JPH0570277B2

JPH0570277B2 -

Info

Publication number: JPH0570277B2
Application number: JP495085A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujasu
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1985-01-17
Filing date: 1985-01-17
Publication date: 1993-10-04
Also published as: JPS61165993A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体装置に関し、特に超薄膜を用
い、エレクトロルミネツセンス等の光学的現像を
示す超薄膜半導体光学装置に関する。

〔従来の技術〕

エレクトロルミネツセンス装置とは、純粋な熱
輻射以外の方法により電子を励起し、結果として
光の放射を起させる装置をいい、母体に対する不
純物のレベルを用いて発光するもの、バンド間遷
移によつて発光するもの、バンド内遷移によつて
発光するもの等を含む。エキシトンはバンドに付
随して生じるものなので、本明細書ではエキシト
ン遷移もバンド間遷移の１種とする。以下バンド
間遷移を利用するエレクトロルミネツセンスにつ
いて述べる。

比較的バンドギヤツプが狭く、不純物添加によ
りpn接合を形成し易い−族（GaAs他）等の
半導体においては、pn接合を介して少数キヤリ
アを注入し、多数キヤリアと発光再結合させる発
光ダイオードが知られている。可干渉光を発する
半導体レーザも発光ダイオードの一種と言える。
特に半導体レーザにおいてはホモ接合のみでな
く、ヘテロ接合の利用もさかんである。又、モレ
キユラービーム（MB）法有機金属（MO）CVD
法等によりいわゆる超格子を形成する技術も知ら
れている。発光に係る遷移を増加させる種々の工
夫も提案されている。

−族半導体のように、イオン性の強い半導
体においては、一般にｐ型ｎ型の導電型制御が困
難である。これらの半導体を利用したEL装置と
しては、硫化亜鉛（ZnS）等のEL物質の粉末を
固め電極間にはさんだもの等が知られている。強
電界の作用等により電子が低いエネルギ準位から
高いエネルギ準位へ励起され、再び低いエネルギ
準位へ落ちること等により発光現像を起すと考え
られる。このようなEL発光の発光効率は発光に
関する遷移の前後の波動函数の振幅の２乗、およ
びその遷移の遷移確率に依存する。つまり状態
（キヤリア）の数と遷移の起り易さとに依存する。

強い発光を得るため、発光ダイオード（半導体
レーザ）においてはpn接合を越えて少数キヤリ
アを注入し多数キヤリアと発光再結合させる。さ
らに、pn接合付近に不純物濃度の低い活性層を
設け、非発光性再結合の確率を減少し活性層と隣
接層との間にキヤリアに対する障壁を作ること等
も行なわれている。しかし、不純物密度の制御が
困難でpn接合を作りにくい物質においては、こ
の方法は採用し難い。エネルギ障壁を利用しない
とキヤリアの密度を場所的に高めることが難し
い。粉末状EL物質を用いるEL装置ではキヤリア
を励起してもそのキヤリアは局在し、キヤリア密
度を高めることは難しい。又粒界等により不所望
の準位が生じ易く所望の遷移を優先的に行なわせ
ることも容易でない。

光吸収においても、多くの準位が混在するとき
は、所望の波長スペクトルで吸収を行なわせるこ
とが困難となる。波長変換素子やハイパス、ロー
パス等の色フイルターを半導体を利用して作成す
る場合はその物質の光学的性質を制御できること
が望ましい。又製造価格があまり高くないことが
要求される。そのため、半導体固有の性質を用い
るごく一部のもの等を除き、これらの装置に半導
体はあまり利用されてはいない。

また、２種類の材料を用いた半導体光学装置で
は電子に対する量子井戸と正孔に対する量子井戸
を自由に選択できず、量子井戸が極めて幅が狭
く、深いものであると、キヤリアは量子井戸にト
ラツプされず通過してしまう確率が増加するとい
う不都合があつた。第３図がこれを模式的に示
す。

〔発明の概要〕

本発明は、超薄膜をヘテロ接合ではさみ、超薄
膜内に電子・正孔に対する量子井戸を形成すると
共に、超薄膜の厚さを抑制して強電界を印加した
状態でも電子の波動函数と正孔の波動函数が場所
的にオーバーラツプするようにした超薄膜半導体
光学装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する超薄膜半導体光学装置をよ
りよく理解するために以下にその原理を説明す
る。

