JP2676967B2 - ヘテロ接合素子及びその製造方法 - Google Patents

ヘテロ接合素子及びその製造方法

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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、ヘテロ構造を有する電子素子もしくは光素
子に関するものである。
従来の技術 ヘテロ構造を有する電子素子もしくは光素子が盛んに
研究されている。これらは、レーザやヘテロバイポーラ
トランジスタ等に代表されるヘテロ構造の電気的接合を
利用した素子の場合と、SOI構造に代表される成長層を
単独で利用する場合とに分類することができる。
前者の場合、キャリヤのトラップや、非発光中心とな
る格子欠陥をできるだけ少なくおさえる必要があること
から、従来、同一結晶構造を有する、しかも混晶化等に
より格子定数をそろえた層の間でヘテロ接合を形成し、
それを実現してきた。
一方近年、CaF2等を絶縁層としたGaAs系MIS型高速ト
ランジスタや、CaS等を障壁層に、ZnS等を井戸層にした
短波長電界発光素子などの開発が行われてきている。
発明が解決しようとする課題 上記のMIS型高速トランジスタや、短波長電界発光素
子などの場合、CaF2やCaS等は、絶縁層として、また障
壁層として必要なバンドギャップを有し、かつそれぞれ
下地のGaAs、ZnSなどの上にエピタキシャル成長しうる
という条件を満たしていることから採用されている。し
かし、これらのヘテロ構造を形成する両層の結晶構造は
異なっている。即ち、下地のGaAs、ZnSは閃亜鉛鉱型構
造であるのに対して、CaF2は蛍石型構造をとり、CaSは
岩塩型構造をとる。また、格子定数は、それぞれ3.4
%、5.0%異なる。また、配位数も、前者が共有結合性
の4配位であるのに対して、後者はイオン結合性が強
く、CaF2ではCa2+が立方体8配位、F-が正四面体4配位
をとり、CaSでは正八面体6配位をとる。
これらのヘテロ接合素子では、従来、配位のしかたが
異なる、また格子定数が異なることが原因で、界面もし
くはその近傍に多数の未結合手が形成されていた。これ
は、キャリヤのトラップや、非発光中心として働き、電
子素子の動作速度を律速したり、発光素子の発光効率を
下げるという問題点があった。
課題を解決するための手段 配位数もしくは格子定数の異なる結晶構造の材料間の
ヘテロ接合界面を有する多層膜およびそれにより構成さ
れる電子素子もしくは光素子において、少なくともその
界面近傍に生ずる未結合手に水素を結合させたヘテロ接
合薄膜もしくはヘテロ接合素子を形成する。
その製造方法としては、ヘテロ接合を構成する際、少
なくとも後から積層する層を成長させる時点で、水素を
含む雰囲気中でヘテロエピタキシャル成長させるか、も
しくは界面に水素を拡散もしくは注入することにより、
界面近傍の未結合手にその水素を結合させる。
作用 界面もしくはその近傍に形成されていた未結合手に水
素原子が結合することにより、それらは、キャリヤのト
ラップや、非発光中心などの界面準位の作用を失う。そ
の結果、上記のような異なる結晶構造の材料間のヘテロ
接合界面を有する電子素子もしくは光素子において、従
来よりも大幅に電子素子の動作速度を速め、発光素子の
発光効率を高める。
実施例 まず、本発明のヘテロ接合薄膜の一実施例として、そ
れを短波長電界発生素子のヘテロ界面に応用した例を示
す。第1図に、上記短波長電界発光素子の素子構造を示
す。低抵抗GaAsの基板1上に、厚さ50nmのCaSから成る
障壁層2を、分子ビームエピタキシャル成長法により、
エピタキシャル成長させた。更にその上に、厚さ、20nm
のZnSからなる井戸層3を同様にエピタキシャル成長さ
せた。同様にして、その上にCaSから成る障壁層とZnSか
らなる井戸層を交互に順次エピタキシャル成長させ、合
計10周期、層厚700nmの複合発光体層4を形成した。そ
の上に、酸素雰囲気中スパッタ法によりBaTa2C6よりな
る厚さ200nmの誘電体層5を形成した。最後に厚さ200nm
のITOからなる透明電極6を電子ビーム蒸着法により形
成し、電界発光素子を完成した。
分子ビームエピタキシャル成長法によって複合発光体
層4を形成するにあって、本発明では硫化水素雰囲気中
での反応性蒸着をおこなった。
清浄化したGaAs基板上に、基板温度500℃程度で、10
-5〜10-4Torr程度の硫化水素もしくはそれをクラッキン
