JP4543162B2 - ＺｎＯＳＳｅ混晶半導体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化硫化セレン化亜鉛（本願明細書においては、その他の混晶も含めて、元素記号を用いて「ZnOSSe」等と記載する場合もある。）混晶半導体による発光素子及び集積回路並びにそれらの製造方法に関するものである。更に詳しくは、ZnOSSe混晶半導体とシリコン半導体が格子整合することを利用した発光素子及び集積回路並びにそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン集積基板上に光半導体を作製する研究はGaAs on Siが精力的に行われてきたが、ガリウム・ヒ素系光半導体としてアルミ・ガリウム・ヒ素を用いても赤色より短波長の発光素子は、原理的に作製することができない。
一方、禁制帯幅の大きな湾曲係数を利用して、ガリウム・ヒ素基板との格子整合に成功した発明がある（特開平９-２１９５６３号参照）。この発明は、GaInNAs半導体及びInNPAs半導体が大きな禁制帯湾曲係数を持つことを利用してGaAs基板に格子整合した中赤外半導体光素子に応用する発明であるが、III-V族半導体を用いているために、可視光全域をカバーする半導体光素子の作製は不可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、シリコンに格子整合する半導体は、光半導体に不向きな間接遷移型半導体であるGaPやAlP、そして紫外線領域のZnSのみであると考えられてきた。
そこで、本願発明の目的は、シリコンに格子整合し、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲にわたる発光素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願発明においては、ZnOSSeを用いることにより、図１に示されているように、シリコン基板に格子整合した状態で、赤外、可視から紫外線領域まで自由に光の波長が可変できる素子を形成することができる。ZnOSSeは、既に、蛍光剤やEL素子などに用いられているII-VI族半導体であり、光半導体としての資質に優れ、シリコン集積回路上の光素子として期待されるものである。
本願発明が可能であることが明らかになったのは、図１に示すようにZnO-ZnSe, ZnO-ZnS の間の禁制帯幅が大きく湾曲している（Bandgap bowing）現象を発見したことによる。
ZnOSSe半導体を用いると、その酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけで、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って発光波長を変化させることが可能な光素子を作製することができる。
【０００５】
【発明の原理及び作用】
本願発明の発端となった半導体禁制帯幅の湾曲現象は、次のようなJ.A.Van Vechtenらによって1970年に提唱された原理により引き起こされる。半導体禁制帯幅は、
Eg(x) = c(x-1)x + (EgZnSe-EgZnO)x + EgZnO
のように記述でき、２次の係数cを禁制帯幅湾曲係数（ボーイングパラメーター）と呼ぶ。
このcは、理想結晶項ci と添加された元素による項ceとの和で表される。
添加された元素と元の元素の間には電気陰性度差の２乗の影響が現れる。
ZnOSeやZnOSには、酸素とセレン、酸素と硫黄の間に大きな電気陰性度の差があることから、大きな半導体禁制帯幅の湾曲現象が存在することが予測できる。
この予測をもとに、実際にZnOSe薄膜を作製した。
【０００６】
本発明の元となる、ZnOSeの作製状況を図３に示す。
セレンの供給量を増加させると、ZnO中のセレンの含有量が増加していくことがわかる。
シリコン基板に格子整合させる場合も同様にして、ZnSSeに酸素を添加し、シリコンと格子整合させる。
【０００７】
実際に作製したZnOSeが、本当に禁制帯幅湾曲現象を起こしているかを確認するために、光吸収測定から禁制帯幅がどのように変化しているか測定した。
そのZnOSeの光吸収特性を図４に示す。ZnOSeのセレン含有量が増加するにつれて、光吸収端が低エネルギー側にシフトしていることがわかる。このシフト量ΔEgとセレン含有量の関係を計算することにより、禁制帯幅湾曲現象がどの程度大きいかがわかる。
【０００８】
図５は、作製したZnOSeの禁制帯幅シフト量ΔEgとセレン含有量の関係を示している。これらの実測値を式（１）の２次関数フィッティングを計算すると、禁制帯幅湾曲係数（ボーイングパラメーター）が12.7eVと算出された。この値は、現在、半導体で大きな禁制帯幅湾曲係数を持つものとして知られている窒化ガリウムヒ素（GaNAs）の禁制帯幅湾曲係数18eVという値に次ぐ大きな値である。
