JP2008131022A - Electrode structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属層からワイドギャップ半導体へ正孔又は電子を注入する電極構造に関する。 The present invention relates to an electrode structure for injecting holes or electrons from a metal layer into a wide gap semiconductor.
ワイドギャップ半導体には、例えば、発光ダイオード、レーザーダイオード、太陽電池など、産業分野への応用を想定した場合に有用な物性を示すものが多い。 Many wide gap semiconductors exhibit physical properties useful for applications in the industrial field, such as light emitting diodes, laser diodes, and solar cells.
ここで、ワイドギャップ半導体と金属層とを接合することにより電極構造を形成し、かかる電極構造に外部電場を印加することによりワイドギャップ半導体へ正孔または電子を注入させるには、ワイドギャップ半導体と金属とのバンドアライメントが、一定の条件を満たす必要があった(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。 Here, in order to inject holes or electrons into a wide gap semiconductor by forming an electrode structure by joining a wide gap semiconductor and a metal layer and applying an external electric field to the electrode structure, The band alignment with the metal needs to satisfy certain conditions (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
すなわち、いわゆるショットキー接合によりワイドギャップ半導体に正孔を注入するには、ワイドギャップ半導体に、イオン化エネルギーの小さな不純物(アクセプター)をドープしてp型半導体とし、これと、ワイドギャップ半導体の価電子帯端よりも浅い位置にフェルミ準位を持つ金属からなる金属層と、を接合させる必要があった。
また、いわゆるショットキー接合によりワイドギャップ半導体に電子を注入するには、ワイドギャップ半導体に、イオン化エネルギーの小さな不純物(ドナー)をドープしてn型半導体とし、これと、ワイドギャップ半導体の価電子帯端よりも深い位置にフェルミ準位を持つ金属からなる金属層と、を接合させる必要があった。
なお、ワイドギャップ半導体をp型もしくはn型半導体とするには、ワイドギャップ半導体にドープする不純物のイオン化エネルギーが、例えば0.1eV以下である必要があった。ここで、不純物のイオン化エネルギーは、不純物の準位が持つ結合エネルギーと価電子帯端(もしくは伝導帯端)とのエネルギー差によって定まる。
That is, in order to inject holes into a wide gap semiconductor by a so-called Schottky junction, the wide gap semiconductor is doped with an impurity (acceptor) having a small ionization energy to form a p-type semiconductor, and the valence electrons of the wide gap semiconductor. It was necessary to join a metal layer made of a metal having a Fermi level at a position shallower than the band edge.
In order to inject electrons into a wide gap semiconductor by so-called Schottky junction, the wide gap semiconductor is doped with an impurity (donor) having a small ionization energy to form an n-type semiconductor, and the valence band of the wide gap semiconductor. It was necessary to join a metal layer made of a metal having a Fermi level at a position deeper than the end.
In order to make a wide gap semiconductor a p-type or n-type semiconductor, the ionization energy of an impurity doped into the wide gap semiconductor needs to be 0.1 eV or less, for example. Here, the ionization energy of the impurity is determined by the energy difference between the binding energy of the impurity level and the valence band edge (or conduction band edge).
また、いわゆるオーミック接合によりワイドギャップ半導体に正孔を注入するには、ワイドギャップ半導体と、ワイドギャップ半導体の価電子帯端よりも深い位置にフェルミ準位を持つ金属からなる金属層と、を接合させる必要があった。
また、いわゆるオーミック接合によりワイドギャップ半導体に電子を注入するには、ワイドギャップ半導体と、ワイドギャップ半導体の伝導帯端よりも浅い位置にフェルミ準位を持つ金属からなる金属層と、を接合させる必要があった。
In addition, in order to inject electrons into a wide gap semiconductor by so-called ohmic junction, it is necessary to join a wide gap semiconductor and a metal layer made of a metal having a Fermi level at a position shallower than the conduction band edge of the wide gap semiconductor. was there.
