JP2001226200A - LOW RESISTANCE p-TYPE SINGLE CRYSTAL ZnS AND ITS PRODUCING METHOD - Google Patents
LOW RESISTANCE p-TYPE SINGLE CRYSTAL ZnS AND ITS PRODUCING METHODInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術的分野】本発明は、発光素子用低抵
抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)およびその製造方法に
関するものである。The present invention relates to a low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) for a light emitting device and a method for producing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】低抵抗n型のZnS(硫化亜鉛)は、従
来、B(ホウ素)、Al( アルミニウム) 、Ga( ガリ
ウム) 、In( インジウム) 、またはCl( 塩素) 元素
のドーピング技術で容易に作製することができ、多くの
報告がなされてきた。2. Description of the Related Art Conventionally, low resistance n-type ZnS (zinc sulfide) can be easily prepared by doping technology of B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), or Cl (chlorine) element. And many reports have been made.
【0003】しかしながら、応用物理学会誌(奥山浩
之、石橋晃「ZnSe系発光素子の現状と未来」応用物
理、第65巻第7号、687ー696、1996年、
P.690、表1)によると、p型のZnS(硫化亜
鉛)となると、Li(リチウム)を利用したドーピング
によって高抵抗のものに関する報告のみとなる。However, the Journal of the Japan Society of Applied Physics (Hiroyuki Okuyama, Akira Ishibashi, "Present and Future of ZnSe-Based Light-Emitting Devices", Applied Physics, Vol. 65, No. 7, 687-696, 1996,
P. 690, Table 1), for p-type ZnS (zinc sulfide), there is only a report on those having high resistance due to doping using Li (lithium).
【0004】本発明者らは、先に、ZnSの低抵抗化方
法について報告した(S.Iida et al.Jpn.J.Appl.Phys.,v
ol.28,1989,L535、 S.Iida et al. J.Crys.Growth,vol.1
01,1990,141) が、この方法では、Znを過剰にしSを
抜けやすくしNをいれるものであるが、溶解度に限度が
あり、実用的ではない。The present inventors have previously reported a method for reducing the resistance of ZnS (S. Iida et al. Jpn. J. Appl. Phys., V
ol. 28, 1989, L535, S. Iida et al. J. Crys. Growth, vol. 1
According to this method, N is added to increase the amount of Zn and facilitate the escape of S, but this method is not practical because of its limited solubility.
【0005】一方、ZnSにおいて、発光特性を出すた
めには、従来、Ib族元素のCu(銅)、Ag(銀)、
Au(金)が添加されてきた(「光物性ハンドブッ
ク」、p.524〜525、株式会社朝倉書店)。これ
らは、活性剤(発光中心)と呼ばれている。このとき、
発光色を青、緑、赤と変えていくために共賦活剤と呼ば
れるドナーを添加する。このドナーとしては、従来、A
l(アルミニウム)、Cl(塩素)、Br(臭素)、I
(ヨウ素)が多く使われてきた。しかし、これらは、い
ずれも伝導型としてはn型のみである。上記のとおり、
発光特性をも有するZnS(硫化亜鉛)においては、未
だ、低抵抗のp型単結晶ZnS(硫化亜鉛)の報告はな
い。On the other hand, in order to obtain luminescence characteristics in ZnS, conventionally, Cu (copper), Ag (silver),
Au (gold) has been added (“Optical Properties Handbook”, pp. 524 to 525, Asakura Shoten Co., Ltd.). These are called activators (emission centers). At this time,
A donor called a coactivator is added to change the emission color to blue, green, and red. Conventionally, as this donor, A
l (aluminum), Cl (chlorine), Br (bromine), I
(Iodine) has been widely used. However, these are all n-type conductivity types. As mentioned above,
As for ZnS (zinc sulfide) which also has light emission characteristics, there is no report on low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide).
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ZnS(硫化亜鉛)の
単結晶薄膜として、発光体を添加された低抵抗率を持つ
p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)が合成できれば、B(ホ
ウ素)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、I
n(インジウム)、またはCl(塩素)を利用した不純
物ドーピングにより既に実現されている低抵抗n型のZ
nS(硫化亜鉛)と組み合わせることにより、同一半導
体化合物においてpn接合が実現できる。As a single crystal thin film of ZnS (zinc sulfide), a p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) having a low resistivity to which a luminous substance is added can be synthesized. (Aluminum), Ga (gallium), I
Low-resistance n-type Z already realized by impurity doping using n (indium) or Cl (chlorine)
By combining with nS (zinc sulfide), a pn junction can be realized in the same semiconductor compound.
