JP3270476B2 - オーミックコンタクト及びｉｉ−ｖｉ族化合物半導体素子並びにこれらの製造方法 - Google Patents

オーミックコンタクト及びｉｉ−ｖｉ族化合物半導体素子並びにこれらの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は半導体デバイスに関し、特にII−VI族半導体
材料で形成された半導体デバイスに関する。
背景技術 II−VI族半導体材料のマイクロエレクトロニクスへの
応用は広範囲に研究されてきている。特に、広いバンド
ギャップを持つII−VI族半導体であるセレン化亜鉛（Zn
Se）、およびセレン化亜鉛カドミウム（ZnCdSe）および
セレン化亜鉛硫黄（ZnSSe）のようなそれと関連アロイ
は、可視スペクトルの青から緑領域に有効なオプトエレ
クトロニクスデバイスとして広く研究されている。当業
者によく知られているように、同等のほぼ格子整合した
III−Ｖ族または単元半導体（elemental semiconducto
r）材料と比較してこれらのII−VI族半導体デバイスの
広いバンドギャップは、バンドギャップの広いII−VI族
半導体を青から緑のオプトエレクトロニクスデバイスの
有力な候補者としている。現在、全色エレクトロルミネ
ッセンスディスプレイ、磁気および光学媒体への高密度
の情報記憶のための書き込み−読み出しレーザ光源、海
中の光通信のための光源およびその他の応用を含む多く
の応用のために青から緑のオプトエレクトロニック光源
が捜し求められている。
セレン化亜鉛および他の関連II−VI族半導体材料のｐ
形およびｎ形にドープされた双方の層を成長させ得るよ
うに分子線ビームエピタキシーおよび他の製造方法が最
近開発されてきた。例えば、レン（Ren）等による発
表、「サブスチテューショナル ドーピング オブ Zn
Se フィルムズ」；ジャーナル オブ クリスタル グ
ロース（“Substitutional Doping of ZnSe Films";Jou
rnal of Crystal Growth,Vol.111,pp.772−775,1991）
を参照せよ。セレン化水銀（HgSe）を使用してｎ形のセ
レン化亜鉛にショットキーコンタクトを作ることもまた
長い間知られている。ベスト（Best）等による発表、
「HgSe,ア ハイリー エレクトロネガティブ ステイ
ブル メタリック コンタクト フォア セミコンダク
ター デバイセズ」；アプライド フィジックス レタ
ーズ（“HgSe,a Highly Electronegative Stable Metal
lic Contact for Semiconductor Devices";Applied Phy
sics Letters,Vol.29,No.7,pp.433−434,1976;スクラン
トン（Scranton）等による「ハイリー エレクトロネガ
ティブ コンタクツ ツー コンパウンド セミコンダ
クターズ」；ジャーナル オブ バキューム サイエン
ス アンド テクノロジー（“Highly Electronegative
Contacts to Compound Semiconductors";Journal of V
acuum Science and Technology,Vol.14,No.4,pp.930−9
34,1977;およびベスト（Best）等による「ラチス−マッ
チド ヘテロストラクチャーズ アズ ショットキ バ
リアーズ:HgSe/CdSe」；ジャーナル オブ バキューム
サイエンス アンド テクノロジー（“Lattice−Mat
ched Heterostructures as Schottky Barriers:HgSe/Cd
Se";Journal of Vacuum Science and Technology,Vol.1
6,No.5,pp.1130−1133,1979）を参照せよ。
これらおよびその他の開発の結果、最近少なくとも四
つの研究グループがII−VI族半導体からの青および／ま
たは緑の発光ダイオードおよび／またはレーザダイオー
ドの製造を開示している。
最初のグループはノースカロライナ州立大学（NCSU）
の研究者からなりかつ本発明者を含んでいる。ZnSeおよ
びそのアロイを基礎にした青および緑の発光ダイオード
がレン（Ren）等による「ZnSe ライト−エミッティン
グ ダイオード」；アプライド フィジックス レター
ズ（“ZnSe Light−Emitting Diodes";Applied Physics
Letters,Vol.57,No.18,pp.1901−1903,October,1990）
およびレン（Ren）等による「ブルー（ZnSe）アンド
グリーン（ZnSe0.9Te0.1）ライト エミッティング ダ
イオーズ」；ジャーナル オブ クリスタル グロース
（“Blue（ZnSe）and Green（ZnSe0.9Te0.1）Light Emi
tting Diodes";Journal of Crystal Growth,Vol.111,p
p.829−832,1991）記述されている。
ブラウン大学およびパーデュー大学の研究者からなる
第２のグループもまたセレン化亜鉛を基礎にしたレーザ
ダイオードおよび発光ダイオードを、ジェオン（Jeon）
等による「ブルー−グリーン インジェクション レー
ザ ダイオーズ イン（Zn,Cd）Se/ZnSe クァンタム
ウェルズ」；アプライド フィジックス レターズ
（“Blue−Green injection Laser diodes in（Zn,Cd）
Se/ZnSe Quantum Wells";Applied Physics Letters,Vo
l.59,No.27,pp.3619−3621,December,1991）；シー（Xi
e）等による「ブルー／グリーン pn ジャンクション
エレクトロルミネッセンス フロム ZnSe−ベースト
マルチプル クァンタム ウェル ストラクチャ
ズ」；アプライド フィジックス レターズ（“Blue/G
reen pn Junction Electroluminescence from ZnSe−ba
sed Multiple Quantum Well Structures";Applied Phys
ics Letters,Vol.60,No.4,pp.463−465,January,199
2）；ジェオン（Jeon）等による「ZnSe ベースト マ
ルチレイヤ pn ジャンクションズ アズ エフィシェ
ント ライト エミッティング ダイオーズ フォア
ディスプレイ アプリケーションズ」；アプライド フ
ィジックス レターズ（“ZnSe Based Mutilayer pn Ju
nctions as Efficient Light Emitting Diodes for Dis
play Applications";Applied Physics Letters,Vol.60,
No.7,pp.892−894,February,1992）；ジェオン（Jeon）
等による「ブルー アンド グリーン ダイオード レ
ーザズ イン ZnSe−ベースト クァンタム ウェル
ズ」；アプライド フィジックス レターズ（“Blue a
nd Green Diode Lasers in ZnSe−Based Quantum Well
s";Applied Physics Letters,Vol.60,No.17,April,199
2）；およびシー（Xie）等による「ルーム テンペラチ
ャー ブルー ライト エミッティング Ｐ−Ｎ ダイ
オーズ フロム Zn（S,Se）−ベースト マルチプル
クァンタム ウェル ストラクチャズ」；アプライド
フィジックス レターズ（“Room Temperature Blue Li
ght Emitting P−N Diodes from Zn（S,Se）−Based Mu
ltiple Quantum Well Structures";Applied Physics Le
tters,Vol.60,No.16,April,1992,pp.1999−2001）に記
述している。
3Mカンパニーの研究者からなる第３のグループは、セ
レン化亜鉛系レーザダイオードをハーセ（Haase）等に
よる論文「ブルー−グリーン レーザ ダイオーズ」；
アプライド フィジックス レターズ（“Blue−Green
Laser Diodes";Applied Physics Letters,Vol.59,No.1
1,pp.1272−1274,September,1991）に記述している。フ
ロリダおよびベルコア大学の研究者からなる第４のグル
ープは、発光ダイオードの製造およびセレン化亜鉛を用
いた発光ダイオードについてパーク（Park）等による論
文「ノンコンタクト エレクトリカル キャラクテリゼ
ーション オブ ロウ−レジスティビティ ｐ−タイプ
ZnSe:N グロウン バイ モレキュラー ビーム エ
ピタキシー」；アプライド フィジックス レターズ
（Noncontact Electrical Characterization of Low−R
esistivity ptype ZnSe:N Grown by Molecular Beam Ep
itaxy";Applied Physics Letters,Vol.59,No.15,pp.189
6−1898,1991）に記述している。
これらの発表は、現在の技術によりZnSe基の材料から
青および緑のオプトエレクトリカル デバイスが成功的
に製造できることを示している。II−VI族の作製方法が
さらに洗練されるにつれて、材料中の転位密度の減少お
よびその他の改善によって、周波数スペクトル幅および
動作寿命のような光学的性質が改善されることが期待さ
れている。
しかしながら、これらのデバイスの全てについてセレ
ン化亜鉛、特にｐ形のセレン化亜鉛へのオーミック（非
整流的）コンタクトが大きな問題となっている。これは
基本的な問題であって、セレン化亜鉛の価電子帯の非常
に深いエネルギに関係している。その結果、銀または金
のような慣用の金属を用いたｐ形セレン化亜鉛および関
連アロイへの接触はオーミックではない。実際には、研
究者によってオーミックであると考えられていた接触
が、現に逆にバイアスされたショットキーダイオードを
デバイスと直列に構成しており、その結果オーミックコ
ンタクトと信じられている接触を横切って大きな電圧降
下を生じる。この大きな電圧降下の結果、デバイスへの
入力電力のほとんど全てが熱として失われる。光放射を
起こすためには20〜50Vまたはそれ以上の高圧が要求さ
れ、その結果生ずる熱はデバイスを破壊する。
セレン化亜鉛発光デバイスの「オーミックコンタクト
問題」は広範に報告されている。例えば上に引用された
NCSUグループのレン等の1990年の論文の1901頁の記載：
「我々にとって、ZnSe:Li試料に関するホール効果の研
究を完成することはノン−オーミックコンタクトに関連
する問題のために不可能であった。」を参照せよ。同様
に、上に引用したブラウン−パーデュー グループのシ
ー等の1992年の論文の463頁：「ｐ形層についてのホー
ル測定は広いギャップの半導体へのオーミックコンタク
トの形成が困難なために信頼性がない。」を参照せよ。
また3Mグループのハーセ等の論文の1273頁：「AuとpZnS
eとの間の接触は大きな障壁を提供するのでこれらの試
料の加熱は重大な問題である。」を参照せよ。最後に、
フロリダ／ベルコア大学のグループのパーク等の論文を
参照せよ。これは「・・・ｐ形ZnSe材料へ低抵抗のオー
ミックコンタクトを提供することに関して重大な問題が
存在する・・・」と記載している。
上記調査はII−VI族デバイス、特にセレン化亜鉛系オ
プトエレクトロニクスデバイスの製造において著しい進
歩がなされたが、これらのデバイス、特にｐ形セレン化
亜鉛へのオーミックコンタクトが、依然としてこれまで
多くの独自の研究グループを困らせてきた基本的な問題
であることを示している。
発明の要約 従って、本発明の目的は、そのオーミックコンタクト
を含む改良されたII−VI族半導体デバイスを提供するこ
