JP3373706B2

JP3373706B2 - 多層構造半導体装置

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Publication number: JP3373706B2
Application number: JP23442795A
Authority: JP
Inventors: ジョン・レニー; パーブルック・ピーター; 幸江西川; 玄一波多腰
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2015-09-12
Also published as: JPH0982729A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＺｎＳｅ系またはＧ
ａＮ系発光ダイオ−ド、レ−ザダイオ−ドの高性能化、
高信頼化、および経済化に関するものである。またＺｎ
Ｓｅ系高速ＦＥＴのチャネル部分および共鳴トンネルダ
イオ−ドの基板界面に、本発明を適用することにより、
その性能向上を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】Ｃｄ_xＺｎ_yＭｇ_1-x-yＳ_zＳｅ_1-z
（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）ＩＩ−ＶＩ
族混晶化合物はＰ形のド−ピングが困難で、装置開発の
障害となってきたが、最近窒素を添加することにより、
高濃度のＰ形結晶が始めて得られるようになったため、
これらの化合物を用いた高輝度の青色発光ダイオー
ド、レーザーダイオードの開発が急速に進展した（以下
特に必要な場合を除き組成を表示するサフィックスを省
略する）。しかし、これら全てのＩＩ−ＶＩ族Ｐ形混晶
半導体は仕事関数の値が大きいため、Ｐ形のＩＩＩーＶ
族基板、または表面に同種のＩＩＩーＶ族をバッファと
して成長したＰ形基板との間にオーミックな特性を付
与することが極めて困難である。同様な問題はＮ形のＩ
Ｉ−ＶＩ族、ＩＩＩーＶ族化合物半導体の界面にも生ず
る。

【０００３】これらの問題は、境界面におけるヘテロ障
壁の発生状況により定められるが、この障壁は界面のス
トイキオメトリー制御等の従来技術によっては、容易に
除去することができない。伝導性のバルク結晶を基板と
して用いるかわりに、絶縁性の基板を用いてＰ形および
Ｎ形の電極を共に装置の表面側から取り出す方法も試み
られたが、ウエハーからとれるチップ数が減少するこ
と、余分の工程が必要となることから経済性に問題があ
る。従って、ＩＩＩーＶ族基板とＩＩ−ＶＩ族エピ層と
の間に生ずるヘテロ障壁を通して良好な伝導性を確保す
る他の手段の開発が必要となる。

【０００４】またＩＩ−ＶＩ族混晶半導体発光装置の効
率向上のためには、基板とエピ層のオーミック特性改善
のほか、光ガイド層とクラッド層の伝導帯および価電子
帯の不連続性を最適化することにより、キャリヤ閉じ込
め効果が十分に生じなければならない。このためには、
キャリャ閉じ込めに十分な大きさの禁制帯幅を持ったＭ
ｇを含むＭｇＺｎＳＳｅ混晶を用いなければならない。
しかし、この混晶系はＭｇの組成を増加するとアクセプ
タ濃度が低下し、抵抗値が高くなると共に化学的に不安
定になるいう問題を生ずる。高い効率を得るのに必要な
キャリヤ閉じ込め効果を得るためには、高いＭｇ組成が
必要であるが、前記の問題のため動作電圧が高く、低効
率で寿命の短い装置しか得られなかった。ＧａＮについ
ても同様な問題がある。ＧａＮ系発光装置ではＡｌＧａ
Ｎ系のクラッド層がＧａＮに対して大きなバンドオフセ
ットを示すので、高効率動作にとって有望と考えられ
る。しかしＩＩ−ＶＩ族と同様、Ａｌの組成が増すとＰ
形不純物のドーピング効率が激しく低下し、例えばＡｌ
組成がレーザ動作に必要な０．１５程度の低い値であっ
ても、その抵抗値はレーザとして動作するには高すぎる
値となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、共にＰ形またはＮ形のヘテロ接合界面に大
きなヘテロ障壁を生ずる場合、動作電流を流したときに
障壁部分に生ずる電圧降下を小さくすることにある。ま
た同様の方法を障壁部分に適用することにより、高価な
安定化電源を使用することなく、自己電流制御機能を備
えて安定な発光特性を示す装置を提供しようとするもの
である。