バンドギヤツプの異なる物質のヘテロ接合を利
用すると、接合部において電位障壁を形成でき
る。電子に対する電位障壁と正孔に対する障壁と
が、ヘテロ接合の同じ側に生じる場合（以下タイ
プとよぶ）と異なる側に生じる場合（以下タイ
プとよぶ）とがある。本発明はタイプのヘテ
ロ接合を用いる。

第１Ａ図および第１Ｂ図に薄膜の両側にタイプ
のヘテロ接合を形成して薄膜内に電子・正孔に
対する量子井戸を形成した場合のバンド模型を示
す。縦軸はエネルギｅを、横軸は場所の座標ｘを
示すものとする。物質Ａの薄膜の両側の物質Ｂで
はさんでいる。なお、第１Ａ図は無電界の状態
（Ｅ｜＝０）を、第１Ｂ図は強電界を印加した状態
（Ｅ｜＝０）を示す。物質Ａ、Ｂは共に真性もしく
はほぼ真性の半導体であり、自由キヤリアの掃き
寄せによるバンドの曲がり（空乏層の形成）は無
視できる程度である。従つて、第１Ｂ図において
電界は一様に生じているものとして図示する。

第１Ａ図において、物質Ｂにはさまれた物質Ａ
の薄膜は電子に対しても正孔に対しても量子井戸
を形成する。このような−族半導体物質とし
て（Ａ＝ZnSe、Ｂ＝ZnS）、（Ａ＝CdTe、Ｂ＝
CdSSe）等がある。従つて薄膜内で電子正孔対が
生じると、これらのキヤリアは薄膜内部に閉じ込
められる。室温の運動エネルギ（約25ｍＶ）程度
以上の電位障壁があるとすればこのようなキヤリ
ア閉じ込め効果を発揮する。電位障壁の高さが室
温の運動エネルギの約４倍（約100ｍＶ）、好まし
くは約10倍（約250ｍＶ）以上あれば、キヤリア
閉じ込め効果はほとんど完璧である。

なお、この量子井戸を作る物質の特性や幾何学
的形状等の境界条件により、この井戸内で許容さ
れるエネルギ単位が定まる。基底状態のエネルギ
準位をＮ−１の線で示す。

閉じ込められた電子正孔対が発光性の再結合を
行なえば発光現象が生じる。発光強度を強くする
にはキヤリア数を増大させる必要がある。

キヤリア励起の方法の１つとして強電界による
励起がある。第１Ａ図の構成のｘ方向に電界（右
側に負、左側に正の電圧）を印加した状態を第１
Ｂ図に示す。

第１Ｂ図においては、電界の印加によりバンド
のエネルギが傾斜している。この傾斜（電界強
度）が強くなると共に波動函数はより低エネルギ
の場所に偏移するようになる。電子と正孔とによ
つてエネルギの高低は逆の関係にあるので電子の
波動函数と正孔の波動函数とは逆方向に移動す
る。すなわちキヤリアを生成するために強電界を
印加すると、生成された両極性のキヤリアは場所
的に分離する傾向にある。

破線で示す場合のように、量子井戸を作る薄膜
の厚さが厚いと、互に逆方向に偏移した電子波動
函数と正孔波動函数との間に場所的なオーバーラ
ツプがなくなり、遷移（発光）を起すことができ
なくなる。

しかし、薄膜の厚さ（量子井戸の幅）を、波動
函数の幅の和未満、好ましくは１方のピークが他
方の幅の中に存在するように選べば、波動函数が
偏移しても図中のψc，ψvで例示するように十分
な場所的オーバーラツプが確保され、高い遷移確
率を得ることができる。

電子・正孔対を有効に励起するには、10⁵〜
10⁶V／cmのオーダーの電界を印加するのが好ま
しい。電界が弱いと、電子・正孔対を有効に励起
できず、電界が強すぎると誘電破壊を起こしてし
まうからである。

このような強電界を印加した状態での波動函数
の拡がりは材料等に依存するが、本発明の関係す
る材料では一般に数Åから数十Å程度と考えられ
る。従つて第１Ａ図および第１Ｂ図の物質Ａの領
域はたかだか約100Å程度の超薄膜となる。

