JPS61165993A - 超薄膜半導体光学装置 - 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〕 本発明は半導体装置に関し、特に超薄膜を用い、エレク
トロルミネッセンス等の光学的現象を示Ｊ超薄膜半導体
光学装置に関する。

〔従来の技術〕

エレクトロルミネッセンス装置どは、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、バンド間遷移によって発光するもの、バ
ンド内遷移によって発光するもの等を含む。エキシトン
はバンドに附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ッセンスについて述
べる。

比較的バンドギャップが狭く、不純物添加によりｐｎ接
合を形成し易い■−ｖ族（Ｇａ　Ａｓ他）等の半導体に
おいては、ｐｎ接合を介して少数キャリアを注入し、多
数キャ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１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、モレキュラービーム
（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。

Ｉ［−ＴＶ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装置どしては、硫化亜鉛
（ＺｎＳ）等のＥＬ動物質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借から高い
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象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（キャリア）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ャリアを注入し多数
キャリアと発光再結合させる。ざらに、ｐｎ接合附近に
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ャリアに対する障壁
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ャ
リアの密度を場所的に高めることが難しい。粉末状Ｅし
物質を用いるＥＬ装置ではキャリアを励起してもそのキ
ャリアは局在し、キャ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
。波長変換素子やバイパス、ローパス等の色フィルター
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。

〔発明の要旨〕

本発明は、超薄膜をヘテロ接合ではさみ、超薄膜内に電
子・正孔に対する吊子井戸を形成すると共に、超薄膜の
厚さを制御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。

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ャリアを励起し
、量子井戸にトラップすれば高密度のキャリアを超薄膜
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、キャリアを量
子井戸にトラップする効率、超ｉｔＯ膜内での電子及び
正孔のエネルギ準位等をυｌ１１］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、一定の周期性をもっ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。

吊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
ヘ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
にトラップできる。

〔発明の構成と作用〕

バンドギャッ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、ペテロ
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■どよぶ）とがある。

本発明はタイプ１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の薄膜の両側を物質Ｂではさんでいる。なお、
第１Ａ図は無電界の状態（１−０）を、第１Ｂ図は強電
界を印加した状態（（１）＋０）を示づ゛。物質Ａ、Ｂ
は共に克性もしくはほぼ真性の半導体であり、自由キャ
リアの＋ｌｊｌさ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。従って、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にはさまれた物質へＺｎ　Ｓ
ｅ　、Ｂ＝Ｚｎ　Ｓ）、（Ａ＝Ｃｄ　Ｔｅ　、ｆ３＝Ｃ
ｄ　ＳＳｅ　）等がある。従って薄膜内で電子正孔対が
生じると、これらのキャリアは薄膜内部にＩＩじ込めら
れる。室温の運動エネルギ（約２５１１１ｖ）程度以上
の電位障壁があればこのようなキャ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２５０ｍ
Ｖ）以上あれば、キャ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準
位が定まる。基底状態のエネルギ準位をＮ＝１の線で示
す。

閑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ャリア数
を増大さける必要がある。

キャリア励起の方法の１つとして強電界による励起があ
る。第１Ａ図の構成に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１Ｂ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。電子と正孔とにとっ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。すなわちキャ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ャリアは場所的に
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、薄膜の厚さく量子井戸の幅）を、波動函数の幅
の和未満、好ましくは１方のピークが使分な場所的オー
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、１０”〜１０　
　Ｖ／ｃｏ＋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゛重子・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
に数人から数十人程度と考えられる。従って第１Ａ図お
よび第１Ｂ図の物質△の領域はたかだか約１００人程度
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△
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ｉｉ
Ｉｍ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、同時にキャリア励起の作用を兼ねるこ
ともできる。基板１は、物質Ａ、８同様ｌ’１−Ｖｌ族
半導体でもよいが、Ｓｉ　、　Ｇｅ　、　Ｇａ　Ａｓ　
、　Ｇａ　Ｐ等地の物質であってもよい。基板１の比抵
抗は居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
Ｓｉ　Ｏ、Ｓｉ　３Ｎ４　、Ａｌ１０３ＰＩＱ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が省略さ奮ている点以外第１Ｃ
図のものと同様である。層２，３．４を形成後、基板を
エッチオフしてもよく、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１〜が大きい。

キャリア励起は電圧源９で行なってもよいが、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
射で行なってもよい。

波長変換フィルタや色フィルタ等の光学素子として用い
る場合キャ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。

