JP2003081698A - ＺｎＯＳＳｅ混晶半導体 - Google Patents
ＺｎＯＳＳｅ混晶半導体Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 シリコン基板上に発光素子を作製する技術
は、光通信と電子集積回路の融合から注目されているこ
とから、シリコン基板と格子整合しながら、発光波長を
広範囲に制御可能な半導体の発見が望まれている。 【解決手段】 ZnOSSe半導体は、酸素とセレンと硫黄の
組成比を変化させると、禁制帯幅湾曲係数が大きいこと
から、少ない格子定数変化で大きく禁制帯幅が変化でき
る。このことを利用して、シリコンと格子整合しなが
ら、酸素とセレンと硫黄の組成比を変化させることによ
り、赤外、可視から紫外線領域まで発光特性が可変な発
光素子を簡易に製作することとした。
は、光通信と電子集積回路の融合から注目されているこ
とから、シリコン基板と格子整合しながら、発光波長を
広範囲に制御可能な半導体の発見が望まれている。 【解決手段】 ZnOSSe半導体は、酸素とセレンと硫黄の
組成比を変化させると、禁制帯幅湾曲係数が大きいこと
から、少ない格子定数変化で大きく禁制帯幅が変化でき
る。このことを利用して、シリコンと格子整合しなが
ら、酸素とセレンと硫黄の組成比を変化させることによ
り、赤外、可視から紫外線領域まで発光特性が可変な発
光素子を簡易に製作することとした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化硫化セレン化
亜鉛（本願明細書においては、その他の混晶も含めて、
元素記号を用いて「ZnOSSe」等と記載する場合もあ
る。）混晶半導体による発光素子及び集積回路並びにそ
れらの製造方法に関するものである。更に詳しくは、Zn
OSSe混晶半導体とシリコン半導体が格子整合することを
利用した発光素子及び集積回路並びにそれらの製造方法
に関するものである。
亜鉛（本願明細書においては、その他の混晶も含めて、
元素記号を用いて「ZnOSSe」等と記載する場合もあ
る。）混晶半導体による発光素子及び集積回路並びにそ
れらの製造方法に関するものである。更に詳しくは、Zn
OSSe混晶半導体とシリコン半導体が格子整合することを
利用した発光素子及び集積回路並びにそれらの製造方法
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】シリコン集積基板上に光半導体を作製す
る研究はGaAs on Siが精力的に行われてきたが、ガリウ
ム・ヒ素系光半導体としてアルミ・ガリウム・ヒ素を用
いても赤色より短波長の発光素子は、原理的に作製する
ことができない。一方、禁制帯幅の大きな湾曲係数を利
用して、ガリウム・ヒ素基板との格子整合に成功した発
明がある（特開平９-２１９５６３号参照）。この発明
は、GaInNAs半導体及びInNPAs半導体が大きな禁制帯湾
曲係数を持つことを利用してGaAs基板に格子整合した中
赤外半導体光素子に応用する発明であるが、III-V族半
導体を用いているために、可視光全域をカバーする半導
体光素子の作製は不可能である。
る研究はGaAs on Siが精力的に行われてきたが、ガリウ
ム・ヒ素系光半導体としてアルミ・ガリウム・ヒ素を用
いても赤色より短波長の発光素子は、原理的に作製する
ことができない。一方、禁制帯幅の大きな湾曲係数を利
用して、ガリウム・ヒ素基板との格子整合に成功した発
明がある（特開平９-２１９５６３号参照）。この発明
は、GaInNAs半導体及びInNPAs半導体が大きな禁制帯湾
曲係数を持つことを利用してGaAs基板に格子整合した中
赤外半導体光素子に応用する発明であるが、III-V族半
導体を用いているために、可視光全域をカバーする半導
体光素子の作製は不可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来、シリコンに格子
整合する半導体は、光半導体に不向きな間接遷移型半導
体であるGaPやAlP、そして紫外線領域のZnSのみである
と考えられてきた。そこで、本願発明の目的は、シリコ
ンに格子整合し、赤外、可視から紫外線領域の広い波長
範囲にわたる発光素子を提供することである。
整合する半導体は、光半導体に不向きな間接遷移型半導
体であるGaPやAlP、そして紫外線領域のZnSのみである
と考えられてきた。そこで、本願発明の目的は、シリコ
ンに格子整合し、赤外、可視から紫外線領域の広い波長
範囲にわたる発光素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本願発明においては、Zn
OSSeを用いることにより、図１に示されているように、
シリコン基板に格子整合した状態で、赤外、可視から紫
外線領域まで自由に光の波長が可変できる素子を形成す
ることができる。ZnOSSeは、既に、蛍光剤やEL素子など