窒化ガリウム・ヒ素（GaNAs）は、その大きな禁制帯幅湾曲係数を利用して、窒化ガリウム・インジウム・ヒ素（GaInNAs）という形でガリウム・ヒ素に格子整合しながら、1.3μｍの長波長の通信用半導体レーザーを既に実用化させている。これは、禁制帯幅湾曲係数が大きいと、少ない格子定数変化で大きく禁制帯幅が変化できることを利用した好例である。
このことから、ZnOSeも硫黄を加えることにより、シリコンと格子整合することを発見した。
【０００９】
図１には、シリコンと格子整合するZnOSSe（酸化硫化セレン化亜鉛）の組成範囲の結果も示している。この図から、シリコンと格子整合しながら、酸素とセレンと硫黄の組成比を変化させることにより、赤外、可視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが可能であることがわかる。
このことから、本願発明のZnOSSe半導体には、２つの特徴があることがわかる。
（１）禁制帯幅湾曲係数が大きいことから、少ない格子定数変化で大きく禁制帯幅を変化させることができる。
（２）シリコンと格子整合する組成比が広く、赤外、可視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが可能である。
【００１０】
【実施例】
本願発明の実施例を第６図を用いて説明する。
このZnOSSe/Siヘテロ接合型半導体レーザーの特徴は、シリコンと格子整合して、レーザー発信波長を赤外、可視から紫外線領域まで変化させることが可能である点のみならず、クラッド層の亜鉛、マグネシウム、酸素、セレン、硫黄の組成比を微妙に変化させることにより活性層に自由に歪みを導入することが可能で、しきい値電流の低い半導体レーザーの実現が期待できる。
【００１１】
また、本願発明は、無極性半導体であるシリコンで作製された集積回路上にイオン性の高い有極性半導体であるZnOSSeを格子整合した状態で作製することによりピエゾ効果を利用した新しい素子を作成することができる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のZnOSSe半導体を用いることにより、酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけで、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って発光波長を変化させることが可能であり、しかもシリコン基板と格子整合させることが可能となることから、シリコン集積回路上に表示、光通信や光情報処理が行える光素子を作製することが可能となる。
シリコン基板を用いることにより、赤外から可視、紫外線に及ぶ広い波長域を用いた波長多重通信素子の実現可能であるし、情報処理用、通信用集積回路と表示素子の融合による情報端末の飛躍的な小型化も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体の禁制帯幅と原子間距離の関係とシリコンと格子整合するZnOSSeの組成範囲図
【図２】禁制帯幅湾曲現象の説明とZnOSSeの理論予測図
【図３】ZnOSeのSe含有率のSe供給量依存性を示す図
【図４】ZnOSeの禁制帯幅減少による光吸収特性の変化図
【図５】酸化セレン化亜鉛の禁制帯幅シフト量ΔEgとセレン含有量の関係図
【図６】ZnOSSe/Siヘテロ接合型半導体レーザーの模式図
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化硫化セレン化亜鉛（本願明細書においては、その他の混晶も含めて、元素記号を用いて「ZnOSSe」等と記載する場合もある。）混晶半導体による発光素子及び集積回路並びにそれらの製造方法に関するものである。更に詳しくは、ZnOSSe混晶半導体とシリコン半導体が格子整合することを利用した発光素子及び集積回路並びにそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン集積基板上に光半導体を作製する研究はGaAs on Siが精力的に行われてきたが、ガリウム・ヒ素系光半導体としてアルミ・ガリウム・ヒ素を用いても赤色より短波長の発光素子は、原理的に作製することができない。