以上の説明は、以下の実施例についても特に断らない限
り適用できる。

第１Ａ、１Ｂ図のように量子井戸が１個所のみの場合生
成したキャ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、里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
右側に逃げ去っ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、醗子井戸間にはさまれた領域で励起されたキャリア
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、図中し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ＮＷＡ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ゼないことが判った。この
点については第１７回ＩＣＰＣ（サンフランシスコ、１
９８４年８月）、コミュニケーション・オフ・ジャーナ
ル・オフ・アプライド・フィジックス（Ｃｏｍｍｕｎｉ
ｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｊ　Ａ　Ｐ　）多層化した超格子
の場合に特に著しい。

このような超Ｗ１膜ないし超格子の製造方法としては、
モレキュラ・ビーム法、ＭＯＣＶＤ法、ホットウォール
法等が利用できる。特にホットウォール法は制御性、製
造コストの両面で好ましい。

ホットウォール法に関しては第３回モレキュラ・ビーム
・エピタキシ（３ｒｄ　　ＭＢＥ）国際会議抄録（１９
８４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６つる場
合のバンド模型を示す。物質へと物質Ｂとが交互に積層
され、物質Δの各層が電虱正孔に対７ｉる吊子井戸、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／ｎＳｅ、物質ＢはＺｎ２であり、
物質Ａの層は数人から数十への厚さである。層の厚さを
薄くすると吊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。ｇｇ２Ｂ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−［ネルギ・レベ
ルの低い部分に偏移するが物質への層が極めて薄いので
波動函数のオーバラップが確保される。電子・正孔のベ
ア生成が行なわれると、電子、正孔はよりエネルギ・レ
ベルの低い部分ヘトリフトで移動する。吊子井戸が複数
存在するため、多重層内で発生した自由キャリアは効率
よく吊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
。従って発光効率は向上する。

今Ｅｇ１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Ｅｇ□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
ィルタとして動く。

強電界で衝突を生じさせて電子・正孔対を発生さぜると
、電界ＥＬ装置として動く。

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。従って層厚の制御等により準
位間エネルギ差Ｅｇ２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。

以上の説明では、２種類の材料で量子井戸構造を作る場
合について述べたが、２種類の材料でｔよ電子に対する
量子井戸と正孔に対する量子井戸を自由に選択できない
、、量子井戸が極めて幅が狭く、深いものであると、キ
ャリアは量子井戸にトラップされず通過してしまう確率
が増加する。第３図がこれを模式的に示す。

第４Ａ図および第４Ｂ図にこの点を改良した構成を示す
。第４Ａ図は無電界の場合、第４１３図は強電界の場合
のバンド模型である。物質△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Ｂ１物質Ｃに対して
タイブエ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の層は物質への層から
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。従ってキャリアは
量子井戸を通り扱けることなく、電位障壁で反射され、
１子弁戸に有効にトラップされる。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、ｌ！１２．４を物質ＣＳ
Ｂで作る点が異なるのみである。

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図同様物質への超ａ膜を
物質Ｂ、物質Ｃの層で挾み、この３層構造を長さＬの準
位として、第２Ａ図および第２Ｂ図同様複数の準位を積
層している。キャリアの量子井戸飛び越しを防止し、か
つ励起したキャ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　　４
゜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）で変調づ−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３ｗＪ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Ｃｄ
　Ｔｅ　、Ｚｎ　Ｓ、Ｚｎ　Ｔｅとし、さらに各層の厚
さを約１０人、約３０人、約３０人としたものがある。

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吊子井
戸を形成し、ざ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均量なりの確保とキャリアの高
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。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は本発明の詳細な説明するバン
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為す
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図はキャリアの量子井戸飛び越しを説明するバ
ンド模型図、第４Δ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
′ｌ！ｉ敗の噛子柱戸を形成した変更例のバンド模型図
ｒある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）比較的バンドギヤツプの狭い半導体の超薄膜を比
   較的バンドギヤツプの広い半導体の２層ではさみ、前記
   超薄膜内に電子および正孔に対する量子井戸を形成する
   多重ヘテロ接合構造と前記多重ヘテロ接合に強電界を印
   加する手段とを備え、前記超薄膜の厚さが強電界下での
   前記超薄膜内の電子および正孔に対する波動函数の拡が
   りの和より小さく選択されていることを特徴とする超薄
   膜半導体光学装置。
2. （２）前記超薄膜の両側の２層は異なる半導体で形成さ
   れ、一方の層内の伝導帯のエネルギ準位は他方の層内の
   伝導帯のエネルギ準位より高く、他方の層内の価電子帯
   の正孔に対するエネルギ準位は一方の層内の価電子帯の
   正孔に対するエネルギ準位よりも高い特許請求の範囲第
   １項の超薄膜半導体光学装置。
3. （３）前記多重ヘテロ接合構造が複数個積層されている
   特許請求の範囲１項ないし第２項の超薄膜半導体光学装
   置。
4. （４）前記多重ヘテロ接合構造の積層が超格子を形成し
   ている特許請求の範囲第３項の超薄膜半導体光学装置。