に用いられているII-VI族半導体であり、光半導体とし
ての資質に優れ、シリコン集積回路上の光素子として期
待されるものである。本願発明が可能であることが明ら
かになったのは、図１に示すようにZnO-ZnSe, ZnO-ZnS
の間の禁制帯幅が大きく湾曲している（Bandgap bowin
g）現象を発見したことによる。ZnOSSe半導体を用いる
と、その酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけ
で、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って
発光波長を変化させることが可能な光素子を作製するこ
とができる。
OSSeを用いることにより、図１に示されているように、
シリコン基板に格子整合した状態で、赤外、可視から紫
外線領域まで自由に光の波長が可変できる素子を形成す
ることができる。ZnOSSeは、既に、蛍光剤やEL素子など
に用いられているII-VI族半導体であり、光半導体とし
ての資質に優れ、シリコン集積回路上の光素子として期
待されるものである。本願発明が可能であることが明ら
かになったのは、図１に示すようにZnO-ZnSe, ZnO-ZnS
の間の禁制帯幅が大きく湾曲している（Bandgap bowin
g）現象を発見したことによる。ZnOSSe半導体を用いる
と、その酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけ
で、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って
発光波長を変化させることが可能な光素子を作製するこ
とができる。
【０００５】
【発明の原理及び作用】本願発明の発端となった半導体
禁制帯幅の湾曲現象は、次のようなJ.A.Van Vechtenら
によって1970年に提唱された原理により引き起こされ
る。半導体禁制帯幅は、 Eg(x) = c(x-1)x + (EgZnSe-EgZnO)x + EgZnO のように記述でき、２次の係数cを禁制帯幅湾曲係数
（ボーイングパラメーター）と呼ぶ。このcは、理想結
晶項ci と添加された元素による項ceとの和で表され
る。添加された元素と元の元素の間には電気陰性度差の
２乗の影響が現れる。ZnOSeやZnOSには、酸素とセレ
ン、酸素と硫黄の間に大きな電気陰性度の差があること
から、大きな半導体禁制帯幅の湾曲現象が存在すること
が予測できる。この予測をもとに、実際にZnOSe薄膜を
作製した。
禁制帯幅の湾曲現象は、次のようなJ.A.Van Vechtenら
によって1970年に提唱された原理により引き起こされ
る。半導体禁制帯幅は、 Eg(x) = c(x-1)x + (EgZnSe-EgZnO)x + EgZnO のように記述でき、２次の係数cを禁制帯幅湾曲係数
（ボーイングパラメーター）と呼ぶ。このcは、理想結
晶項ci と添加された元素による項ceとの和で表され
る。添加された元素と元の元素の間には電気陰性度差の
２乗の影響が現れる。ZnOSeやZnOSには、酸素とセレ
ン、酸素と硫黄の間に大きな電気陰性度の差があること
から、大きな半導体禁制帯幅の湾曲現象が存在すること
が予測できる。この予測をもとに、実際にZnOSe薄膜を
作製した。
【０００６】本発明の元となる、ZnOSeの作製状況を図
３に示す。セレンの供給量を増加させると、ZnO中のセ
レンの含有量が増加していくことがわかる。シリコン基
板に格子整合させる場合も同様にして、ZnSSeに酸素を
添加し、シリコンと格子整合させる。
３に示す。セレンの供給量を増加させると、ZnO中のセ
レンの含有量が増加していくことがわかる。シリコン基
板に格子整合させる場合も同様にして、ZnSSeに酸素を
添加し、シリコンと格子整合させる。
【０００７】実際に作製したZnOSeが、本当に禁制帯幅
湾曲現象を起こしているかを確認するために、光吸収測
定から禁制帯幅がどのように変化しているか測定した。
そのZnOSeの光吸収特性を図４に示す。ZnOSeのセレン含
有量が増加するにつれて、光吸収端が低エネルギー側に
シフトしていることがわかる。このシフト量ΔEgとセレ
ン含有量の関係を計算することにより、禁制帯幅湾曲現
象がどの程度大きいかがわかる。
湾曲現象を起こしているかを確認するために、光吸収測
定から禁制帯幅がどのように変化しているか測定した。
そのZnOSeの光吸収特性を図４に示す。ZnOSeのセレン含
有量が増加するにつれて、光吸収端が低エネルギー側に
シフトしていることがわかる。このシフト量ΔEgとセレ
ン含有量の関係を計算することにより、禁制帯幅湾曲現
象がどの程度大きいかがわかる。
【０００８】図５は、作製したZnOSeの禁制帯幅シフト
量ΔEgとセレン含有量の関係を示している。これらの実
測値を式（１）の２次関数フィッティングを計算する
と、禁制帯幅湾曲係数（ボーイングパラメーター）が1
