JPS6050979A - 発光半導体装置 - 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】 本発明は非単結晶半導体を用いた発光用の半導体装置に
関する。

本発明はエネルギバンド■１】（以下エネルギバンドま
たはエネルギギャップをも総称してＥｇと略して記す）
を有するＰまたはＮ型の導電型を有する２つの第１およ
び第２の非単結晶半導体と、その第１および第２の半導
体に挟まった第３の非単結晶半導体とよりなり、この第
３の半導体は異なるエネルギハンド中を有する非単結晶
半導体を積層して設けたことを特徴とする。

本発明はこの第３の半導体において超格子（スーパーラ
ティス以下ＳＬともいう）構造を有し、それぞれの半導
体のそれぞれの境界または境界領域において、エネルギ
ハンドの伝導帯（以下ＣＯという）および価電子帯（以
下ＶＢという）が連続または実質的に連続したエネルギ
バンド構造を有せしめた発光半導体装置に関する。

本発明は、互いに異種導電型の第１、第２の半導体間の
遷移領域に設けられた第３半導体は、その半導体内にｍ
層（ｍ＞１）の狭いエネルギバンド中の非単結晶半導体
（ｍ半導体という）と、ｎ層（ｎ層２）の広いエネルギ
バンド中の非単結晶半導体（ｎ半導体という）とを積層
している。そしてそのｍ半導体のＣＢまたはＶＢはｎの
半導体のＣＢまたはＶＢよりもエネルギ的に安定なポケ
ット形状を有せしめ、かかるポケットに順方向に印加さ
れて注入された電子およびホールを蓄積させるとともに
、かかる蓄積電荷を互いに再結合せしめることにより発
光させることに関する。

本発明はＮまたはＰ型の第１の半導体の多数キャリアで
ある電子またはボールを第３の半導体に注入せしめ、こ
の第３の半導体におけるｎ半導体をトンネル効果により
通り抜け、ｍ半導体のエネルギ的にポケットを構成する
半導体にて電子およびホールがパンドーパント間再結合
、ハント−再結合中心間再結合、再結合中心間再結合を
せしめ、発光をさせることを目的とする。

本発明はＳＬとし、その結果ｍ半導体とｎ半導体とのエ
ネルギハンド的な相互作用により、ｍ半導体のエネルギ
バンド中を大きくするため、ｍ半導体とｎ半導体とをそ
の平均厚さくクラスタ状を構成している場合を含む）を
１００Å以下好ましくは５〜１５人として超格子構造を
有せしめている。かくのごとき薄膜構造とし、かつその
厚さを製造条件において薄くして制御することにより、
ｍ半導体とｎ半導体をそれぞれのエネルギバンド１１Ｊ
の中間の値を有せしめることを可能とした。このためそ
の厚さを種々設けることにより可視光連続発光をさせる
ことができた。

本発明はさらにこの遷移領域にこれらの広いエネルギハ
ンド中の半導体に比べて狭いＥｇを有する１、Ｎまたは
Ｐ型の半導体を介在さセ、門Ｎ、ＰＮＮまたはＰＰＮ接
舎をＣＢおよびＶＢを連続して作り、そのＥｇ　（厚さ
の関数ともなる）の中に従って決められた光をＣＢ、Ｖ
Ｂ間の電子、ホールの再結合により発光せしめることを
目的としている。

本発明はこの遷移領域に異なったエネルギハンド中を有
する半導体を層状または混在せしめて連続光または白色
光を発光せしめる発光半導体装置に関する。

従来、発光用素子としては、ＧａＡｓ等の単結晶構造を
有する化合物半導体が知られている。これはＰＮ接合に
順方向の電流を流し、接合部での電子・ホールの再結合
を利用して発光させるものである。

さらにかかる発光素子を非単結晶半導体に夕４しても適
用するため、本発明人の出願になる特許願［半導体装置
Ｊ　（５３−−１０２５１７ＸＳ５３．８．２３出願）
、「発光半導体装置Ｊ　（５６−１９９００Ｘ５５６．
２．１３出願）。