とを目的とする。
本発明の他の実施例は、そのオーミックコンタクトを
含む改良されたII−VI族オプトエレクトロニクスデバイ
スを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ｐ形セレン化亜鉛および
そのアロイに対するオーミックコンタクトを提供するこ
とにある。
本発明にしたがって、これらの目的および他の目的
は、II−VI族の半導体材料から形成される半導体デバイ
スのためのオーミックコンタクトにより達成される。こ
こで、オーミックコンタクトは、II−VI族半導体デバイ
ス上に格子整合したII−VI族半導体材料単結晶３元化合
物、II−VI族半導体材料上に格子整合したII−VI族半金
属単結晶、およびII−VI族半金属上の金属などの導体、
を含む。II−VI族半導体材料および導体層の間の、II−
VI族半導体材料および半金属の３元化合物は、II−VI族
半導体材料および導体層のワイドバンドギャップ間のバ
ンドオフセットを除去し、これにより、II−VI族半導体
材料に対するオーミックコンタクトが提供される。
特に、本発明によれば、セレン化亜鉛（ZnSe）もしく
はそのアロイに対する、および特にｐ形セレン化亜鉛も
しくはそのアロイに対するオーミックコンタクトが、セ
レン化亜鉛もしくはそのアロイ上のセレン化亜鉛水銀
（ZnxHg1-xSe）層またはテルル化セレン化亜鉛（ZnTexS
e1-x）層、およびセレン化亜鉛水銀層またはテルル化セ
レン化亜鉛層上のセレン化水銀（HgSe）層によって提供
される。導体（金属など）層は、セレン化水銀上に形成
される。セレン化亜鉛水銀層またはテルル化セレン化亜
鉛層と、ｐ形セレン化亜鉛層および導体層の間のセレン
化水銀層とは、セレン化亜鉛および導体のワイドバンド
ギャップ間のバンドオフセットの除去により、オーミッ
クコンタクトを与える。
本発明のセレン化亜鉛水銀層およびテルル化セレン化
亜鉛層の他の多くの代わり得る配合が提供され得る。特
に、亜鉛と水銀との比、またはテルルとセレンとの比
は、層の厚さ方向にわたって一定とし、ステップグレー
デッド（段階的に変化する）形のセレン化亜鉛水銀層ま
たはテルル化セレン化亜鉛層としてもよい。この代わり
に、水銀の量はセレン化亜鉛層からセレン化水銀層につ
いて増加しても良い。増加の一つの形態は、直線状グレ
ーデッド形のセレン化亜鉛水銀層を与える直線的な増加
である。好ましくは、この代わりに、水銀の量がセレン
化亜鉛層からセレン化水銀層について比直線的に増加し
て、非直線状グレーデッド形のセレン化亜鉛水銀層とし
てもよい。好ましくは、水銀の量が放物線状に増加する
放物線状グレーデッド形の層が提供される。
本発明によると、ｐ形セレン化亜鉛層に隣接する、少
なくともいくつかのセレン化亜鉛水銀層またはテルル化
セレン化水銀層は、ｐ形にドープされている。好ましく
は、セレン化亜鉛層に隣接する、セレン化亜鉛水銀層ま
たはテルル化セレン化亜鉛層の厚さの半分がｐ形にドー
プされており、セレン化水銀層に隣接する、セレン化亜
鉛水銀層またはテルル化セレン化亜鉛層の他の半分が中
性の伝導性を有するのがよい。また、変調ドーピング
を、放物線状グレーデッド形のセレン化亜鉛水銀層に用
いてもよい。
本発明によると、ｐ形セレン化亜鉛層および導体層の
間のセレン化水銀のｐ形層は、従来の金または銀のオー
ミックコンタクトよりはるかに優れた、ｐ形セレン化亜
鉛に対するオーミックコンタクトを提供し得るというこ
とが判明した。本発明のオーミックコンタクトは、ほと
んど理想的な（直線状の）電圧−電流関係を形成し、こ
れは本当にオーミックであることを示している。また、
ホール効果測定を用いるてもよく、これはコンタクトが
オーミックであることを証明する。II−VI族オプトエレ
クトロニクスデバイスが本発明のオーミックコンタクト
を用いて集積された場合、集積ヘテロ構造デバイスが形
成される。ここで、一つのヘテロ構造は、例えば発光な
どの光学的機能を与え、他のヘテロ構造は、オーミック
コンタクトなどの電気的機能を与える。これらの集積ヘ
テロ構造は、５ボルトあるいはそれ以下の電圧印加によ
り青ないし緑の周波数範囲の放射線を放射し、この結
果、高効率のII−VI族オプトエレクトロニクスデバイス
が得られる。
本発明の他の態様によると、特定の用途において、光
が頂部または側部から光が放射される発光ダイオード
（LED）などの大面積発光体（オプティカルエミッタ）
を提供するのが望まれる。このような大面積LED、数字
ディスプレイアレイおよび他の多くのデバイスを製造す
るために用いることができる。本発明によれば、本発明
の集積ヘテロ構造は、セレン化水銀層、またはセレン化
亜鉛水銀層もしくはテルル化セレン化亜鉛層上のセレン
化水銀層を設けることにより、大面積発光体を製造する
ために用いることができる。ここで、セレン化水銀層
は、ｐ形セレン化亜鉛層に対してオーミックコンタクト
を与えるほど十分に厚いが、それを通して発光体ヘテロ
構造から放出された光が通過できるほど薄いものであ
る。好ましくは、厚さが約100Å未満のセレン化水銀層
が設けられる。セレン化水銀は、可視および赤外のスペ
クトル範囲の発光を吸収する半金属であるが、セレン化
水銀薄層は十分に薄いので、光吸収損失を10％未満に制
限できる。さらに、セレン化水銀は導電度がかなり高い
が、セレン化水銀層は十分に厚いので、ヘテロ構造の頂
部を覆う半透明電極として作用する。表面接触抵抗をさ
らにう下するために、セレン化水銀薄層上に酸化インジ
ウムスズなどの透明電極を形成してもよい。
本発明の集積ヘテロ構造は、上述したように、光ヘテ
ロ構造および電気ヘテロ構造をエピタキシャルに形成す
ることによって形成される。典型的には、光ヘテロ構造
（レーザダイオードあるいは発光ダイオードなど）は、
セレン化亜鉛およびその関連アロイの分子線エピタキシ
ー（MBE）を用いて、第１のチャンバで形成される。セ
レン化亜鉛水銀の電気ヘテロ構造（オーミックコンタク
ト）は、水銀を主成分とする材料の堆積のための特別必
要な条件があるので、典型的には第２の堆積チャンバで
製造される。第１および第２のチャンバ間の搬送は、典
型的には超高真空条件下で実施されなければならない。
本発明によると、この代わりに、例えば、セレンなど
の薄いオーバーコート層を光ヘテロ構造上に形成するこ
とにより、水銀系電気ヘテロ構造を、MBEチャンバ間の
超高真空搬送の必要なく、セレン化亜鉛系光ヘテロ構造
上に形成してもよい。この場合、この構造体は、室温大
気中条件でセレン化亜鉛MBEチャンバから取り出し、水
銀ベースMBEチャンバに投入することができる。この構
造体を一旦水銀ベースMBEチャンバに入れ、チャンバを
真空にすると、セレンオーバーコート層は蒸発し、水銀
ベース電気ヘテロ構造がセレン化水銀系光ヘテロ構造上
にエピタキシャルに形成される。
同様に、テルル化セレン化亜鉛を含む本発明の集積ヘ
テロ構造を製造するために、光ヘテロ構造（レーザダイ
オードまたは発光ダイオードなど）が、セレン化亜鉛お
よびその関連アロイの分子線エピタキシー（MBE）を用
いて、第１のチャンバで形成される。テルル化セレン化
亜鉛層の電気ヘテロ構造（オーミックコンタクト）はま
た、例えば、約250℃の連続的な分子線エピタキシー成
長により、第１の堆積チャンバで形成される。グレーデ
ッドテルル化セレン化亜鉛層の成長は、例えば、好まし
くはコンピュータ制御により、テルルMBE源炉のソース
温度を上昇する間、セレンMBE炉のソース温度を低下さ
せることによって行う。任意に、テルル化亜鉛の薄層
（約100Å）を、グレーデッドテルル化セレン化亜鉛層
の上に形成してもよい。
テルル化セレン化亜鉛のグレーデッド層の堆積の直
後、例えば、セレンのオーバーコート薄層が形成され
る。次いで、構造体は、室温大気中条件で、第１のMBE
チャンバから取り出され、第２のチャンバである水銀系
MBEチャンバに投入される。一旦構造体を水銀ベースチ
ャンバに載置し、そのチャンバを真空にすると、セレン
オーバーコート層は蒸発し、セレン化水銀層は、例え
ば、第２のチャンバ中で約100℃で堆積される。すなわ
ち、テルル化セレン化亜鉛層は、集積ヘテロ構造デバイ
スの光ヘテロ構造と同様に低温成長温度（約250℃）を
用いて第１のMBEチャンバ中で成長され得る。集積ヘテ
ロ構造の光学的領域のｐ形層の形成に用いた、同一の離
れたプラズマ源からの窒素を用いてｐ形にドープでき
る。すなわち、テルル化セレン化亜鉛層の成長は米国出
願シリアルNo.07/881,599セレン化亜鉛水銀層の成長と
比べてより簡単である。
本発明のさらに他の態様によると、２層のセレン化亜
鉛硫黄（ZnSSe）間のテルル化セレン化亜鉛硫黄（ZnSxT
eySez、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の４元アロイ層、ま
たは２層のセレン化亜鉛（SeZn）間の３元化合物テルル
化セレン化亜鉛（ZnTexSe1-x）の層を用いることによっ
て、高効率の青色／緑色発光体を作製することができ
る。テルル化セレン化亜鉛硫黄層またはテルル化セレン
化亜鉛層は、量子井戸を形成し、多層が多重量子井戸を
構成するように用いてもよい。LED用途においては、約1
000Åの厚さの層が典型的に形成され、一方、レーザで
は、約100〜200Åの厚さの層が形成される。テルルは、
青色／緑色のスペクトル範囲で幅広で強い発光を生成す
る、等電子トラップを形成する。
テルル化セレン化亜鉛硫黄またはテルル化セレン化亜
鉛からなるクラッド構造が、好ましくは、ヒ化ガリウム
あるいはセレン化亜鉛などの基板上に形成される。セレ
ン化亜鉛硫黄およびテルル化セレン化亜鉛硫黄は、セレ
ン化ガリウム基板とともに用いられる。これらはその上
に緊密に格子整合するからである。セレン化亜鉛基板に
対しては、セレン化亜鉛およびテルル化セレン化亜鉛が
用いられる。セレン化水銀層、セレン化亜鉛水銀層また
はテルル化セレン化亜鉛層は、セレン化亜鉛またはセレ
ン化亜鉛水銀に対してオーミックコンタクトを形成する
ために用いられる。これは、亜鉛、硫黄、テルルまたは
セレンのフラックスをつくる際に変更を必要としないの
で、発光体が比較的容易に作製できるからである。どち
らかというと、これらのフラックスは構造を形成するた
めに堆積している間、適当な時間だけオンまたはオフし
ておくことのみが必要である。
本発明の他の態様によると、エピタキシャルオーミッ
クコンタクトを含む、II−VI族半導体材料の反転集積ヘ
テロ構造が提供される。反転ヘテロ構造は、すでに述べ
たようにｐ形セレン化亜鉛層上でなく、ｎ形セレン化亜
鉛層上に透明オーミック電極を有する。従って、発光
は、上述したように、活性領域からｐ形セレン化亜鉛層
とセレン化水銀層を含むエピタキシャルオーミックコン
タクトとを通してではなく、ｎ形セレン化亜鉛層および
透明オーミック電極を通して、発光ヘテロ構造の活性領
域から生じる。
本発明の反転集積ヘテロ構造は、第１および第２の反
対側となる面を有し、第１の面にｐ形セレン化亜鉛もし
くはそのアロイの層を具備する。セレン化亜鉛水銀層ま
たはテルルセレン化亜鉛層は、ｐ形セレン化亜鉛もしく
はそのアロイの層上に形成され、セレン化水銀層は、発
光ヘテロ構造とは反対側の、セレン化亜鉛水銀層または
テルル化セレン化水銀上に形成される。オーミック電極
は、セレン化亜鉛水銀層またはテルル化セレン化亜鉛層
の反対側のセレン化水銀層上に形成され、透明オーミッ
ク電極は発光ヘテロ構造からの放出光の通過を許容する
ように、発光ヘテロ構造の第２の面上に形成される。従
って、セレン化水銀を含むエピタキシャルオーミックコ
ンタクトを通してではなく、ｎ形セレン化亜鉛層を通し
て発光が生じるという点で、構造が既に述べたものから
反転している。
発光ヘテロ構造から当該発光ヘテロ構造に戻る光を反
射して、これらの光をｎ形セレン化亜鉛層および透明オ
ーミック電極から出射するために、オーミック電極は、
好ましくは反射形オーミック電極がよい。また好ましく
は、基板は、セレン化水銀層に対して反対側のオーミッ
ク電極上に含められる。この基板は、好ましくは導電性