2.7eVと算出された。この値は、現在、半導体で大きな
禁制帯幅湾曲係数を持つものとして知られている窒化ガ
リウムヒ素（GaNAs）の禁制帯幅湾曲係数18eVという値
に次ぐ大きな値である。窒化ガリウム・ヒ素（GaNAs）
は、その大きな禁制帯幅湾曲係数を利用して、窒化ガリ
ウム・インジウム・ヒ素（GaInNAs）という形でガリウ
ム・ヒ素に格子整合しながら、1.3μｍの長波長の通信
用半導体レーザーを既に実用化させている。これは、禁
制帯幅湾曲係数が大きいと、少ない格子定数変化で大き
く禁制帯幅が変化できることを利用した好例である。こ
のことから、ZnOSeも硫黄を加えることにより、シリコ
ンと格子整合することを発見した。
量ΔEgとセレン含有量の関係を示している。これらの実
測値を式（１）の２次関数フィッティングを計算する
と、禁制帯幅湾曲係数（ボーイングパラメーター）が1
2.7eVと算出された。この値は、現在、半導体で大きな
禁制帯幅湾曲係数を持つものとして知られている窒化ガ
リウムヒ素（GaNAs）の禁制帯幅湾曲係数18eVという値
に次ぐ大きな値である。窒化ガリウム・ヒ素（GaNAs）
は、その大きな禁制帯幅湾曲係数を利用して、窒化ガリ
ウム・インジウム・ヒ素（GaInNAs）という形でガリウ
ム・ヒ素に格子整合しながら、1.3μｍの長波長の通信
用半導体レーザーを既に実用化させている。これは、禁
制帯幅湾曲係数が大きいと、少ない格子定数変化で大き
く禁制帯幅が変化できることを利用した好例である。こ
のことから、ZnOSeも硫黄を加えることにより、シリコ
ンと格子整合することを発見した。
【０００９】図１には、シリコンと格子整合するZnOSSe
（酸化硫化セレン化亜鉛）の組成範囲の結果も示してい
る。この図から、シリコンと格子整合しながら、酸素と
セレンと硫黄の組成比を変化させることにより、赤外、
可視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが
可能であることがわかる。このことから、本願発明のZn
OSSe半導体には、２つの特徴があることがわかる。 （１）禁制帯幅湾曲係数が大きいことから、少ない格子
定数変化で大きく禁制帯幅を変化させることができる。 （２）シリコンと格子整合する組成比が広く、赤外、可
視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが可
能である。
（酸化硫化セレン化亜鉛）の組成範囲の結果も示してい
る。この図から、シリコンと格子整合しながら、酸素と
セレンと硫黄の組成比を変化させることにより、赤外、
可視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが
可能であることがわかる。このことから、本願発明のZn
OSSe半導体には、２つの特徴があることがわかる。 （１）禁制帯幅湾曲係数が大きいことから、少ない格子
定数変化で大きく禁制帯幅を変化させることができる。 （２）シリコンと格子整合する組成比が広く、赤外、可
視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが可
能である。
【００１０】
【実施例】本願発明の実施例を第６図を用いて説明す
る。このZnOSSe/Siヘテロ接合型半導体レーザーの特徴
は、シリコンと格子整合して、レーザー発信波長を赤
外、可視から紫外線領域まで変化させることが可能であ
る点のみならず、クラッド層の亜鉛、マグネシウム、酸
素、セレン、硫黄の組成比を微妙に変化させることによ
り活性層に自由に歪みを導入することが可能で、しきい
値電流の低い半導体レーザーの実現が期待できる。
る。このZnOSSe/Siヘテロ接合型半導体レーザーの特徴
は、シリコンと格子整合して、レーザー発信波長を赤
外、可視から紫外線領域まで変化させることが可能であ
る点のみならず、クラッド層の亜鉛、マグネシウム、酸
素、セレン、硫黄の組成比を微妙に変化させることによ
り活性層に自由に歪みを導入することが可能で、しきい
値電流の低い半導体レーザーの実現が期待できる。
【００１１】また、本願発明は、無極性半導体であるシ
リコンで作製された集積回路上にイオン性の高い有極性
半導体であるZnOSSeを、格子整合した状態で作製するこ
とにより、ピエゾ効果を利用した新しい素子を作成する
ことができる。この特徴を利用した簡単な一例を図７に
示す。図７のように、シリコン基板上にｃ軸配向したZn
OSSeを作製し、基板と垂直方向に電界を印可した場合、
無極性のシリコンは、ピエゾ効果による変形はないが、
ZnOSSeのみ変化するため、絶縁抵抗が高く、ナノスケー
ルのスイッチング素子の実現が可能となる。
リコンで作製された集積回路上にイオン性の高い有極性
半導体であるZnOSSeを、格子整合した状態で作製するこ
とにより、ピエゾ効果を利用した新しい素子を作成する