（５６−１３９２６３）＜Ｓ５６．’１．４出願）があ
る。本発明はかかる発明人の出願になる非単結晶半導体
を用いたヘテロ接合型半導体装置をさらに発展させたも
のである。

第１図は本発明人の出願になる従来の発明のへテロ接合
型の発光素子を示す。

この半導体装置は一導電型（図面ではＮ型）の半導体（
１）と同じエネルギバンドｌ」を有し、かつＮ型の半導
体（２）とよりなる第１の半導体層と、逆導電型（Ｐ型
）の半導体（３）と同じエネルギハンド中を有し、Ｐ型
の半導体（４）とよりなる第２の半導体層を境界または
境界領域（以下本明細書では簡単にするため単に境界と
いう）（６）によりＣＢ、ＶＢとも連続的な接合を有せ
しめたものである。

この図面より明らかなように、電子（８）にとってはエ
ネルギ安定領域（ポケット）が、またボール（９）にと
っては同様のボケ・７トがそれぞれの半導体（２＞、＜
　４　）により成就している。このポケットのため、電
子・ホールはそこに蓄積され、それぞれが境界でのＥｇ
を越えて再結合（５）する確率を高めることができ、室
温または室温イ」近での発光（６）をさせることができ
る。

しかしこの高不純物１度にすることは珪素、ゲルマニュ
ーム等のアモルファス半導体（以下ΔＳ）またはショー
トレンジオーダにて秩序性または結晶性を有するセミア
モルファス半導体（以下ｓＡＳという）または多結晶半
導体（以下ＰＣ５という）よりなる非単結晶半導体にお
いて、その接合部において、半導体主成分である珪素ま
たはゲルマニュームに比べてＰ型用不純物およびＮ型用
不純物を１〜５％も添加しなければならない。このため
この不純物による散乱、格子欠陥を介して電子・ホール
の再結合がおきてしまい、第１図における（５）の電子
・ホールによる再結合により室温における発光（６）が
きわめて困難であった。

さらに発光のため、順方向に電圧を印加する。

するとＮ型半導体（２）の多数キャリアである電子（８
）にとっての壁（１０）がともにその半導体としてのエ
ネルギバンド中を積極的に制御していないため、その高
さ即ちエネルギ障壁が十分高くなく、そのためそれぞれ
のキャリアはそのまま接合の反対方向に流れていってし
まい、キャリアを防ぐ効果の注入効率を十分高めること
ができなかった。そのため注入電流の発生効率は０．１
〜０．５％どまりであり、特に常温発光を長時間安定に
行うことが困難であり、さらにその発光波長の制御、発
光効率を高めることは不可能であった。

本発明はかかる欠点を除去するためになされたものであ
る。

本発明に用いる非単結晶半導体は珪素、ゲルマニューム
を主成分としている。さらに広いエネルギハンド中を有
する非単結晶半導体はこれらと窒素、酸素、炭素との化
合物（混合物）を用い、珪素に対しては５ｉｘＣ１−ｙ
：　（０＜　ｘ　＜　１　）、ゲルマニュームに対して
は５ｉｘＧｅ１４（０＜　ｘ　＜　１　＞、　Ｓｉ３Ｎ
４−ｘ、（０＜ｘ〈４）を主として用いた。

本発明は半導体装置の基本構造を第２図にその縦断面図
にて示している。

即ち、第２図（Ａ）において、下側電極として作用する
基板（２０）上にオーム接触をさせた一導電型の半導体
（１１）、を水素または弗素が添加された＾Ｓ、ＳＡＳ
、ＰＣ５の構造を有せしめて形成した。ＳＡＳとは５〜
１００人のショートレンジオーダでの結晶粒または結晶
性を有する広い意味での＾Ｓである。

即ち非晶質構造と結晶構造の半導体との混在物であり、
その自由エネルギはＡＳと結晶半導体との中間を有して
いる。非単結晶半導体特にきわめて粒径の小さい格子歪
を有する結晶性を有してし）るため、光の遷移は単結晶
と異なり直接遷移を主としている。