基板であり、その上に第２のオーミック金属電極を含む
のがよい。導電性結合層は第１のオーミック金属電極と
第２のオーミック金属電極とを結合する。最も好適に
は、基板は、厚い金属基板または多量にドープした半導
体基板またはこれらを結合したものからなる、導電性お
よび熱伝導性基板がよい。
本発明の反転集積ヘテロ構造の製造方法は、最初に既
に述べたように第１の基板上にエピタキシャルオーミッ
クコンタクトを含む発光ヘテロ構造を形成することから
始まる。特に、発光ヘテロ構造は、当該発光ヘテロ構造
の反対側に、第１の基板の反対側のｐ形セレン化亜鉛も
しくはそのアロイの層、このｐ形セレン化亜鉛もしくは
そのアロイの層上のセレン化亜鉛水銀層あるいはテルル
化セレン化亜鉛層、およびこのセレン化亜鉛水銀層ある
いはテルル化セレン化水銀層上のセレン化水銀層を含
む。次いで、セレン化水銀層は第２の基板に結合され、
そして第１の基板が除去される。
結合ステップは、セレン化水銀層の発光ヘテロ構造と
は反対側に第１のオーミック金属電極を形成すること、
第２の基板上に第２のオーミック金属電極を形成するこ
と、および、第１および第２のオーミック金属電極同士
を結合することにより達成される。その後、第１の基板
が除去される。結合は、はんだ、導電性エポキシあるい
は他の公知の結合手段により行えばよい。第１の基板を
除去した後、発光ヘテロ構造のｐ形セレン化亜鉛もしく
はそのアロイの層の反対側に、透明オーミック電極を形
成する。
本発明は、高効率の発光体であるｎオンｐ（ｎ−on−
ｐ）構造を形成する。これは、単純な透明オーミック電
極が、ｎ形セレン化亜鉛に対して頂部接触（top contac
t）を用いて形成できるため、およびセレン化水銀層の
下に金属反射接触が形成できるためである。さらに、第
１の基板が除去されるので、第１の基板とｎ形セレン化
亜鉛層との間の格子不整合に関する、ヘテロエピタキシ
ャル起因の欠陥が取り除かれる。これらのヘテロエピタ
キシャル起因の欠陥は、暗線（darkline）およびII−VI
族発光ヘテロ構造の寿命を制限する他の欠陥の主要な原
因の一つである。最後に、発光ヘテロ構造に結合する第
２の基板は、エピタキシャルオーミックコンタクトおよ
び発光ヘテロ構造中で発生する熱を除去するためのヒー
トシンクを備えていてもよい。これにより、デバイスの
出力操作性能が向上する。これにより、高効率、長寿命
のII−VI族半導体材料の発光ヘテロ構造が提供される。
図面の簡単な説明 第１図は本発明によるオーミックコンタクトを有する
発光体を示す断面図である。
第２図は選択された半導体材料についてエネルギバン
ドギャップと格子定数を図式的に示す図である。
第３図はセレン化亜鉛とヒ化ガリウムとの間のバンド
ギャップオフセットを示す線図である。
第４図は金とセレン化亜鉛との間のバンドギャップを
示すバンドエネルギ線図である。
第５図はｐオンｎセレン化亜鉛ダイオードの順バイア
ス下でのバンドを示すエネルギバンド線図である。
第６図は種々のセレン化亜鉛系ヘテロ構造の電流−電
圧特性を示す図である。
第７図はテルル化カドミウムおよびテルル化水銀のバ
ンドを示すエネルギバンド図である。
第８図はセレン化亜鉛およびセレン化水銀のバンドを
示すエネルギバンド図である。
第９図は本発明によるオーミックコンタクトについて
の電圧と電流との関係を示す線図である。
第10a図は既知のセレン化亜鉛発光ダイオードの電流
−電圧関係を示す図である。
第10b図〜第10d図は本発明によるオーミックコンタク
トを含むセレン化亜鉛発光ダイオードの電流−電圧関係
を示す図である。
第11図は既知の発光ダイオードと本発明によって作製
された発光ダイオードの電流−電圧関係を示す線図であ
る。
第12図は本発明の第２の実施例の断面図である。
第13図はステップグレーデッド形セレン化亜鉛水銀層
を含む第12図に示したデバイスのエネルギバンド図であ
る。
第14図は直線状グレーデッド形セレン化亜鉛水銀層を
含む第12図に示したデバイスのエネルギバンド図であ
る。
第15図は放物線状グレーデッド形セレン化亜鉛水銀層
を含む第12図に示したデバイスのエネルギバンド図であ
る。
第16a図〜第16p図は本発明による集積ヘテロ構造の選
択し得る組み合わせを示す断面図である。
第17図は本発明による他の集積ヘテロ構造を示す断面
図である。
第18a図および第18b図は本発明による第17図に示した
集積ヘテロ構造を形成する工程を示す図である。
第19a図および第19b図は本発明による第17図に示した
集積ヘテロ構造を形成する他の工程を示す図である。
第20図は本発明によるオーミックコンタクトを含まな
い発光ダイオードの電流−電圧関係を示す線図である。
第21図は本発明によるオーミックコンタクトを含む発
光ダイオードの電流−電圧関係を示す線図である。
第22図および第23図は本発明による他の集積ヘテロ構
造を示す断面図である。
第24図は第22図の構造の波長に対する強度を示す線図
である。
第25図は本発明による反転集積ヘテロ構造デバイスを
示す断面図である。
第26A図〜第26E図は第25図の構造の製造工程中の構造
を示す図である。
第27図は本発明による発光ダイオードの第１の実施例
の断面図である。
第28図は本発明による発光ダイオードの第２の実施例
の断面図である。
第29図は本発明によるレーザダイオードの断面図であ
る。
発明を実施するための最良の形態 以下に本発明の好適な実施態様を示す添付図面を参照
して本発明をさらに詳細に説明する。しかし、本発明は
種々の形態で具現化することができ、以下の実施例に限
定されるべきでない。むしろ、この実施例はこの開示が
十分であり完全であるように提供され、当業者に本発明
の範囲を十分に知らしめるものである。以下の実施例
中、同じ符号は同じ部材を示す。
第１図を参照すると、本発明のオーミックコンタクト
を持つ発光体の第１の実施例が図示されている。発光体
10は集積ヘテロ構造であり、光ヘテロ構造11と電気ヘテ
ロ構造11とを有する。光ヘテロ構造11は周知の青色〜緑
色発光ダイオードまたはレーザダイオード構造、あるい
は現在知られているか後に発見される任意の他のII−VI
族デバイスであってもよい。第１図に示すように、光ヘ
テロ構造11は青色発光ダイオード（LED）である。この
青色LEDはセレン化亜鉛、ヒ化ガリウムその他の公知の
材料でできた基板15上に形成される。このLEDはｎ形セ
レン化亜鉛の層16とｐ形セレン化亜鉛の層17との間のpn
接合である。両セレン化亜鉛層は分子線エピタキシーの
ような周知の方法を用いて基板15上に形成してもよく、
1018キャリア/cm3で両層をドープしてもよい。底部コン
タクト14はｎ形GaAsに対しては金−ゲルマニウム、ｎ形
ZnSeに対してはインジウムのような金属あるいは周知の
導体で形成されている。当業者には理解されるであろう
が、本明細書中で使用されているように、ある層が他の
層の「上（オン）」に形成されているとき、その層は下
にある層の上に直接形成されていてもよく、あるいは一
層以上の介在層が存在していてもよい。
さらに第１図を参照すると、集積ヘテロ構造10の電気
領域12はセレン化水銀の層を有する。当業者には周知の
ように、セレン化水銀は、そのバンドギャップがゼロで
あるので、半導体というよりもむしろ半金属である。当
業者には了解されるであろうが、集積された光構造11お
よび電気構造12はモノリシック構造としてエピタキシー
法で形成され、隣接層の間の格子整合をとって両層間の
接合における転移を最低限にしてある。第２図は種々の
IV族単元半導体、III−VI族化合物半導体およびII−VI
族化合物半導体並びに半金属についてのエネルギバンド
ギャップ対格子定数の関係を説明している。
本発明により、セレン化水銀がｐ形セレン化亜鉛に対
して良好なオーミックコンタクトを形成し、それにより
高効率II−VI族デバイスの開発の最後の基本的な題を解
決するものであることが発見された。第３図はオーミッ
クコンタクト問題の起源を説明するものである。第３図
に示すように、セレン化亜鉛とヒ化ガリウムとの間には
本質的に伝導帯（Ec）オフセットがない。このため、価
電子帯（Ev）オフセットは非常に大きく、約1.3電子ボ
ルト（eV）である。セレン化亜鉛の深い価電子帯がオー
ミックコンタクト問題の源である。金はすべての金属の
中で最大の仕事関数を持つが、セレン化亜鉛に対しては
有効なオーミックコンタクトがとれないことが証明され
ている。金はｎ形セレン化亜鉛上では約1.1電子ボルト
の障壁を形成する。金／セレン化亜鉛界面は、第４図に
示すように、約1.6電子ボルトのバンドオフセットを生
じる。従って、金をｐオンｎ形セレン化亜鉛ホモ接合に
対するオーミックコンタクトとして使用すると、第５図
に示すバンド曲がり（band bending）を生じる。
セレン化亜鉛ダイオードに順バイアスをかけると、金
/p形セレン化亜鉛接合は逆バイアスされ、電流はヘテロ
障壁を通るキャリヤのトンネリングにより制限される。
このことは、3Mグループが初期のレーザダイオードにつ
いて報告しているように、第６図に示す電流−電圧特性
により説明される。NCSUグループにより作製されたLED
についてのデータも示してあるが、これは異なる研究所
で作製されたサンプルが同様の順特性を持つことを説明
するためである。このデータは電流制限デバイスは逆降
伏（reverse breakdown）する直列ダイオードであるこ
とを強く示唆している。このダイオードは、金−セレン
化亜鉛ショットキーダイオードのヘテロ界面のキャリヤ
トンネリングによる逆降伏に関係している。
高効率LEDおよびレーザをセレン化亜鉛および関連材
料から開発するために、オーミックコンタクト問題を解
決する必要がある。オーミックコンタクト問題に対する
解決策はテルル化水銀（HgTe）とテルル化カドミウム
（CdTe）との間の価電子帯オフセットを研究することに
よって見出された。第７図に示すように、価電子帯オフ
セットは0.35電子ボルトであることが見出されている。
「共通アニオン規則（common anion rule）」に基づく
従前の試算によるとバンドオフセットはゼロであること
が暗示されている。従って共通アニオン規則は水銀を含
有するII−VI族材料に対してはテルル化水銀／テルル化
カドミウム価電子帯オフセットの結果と一致する「修正
共通アニオン規則」と言い換える必要がある。第７図に
示すように、修正共通アニオン規則は次式を与える。
ΔEc/ΔEv＝1.25/0.350＝3.6 （１） 式（１）がセレン化水銀／セレン化亜鉛界面について
も成り立つならば、 ΔEc＋ΔEv＝EQ(ZnSe)＝2.70eV （２） となり、第８図に示すようにセレン化水銀／セレン化亜
鉛界面について価電子帯オフセットΔEvとして0.59eVが
得られる。これは、金／セレン化亜鉛界面障壁の約1.6e
Vと比べると３倍近い低下を表している。このように、
ｐ形セレン化亜鉛上のエピタキシー法によるセレン化水
銀層は金よりもかなり良好なオーミックコンタクトを与
える筈である。
第９図は本発明のオーミックコンタクトについての電
圧−電流の関係をグラフで説明するものである。このオ
ーミックコンタクトを作製するために、セレン化水銀の
層を分子線エピタキシー法でｐ形（窒素ドープした）セ
レン化亜鉛サンプル上に成長した。標準ホトリソグラフ
ィー処理を使用してホール（Hall）効果測定のためにサ
ンプルのそれぞれに４つのコンタクトを形成した。第９
図は代表的サンプルの1cm距離を置いて隣接するホール
コンタクト同士の間の電流−電圧の関係を示す。小さな
（約0.1ボルト）オフセットとは別に、これらのコンタ
クトは非常にオーミックコンタクトに近いものであり、
ホール効果測定に十分な電気的接触が得られることを示
している。分子線エピタキシー堆積を用いていくつかの
ダイオード構造が作製されている。ｐ形層は窒素ドープ
セレン化亜鉛硫黄を含み、これらの層に続いて窒素ドー
プｐ形セレン化亜鉛層とセレン化水銀層を設け、ダイオ
ードを標準的技術を用いてテストする準備が整った。
第10a図はｐ形ドーパントとしてリチウム、ｐ形セレ