【０００６】本発明の他の課題は、ＺｎＳｅ系およびＧ
ａＮ系発光装置のクラッド層の材料が、装置の動作電流
を流すに十分な濃度でＰ形にするのが難しい点にある。
このため、装置の動作電圧は過大となり、またレーザ発
光も困難になる。これを解決する技術的手段を見いだす
ことは発光ダィオードおよびレーザの性能向上にとって
極めて重要な課題である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ヘテロ障壁を低抵抗化す
るに有効な本発明の技術的手段は、ヘテロ接合形成時に
ヘテロ界面に点欠陥を生ずる不純物を照射することによ
り、共にＮ形またはＰ形のヘテロ界面に生じた障壁を、
トンネル電流により電子、正孔が通過できるようにする
ことである。同様に点欠陥を生ずる不純物をヘテロ界面
の近傍５０ｎｍ程度の領域に添加することによっても障
壁を通過するトンネル電流を増加することができる。ま
たヘテロ界面に導入する不純物量を制御することによ
り、トンネル電流に電流飽和領域を生じさせ、発光装置
の出力安定化に利用しようとするものである。

【０００８】前記ヘテロ界面を形成する第１の化合物半
導体は、好ましくは２元または多元のＩＩＩーＶ族であ
り、第２の化合物半導体は２元または多元のＩＩ−ＶＩ
族もしくは２元または多元のＩＩＩーＶであるときに本
発明の技術的手段が適用される。また第１の化合物半導
体がＰ形のＳｉＣもしくはナイトライドを含まない２元
または多元のＰ形のＩＩＩーＶ族であり、第２の化合物
半導体がＡｌＧａＩｎＮより構成される２元または多元
のＰ形のＩＩＩーＶ族ナイトライドである場合にも本発
明が適用される。このとき界面に照射する不純物の種類
は、第１の化合物半導体および第２の化合物半導体が共
にＮ形の場合、好ましくはＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉのい
ずれかであり、共にＰ形の場合、好ましくはＡｕ、Ｃ
ｕ、Ｓｂ、Ｃｓのいずれかが用いられる。

【０００９】本発明の他の技術的手段は、発光装置のキ
ャリヤ閉じ込め効果を増加するために、光ガイド層とク
ラッド層の間に数原子層の界面層を設けることにより、
伝導帯および価電子帯に生ずるバンドオフセットの量を
制御する方法を用いることにある。この方法を用いるこ
とにより、従来ＺｎＳｅ系およびＧａＮ系使用したクラ
ッド層よりもずっと抵抗の低い材料を、当該クラッド層
として利用することができるようになる。このことから
前記界面層の導入により、ＺｎＳｅおよびＧａＮ発光装
置の高効率化を容易に進めることができる。

【００１０】またアンド−プＺｎＳｅをチャネルとする
多層ヘテロ構造の高速ＦＥＴにおいて、チャンネルを形
成する第１のアンドープＺｎＳｅと第２のアンドープＺ
ｎＳｅの間に、好ましくは厚さ０．５〜２原子層の格子
整合性を有しない界面層を導入することにより、２次元
電子ガスの高速性を発揮することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図面に基づき第１の実施の形
態について説明する。ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩーＶＩ族界面
に点欠陥を生ずる不純物を照射したときの効果を調べる
ために、次のようにしてＧａＡｓーＺｎＳｅヘテロ接合
界面を有するサンプルを作製した。まずＳｉ添加Ｎ形Ｇ
ａＡｓ基板をＭＢＥチャンバーに入れＡｓのフラックス
を照射して酸素を除去する。Ｓｉ添加ＧａＡｓを１原子
層だけ照射した後、真空中で第２のＭＢＥチャンバーに
移送する前に、Ｃ、Ｉ、Ｆｅ、Ｂ、Ｇｅ等の種々の不純
物の一つを照射する。照射量はＧａＡｓにデルタドープ
した標準サンプルのＳＩＭＳ測定と、不純物原子の成長
に対応するＲＨＥＥＤ振動より求めた。ここで照射量は
０．１原子層（約５×１０¹³ｃｍ^-2）程度までである。
これ以上照射量を増すと強いクラスタの発生が起こり、
その後の成長層の結晶性を悪化させる。

【００１２】照射後ウェーハを真空中で第２のＭＢＥチ
ャンバーに移し、塩素を添加した薄いＮ形のＺｎＳｅ層
を成長する。ウエハを取り外しＧａＡｓ基板の下面とＺ
ｎＳｅの上面に電極を設け、電流電圧特性を測定する。
上面と下面に設けた電極のオーミック特性は、良好であ
ることを確認する。点欠陥を生ずる不純物照射の評価は
前記多種の元素について行っているが、ここではほう素
Ｂについての結果を述べる。サンプル界面に照射したＢ
の量はＳＩＭＳ測定より求めた。

【００１３】まず不純物を照射しない正常サンプルのＩ
−Ｖ特性は図１の１０１に示すようにダイオード的な特
性になる。Ｂの照射量はそれぞれ単位面積当たり１０⁸
（１０２）、１０⁹（１０３）、１０¹⁰（１０４）、１
０¹¹（１０５）、１０¹²（１０６）、１０¹³（１０
７）、５×１０¹³（１０８）である。図に示すように、
Ｂの照射量を増すと共にダイオード的な特性が消失し、
よりオーミックな特性が得られる。