本発明はかかるＰ型の非単結晶半導体を基板電極（２１
）即ち金属、半導体または絶縁体、力゛ラスまたはセラ
ミックのような絶縁体上の金属等の一部または全部に被
膜化させてできた複合基板くム）わゆる柔らかな基板）
（以上を総称して本発明で番よ単に基板電極という）を
用いた。

さらに本発明においてはシラン（ＳｉｐｌＬａｐ”２　
ｐ≧１）、二弗化珪素（ＳｉＦ２）その他珪化物気体を
用し）でこれらをグロー放電法、光プラスマ気相反応法
（ＰＣＶＤ法）、光ＣＶＤ法（Ｐｈｏｔｏ　ＣＶＤ法）
、光プラスマｃｖｏ法（ＰＰ　ＣＶＤ法）、ｌ０Ｍ０　
（ＬＴ）　ＣＶＤ法等（７）　ＣＶＤ法により分解、反
応せしめ、基板上に層構造即ち一つのＥｇを持つ一導電
型の半導体（１１）を基板と、（−一ム接触用媒体とし
ての半導体として作った。実験的には珪素を主成分とし
たＰ型珪素とした。また第３の半導体中のｍ半導体は不
純物の添加を行わない真性または実質的に真性（不純物
濃度１０１’１ｃｍ””以下）の珪素を用いた。これは
水素または弗素の添加された珪素が最もキャリアの寿命
が長いことによる。さらにｎ半導体である障壁を構成す
るためのこれより広いＥｇを持つ半導体も同様のＣＶＤ
法で作製した。

広いＥｇを持つ半導体としては例えばシランとアンモニ
アとの反応により５ｉｘＮ４−ｘ（０＜　ｘ　＜　４　
）（１，７ｅＶ　＜　Ｅｇ　＜　６ｅＶ　）、シランと
酸素との反応による５ｉＯ（０＜　ｘ＜　２Ｘ１．７ｅ
Ｖ　＜Ｅｇ＜８．ＯｅＶ　＞、メタンとシランまたはＳ
ｉとＣとの化合物のプラズマグロー放電法を利用したＣ
ＶＯ反応によるＳｉｘＣ１−ｘ　（０＜　ｘ　＜１　＞
Ｕ、７ｅＶ　＜　Ｅｇ＜　３．５ｅＶ　）を主として利
用した。

ここではＴＭＳ　（Ｓ＋　（Ｃ％＞（テトラメチルシラ
ン）を出発材料として不純物を添加せずに用いた。する
とこの５ｉｘＣ１−ｚ（０＜　ｘ　＜　ｌ　ｘ　＝０．
５　Ｅｇ＝２．８〜３．２ｅＶ　）が得られた。さらに
これらのｎ半導体に対してもＰ型不純物としてジボラン
を用いたＢのような■価の不純物を珪化物気体と同時に
同様に添加してもよい。このｍ半導体とｎ半導体とを互
いに積層して第３の半導体を構成せしめた。さらに第１
の半導体とは逆導電型の第２の半導体を第３の半導体上
に気相法により作製した。この後、上側電極（２２）を
オーム接触をせしめて形成した。

上記方法をその順序に従ってプラズマグロー放電による
ＣＶＤ法を用いて作製した。即ち、反応炉の導入側には
珪化物気体であるシランとＰ型不純物気体、Ｎ型不純物
気体、Ｗ−Ｅｇ用の反応用気体（ＴＭＳ等）およびキャ
リアガスをともに配設した。

反応系は排気系よりターボ分子ポンプにて減圧状態にな
るように強制排気して、バックグラウンドレベルをＩ　
Ｘ　１Ｏ−８ｔｏｒｒ以下とした。さらに反応性気体を
導入して２０〜０．００１ｔｏｒｒ例えばＱ、ｌ　ｔｏ
ｒｒに減圧した。予めこの反応炉に基板を設置させ、室
温〜５００℃代表的には２００〜３００℃に加熱された
基板またはその前方および基板近傍に直流〜２．６Ｇｌ
ｌｚ例えば１３．５６Ｍ１ｌｚの周波数の電磁エネルギ
を与え、反応炉内の反応性気体およびキャリアガスをプ
ラズマ放電させる。この放電エネルギにより前記した反
応性気体を化学的に活性、分解または反応せしめ、基板
上の被形成面上に被膜形成させる。

