JPH057015A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、特にｐｎ接合の形成が困難
で、良質な単結晶材料を得にくい半導体材料を用いた場
合でも、この種発光素子として実質的に十分な発光機能
を保証し得る半導体発光素子を提供することである。 【構成】 本発明による半導体発光素子は、ｎ型単結晶
シリコン層（１），酸化シリコン層（３）及びｐ型単結
晶シリコン層（２）で成るＳＯＩ構造の断面（５）を露
出せしめ、この露出断面（５）上に半導体発光膜（４）
が形成されることにより構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子の構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体発光素子として、ｐｎ接
合を形成して成る構造の発光ダイオードが知られてい
る。ところが、多くの半導体材料では一般にｐｎ接合を
形成することは容易でない。例えば、青色発光を得るた
めにセレン化亜鉛（ＺｅＳｅ）等のワイドギャップ半導
体を用いる場合、これらのワイドギャップ半導体では安
定したｐ型伝導を行うようにすることが困難で、従って
かかるワイドギャップ半導体により良質なｐｎ接合を形
成することは一般には難しい。そこで、ｐ型結晶を用い
る代わりに高抵抗結晶を用いた構造を有するＭＩＳ型素
子を使用することが主流になってきている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＭＩＳ
型構造の場合、少数キャリアの注入効率が悪いため高い
効率の発光素子を製作することができないという問題が
あった。尚また、上記ワイドギャップ半導体材料は前述
した不都合の他に、良好なオーム性接触を形成し難く、
このため半導体素子のための電極を形成することが極め
て困難になる等の実用上の問題を有している。一方、ダ
イアモンドのようにキャリアを得るためのドーピングを
行うこと自体が困難で、このためｐ型またはｎ型いずれ
を形成する場合にも問題が生じる半導体材料も存在する
が、以上述べた半導体材料の他に如何なる半導体材料を
用いるにしても、従来の発光素子の発光効率はその素子
中に存在する結晶欠陥に極めて敏感に影響される。そし
て良質な単結晶材料からのみ半導体素子の形成が可能に
なるにも拘わらず、半導体の単結晶材料の結晶性を制御
することは困難であり、このため実用的な発光強度を確
保するためには極めて多くの工程管理が必要になるばか
りか、発光材料を限定するという方法を取らざるを得な
かった。

【０００４】本発明はかかる実情に鑑み、特にｐｎ接合
の形成が困難で、良質な単結晶材料を得にくい半導体材
料を用いた場合でも、この種発光素子として実質的に十
分な発光機能を保証し得る半導体発光素子を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、ｎ型単結晶シリコン層，酸化シリコン層及びｐ
型単結晶シリコン層で成るＳＯＩ構造の断面を露出せし
め、この露出断面上に半導体発光膜が形成されるように
なっている。

【０００６】

【作用】本発明によれば、特に発光材料としてワイドギ
ャップ半導体を用いた場合、先ず素子の作動状態におい
てｎ型単結晶シリコン層は負に、またｐ型単結晶シリコ
ン層は正にそれぞれバイアスされるが、これによりｎ型
単結晶シリコン層からは電子が、またｐ型単結晶シリコ
ン層からは正孔がそれぞれ注入される。そして注入され
た電子及び正孔は上記発光膜内で結合し、ここで発光す
る。そしてこの場合において、少数キャリア及び多数キ
ャリアがそれぞれ半導体発光膜に隣接するｎ型単結晶シ
リコン層及びｐ型単結晶シリコン層から供給されるた
め、該半導体発光膜の伝導型はｐ型もしくはｎ型又は真
性のいずれのものであっても差し支えない。

【０００７】

【実施例】以下、図１乃至図４に基づき、本発明による
半導体発光素子の一実施例を説明する。本発明の半導体
発光素子の概略構造を示している図１において、１はｎ
型単結晶シリコン層、２はｐ型単結晶シリコン層、３は
酸化シリコン層である。ここで、ｎ型単結晶シリコンと
ｐ型単結晶シリコンとが、酸化シリコン層によって絶縁
されている構造はＳＯＩ（Silicon on insulator）構造
と呼ばれ、本発明では上記ｎ型単結晶シリコン層１，酸
化シリコン層３及びｐ型単結晶シリコン層２によりかか
るＳＯＩ構造が構成される。４は上記ＳＯＩ構造の露出
された断面５上で発光材料を成長せしめて成る半導体発
光膜、６及び７は例えば酸化シリコンで成るパッシベー
ション膜、８は陰極に接続される電極、９は陽極に接続
される電極である。

【０００８】次に、図４を参照して、本発明の半導体発
光素子を製造する場合の例を説明する。先ず、出発材料
としてｎ型単結晶シリコン，酸化シリコン及びｐ型単結
晶シリコンで成るＳＯＩ構造基板を用意するが、このＳ
ＯＩ構造基板は、予め酸化されたｎ型単結晶シリコン基
板と予め酸化されたｐ型単結晶シリコン基板とを接合法
によって直接接着せしめた後、上記ｎ型単結晶シリコン
基板を研磨・薄膜化することにより製作したものであ
る。そしてかかるＳＯＩ構造基板は図１に示したｎ型単
結晶シリコン層１，酸化シリコン層３及びｐ型単結晶シ
リコン層２により構成されるＳＯＩ構造に対応するが、
この場合、ｎ型単結晶シリコン層１の厚さは５ミクロン
程度、また酸化シリコン層３の厚さは０．５ミクロン程
度である。