【0007】このpn接合は、ホモ接合と呼ばれ、発光
ダイオード、半導体レーザ、さらには、薄膜太陽電池の
ような半導体デバイスの作製において、高品質、低価格
化を可能とさせる。例として、高密度記録や大量情報の
伝達に必要な紫外光半導体レーザーダイオードをZnS
(硫化亜鉛)で作製することができる。[0007] This pn junction is called a homojunction, and enables high quality and low cost in the production of semiconductor devices such as light emitting diodes, semiconductor lasers, and thin film solar cells. As an example, an ultraviolet semiconductor laser diode required for high-density recording and transmission of
(Zinc sulfide).
【0008】伝導型がp型のZnS(硫化亜鉛)は、高
抵抗のものはできるが、低抵抗でかつp型のZnS(硫
化亜鉛)単結晶薄膜の育成は、自己補償効果、p型ドー
パントの小さな溶解度のため不可能であった。さらに、
不純物ドーピングされたことによる発光特性をも有する
p型のZnS(硫化亜鉛)単結晶薄膜の育成は困難であ
った。Although p-type ZnS (zinc sulfide) can be made of high resistance, the growth of a low-resistance and p-type ZnS (zinc sulfide) single crystal thin film has a self-compensation effect and a p-type dopant. Was not possible due to the small solubility of further,
It has been difficult to grow a p-type ZnS (zinc sulfide) single crystal thin film having light emission characteristics due to impurity doping.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
発光特性を実現させるために、Ib族元素であるAg、
Cuのうちの少なくとも一元素をドーピングするととも
に、p型ドーパントをZnS(硫化亜鉛)内に取り込む
ことによって安定化させる新規なドーピング法を開発
し、上記の課題を解決することに成功した。Means for Solving the Problems Accordingly, the present inventors have:
In order to realize light emission characteristics, Ag, which is an Ib group element,
A new doping method for doping at least one element of Cu and stabilizing by incorporating a p-type dopant into ZnS (zinc sulfide) has been developed, and has successfully solved the above-mentioned problems.
【0010】すなわち、本発明は、Li、Na、Nのう
ちの少なくとも一元素からなるp型ドーパントとB、A
l、Ga、Inのうちの少なくとも一元素からなるn型
ドーパントと、Ib族元素であるAg、Cuのうちの少
なくとも一元素を含有し、抵抗率が0.08Ω・cmよ
りも小さく、ホール濃度が5.6×1018/cm3 以上
であることを特徴とする低抵抗p型単結晶ZnS(硫化
亜鉛)である(請求項1)。That is, the present invention relates to a p-type dopant comprising at least one of Li, Na and N, and B, A
It contains an n-type dopant composed of at least one of l, Ga, and In and at least one of Ag and Cu, which are Group Ib elements, has a resistivity smaller than 0.08 Ω · cm, and has a hole concentration of less than 0.08 Ω · cm. Is 5.6 × 10 18 / cm 3 or more, a low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide).
【0011】また、本発明は、Li、Na、Nのうちの
少なくとも一元素からなるp型ドーパントとCl元素か
らなるn型ドーパントと、Ag、Cuのうちの少なくと
も一元素を含有し、抵抗率が0.60Ω・cmよりも小
さく、ホール濃度が1.4×1017/cm3 以上である
ことを特徴とする低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)
である(請求項2)。Further, the present invention provides a p-type dopant comprising at least one of Li, Na and N, an n-type dopant comprising Cl and at least one element of Ag and Cu, and Low resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide), characterized by having a hole density of less than 0.60 Ω · cm and a hole concentration of 1.4 × 10 17 / cm 3 or more.
(Claim 2).
【0012】また、本発明は、含有しているp型ドーパ
ントとn型ドーパントとの濃度比が、1.3:1から1
0:1であることを特徴とする請求項1または2に記載
の低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)である(請求項
3)。p型であるためには、p型濃度>n型濃度である
必要があるが、10:1以上にp型濃度が増えると、N
2,Zn3N2などが析出してしまう。望ましくは、p型
ドーパントとn型ドーパントとの濃度比は1.3:1か
ら4:1、さらに好ましくは、2:1である。Further, according to the present invention, the concentration ratio between the contained p-type dopant and the n-type dopant is from 1.3: 1 to 1: 1.