しかしながら、ショットキー接合により、ワイドギャップ半導体に正孔または電子を注入させようとしても、ワイドギャップ半導体の中には、イオン化エネルギーが十分に小さな不純物が存在せず、p型もしくはn型半導体を作ることができないため、不可能な場合があった。例えば、ZnSの場合、イオン化エネルギーが十分に小さなアクセプターが存在せず、p型ZnSを作ることができない。また、ZnTeの場合、イオン化エネルギーが十分に小さなドナーが存在せず、n型ZnTeを作ることができない。 However, even if an attempt is made to inject holes or electrons into the wide gap semiconductor by Schottky junction, there is no impurity having sufficiently small ionization energy in the wide gap semiconductor, and a p-type or n-type semiconductor is produced. In some cases, it was impossible. For example, in the case of ZnS, there is no acceptor with sufficiently small ionization energy, and p-type ZnS cannot be made. In the case of ZnTe, there is no donor with sufficiently small ionization energy, and n-type ZnTe cannot be produced.
また、このように、p型もしくはn型半導体を作ることができないワイドギャップ半導体に対し、オーミック接合により正孔を注入させようとしても、ワイドギャップ半導体の価電子帯端よりも深い位置にフェルミ準位を持つ金属が存在せず、不可能であった。また
同様に、このようなワイドギャップ半導体に、いわゆるオーミック接合により電子を注入させようとしても、ワイドギャップ半導体の伝導帯端よりも浅い位置にフェルミ準位を持つ金属も存在しないか、たとえ存在したとしても化学的に不安定であったため、不可能であった。例えば、ZnOの価電子帯端より深い位置にフェルミ準位を持つ金属は存在せず、また、MgTeの伝導帯端よりも浅い位置にフェルミ準位を持ち、かつ化学的に安定な金属は存在しない。
In addition, in this way, even when trying to inject holes by ohmic junction into a wide gap semiconductor that cannot make a p-type or n-type semiconductor, a Fermi quasi at a position deeper than the valence band edge of the wide gap semiconductor. It was impossible because there was no metal with a position. Similarly, even if electrons are injected into such a wide gap semiconductor through a so-called ohmic junction, there is no or even a metal having a Fermi level at a position shallower than the conduction band edge of the wide gap semiconductor. It was impossible because it was chemically unstable. For example, there is no metal with a Fermi level at a position deeper than the valence band edge of ZnO, and there is a chemically stable metal with a Fermi level at a position shallower than the conduction band edge of MgTe. do not do.
すなわち、イオン化エネルギーが十分に小さな不純物(アクセプターもしくはドナー)が存在せずp型もしくはn型半導体を作ることができないワイドギャップ半導体に対しては、正孔または電子を注入する手段がなかった。そのため、物性としては有用であるにもかかわらず、実際に産業分野へ応用することが困難な場合があった。 That is, there is no means for injecting holes or electrons for a wide gap semiconductor that does not have a sufficiently small ionization energy (acceptor or donor) and cannot form a p-type or n-type semiconductor. For this reason, although it is useful as a physical property, it may be difficult to actually apply it to the industrial field.
そこで本発明は、イオン化エネルギーが十分に小さな不純物(アクセプターもしくはドナー)が存在せず、p型もしくはn型半導体を作ることが出来ないワイドギャップ半導体に対して、正孔または電子を注入することが可能な電極構造を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can inject holes or electrons into a wide gap semiconductor in which an impurity (acceptor or donor) having sufficiently small ionization energy does not exist and a p-type or n-type semiconductor cannot be formed. The object is to provide a possible electrode structure.
本発明の第1の態様は、イオン化エネルギーが0.2〜1eVの不純物がドープされたワイドギャップ半導体と、不純物イオンの結合エネルギーよりも小さな仕事関数を有し、かつ、前記ワイドギャップ半導体と接合される金属層と、を備え、外部電場を印加されることにより前記金属層から前記ワイドギャップ半導体へ正孔が注入される電極構造である。
ここでイオン化エネルギーとは、一般には、中性原子あるいは分子から、電子を引き離して陽イオンするのに要するエネルギーを意味する。半導体では不純物準位から伝導帯または価電子帯へキャリアを励起するのに要するエネルギーを意味する。本発明におけるイオン化エネルギーとは、半導体のイオン化エネルギーを意味する。
また、結合エネルギー(束縛エネルギー)は、不純物準位のエネルギーを用いて表し、真空準位を基準にとって定義しており、特定準位にある電子を無限遠の静止状態へもたらすために必要なエネルギーを意味する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a wide gap semiconductor doped with an impurity having an ionization energy of 0.2 to 1 eV, a work function smaller than the binding energy of impurity ions, and a junction with the wide gap semiconductor An electrode structure in which holes are injected from the metal layer into the wide gap semiconductor by applying an external electric field.