ン化亜鉛層への電気的接触として金を用いた従前のデバ
イスの電流−電圧の関係を説明するものである。図示の
ように、断面積10-3cm2のダイオードについて順バイア
ス条件下で1mAの電流を得るためには約10V必要である。
第10b図〜第10d図は本発明に従うセレン化亜鉛層および
セレン化水銀層を含むダイオードを説明するものであ
る。図示のように、断面積10-3cm2これらのダイオード
はずっと低い電圧（第10b図〜第10d図にそれぞれ示すよ
うに、1mAを得るのに2.1V、3.2Vを得るのに10mA、50mA
を得るのに4.4V）でターンオンとなる。従前のダイオー
ドに比べ、一定の電圧において電流がこのように劇的な
増加を見せることは本発明のオーミックコンタクトが有
効であることの明白な証拠となっている。
第11図は上述のように本発明にしたがって作製された
ダイオード（「NCSUpオンｎ形ダイオード2/92」）を3M
とパーデュー大学により製造されたものと比較したグラ
フである。図示のように、本発明のｐオンｎ形ダイオー
ドは3Mの報告しているものよりも実質的に改善されてい
る。実際、本発明のダイオードは、特に同様の断面積の
ダイオードを比較したときに、パーデュー大学のｎオン
ｐ形ダイオードについての結果よりも実質的に良い。
第12図を参照すると、第２の集積ヘテロ構造20が図示
されているが、これは第１図のものからさらに改善され
たオーミックコンタクトを含むものである。第12図に示
すように、光ヘテロ構造11は第１図のものと同じであ
る。しかし、電気ヘテロ構造はセレン化水銀の層18とｐ
形セレン化亜鉛の層17との間にセレン化亜鉛水銀（ZnxH
g1-xSe）またはテルル化セレン化亜鉛（ZnTexSe1-x）の
層19を備えている。セレン化水銀の層18とセレン化亜鉛
水銀またはテルル化セレン化亜鉛の層19はｐ形セレン化
亜鉛層17と導体13との間のオーミックコンタクトを改善
する。
本発明に従えば、セレン化亜鉛水銀またはテルル化セ
レン化亜鉛の層19の別の実施例もオーミックコンタクト
を与えることができる。一つの実施例においては、セレ
ン化亜鉛水銀またはテルル化セレン化亜鉛の層19は、そ
れぞれ全厚さにわたって均一な亜鉛／水銀比またはテル
ル／セレン比を有するステップグレーデッド形層であ
る。この層の好適な均一比は約1:1である。第13図はそ
のようなステップグレーデッド形セレン化亜鉛水銀層の
についてのエネルギバンド図である。好ましくは、セレ
ン化亜鉛水銀またはテルル化セレン化亜鉛のステップ／
グレーデッド層はセレン化亜鉛層と同じドープ濃度（例
えば1018）でドープしたｐ形である。窒素ドーピングが
好ましい。
もう一つの別法を第14図に示す。この場合は、水銀ま
たはテルルの量はそれぞれセレン化亜鉛水銀層またはテ
ルル化セレン化亜鉛層を横切ってセレン化亜鉛層からセ
レン化水銀層に向かって直線的に増加しており、それに
より直線状グレーデッド形のセレン化亜鉛水銀またはテ
ルル化セレン化亜鉛の層を提供している。好ましくは、
セレン化亜鉛水銀またはテルル化セレン化亜鉛の直線状
グレーデッド層はｐ形セレン化亜鉛と同じドープ濃度
（例えば1018）でドープしたｐ形である。
第15図を参照すると、本発明者が現在最も好適である
と考える実施例は、放物線状グレーデッド形のセレン化
亜鉛水銀またはテルル化セレン化亜鉛の層である。第15
図にさらに示すように、セレン化亜鉛水銀またはテルル
化セレン化亜鉛の層の少なくとも一部分はドープしたｐ
形であり、好ましくは、セレン化亜鉛層に隣接するセレ
ン化亜鉛水銀またはテルル化セレン化に亜鉛の層の一部
分がドープしたｐ形である。最も好ましいのは、セレン
化亜鉛層に隣接するセレン化亜鉛水銀層またはテルル化
セレン化亜鉛層の厚さの半分がセレン化亜鉛層と同じ濃
度でドープしたｐ形であり、同層のセレン化水銀層に隣
接する半分がアンドープである構成のものである。一つ
の構成例においては、セレン化亜鉛水銀層またはテルル
化セレン化亜鉛層は1200Å厚であり、セレン化亜鉛層に
隣接する600Åが、ｐ形セレン化亜鉛のものと整合させ
るために1018キャリア/cm3で（好ましくは窒素で）ドー
プしたｐ形であり、セレン化水銀に隣接する600Åがア
ンドープである。グレーデッドテルル化セレン化亜鉛層
上に任意に薄い（約100Å）ｐ形テルル化亜鉛（ZnTe）
層を形成してセレン化水銀層との界面が確実に純粋なZn
Teとなるようにしてもよい。
当業者には理解されるように、ディスプレイその他の
応用においては、好ましくは発光体の全頂部および側部
から光を放出する大面積発光体を提供するのが望まし
い。本発明にしたがえば、セレン化水銀層18の厚さは制
限されているためセレン化水銀層が半透明電極として作
用し、この発光体から放出される光の大部分（substant
ial portion）がセレン化水銀層18を通過する。好まし
くは、セレン化水銀の層の厚さは約100Å未満である。
この場合、セレン化水銀は可視および赤外スペクトル領
域全体にわたって光を吸収する半金属であるが、セレン
化水銀層は十分薄いため光吸収損失が約10％未満であ
る。さらに、セレン化水銀層は導電度が非常に高いこと
から光構造の全頂部を覆う半透明電極として作用させる
ことができる。室温効率が0.02％より高く、大表面積に
わたって476nmの光を放出する青色発光ダイオードはた
った4.5ボルトの動作電圧を使用して集積ヘテロ構造を
通して50mAの電流とすることにより得ることができる。
大面積発光体の抵抗を低減するために導体13を周知の半
透明電極材料である酸化インジウムスズで形成してもよ
い。酸化インジウムスズ導体13をセレン化水銀層18と組
み合わせて100Å厚で使用すると、発光体頂部での電流
の分布がよくなるので表面積が1cm×1cmに達する数字そ
の他の記号を作製することができる。
また、当業者には、本発明の全てのオーミックコンタ
クトが全てのII−VI族デバイスと組み合わされて集積ヘ
テロ構造デバイスを形成することができることも、理解
されるであろう。第16a図〜第16d図には様々な組み合わ
せが示されている。
第16a図〜第16d図には緑色LEDが示されている。具体
的には、第16a図には、ZnCdSe量子井戸31を有するメサ
ダイオード緑色LEDが示されている。第16b図には、ZnSe
およびZnCdSeの多重量子井戸（MQW）32を有するMQWメサ
ダイオード緑色LEDが示されている。第16cには、グレー
デッドｐ形ZnCdSe層33、ZnCdSe量子井戸層34およびグレ
ーデッドｎ形ZnCdSe層35を有するグレーデッドインデッ
クス（傾斜屈折率）分離閉じ込めヘテロ構造（GRaded I
ndex Separate Confinement Heterostructure;GRINSC
H）メサダイオード緑色LEDが、示されている。第16d図
には、ｐ形ZnCdSeのグレーデッド層36およびZnCdSe層3
7、およびｎ形ZnCdSeのグレーデッド層38を有するGRINS
CH−MQWメサダイオード緑色LEDが、示されている。
第16e図〜第16h図には青色LEDが示されている。第16e
図には、セレン化亜鉛硫黄およびセレン化亜鉛カドミウ
ムのｐおよびｎ形層の量子井戸41を有するメサダイオー
ド青色LEDが示されている。第16f図には、セレン化亜鉛
硫黄およびセレン化亜鉛カドミウムのMQW42を有するMQW
メサダイオード青色LEDが、示されている。第16g図に
は、グレーデッドｐ形セレン化亜鉛硫黄層33、セレン化
亜鉛カドミウム量子井戸44およびグレーデッドｎ形セレ
ン化亜鉛硫黄層45を有するGRINSCHメサダイオード青色L
EDが、示されている。第16h図には、ｐ形セレン化亜鉛
硫黄のグレーデッド層46、セレン化亜鉛硫黄およびセレ
ン化亜鉛カドミウムのMQW47、およびｎ形セレン化亜鉛
硫黄のグレーデッド層48を有するGRINSCH−MQW青色LED
が、示されている。
第16i図〜第16l図には緑色レーザが示されている。第
16i図には、GRINSCH緑色レーザが示されており、このレ
ーザは、ｐ形セレン化亜鉛カドミウムのグレーデッド層
51、セレン化亜鉛カドミウム量子井戸52、およびｎ形セ
レン化亜鉛カドミウムのグレーデッド層54を有する。第
16j図には、ｐ形セレン化亜鉛カドミウム層54、セレン
化亜鉛カドミウム量子井戸56およびｎ形セレン化亜鉛カ
ドミウム層57によって形成された分離閉じ込め緑色レー
ザが示されている。第16k図には、ｐ形セレン化亜鉛カ
ドミウムのグレーデッド層58、セレン化亜鉛カドミウム
MQW59およびｎ形セレン化亜鉛カドミウムのグレーデッ
ド層61を有するGRINSCH MQW緑色レーザが、示されてい
る。分離閉じ込めMQW緑色レーザが第16l図に示されてお
り、このレーザは、セレン化亜鉛カドミウムのｐ形層6
2、セレン化亜鉛カドミウムMQW63およびｎ形セレン化亜
鉛カドミウム層64を有する。
第16m図〜第16p図には青色レーザが示されている。具
体的には、第16m図には、ｐ形セレン化亜鉛硫黄のグレ
ーデッド層66、セレン化亜鉛硫黄およびセレン化亜鉛カ
ドミウムのMQW67、およびｎ形セレン化亜鉛硫黄のグレ
ーデッド層68によって形成されたGRINSCH MQW色レーザ
が示されている。第16n図には、ｐ形セレン化亜鉛硫黄
のグレーデッド層71、セレン化亜鉛カドミウム量子井戸
72およびｎ形セレン化亜鉛硫黄のグレーデッド層73を有
するGRINSCH青色レーザが示されている。第16o図には、
ｐ形セレン化亜鉛硫黄層75、セレン化亜鉛カドミウム量
子井戸76およびｎ形セレン化亜鉛硫黄層77を有する分離
閉じ込め青色レーザが、示されている。最後に、第16p
図には、セレン化亜鉛硫黄のｐ形層81、セレン化亜鉛硫
黄およびセレン化亜鉛カドミウムのMQW82、およびｎ形
セレン化亜鉛硫黄層83を有する分離閉じ込めMQW青色レ
ーザが、示されている。
第16a図〜第16p図の各構造は、第12図に示されている
オーミックコンタクトを有しており、セレン化水銀層1
8、およびセレン化亜鉛水銀またはテルル化セレン化亜
鉛のグレーデッド層19を有している。第１図のオーミッ
クコンタクトは、セレン化水銀層18を有し、セレン化亜
鉛水銀層19を持たないが、このコンタクトもまた用いる
ことができる。また、光構造11の他の形態（configurat
ions）も用いることができる。
前述の全てのヘテロ接合において、バンド不連続性
は、ドーピングを調節することにより、低減ないしは消
滅させることができる。ドーピングの調節は、当業者に
は周知の技術であり、アプライド フィジックス レタ
ー（Applied Physics Letters）の1992年１月発光の第1
6巻、No.4、pp.466〜468頁に掲載の、シューパートら
（Shupert et al.）の『ドーピング調節によるヘテロ接
合のバンド不連続性の消滅（Elimination of heterojun
ction Band Discontinuities By Modulation Dopin
g）』という題名の論文中のIII−Ｖ族半導体において記
載されている。
これから本発明のオーミックコンタクトの作製技術を
説明する。現在のところ、分子線エピタキシー（MBE）
は、青色から緑色の光照射応用品用のII−VI族化合物半
導体の集積ヘテロ構造デバイスの作製のための好適な堆
積技術である。これが、ｐ形ドーピングに、英国オック
スフォードシア州にあるオックスフォード アプライド
リサーチ（Oxford Applied Reseach）社により市販さ
れているモデルMPD21のような遠隔−プラズマ−励起MBE
源内の励起窒素を用いることができる、理由である。有
機金属気相堆積（OMCVD）法は、ｐ形のドーピングが発
展した場合には、集積ヘテロ構造デバイスの成長のため
の、２番目に有力なものとなる堆積技術である。現時点
では、OMCVDによるセレン化亜鉛および同類の合金のｐ
形ドーピングが、本発明者の知見においても最も良いも
のとして、実施してきたものである。
本発明の集積ヘテロ構造デバイスは、２チャンバMBE