The low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) according to claim 1 or 2, wherein the ratio is 0: 1 (claim 3). In order to be p-type, it is necessary that p-type concentration> n-type concentration.
2 , Zn 3 N 2 and the like are deposited. Preferably, the concentration ratio between the p-type dopant and the n-type dopant is from 1.3: 1 to 4: 1, more preferably 2: 1.
【0013】また、本発明は、Ag、Cuのうちの少な
くとも一元素の含有量が原子濃度1×1014/cm3 以
上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに
記載の低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)である(請
求項4)。Further, according to the present invention, the content of at least one element of Ag and Cu is at least 1 × 10 14 / cm 3 in atomic concentration. It is a low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide).
【0014】また、本発明は、ZnS(硫化亜鉛)の単
結晶を形成する際に、Ag、Cuのうちの少なくとも一
元素をドーピングするとともに、n型ドーパントおよび
p型ドーパントを、p型ドーパント濃度が、n型ドーパ
ント濃度より大きくなるようにドーピングすることを特
徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の低抵抗p型
単結晶ZnS(硫化亜鉛)を製造する方法である(請求
項5)。Further, according to the present invention, when forming a single crystal of ZnS (zinc sulfide), at least one of Ag and Cu is doped, and an n-type dopant and a p-type dopant are doped with a p-type dopant concentration. Is a method for producing a low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) according to any one of claims 1 to 4, wherein the doping is performed so as to be higher than an n-type dopant concentration. ).
【0015】本発明のp型単結晶ZnS(硫化亜鉛)薄
膜の製造には、MOCVD(Metal Organic Chemical Va
por Deposition) 法や、VPE(Vapor Phase Epitaxy)
法や、また原子状ビームを用いたMBE(Molecular Bea
m Epitaxy)法などを用い、原子状にしたp型ドーパント
とn型ドーパントおよびIb族元素であるAg、Cuの
うちの少なくとも一元素をドーピングする。The p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) thin film of the present invention is produced by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).
por Deposition) method, VPE (Vapor Phase Epitaxy)
Method and MBE (Molecular Bea
At least one of p-type and n-type dopants in the form of atoms and Ag and Cu, which are Group Ib elements, is doped using a method such as m epitaxy).
【0016】この方法によれば、n型のドーパントとp
型のドーパントをドーピングすることにより、p型ドー
パント間のクーロン反発力による静電エネルギー増大を
抑止し、n型とp型ドーパント間のクーロン引力によっ
てエネルギー利得を生じさせることができる。According to this method, the n-type dopant and the p-type dopant
By doping with a p-type dopant, an increase in electrostatic energy due to Coulomb repulsion between p-type dopants can be suppressed, and energy gain can be generated by Coulomb attraction between n-type and p-type dopants.
【0017】この静電的相互作用利得の効果でp型ドー
パントを取り込むことによって、さらに安定化させ、高
濃度まで安定にp型ドーパントをドープすることができ
る。n型のドーパントとp型のドーパントをドーピング
するに当たっては、それぞれをドーピングする時間をず
らして実施してもよいが、望ましくは、同時にドーピン
グした方が良い。By incorporating the p-type dopant by the effect of the electrostatic interaction gain, the p-type dopant can be further stabilized, and the p-type dopant can be stably doped to a high concentration. When doping the n-type dopant and the p-type dopant, the doping may be performed with different doping times, but it is preferable to dope simultaneously.
【0018】また、ZnS(硫化亜鉛)単結晶中にn型
のドーパントとp型のドーパントをドーピングすること
により、ZnS(硫化亜鉛)単結晶中にn型のドーパン
トとp型のドーパントの対を形成するため、p型のドー
パントのみを単独にドーピングした場合に形成される禁
制帯中のアクセプター準位に比べて、本発明の方法によ
り形成される禁制帯中のアクセプター準位の方がより浅
くなり、活性化されるキャリアのホール濃度が増大す
る。Further, by doping an n-type dopant and a p-type dopant into a ZnS (zinc sulfide) single crystal, a pair of an n-type dopant and a p-type dopant is added to the ZnS (zinc sulfide) single crystal. As a result, the acceptor level in the forbidden band formed by the method of the present invention is shallower than the acceptor level in the forbidden band formed when only the p-type dopant is doped alone. As a result, the hole concentration of the activated carriers increases.