Here, the ionization energy generally means energy required to cation by separating electrons from neutral atoms or molecules. In a semiconductor, it means energy required to excite carriers from an impurity level to a conduction band or a valence band. The ionization energy in the present invention means the ionization energy of a semiconductor.
The binding energy (binding energy) is expressed using the energy of the impurity level and is defined with the vacuum level as a reference, and the energy required to bring electrons at a specific level to a stationary state at infinity. Means.
本発明の第2の態様は、イオン化エネルギーが0.2〜1eVの不純物がドープされたワイドギャップ半導体と、不純物イオンの結合エネルギーよりも大きな仕事関数を有し、かつ、前記ワイドギャップ半導体と接合される金属層と、を備え、外部電場を印加されることにより前記金属層から前記ワイドギャップ半導体へ電子が注入される電極構造である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a wide gap semiconductor doped with an impurity having an ionization energy of 0.2 to 1 eV, a work function larger than the binding energy of impurity ions, and a junction with the wide gap semiconductor. And an electrode structure in which electrons are injected from the metal layer into the wide gap semiconductor by applying an external electric field.
本発明の第3の態様は、本発明の第1の態様または第2の態様において、前記ワイドギャップ半導体における前記不純物の濃度が、1×1018〜5×1021cm−3である電極構造である。 A third aspect of the present invention is the electrode structure according to the first aspect or the second aspect of the present invention, wherein the concentration of the impurity in the wide gap semiconductor is 1 × 10 18 to 5 × 10 21 cm −3. It is.
本発明の第4の態様は、本発明の第1の態様から第3の態様のいずれかの態様において、前記金属層との接合面から100nmの範囲にドープされている電極構造である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electrode structure according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein the electrode structure is doped in a range of 100 nm from the joint surface with the metal layer.
本発明の第5の態様は、本発明の第1の態様から第4の態様のいずれかの態様において、前記ワイドギャップ半導体が、II−VI族化合物半導体、III−V族化合物半導体、又は、酸化物半導体である電極構造である。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects of the present invention, the wide gap semiconductor is a II-VI group compound semiconductor, a III-V group compound semiconductor, or It is an electrode structure which is an oxide semiconductor.
本発明の第6の態様は、本発明の第1の態様から第5の態様のいずれかの態様において、前記不純物が、Ni、Co、Fe、Pd、Rh、Ru、Pt、Ir、Os、N、P、A
s、及びSbのうちのいずれか1以上である電極構造である。
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects of the present invention, the impurity is Ni, Co, Fe, Pd, Rh, Ru, Pt, Ir, Os, N, P, A
The electrode structure is one or more of s and Sb.
本発明の第7の態様は、本発明の第1の態様から第6の態様のいずれかの態様において、キャリア電流密度が1mA/cm2以上である電極構造である。 A seventh aspect of the present invention is an electrode structure according to any one of the first to sixth aspects of the present invention, wherein the carrier current density is 1 mA / cm 2 or more.
本発明によれば、イオン化エネルギーが十分に小さな不純物(アクセプターもしくはドナー)が存在せず、p型もしくはn型半導体を作ることが出来ないワイドギャップ半導体に対して、正孔または電子を注入することが可能な電極構造を提供することができる。 According to the present invention, holes or electrons are injected into a wide gap semiconductor in which no impurity (acceptor or donor) having sufficiently low ionization energy exists and a p-type or n-type semiconductor cannot be formed. It is possible to provide an electrode structure capable of.
以下、本発明にかかる実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。
<第1実施形態>
第1実施形態に係る電極構造は、電極層としてのワイドギャップ半導体と、このワイドギャップ半導体と接合される金属層と、を備える。第1実施形態のワイドギャップ半導体においては、半導体全体に不純物が均一にドープされている。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<First Embodiment>
The electrode structure according to the first embodiment includes a wide gap semiconductor as an electrode layer and a metal layer bonded to the wide gap semiconductor. In the wide gap semiconductor of the first embodiment, impurities are uniformly doped in the entire semiconductor.
