JP2784093B2 - 半導体装置 - Google Patents
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- NLDMNSXOCDLTTB-UHFFFAOYSA-N Heterophylliin A Natural products O1C2COC(=O)C3=CC(O)=C(O)C(O)=C3C3=C(O)C(O)=C(O)C=C3C(=O)OC2C(OC(=O)C=2C=C(O)C(O)=C(O)C=2)C(O)C1OC(=O)C1=CC(O)=C(O)C(O)=C1 NLDMNSXOCDLTTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】 本発明は、例えば発光ダイオー
ドやレーザダイオード等の半導体装置に関する。
ドやレーザダイオード等の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】 図５は、従来例の半導体装置の模式的
断面図である。III −Ｖ族半導体であるGaAs基板１０
は、例えばExtended Abstract of Conf-erence on Soli
d State Devices and Materials (1990 年）621 〜624
頁に報告されたものを用いる。このGaAs基板１０上に、
ｎ型ZnSSe エピタキシャルクラッド１２層が形成されて
いる。このｎ型ZnSSe エピタキシャルクラッド層１２上
に、ｎ型ZnSSe エピタキシャル層１３およびｎ型ZnSeエ
ピタキシャル層１４が交互に多層に積層されている。こ
のように多層に形成された最上部のｎ型ZnSSe エピタキ
シャル層１３上には、ｐ型ZnSSe エピタキシャルクラッ
ド層１５が形成され、またｐ型ZnSSe エピタキシャルク
ラッド層１５上面およびGaAs基板１０下面には、それぞ
れ抵抗性の金属電極１６、１７が形成されている。
断面図である。III −Ｖ族半導体であるGaAs基板１０
は、例えばExtended Abstract of Conf-erence on Soli
d State Devices and Materials (1990 年）621 〜624
頁に報告されたものを用いる。このGaAs基板１０上に、
ｎ型ZnSSe エピタキシャルクラッド１２層が形成されて
いる。このｎ型ZnSSe エピタキシャルクラッド層１２上
に、ｎ型ZnSSe エピタキシャル層１３およびｎ型ZnSeエ
ピタキシャル層１４が交互に多層に積層されている。こ
のように多層に形成された最上部のｎ型ZnSSe エピタキ
シャル層１３上には、ｐ型ZnSSe エピタキシャルクラッ
ド層１５が形成され、またｐ型ZnSSe エピタキシャルク
ラッド層１５上面およびGaAs基板１０下面には、それぞ
れ抵抗性の金属電極１６、１７が形成されている。
【０００３】以上の構造の半導体装置では、ｎ型ZnSSe
エピタキシャル層１３の禁制帯幅はｎ型ZnSeエピタキシ
ャル層１４の禁制帯幅よりも大きく、伝導帯のエネルギ
差は、約50meV 以下と小さく、価電子帯のエネルギ差は
禁制帯のエネルギ差とほぼ同等である。したがって、Zn
SSe/ZnSeなる多層構造の中に正孔が効率よく閉じ込めら
れ、さらにこの多層構造の中に流入した電子と再結合す
ることにより、青色発光を生じる。
エピタキシャル層１３の禁制帯幅はｎ型ZnSeエピタキシ
ャル層１４の禁制帯幅よりも大きく、伝導帯のエネルギ
差は、約50meV 以下と小さく、価電子帯のエネルギ差は
禁制帯のエネルギ差とほぼ同等である。したがって、Zn
SSe/ZnSeなる多層構造の中に正孔が効率よく閉じ込めら
れ、さらにこの多層構造の中に流入した電子と再結合す
ることにより、青色発光を生じる。
【０００４】また、図６は、他の従来例の半導体装置の
模式的断面図である。III −Ｖ族半導体であるInGaAs基
板１０１は、例えば、Applied Physics Let-ters 誌(19
90 年) 第57巻第23号2413-2415 頁に報告されたものを
用いる。このInGaAs基板１０１上に、ｎ型ZnSeエピタキ
シャルクラッド層２２が形成されている。このｎ型ZnSe
エピタキシャルクラッド層２２上に、ｎ型ZnSeエピタキ
シャル層２３およびｎ型ZnCdSeエピタキシャル層２４が
交互に多層に積層されている。このように多層に形成さ
れた最上部のｎ型ZnSeエピタキシャル層２３上には、ｐ
型ZnSeエピタキシャルクラッド層２５が形成され、また
ｐ型ZnSeエピタキシャルクラッド層２５上面およびInGa
As基板１０１下面には、それぞれ抵抗性の金属電極１
