JPH03278584A - 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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JPH03278584A
JPH03278584A JP2079447A JP7944790A JPH03278584A JP H03278584 A JPH03278584 A JP H03278584A JP 2079447 A JP2079447 A JP 2079447A JP 7944790 A JP7944790 A JP 7944790A JP H03278584 A JPH03278584 A JP H03278584A
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道生 岡嶋
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明ζ瓜 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
究されていも これらば レーザやペテロバイボーラト
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ん 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
収 従来 同一結晶構造を有すL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’fscaFt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L  Z n S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も 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(!、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
されていも 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ム 埋板 下地のGaAS、
ZnSは閃亜鉛鉱型構造であるのに対して、CaFeは
蛍石型構造をとり、CaSは岩塩型構造をともまた 格
子定数(よ それぞれ3 、4 %  5 、0%異な
ム また 配位数L 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、CaFaでは
Ca”″が立方体8配uF−が正四面体4配位をとり、
CaSでは正八面体6配位をとも これらのヘテロ接合素子で(友 従来 配位のしかたが
異な4 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
G&  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九 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も その製造方法として(上 ヘテロ接合を構成する阪 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力\ 
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も 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(友キャリヤのトラ
ップも 非発光中心などの界面単位の作用を失う。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へ 発光素子の発
光効率を高めも 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
を短波長電界発光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l上(二 厚さ50nmのCa
S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?Q
 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周肌 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BaTa*06よりなる厚さ200 
nmの誘電体層5を形成しμ 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九 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丸溝浄化したGaAs基板上く
 基板温度500℃程度で、 10−’ 〜10−’T
 o r r程度の硫化水素子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で、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、CaSi!がエピタキシ
ャル成長し通 所定の膜厚になるまで堆積した樵金属C
aのにセルのシャッターを閉し 今度は同じ硫化水素雰
囲気中で、ZnSを蒸発源として他のにセルから飛ばし
?、:、、CaS同様+QZnとSが反応してCaS膜
上にZ、 n Sエピタキシャル膜を得九 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艮 波長325 nrn
のHe−Cdレーザ光を照射したとこへ 硫化水素雰囲
気を用いず、障壁層にはEB蒸発源からCaSを、井戸
層にはにセルから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、 2〜10倍強いフ
ォトルミネッセンスを観測したこれ1よ 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
あも 担板障壁層のCaSは岩塩型構造であるのに対し
て、井戸層のZnSは配位数の異なる閃亜鉛鉱型構造を
とも 従って、前述のよう&ミ 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a 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10”7cm”も導入されも 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八 
フォトルミネッセンス強度は低かった力丈 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(よ ご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(〜 その結果 フォトルミネッセンス強度が大幅に
向上し九 本実施例に示した電界発光素子ζよ パルス幅30μs
ec、 1 kHz、 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九 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1上 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力丈 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
原材料をにセルから蒸発させて供給し ターミネイター
として作用する水素を単に水素ガスとして供給してやっ
た場合に耘 同様の効果が現れた 本実施例では 井戸層3にはZnSを用いた力交CdS
もしくはZn5e等の二元化合物を用いてもよ(℃ ま
たZn5iよ 障壁層2のCaSとも、GaAs基板1
とも格子整合していな(l これζ友必要に応じて基板
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(℃ これは 例えば ZnSもしくは G 
a A、 s基板1と格子整合する混晶比のZnCd5
.  ZnSSe等を使用することにより可能である。
また障壁層2についてし 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CaMg
5等の混晶を用いてもよ(〜 いずれの場合においてL
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L 本
発明は有効に作用すム 次鳳 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も 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置す、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九 これを成長中の表面に供給(7
たとこへ 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1よ 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(上前者に比べて後者で
(よ 水素原子が活性な状態で表面に供給されただ敢 
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4次の実施例(山 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L−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4 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へ 上記実施例同様
の効果が観測された これは 明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も 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
例を挙げも 加速電圧100〜500eV’F、  プ
ロトン源からプロトンを膜表面に1011〜l Q 1
?個/ c m R照射し その後300℃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1が観測
され通 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(よ 前述の絶縁層としてCa)’t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4 本発明により、これらの電子素
子において叡 キャリヤのトラップ単位が除去され 動
作速度を高めることができな 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も これ(よ 従来 同−
結晶構愚 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素子もしくは光素子力交
 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も 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な
【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
断面図であム ト・・基板 2・・・障壁N、3・・・井戸層 4・・
・複合発光体層 5・・・誘電体層6・・・透明電極

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. (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. (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. (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. (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. (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. (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. (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. (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. (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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