【００１４】電流飽和を生ずる電流密度レベルもＢの照
射量と共に増大する。電流密度１ｋＡｃｍ^-2程度の電流
密度を得るためには、少なくとも１０¹¹ｃｍ^-2のＢ照射
が必要である。１０¹⁴ｃｍ^-2以上の高い表面濃度の照射
も試みたが、ＺｎＳｅ中に高い濃度の欠陥が発生し、高
品質の結晶が得られないことがわかった。

【００１５】このようなＺｎＳｅ層を基にして、図２に
示すようなＩＩ−ＶＩ族レーザダイオードを作製した。
図２においてＮ形ＧａＡｓ基板２の上にエピ結晶成長層
の結晶性を改善するためのＮ形ＧａＡｓバッファ層３を
成長し、これにＮ形ＺｎＳｅ４、Ｎ形ＺｎＳＳｅ５、ク
ラッド層のＮ形ＭｇＺｎＳＳｅ６、光ガイド層のＮ形Ｚ
ｎＳＳｅ７、Ｐ形ＺｎＣｄＳｅ−ＺｎＳＳｅよりなる２
つの量子井戸構造光活性層８、Ｐ形ＺｎＳＳｅ光ガイド
層９、Ｐ形ＭｇＺｎＳＳｅクラッド層１０よりなり、そ
のその上にＰ形のＺｎＳｅ−ＺｎＴｅ超格子よりなるＰ
形コンタクト層１１を成長成長する。このように構成さ
れた多層構造の上面にストライプ形の金属電極１２と、
基板の下面に金属電極１を全面に設ける。

【００１６】第１のサンプルは図２の構成でＧａＡｓー
ＺｎＳｅ境界にはなにも照射せず、第２のサンプルはＢ
を１０¹³ｃｍ^-2照射したものである。レーザ共振器は通
常のようにへき解により作製した。出力１ｍＷの室温連
続動作において、Ｂを照射しない第１のサンプルでは、
動作電圧は５Ｖであったが、照射したサンプルは２．５
Ｖとずっと小さい動作電圧を示した。低電圧動作のサン
プルは発熱量が小さいので、約１０倍の寿命が得られ
る。

【００１７】次に再び図１に基づき第２の実施の形態に
ついて説明する。図１の電流電圧特性にはトンネル効果
の飽和に基づく明確な飽和現象がみられる。これを利用
すれば電流制限機能を内蔵した発光ダイオ−ド、レーザ
ダイオードを作ることができる。例えば前記のレーザダ
イオードは、電流密度１ｋＡｃｍ^-2で２ｍＷの出力が得
られたが、Ｂを３×１０¹²ｃｍ^-2添加したレーザダイオ
ードでは、４Ｖ〜６Ｖの範囲で安定した出力が得られ
た。したがってＢ照射により、通常安定な光出力を得る
ために要求される電源電圧の安定性は問題にならなくな
る。発光ダイオードについては、電流制限機能はもっと
低いＢ照射量により得られる。

【００１８】つぎに第３の実施の形態について説明す
る。本実施の形態においては、Ｐ形のＧａＡｓーＺｎＳ
ｅ界面の不純物照射の有無につき、第２の実施の形態と
同様の比較を行った。この場合有効な不純物はＣｕ、Ａ
ｕ、Ｃｓ、Ｓｂである。Ａｕを不純物として１０¹³ｃｍ
^-2の照射をすれば、ＺｎＳｅ−ＧａＡｓの界面は数百Ａ
ｃｍ^-2までオーミックな電流電圧特性を示す。この値は
ＧａＡｓバッファ層の最後の１０ｎｍの厚さの部分に１
０¹⁷〜１０¹⁸ｃｍ^-3のＡｕを添加することにより、１ｋ
Ａｃｍ^-2まで改善される。前述したようにこの方法もト
ンネル電流を増加するのに有効である。同様の効果はＺ
ｎＳｅ側の境界近傍にＡｕを添加することによっても得
ることができる。

【００１９】第１の実施の形態で説明したレーザダイオ
ードと同様のものを、上記Ｐ形ＧａＡｓ基板上にも形成
することができる。このときＰ形のクラッド層、ガイド
層に引き続きＮ形のガイド層、クラッド層を成長する。
高濃度の薄いＮ形ＺｎＳｅが最終の金属電極下地として
用いられる。この場合もＰ形ＧａＡｓとＰ形ＺｎＳｅの
界面へのＡｕ照射の有無により、動作電圧を１２Ｖから
３．５Ｖに引き下げることができた。この動作電圧はＰ
形のＩｎＧａＰあるいはＩｎＡｌＰ層をＰ形のＧａＡｓ
ーＺｎＳｅの間に導入することにより、さらに３Ｖに引
き下げられる。このときの照射界面は、ＩＩ−ＶＩ族Ｍ
ＢＥチャンバーに移す前のＩｎＧａＰまたはＩｎＡｌＰ
の表面である。