６、１７が形成されている。
模式的断面図である。III −Ｖ族半導体であるInGaAs基
板１０１は、例えば、Applied Physics Let-ters 誌(19
90 年) 第57巻第23号2413-2415 頁に報告されたものを
用いる。このInGaAs基板１０１上に、ｎ型ZnSeエピタキ
シャルクラッド層２２が形成されている。このｎ型ZnSe
エピタキシャルクラッド層２２上に、ｎ型ZnSeエピタキ
シャル層２３およびｎ型ZnCdSeエピタキシャル層２４が
交互に多層に積層されている。このように多層に形成さ
れた最上部のｎ型ZnSeエピタキシャル層２３上には、ｐ
型ZnSeエピタキシャルクラッド層２５が形成され、また
ｐ型ZnSeエピタキシャルクラッド層２５上面およびInGa
As基板１０１下面には、それぞれ抵抗性の金属電極１
６、１７が形成されている。
【０００５】以上の構造の半導体装置では、ｎ型ZnSeエ
ピタキシャル層２３の禁制帯幅はｎ型ZnCdSeエピタキシ
ャル層２４の禁制帯幅よりも大きく、価電子帯のエネル
ギ差は、約50meV 以下と小さく、伝導帯のエネルギ差は
禁制帯のエネルギ差とほぼ同等である。したがって、Zn
Se/ZnCdSe なる多層構造の中に電子が効率よく閉じ込め
られ、さらにこの多層構造の中に流入した正孔と再結合
することにより、緑〜青色発光を生じる。
ピタキシャル層２３の禁制帯幅はｎ型ZnCdSeエピタキシ
ャル層２４の禁制帯幅よりも大きく、価電子帯のエネル
ギ差は、約50meV 以下と小さく、伝導帯のエネルギ差は
禁制帯のエネルギ差とほぼ同等である。したがって、Zn
Se/ZnCdSe なる多層構造の中に電子が効率よく閉じ込め
られ、さらにこの多層構造の中に流入した正孔と再結合
することにより、緑〜青色発光を生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】 ところが、従来技術
では、図５の装置では、多層構造内に正孔を閉じ込める
ことはできるが、伝導帯バンドオフセットが小さいた
め、電子の閉じ込めは不十分である。一方、図６の装置
では、電子を閉じ込めることはできるが、価電子帯バン
ドオフセットが小さいため、正孔の閉じ込めは不十分で
ある。このように、電子または正孔のいずれか一方しか
効率よく多層構造の中に閉じ込めることができないた
め、キャリァの再結合確率が低くなり、その結果発光効
率が低くなるという問題があった。
では、図５の装置では、多層構造内に正孔を閉じ込める
ことはできるが、伝導帯バンドオフセットが小さいた
め、電子の閉じ込めは不十分である。一方、図６の装置
では、電子を閉じ込めることはできるが、価電子帯バン
ドオフセットが小さいため、正孔の閉じ込めは不十分で
ある。このように、電子または正孔のいずれか一方しか
効率よく多層構造の中に閉じ込めることができないた
め、キャリァの再結合確率が低くなり、その結果発光効
率が低くなるという問題があった。
【０００７】キャリァの再結合確率を高くすることによ
り、発光効率を増すには、電子および正孔の両方共、効
率よく多層構造内に閉じ込める構造、すなわち伝導帯お
よび価電子帯に充分なバンドオフセットをもつ構造が望
ましい。
り、発光効率を増すには、電子および正孔の両方共、効
率よく多層構造内に閉じ込める構造、すなわち伝導帯お
よび価電子帯に充分なバンドオフセットをもつ構造が望
ましい。
【０００８】本発明は、以上の問題点を鑑み、電子およ
び正孔を、共に効率よく閉じ込める構造を有し、発光効
率の高い半導体装置を提供することをその目的とする。
び正孔を、共に効率よく閉じ込める構造を有し、発光効
率の高い半導体装置を提供することをその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】 本発明の半導体装置
は、 III−Ｖ族もしくは II −ＶI 族化合物よりなる単
結晶基板上に、Zn1-x CdX S y Se1-y 層が形成され、そ
のZn1-x CdX S y Se1-y 層上にZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1層
が形成され、かつそのZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1層上にZnS
y2 Se1-y2 層が形成されているとともに、Zn1-x Cdx S
y Se1-y およびZnS y2 Se1-y2 は基板とほぼ同一の格子
定数を有し、かつZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1は基板とは異な
る格子定数を有することを特徴としている。
