JPH0410669A - 半導体装置 - Google Patents

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］ 本発明はＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅから構成
されるＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体の半導体装置への適
用に関し、更に詳しくは非常に視感度の良い青色で発光
する半導体装置や耐酸化性に優れた半導体装置に関する
ものである。

「従来の技術］ 第５図は例えば特開昭６１−１６１７７７号公報に示さ
れている従来のＧａＡｓ単結晶基板に格子整合する周期
律表■族〜■族混晶半導体により構成される注入型で青
色に発光する半導体装置（発光ダイオード）であり、第
５図において、（１）はｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板
、（２）はＺ　ｎＣｄＳエピタキシャル層、（１３）及
び（２３）は電極、（２０）はｐｎ接合面、（２１）は
ｎ型Ｚ　ｎＣｄＳエピタキシャル層、（２２）はｐ型Ｚ
ｎＣｄ５エピタキシャル層である。

次に、第５図に示す半導体装置の作用について説明する
。第５図に示すＺｎＣｄ５混晶半導体により構成された
半導体装置の構造の特徴は、（２）のＺｎＣｄ５混晶半
導体からなるエピタキシャル層にあるため、まず、この
材料について説明する。

ＣｄＳ、ＺｎＳはいずれも閃亜鉛鉱型結晶構造を有する
化合物半導体であり、結晶の格子定数は前者が約５．８
２人、後者が約５．４１人である。また、禁制帯幅は前
者が２．３６ｅＶ、後者が３６８ｅＶてあり、この両者
の混合物は均一な閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体とな
る。

ところで、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶は同じく閃亜鉛鉱型績
凸構造をもち、格子定数が約５．６５人である。

この値はＣｄＳ、ＺｎＳの格子定数の中間の値であるた
め、混晶の組成比を適当に選べば、Ｇ　ａＡ　ｓ単結晶
基板の格子定数と一致した格子定数をもつＺ　ｎＣｄＳ
混晶をエピタキシャル成長させることが可能である。ま
た、ＧａＡｓ単結晶基板に格子整合する組成のＺｎＣｄ
５混晶の禁制帯幅は約２．９ｅＶてあり、発光波長に直
すと約４３０ｎｍで青色に対応する。以上のことより、
ＺｎＣｄ５は青色半導体発光装置用材料として用いるこ
とができる。

第５図に示した半導体装置の構造は、Ｚ　ｎＣｄＳ混晶
半導体を用いた発光ダイオードの１例であり、電極（１
３）及び（２３）間の基板側の電極（１３）が負となる
ように電圧を印加すると、エピタキシャル層（２〉中の
ｐｎ接合面（２０）においてｎ型層（２１）中の電子と
ｐ型層（２２）中の正孔が再結合し、青色の発光を生じ
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板に格子
整合するエピタキシャル層により構成されている青色で
発光する上記半導体装置は、キャリアの閉じ込め構造を
有していないので、キャリアの発光再結合確率が低く、
そのため発光効率が低い。更に、ＺｎＣｄ５の発光波長
は４３０ｎｍであるため青色としての視感度が低く、表
示装置に使う場合には問題があった。

また、■〜Ｖ族半導体材料を用い素子を作製する場合、
特にＡＩを構成元素とした材料を用いる場合には、空気
中の酸素あるいは水により半導体材料が酸化され、素子
特性が劣化し、素子の十分な信頼性が得られないという
問題が生ずる。

本発明は上記のような問題点を解決するなめになされた
もので、発光効率が高く、信頼性が高く、非常に視感度
の良い青色で発光する半導体装置を得ることを目的とし
ており、更に、ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体が■族〜■
族化合物半導体単結晶基板に格子整合することを用いて
信頼性の高い半導体装置並びに良質の保護膜を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る半導体装置は、ＤＩ−Ｖ族化合物半導体単
結晶基板上に、該基板と格子整合を容易にとれるＺｎＳ
、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅから構成されるＺｎＣｄ
ＳＳｅ系混晶半導体を積層したものである。

また、本発明の他の実施態様に係る半導体装置は、Ｚｎ
Ｓ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅから構成されるＺｎＣ
ｄＳＳｅ系混晶半導体を表面保護膜として用いたもので
ある。

ここで、本発明の半導体装置において中心的な役割を果
たすＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体について説明する。第
２図にＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅの混合比に
対する禁制帯幅の関係を示す。

第２図中の破線で示した組成において ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体はＧａＰ−ＧａＡｓ、Ｉｎ
Ｐ単結晶と格子整合する。例えばＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶
に格子整合する破線上の組成において、（ア）点の組成
で禁制帯幅は最小値的２．６ｅＶをとる。

破線上を（ア）点の組成より（イ）点の組成へ、または
（ア）点の組成より（つ）点の組成へ近付くに従い禁制
帯幅は連続的に大きくなる。Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶に格
子整合する場合、禁制帯幅の最大値は（イ）点の組成に
おける約２．８５ｅＶである。