不要物および使用済みキャリアガスは排気系よりターボ
分子ポンプを経て外部に放出させた。

かかるプラズマグロー放電法を利用したものでｍ半導体
を非単結晶半導体としてシランにより作った。さらにこ
の珪化物気体を完全に排気してＴＭＳを導入し、Ｗ−Ｅ
ｇ用のｎ半導体を積層して作ったりこの作製を反応性気
体の導入を切り換えることにより積層した。

すると第２図（Ａ）に示すごとく、基板または基板上の
第１の電極（２１）上にＰ型の珪素の第１の半導体（１
１）、　Ｉ型の珪素と炭化珪素との積層体よりなる第３
の半導体、Ｎ型珪素の第２の半導体を積層した。さらに
この第３の半導体は、ｎ半導体、ｍ半導体をｎ　＝　１
　、（１４）、ｍ＝１（１５）、ｎ＝２（１６）、ｍ＝
２　（１７）、　ｎ＝３　（１８）、ｍ＝３　（１９）
、　ｎ＝４（２０）とそれぞれの厚さを１００Å以下好
ましくはその平均厚さを５〜１５人に積層して作った。

するとこれらはその厚さがきわめて薄いため、ＳＬ構造
ともいえる多層積層体構造をその一部または全体に構成
し、エネルギバンド中をｍ半導体よりも大きいエネルギ
バンドｌＪとさせることが可能となった。

以上のような方法により非単結晶半導体を積層形成する
ため、初めてエネルギハンドを連続として可変すること
が可能となった。

さらに本発明においては、非単結晶半導体中の不対結合
手を中和するため、水素、弗素のようなハロゲン化物を
５モル％以上例えば３０モル％の量含ませ、さらにＥｇ
内のキャリアの再結合中心密度をさらに減少させ、その
増加を防いでいる。

このため■−Ｖ化合物の単結晶半導体のへテロ接合のよ
うに最も重要な接合面に集中的に特定の再結合中心（Ｎ
ｓｓ　）が存在することがなく、さらにＣＢ、ＶＢとも
エネルギ的に滑らかな連続性（連続）（化学量論比のミ
クロな不均一性のため１〜ンネル電流にて通過できる範
囲での半導体内でのバリヤはその効果がまったくないた
め、本発明ではかかるミクロなバリヤのある場合も連続
といっている）になることにより、電子、ホールに対し
まったく好ましいものであった。

この異なる導電型の接合部または境界領域は被膜の成長
速度をｏ、ｏｏｔ　〜ｉｏ人／ｓｅｃ例えば０．１人／
秒とし、加えて、８ｇ可変用の厚さの制御をそのＰＣＶ
Ｄの積層圧力を低く　（０，１−０，００１ｔｏｒｒ例
えば０．０５ｔｏｒｒ）として薄膜層形成をさせている
。

即ち、ｍ半導体においては平均膜厚を５人、８人、１０
人、１３人、１５人・・・と被膜形成時間に従って決め
られるそれぞれの平均膜厚を１００Å以下の厚さにする
ことにより、そのＥｇをｍ半導体とｎ半導体との相互作
用を大きい状態（職を２．５〜２．８ｅＶ）から小さな
状！（Ｅｇを１．７〜２．ＯｅＶ　）に制御することが
できる。このため本発明で示ずｍ半導体を珪素（Ｅｇ＝
１．７〜１．８ｅＶ　）と炭化珪素（Ｅｇ　−２，８−
３，２ｅν）とにより得られる中間のＥｇ　（１，７〜
２．８ｅＶ　）を珪素と炭素との化学量論比を変えるこ
となく珪素のＥｇとして作ることができる。このことは
電気的に炭化珪素よりはるかに優れた再結合中心の密度
を２　Ｘ　１０’　ｃｍ−”以下である珪素であって、
かつその光学的Ｅｇを可視光の２．３〜２．８ｅＶとす
ることが可能となり、工業的効果がきわめて大きい。

