが大幅に増加することを巧みに活用し
て、青色発光が可能な広いバンドギャップを持つII−VI
族化合物半導体を使用してのp−n制御を可能とし、こ
れによって、バンドギャップ(禁制帯幅)が広く短波長
(高エネルギー)の光(青色の光)を発光させる発光母
体として好適である新規な半導体素子を提供することを
目的とする。
発明の概要 本発明半導体素子は、上記した目的を達成するために、
第1のものは、p型のものを作り易いテルル化亜鉛(Z
nTe)の半導体超薄膜と真性イオウセレン化亜鉛(Z
nS1-xSex)の半導体超薄膜とを交互に多数積層して
超格子構造として成るp型半導体とn型イオウセレン化
亜鉛(ZnS1-xSex)の半導体とで構成したp−n接
合を持つことを特徴とし、第2のものは、n型のものを
作り易いセレン化亜鉛(ZnSe)の半導体超薄膜と真
性イオウセレン化亜鉛(ZnS1-xSex)の半導体超薄
膜とを交互に多数積層して超格子構造として成るn型半
導体と、p型のものを作り易いテルル化亜鉛(ZnT
e)の半導体超薄膜と真性イオウセレン化亜鉛(ZnS
1-xSex)の半導体超薄膜とを交互に多数積層して超格
子構造として成るp型半導体とで構成したp−n接合を
持つことを特徴とする。
実施例 以下に本発明半導体素子の詳細を添附図面を参照しなが
ら説明する。
第1図は本発明半導体素子の一例のエネルギー準位の分
布を示す図である。
この半導体は、アンチモン(Sb)をアクセプタとして
添加してp型としたテルル化亜鉛(ZnTe)半導体超
薄膜と真性イオウセレン化亜鉛(ZnS1-xSex、以下
ZnSSeと記載する。)半導体超薄膜とを多数積層し
て超格子構造半導体としたものである。
このような超格子構造とすると、バンドギャップが2.
26eVのp型ZnTeの価電子帯側のバンドギャップ
は格子定数の歪と量子井戸効果とによって大幅に拡大
し、最終的には、ZnSSeの持つ3.15eVのバン
ドギャップを殆ど損なうことなく、広いバンドギャップ
が保持される。
更に、p型ZnTeに存在するホール(正孔)のかなり
の部分は、ZnTe及びZnSSeの膜厚が薄いため、
トンネル効果又は統計力学的平衝状態を保つため、Zn
SSe側に移動する現象を生じ、これがために、ZnS
Seはp型となり、従って、このp型ZnTe/ZnS
Se超格子構造半導体はZnSSeと殆ど変わらないバ
ンドギャップを保持したままp型半導体を形成すること
になる。
次に、ZnTe−ZnSe超格子構造をもった半導体素
子を例にして、その物理的特性について説明する。
次頁の表1、表2はZnTe、ZnSeの単膜について
の特性を示すものである。
表1におけるサンプル1のようにLi3Pをドーパント
としたZnTe膜について、フォトンエネルギー−発光
強度特性の一例を第3図に示す。
また、ZnTe−ZnSe超格子構造の半導体について
の諸量を次頁の表3に示す。
表3のサンプル6のようにLi3Pをドーパントとした
ZnTe−ZnSe超格子構造の半導体についてフォト
ンエネルギー−発光強度特性の一例を第4図に示す。
前の第3図に比較して「Ex」で示すピーク部分が高エ
ネルギー側に移動していることが分かる。これは材質の
単なる組み合わせからは予想し得ない特徴である。
尚、表3中のサンプル7ではさらにH2を用いており、
この場合1017オーダーの高濃度P型ZnTe−ZnS
e超格子が得られる。
上記Li3PドープZnTe−ZnSe超格子について
の電気的特性を次頁の表4に示す。
表4では層厚や層数等を異にする2例を示しており、
「Eg」はエネルギーギャップ、「P」はキャリア濃
度、「μ」は移動度、「ρ」は抵抗率をそれぞれ示して
いる。尚、「*」を付したものは計算値である。
表1のサンプル1に示すLi3PをドーパントとしたP
型ZnTe膜についての移動度や抵抗率と比較するとそ
の違いが明らかとなる。
本発明では、NH3を用いてNを添加したP型ZnTe
−ZnSe超格子を実施態様として挙げることができ、
波長−発光強度特性の一例を第5図に示す(尚、Nドー
プZnTe膜についてはサンプル3を参照。)。
第2図は上記したp型ZnTe/ZnSSe超格子構造
半導体に例えば臭素(Br)等のドナーを添加したn型
ZnSSe半導体を接合した場合のエネルギー準位図で
あるが、このようにすることによって、広いバンドギャ
ップを有するp−n接合が得られ、青色発光の注入型E
Lは半導体レーザーの製作が可能となる。
尚、上記と同様のことは、n型ZnSSe半導体超薄膜