第３図にＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅの混合比
に対する比誘電率の関係を示す。比誘電率の大小関係は
ほぼそのまま屈折率の大小関係に対応する。第３図中の
破線は第２図に記した破線と同じものであり、例えばＧ
ａＡｓ単結晶に格子整合する組成を示す破線上を（ア）
点より〈イ）点へ組成が変化すると、比誘電率すなわち
屈折率は連続的に小さくなる。同様の関係はＧａＰ、Ｉ
ｎＰについても成り立つ。

ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体は以上のような性質をもっ
ているため、■−Ｖ族基板に格子整合する組成条件にお
いて、後に第１図の実施例で詳しく説明するようにキャ
リア閉じ込め構造、光閉じ込め構造を形成することが可
能である。

これに対し、従来技術として説明したＺ　ｎＣｄＳ系混
晶半導体では、■〜Ｖ族基板に格子整合する組成条件に
おいて、第１図に示すようなキャリア閉じ込め構造、光
閉じ込め構造を形成することはできない。

また、■−Ｖ族半導体材料を用い半導体装置を作製する
場合、特にＡ１を構成元素とした材料を用いる場合には
、上述のように空気中の酸素あるいは水により半導体材
料が酸化され、半導体装置特性が劣化し、半導体装置の
十分な信頼性が得られないという問題を生ずる。

この場合には、上記ＺｎＣｄＳＳｅ膜を表面保護膜とし
て半導体素子表面に堆積すれば、半導体装置を酸化から
確実に防ぐことが可能である。これは、ＺｎＣｄＳＳｅ
膜がＳ、Ｓｅといった■族元素の化合物であり、酸素も
■族元素であるため、ＺｎＣｄＳＳｅ膜は酸素の影響を
ほとんど受けないためである。また、ＺｎＣｄＳＳｅ系
混晶半導体は種々の■−■族半導体材料に完全に格子整
合するため、素子とその雰囲気とを確実に遮断すること
ができるからである。

このように・ＺｎＣｄＳＳｅ膜を半導体素子の表面保護
膜として使用することがＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体の
半導体装置への第２の適用態様である。

［作　　用］ ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体は、上記のようにＧａＡｓ
単結晶に格子整合する組成を用いて禁制帯幅を約２．６
ｅＶから約２．８５ｅＶまで連続的に任意の値に設定す
ることができる。このため、ＧａＡｓ基板上にＧ　ａ　
Ａ　ｇ単結晶に格子整合する条件で、高品質の異種接合
を形成することが可能であり、キャリアに対して障壁層
を設けることができる。

また、半導体発光装置を作製する際、発光波長を非常に
視感度の良い青色とすることができる。

また、ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体は酸素の影響をほと
んど受けず且つ種々のＩＩＩ−Ｖ族生導体材料に完全に
格子整合するため、素子とその雰囲気とを確実に遮断す
ることができ、半導体装置の保護膜として効果的である
。

［実　施　例］ 以下、図を用いて本発明の半導体装置を更に説明する。

実施例１ ８〜 第１図において、（１）はｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基
板、（２４）はＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板に格子整合す
るＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体エピタキシャル層、（３
１）及び（３２）は電極、（２１）はｎ型ＺｎＣｄＳＳ
ｅエピタキシャル層（キャリア閉じ込め層）、（２３）
はｎ型ＺｎＣｄＳＳｅエピタキシャル層（キャリア閉じ
込め層）、（２２）はＺｎＣｄＳＳｅ発光層である。

次に、第１図に示す半導体装置の動作について説明する
。第１図において、例えばｎ型ＺｎＣｄＳＳｅエピタキ
シャル層（ｎ型キャリア閉じ込め層０２１）、ｐ型Ｚｎ
Ｃｄ５５ｅｌ：ピタキシャル層（ｎ型キャリア閉じ込め
層）（２３）を第２図に示す（イ）点の組成のＺ　ｎｏ
、＜Ｃｄｏ、ａ　Ｓとし、ＺｎＣｄＳＳｅ発光層（２２
）を第２図に示す（ア）点の組成のＺｎｏ、ａＣｄｏ、
ｚＳｏ４Ｓｅｏ、ｓとした場合に、これらのエピタキシ
ャル層はＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板に格子整合し、禁制
帯幅はｎ型ＺｎＣｄＳＳｅエピタキシャル層（２１）及
びｎ型ＺｎＣｄＳＳｅエピタキシャル層（２３）が約２
．９ｅＶ、ＺｎＣｄＳＳｅ発光層（２２）が約２．６ｅ
Ｖとなる。この場合、発光領域と閉じ込め領域との禁制
帯幅の差が約０．３ｅＶとなるため、発光領域内へのキ
ャリアの閉じ込めが可能となる。

第１図において、電極（３１）及び（３２）間の基板側
の電極（３１）が負になるように電圧を印加すると、発
光領域にキャリアが効率良く注入され、電子と正孔の再
結合により高効率で発光する。また、この時の発光波長
は約２．６ｅＶであるので非常に視感度の良い青色（約
４８０ｎｍ）での発光となる。

なお、この時、第３図に示す通り（ア）点の屈折率は（
イ）点の屈折率に比べて大きな値である。これにより上
記の発光領域へのキャリアの閉じ込めに加えて、光の閉
じ込めも可能である。この結果、第１図に示す構造によ
り効率よく誘導放出を生じさせることができる。