堆積システムを用いて、作製することができる。セレン
化亜鉛水銀層19を有する集積ヘテロ構造では、第１の堆
積チャンバを、セレン化亜鉛、セレン化亜鉛カドミウム
およびセレン化亜鉛硫黄を有するバンドギャップの広い
II−VI族半導体層の堆積用に専用的に用いて、前述の構
造のいずれか、あるいは他のII−VI族光構造のいずれか
による集積ヘテロ構造デバイスの光領域11を成長させる
ことができる。次に、サンプルが第２のチャンバに導入
され、ここで、セレン化水銀、またはセレン化亜鉛水銀
およびセレン化水銀が、ｐ形セレン化亜鉛上にヘテロエ
ピタキシャル形成される。水銀蒸気圧は非常に高い（室
温で約3mTorr）ので、水銀系材料を堆積する場合には特
別な要求が生じ、そのため、第２のチャンバが一般的に
必要となる。したがって、当業者には周知のように、特
別なMBE源、クライオシュラウディング（cryoshroudin
g）および他の特別な技術を用いる必要がある。
本発明による、セレン化亜鉛水銀を用いるオーミック
コンタクトを有する分離閉じ込め緑色レーザを形成する
詳細なプロセスを、これから説明する。このレーザ構造
は第17図に示されており、このレーザ構造は、光ヘテロ
構造11を有しており、この光ヘテロ構造11は、セレン化
亜鉛カドミウム量子井戸87を有しており、この量子井戸
87は、ｐ形およびｎ形のセレン化亜鉛86および88との間
にあり、これらはｐ形およびｎ形のセレン化亜鉛硫黄層
85および89との間に、それぞれ配置されている。この光
ヘテロ構造11は、基板15上に形成されており、ｐ形セレ
ン化亜鉛の上層17を有する。このオーミックコンタクト
ヘテロ構造は、金属電極13とｐ形セレン化亜鉛層17との
間にあるセレン化亜鉛水銀グレーデッド層19およびセレ
ン化水銀層18を有している。
従来の基板作製プロセスが、ｎ＋ヒ化ガリウムあるい
はセレン化亜鉛の基板15を形成するために、用いられ
る。ｐオンｎヘテロ構造のエピタキシャル成長は、基板
温度220〜260℃で開始される。塩素は、固体塩化亜鉛の
形態で、目下のところ、ｎ形セレン化亜鉛硫黄層89およ
びｎ形セレン化亜鉛光学閉じ込め層88用の好適なｎ形の
ドーパントである。層88および89のドーピングレベル
は、ほぼ1018cm-3である。次に、セレン化亜鉛カドミウ
ム量子井戸87が堆積され、続いてｐ形セレン化亜鉛層86
およびｐ形セレン化亜鉛硫黄層85が堆積される。
層17,18および19を層85上に効率よく形成するため
に、二つの技術が用いられる。第１の技術では、前記の
既に完成された構造が、市販の極高真空連動システムま
たは可搬極高真空ウエハ転送装置を用いて、極高真空下
の第２のチャンバ内に移される。他方、第２の技術で
は、薄いオーバーコート層例えばセレニウムを該構造上
に形成することにより、前記光ヘテロ構造を超高真空下
で第２の堆積チャンバへ搬送する必要性をなくす。
第18a図および第18b図には、セレンオーバーコート層
の使用が示されている。第18a図に見るように、薄い
（例えば、約0.1μｍ）セレン層91が、前述の堆積シー
ケンスの後に、第１のチャンバ92内で、形成される。こ
のセレン層の堆積は、室温で実施し得る。次に、サンプ
ルを第１のチャンバ92から取り出し、水銀系ヘテロ構造
を成長させるために、第２のチャンバ93内に挿入され
る。第２のチャンバ93では、セレン層91が、水銀系の膜
が成長される直前に基板を300℃で数分間加熱すること
によって、蒸発され、第18b図の構造を得ることができ
る。
チャンバ93内のサンプルの堆積準備が整うと、薄い
（ほぼ200Å）セレン化亜鉛のｐ形層17が堆積され、続
いてグレーデッドｐ形セレン化亜鉛水銀領域19、および
薄い（ほぼ200Å）セレン化水銀層18が堆積される。好
ましくは、前記グレーデッドセレン化亜鉛水銀層の少な
くとも一部または全部が、バンド不連続性を実質的に無
くすまで、ｐ形にドープされる。目下のところ、遠隔プ
ラズマ源からの窒素が好適なｐ形ドーパントである。ｘ
の値がｘ＝１からｘ＝０まで傾斜するZnxHg1-xSeのグレ
ーデッド層が堆積される間において、グレーデッドセレ
ン化亜鉛水銀層19中に水銀を効果的に組み入れるため
に、基板温度は好ましくは当初の約220〜260℃から約10
0℃に低下される。また、前記セレン化亜鉛水銀層の適
正な成長のために、亜鉛およびセレンのフラックスが調
整されなければならない。この調整が行われないと、実
際的に、全ての水銀が再蒸発し、層の傾斜が生じなくな
る。次に、最終セレン化水銀層18が約100℃で堆積され
る。
第19a図および第19b図には、テルル化セレン化亜鉛層
19を有する集積ヘテロ構造デバイスを形成するためにセ
レンオーバーコート層を用いる、二つのチャンバでのプ
ロセスが説明されている。第19a図に見るように、光ヘ
テロ構造11とｐ形セレン化亜鉛層17とが、既に第18a図
にて説明した同様に、第１のチャンバ92内で作製され
る。次に、第１のチャンバ92内で、テルル化セレン化亜
鉛層19が、約250℃で、連続して成長される。テルル化
セレン化亜鉛のグレーデッド層が前記プラズマ源からの
窒素によりｐ形にドープされ、このグレーデッド層は、
テルルMBE源の炉のソース温度を上げる一方で、コンピ
ュータ制御によりセレンMBE源の炉の温度を下げること
により、成長される。このようにして、ｐ形グレーデッ
ド層は、始めにセレン化亜鉛が積層され、最終的にテル
ル化亜鉛が積層されて、作製される。約500〜1500Åの
好適な厚みが、成長される。最後のフラックスは、ｐ形
テルル化亜鉛の薄層（約100Å）をさらに形成する場
合、その形成までの短い時間の間、保持される。テルル
化亜鉛をさらに付加成長させることにより、純テルル化
亜鉛とその上に形成されるセレン化水銀層との結びつき
が確実になる。
テルル化セレン化亜鉛の堆積に続いて、既に第18a図
に関連して説明したように、キャップ層が形成される。
セレンでキャップされた構造は、第19b図に示すよう
に、次に、第２のMBEチャンバ93内に転送される。既に
第18b図に関連して説明したように、第２のチャンバ93
では、セレン層91が取り除かれ、セレン化水銀の薄層18
（第17図）が、水銀系MBEチャンバ内において約100℃で
堆積される。
本発明の前記テルル化セレン化亜鉛層19は、第１のMB
Eチャンバ92内において、前記集積ヘテロ構造デバイス
の光ヘテロ構造11でと同じ成長温度（約250℃）によ
り、成長させることができる。さらに、このグレーデッ
ド層を、前記集積ヘテロ構造デバイスの光領域11のｐ形
層を作製するために用いたと同様のドーピング源から得
た窒素を用いて、ｐ形にドープすることができる。した
がって、テルル化セレン化亜鉛のグレーデッド層を作製
するプロセスは、第18a図および第18b図で説明したグレ
ーデッドセレン化亜鉛水銀層の場合より簡単である。
第20図および第21図は、本発明にしたがってテルル化
セレン化亜鉛層19を用いて得られた改善された性能を説
明するグラフである。二つの同じ様な構造は、テルル化
セレン化亜鉛層が有るか無いかのみを異ならせて成長さ
せ、テルル化セレン化亜鉛層を有する集積ヘテロ構造
と、該テルル化セレン化亜鉛層を持たない集積ヘテロ構
造との性能を比較した。具体的に述べると、第16e図の
光ヘテロ構造11を、第１のMBEシステム92（第18a図また
は第19a図）内で成長させ、セレンの薄層でキャップし
た。この構造は、次に、第２のMBEシステム93（第18b図
または第19b図）に搬送し、ここで、前記セレンを取り
除き、セレン化水銀の薄層を約100℃で成長させた。次
に、該サンプルの半分を処理して光照射ダイオードにす
るとともに、他の半分を第１のチャンバ92（第18a図ま
たは第19a図）に再び挿入した。セレン化水銀を取り除
き、直線状に傾斜した、全てｐ形のテルル化セレン化亜
鉛層を成長させた。該サンプルは再びセレンによりキャ
ップし、第２のMBEチャンバ93（第19b図）内に挿入し、
ここで、前記セレン層を除去し、セレン化水銀薄層18を
MBEにより成長させた。したがって、テルル化セレン化
亜鉛層19のあるものと、ないものとの違いだけで、他は
同じ光ヘテロ構造を有するサンプルが、作製された。
第20図は、テルル化セレン化亜鉛層19を欠いたLED構
造の特性を示すものである。図に示すように、約2.8Vで
ダイオードがターンオン（turn on）されるかもしくは
適当な電流が流れはじめると、約4.4Vで10mAが生じる。
順バイアス特性は、「ソフト（soft）」である。なぜな
ら、セレン化水銀とセレン化亜鉛との間に0.6eVのバリ
アがあるからである。
第21図は、テルル化セレン化亜鉛からなる層を有する
LED構造の特性を表したものである。図に示すように、
ターンオン電圧が約1.9eVに減少し、LEDは約3.2eVで10m
Aの電流を生じる。また、ダイオードの順バイアス特性
は、直列抵抗がたったの約75Ωの場合と一致する。これ
は、第20図と比較して、より一層シャープな順バイアス
特性として反映される。
セレント化水銀オーミックコンタクトを用いてホール
効果を測定すると、室温移動度（a room temperature m
obility）mpが19cm-2/V−ｓ、そして室温ホール濃度が
５×1018cm-3となる。文献の総説によれば、テルル化亜
鉛の価電子帯は、セレン化水銀の0.2eV±0.4eV内にある
ことが推定される。以下の文献を参照せよ。マイルス等
「スーパーラッティスイズ オブ II−VIセミコンダク
ターズ」ジャーナル オブ クリスタル グロウス第85
巻第188頁〜第193頁、1987年（R.H.Miles et al.“Supe
rlattices of I1−VI Semiconductors",Journal of Cry
stal Growth,Vol.85,pp.188−193（1987））；コバヤシ
等「グロウス アンド キャラクテリゼーション オ
ブ ZnSe−ZnTe ストレインド・レヤー スーパー ラ
ッティスイズ」ジャーナル オブ クリスタル グロウ
ス第81巻、第495頁〜第500頁、1987年（Kobayashi et a
l.“Growth and Characterization of ZnSe−ZnTe Stra
ined−Layer Superlattices",Journal of Crystal Grow
th,Vol.81,pp.495−500（1987））,;およびラジャカル
ナナヤケ等「バンド オフセット オブ ザ ZnSe−Zn
Teスーパーラッティスイズ：ア フィト トウ フォト
ルミネッセンス データ バイ ケー・ピー セオリ
ー」、ジャーナル オブ バキューム サイエンス テ
クノロジー 第B6巻,No.4,7月/8月1988年、第1354頁〜
第1359頁（Rajakarunanayake et al.“Band Offset of
the ZnSe−ZnTe Superlattices:A Fit to Photolumines
cence Data by k・p Theory",Journal of Vacuum Scien
ce Technology,Vol.B6,No.4,July/August 1988,pp.1354
−1359））。テルル化セレン化亜鉛層のｐ形ドーピング
を最適化し、またそのグレーディング、形状、および厚
さを最適化することにより、直列抵抗をさらに減少させ
て10Ω以下にすることが可能な筈である。
同様の方法は、青色レーザ、青色LED、緑色レーザ、
および緑色LEDや他の用途に用いられる、種々の他の集
積ヘテロ構造を製造するために用いてもよい。このよう
な構造の活性領域のセレン化カドミウム亜鉛層に含まれ
るカドミウムの量によって、特定のデバイスからの色出
力が決まる。最適閉じ込めの程度は、セレン化亜鉛硫黄
クラッド層の硫黄含有量によって決まる。ｐ形ドープさ
れたセレン化亜鉛水銀またはテルル化セレン化亜鉛19の
グレーデッド構造は、さらにセレン化水銀とセレン化亜
鉛との間で相殺される価電子帯を少なくするので、オー
ミックコンタクトの直列抵抗が減少する。そのため、光