一方、禁制帯幅の大きな湾曲係数を利用して、ガリウム・ヒ素基板との格子整合に成功した発明がある（特開平９-２１９５６３号参照）。この発明は、GaInNAs半導体及びInNPAs半導体が大きな禁制帯湾曲係数を持つことを利用してGaAs基板に格子整合した中赤外半導体光素子に応用する発明であるが、III-V族半導体を用いているために、可視光全域をカバーする半導体光素子の作製は不可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、シリコンに格子整合する半導体は、光半導体に不向きな間接遷移型半導体であるGaPやAlP、そして紫外線領域のZnSのみであると考えられてきた。
そこで、本願発明の目的は、シリコンに格子整合し、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲にわたる発光素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願発明においては、ZnOSSeを用いることにより、図１に示されているように、シリコン基板に格子整合した状態で、赤外、可視から紫外線領域まで自由に光の波長が可変できる素子を形成することができる。ZnOSSeは、既に、蛍光剤やEL素子などに用いられているII-VI族半導体であり、光半導体としての資質に優れ、シリコン集積回路上の光素子として期待されるものである。
本願発明が可能であることが明らかになったのは、図１に示すようにZnO-ZnSe, ZnO-ZnS の間の禁制帯幅が大きく湾曲している（Bandgap bowing）現象を発見したことによる。
ZnOSSe半導体を用いると、その酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけで、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って発光波長を変化させることが可能な光素子を作製することができる。
【０００５】
【発明の原理及び作用】
本願発明の発端となった半導体禁制帯幅の湾曲現象は、次のようなJ.A.Van Vechtenらによって1970年に提唱された原理により引き起こされる。半導体禁制帯幅は、
Eg(x) = c(x-1)x + (EgZnSe-EgZnO)x + EgZnO
のように記述でき、２次の係数cを禁制帯幅湾曲係数（ボーイングパラメーター）と呼ぶ。
このcは、理想結晶項ci と添加された元素による項ceとの和で表される。
添加された元素と元の元素の間には電気陰性度差の２乗の影響が現れる。
ZnOSeやZnOSには、酸素とセレン、酸素と硫黄の間に大きな電気陰性度の差があることから、大きな半導体禁制帯幅の湾曲現象が存在することが予測できる。
この予測をもとに、実際にZnOSe薄膜を作製した。
【０００６】
本発明の元となる、ZnOSeの作製状況を図３に示す。
セレンの供給量を増加させると、ZnO中のセレンの含有量が増加していくことがわかる。
シリコン基板に格子整合させる場合も同様にして、ZnSSeに酸素を添加し、シリコンと格子整合させる。
【０００７】
実際に作製したZnOSeが、本当に禁制帯幅湾曲現象を起こしているかを確認するために、光吸収測定から禁制帯幅がどのように変化しているか測定した。
そのZnOSeの光吸収特性を図４に示す。ZnOSeのセレン含有量が増加するにつれて、光吸収端が低エネルギー側にシフトしていることがわかる。このシフト量ΔEgとセレン含有量の関係を計算することにより、禁制帯幅湾曲現象がどの程度大きいかがわかる。
【０００８】
図５は、作製したZnOSeの禁制帯幅シフト量ΔEgとセレン含有量の関係を示している。これらの実測値を式（１）の２次関数フィッティングを計算すると、禁制帯幅湾曲係数（ボーイングパラメーター）が12.7eVと算出された。この値は、現在、半導体で大きな禁制帯幅湾曲係数を持つものとして知られている窒化ガリウムヒ素（GaNAs）の禁制帯幅湾曲係数18eVという値に次ぐ大きな値である。
窒化ガリウム・ヒ素（GaNAs）は、その大きな禁制帯幅湾曲係数を利用して、窒化ガリウム・インジウム・ヒ素（GaInNAs）という形でガリウム・ヒ素に格子整合しながら、1.3μｍの長波長の通信用半導体レーザーを既に実用化させている。これは、禁制帯幅湾曲係数が大きいと、少ない格子定数変化で大きく禁制帯幅が変化できることを利用した好例である。
このことから、ZnOSeも硫黄を加えることにより、シリコンと格子整合することを発見した。
【０００９】
図１には、シリコンと格子整合するZnOSSe（酸化硫化セレン化亜鉛）の組成範囲の結果も示している。この図から、シリコンと格子整合しながら、酸素とセレンと硫黄の組成比を変化させることにより、赤外、可視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが可能であることがわかる。
このことから、本願発明のZnOSSe半導体には、２つの特徴があることがわかる。