は、 III−Ｖ族もしくは II −ＶI 族化合物よりなる単
結晶基板上に、Zn1-x CdX S y Se1-y 層が形成され、そ
のZn1-x CdX S y Se1-y 層上にZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1層
が形成され、かつそのZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1層上にZnS
y2 Se1-y2 層が形成されているとともに、Zn1-x Cdx S
y Se1-y およびZnS y2 Se1-y2 は基板とほぼ同一の格子
定数を有し、かつZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1は基板とは異な
る格子定数を有することを特徴としている。
【００１０】
【作用】 図２はZnSe,ZnS,CdSe,CdS とからなるZnCdSS
e 系混晶半導体の等禁制帯幅および等格子定数線を示す
図である。なお、等禁制帯幅は実線で表し、その禁制帯
幅エネルギは eV で表した図中の数字である。また、等
格子定数線は破線で表し、GaP,GaAs,InPの各単結晶と格
子定数が一致する組成を示す。例えばGaAsの等格子定数
線に着目すると、この線より左上の組成では、GaAsより
格子定数が小さく、右下の組成では格子定数が大きい。
したがって、の層およびの層の２種の異なる組成Zn
1-x1Cdx1S y1Se1-y1および Zn1-x2Cd x2S y2Se1-y2を持
つZnCdSSe 混晶半導体は、の層はGaAs基板上では引っ
張り応力を受け、一方の層は圧縮応力を受けて、全体
としてはこれらの応力は相殺され、全体には大きな応力
はかからない。また、の層のCd組成がの層より小さ
く、また、の層のS 組成がの層より大きくなるよう
に選ぶ。すなわちｘ1 ＜ｘ2 およびｙ1 ＞ｙ2 なる関係
を満たすようにする。この関係を満たせば、図２に示し
た、の組成のZnCdSSe を多層に積層したときのバン
ド図、すなわち図３に示すように、Zn1-x1Cdx1S y1Se
1-y1層の伝導帯のバンドエネルギはZn1-x2Cd x2S y2Se
1-y2 層の伝導帯のバンドエネルギより上に位置し、ま
たその価電子帯のエネルギは下に位置する。すなわち、
この構造では伝導帯および価電子帯は共に大きなバンド
の不連続帯をもつため、電子および正孔をともに層間に
閉じ込めることができる。
e 系混晶半導体の等禁制帯幅および等格子定数線を示す
図である。なお、等禁制帯幅は実線で表し、その禁制帯
幅エネルギは eV で表した図中の数字である。また、等
格子定数線は破線で表し、GaP,GaAs,InPの各単結晶と格
子定数が一致する組成を示す。例えばGaAsの等格子定数
線に着目すると、この線より左上の組成では、GaAsより
格子定数が小さく、右下の組成では格子定数が大きい。
したがって、の層およびの層の２種の異なる組成Zn
1-x1Cdx1S y1Se1-y1および Zn1-x2Cd x2S y2Se1-y2を持
つZnCdSSe 混晶半導体は、の層はGaAs基板上では引っ
張り応力を受け、一方の層は圧縮応力を受けて、全体
としてはこれらの応力は相殺され、全体には大きな応力
はかからない。また、の層のCd組成がの層より小さ
く、また、の層のS 組成がの層より大きくなるよう
に選ぶ。すなわちｘ1 ＜ｘ2 およびｙ1 ＞ｙ2 なる関係
を満たすようにする。この関係を満たせば、図２に示し
た、の組成のZnCdSSe を多層に積層したときのバン
ド図、すなわち図３に示すように、Zn1-x1Cdx1S y1Se
1-y1層の伝導帯のバンドエネルギはZn1-x2Cd x2S y2Se
1-y2 層の伝導帯のバンドエネルギより上に位置し、ま
たその価電子帯のエネルギは下に位置する。すなわち、
この構造では伝導帯および価電子帯は共に大きなバンド
の不連続帯をもつため、電子および正孔をともに層間に
閉じ込めることができる。
【００１１】また、GaAs基板上に積層し、GaAs基板とほ
ぼ同一の格子定数をもつ図２に示すの組成のZn1-x Cd
x S y Se1-y 層と、の組成のZnS y2Se1-y2層の間にこ
れらとは格子定数が異なり、禁制帯幅の小さいの組成
のZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1を挟んだ積層構造を構成すれ
ば、図４に示すバンド構造をとり、Zn1-x1Cdx1S y1Se
1-y1層の中に電子および正孔を共に閉じ込めることが可
能となる。この場合、ｘ＜ｘ1 およびｙ＞ｙ1 なる関係