デバイス構造の例を第１Ｃ図、第１Ｄ図に示
す。第１Ｃ図において基板１上に物質Ｂの第１層
２、物質Ａの第２層３、物質Ｂの第３層４が積層
され、絶縁層５，６を介して両面に電極７，８が
設けられている。電極７，８の少なくとも１方
（好ましくは上部電極８）は光を透過させるため
インジウム−錫酸化物（ITO）や薄膜金等の透明
電極で作る。両電極間には直流又は交流の電圧源
９が接続されている。電圧源９は電界を形成する
ものであるが、同時にキヤリア励起の作用を兼ね
ることもできる。基板１は、物質Ａ、Ｂ同様−
族半導体でもよいが、SI、Ge、GeAs、GaP等
他の物質であつてもよい。基板１の比抵抗は層
２，３，４の比抵抗と比べ無視できるものである
ことが好ましい。層２が基板１と同一物質の場合
は層２を基板内に作りつけてもよい。絶縁層５，
６はたとえばSiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、PIQ等の公
知の絶縁材料で作ればよい。

第１Ｄ図の構成は基板１が省略されている点以
外第１Ｃ図のものと同様である。層２，３，４を
形成後、基板をエツチオフしてもよく、電極７上
に層５，２，３，４，６，８を順次形成してもよ
い。基板１を用いない場合はコスト的なメリツト
が大きい。

キヤリア励起は電圧源９で行なつてもよいが、
高周波エネルギの印加、高エネルギの電磁波（近
紫外線等）の照射で行なつてもよい。

波長変換フイルタや色フイルタ等の光学素子と
して用いる場合キヤリア励起手段は不要である。
第１Ｄ図の構成は裏面照射前面発光の動作モード
に特に好適である。

第１Ａ，１Ｂ図のように量子井戸が１個所のみ
の場合生成したキヤリアの収集効率はあまり高く
ない。すなわち、第１Ｂ図において、量子井戸の
左側で励起された電子は左側に逃げ去り、量子井
戸の右側で励起された正孔は右側に逃げ去つて有
効に利用できない。

第２Ａ，２Ｂ，２Ｃ図は量子井戸を複数、好ま
しくは多数、設けた構成を示す。このような構成
とすることにより、量子井戸間にはさまれた領域
で励起されたキヤリアを有効に利用できるように
なる。なお量子井戸を作る層の厚さと電位障壁を
作る層の厚さとは独立に選択できる。なお、図中
Ｌで示す積層構造を周期的にくり返すと、さらに
好ましい結果が得られる。超薄膜層を積層する
と、層間に格子不整合が存在しても、格子自身が
歪んで自ら整合し格子欠陥を生じさせないことが
判つた。この点については第17回ICPC（サンフラ
ンシスコ、1984年８月）、コミユニケーシヨン・
オブ・ジヤーナル・オブ・アプライド・フイジツ
クス（Communication of JAP）（1985年３月）
等に本発明者等の報告がされている。この格子自
己整合化は一定の規則に従つて多層化した超格子
の場合に特に著しい。

このような超薄膜ないし超格子の製造方法とし
ては、モレキユラ・ビーム法、MOCVD法、ホ
ツトウオール法等が利用できる。特にホツトウオ
ール法は制御性、製造コストの両面で好ましい。
ホツトウオール法に関しては第３回モレキユラ・
ビーム・エピタキシ（3rd MBE）国際会議抄録
（1984年）等に本発明者等の報告がされている。

第２Ａ図は無電界の場合、第２Ｂ図は強電界の
ある場合のバンド模型を示す。物質Ａと物質Ｂと
が交互に積層され、物質Ａの各層が電子、正孔に
対する量子井戸、物質Ｂの各層が電子、正孔に対
する電位障壁を形成する。たとえば、物質Ａは
ZnSe、物質ＢはZnSであり、物質Ａの層は数Å
から数十Åの厚さである。層の厚さを薄くすると
量子井戸は境界条件等により、一定の準位を作る
ようになる。電子及び正孔の基底準位をそれぞれ
破線で示す。第２Ｂ図の如く電界を印加すると、
電子、正孔に対する波動函数はそれぞれよりエネ
ルギ・レベルの低い部分に偏移するが物質Ａの層
が極めて薄いので波動函数のオーバラツプが確保
される。電子・正孔のペア生成が行なわれると、
電子、正孔はよりエネルギ・レベルの低い部分ヘ
ドリフトで移動する。量子井戸が複数存在するた
め、多重層内で発生した自由キヤリアは効率よく
量子井戸に集められる。この高密度化された電
子、正孔が波動函数の重なりを利用して効率よく
再結合する。従つて発光効率は向上する。