ワイドギャップ半導体には、イオン化エネルギーが0.2〜1eVの不純物材料がドープされている。不純物の濃度は1×1018〜5×1021cm−3であることが好ましい。ドープの方法については、周知の方法によるため、詳細な説明は省略する。
ここで、イオン化エネルギーとは、一般には、中性原子あるいは分子から、電子を引き離して陽イオンするのに要するエネルギーのことをいう。半導体では不純物準位から伝導帯または価電子帯へキャリアを励起するのに要するエネルギーのことをいう。すなわち、本実施形態にかかるイオン化エネルギーとは、半導体のイオン化エネルギーを意味する。
The wide gap semiconductor is doped with an impurity material having an ionization energy of 0.2 to 1 eV. The impurity concentration is preferably 1 × 10 18 to 5 × 10 21 cm −3 . The dope method is a well-known method and will not be described in detail.
Here, the ionization energy generally refers to the energy required to cation by separating electrons from neutral atoms or molecules. In a semiconductor, it means energy required to excite carriers from an impurity level to a conduction band or a valence band. That is, the ionization energy according to the present embodiment means the ionization energy of a semiconductor.
ワイドギャップ半導体とは、p型シリコン又はn型シリコン(バンドギャップ1.1eV)よりもバンドギャップが大きな半導体のことをいう。例えば、以下の(1)〜(3)の3種類の半導体を挙げることができる。
(1)II族元素とVI族元素からなるII−VI族化合物半導体
例:ZnTe、ZnSe、ZnS、CdTe、CdSe、CdS
(2)III族元素とV族元素からなるIII−V族化合物半導体
例:GaN、GaP、GaAs、InP
(3)酸化物半導体
例:ZnO、In2O3、SnO2、a−InZnOx、a−InGaZnOx
A wide gap semiconductor refers to a semiconductor having a larger band gap than p-type silicon or n-type silicon (band gap 1.1 eV). For example, the following three types of semiconductors (1) to (3) can be given.
(1) Group II-VI compound semiconductors consisting of Group II elements and Group VI elements: ZnTe, ZnSe, ZnS, CdTe, CdSe, CdS
(2) Group III-V compound semiconductors consisting of Group III elements and Group V elements: GaN, GaP, GaAs, InP
(3) Examples of oxide semiconductors: ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , a-InZnO x , a-InGaZnO x
ワイドギャップ半導体にドープする不純物としては、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応させてイオン化エネルギーが0.2〜1eVの範囲内にあるとよい。この範囲にある不純物をドープするとワイドギャップ半導体に深い準位を作ることができる。不純物としては、例えば、Ni、Co、Fe、Pd、Rh、Ru、Pt、Ir、Os、N、P、As、Sbを挙げることができ、これらの中から1以上を選択して使用する。 As an impurity doped into the wide gap semiconductor, the ionization energy is preferably in the range of 0.2 to 1 eV corresponding to the band gap of the wide gap semiconductor. When an impurity in this range is doped, a deep level can be created in the wide gap semiconductor. Examples of the impurities include Ni, Co, Fe, Pd, Rh, Ru, Pt, Ir, Os, N, P, As, and Sb, and one or more of these are selected and used.
また、イオン化エネルギーが0.2〜1eVとなる組み合わせとしては、次の例をあげることができる。ここでは、「ワイドギャップ半導体−不純物材料」という形で表記する。
例:ZnTe−Ni、ZnSe−Co、ZnS−Ni、CdTe−Ni、CdSe−Fe、CdSe−Co、CdSe−Ni、CdS−Ni、GaP−Ti、GaP−Fe、GaP−Co、GaP−Ni、GaAs−Ti、GaAs−Fe、GaAs−Ni、InP−Ti、InP−Fe、InP−Co、InP−Ni
なお、本発明は、これらの組み合わせ例に限定されるものではなく、例えばこれらの不純物と、上述の酸化物半導体と、を組み合わせることもできる。
Moreover, the following example can be mention | raise | lifted as a combination from which ionization energy will be 0.2-1 eV. Here, it is expressed in the form of “wide gap semiconductor-impurity material”.