本発明はかかる特性を利用し、かつ注入されるキャリア
によってはｎ半導体はバリヤを構成し、キャリアをｍ半
導体に捕獲する。さらに非単結晶ｍ半導体である珪素の
Ｅｇを炭化珪素のｎ半導体により広げ、そのＥｇを２．
３〜２．８ｅＶとしてバンド間遷移を主としてさせて可
視光発光を行わしめている。そしてそのためのキャリア
の注入を行うため、第３の半導体をＰ、Ｎ半導体で挟み
、ＰＰＮ、ＰＮＮ、　ＰＩＮ接合と半導体（１１）また
は（１３）−半導体（１２）−半導体（１３）または（
１１）のダイオード構造としている。

このため第２図（Ａ）のエネルギバンドｌＪは第１、第
２の半導体が第３の半導体に比べて相対的に狭い［ｉｇ
を有するＮ　（１２）　−Ｗ　（１３）　−Ｎ　（１４
）構造を有し、いわゆるＤＨ（ダブルへテロ構造）のＷ
−Ｎ−Ｗ構造の逆の構造を有している点も特徴である。

第３図は第２図（Ａ）に対応したエネルギバンド中を示
し、かつその動作原理を示す。

図面において基板上に第１の透光性導電膜が酸化スズ（
２１）により設けられている。この上にＰ型珪素、Ｐ型
５ｉｘＣ（ｘ　＝０．８　Ｅｇ’−２，ＯｅνＸ１ｌ）
の第１の半導体、ＳＬ構造を有する第３の半導体（１２
）（Ｅｇ＝１．７〜３．３ｅＶ　）、Ｎ型の第３の半導
体（１３＞＜Ｅｇ　”＝　１．７ｅＶ入裏面の透光性電
極（２２人反射性電極（３３）を有する。

さらにこの第３の半導体はｍ半導体を水素が添加された
珪素により（１５）、（１７）、（１９）が設けられ、
またｎ半導体を５ｉｘＣ１−ｚ（ｘ　＝０．２〜０．６
　）が（１４）。

（１６）、＜１８＞、（２０）により設けられている。

またそれぞれの平均厚さを１０人とした。するとその光
学的エネルギハンド１１ＪはＣＢ’　（２５）が（２３
）に、またＶＢ（２６）が（２４）に変化・修正されて
いると考えられ、最もエネルギバンドｒｌＪの小さい領
域が１．７ｅνではなく、２．１〜２．５ｅＶ例えば２
．２ｅＶに変化した発光（１Ｇ）が第３図（Ｂ）にて観
察されていた。

このため、ＳＬ構造を有していると推定され、この場合
２．２ｅＶであるため、可視光（６）が第３図（Ｂ）に
示すごとく順方向に２〜２０Ｖのバイヤス（２７）を加
えた場合観察された。

さらにその発光効率を向上させるため、裏面の反射性電
極（３３）が銀またはアルミニュームより設けている。

このため裏面方向−＼発光した光はＩＴＯ（酸化インジ
ュ−ム・スズ）による透光性電極を経て電極（３３）に
て反射して反射光（３２）が生成される。

ＪｆｉＪち本発明のごとき多層積層を構成せしめたこと
により可視光発光をｍ−ｖ化合物以外の地上に多量に存
在する珪素、炭素のみを主成分として成就させることが
できた。

もちろん第３図に示すごときハンド間遷移ではなく、ハ
ンド−再結合中心間の遷移再結合中心よ−りの電荷も同
時に単結晶半導体であり再結合中心が１０”　（１０″
〜１０”　ｃｍ−”　）以下であるため同時に観察され
た。しかしこの再結合中心を介してのキャリアの再結合
はその発生波長を赤外光とさせてしまった。