【０００９】上記ＳＯＩ構造基板の表面に予め形成され
た酸化シリコン膜（パッシベーション膜６）に緩衝ＨＦ
溶液によって図２（ａ）に示したように、開口部１０を
形成し、更にＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングに
より上記開口部１０において前記露出断面５を形成する
ためのＶ字型溝１１を形成する。

【００１０】ｎ型単結晶シリコン層１においてその表面
に形成されるべきアルミ電極（電極８）とのオーム接触
を形成するために図２（ｂ）に示したように、シリコン
酸化膜をマスクにしてｎ＋層を選択拡散し、またｐ型単
結晶シリコン層２においてその表面全体にｐ＋層を拡散
する。

【００１１】次に上記のように形成されたｎ＋層及びｐ
＋層とそれぞれオーム接触すべき電極８及び電極９を形
成するために、ＳＯＩ構造基板の両表面にアルミ薄膜を
蒸着形成するが、この形成されたアルミ薄膜のうち電極
として不必要な部分、即ち上記Ｖ字型溝１１の部分はＨ
Ｃｌ水溶液を用いてエッチング法により除去せしめられ
る。そして更にかかるＶ字型溝１１の部分に形成されて
いる酸化シリコン膜は緩衝ＨＦ溶液によって除去せしめ
られ、これにより該Ｖ字型溝１１において断面５が露出
するが、この状態が図２（ｃ）に示されている。

【００１２】そして図２（ｄ）に示したように、露出し
た断面５上にスパッタ法によりＺｎＳ多結晶膜（発光材
料）を成長せしめて半導体発光膜４を形成すると共に、
断面５以外の場所に堆積したＺｎＳはリフトオフ法によ
り除去せしめられる。

【００１３】本発明による半導体発光素子は上記のよう
に構成されているおり、次に特に発光材料として上記実
施例で用いたＺｎＳの如きワイドギャップ半導体を選択
した場合の作動原理を説明する。先ず半導体素子に駆動
電圧を印加していないとき（無バイアス状態）のエネル
ギー帯図は図３に示した通りであるが、電極８及び電極
９をそれぞれ負及び正にしてバイアス電圧を印加するこ
とにより無バイアス状態からバイアス状態になる。そし
てかかるバイアス電圧印加によって半導体素子は作動す
るが、この作動状態においてｎ型単結晶シリコン層１は
負に、またｐ型単結晶シリコン層２は正にそれぞれバイ
アスされ、このような作動状態の半導体素子のエネルギ
ー帯図を図４に示す。図示したように、半導体発光膜４
に対してｎ型単結晶シリコン層１からは電子が、またｐ
型単結晶シリコン層２からは正孔がそれぞれ注入され
る。そして注入された電子及び正孔は上記半導体発光膜
４内で結合し、これによりエネルギーｈνの光が発光す
る。なお、ｈはプランク定数、νは発光光の周波数であ
る。上記のように作動する半導体素子を室内照明下で駆
動したところ、発光光は十分な視認性を有し、実用上問
題がない発光強度を備えていることを確認することがで
きた。

【００１４】なお、本発明による半導体素子構造によれ
ば、少数キャリア及び多数キャリアがそれぞれ半導体発
光膜４に隣接するｎ型単結晶シリコン層１及びｐ型単結
晶シリコン層２から供給されるため、該半導体発光膜４
の伝導型はｐ型もしくはｎ型又は真性のいずれのもので
あっても差し支えない。また、上記実施例において、発
光材料としてはＺｎＳ等のワイドギャップ半導体をはじ
めとして多くの種類の半導体を選択することができる
が、それらは必ずしも単結晶である必要はない。但し、
その場合、結晶粒径は酸化シリコン層１，２の層厚さ以
上あることが望ましい。その理由は、注入されたキャリ
アが発光するまでの過程で発光材料の結晶粒界に遭遇・
捕獲され、非発光過程において再結合し、そして消滅す
る確率を小さくするためである。バイアス電圧を印加す
るための電極８及び電極９は、半導体発光膜４に隣接す
るｎ型単結晶シリコン層１及びｐ型単結晶シリコン層２
に形成すればよいので、発光材料の選択に際して電極形
成の容易の問題を考慮しなくても済む。また、シリコン
層に対するオーム性接触を形成する場合、既存の技術に
よって行っても何ら問題はなく、シリコン層と発光材料
との境界面に発生するエネルギー障壁は、キャリア注入
開始電圧に対しては影響を与えるものの、素子の発光動
作に本質的な影響を与えるものではない。

【００１５】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、この種
の半導体素子においてｐｎ接合や良好な単結晶の形成が
困難な半導体材料を用いても適正な発光作動を実現する
ことができ、発光素子材料の選択の自由度を拡げること
ができる。さらに、このことにより、一般には発光波長
は材料に固有のものであるが、このような事実を踏まえ
た上で実質的に発光波長の選択の幅を拡大し得る等の利
点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体発光素子の一実施例による
素子構造を示す部分縦断面図である。

【図２】本発明にかかる半導体発光素子の製造工程例を
説明する図である。

【図３】本発明にかかる半導体発光素子の無バイアス時
のエネルギー帯図である。

【図４】本発明にかかる半導体発光素子のバイアス電圧
印加時のエネルギー帯図である。

【符号の説明】

１ ｎ型単結晶シリコン層 ２ ｐ型単結晶シリコン層 ３ 酸化シリコン層 ４ 半導体発光膜 ５ 断面 ６ パッシベーション膜 ７ パッシベーション膜 ８ 電極 ９ 電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ｎ型単結晶シリコン層，酸化シリコン層
   及びｐ型単結晶シリコン層で成るＳＯＩ構造の断面を露
   出せしめ、この露出断面上に半導体発光膜が形成されて
   成る半導体発光素子。