Examples: ZnTe-Ni, ZnSe-Co, ZnS-Ni, CdTe-Ni, CdSe-Fe, CdSe-Co, CdSe-Ni, CdS-Ni, GaP-Ti, GaP-Fe, GaP-Co, GaP-Ni, GaAs-Ti, GaAs-Fe, GaAs-Ni, InP-Ti, InP-Fe, InP-Co, InP-Ni
Note that the present invention is not limited to these combination examples, and for example, these impurities and the above-described oxide semiconductor can be combined.
金属層に用いる材料としては、例えば、ITO(インジウム錫酸化物)、Auを挙げることができる。
金属層からワイドギャップ半導体へ正孔を注入する場合は、不純物材料とワイドギャップ半導体との結合エネルギーよりも、金属層の材料の仕事関数の方が小さくなるように、ワイドギャップ半導体、不純物材料、及び金属層の材料の組み合わせを選択する。
これに対して、金属層からワイドギャップ半導体へ電子を注入する場合は、不純物材料とワイドギャップ半導体との結合エネルギーよりも、金属層の材料の仕事関数の方が大きくなるように、ワイドギャップ半導体、不純物材料、及び金属層の材料の組み合わせを選択する。
ここで、結合エネルギー(束縛エネルギー)は、不純物準位のエネルギーを用いて表し、真空準位を基準にとって定義しており、特定準位にある電子を無限遠の静止状態へもたらすために必要なエネルギーを意味する。
Examples of the material used for the metal layer include ITO (indium tin oxide) and Au.
When injecting holes from a metal layer into a wide gap semiconductor, the work function of the metal layer material is smaller than the binding energy between the impurity material and the wide gap semiconductor, so that the wide gap semiconductor, the impurity material, And a combination of materials for the metal layer.
In contrast, when electrons are injected from a metal layer into a wide gap semiconductor, the work function of the metal layer material is larger than the binding energy between the impurity material and the wide gap semiconductor so that the wide gap semiconductor has a larger work function. The combination of the impurity material and the material of the metal layer is selected.
Here, the binding energy (binding energy) is expressed using the energy of the impurity level, and is defined with reference to the vacuum level, which is necessary for bringing electrons at a specific level to a stationary state at infinity. It means energy.
ここで、図1を参照しつつ、ワイドギャップ半導体10と金属層20を接合することによるバンドの変化に関して説明する。参照する図面において、図1は、ワイドギャップ半導体10に不純物の一例としてのNiをドープした場合にワイドギャップ半導体10と金属層20を接合したときのバンドの変化の例を示すものであって、(a)は接合前の状態を、(b)は接合後の状態を、(c)は外部電場を印加した状態を、それぞれ示す概念図である。
Here, with reference to FIG. 1, a description will be given of a band change caused by joining the
図1(a)に示すように、接合前の金属層20のフェルミ準位20fはワイドギャップ半導体10におけるNi準位(不純物準位)10fよりも上にある。すなわち、Ni(不純物)イオンの結合エネルギーEb(ワイドギャップ半導体10のNi準位10fと真空準位VLとのエネルギー差)よりも、金属層20の材料の仕事関数Wf(金属層20のフェルミ準位20fと真空準位VLとのエネルギー差)の方が小さくなっている。
As shown in FIG. 1A, the
図1(b)に示すように、ワイドギャップ半導体10と金属層20を接合すると、ワイドギャップ半導体10のNi準位10fと金属層のフェルミ準位20fが一致するまで、金属層20からワイドギャップ半導体10のNi準位へ電子が移動する。その結果、ワイドギャップ半導体10の伝導帯端10c及び価電子帯端10vのバンドが急峻に曲がる。この状態では、ワイドギャップ半導体10と金属層20との間に定常電流は流れない。
As shown in FIG. 1B, when the
次に、図1(c)に示すように、ワイドギャップ半導体10に陽極、金属層20に陰極を接続してワイドギャップ半導体10と金属層20との間に外部電場を加えると、金属層20のフェルミ準位20fはワイドギャップ半導体10の価電子帯端10vに対して相対的に低下する。これにより、ショットキー接合による障壁の空間距離が短くなるため、トンネル電流(定常電流)として、金属層20側からワイドギャップ半導体10側へ正孔(ホール)が注入される。
Next, as shown in FIG. 1C, when an anode is connected to the