【0019】さらに、p型のドーパントによる散乱機構
を反対の電荷をもつn型のドーパントが短距離化させ
る。これにより、キャリアのホール移動度をも大きく増
大させることができるため、ホール濃度とホール移動度
との積に反比例する抵抗率が単独ドーピングの場合に比
べて大きく減少し、低抵抗のp型ZnS(硫化亜鉛)単
結晶が得られる。Further, the n-type dopant having the opposite charge shortens the scattering mechanism by the p-type dopant. As a result, the hole mobility of carriers can be greatly increased, so that the resistivity, which is inversely proportional to the product of the hole concentration and the hole mobility, is greatly reduced as compared with the case of single doping, and a low-resistance p-type ZnS A (zinc sulfide) single crystal is obtained.
【0020】また、本発明は、p型ドーパント濃度が、
Ag+Cu元素の濃度より大きくなるようにドーピング
することを特徴とする請求項5記載の低抵抗p型単結晶
ZnS(硫化亜鉛)を製造する方法である(請求項
6)。この場合、Ib族元素であるAg、Cuは、伝導
型には影響せず、発光特性に寄与する。p型ドーパント
濃度は、伝導型がp型となるようにn型ドーパント濃度
と同じオーダーか1桁大きくする。Further, according to the present invention, the p-type dopant concentration is
The method for producing a low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) according to claim 5, wherein doping is performed so as to be higher than the concentration of Ag + Cu element (claim 6). In this case, Ag and Cu, which are Group Ib elements, do not affect the conductivity type and contribute to the emission characteristics. The p-type dopant concentration is made the same order of magnitude or one order of magnitude higher than the n-type dopant concentration so that the conductivity type becomes p-type.
【0021】また、本発明は、低抵抗p型単結晶ZnS
(硫化亜鉛)を形成した後、冷却し、さらに、600〜
900℃で電場をかけながら熱処理することを特徴とす
る請求項5または6に記載の低抵抗p型単結晶ZnS
(硫化亜鉛)を製造する方法である(請求項7)。これ
により、不純物として混入する水素を結晶外に取り去る
ことができる。600度未満では、Hが不安定化せず、
900℃を超えるとZnSが不安定化、元素が蒸発して
くる。Further, the present invention relates to a low-resistance p-type single crystal ZnS.
(Zinc sulfide), and then cooled,
7. The low-resistance p-type single crystal ZnS according to claim 5, wherein the heat treatment is performed at 900 ° C. while applying an electric field.
(Zinc sulfide). As a result, hydrogen mixed as impurities can be removed from the crystal. At less than 600 degrees, H does not become unstable,
If the temperature exceeds 900 ° C., ZnS becomes unstable and the elements evaporate.
【0022】また、本発明は、p型ドーパントまたは/
およびn型ドーパントまたは/およびAg、Cuのうち
の少なくとも一元素が、ラジオ波、レーザー、X線、ま
たは電子線によって電子励起して原子状にしたものであ
ることを特徴とする請求項5乃至7のいずれかに記載の
低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)を製造する方法で
ある(請求項8)。Further, the present invention provides a p-type dopant and / or
The n-type dopant and / or at least one element of Ag and Cu is electronically excited by a radio wave, a laser, an X-ray, or an electron beam into an atomic state. A method for producing the low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) according to any one of claims 7 to 9 (claim 8).
【0023】[0023]
【作用】本発明の作用について以下、詳細に説明する。
発光体としては、従来、Zn空孔を利用したものが利用
されてきたが、Zn空孔は、格子の熱的、力学的不安定
性を招き、電気的・光学的特性に時間経過による劣化が
生じてしまう。本発明は、発光体としては、上記のよう
なZn空孔を利用したものではなく、Ib族元素である
Ag、CuをドーピングしてZn位置に置換させ、格子
不安定性に根ざした劣化問題を解決する作用がある。The operation of the present invention will be described below in detail.
Conventionally, a luminous body using Zn vacancies has been used. However, Zn vacancies cause thermal and mechanical instability of the lattice, and electrical and optical characteristics deteriorate over time. Will happen. The present invention does not utilize Zn vacancies as described above as a luminous body, but instead replaces the Zn position by doping with an Ib group element such as Ag or Cu, and solves the problem of deterioration based on lattice instability. There is an action to solve.