【００２０】次に図３に基づき、第４の実施の形態につ
いて説明する。青色発光ダイオードとして注目されるＧ
ａＮは、絶縁性のサファイヤ基板に成長し、Ｐ形層、Ｎ
形層の電極を共に表面側から取り出すように構成され
る。これに対してＳｉＣまたはＧａＡｓ基板を用いる方
法も提案され、特にＳｉＣ１４はＧａＮ１５と結晶系が
同じでかつＰ形にもＮ形にもなり格子定数も近いので、
ＧａＮの基板として有望である。しかし、Ｐ形について
は約１ｅＶに達するバンドオフセットがあるために問題
を生ずる。

【００２１】この場合ＳｉＣにＡｌを添加してＰ形と
し、その（０００１）面を清浄化した後、２チャンバー
システムに入れる。最初ウエハーを真空中で加熱しＣｕ
を照射する。つぎにＭＯＶＰＥに移して、ＩｎＧａＮ活
性層１８を有するＧａＮーＰＮダイオードを成長する。
このときＵＶ発光させるため、活性層はアンドープとな
っている。標準的な光出力を得るために必要な電圧の、
Ｃｕ照射量依存性を図４に示す。Ｃｕを１０¹³ｃｍ^-2照
射することにより、動作電圧を２０Ｖから３Ｖまで下げ
ることができた。この改善により、ＧａＮ発光ダイオー
ドの経時劣化を約１桁引き下げることができる。

【００２２】次に図５に基づき第５の実施の形態につい
て説明する。ＧａＮ発光ダイオードの基板として、その
性質が十分把握されかつ容易に入手できるＩＩＩーＶ
族、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の材料を用いる
ことができる。このとき約３ｅＶという非常に大きい価
電子帯のオフセットを生ずる。したがって例えばＰ形Ｇ
ａＡｓ２４上に成長したＧａＮ発光ダイオードは、界面
にミスフィット欠陥が存在し、前記トンネル効果が動作
電圧の低減に有効であるにもかかわらず、発光のオン電
圧は高い。Ｐ形ＧａＡｓ２４とＰ形ＧａＮ２５の界面へ
の１０¹³ｃｍ^-2のＣｕ照射の有無につき前記同様の比較
を行い、Ｃｕ照射により図５に示すＧａＮ発光ダイオー
ドの動作電圧を、２５Ｖから６Ｖに引き下げられること
がわかった。

【００２３】次に図６に基づき第６の実施の形態につい
て説明する。図６は２重量子井戸構造バンド間共鳴トン
ネルダイオードの構成を示す図である。この装置では熱
電子放出電流を少なくするために、大きな障壁が要求さ
れる。そのような構造のひとつとして、ＩｎＰ基板３４
にＩｎＧａＡｓの量子井戸３６、３８と、ＩｎＡｌＡｓ
障壁３７から図６のように構成されるものがある。この
ときＮ形基板３４とその上のエピ層３５の間に大きな電
圧降下を生じ、特性が阻害される。この界面をＦｅを不
純物として表面密度１０¹³ｃｍ^-2 で照射することによ
り、この電圧降下を実際上０とすることができる。Ｉｎ
Ｐと格子整合し、ＭＢＥを用いて低温成長することがで
きるＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ混成構造においては、Ｎ⁺
ＩｎＡｌＡｓ３５とアンドープＩｎＡｌＡｓ３７が、
それぞれＮ⁺およびアンドープＺｎＭｇＣｄＳｅにお
きかえられるが、その特性は基板表面をＦｅを不純物と
して表面密度１０¹³ｃｍ^-2で照射することにより、きわ
めて顕著に改善される。本発明により、ピーク・バレー
比２００というきわめて良好な特性が得られた。

【００２４】以上のべた本発明の不純物照射の影響につ
いて、基板エピ界面あるいは２つのエピ界面に点欠陥を
導入することにより、他の部分への欠陥の広がりは１原
子層以上にはおよばない。したがって欠陥や歪の変動に
よる寿命特性への悪影響は無視できるほど小さい。