上述の通り、本実施形態に示す電極構造を形成すれば、イオン化エネルギーが十分に小さな不純物(アクセプター)が存在せずp型を作ることが出来ないワイドギャップ半導体10に対して、外部電場を印加することにより、金属層20からワイドギャップ半導体10へ正孔を注入することが可能となる。例えば、ZnO中に正孔を注入することが可能になり、例えばZnOを用いた発光ダイオードを作製できる。
As described above, when the electrode structure shown in the present embodiment is formed, an external electric field is applied to the
なお、図1は、金属層20からワイドギャップ半導体10へ正孔を注入するために、金属層20を、不純物イオンの結合エネルギーEbよりも小さな仕事関数Wfを備える材料で形成した場合について説明するものであるが、本発明の実施形態はかかる構成に限定されない。すなわち、金属層20からワイドギャップ半導体10へ電子を注入するために、
金属層20を、不純物イオンの結合エネルギーEbよりも大きな仕事関数Wfを備える材料で形成することもできる。この場合、図示は省略するが、ワイドギャップ半導体10と金属層20を接合したときのバンド変化は、図1と上下対称のバンド図によって表すことができ、金属層20に負電圧を加えると、バンドは上方に反りあがる。その結果、イオン化エネルギーが十分に小さな不純物(ドナー)が存在せずn型半導体を作ることが出来ないワイドギャップ半導体10に対して、外部電場を印加することにより、金属層20からワイドギャップ半導体10へ電子を注入することが可能となる。
FIG. 1 illustrates a case where the
The
<第2実施形態>
第2実施形態に係る電極構造は、ワイドギャップ半導体10に対して、金属層20との接合面から所定深さの範囲に限定して不純物材料を高濃度にドープした点が、第1実施形態に係る電極構造と異なる。使用するワイドギャップ半導体10、不純物材料、及び金属層20の材料は、第1実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
<Second Embodiment>
The electrode structure according to the second embodiment is that the
不純物材料をドープする深さは、ドープ濃度に対応させて定めることができる。例えば、ワイドギャップ半導体10に対して、金属層20との接合面から100nmの深さの範囲に限定して不純物材料を1×1018〜5×1021cm−3の濃度でドープする。
The depth at which the impurity material is doped can be determined in accordance with the doping concentration. For example, the
第2実施形態において、ワイドギャップ半導体10と金属層20とを接合することによるバンドの変化は、第1実施形態と同様であるので図示は省略する。なお、第1実施形態においては不純物材料をワイドギャップ半導体10全域にドープしているが、ワイドギャップ半導体10全域にドープされた不純物材料はワイドギャップ半導体10内においてキャリア(正孔または電子)を散乱するため、キャリアの移動度を低下させる原因になりうる。これに対して、第2実施形態のように、ワイドギャップ半導体10に対して金属層20との接合面から所定深さの範囲に限定して不純物をドープする場合には、ドープされた不純物材料によりキャリアが散乱されにくくなり、キャリアの移動度を高く保つことができる。このため、半導体素子として、より高い性能を発現することができる。
In the second embodiment, the change in the band caused by joining the
つづいて、本発明の実施例について、図2を参照しつつ説明する。いずれの実施例においても、上述の第1実施形態又は第2実施形態の構成とすることができる。積層方法、ドープ方法は、既知の方法によるためその説明は省略する。これらの構成によれば、金属層20に印加する外部電圧を例えば10Vとし、金属層20の断面積を例えば0.5mm×0.5mmとしたとき、キャリア電流密度1mA/cm2以上を実現することできる。
参照する図面において、図2は本発明の実施例にかかるガラス基板上の素子構造を示す概念図である。図2中に示す数値は、各層の膜厚(例:100nmtは膜厚100nmの意味)である。なお、以下の実施例以外にも、従来は誘電体や磁性体などとしてのみ認識されていた材料を用いて新規な半導体素子を実現することができる。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In any of the examples, the configuration of the first embodiment or the second embodiment described above can be used. Since the laminating method and the doping method are known methods, description thereof is omitted. According to these configurations, when the external voltage applied to the
In the drawings to be referred to, FIG. 2 is a conceptual diagram showing an element structure on a glass substrate according to an embodiment of the present invention. The numerical value shown in FIG. 2 is the film thickness of each layer (example: 100 nmt means film thickness of 100 nm). In addition to the following embodiments, a novel semiconductor element can be realized by using a material that has been conventionally recognized only as a dielectric or a magnetic material.