【0024】n型ドーパントとしては、従来、B、A
l、Ga、In、Clの一群の元素が利用されている
が、B、Al、Ga、Inは、Znの位置に置換する
が、ClはNと同様にSの位置に置換するので、その置
換位置を競い合うこととなり、これが、抵抗率、ホール
濃度に影響する。Conventional n-type dopants include B and A
Although a group of elements of 1, Ga, In, and Cl are used, B, Al, Ga, and In substitute for the position of Zn, but Cl substitutes for the position of S similarly to N. The replacement positions compete with each other, which affects the resistivity and the hole concentration.
【0025】n型ドーパントとして、例えば、In(イ
ンジウム)を用い、p型ドーパントとして、例えば、N
(窒素)を用い、さらに、例えば、In:N=1:2で
添加することにより、ZnSの結晶薄膜内に第1近接と
して直接InとNとが強い化学結合を形成し、N−In
−Nから成る複合体を形成する。As an n-type dopant, for example, In (indium) is used, and as a p-type dopant, for example, N (indium) is used.
By using (nitrogen) and further adding, for example, with In: N = 1: 2, a strong chemical bond is directly formed between In and N as the first proximity in the ZnS crystal thin film, and N-In
Form a complex consisting of -N.
【0026】単独でN(窒素)をドーピングされた場
合、そのアクセプター準位は100meV以上の深い準
位を形成するばかりでなく、共有結合半径がより小さ
い、および電気陰性度がより大きいN(窒素)がS(硫
黄)に置換した場合、格子系のエネルギー増大がもたら
され、その結果として、その近傍にS(硫黄)空孔が誘
発される。これは、ドナーとして働くことと、結晶性の
低下をももたらし、N(窒素)は格子間に移動してしま
い、アクセプターからドナーへとその役割が反転してし
まう。これは、低抵抗p型形成を阻む。When N (nitrogen) is doped alone, the acceptor level not only forms a deep level of 100 meV or more, but also has a smaller covalent radius and a larger electronegativity. ) Is replaced by S (sulfur), which results in an increase in the energy of the lattice system, which in turn induces S (sulfur) vacancies in the vicinity. This also acts as a donor and lowers crystallinity. N (nitrogen) moves between lattices, and the role is reversed from the acceptor to the donor. This prevents low resistance p-type formation.
【0027】一方、Znよりも大きい共有結合半径を有
するInを活用して、(In,N)同時ドーピングされ
た結晶中では、上記による複合体形成の結果、ドーピン
グされたN(窒素)は、化学結合力および力学的にも安
定化し、その結果、浅い準位に移動するため、室温で活
性化されたキャリアーであるホールがより多く生成さ
れ、低抵抗のp型単結晶ZnS(硫化亜鉛)薄膜が得ら
れる。On the other hand, by utilizing In having a covalent bond radius larger than that of Zn, in the (In, N) co-doped crystal, as a result of the formation of the above-described complex, the doped N (nitrogen) becomes The chemical bonding force and the mechanical stability are also stabilized, and as a result, the holes move as a carrier activated at room temperature because they move to a shallow level, and a low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) is formed. A thin film is obtained.
【0028】p型ドーパントとn型ドーパントとを同時
にドーピングすることによる効果は、結晶中にドナー・
アクセプター対を形成させ、(1)p型ドーパント間の
クーロン反発による静電エネルギー上昇を抑制し、p型
ドーパントの溶解度を増大させること、(2)ホールの
運動へ与えるドーパントの散乱機構は、単独ドーピング
法では、100オングストローム以上に亘るが、それ
を、数十オングストロームへと短距離化させ、その結果
として、キャリアの平均自由行程を増大させること、
(3)p型ドーパントとn型ドーパントとの強い結合の
結果、p型ドーパントのみの単独ドーピングの場合より
もアクセプター準位が浅くなり、より低温でキャリアで
あるホールのその濃度が増大すること、さらに、(4)
n型ドーパントの一部は、Ib族発光中心のAg、Cu
との相互作用によって光の波長をも制御できること、の
4つである。The effect of doping a p-type dopant and an n-type dopant simultaneously is that the donor
An acceptor pair is formed, (1) the increase in electrostatic energy due to Coulomb repulsion between the p-type dopants is increased, and the solubility of the p-type dopant is increased. The doping method extends over 100 angstroms, but shortens it to tens of angstroms, thereby increasing the mean free path of carriers.