を満たせば、ととの間での伝導帯バンドオフセッ
ト、およびととの間の価電子バンドオフセットが大
きくとれる。なお、そのような組成の組合せによりの
層にかかる歪みが大きくなる場合、ｘ＝ｘ1 ，ｙ＝ｙ1
とすることによりの層にかかる歪みを防ぎ、とと
の間の価電子バンドオフセットをある程度大きくとれ
る。
ぼ同一の格子定数をもつ図２に示すの組成のZn1-x Cd
x S y Se1-y 層と、の組成のZnS y2Se1-y2層の間にこ
れらとは格子定数が異なり、禁制帯幅の小さいの組成
のZn1-x1Cdx1S y1Se1-y1を挟んだ積層構造を構成すれ
ば、図４に示すバンド構造をとり、Zn1-x1Cdx1S y1Se
1-y1層の中に電子および正孔を共に閉じ込めることが可
能となる。この場合、ｘ＜ｘ1 およびｙ＞ｙ1 なる関係
を満たせば、ととの間での伝導帯バンドオフセッ
ト、およびととの間の価電子バンドオフセットが大
きくとれる。なお、そのような組成の組合せによりの
層にかかる歪みが大きくなる場合、ｘ＝ｘ1 ，ｙ＝ｙ1
とすることによりの層にかかる歪みを防ぎ、とと
の間の価電子バンドオフセットをある程度大きくとれ
る。
【００１２】
【実施例】 図１は本発明実施例の模式断面図である。
この実施例はZnCdSSe/ZnCdSSe/ZnSSe 構造を用いた実施
例である。すなわち、ｎ型GaAs基板１上に、ｎ型ZnSeバ
ッファ層２が、さらにその上にはｎ型Zn0.88Cd0.12S
0.25Se0.75 クラッド層３ｂが形成されている。このｎ
型Zn0.88Cd0.12S0.25Se0.75 クラッド層３ｂ上には、ｎ
型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層４ｃが、さらにその
上にはｐ型ZnS0.08Se0.92 クラッド層５ｃが形成されて
いる。また、最上部に積層されたｐ型ZnS0.08Se0.92 ク
ラッド層５ｃ上面およびｎ型GaAs基板１下面にはそれぞ
れ抵抗性金属電極７、８が形成されている。
この実施例はZnCdSSe/ZnCdSSe/ZnSSe 構造を用いた実施
例である。すなわち、ｎ型GaAs基板１上に、ｎ型ZnSeバ
ッファ層２が、さらにその上にはｎ型Zn0.88Cd0.12S
0.25Se0.75 クラッド層３ｂが形成されている。このｎ
型Zn0.88Cd0.12S0.25Se0.75 クラッド層３ｂ上には、ｎ
型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層４ｃが、さらにその
上にはｐ型ZnS0.08Se0.92 クラッド層５ｃが形成されて
いる。また、最上部に積層されたｐ型ZnS0.08Se0.92 ク
ラッド層５ｃ上面およびｎ型GaAs基板１下面にはそれぞ
れ抵抗性金属電極７、８が形成されている。
【００１３】以上の構成を有するこの実施例では、抵抗
性金属電極７に正電圧を、抵抗性金属電極８に負電圧を
印加することにより電流を流すと、ｎ型Zn0.88Cd0.12S
0.25Se0.75 クラッド層３ｂからｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08
Se0.92 活性層４ｃに流入した電子は、ｎ型Zn0.88Cd
0.12S0.08Se0.92 活性層４ｃに比べｐ型ZnS0.08Se0.92
クラッド層５ｃの伝導帯のエネルギが高いことから、こ
のｐ型ZnS0.08Se0.92 クラッド層５ｃ内に容易に流入す
ることができず、ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層
４ｃ内に滞在する。一方、ｐ型ZnS0.08Se0.92 クラッド
層５ｃからｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層４ｃに
流入した正孔は、ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層
４ｃに比べｎ型Zn0.88Cd0.12S0.25Se0.75 クラッド層３
ｂの価電子帯のエネルギが高いことから、このｎ型Zn
0.88Cd0.12S0.25Se0.75 クラッド層３ｂ内に容易に流入
することができず、ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性
層４ｃ内に滞在する。すなわち、ｎ型Zn0.88Cd0.12S
0.08Se0.92 活性層４ｃ内には電子および正孔がともに
滞在し、ここで電子および正孔が効率よく再結合し、こ
の活性層４ｃのバンドギャップ2.55eVに対応する青緑色
で発光する。
性金属電極７に正電圧を、抵抗性金属電極８に負電圧を