【００２５】ＩＩＩーＶ族と、禁制帯幅の大きいＩＩ−
ＶＩ族とのＰ−Ｐ、ＮーＮヘテロ界面への不純物照射に
よる電圧降下の低減の効果は、ＩＩＩ−Ｖ族基板または
同種のエピバッファ層を備えた当該基板としてＩｎＧａ
ＰＡｓＳｂの２元または多元の混晶を用いるものと、Ｉ
Ｉ−ＶＩ族としてＺｎ_wＣｄ_xＥｌ_1-w-xＳ_yＳｅ_zＴ
ｅ_1-y-z（０≦ｗ、ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｗ＋ｘ≦１、
０≦ｙ＋ｚ≦１、ＥｌはＭｇ、ＣａまたはＢｅ）を用い
るものであって、それぞれが互いに基板またはエピ層
であるときに有効である。また本発明は非ナイトライド
ＩＩＩーＶ族基板上のナイトライド系ＡｌＧａＩｎＮの
２元または多元の混晶の界面にも適用できる。このとき
非ナイトライド系ＩＩＩ−Ｖ族基板はＩｎＧａＡｌＰ
ＡｓＳｂの２元または多元の混晶である。またこの発明
は、当該ナイトライド系の成長にＳｉＣ基板を用いる
ときにも有効である。

【００２６】さらに具体的に半導体発光装置への適用に
ついて述べれば、その構成がＮ形ＧａＡｓ基板上にＮ形
のＺｎＭｇＳＳｅＴｅまたはＮ形のＡｌＧａＡｓを、も
しくはＰ形のＩｎＰ基板上にＰ形のＺｎＭｇＣｄＳＳｅ
ＴｅまたはＰ形のＩｎＡｌＰを、もしくはＮ形のＩｎＰ
基板上にＮ形のＡｌＧａＰＡｓＳｂまたはＮ形のＭｇＺ
ｎＳｅＴｅを成長したヘテロ界面に適用することができ
る。

【００２７】つぎに図７、図８、図９に基づき第７の実
施の形態についてのべる。図７にＮ形ＧａＡｓ基板４３
とＮ形ＺｎＳｅ４５の間にバッファ領域４４を設けた、
典型的なＺｎＳｅ系発光装置を示す。活性層はＣｄＺｎ
Ｓｅ４９であり、その上下にＺｎＳｅガイド層４８、５
０がある。ＭｇＺｎＳＳｅクラッド層４６、５２がこれ
に続いている。Ｐ形ＺｎＳｅ５３、ＺｎＳｅ−ＺｎＴｅ
超格子５４、ＺｎＴｅ５５がＰ形ＭｇＺｎＳＳｅ５２に
良好なオーミックコンタクトをとるために形成される。
Ｎ形ＭｇＺｎＳＳｅ４６にオーミックコンタクトをとる
ために、Ｎ形のＺｎＳｅ４５が、またＮ形ＧａＡｓ基板
４３とＮ形ＺｎＳｅ４５のオーミック特性を改善するた
めにＮ形ＡｌＧａＡｓ４４が用いられる。光ガイド層と
クラッド層のバンドオフセットの制御は、Ｓｂよりなる
界面層４７、５１により行われる。

【００２８】図８はＰ形ＧａＡｓを基板とすＺｎＳｅ系
発光装置を示す図である。このときは、図７の場合とエ
ピ成長の順序が反転するため、界面層６２、６６として
Ａｌを用いる。図９はサファイヤを基板とするＧａＮ系
発光装置の例である。サファイヤ７１が絶縁物であるた
め、金属電極７３、８３は共に装置の表面側から取り出
している。Ｓｅ界面層７６、８０がアンドープＧａＮ光
ガイド層７７、７９とＡｌＧａＮクラッド層７５、８１
の間に設けられる。図９ではＮ形の材料から成長を始め
ているが、Ｐ形から成長する場合には、界面層としてＳ
ｅの代わりにＳｉを用いる。

【００２９】ここで界面層の導入による、ＺｎＳｅ系発
光装置のバンド構造の変化について説明する。図１０
は、始めて室温連続動作に成功したＺｎＳｅ系レ−ザの
図である。クラッド層のＭｇ組成は現状技術で使用しう
る最大の組成となっている。しかしこの装置の動作電圧
は高く６Ｖ〜８Ｖに達し、したがって寿命も短い。その
理由はＭｇを含むクラッド層の抵抗が高いことと、図１
０に示すように、価電子帯のバンドオフセット量が小さ
くて、有効な正孔閉じ込めができず発光効率が低下する
ためである。より禁止帯幅が大きくて低抵抗の、Ｍｇを
含む混晶クラッド層が得られないため、ＺｎＳｅ系発光
装置の波長は４７０ｎｍより短くすることができなかっ
た。光記録への応用では、高密度記録を達成するために
光の波長を短くすることがきわめて重要である。

【００３０】光ガイド層とクラッド層の間に、界面層と
してＳｂを導入したときのバンド構造の変化を図１１に
示す。Ｓｂ層の厚さは０．５〜３原子層程度であり、電
子閉じ込めに寄与する障壁が０．４ｅＶと、図１０に比
べて２倍となる。正孔の閉じ込めに寄与する障壁高さも
図１０の０．０５ｅＶから０．２５ｅＶに高められる。