(3) As a result of the strong bond between the p-type dopant and the n-type dopant, the acceptor level becomes shallower than in the case of solely doping only with the p-type dopant, and the concentration of holes that are carriers increases at lower temperatures. Furthermore, (4)
Some of the n-type dopants include Ag and Cu in the Ib group emission center.
And that the wavelength of light can also be controlled by the interaction with.
【0029】このように、Ib族元素であるAg、Cu
のドーピングによる発光特性制御とp、n同時ドーピン
グによる伝導性制御の合い加わる正の相乗効果により、
発光特性を有しながら高濃度までp型ドーパントを安定
にドープすることが可能となり、その結果、ZnS単結
晶薄膜を可視から紫外領域にわたる光エレクトロニクス
材料として作製できる。As described above, the group Ib elements Ag, Cu
The positive synergistic effect of the combination of the emission characteristic control by doping and the conductivity control by p and n simultaneous doping,
It becomes possible to stably dope a p-type dopant to a high concentration while having a light emitting characteristic, and as a result, a ZnS single crystal thin film can be manufactured as an optoelectronic material in a visible to ultraviolet region.
【0030】[0030]
【実施例】以下、本発明の実施例として、気相エピタキ
シャル成長(VPE:VaporPhaseEpita
xy)法により、GaAs(ガリウム砒素)基板上にp
型単結晶ZnS(硫化亜鉛)薄膜を形成する方法につい
て説明する。図1に、ZnS単結晶薄膜VPE法の装置
の概要図を示した。この装置自体は公知のものを使用で
きる。反応管1は、流量コントローラ(MFC)とガス
導入管10で繋がっている。フランジ2には、H2 また
はH2 +NH3 用ガス導入管がその中心に切ってあり、
可動式原料ポート7、8、9が装備してある。電気炉
は、基板部3、最高温度部4、原料部I5、原料部II
6の4つのゾーンがあるDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, as an embodiment of the present invention, a vapor phase epitaxial growth (VPE: VaporPhaseEpita) will be described.
xy) method, GaAs (gallium arsenide) substrate
A method for forming a type single crystal ZnS (zinc sulfide) thin film will be described. FIG. 1 shows a schematic view of an apparatus of the ZnS single crystal thin film VPE method. A known device can be used as the device itself. The reaction tube 1 is connected to a flow controller (MFC) by a gas introduction tube 10. A gas introduction pipe for H 2 or H 2 + NH 3 is cut in the center of the flange 2,
Movable raw material ports 7, 8, 9 are provided. The electric furnace has a substrate section 3, a maximum temperature section 4, a raw material section I5, a raw material section II.
There are six zones
【0031】キャリアガスは、水素ガスのみ、または水
素ガス中にNH3 (アンモニア)を混入させたものを用
いた開管系で、原料にZnS粉末を用いた。原料部Iお
よび原料部IIの温度は80℃から800℃、最高温度
部の温度は800〜920℃、基板温度は540℃から
600℃程度である。実施条件は、表1、2、3にまと
めて示す。The carrier gas was an open tube system using only hydrogen gas or a mixture of hydrogen gas and NH 3 (ammonia), and ZnS powder was used as a raw material. The temperatures of the raw material part I and the raw material part II are from 80 ° C to 800 ° C, the temperature of the highest temperature part is 800 to 920 ° C, and the substrate temperature is about 540 ° C to 600 ° C. The operating conditions are summarized in Tables 1, 2, and 3.
【0032】原料部I、IIで、原料がH2 と反応して
構成元素を含んだガスが生成される。最高温度部では、
ガスの温度が最高となり、基板部ではガスの温度が低下
し、基板を配置する場所では、温度が一定(540〜6
00℃で調節)となり、基板上に原料が析出、成長す
る。In the raw material portions I and II, the raw material reacts with H 2 to generate a gas containing the constituent elements. In the highest temperature section,
The temperature of the gas becomes the highest, the temperature of the gas decreases in the substrate portion, and the temperature is constant (540-6
(Control at 00 ° C.), and the material is deposited and grown on the substrate.