と真性ZnTe半導体超薄膜とによりn型超格子構造半
導体を作る場合にも同様のことが云えるものであり、ま
た、該n型ZnSSe/ZnTeの超格子構造半導体と
p型ZnTe半導体とによりp−n接合を製作すると赤
から緑の発光色の注入型ELが可能となる。
尚、本発明半導体素子の製造はH.W.E.法(ホット
ウォールエピタキシー法)を用いて行われた。
第6図はH.W.E.装置の構成を概略的に示すもので
あり、ソース管及びヒーター管は石英ガラス製とされ、
また、ヒーター線にはモリブデン線が用いられている。
成長糸は、ヘッド部、ウォール、ソース部、リザーバー
部からなり、これらはクロメル−アルメルの熱電灯を用
いて測温され温度コントローラーにより各々独立した温
度制御が可能とされている。
基板はヘッド部上に置かれ、その裏側からヒーターで加
熱することができるように構成されている。尚、ヘッド
部は図示しないステッピングモーターにより摺動され、
基板をチャンバー上で往復させることによって超格子成
長を実現することができるように構成されている。
第6図ではP型N添加のZnTe−ZnSe超格子の成
長に関する装置の構成例を示しており、一方のソース源
ZnTeをリザーバー部に入れると共に、他方のソース
源ZnSeを別のソース部に入れ、石英管を通してアン
モニア(NH3)ガスをZnTeのソース部に直接引き
込むようにしている。
尚、その場合、アンモニアガスの分圧は1×10-5To
rrに保たれている。そして、各部の温度は図示の通り
である。
尚、本例においてはZnTeをリザーバー部に入れて加
熱成長を行なうことが好ましい。これは、ZnTeをソ
ース部に入れたのでは、アンモニアガスを分解させるた
めにソース部を高温に保つことが、成長レートの制御を
困難なものにしてしまうためである。
発明の効果 以上に記載したところから明らかなように、本発明半導
体素子の第1のものは、p型のものを作り易いテルル化
亜鉛(ZnTe)の半導体超薄膜と真性イオウセレン化
亜鉛(ZnS1-xSex)の半導体超薄膜とを交互に多数
積層して超格子構造として成るp型半導体とn型イオウ
セレン化亜鉛(ZnS1-xSex)の半導体とで構成した
p−n接合を持つことを特徴とし、第2のものは、n型
のものを作り易いセレン化亜鉛(ZnSe)の半導体超
薄膜と真性イオウセレン化亜鉛(ZnS1-xSex)の半
導体超薄膜とを交互に多数積層して超格子構造として成
るn型半導体と、p型のものを作り易いテルル化亜鉛
(ZnTe)の半導体超薄膜と真性イオウセレン化亜鉛
(ZnS1-xSex)の半導体超薄膜とを交互に多数積層
して超格子構造として成るp型半導体とで構成したp−
n接合を持つことを特徴とする。
従って、本発明によれば、バンドギャップ(禁制帯幅)
が広く短波長(高エネルギー)の光を発光させる発光母
体として好適である新規な半導体素子を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明半導体素子の一例におけるエネルギー準
位の分布を示す図、第2図は本発明に係るp−n接合半
導体素子のエネルギー準位の分布を示す図、第3図乃至
第5図はフォトンエネルギー−発光強度特性を示す図、
第6図はH.W.E.装置(ホットウォールエピタキシ
ー装置)の構成を概略的に示す図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】p型のものを作り易いテルル化亜鉛(Zn
    Te)の半導体超薄膜と真性イオウセレン化亜鉛(Zn
    1-xSex)の半導体超薄膜とを交互に多数積層して超
    格子構造として成るp型半導体とn型イオウセレン化亜
    鉛(ZnS1-xSex)の半導体とで構成したp−n接合
    を持つことを特徴とする半導体素子
  2. 【請求項2】n型のものを作り易いセレン化亜鉛(Zn
    Se)の半導体超薄膜と真性イオウセレン化亜鉛(Zn
    1-xSex)の半導体超薄膜とを交互に多数積層して超
    格子構造として成るn型半導体と、p型のものを作り易
    いテルル化亜鉛(ZnTe)の半導体超薄膜と真性イオ
    ウセレン化亜鉛(ZnS1-xSex)の半導体超薄膜とを
    交互に多数積層して超格子構造として成るp型半導体と
    で構成したp−n接合を持つことを特徴とする半導体素
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