デバイスの直列抵抗およびターンオン電圧が減少する。
また、絶縁基板上にｐオンｎ集積ヘテロ構造デバイス
を成長させることも可能である。例えば、現時点ではｎ
形ZnSe基板の有効性に限界があるから、このことは好ま
しい。絶縁基板を使用する場合、多層成長の順序は上記
したものと変わらない。しかし、仕上がったウエハは、
異なるように加工され、上記構造の初めのｎ形エピタキ
シャル層へオーミックコンタクトが作られる。このこと
は、第16図に示すように、メサの範囲を定めかつｎ形層
をエッチングする標準的なフォトリソグラフィおよびエ
ッチング技術を用いることによって達成される。１％臭
素を含むメタノール溶液が、Hgをベースとする層をエッ
チングするのに適する。また、重クロム酸カリウム（K2
Cr2O7）1g、硫酸（H2SO4）10ml、および脱イオン水20ml
からなる溶液が、ZnSeおよびその関連アロイのエッチン
グに適する。これら２種類の溶液は、入手可能なフォト
レジストに対して適合性を持つ。このエッチング工程に
続いて、ｎ形層までの領域をフォトリソグラフィにより
範囲を定めて開口し、さらにインジウムまたはインジウ
ム／金などの適当な金属を堆積することによって、ｎ形
層へのオーミックコンタクトが達成できる。そして、標
準的なリフトオフ方法を用いて、その構造の不必要な領
域から堆積した金属を取り除くことができる。
第22図は、本発明に基づく高効率の青色／緑色発光ダ
イオードを示すものである。ダイオード10は、セレン化
亜鉛硫黄（ZnSSe）からなる層の間に、４元アロイセレ
ン化亜鉛硫黄（ZnSxTeySez、式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を
含む。特に、第22図に示すように、ｎ形ヒ化ガリウムか
らなる基板15はその上にｎ形セレン化亜鉛硫黄からなる
層16を有する。好ましくは、この層16はZnS0.07Se0.93
であり、これはヒ化ガリウムと同等の格子である。ZnSx
TeySezからなる領域31は、領域16上に形成され、さらに
その上にｐ形セレン化亜鉛領域17が形成される。オーミ
ックコンタクト、例えばセレン化亜鉛水銀またはテルル
化セレン化亜鉛からなる層19と、セレン化水銀からなる
層とのオーミックコンタクトが含まれる。金属コンタク
ト層13および14もまた、上記したように含まれる。クラ
ッド層16および17は、好ましくは1cm2あたり１×1018の
ドーパントがドーピングされている。また、層31は、好
ましくはLEDに対しては約1000Åの厚さであり、一方、
レーザに対しては100〜200Åの厚さである。さらに、セ
レン化テルル化亜鉛硫黄とセレン化テルル化亜鉛との多
重量子井戸が、クラッド層16とクラッド層17との間に設
けられるということも、当業者は容易に理解するとがで
きよう。
第23図は、ｎ形セレン化亜鉛基板51上に形成する上で
最適化された同様の構造を示すものである。基板15はセ
レン化亜鉛なので、この構造には硫黄が含まれていな
い。
テルルは、セレン化亜鉛およびセレン化亜鉛硫黄で等
電子トラップを形成することが知られている。この等電
子トラップによって、フォトルミネセンスおよびエレク
トロルミネセンス実験で測定されるように、青色／緑色
のスペクトル領域では広範囲帯の強い発光が起こる。発
光体の活性領域31にテルルを添加すると、セレン化亜鉛
にテルルを添加した場合と同様な等電子トラップが生ず
る。この結果、室温で緑色から青色／緑色スペクトル領
域に広範囲帯の強いフォトルミネセンスとエレクトロル
ミネセンスとの出力が得られる。このような出力は、ア
ロイ31に含まれるテルルの濃度に依存する。第24図は、
第22図に基づいて作製されたLEDのスペクトル出力（波
長対任意の強度）を示す。温度300゜Kおよび入力電圧50
mAのところで緑色LEDが示す絶縁効率ηの値は６×10-4
であり、また出力は85マイクロワットである。また、ピ
ーク波長は504nm、主波長は503nmである。さらに、光学
純度は61％である。材料の成長パラメータ、層の厚さ、
およびデパイスのパッケージングを最適化することによ
り、室温でのLED効率がさらに高くなると思われる。
ここで、本発明に基づく反転集積ヘテロ構造デバイス
100を示す第25図を参照する。反転集積ヘテロ構造デパ
イス100は、光ヘテロ構造11と電気ヘテロ構造12とを含
む。この光ヘテロ構造11は、既に報告されている光ヘテ
ロ構造11のいずれでもよく、あるいはよく知られている
他の青色から緑色にかけての発光構造（optical emissi
on structures）や、既知の、あるいは今後発見される
であろう他のII−VI族デバイスでもよい。第25図に示す
ように、発光ヘテロ構造11は、ｎ形セレン化亜鉛16と、
ｐ形セレン化亜鉛17との間に活性領域101を有する。こ
の活性領域101は、例えば、量子井戸、多重量子井戸、
またはグレーデッドインデックス形分離閉じ込めヘテロ
構造、あるいはよく知られた他の活性領域からなる。電
気ヘテロ構造12もｐ形セレン化亜鉛層17上に形成され
る。既に記載されているように、電気ヘテロ構造は、セ
レン化亜鉛水銀またはテルル化セレン化亜鉛の層19と、
この層19上に形成されたセレン化水銀の層18を有する。
層19は、既に記載されているようなグレーデッド層であ
ることが望ましい。
続けて第25図を参照する。透明オーミック電極102、
例えばｎ形酸化インジウムまたは酸化インジウムスズか
らなるもので、最も上のセレン化亜鉛層16へオーミック
コンタクトを設ける際に用いられれる。オーミック電極
13は、セレン化水銀層18に接触する。オーミック電極13
は、好ましくは光反射形金属オーミック電極、例えば
金、プラチナ、アルミニウム、またはインジウムからな
る。また上記構造は、好ましくは後述するように導電性
を持つ基板103を有する。
したがって、第25図の集積ヘテロ構造100は、従来の
ものと比べて反転したものとなっている。例えば、電気
ヘテロ構造12は光ヘテロ構造の下にあり、また発光はｎ
形セレン化亜鉛層16および透明オーミック電極102を介
して起こる。光ヘテロ構造102からセレン化水銀層18へ
向けての発光は、発光効率を高めるために、好ましくは
オーミック電極13によって反射される。
ここで、第26A図〜第26E図を参照しながら第25図の反
転集積ヘテロ構造デバイスの製造方法について説明す
る。まず、第26A図を参照する。発光体ヘテロ構造11お
よび電気ヘテロ構造12を、従来の構造に関して既に詳細
に記載されているように、セレン化亜鉛またはヒ化ガリ
ウム等の基板15上にエピタキシャルに形成する。
次に第26B図を参照する。セレン化水銀層18は、第１
のオーミック金属電極13、好ましくは金、プラチナ、ア
ルミニウムまたはインジウムのような反射形オーミック
金属電極によりメタライズされる。第２の基板103を設
ける。この第２の基板103は、該基板の反対の面に、そ
れぞれ、第２のオーミック金属電極104および第３のオ
ーミック金属電極105を有する。後述するように、基板1
03は、好ましくは導電性基板からなるもので、金属基
板、半導体基板、あるいは金属と半導体との組み合わせ
からなる基板であってもよい。また、例えば導電性エポ
キシまたはハンダなどの結合層が、第１のオーミック金
属電極13と第２のオーミック金属電極104との間に形成
する。層13および層104のいずれか、あるいはそれらの
両方に結合層106を設けることができることは、容易に
理解できよう。
第26C図を参照する。上記第１のオーミック金属電極1
3および第２のオーミック金属電極104を結合層16を介し
て接合し、単一構造を形成する。次に、第26C図に示す
ように，元の基板15を、例えば機械的ラッピングおよび
化学エッチングにより除去する。元の基板がヒ化ガリウ
ムである場合は特に、NH4OH:H2O2（1:10容量）からなる
エッチングストップ溶液を用いる。水酸化アンモニウム
（NH4OH）は標準溶液で、過酸化水素（H2O2）は30％溶
液である。この溶液によって容易にヒ化ガリウムを除去
することができる。しかし、セレン化亜鉛もしくはその
関連II−VI化合物をエッチングすることはできない。一
方、上記元の基板15がセレン化亜鉛である場合、機械的
ラッピングに続いて１％臭素含有メタノール溶液中で化
学エッチングを行い、さらに三塩化ホウ素ガスを用いて
反応性イオンエッチングを行う。その他の基板に関して
は、当業者によく知られたエッチング技術の中から適当
なものを用いることができる。
最後に第26E図を参照する。透明オーミック電極102を
ｎ形セレン化亜鉛層16上に形成する。適当な外部コンタ
クトは、層102および105に設けてもよく、また反射防止
コーティングを施してデバイスの封入を行ってもよい。
この場合、当業者が熟知した材料と方法が用いられる。
第26D図に示すように、集積ヘテロ構造をエピタキシ
ャルに形成するのに用いられた元の基板15を除去する。
II−VI族集積ヘテロ構造の成長にヒ化ガリウムを用いた
場合、セレン化亜鉛とヒ化ガリウムとの境界に、１ミク
ロンまたはそれ以上にわたってエピタキシャル層に突出
した高密度のミスフィットや他の転位が一般的に認めら
れる。第26A図〜第26E図の方法により、適当なエッチン
グ法を用いて元の基板15を除去した後に欠陥のある境界
層を除去できる。例えば、エッチングガスとして三塩化
ホウ素を用いる反応性イオンエッチングを行うことによ
り、ｎ形セレン化亜鉛の表面をエッチングしてそのよう
な欠損表面層を取り除くことができる。適当なソフトエ
ッチング（softetching）条件下で、セレン化亜鉛系構
造に顕著なダメージを与えることなく上記欠損表面層を
除去することができる。したがって、ヘテロエピタキシ
ーによる格子の不整合に関連した欠損は、暗線や、II−
IV族系青色／緑色発光体の寿命を制限する他の欠損の主
な原因の一つとなるが、反転集積ヘテロ構造により排除
される。
第27図〜第29図を参照して、本発明に基づく反転集積
ヘテロ構造に関する３つの例を説明する。第27図は発光
ダイオード、第28図は大面積発光ダイオード、さらに第
29図はレーザダイオードを示すものである。これらの実
施態様は、現在までの各用途に好適なエピタキシャル層
の組み合わせを説明するためのものである。しかし、当
業者によって集積ヘテロ構造デバイスに関する他の多く
の実施態様が可能であろう。
第27図は、発光ダイオード120の一例を示すものであ
る。この発光ダイオード120は、第26E図の集積ヘテロ構
造に、反射防止コーティング111と、透明オーミック電
極102に対する金属コンタクト112と、デバイスに印加す
るためのバイアス源113および114とを加えた場合に相当
する。上記反射防止コーティング111は、低屈折率の材
料、例えばフッ化マグネシウム（屈折率約1.35）からな
る単一層、高屈折率のZnS（屈折率約2.6）と低屈折率の
フッ化マグネシウム（屈折率約1.35）とを積層してなる
２層、あるいは反射防止材料を適当な数だけ重ねたもの
である。一方、LED120はランプとしてパッケージされ
る。この場合、ランプのエポキシ系材料は焦点レンズお
よび屈折率が1.5〜1.6の反射防止コーティングとして作
用する。
既に記載したように、本発明の反転プロセス（invers
ion process）は既に示したような導電性基板103元の集
積ヘテロ構造を接合する高導電性結合層106を用いる。
接合に先立って導電性基板103をプリ・メタライズ（pre
−metallize）およびアニーリングすることにより、そ
の両面に広範囲にわたるオーミックコンタクト104およ
び105を設ける。導電性基板103としては、特定の用途に
応じて、例えば、銅（放熱を目的とする）または濃度に
ドープした半導体（例えばヒ化ガリウムまたはシリコ
ン）、もしくはそれらの組み合わせ、または他の適当な
基板が用いられる。第27図のLED構造は、図示のように
電気的にバイアスされており、デバイスからの発光に必
要な順バイアス状態が形成される。
第27図の上記反転LED構造120はいくつかの重要な態様