【0033】表1に示すZnS単結晶薄膜は全てp型で
あり、その伝導型は、ホットプローブ法によるゼーベッ
ク電圧の符号によって判定した。成長時間は2時間から
5時間で、成長膜厚は0.5μmから4μmである。電
気的特性はホール効果の測定により、得られたものであ
る。基板11は、表2に示すように、n型GaAs(1
00)を用いている。添加不純物原料の入手先および純
度に関しては表3にまとめて示す。The ZnS single crystal thin films shown in Table 1 are all p-type, and the conduction type was determined by the sign of the Seebeck voltage by the hot probe method. The growth time is 2 hours to 5 hours, and the grown film thickness is 0.5 μm to 4 μm. The electrical characteristics were obtained by measuring the Hall effect. As shown in Table 2, the substrate 11 is made of n-type GaAs (1
00) is used. Table 3 summarizes the sources and the purity of the added impurity raw materials.
【0034】[0034]
【表1】 [Table 1]
【0035】[0035]
【表2】 [Table 2]
【0036】[0036]
【表3】 [Table 3]
【0037】表1では、比較のために、Nのみをドーピ
ングした場合、NとAgとを同時ドーピングした場合、
NとInとを同時ドーピングした場合、NとAgとCl
とを同時ドーピングした場合について測定された電気特
性を記してある。表1で示すように、NとAgとInと
を同時ドーピングした場合が、最も抵抗率が低く、キャ
リア密度の高いものが得られた。NとAgとClとを同
時ドーピングした場合は、Sの位置に置換するNとCl
の置換位置の競い合いに基づき、前者の場合と比べて抵
抗率が高く、キャリア密度が低くなっている。In Table 1, for comparison, when only N is doped, when N and Ag are simultaneously doped,
When co-doping with N and In, N, Ag and Cl
The electrical characteristics measured for the case of co-doping are described. As shown in Table 1, when N, Ag, and In were simultaneously doped, the one with the lowest resistivity and the highest carrier density was obtained. When N, Ag and Cl are co-doped, N and Cl are substituted at the S position.
, The resistivity is higher and the carrier density is lower than in the former case.
【0038】図2に、第1原理バンド構造計算法を用い
て決めたZnS(硫化亜鉛)結晶中の2つのアクセプタ
ーと1つのドナーの構造配置を示す。中心部の大きな黒
丸はInであり、小さな黒丸は全てZnである。白丸は
Sであり、白丸に斜線はNである。この図から分かるよ
うに、ZnS(硫化亜鉛)結晶中に、アクセプターであ
るNとともにドナーであるInが入ることにより、下記
の構造が形成され、FIG. 2 shows the structural arrangement of two acceptors and one donor in a ZnS (zinc sulfide) crystal determined using the first principle band structure calculation method. The large black circle at the center is In, and the small black circles are all Zn. An open circle is S, and an oblique line is N in the white circle. As can be seen from this figure, the following structure is formed by the inclusion of In as a donor together with N as an acceptor in ZnS (zinc sulfide) crystal.
【化1】 Nの結晶学的な構造配置が安定化し、より高濃度まで安
定してNをドーピングできることが確認された。なお、
Ib族元素のAgは、ほぼIn、Nとは独立に結晶内に
位置する。Embedded image It was confirmed that the crystallographic structure of N was stabilized, and that N could be stably doped to a higher concentration. In addition,
Ag of the group Ib element is located in the crystal almost independently of In and N.
【0039】[0039]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の低抵抗
p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)は、すでに実現されてい
る低抵抗のn型ZnS(硫化亜鉛)と組み合わせること
により、エネルギーギャップの大きさを自由に制御でき
ることから、可視から紫外領域に亘る光エレクトロニク
ス材料として高性能な、発光ダイオード、半導体レーザ
への応用が広がる。As described above, the low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) of the present invention can be combined with the already realized low-resistance n-type ZnS (zinc sulfide) to provide an energy gap. Since the size can be freely controlled, its application to light emitting diodes and semiconductor lasers, which are high-performance optoelectronic materials in the visible to ultraviolet range, is expanding.
【0040】さらには、光電変換デバイス、例えば、太
陽電池のような低抵抗半導体としての応用へとその応用
領域を広げることが可能となる。さらに、本発明の製造
方法によれば、低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)を
容易に得ることができる。Further, the application area can be expanded to a photoelectric conversion device, for example, a low resistance semiconductor such as a solar cell. Further, according to the manufacturing method of the present invention, low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) can be easily obtained.
【図1】VPE法により、基板上に低抵抗p型単結晶Z
nS(硫化亜鉛)薄膜を形成させる装置の概略側面断面
図である。FIG. 1 shows a low-resistance p-type single crystal Z on a substrate by a VPE method.
1 is a schematic side sectional view of an apparatus for forming an nS (zinc sulfide) thin film.