（１）禁制帯幅湾曲係数が大きいことから、少ない格子定数変化で大きく禁制帯幅を変化させることができる。
（２）シリコンと格子整合する組成比が広く、赤外、可視から紫外線領域まで、禁制帯幅を変化させることが可能である。
【００１０】
【実施例】
本願発明の実施例を第６図を用いて説明する。
このZnOSSe/Siヘテロ接合型半導体レーザーの特徴は、シリコンと格子整合して、レーザー発信波長を赤外、可視から紫外線領域まで変化させることが可能である点のみならず、クラッド層の亜鉛、マグネシウム、酸素、セレン、硫黄の組成比を微妙に変化させることにより活性層に自由に歪みを導入することが可能で、しきい値電流の低い半導体レーザーの実現が期待できる。
【００１１】
また、本願発明は、無極性半導体であるシリコンで作製された集積回路上にイオン性の高い有極性半導体であるZnOSSeを格子整合した状態で作製することによりピエゾ効果を利用した新しい素子を作成することができる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のZnOSSe半導体を用いることにより、酸素と硫黄とセレンの調合比を変化させるだけで、赤外、可視から紫外線領域の広い波長範囲に渡って発光波長を変化させることが可能であり、しかもシリコン基板と格子整合させることが可能となることから、シリコン集積回路上に表示、光通信や光情報処理が行える光素子を作製することが可能となる。
シリコン基板を用いることにより、赤外から可視、紫外線に及ぶ広い波長域を用いた波長多重通信素子の実現可能であるし、情報処理用、通信用集積回路と表示素子の融合による情報端末の飛躍的な小型化も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体の禁制帯幅と原子間距離の関係とシリコンと格子整合するZnOSSeの組成範囲図
【図２】禁制帯幅湾曲現象の説明とZnOSSeの理論予測図
【図３】ZnOSeのSe含有率のSe供給量依存性を示す図
【図４】ZnOSeの禁制帯幅減少による光吸収特性の変化図
【図５】酸化セレン化亜鉛の禁制帯幅シフト量ΔEgとセレン含有量の関係図
【図６】ZnOSSe/Siヘテロ接合型半導体レーザーの模式図
Claims (4)
- 発光素子であって、シリコン基板と、該シリコン基板に格子整合するＺｎＯＳＳｅ層と、該ＺｎＯＳＳｅ層上に積層された下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層からなる発光層とを有することを特徴とする発光素子。
- 請求項１に記載された発光素子において、上記活性層はＺｎＯＳＳｅからなり、上記上部及び下部クラッド層はＺｎＭｇＯＳＳｅからなる発光層を有することを特徴とする発光素子。
- 集積回路であって、請求項１に記載の発光素子を有していることを特徴とする集積回路。
- 集積回路であって、請求項２に記載の発光素子を有していることを特徴とする集積回路。
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|---|---|---|---|
| JP2001269497A JP4543162B2 (ja) | 2001-09-05 | 2001-09-05 | ＺｎＯＳＳｅ混晶半導体 |
| DE60232213T DE60232213D1 (de) | 2001-09-05 | 2002-09-03 | ZnOSSe Halbleiterverbindung, integrierte Halbleiterschaltung und Verfahren zu deren Herstellung |
| EP02256104A EP1291930B1 (en) | 2001-09-05 | 2002-09-03 | ZnOSSe compound semiconductor, integrated circuit using the semiconductor and method of manufacturing the semiconductor and the integrated circuit |
| AT02256104T ATE430992T1 (de) | 2001-09-05 | 2002-09-03 | Znosse halbleiterverbindung, integrierte halbleiterschaltung und verfahren zu deren herstellung |
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Applications Claiming Priority (1)
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