【００３１】Ｓｂ界面層を導入することにより、始めて
波長４３０ｎｍの装置が実現した。この方法によれば、
同一Ｍｇ組成のクラッド層を有する発光装置の性能を改
善できるが、逆によりＭｇ組成の少ないクラッド層を用
いても同様の性能を得ることができるので、化学的に安
定でかつ低抵抗の装置を作製することが可能となる。

【００３２】Ｍｇ組成とアクセプタ濃度との関係を図１
２に示す。Ｍｇ組成が増加する（ｘの値が減少する）
と、アクセプタ濃度が急激に減少し、高抵抗になること
がわかる。このような界面層導入の効果は、Ｓｂのほか
Ａｇ、Ｐ、Ｐｄについても同様に認められる。図１０、
図１１ではガイド層がＺｎＳｅ、クラッド層がＭｇＺｎ
ＳＳｅの場合を示したが、本発明は他の組成のＩＩ−Ｖ
Ｉ族材料Ｚｎ_wＣｄ_xＥｌ_1-w-xＳ_yＳｅ_zＴｅ_1-y-z
（０≦ｗ、ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｗ＋ｘ≦１、０≦ｙ＋
ｚ≦１、ＥｌはＭｇ、ＣａまたはＢｅ）によっても得る
ことができる。

【００３３】Ｓｂ界面層導入の効果を示す他の例とし
て、これまでに得られた従来構造の波長４７０ｎｍ、室
温連続動作ＺｎＳｅ系レ−ザのバンド構造と、本発明の
Ｓｂ界面層を導入した最新の波長４３０ｎｍ、室温連続
動作ＺｎＳｅ系レ−ザのバンド構造を比較して図１３及
び図１４に示す。前記と同様にＳｂ界面層の導入によ
り、良好なキャリヤ閉じ込めが可能になることがわか
る。

【００３４】つぎに図１５、図１６に基づき第８の実施
の形態について説明する。図１５はＭｇを含まないＺｎ
ＳＳｅクラッド層を有する、従来のＺｎＳｅ系発光装置
のバンド構造を示す。この例では伝導帯にバンドオフセ
ットが存在しないので、クラッド層は電子の閉じ込めに
は何等寄与しない。価電子帯の障壁高さも正孔の閉じ込
めをするには低すぎる値である。図１６はＳｂを界面層
とした時のＺｎＳｅ発光装置のバンド構造を示す図であ
る。Ｓｂの導入により、Ｍｇ系のクラッド層と同程度の
キャリヤ閉じ込めが可能であることがわかる。

【００３５】これまでＮ形の成長基板を用いる例につい
て述べたが、Ｐ形基板の装置についても同様の効果が生
ずる。このときの相違点は、界面層導入によるバンドシ
フトがＮ形基板の場合と逆方向に生じなければならない
ことである。したがって界面層には異なる材料を用い
る。例えばＺｎＳｅ系装置に対して最も有効な界面層材
料はＮ形基板に対してＡｌである。Ｇｅ、Ｓｅも同様の
効果がある。

【００３６】つぎに図１７、図１８に基づき第９の実施
の形態についてのべる。ＧａＮを用いるレ−ザ構造の装
置では、ＡｌＧａＮクラッド層を用いるが、このときバ
ンドオフセット量を最適化するためにＡｌ組成を制御し
なければならない。しかしＡｌ組成制御については、前
記Ｍｇ系のクラッド層と同様な問題が、Ｍｇの場合に比
べてよりきびしい制限となる。すなわちＡｌ組成を増加
すると、ＧａＡｌＮのＰ形ド−ピングは困難になるが、
これによる抵抗値の増加の割合はＭｇに比べてより大き
なものとなる。レ−ザ動作には電流密度１ｋＡｃｍ^-3を
要するので、クラッド層に生ずる電圧降下により装置の
動作電圧は非常に高くなる。このためＡｌ組成を低減す
ることは、動作電圧の低減にきわめて有効に働く。

【００３７】図１７は従来の典型的なＧａＮ系レ−ザの
バンド構造を示す図である。クラッド層に用いるＡｌＧ
ａＮのＡｌ組成０．１においては、正孔閉じ込めに必要
なオフセット量は０．０８ｅＶとやや低い値になってい
る。図１８に示すように、界面層としてＳｅを用いるこ
とによりクラッド層のＡｌ組成を０．０５と、図１７の
１／２にしても、伝導帯のオフセットは０．２３ｅＶ、
価電子帯のオフセットは０．１６ｅＶとなり、Ａｌ組成
の小さい低抵抗なクラッド層で十分なキャリヤ閉じ込め
が行われ、低電圧動作の装置を得ることが可能となる。
このとき有効なＳｅの厚さは０．５から３原子層であ
る。