【図2】第1原理バンド構造計算法を用いて決めたZn
S(硫化亜鉛)結晶中のp型ドーパントとn型ドーパン
トの構造配置を示した模式図である。FIG. 2 shows Zn determined using the first principle band structure calculation method
FIG. 3 is a schematic diagram showing a structural arrangement of a p-type dopant and an n-type dopant in S (zinc sulfide) crystal.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 33/00 H01L 33/00 D ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 33/00 H01L 33/00 D
Claims (8)
素からなるp型ドーパントとB、Al、Ga、Inのう
ちの少なくとも一元素からなるn型ドーパントと、A
g、Cuのうちの少なくとも一元素を含有し、抵抗率が
0.08Ω・cmよりも小さく、ホール濃度が5.6×
1018/cm3 以上であることを特徴とする低抵抗p型
単結晶ZnS(硫化亜鉛)。1. A p-type dopant composed of at least one of Li, Na, and N, an n-type dopant composed of at least one of B, Al, Ga, and In;
g, containing at least one element of Cu, having a resistivity of less than 0.08 Ω · cm and a hole concentration of 5.6 ×
Low resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) having a resistivity of 10 18 / cm 3 or more.
素からなるp型ドーパントとCl元素からなるn型ドー
パントと、Ag、Cuのうちの少なくとも一元素を含有
し、抵抗率が0.60Ω・cmよりも小さく、ホール濃
度が1.4×1017/cm3 以上であることを特徴とす
る低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)。2. A p-type dopant comprising at least one of Li, Na and N, an n-type dopant comprising Cl and at least one element of Ag and Cu, and having a resistivity of 0.60Ω. A low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide), which is smaller than cm and has a hole concentration of 1.4 × 10 17 / cm 3 or more.
パントとの濃度比が、1.3:1から10:1であるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の低抵抗p型単
結晶ZnS(硫化亜鉛)。3. The low-resistance p-type according to claim 1, wherein the concentration ratio of the contained p-type dopant to the n-type dopant is from 1.3: 1 to 10: 1. Single crystal ZnS (zinc sulfide).
含有量が原子濃度1×1014/cm3 以上であることを
特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の低抵抗p
型単結晶ZnS(硫化亜鉛)。4. The low resistance p according to claim 1, wherein the content of at least one element of Ag and Cu is at least 1 × 10 14 / cm 3 in atomic concentration.
Type single crystal ZnS (zinc sulfide).
際に、Ag、Cuのうちの少なくとも一元素をドーピン
グするとともに、n型ドーパントおよびp型ドーパント
を、p型ドーパント濃度が、n型ドーパント濃度より大
きくなるようにドーピングすることを特徴とする請求項
1乃至4のいずれかに記載の低抵抗p型単結晶ZnS
(硫化亜鉛)を製造する方法。5. When forming a single crystal of ZnS (zinc sulfide), at least one of Ag and Cu is doped, and an n-type dopant and a p-type dopant are added at a p-type dopant concentration of n-type. The low-resistance p-type single crystal ZnS according to any one of claims 1 to 4, wherein the doping is performed so as to be higher than the dopant concentration.
(Zinc sulfide).
の濃度より大きくなるようにドーピングすることを特徴
とする請求項5記載の低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜
鉛)を製造する方法。6. The method according to claim 5, wherein doping is performed so that the p-type dopant concentration is higher than the concentration of Ag + Cu element.
形成した後、冷却し、さらに、600〜900℃で電場
をかけながら熱処理することを特徴とする請求項5また
は6に記載の低抵抗p型単結晶ZnS(硫化亜鉛)を製
造する方法。7. The method according to claim 5, wherein after forming the low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide), the substrate is cooled and further heat-treated at 600 to 900 ° C. while applying an electric field. A method for producing low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide).
パントまたは/およびAg、Cuのうちの少なくとも一
元素が、ラジオ波、レーザー、X線、または電子線によ
って電子励起して原子状にしたものであることを特徴と
する請求項5乃至7のいずれかに記載の低抵抗p型単結
晶ZnS(硫化亜鉛)を製造する方法。8. A p-type dopant and / or an n-type dopant and / or at least one element of Ag and Cu which has been atomized by electronic excitation with a radio wave, a laser, an X-ray, or an electron beam. The method for producing a low-resistance p-type single crystal ZnS (zinc sulfide) according to any one of claims 5 to 7, wherein:
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