を有する。第１に、上記デバイスは、最も熱を発生する
ものと予想され得る電気ヘテロ構造12が高導電性の基板
103に直接接触しているので、優れたヒートシンク特性
を有する。さらに、本発明の上記LED構造は、活性領域1
01内で発生した光のほとんどが外部への放射光となるよ
うに設計されており、これにより上記LEDの外部への発
光効率を十分に増やすことができる。これは頂部電極10
2が半透明であるという理由による。加えて、底部電極
は、金属13に続いて形成されたHgSeからなる極薄半透明
層18（厚さ約100Å）を含む。従って、底部電極は、上
記デバイスの活性領域内で発生した光のほとんどを頂部
透明電極102を介して上方におよび外部に反射する高反
射ミラーとして作用し、これによりデバイスの外部発光
となる付加的な重要な放射となる。
LEDの外部効率（パワー効率）は、全出力光を電気的
な入力で割った値として規定されている。現在商業的に
入手可能であり、金属電極を備えたIII−Ｖ族材料系の
従来のメサ型のLEDは、一般に、１〜２％（赤色LED）、
0.1％（緑色LED）および0.1％以下（青色シリコンカー
バイドLED）の外部効率を示す。室温で0.1％に近い外部
効率は、エピタキシャルオーミックコンタクトを含むII
−VI族半導体材料からなる集積ヘテロ構造として作製さ
れた青色／緑色LEDで達成された。しかしながら、上記I
I−VI族の発光によって生じた光のうち、上記デバイス
の外部放射として実際にデバイスを去るのは僅か１〜２
％だけであると評価されている。これはGaAsの屈折率
（約3.6）がZnSeの屈折率（約2.8）よりも大きいという
理由による。結果として、ZnSe層16とGaAs層15との界面
において内部の全反射がなく、II−VI族集積ヘテロ構造
のデバイスの上記活性領域内で生じた光のほとんど全て
がGaAs基板15によって吸収される。本発明の上記反転集
積ヘテロ構造は、上記光吸収GaAs基板15を排除し、その
GaAs基板15を半透明頂部電極102に置き換えることによ
って、この損失メカニズムを非常に減少させる。加え
て、ｐ型クラッド層17の底部に配されたミラー反射面13
は、この界面に当たる光のほとんどが有効な発光として
上記LEDの上方および外部に反射されるので、実質的に
外部への出力光を増やす。
頂部金属電極を有しGaAs基板上にメサとして製造され
た青色／緑色LEDと比較して、本発明の反転構造が理想
条件下で、20以上ほどのファクタによりLED構造の外部
効率を増すことが可能であることを理論計算は示す。
LEDからの外部光に影響を与える３つの主要な損失メ
カニズムが存在する。第１のメカニズムは、半導体媒体
内の吸収損失である。活性領域がこの活性領域を囲むク
ラッド層より小さいエネルギで発光する二重ヘテロ構造
を採用することによって吸収損失が最小限となる。第27
図のLED構造では、上記媒体および反射するベース内の
吸収（吸収効率）のための全損失は、ηａ≧0.8である
と評価されている。
第２のLED損失メカニズムは、半導体媒体の屈折率
n1、反射防止コーティングの屈折率n2、および、上記デ
バイスの活性領域からの光の外気への伝達に影響を与え
る外気の屈折率n3＝１を考慮に入れた“フレネル損失”
による。屈折率n1およびn2の材料間の界面と関連したフ
レネル損失効率のファクタηＦは次の（３）式によって
与えられる： ηＦ＝4/［２＋（n1/n2）＋（n2/n1）］ （３） 例えば、ヒューレットパッカード社オプトエレクトロニ
クス部のスタッフによって作成され、1981年にニューヨ
ークー州、マグローヒルブックカンパニー（マグローヒ
ルブックNo.0−07−028606−Ｘ）によって出版された
「オプトエレクトリック／ファイバーオプティクス応用
マニュアル（Optoelectronics/Fiber−Optics Applicat
ions Manual）」第２版、第１章および第２章を参照さ
れたい。（LEDランプ製造に用いられる一定のエポキシ
で実現可能である）屈折率n2＝1.6の反射防止コーティ
ングを備えた第27図のLED構造では、上記評価されたフ
レネル損失効率が半導体とエポキシとの界面でファクタ
ηＦ＝0.93あり、エポキシと空気との界面でファクタη
Ｆ＝0.94である。従って、カプセルに内包されたランプ
として第27図のLED構造に関する全フレネル損失効率は
次の通りである。
ηＦ＝（0.93）×（0.94）＝0.88 第３の主要な損失ファクタは臨界角度（criticalangl
e）損失である。エポキシ製のドーム型レンズ（標準ラ
ンプパッケージ）を備えた第27図のLED構造に関し、臨
界角度効率は次の（４）式で与えられる： ηｃ＝（n2/n1）２ （４） 例えば、ヒューレットパッカード社オプトエレクトロニ
クス部のスタッフによって作成され、1981年にニューヨ
ーク州、マグローヒルブックカンパニー（マグローヒル
ブックNo.0−07−028606−Ｘ）によって出版された「オ
プトエレクトリック／ファイバーオプティクス応用マニ
ュアル（Optoelectronics/Fiber−Optics Applications
Manual）」第２版、第１章および第２章を参照された
い。従って、エポキシ製のドーム型レンズを備えた第27
図のLED構造に関し、上記臨界角度効率は ηｃ＝（1.6/2.8）２＝0.32 従って、上述の評価された本発明のLEDデバイスの全外
部効率は、次の（５）式によって与えられる： ηtotal＝（ηａ）×（ηＦ）×（ηｃ） ＝（0.8）×（0.8）×（0.32）＝0.22 （５） 従って、ドーム型ランプ形態内にパッケージされた本発
明は、22％までの外部効率の青色／緑色LEDを製造する
ことができる。先行する分析は、一まとまり（上記デバ
イスの活性領域内における各電子−正孔対の組み換え当
たりの１光子）の内部変換効率を推定している。しかし
ながら、仮に半導体媒体の内部効率が僅か５％であると
しても、１％より大きい外部効率のLEDは製造可能であ
る。
従って、本発明は、多くの異なる応用に必要とされる
高輝度の青色／緑色LEDを得るものである。III−Ｖ材料
からなる高輝度の赤色LED（GaP基板上のGaAsP接合）
は、既に入手可能である。本発明は、赤、緑および青の
主要の三色を合わせたものを基礎とした高輝度フルカラ
ー表示構成のために不可欠なエレメントを提供する。
第28図を参照するに、第27図に記載された構造は大面
積発光ダイオード（LED）の製造に適当である。大面積L
EDは、高輝度の光出力を必要とする用途に、および７分
割表示、幾何的形状、または会社ロゴタイプなど放射光
のパターニングを必要とする場合に望ましい。大面積で
かつ反転集積ヘテロ構造のLEDデバイスの例としては第2
8図に示されている。上記構造130は上述のように製造さ
れる。標準的なフォトリソグラフィ技術は大面積デバイ
スの表面を幾何学的に画定するのに用いられる。加え
て、上記デバイスは金属格子電極112a−112nを備え、こ
れにより頂部透明電極との良好な電気的接触を保証す
る。
大面積デバイスに関し、デバイスが動作条件下で数ワ
ットの入力電圧を必要とすることから、適当なヒートシ
ンクが必要である。導電性基板103が必要に応じてファ
ン冷却または氷冷されて銅ブロックヒートシンクとなり
得るので、第28図に示された上記大面積、反転IHD LED
構造はデバイスの優れたヒートシンクを提供する。
第29図を参照するに、本発明に従うレーザダイオード
の一実施例が記述されている。レーザダイオード140
は、第27図に関し既に記述されたように製造されるが、
主な相違点は次の通りである： （１）第26A図のオリジナル構造は結晶学的方位の格子
整合第２基板103に接合される。GaAsまたはZnSeのいず
れかは好ましい基板材料として選択される。
（２）標準的なフォトリソグラフィの手順を用いてエッ
チングおよび金属被覆ステップが終了した後に、上記構
造の底面および側壁部は不動態層115の表面で保護され
ている（第29図）。硫化亜鉛、二酸化シリコン、または
窒化シリコンは現在不動態物／絶縁物に選択されてい
る。
（３）ウエハを、その後、〜1mm幅の帯片に切断し、各
帯片をそれぞれいくつかのレーザ共振器となるように劈
開する。劈開操作では、格子整合され、かつ方位を合わ
せた基板103の使用を必要とする。適当に格子整合さ
れ、かつ方位を合わせた基板上の（100）方位エピタキ
シャルウエハに関し、上記レーザデバイスの劈開された
表面は一組の｛110｝劈開面を露出する筈である。（11
1）方位エピタキシャルウエハに関し、上記劈開された
面は、また、一組の同方向の｛110｝劈開面にも対応し
なければならない。250−1000μｍの共振長はレーザダ
イオードへの用途に好ましい。
上記レーザダイオード140の動作は、第29図に示され
た全体の回路を流れた電流が回路内のどの等電位の位置
でも、いつも、dcバイアスおよび多数パルスバイアス適
用下で一定であると説明される。結果として、電流密度
は、第29図の領域17における矢印によって示されている
ように、上記デバイス構造の小断面領域において、より
高くなり、大断面領域において、より低くなるであろ
う。特に、もしHgSeコンタクト層18近傍のｐ型領域17の
断面領域がAcであり、デバイス101の活性領域の断面領
域がAdであれば、電流密度JcおよびJdは、電流Ｉの保存
条件： Id＝Ic （６） によって関係付けられる。すなわち、上記（６）式は JdAd＝JcAc （７） となり、よって Jd＝（Ac/Ad）Jc （８） となる。
等式（６）は、Ac/Ad大きいとした場合に、中程度の
電流密度Jcがｐ型コンタクト領域17に適用されたとき
に、上記デバイスの活性領域における大電流密度Jdが可
能であることを示している。例として、10μｍ幅および
1mm長の活性領域を有し、上記デバイスの活性領域にお
ける室温での電流密度閾値条件が400−800A/cm2である
レーザダイオード（現在まで性能が実証された青色／緑
色レーザダイオード）は、コンタクト領域の断面積が10
-2cm2（1mm×1mmをコンタクト面積の基準とする）であ
り、かつ、ｐ形セレン変亜鉛層17が高い導電性を有して
いるならば、等式（８）によって与えられているよう
に、ｐ形コンタクト領域において約0.8A/cm2の電流密度
を必要とするだけであろう。これは、大面積ｐ形コンタ
クト上のｐ形クラッド層が実際に高い導電性であると仮
定すると、第29図のレーザ構造に対するターンオン電圧
が4V以下であろうということを意味する。
上記ｐ形クラッド層の導電性は、現在ｐ形ドーピング
技術によって、室温での立方センチメートル当たり約１
×1018までの正孔数に限られている。従って、第29図の
構造と関連した横方向の電圧降下があり、これは実際の
電流の拡がりを制限するであろう。
今日までの制限にも拘わらず、第29図のレーザダイオ
ードは、現在金属コンタクトを備えた青色／緑色II−VI
族レーザダイオードに対して必要とされた20−40Vの動
作電圧を十分に下回る動作電圧を有する。この低下した
動作電圧は、上記構造を加熱し続ける入力電力が直接電
圧に比例するので、十分に低下した熱の影響によって達
成されるであろう。加えて、より低い動作電圧は、他の
全てのファクタが等しければ、より高いデバイス効率を
意味する。これによって、改良されたレーザダイオード
が提供される。
図面および明細書において、本発明の典型的な好まし
い実施例が開示され、特定の用語が用いられているが、
それは限定的な意図でなく、一般的かつ記述的な意味に
おいてのみ用いられており、本発明の範囲は次の請求の
範囲に述べられている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０５４，０４０ (32)優先日 平成５年４月28日(1993．4．28) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (56)参考文献 特開 平７−283165（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−259509（ＪＰ，Ａ) Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ, Ｖｏｌ．111 Ｎｏｓ．１／４，ｐ．829 −832 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (34)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ｐ形セレン化亜鉛（ZnSe）もしくはそのア