印加することにより電流を流すと、ｎ型Zn0.88Cd0.12S
0.25Se0.75 クラッド層３ｂからｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08
Se0.92 活性層４ｃに流入した電子は、ｎ型Zn0.88Cd
0.12S0.08Se0.92 活性層４ｃに比べｐ型ZnS0.08Se0.92
クラッド層５ｃの伝導帯のエネルギが高いことから、こ
のｐ型ZnS0.08Se0.92 クラッド層５ｃ内に容易に流入す
ることができず、ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層
４ｃ内に滞在する。一方、ｐ型ZnS0.08Se0.92 クラッド
層５ｃからｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層４ｃに
流入した正孔は、ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層
４ｃに比べｎ型Zn0.88Cd0.12S0.25Se0.75 クラッド層３
ｂの価電子帯のエネルギが高いことから、このｎ型Zn
0.88Cd0.12S0.25Se0.75 クラッド層３ｂ内に容易に流入
することができず、ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性
層４ｃ内に滞在する。すなわち、ｎ型Zn0.88Cd0.12S
0.08Se0.92 活性層４ｃ内には電子および正孔がともに
滞在し、ここで電子および正孔が効率よく再結合し、こ
の活性層４ｃのバンドギャップ2.55eVに対応する青緑色
で発光する。
【００１４】
【発明の効果】 以上述べたように、本発明によれば伝
導帯および価電子帯を、充分なバンドオフセットを有す
る構造としたから、電子および正孔を共に効率よく活性
層内に閉じ込めることができる。この結果、電子と正孔
の再結合確率が高くなり、したがって発光効率の高い緑
から青色の発光およびレーザ発振をえることができ、と
くに、発光ダイオードおよびレーザダイオード等の半導
体装置の品質向上に寄与するところが大きい。
導帯および価電子帯を、充分なバンドオフセットを有す
る構造としたから、電子および正孔を共に効率よく活性
層内に閉じ込めることができる。この結果、電子と正孔
の再結合確率が高くなり、したがって発光効率の高い緑
から青色の発光およびレーザ発振をえることができ、と
くに、発光ダイオードおよびレーザダイオード等の半導
体装置の品質向上に寄与するところが大きい。
【図１】 本発明実施例でZnSSe/ZnCdSSe/ZnCdSSe 多層
構造の模式断面図
構造の模式断面図
【図２】 本発明実施例の作用説明図でZnCdSSer混晶半
導体における系混晶半導体の等禁制帯幅および等格子定
数線を示す図
導体における系混晶半導体の等禁制帯幅および等格子定
数線を示す図
【図３】 本発明実施例の作用説明図で図２に示すお
よびの組成を積層した場合のバンド図
よびの組成を積層した場合のバンド図
【図４】 本発明実施例の作用説明図で図２に示す、
およびの組成を積層した場合のバンド図
およびの組成を積層した場合のバンド図
【図５】 従来例でZnSe/ZnSSe多層構造の模式断面図
【図６】 他の従来例でZnCdSe/ZnSe 多層構造の模式断
面図
面図
１・・・・GaAs基板 ２・・・・ZnSeバッファ層 ３ｂ・・・・ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.25Se0.75 クラッド層 ４ｃ・・・・ｎ型Zn0.88Cd0.12S0.08Se0.92 活性層 ５ｃ・・・・ｐ型ZnS0.08Se0.92 クラッド層 ７，８・・・・抵抗性金属電極
Claims (1)
- 【請求項１】 III−Ｖ族もしくは II −ＶI 族化合物
よりなる単結晶基板上に、Zn 1-x Cd X S y Se 1-y 層が形
成され、そのZn 1-x Cd X S y Se 1-y 層上にZn 1-x1 Cd x1 S
y1 Se 1-y1 層が形成され、かつそのZn 1-x1 Cd x1 S y1 Se 1-y1
層上にZnS y2 Se 1-y2 層が形成されているとともに、上記
Zn 1-x Cd x S y Se 1-y およびZnS y2 Se 1-y2 は上記基板と
ほぼ同一の格子定数を有し、かつ、上記Zn 1-x1 Cd x1 S y1
Se 1-y1 は上記基板とは異なる格子定数を有することを特
徴とする半導体装置。
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