今E_g1に相当するエネルギ以上のエネルギを有
する光で電子・正孔対を発生させると、再結合に
よりE_g2に相当するエネルギの光が発生する。す
なわち波長変換フイルタとして働く。

強電界で衝突を生じさせて電子・正孔対を発生
させると、電界EL装置として働く。

第２Ａ図に示す基底状態のエネルギは物質Ａ、
Ｂの物性（エレクトロンアフイニテイ等）のみ
でなく量子井戸の境界条件にも依存する。従つて
層厚の制御等により準位間エネルギ差E_g2を制御
することもできる。

第２Ｃ図はデバイス構造の例を示す。物質Ａ、
Ｂの層２，３が多層化されている点以外第１Ｄ図
の構造と同様である。第１Ｃ図のように基板を用
いることもできる。

このように超薄膜が電子に対しても正孔に対し
ても量子井戸を形成する時、この超薄膜は電子お
よび正孔を蓄積する機能を有する。強電界を印加
することによりキヤリアを励起し、量子井戸にト
ラツプすれば高密度のキヤリアを超薄膜に蓄積で
きる。さらに超薄膜の厚さを強電界下の電子・正
孔の波動函数の拡がりの和未満にすることによ
り、場所的な波動函数のオーバーラツプが確保さ
れ、高い遷移確率を得ることができる。

さらに超薄膜の材料及び厚さ、ヘテロ接合を形
成する両側の領域の材料等を選択することによ
り、キヤリアを量子井戸にトラツプする効率、超
薄膜内での電子及び正孔のエネルギ準位等を制御
できる。

なおヘテロ接合は、格子整合がされないと歪を
生じさせ格子欠陥等を生じさせて非発光再結合中
心の増加等光学的装置に好ましくない影響を与え
易い。しかし超薄膜は格子不整合に対する柔軟性
が強い。さらに超薄膜を積層し、一定の周期性を
もつた超格子構造とすると、結晶性、光学的特性
は著しく改善される。

量子井戸を形成する層の両側の層を異なる材料
で形成すると、量子井戸の両側の電位障壁の高さ
が異なるようになる。材料を適当に選ぶと、量子
井戸の一方の側では電子に対して他方の側より高
く、正孔に対しては他方の側より低い電子障壁を
作るようにできる。このような多重へテロ接合に
電界を印加すると、他方側から移送される電子、
一方側から移送される正孔を効率よく量子井戸層
にトラツプできる。

〔実施例〕

第４Ａ図および第４Ｂ図に本発明の超薄膜半導
体装置の構成を示す。第４図は無電界の場合、第
４Ｂ図は強電界の場合のバンド模型である。物質
Ａの超薄膜を物質Ｂと物質Ｃで挾んだ構成であ
り、物質Ａは物質Ｂ、物質Ｃに対してタイプの
ヘテロ接合を形成する。さらに物質Ｃの伝導帯の
エネルギは物質Ｂの伝導帯のエネルギより高く、
物質Ｂの価電子帯の（正孔に対する）エネルギは
物質Ｃの価電子帯の（正孔に対する）エネルギよ
り高い。

この構成で図中右側に負、左側に正の電圧を印
加して、強電界を発生させると第４Ｂ図のように
なる。上述のバンドエネルギの関係から、物質Ｃ
の層は物質Ａの層から移送される電子に対して電
位障壁を形成し、物質Ｂの層は物質Ｃの層から移
送される正孔に対して電位障壁を形成する。従つ
てキヤリアは量子井戸を通り抜けることなく、電
位障壁で反射され、量子井戸に有効にトラツプさ
れる。物質Ａの超薄膜は厚さが極めて薄いため、
強電界下でも電子に対する波動函数と正孔に対す
る波動函数とは十分な場所的オーバーラツプを有
し、高い発光効率を実現できる。

この場合第１Ｃ図および第１Ｄ図と同様のデバ
イス構造を採用できる。層３を物質Ａ、層２，４
を物質Ｃ、Ｂで作る点で異なるのみである。

第５図は第４Ａ図および第４Ｂ図に示す構造を
さらに改良した例を示す。第４Ａ，４Ｂ図同様物
質Ａの超薄膜を物質Ｂ、物質Ｃの層で挾み、この
３層構造を長さＬの単位として、第２Ａ図および
第２Ｂ図同様複数の単位を積層している。キヤリ
アの量子井戸飛び越しを防止し、かつ励起したキ
ヤリアのほとんど全てを有効に利用できる。さら
に、超格子構造としたことにより、格子不整合の
問題がなくなり格子欠陥がなくなる。このため発
光効率はさらに高くできる。また遷移に関係する
エネルギを量子井戸の構造（境界条件）で変調す
ることもできる。デバイス構造としては第２Ｃ図
の交互２層の代りに３層としたものや、さらに基
板を用いたものを採用できる。