ことができる。この特徴を利用した簡単な一例を図７に
示す。図７のように、シリコン基板上にｃ軸配向したZn
OSSeを作製し、基板と垂直方向に電界を印可した場合、
無極性のシリコンは、ピエゾ効果による変形はないが、
ZnOSSeのみ変化するため、絶縁抵抗が高く、ナノスケー
ルのスイッチング素子の実現が可能となる。
【００１２】
【発明の効果】本発明のZnOSSe半導体を用いることによ
り、酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけで、
赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って発光
波長を変化させることが可能であり、しかもシリコン基
板と格子整合させることが可能となることから、シリコ
ン集積回路上に表示、光通信や光情報処理が行える光素
子を作製することが可能となる。シリコン基板を用いる
ことにより、赤外から可視、紫外線に及ぶ広い波長域を
用いた波長多重通信素子の実現可能であるし、情報処理
用、通信用集積回路と表示素子の融合による情報端末の
飛躍的な小型化も期待できる。
り、酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけで、
赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って発光
波長を変化させることが可能であり、しかもシリコン基
板と格子整合させることが可能となることから、シリコ
ン集積回路上に表示、光通信や光情報処理が行える光素
子を作製することが可能となる。シリコン基板を用いる
ことにより、赤外から可視、紫外線に及ぶ広い波長域を
用いた波長多重通信素子の実現可能であるし、情報処理
用、通信用集積回路と表示素子の融合による情報端末の
飛躍的な小型化も期待できる。
【図１】 半導体の禁制帯幅と原子間距離の関係とシリ
コンと格子整合するZnOSSeの組成範囲図
コンと格子整合するZnOSSeの組成範囲図
【図２】 禁制帯幅湾曲現象の説明とZnOSSeの理論予測
図
図
【図３】 ZnOSeのSe含有率のSe供給量依存性を示す図
【図４】 ZnOSeの禁制帯幅減少による光吸収特性の変
化図
化図
【図５】 酸化セレン化亜鉛の禁制帯幅シフト量ΔEgと
セレン含有量の関係図
セレン含有量の関係図
【図６】 ZnOSSe/Siヘテロ接合型半導体レーザーの模
式図
式図
【図７】 ZnOSSe/Siヘテロ接合型スイッチング素子模
式図
式図
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 山田 昭政
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
(72)発明者 松原 浩司
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE37 ED06 HA02
5F073 AB12 CA22 CB04
Claims (9)
- 【請求項１】 半導体の接合構造において、ZnOSSe混晶
半導体とシリコン半導体とが接合していることを特徴と
する半導体の接合構造。 - 【請求項２】 上記ZnOSSe混晶半導体と上記シリコン半
導体が格子整合していることを特徴とする請求項１記載
の半導体の接合構造。 - 【請求項３】 素子構造又は集積回路において、上記請
求項２記載の接合構造を用いたことを特徴とする素子構
造又は集積回路。 - 【請求項４】 シリコン基板上の発光素子において、上
記請求項２記載の接合構造を有することを特徴とするシ
リコン基板上の発光素子。 - 【請求項５】 素子構造又は集積回路において、上記請
求項４記載の発光素子を用いたことを特徴とする素子構
造又は集積回路。 - 【請求項６】 発光素子の製造方法において、ZnOSSe混
晶半導体に微少の酸素、セレン又は硫黄を含有させるこ
とにより、発光波長を赤外線から可視光、紫外線に至る
まで制御することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 【請求項７】 素子構造又は集積回路の製造方法におい
て、上記請求項６記載の発光素子の製造方法を用いたこ
とを特徴とする素子構造又は集積回路の製造方法。 - 【請求項８】 シリコン基板上の発光素子において、Zn
OSSe混晶半導体とシリコン半導体が格子整合しているこ
とを利用し、シリコン基板上に作製したZnOSSe混晶半導
体に微少の酸素、セレン又は硫黄を含有させることによ
り、発光波長を赤外線から可視光、紫外線に至るまで制
御することを特徴とするシリコン基板上の発光素子。 - 【請求項９】 素子構造又は集積回路の製造方法におい
て、上記請求項８記載の発光素子を用いたことを特徴と
する素子構造又は集積回路。
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