グした硫黄分子と水素分子の雰囲気中、Kセルから金属
Caを反応性蒸着させた。その結果、基板上で硫化水素中
のSとCaが反応して、CaS膜がエピタキシャル成長し
た。所定の膜厚になるまで堆積した後、金属CaのKセル
のシャッターを閉じ、今度は、同じ硫化水素雰囲気中
で、ZnSを蒸着源として他のKセルから飛ばした。CaS同
様に、ZnとSが反応してCaS膜上にZnSエピタキシャル膜
を得た。これを繰り返して、CaSから成る障壁層とZnSか
らなる井戸層を交互に順次エピタキシャル成長させ、複
合発光体層4を完成した。
上記複合発光体層4に、波長325nmのHe−Cdレーザ光
を照射したところ、硫化水素雰囲気を用いず、障壁層に
はEB蒸着源からCaSを、井戸層にはKセルからZnSをそれ
ぞれ蒸発させ堆積させて得た従来の複合発光体層に比べ
て、1〜10倍強いフォトルミネッセンスを観測した。
これは、本実施例の要点である水素雰囲気中でのエピ
タキシャル成長により、界面近傍の未結合手に水素が結
合したことによる効果である。即ち、障壁層のCaSは岩
塩型構造であるのに対して、井戸の層のZnSは配位数の
異なる閃亜鉛鉱型結晶構造をとる。従って、前述のよう
に、ヘテロ界面には多数の未結合手が形成されてしま
う。また、これらの材料の間には5.0%の格子不整合が
ある。従って、不整合に伴う歪を緩和しようと、ZnS膜
内の界面近傍には不整合転位が約1011/cm2も導入され
る。従って、水素を結合させない従来のヘテロ接合薄膜
により構成される複合発光体層では、これらは非発光中
心として働くため、フォトルミネッセンス強度は低かっ
たが、本実施例で示した製造方法により作成したヘテロ
接合薄膜により構成される複合発光体層では、これらは
水素によって有効にターミネイトされ、もはや非発光中
心としては働かない。その結果、フォトルミネッセンス
強度が大幅に向上した。
本実施例に示した電界発光素子は、パルス幅30μse
c、1kHz、150Vの交流電圧を基板1と透明電極6との間
に印加することによって、強い紫外もしくは青色の光を
発した。その発光効率は、界面近傍に生ずる未結合手に
水素を結合させていない従来の電界発光素子に比べて、
2〜10倍と大幅に向上した。
本実施例では、障壁層のCaS及び井戸層のZnSの構成元
素であるS自身の水素化物である硫化水素をターミネイ
ターの原材料として用いたが、障壁層、井戸層の構成材
料を、例えばそれぞれCaS,ZnSの状態の原材料をKセル
から蒸発させて供給し、ターミネターとして作用する水
素を端に水素ガスとして供給してやった場合にも、同様
の効果が現れた。
本実施例では、井戸層3にはZnSを用いたが、CdSもし
くはZnSe等の二元化合物を用いてもよい。またZnSは、
障壁層2のCaSとも、GaAs基板1とも格子整合していな
い。これは、必要に応じて基板1もしくは障壁層2と格
子整合するように混晶化してやってもよい。これは、例
えば、ZnCもしくは、GaAs基板1の格子整合する混晶比
のZnCdS,ZnSSe等を使用することにより可能である。ま
た障壁層2についても、必要に応じてGaAs基板1もしく
は井戸層3の材料と格子整合するようにCaMgS等の混晶
を用いてもよい。いずれの場合においても、単なる水素
ガスもしくは原材料の水素化物を用いた水素雰囲気中
で、界面近傍の未結合手を水素原子でターミネイトする
本発明の方法は有効な作用を発揮した。また、本実施例
で示した障壁層2、井戸層3、誘電体層5、透明電極6
等の層厚や、積層周期数、その他の製膜条件は代表的な
値であって、これらの値が異なる場合でも、本発明は有
効に作用する。
次に、水素雰囲気として、例えば電子サイクロトロン
共鳴法等により生成した、低運動エネルギーの水素プラ
ズマを作用させる例を、次の実施例として挙げる。電子
をサイクロトロン共鳴加速させ、少なくとも水素ガスを
電離しプラズマ化するECRプラズマ供給室を設け、それ
に前記水素ガスもしくは水素化物もしくは水素化物をク
ラッキングしたガスを導入し、低運動エネルギーの水素
プラズマを生成した。これを成長中の表面に供給したと
ころ、できあがった複合発光体層のフォトルミネッセン
ス強度は、水素をプラズマ化しない第一実施例に比べて
さらに強くなった。これは、前者に比べて後者では、水
素原子が活性な状態で表面に供給されたため、より確実
に膜内の未結合手にターミネイトしたことによると考え
られる。
次の実施例は、上記の実施例のように製膜中に水素原
子を膜内に作用させるのではなく、まず、水素雰囲気の