好ましい構成例として、物質Ａ、Ｂ、Ｃをそれ
ぞれCdTe、ZnS、ZnTeとし、さらに各層の厚さ
を約10Å、約30Å、約30Åとしたものがある。赤
色光、近赤外光の発光素子として有効である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タイプのヘテロ接合を用い
て量子井戸を形成し、さらに量子井戸の幅を制限
することにより、強電界下で電子（伝導帯）の波
動函数と正孔（価電子帯）の波動函数との場所的
重なりの確保とキヤリアの高密度化を達成でき、
遷移効率を向上させることができる。又電界によ
るドリフト移動、付随容量の小さいことにより高
速動作が可能である。

また本願発明は、ヘテロ接合構造を構成する、
真性若しくはほぼ真性の第一と第二と第三の半導
体層を具備する。電圧が第一と第二と第三の半導
体層に印加されたとき、第一と第三の半導体層が
それぞれ第二の半導体層の伝導帯の電子の第一と
第二の伝導帯障壁を形成する。この場合、第一の
伝導帯障壁は第二の伝導帯障壁より高い。また、
第一と第三の半導体層がそれぞれ第二の半導体層
の価電子帯の正孔の第一と第二の価電子帯障壁を
形成する。第二の価電子帯障壁は第一の価電子帯
障壁より高くなる。この結果、第二の半導体層の
第一と第二の伝導帯障壁により閉込められた伝導
帯の電子と第二の半導体層の第一と第二の価電子
帯障壁により閉込められた価電子帯の正孔とが効
率よくほとんどバンド間再結合する。

本発明では、更に第一と第二と第三の半導体層
の組を繰返し形成することにより発光効率をさら
に高めることが可能となり、第一と第二と第三の
半導体層の各々が、超格子を形成するように超薄
膜で形成されている場合には、障壁は高く、かつ
量子井戸の場をそれ程広げることなく励起された
伝導電子に対する井戸の深さを浅くすることがで
きるので、効率のよい発光を得ることができる。

また、量子井戸の幅と深さを調整することによ
り、量子論的効果により第二の半導体層のバンド
ギヤツプに対応する波長より短い波長の光を発光
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は本発明の原理を説明
するバンド模型図、第１Ｃ図および第１Ｄ図はデ
バイス構造の断面図、第２Ａ図および第２Ｂ図は
複数の量子井戸を有する場合のバンド模型図、第
２Ｃ図はデバイス構造の断面図、第３図はキヤリ
アの量子井戸飛び越しを説明するバンド模型図、
第４Ａ図および第４Ｂ図は３種類の材料を用いた
変更例のバンド模型図、第５図は３種類の材料で
複数の量子井戸を形成した変更例のバンド模型図
である。

Claims

【特許請求の範囲】１接合された、真性若しくはほぼ真性の第一と
第二と第三の半導体層を具備し、電圧が前記第一
と第二と第三の半導体層に印加されたとき、前記
第一と第三の半導体層がそれぞれ前記第二の半導
体層の伝導帯の電子の第一と第二の伝導帯障壁と
なり、前記第一と第三の半導体層がそれぞれ前記
第二の半導体層の価電子帯の正孔の第一と第二の
価電子帯障壁となり、前記第一の伝導帯障壁は前
記第二の伝導帯障壁より高く、前記第二の価電子
帯障壁は前記第一の価電子帯障壁より高くなるよ
うに、それにより前記第二の半導体層の前記第一
と第二の伝導帯障壁により閉込められた伝導帯の
電子と前記第二の半導体層の前記第一と第二の価
電子帯障壁により閉込められた価電子帯の正孔と
がほとんどバンド間再結合するように、前記第一
と第二の半導体層及び前記第二と第三の半導体層
がヘテロ接合されていることを特徴とする半導体
光学装置。２前記第一と第二と第三の半導体層の組が繰返
し形成されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の半導体光学装置。３前記第一と第二と第三の半導体層の各々が、
超格子を形成するように超薄膜で形成されている
ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の半
導体光学装置。