<実施例1>
ワイドギャップ半導体10としてZnSeを用いた場合の積層型のダイオードの素子構造の例((1)〜(4))を以下に示す。
(1)Al層(陰極30)/n−ZnSe:Cl(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ZnSe(ワイドギャップ半導体10)/ZnSe:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40(図2(a))
(2)Al層(陰極30)/n−ZnSe:Cl,Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1019〜1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40(図2(b))
ここで、Niの代わりにCuを用いると、いわゆるCu−Green、Cu−Redと
呼ばれる可視域発光を期待できる。すなわち、発光素子を実現することができる。
(3)Al層(陰極30)/n−ZnSe:Cl(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ZnSe(ワイドギャップ半導体10、InPナノ結晶含有)/ZnSe:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO(金属層(陽極)20)/ガラス基板40(図2(c))
(4)Al層(陰極30)/n−ZnSe:Cl,Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1019〜1×1020cm−3,InPナノ結晶含有)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40(図2(d))
<Example 1>
Examples of the element structure ((1) to (4)) of the stacked diode when ZnSe is used as the
(1) Al layer (cathode 30) / n-ZnSe: Cl (
(2) Al layer (cathode 30) / n-ZnSe: Cl, Ni (
Here, when Cu is used instead of Ni, visible light emission called so-called Cu-Green and Cu-Red can be expected. That is, a light emitting element can be realized.
(3) Al layer (cathode 30) / n-ZnSe: Cl (
(4) Al layer (cathode 30) / n-ZnSe: Cl, Ni (
<実施例2>
ワイドギャップ半導体10としてZnSを用いた積層型ダイオードの素子構造の例((1)〜(4))を示す。なお、積層構造は実施例1と同様であるため図示は省略する。
(1)Al層(陰極30)/n−ZnS:Al(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ZnS(ワイドギャップ半導体10)/ZnS:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
(2)Al層(陰極30)/n−ZnS:Al,Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1019,1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
ここで、Niの代わりにCuを用いると、いわゆるCu−Blue,Cu−Green、Cu−Redと呼ばれる可視域発光を期待できる。すなわち、発光素子を実現することができる。
(3)Al層(陰極30)/n−ZnS:Al(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ZnS(InPナノ結晶含有)/ZnS:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
(4)Al層(陰極30)/n−ZnS:Al,Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1019〜1×1020cm−3,InPナノ結晶含有)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
<Example 2>
Examples of element structures of stacked diodes using ZnS as the wide gap semiconductor 10 ((1) to (4)) are shown. Since the laminated structure is the same as that of Example 1, the illustration is omitted.
(1) Al layer (cathode 30) / n-ZnS: Al (
(2) Al layer (cathode 30) / n-ZnS: Al, Ni (
Here, when Cu is used instead of Ni, visible light emission called so-called Cu-Blue, Cu-Green, or Cu-Red can be expected. That is, a light emitting element can be realized.
(3) Al layer (cathode 30) / n-ZnS: Al (
(4) Al layer (cathode 30) / n-ZnS: Al, Ni (
<実施例3>
ワイドギャップ半導体10としてZnOを用いた積層型ダイオードの素子構造の例((1)〜(5))を示す。ここでも、積層構造は実施例1と同様であるため図示は省略する。
(1)Al層(陰極30)/n−ZnO(ワイドギャップ半導体10)/ZnO:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
(2)Al層(陰極30)/n−ZnO(ワイドギャップ半導体10)/MgZnO:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
(3)Al層(陰極30)/n−MgZnO(ワイドギャップ半導体10)/MgZnO:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
(4)Al層(陰極30)/n−MgZnO(ワイドギャップ半導体10)/i−MgZnO(ワイドギャップ半導体10、InPナノ結晶含有)/MgZnO:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
(5)Al層(陰極30)/n−MgZnO(ワイドギャップ半導体10)/InPナノ結晶層/MgZnO:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1
020cm−3)/ITO陽極(金属層20)/ガラス基板40
<Example 3>
Examples of element structures of stacked diodes using ZnO as the wide gap semiconductor 10 ((1) to (5)) are shown. Also here, since the laminated structure is the same as that of the first embodiment, the illustration is omitted.