無い状態で複合発光体層を形成し、その後、これを水素
雰囲気中で熱処理し、膜内のヘテロ界面近傍の未結合手
にターミネイトさせるべく水素を拡散させる方法であ
る。製膜後、基板温度300〜600℃で、水素雰囲気中で熱
処理を行ったところ、上記実施例同様の効果が観測され
た。これは、明らかに表面から内部に水素原子が拡散し
て、界面近傍の未結合手に結合したことによる効果と考
えられる。
また、他の実施例として、同じく製膜後に低エネルギ
ーのプロトンを表面に照射し、その後熱処理をおこなっ
た例を挙げる。加速電圧100〜500eVで、プロトン源から
プロトンを膜表面に1010〜1017個/cm2照射し、その後30
0℃で熱処理したところフォトルミネッセンス強度の大
幅な向上が観測された。
以上、障壁層と井戸層より構成される複合発光体薄膜
を用いた短波長発光素子を例にとって、本発明の実施例
を述べたが、これは、前述の絶縁層としてCaF2を用いた
GaAs系MIS型高速トランジスタ等の場合にも同様の効果
を有する。本発明により、これらの電子素子において
も、キャリアのトラップ準位が除去され、動作速度を高
めることができた。
発明の効果 本発明により、配位数もしくは格子定数の異なる結晶
構造を有する材料間のヘテロ構造の電気的接合を利用し
た電子素子の動作速度が高まり、また同じくそれを利用
した光素子の発光効率が向上する。これは、従来、同一
結晶構造、同一格子定数の結晶同志の間でしか実現する
ことのできなかった上記の電子もしくは光素子が、配位
数や格子定数の異なる結晶構造を有する材料間の組合せ
によっても可能となることを意味する。これによって、
ヘテロ接合素子設計の自由度が大幅に高まり、新たな機
能素子が出現する可能性が現れた。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例を採用した電界発光素子の
断面図である。 1……基板、2……障壁層、3……井戸層、4……複合
発光体層、5……誘電体層、6……透明電極。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】配位数の異なる結晶構造の材料間のヘテロ
    接合界面を有する電子素子もしくは光素子において、少
    なくともその界面に生ずる未結合手に水素を結合させた
    ことを特徴とするヘテロ接合素子。
  2. 【請求項2】ヘテロ接合界面が多層膜において形成され
    ていることを特徴とする請求項1に記載のヘテロ接合素
    子。
  3. 【請求項3】多層膜がダイヤモンド型もしくは閃亜鉛鉱
    型結晶構造をとる材料と、岩塩型結晶構造をとる材料の
    間のヘテロ接合界面を有することを特徴とする請求項1
    に記載のヘテロ接合素子。
  4. 【請求項4】多層膜がダイヤモンド型もしくは閃亜鉛鉱
    型結晶構造をとる材料と、蛍石型結晶構造をとる材料の
    間のヘテロ接合界面を有することを特徴とする請求項1
    に記載のヘテロ接合素子。
  5. 【請求項5】請求項1に記載のヘテロ接合素子を製造す
    る方法であって、ヘテロ接合を構成する際、少なくとも
    後から積層する層を成長させる時点で、水素を含む雰囲
    気中でヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とす
    るヘテロ接合素子の製造方法。
  6. 【請求項6】ヘテロ接合を構成する際、少なくとも後か
    ら積層する層の原材料として、その構成元素の水素化物
    を用いることを特徴とする請求項5に記載のヘテロ接合
    素子の製造方法。
  7. 【請求項7】請求項1に記載のヘテロ接合素子を製造す
    る方法であって、配位もしくは格子定数の異なる結晶構
    造の材料間のヘテロ接合界面を有する多層膜において、
    その界面に水素を拡散もしくは注入することにより、界
    面近傍の未結合手にその水素を結合させることを特徴と
    するヘテロ接合素子の製造方法。
  8. 【請求項8】水素を低エネルギーのプラズマ状態で供給
    することを特徴とする請求項5または7に記載のヘテロ
    接合素子の製造方法。
  9. 【請求項9】水素を2keV以下の運動エネルギーのプロト
    ン状態で供給することを特徴とする請求項7に記載のヘ
    テロ接合素子の製造方法。
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