    ロイの層を含む発光ヘテロ構造を有するII−VI族化合物
    半導体素子のオーミックコンタクトであって、 前記ｐ型ZnSeもしくはそのアロイの層上のセレン化水銀
    亜鉛（ZnxHg1-xSe）層またはテルル化セレン化亜鉛（Zn
    TexSe1-x）層で、０＜ｘ＜１の層と、 前記ZnxHg1-xSeまたはZnTexSe1-xの層上のセレン化水銀
    （HgSe）層と、 前記HgSe層上の導体層と を含むことを特徴とするオーミックコンタクト。
  2. 【請求項２】前記ZnxHg1-xSeまたはZnTexSe1-xの層でｘ
    が一定で、ステップグレーデッド形のZnxHg1-xSeまたは
    ZnTexSe1-xの層を形成することを特徴とする請求項１に
    記載のオーミックコンタクト。
  3. 【請求項３】前記ZnxHg1-xSeの層の厚さ方向に前記ZnSe
    層から前記HgSe層に向かってｘが減少し、グレーデッド
    形のZnxHg1-xSeの層を形成することを特徴とする請求項
    １に記載のオーミックコンタクト。
  4. 【請求項４】前記ZnxHg1-xSeの層の厚さ方向に前記ZnSe
    層から前記HgSe層に向かって、直線状に、非直線状にま
    たは放射線状にｘが減少し、直線状グレーデッド形、非
    直線状グレーデッド形または放射線状グレーデッド形の
    ZnxHg1-xSeの層を形成することを特徴とする請求項３に
    記載のオーミックコンタクト。
  5. 【請求項５】前記ZnxHg1-xSeまたはZnTexSe1-xの層の少
    なくとも一部がｐ形であることを特徴とする請求項１に
    記載のオーミックコンタクト。
  6. 【請求項６】前記HgSeが、前記ZnxHg1-xSeまたはZnTexS
    e1-xの層に対するオーミックコンタクトを形成するほど
    充分に厚く、かつ、前記発光ヘテロ構造を通しての放出
    光を通過するほど前記HgSeが充分に薄いことを特徴とす
    る請求項１に記載のオーミックコンタクト。
  7. 【請求項７】前記HgSe層が100Å未満の厚さであること
    を特徴とする請求項６に記載のオーミックコンタクト。
  8. 【請求項８】前記導体層が透明導体層であることを特徴
    とする請求項６に記載のオーミックコンタクト。
  9. 【請求項９】前記導体層が酸化インジウムスズであるこ
    とを特徴とする請求項８に記載のオーミックコンタク
    ト。
  10. 【請求項１０】前記ｐ型セレン化亜鉛もしくはそのアロ
    イの層を含む発光ヘテロ構造と、請求項１乃至９何れか
    に記載のオーミックコンタクトとを備えることを特徴と
    するII−VI族化合物半導体素子。
  11. 【請求項１１】互いに向かい合う第１および第２の面を
    有しており、該第１の面には前記ｐ形セレン化亜鉛（Zn
    Se）もしくはそのアロイの層を備えた発光ヘテロ構造
    と、 前記発光ヘテロ構造の前記第２の面上に設けられ、前記
    発光ヘテロ構造からの放出光の通過を許容する透明オー
    ミック電極と、 請求項１乃至９何れかに記載のオーミックコンタクトと
    を備えることを特徴とするII−VI族化合物半導体素子。
  12. 【請求項１２】前記導体層は、前記発光ヘテロ構造から
    当該発光ヘテロ構造中に戻る放出光を反射する、任意の
    反射形導体層であることを特徴とする請求項11に記載の
    II−VI族化合物半導体素子。
  13. 【請求項１３】前記導体層上の前記HgSe層の反対側に、
    さらに基板を有することを特徴とする請求項11に記載の
    II−VI族化合物半導体素子。
  14. 【請求項１４】前記基板が、前記半導体素子の動作によ
    り発生する熱を放射するほど充分に熱伝導性を有する金
    属基板であることを特徴とする請求項13に記載のII−VI
    族化合物半導体素子。
  15. 【請求項１５】前記基板が、高濃度にドープされたｎ形
    単結晶半導体基板であることを特徴とする請求項13に記
    載のII−VI族化合物半導体素子。
  16. 【請求項１６】前記導体層上の前記発光ヘテロ構造とは
    反対側に、さらに、前記透明オーミック電極からの大面
    積放出光をつくるための、金属グリッド電極を有するこ
    とを特徴とする請求項11に記載のII−VI族化合物半導体
    素子。
  17. 【請求項１７】ｐ型セレン化亜鉛（ZnSe）もしくはその
    アロイの層を含むII−VI族化合物半導体素子のオーミッ
    クコンタクトの製造方法であって、 前記ｐ型ZnSeまたはそのアロイの層上に、セレン化水銀
    亜鉛（ZnxHg1-xSe）層またはテルル化セレン化亜鉛（Zn
    TexSe1-x）の層で、０＜ｘ＜１の層をエピタキシャルに
    形成するステップと、 前記ZnxHg1-xSeまたはZnTexSe1-xの層上に、セレン化水
    銀（HgSe）層をエピタキシャルに形成するステップと、 前記HgSe層上に導体層を形成するステップと を含むことを特徴とするオーミックコンタクトの製造方
    法。
  18. 【請求項１８】前記セレン化亜鉛水銀層またはテルル化
    セレン化亜鉛層はｘが一定でエピタキシャルに形成さ
    れ、ステップグレーデッド形のZnxHg1-xSeまたはZnTexS
    e1-xの層を形成することを特徴とする請求項17に記載の
    オーミックコンタクトの製造方法。
  19. 【請求項１９】前記セレン化亜鉛水銀層の厚さ方向に前
    記ZnSe層から前記HgSe層に向かってｘが減少するように
    エピタキシャルに形成され、グレーデッド形のZnxHg1-x
    Seの層を形成することを特徴とする請求項17に記載のオ
    ーミックコンタクトの製造方法。
  20. 【請求項２０】前記ZnxHg1-xSeまたはZnTexSe1-xの層の
    少なくとも一部がｐ形であることを特徴とする請求項17
    に記載のオーミックコンタクトの製造方法。
  21. 【請求項２１】亜鉛系II−VI族化合物半導体材料の第１
    のヘテロ構造を、第１のチャンバ中で形成するステップ
    と、 前記第１のヘテロ構造上にオーバーコート層を、前記第
    １のチャンバ中で形成するステップと、 前記オーバーコート層を含む前記第１のヘテロ構造を第
    ２のチャンバに搬送するステップと、 前記第２のチャンバ中で前記オーバーコート層を除去す
    るステップと、 前記第１のヘテロ構造上に水銀系II−VI族化合物半導体
    材料の第２のヘテロ構造を、前記第２のチャンバ中で形
    成するステップと を含むことを特徴とするII−VI族化合物半導体素子の製
    造方法。
  22. 【請求項２２】前記第１のヘテロ構造形成ステップが、
    第１の分子線エピタキシーチャンバ中で前記第１のヘテ
    ロ構造をエピタキシャルに堆積するステップを含むこと
    を特徴とする請求項21に記載のII−VI族化合物半導体素
    子の製造方法。
  23. 【請求項２３】前記第２のヘテロ構造形成ステップが、
    第２の分子線エピタキシーチャンバ中で前記第２のヘテ
    ロ構造をエピタキシャルに堆積するステップを含むこと
    を特徴とする請求項21に記載のII−VI族化合物半導体素
    子の製造方法。
  24. 【請求項２４】前記オーバーコート層形成ステップが、
    前記第１のヘテロ構造上にセレンオーバーコート層を形
    成するステップを含むことを特徴とする請求項21に記載
    のII−VI族化合物半導体素子の製造方法。
  25. 【請求項２５】前記搬送ステップが、室温大気圧条件下
    で行われることを特徴とする請求項24に記載のII−VI族
    化合物半導体素子の製造方法。
  26. 【請求項２６】第１の基板上に、この第１の基板とは反
    対側にｐ形セレン化亜鉛（ZnSe）もしくはそのアロイの
    層を含む発光ヘテロ構造と、前記ｐ形ZnSeもしくはその
    アロイの層上のセレン化亜鉛水銀（ZnxHg1-xSe）層また
    はテルル化セレン化亜鉛（ZnTexSe1-x）層であって０＜
    ｘ＜１である層と、前記ZnxHg1-xSe層または前記ZnTexS
    e1-xの層上の前記発光ヘテロ構造の反対側のセレン化水
    銀（HgSe）層とを形成するステップと、 前記HgSe層を第２の基板に接合するステップと、 前記第１の基板を除去するステップと を含むことを特徴とするII−VI族化合物半導体素子の製
    造方法。
  27. 【請求項２７】前記結合するステップが、 前記HgSe層上の前記発光ヘテロ構造とは反対側に第１の
    オーミック金属電極を形成するステップと、 前記第２の基板上に第２のオーミック金属電極を形成す
    るステップと、 前記第１および第２のオーミック金属電極を相互に結合
    するステップと を含むことを特徴とする請求項26に記載のII−VI族化合
    物半導体素子の製造方法。
  28. 【請求項２８】前記第１および第２のオーミック電極同
    士を接続するステップが、前記第１および第２のオーミ
    ック金属電極を導電性結合層を介して相互に接続するス
    テップを含むことを特徴とする請求項27に記載のII−VI
    族化合物半導体素子の製造方法。
  29. 【請求項２９】前記第１および第２のオーミック電極同
    士を接続するステップが、前記第１および第２のオーミ
    ック金属電極を相互にはんだ付けするステップを含むこ
    とを特徴とする請求項27に記載のII−VI族化合物半導体
    素子の製造方法。
  30. 【請求項３０】前記除去するするステップに続き、前記
    発光ヘテロ構造上の前記ｐ形セレン化亜鉛もしくはその
    アロイの層に対して反対側に透明オーミック電極を形成
    するステップを有することを特徴とする請求項26に記載
    のII−VI族化合物半導体素子の製造方法。
  31. 【請求項３１】前記第２の基板が導電性基板であり、前
    記方法はさらに、前記第２の基板上の前記第２の金属電
    極に対して反対側に第３のオーミック金属電極を形成す
    るステップを有することを特徴とする請求項27に記載の
    II−VI族化合物半導体素子の製造方法。
  32. 【請求項３２】前記発光ヘテロ構造を形成するステップ
    が、前記第１の基板上に前記第１のヘテロ構造をエピタ
    キシャルに堆積するステップを含むことを特徴とする請
    求項26に記載のII−VI族化合物半導体素子の製造方法。
  33. 【請求項３３】前記第２の基板が第２の半導体基板を有
    し、前記発光ヘテロ構造が所定の結晶学的方位を有し、
    前記結合ステップが前記HgSe層と前記第２の半導体基板
    とを前記所定の結晶学的方位で結合するステップを含む
    ことを特徴とする請求項26に記載のII−VI族化合物半導
    体素子の製造方法。
  34. 【請求項３４】前記結合するステップに続き、前記発光
    ヘテロ構造および前記第２の半導体基板を劈開し、複数
    の半導体レーザを作製するステップを有することを特徴
    とする請求項33に記載のII−VI族化合物半導体素子の製
    造方法。
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