【００３８】つぎに図１９に基づき第１０の実施の形態
について説明する。図１９は半絶縁性ＧａＡｓ基板８４
上に構成された、ＺｎＳｅ２次元電子ガスヘテロ接合Ｆ
ＥＴの構造を示す図である。２次元電子ガスはアンド−
プＺｎＳｅチャネル層８７中を走行するが、このときＳ
ｂよりなる厚さ数原子層の界面層８６を８５、８７の界
面に挿入することにより、アンド−プ層８５、８７間に
伝導帯のオフセットによる障壁を生じ、８７に２次元電
子のチャネル層を形成する。本実施の態様では、電子を
供給するＮ⁺層を含めてチャネル近傍が全てＺｎＳｅで
構成され、ヘテロ接合界面に沿った２次元伝導チャネ
ルをＳｂ界面層により形成することに特徴がある。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように多層構造半導体装置に
おいて、共にＮ形またはＰ形のヘテロエピタキシヤル成
長層の界面に、動作中過剰な電圧降下を発生するとき、
その界面障壁に点欠陥を生ずる不純物を導入するするこ
とにより、当該ヘテロ接合を通じて流れるトンネル電流
を増加させ、前記過剰電圧を低減することができる。こ
れを用いてＺｎＳｅ系またはＧａＮ系のレ−ザまたは発
光ダイオ−ドの低電圧化と長寿命化を図ることができ
る。また界面に導入する不純物密度を最適化することに
より、トンネル電流に飽和領域を生ぜしめ、これを用い
て自己電流制限機能を有するレ−ザ、発光ダイオ−ドを
得ることができ、電源を含む装置の経済化を図ることが
できる。

【００４０】レ−ザおよび発光ダイオ−ドの高効率化
は、光ガイド層とクラッド層のヘテロ接合界面にバンド
オフセットを生ぜしめて、十分なキャリヤ閉じ込め効果
を得ることにより達成される。バンドオフセット量の調
整は前記ガイド層、クラッド層の界面に格子整合性のな
い界面層を導入することにより行うことができる。Ｚｎ
Ｓｅ、ＧａＮ系の青緑色あるいはＵＶ発光レ−ザの高効
率化は、構成材料の組成の最適化と共に、界面層の導入
をはかることにより達成される。また同様の構成を２次
元伝導のＺｎＳｅヘテロ接合ＦＥＴのチャネル部分に適
用することにより、その性能向上に寄与することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１、第２の実施の形態を示す特性
図。