なお、」１記実施例では用いるＺｎＣｄ５５ｅｌＡ混晶
半導体の組成の１例を示したが、ＧａＡｓ単結晶基板に
格子整合するＺｎＣｄＳＳｅ混晶の組成は第２図に示し
た破線トの任意の組成であるため、この組成を用い発光
領域と発光領域よりも禁制帯幅の大きな閉じ込め領域を
形成すれば、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板上に高効率の青色発光
装置を作製できる。

また、ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体は、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
基板上でＧ　ａ　Ａ　ｓ単結晶に格子整合する条件にお
いて、禁制帯幅及び屈折率を連続的に変えられる。この
ことを用いて、ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体により、Ｇ
ａＡｓ基板上に青色で発光するＧ　ＲＩ　Ｎ　−Ｓ　Ｃ
Ｉ−Ｉ（ｇｒａｄｅｄ　１ｎｄｅｘ　５ｅｐａｒａｔｅ
　ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ１＋ｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ）ｉｌ造の半導体レーザを作製することもできる
。

また、ＧａＡｓ単結晶に格子整合し、且つ異なる組成の
複数のＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体薄膜を積層すること
により、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板上に高品質の量子井
戸構造、ＭＱＷ（ｍｕｌｔｉ　ｑｕａｎｔｕ＋ｎ　ｕ＋
ｅｌｌ）ｉｌ造などの量子構造を形成することもできる
。

ＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体が格子接合する単結晶基板
には、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ以外にＧ　ａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅな
どがあり、これらの単結晶基板上にも、欠陥のない高品
質の、ＺｎＣｄＳＳｅ混晶半導体エピタキシャル層を積
層させることができる。

本発明により得られる青色発光半導体装置は非常に視感
度が良いため、フルカラー平面デイスプレィ、白色平面
光源などへ応用することができる。

また、光デイスクメモリ用光源として本発明による青色
半導体レーザを用いれば、現在よりも記録密度を上げる
ことも可能となる。

実施例２ 第４図にＨＰ　Ｔ　（ｈｅｔｅｒｏ、１ｕｎｅｔｉｏｎ
　ｐｈｏｔ。

ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の表面保護膜にＺｎＣｄＳＳｅ
系混晶半導体を用いた例を示す。第４図中、（１）はｎ
型ＧａＡｓ単結晶基板、（４２）はｎ型ＡｌＧａＡｓエ
ピタキシャル層、（４３）はＡ　ＩＧ　ａＡ　ｓエピタ
キシャル層（受光部）、（４４）はｐ型Ａ（ＧａＡｓエ
ピタキシャル層、（４５）及び（４６）は電極、（４７
）はＺｎＣｄＳＳｅ表面保護膜である。

なお、第４図に示す半導体装置のように、Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ単結晶基板に格子整合する材料系には、Ａ　Ｉ　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ系混晶半導体、ＩｎＧａＡＩＰ系混晶半導体
、５ｉＧｅ系混晶半導体があるが、これらの材料をＧ　
ａ　Ａ　ｓ基板上にエピタキシャル成長させる場合には
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶に格子整合するＺｎＣｄＳＳｅ
混晶半導体との間に、良質の異種接合を形成するものと
考えられる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば■〜■族単結晶基板に格
子整合するＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体を用いて半導体
装置を構成したので信頼性の高いものが得られ、発光装
置においては、高効率で非常に視感度の良い青色で発光
するものが得られる効果がある。また、ＡＩなどを空気
中の酸素から１守る表面保護膜としての効果も得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置の１実施態様を示す構成図
であり、第２図はＺｎＣｄＳＳｅの組成と禁制帯幅の関
係を示す図であり、第３図はＺｎＣｄＳＳｅの組成と誘
電率の関係を示す図であり、第４図はＺｎＣｄＳＳｅ膜
をＨＰＴの表面保護膜に応用した構成図であり、第５図
は従来の青色で発光する半導体装置の構成図である。図
中、１・・・ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ単結晶基板、２１・・
−ｎ型ＺｎＣｄＳＳｅエピタキシャル層、２２−＝　Ｚ
　ｎＣｄｓ　Ｓ　ｅ、発光層、２３・ｐ型ＺｎＣｄＳＳ
ｅエピタキシャル屑、２４・・・ＺｎＣｄＳＳｅエピタ
キシャル層、３１及び３２・・電極、４２・・ｒ１型Ａ
ＮＧａＡｓエピタキシャル層、４３・・・Ａ　Ｉ　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓエピタキシャルＭ（受光部）、４４・・・ｐ
型Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓエピタキシャル層、４５及び
４６・・・電極、４７−　Ｚ　ｎＣｄＳ　Ｓ　ｅ表面保
護膜。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、III−Ｖ族化合物半導体単結晶基板上に、該基板と
   格子整合を容易にとれるＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、Ｃ
   ｄＳｅから構成されるＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体を積
   層することを特徴とする半導体装置。 ２、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅから構成され
   るＺｎＣｄＳＳｅ系混晶半導体を表面保護膜として用い
   ることを特徴とする半導体装置。