(1) Al layer (cathode 30) / n-ZnO (wide gap semiconductor 10) / ZnO: Ni (
(2) Al layer (cathode 30) / n-ZnO (wide gap semiconductor 10) / MgZnO: Ni (
(3) Al layer (cathode 30) / n-MgZnO (wide gap semiconductor 10) / MgZnO: Ni (
(4) Al layer (cathode 30) / n-MgZnO (wide gap semiconductor 10) / i-MgZnO (
(5) Al layer (cathode 30) / n-MgZnO (wide gap semiconductor 10) / InP nanocrystal layer / MgZnO: Ni (
0 20 cm −3 ) / ITO anode (metal layer 20) /
<実施例4>
単結晶基板上のエピタキシャル膜の構成例としては、以下の(1)〜(3)を挙げることができる。
(1)Au(金属層20)/ZnSe:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ZnSe:Cl(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/n−GaAs単結晶基板
(2)Au(金属層20)/ZnS:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ZnS:In(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/n−GaP単結晶基板
(3)Au(金属層20)/ZnO:Ni(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/ZnO:Ga(ワイドギャップ半導体10、不純物材料のドープ濃度1×1020cm−3)/YSZ単結晶基板
<Example 4>
Examples of the configuration of the epitaxial film on the single crystal substrate include the following (1) to (3).
(1) Au (metal layer 20) / ZnSe: Ni (
<実施例5>
ワイドギャップ半導体10としてZnSeを用いた平面型ダイオードの素子構造の例を図3(a)に示す。
この例では、金属層20の材料としてAuを用い、ZnSeに不純物材料としてNiをドープしている。ドープ濃度は、1×1020cm−3である。
<Example 5>
An example of the element structure of a planar diode using ZnSe as the
In this example, Au is used as the material of the
<実施例6>
ワイドギャップ半導体10としてZnSeを用いたFET(電界効果トランジスタ)の例を図3(b)に示す。
この例では、金属層20の材料としてAuを用い、ZnSeに不純物材料としてNiをドープしている。ドープ濃度は、1×1020cm−3である。なお、ワイドギャップ半導体10は、Si基板上にSiO2膜を介して形成されている。また、Si基板はゲート電極として働く。
<Example 6>
An example of an FET (field effect transistor) using ZnSe as the
In this example, Au is used as the material of the
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be improved or changed within the scope of the purpose of the improvement or the idea of the present invention.
10 ワイドギャップ半導体
10c 伝導帯端
10f Ni準位(不純物準位)
10v 価電子帯端
20 金属層
20f フェルミ準位
Eb 結合エネルギー
Wf 仕事関数
VL 真空準位
10
10v
Claims (7)
不純物イオンの結合エネルギーよりも小さな仕事関数を有し、かつ、前記ワイドギャップ半導体と接合される金属層と、を備え、
外部電場を印加されることにより前記金属層から前記ワイドギャップ半導体へ正孔が注入されることを特徴とする電極構造。 A wide gap semiconductor doped with impurities having an ionization energy of 0.2 to 1 eV;
A metal layer having a work function smaller than the binding energy of impurity ions and bonded to the wide gap semiconductor,
An electrode structure, wherein holes are injected from the metal layer into the wide gap semiconductor by applying an external electric field.
不純物イオンの結合エネルギーよりも大きな仕事関数を有し、かつ、前記ワイドギャップ半導体と接合される金属層と、を備え、
外部電場を印加されることにより前記金属層から前記ワイドギャップ半導体へ電子が注入されることを特徴とする電極構造。 A wide gap semiconductor doped with impurities having an ionization energy of 0.2 to 1 eV;
A metal layer having a work function larger than the binding energy of impurity ions and bonded to the wide gap semiconductor,
An electrode structure wherein electrons are injected from the metal layer into the wide gap semiconductor by applying an external electric field.
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