【図２】ＺｎＳｅ系レ−ザダイオ−ドの断面図。

【図３】本発明の第４の実施の形態を示す半導体装置の
断面図。

【図４】動作電圧のＣｕ照射量依存性を示す図。

【図５】本発明の第５の実施の形態を示す半導体装置の
断面図。

【図６】本発明の第６の実施の形態を示す半導体装置の
断面図。

【図７】Ｎ−ＧａＡｓ上のＺｎＳｅ系発光装置にＳｂ界
面層をいれた図。

【図８】Ｐ−ＧａＡｓ上のＺｎＳｅ系発光装置にＡｌ界
面層をいれた図。

【図９】サファイヤ基板上のＧａＮ系発光装置Ｓｅ界面
層をいれた図。

【図１０】ＺｎＳｅ系レ−ザのバンド構造を示す図。

【図１１】Ｓｂ界面層をいれたＺｎＳｅ系レ−ザのバン
ド構造図。

【図１２】アクセプタ濃度のＭｇ組成依存性。

【図１３】波長４７０ｎｍのＺｎＳｅ系レ−ザのバンド
構造図。

【図１４】波長４３０ｎｍのＺｎＳｅ系レ−ザのバンド
構造図。

【図１５】Ｍｇを含まないＺｎＳｅ系発光装置のバンド
構造図。

【図１６】本発明の第８の実施の形態を示す半導体装置
の断面図。

【図１７】ＧａＮ系発光装置のバンド構造図。

【図１８】本発明の第９の実施の形態を示す半導体装置
の断面図。

【図１９】本発明の第１０の実施の形態を示す半導体装
置の断面図。

【符号の説明】

１金属電極２Ｎ−ＧａＡｓ３Ｎ−ＧａＡｓ４Ｎ−ＺｎＳｅ５Ｎ−ＺｎＳＳｅ６Ｎ−ＭｇＺｎＳＳｅ７Ｎ−ＺｎＳＳｅ８ＺｎＣｄＳｅ−ＺｎＳＳｅ９Ｐ−ＺｎＳＳｅ１０Ｐ−ＭｇＺｎＳＳｅ１１ＺｎＳｅ−ＺｎＴｅ１２金属電極１３金属電極１４Ｐ−ＳｉＣ１５Ｐ−ＧａＮ１６Ｐ−ＡｌＧａＮ１７Ｐ−ＧａＮ１８ＩｎＧａＮ１９Ｎ−ＧａＮ２０Ｎ−ＧａＮ２１Ｎ−ＧａＮ２２金属電極２３金属電極２４Ｐ−ＧａＡｓ２５Ｐ−ＧａＮ２６Ｐ−ＡｌＧａＮ２７Ｐ−ＧａＮ２８ＩｎＧａＮ２９Ｎ−ＧａＮ３０Ｎ−ＡｌＧａＮ３１Ｎ−ＧａＮ３２金属電極３３金属電極３４Ｎ⁺−ＩｎＰ３５Ｎ⁺−ＩｎＡｌＡｓ３６ＵｎｄｏｐｅＩｎＧａＡｓ３７ＵｎｄｏｐｅＩｎＡｌＡｓ３８ＵｎｄｏｐｅＩｎＧａＡｓ３９Ｐ⁺−ＩｎＡｌＡｓ４０Ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ４１金属電極４２金属電極４３Ｎ−ＧａＡｓ４４Ｎ−ＡｌＧａＡｓ４５Ｎ−ＺｎＳｅ４６Ｎ−ＭｇＺｎＳＳｅ４７Ｓｂ界面層４８ＵｎｄｏｐｅＺｎＳｅ４９ＣｄＺｎＳｅ５０ＵｎｄｏｐｅＺｎＳｅ５１Ｓｂ界面層５２Ｐ−ＭｇＺｎＳＳｅ５３Ｐ−ＺｎＳｅ５４ＺｎＳｅ−ＺｎＴｅ５５ＺｎＴｅ５６金属電極５７金属電極５８Ｐ−ＧａＡｓ５９Ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ６０Ｐ−ＺｎＳｅ６１Ｐ−ＭｇＺｎＳＳｅ６２Ａｌ界面層６３ＵｎｄｏｐｅＺｎＳｅ６４ＣｄＺｎＳｅ６５ＵｎｄｏｐｅＺｎＳｅ６６Ａｌ界面層６７Ｎ−ＭｇＺｎＳＳｅ６８Ｎ−ＺｎＳｅ６９Ｎ⁺−ＺｎＳｅ７０金属電極７１サファイヤ基板７２ＧａＮバッファ７３金属電極７４Ｎ−ＧａＮ７５Ｎ−ＡｌＧａＮ７６Ｓｅ界面層７７ＵｎｄｏｐｅＧａＮ７８ＩｎＧａＮ７９ＵｎｄｏｐｅＧａＮ８０Ｓｅ界面層８１Ｐ−ＡｌＧａＮ８２Ｐ−ＧａＮ８３金属電極８４半絶縁性ＧａＡｓ８５ＵｎｄｏｐｅＺｎＳｅ８６Ｓｂ界面層８７ＵｎｄｏｐｅＺｎＳｅ８８Ｎ⁺−ＺｎＳｅ８９Ｎ⁺−ＧａＡｓ９０ソ−ス電極９１ゲ−ト電極９２ドレイン電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者波多腰玄一神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献特開平３−240267（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/203,21/363,33/00 H01S 5/00 - 5/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｚｎ _w Ｃｄ _x Ｅｌ _1-w-x Ｓ _y Ｓｅ _z Ｔｅ
_1-y-z （０≦ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｗ＋ｘ≦１、０
≦ｙ＋ｚ≦１、ＥｌはＭｇ，Ｃａ又はＢｅ）からそれぞ
れ構成された、第１の化合物半導体と第２の化合物半導
体との間のヘテロ接合界面に、当該第１及び第２の化合
物半導体と格子整合しない、厚さ０．５〜２原子層の界
面層を導入した構成部分を含むことを特徴とする多層構
造半導体装置。
【請求項２】Ｉｎ _p Ｇａ _q Ａｌ _r Ｎ（０≦ｐ，ｑ，ｒ
≦１）からそれぞれ構成された、第１の化合物半導体と
第２の化合物半導体との間のヘテロ接合界面に、当該第
１第２の化合物半導体と格子整合しない、厚さ０．５〜
２原子層の界面層を導入した構成部分を含むことを特徴
とする多層構造半導体装置。
【請求項３】前記界面層は基板側のクラッド層がＮ形
の場合Ｓｂ、Ｐ形の場合Ａｌよりなることを特徴とする
請求項１記載の多層構造半導体装置。
【請求項４】前記界面層は基板側のクラッド層がＮ形
の場合Ｓｅ、Ｐ形の場合Ｓｉよりなることを特徴とする
請求項２記載の多層構造半導体装置。