第２図（Ｂ）は第２図（Ａ）の他の実施例であるへ 即ち第２図（Ｂ）は遷移領域を構成する第３の半導体（
１２）が１００Å以下の平均膜厚であり、そのプロセス
を考えると連続した平坦面を構成するのではなく、第１
の半導体（１２）上に塊状のクラスタを構成して有せし
め、このクラスタ状のｍ半導体と他のクラスタ状のｎ半
導体とを互いに積層せしめたもので、さらにその上に積
層して第２の半導体（１４）を形成させたものである。

この第２図（Ｂ）は第２図（Ａ）と電気的に等価である
。そしてその中間の一部がクラスタ状、一部が薄膜状の
構造をも有し得ることはいうまでもない。

第４図（Ａ）は第３の半導体がｍ半導体（１５）、（１
７）、ｎ半導体（１４）、（１６）、（１Ｂ　）よりな
っている。

このｍ・ｎはプロセス設計使用によって決めればよい。

第４図（Ｂ）は本発明の第３の半導体を任意定数として
のｍ半導体（例えば１０〜１００　）とｎ半導体（例え
ば１０〜１００）とを互いに積層した半導体装置のエネ
ルギハンド構造を示している。

第４図（Ａ）において、そのＰ型半導体（１１）との界
面、Ｎ型半導体（１３）との界面はｎ半導体と接し、こ
の炭化珪素のマスク作用により電流の印加によるＰまた
はＮ型の不純物が第３の半導体（１２）のｍ半導体中に
ドリフトしてしまうことを防いでいる。これはこのｍ半
導体中に不純物が混入され、それが再結合中心となり、
この中心とのキャリアの再結合による発光強度の減少を
防くための信頼性向上にきわめて有効である。

図面において、この半導体の厚さは設計使用により変更
することが可能である。

また本発明はＳｔを主成分半導体として説明した。

さらにその広いＥｇを得るため、５ｉｘＣ１−工（０＜
Ｘ＜１）を主として用いた。しかしｍ半導体としてＧｅ
を、またｎ半導体として５ｉｘＮｅ−ｘ（０＜　ｘ　＜
　４　）、別ＸＧｅ　＋−に（０＜ｘ＜１）をその目的
に応用して一方または双方の半導体層または中間の第３
の半導体層の一部としζ用いてもよいことはいうまでも
ない。

本発明においては第２図に示されるような基板上に一つ
の半導体を設けることで代表させた。しかしこれは面光
源としてもまた選択エッチをして文字、数字、記号を発
光させる面を得ることも可能であり、また上側電極をマ
トリックス化し外部制御装置でＴＶ用表示部の発光素子
装置としてもよいことはいうまでもない。

またこの境界のＥｇまたは不純物の１・〜ピングの程度
またはＢｇを調整する添加剤の量を制御し、特定の波長
の光でなく連続光または白色光を発光させることができ
るという特徴を有す。

また第３図〜第４図のエネルギハント図はその絶対値を
示すものではなく、単に各半導体の相対的なＥｇの大小
、位置関係を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体装置のエネルギハント図を示す。 第２図は本発明の半導体装置の縦断面図を示す。 第３図は本発明の動作原理を示すコーネルギハンド構造
を示す。 第４図は本発明の他のエネルギバンド構造を示す。 特許出願人 １０　Ｇ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＮまたはＰ型の一導電型を有する第１のエネルギバ
   ンド中を有する第１の非単結晶半導体と、ＰまたはＮ型
   の逆導電型を有する第２のエネルギバンドｌ】を有する
   第２の非単結晶半導体と、前記第１及び第２の半導体と
   の間の遷移領域の第３の非単結晶半導体とが設けられ、
   該第３の非単結晶半導体は大きいエネルギバンド中の非
   単結晶半導体と小さいエネルギハンド中の非単結晶半導
   体の積層体よりなることを特徴とする発光半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、第３の非単結晶半
   導体の大きいエネルギバンドＩＩＪを有する半導体によ
   り積層され取り囲まれた小さいエネルギハンド中を有す
   る半導体は電子およびホールの再接合による発光領域を
   構成したことを特徴とする発光半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、非単結晶半導体よ
   りなる第３の半導体は超格子構造を有せしめたことを特
   徴とする発光半導体装置。