JPH0766984B2

JPH0766984B2 - ヘテロ超格子ｐｎ接合

Info

Publication number: JPH0766984B2
Application number: JP27260692A
Authority: JP
Inventors: レロイ・リ＝ゴン・チャン; スプラティク・グハ; ムネカタ・ヒロオ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-02-13
Filing date: 1992-10-12
Publication date: 1995-07-19
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: US5416337A; EP0555722A1; JPH05275744A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に半導体デバイスの
分野に関する。具体的には、本発明は発光半導体デバイ
ス（ＬＥＤ）に関する。さらに具体的には、本発明は高
周波光を発出するＬＥＤ構造に関する。放出される光の
周波数は、半導体材料の有効バンドギャップに関係し、
有効バンドギャップはそのデバイスの構造によって増大
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料は、広範囲の電気デバイス及
び光電デバイスの作成に有用である。それは、デバイス
を構成する半導体材料のバンド構造による。半導体材料
は伝導帯と価電子帯を有し、それらがその材料のバンド
構造を構成している。伝導帯とは、最小値より高いエネ
ルギー状態にある電荷キャリアが材料中を迅速に移動し
て電流を伝導する能力をもつ、電荷キャリア（電子）の
エネルギー状態の範囲である。最小値と最大値はそれぞ
れ伝導帯エッジ及び価電子帯エッジと称する。半導体中
では、最低伝導帯エッジは必ず最高価電子帯エッジより
も高い。伝導帯エッジと価電子帯エッジのエネルギー差
をバンドギャップと称する。伝導帯にあるのに十分なエ
ネルギーを有するキャリアがエネルギーを失って、伝導
帯と価電子帯の間での遷移を行うとき、キャリアは光を
発する。半導体デバイスから放出される光の周波数は、
バンドギャップの大きさに比例する。したがって、半導
体材料のバンドギャップを調節することにより、キャリ
アの失うエネルギーを特定の周波数の光に変換すること
ができる。

【０００３】キャリアのエネルギーを失わせ、伝導率か
ら価電子帯への遷移を起こすには、キャリアが最初に伝
導帯に存在しなければならない。半導体デバイスが電流
を伝導する際のスイッチとして働く１つの方式は、ある
タイプの半導体材料の伝導帯及び価電子帯から第２のタ
イプの半導体材料の伝導帯及び価電子帯にキャリアを注
入するものである。すなわち、２種の材料の接合部を通
してｐ型材料にｎ型材料に対してプラスの電圧を印加す
ることにより、ｎ型材料の伝導帯からｐ型材料の伝導帯
に電子が注入される。同様に、２種の材料の接合部を通
してｐ型材料にｎ型材料に対してプラスの電圧を印加す
ることにより、ｐ型材料の価電子帯からｎ型材料の価電
子帯に正孔が注入される。その結果、半導体デバイスの
ｐｎ接合に順方向バイアスがかかって、電子がｐ型材料
の伝導帯に入り正孔がｎ型材料の価電子帯に入る。これ
らのキャリアは、バンドギャップ遷移を起こし、バンド
ギャップ・エネルギーに比例する周波数の光を放出させ
るのに使用できる。

【０００４】この光を発するｐｎ接合が有用なのは、ｐ
ｎ接合に順方向バイアスがかかるときだけ光が放出さ
れ、したがって高電圧または低電圧の形の電気信号を光
または無光の形の光信号に簡単に変換できるからであ
る。多くの材料が光に対してそれぞれ異なる形で反応
し、また電気式記憶装置よりも記憶密度の高い光記憶装
置ができるので、光信号は有用である。さらに、１本の
光ファイバーで電気接続を介するよりもはるかに多くの
データが伝送できるので、光通信が極めて望ましい。光
記憶でも光通信でも、ＬＥＤなど電気信号を光信号に変
換する手段が、異なる光学装置を利用するために必要で
ある。従来技術のＬＥＤは、ＧａＡｓ_1-xＡｌ_xなどIII
−Ｖ族化合物からできている。ただし、ｘはアルミニウ
ムのモル分率であり、通常は０〜０．５の範囲にある。
ＬＥＤがこの化合物から組成されるのは、ＧａＡｓ_1-x
Ａｌ_x系が比較的ドーピングしやすく、かつバンドギャ
ップがある程度調節できるからである。ＧａＡｓ_1-xＡ
ｌ_x半導体材料がドーピングしやすいのは、それがキャ
リアを捕捉してドーパントから移動できなくする欠陥を
余り含まないからである。このIII−Ｖ族化合物に加え
るアルミニウムの量を増やすことによって、バンドギャ
ップがある程度調節できる。ｘが増加するにつれて、バ
ンドギャップは最高約２．２ｅＶまで増加する。

【０００５】半導体材料のバンドギャップを調節するこ
とは重要である。というのは、バンドギャップが大きく
なるにつれて、放出される光のエネルギーが増加し、光
の波長が短くなるからである。波長が短いほど、伝送で
きる信号の量が増し、光記憶媒体に記憶できるデータの
量も増加する。ＧａＡｓ_1-xＡｌ_x半導体化合物に伴う問
題は、材料中で発生できる最大バンドギャップが（室温
で）約２．２ｅＶであることである。このバンドギャッ
プは、黄色光に相当する。もっと短い波長の光を放出で
きる、バンドギャップのより高い半導体材料が得られれ
ば望ましいであろう。従来技術でもこのことを認識し、
適切にドーピングできかつ適切なバンドギャップを与え
る異なる化合物材料の使用を試みてきた。このような試
みの１つが、バンドギャップの広いII−ＶＩ族化合物を
使用するものである。ＺｎＳｅなどこうした化合物のバ
ンドギャップは約２．７ｅＶである。

【０００６】こうした化合物に伴う問題は、それらが容
易にｐｎ接合にならないことである。たとえば、ＺｎＳ
ｅはｎ型にドーピングするのは容易であるが、ｐ型にド
ーピングするのは容易でなく、ＺｎＴｅはｐ型にドーピ
ングするのは容易であるが、ｎ型にドーピングするのは
容易でない。この問題は、受容体（供与体）不純物が、
反対の電荷をもつ点欠陥によって電気的に補償される、
自己補償作用によるものと考えられる。その結果、受容
体（供与体）ドーパントが有効に打ち消されてしまう。
この作用は材料によって異なり、広バンドギャップの半
導体では特に顕著である。その結果、ある種のｐ型Ｚｎ
Ｓｅデバイスの実在が証明されてはいるものの、ドーピ
ングは通常１つの導電型（すなわちＺｎＴｅではｐ型、
ＺｎＳｅではｎ型）にしか効果を発揮しない。したがっ
て、任意のあるタイプの広バンドギャップ材料中でｐｎ
接合を作ることは難しい。

【０００７】自己補償作用を避ける１つの方法は、ｐｎ
ヘテロ接合を形成するものである。このような構造中で
は、ｎ型材料とｐ型材料の選択は、それらの材料のドー
ピングしやすさと、異なる格子定数の整合性とに基づい
て行われる。放射性再結合が起こる領域は、一方の側か
ら他方の側に注入されるキャリア（すなわちｎ側からｐ
側への電子、またはｐ側からｎ側への正孔）の相対量に
よって決まる。キャリアの相対注入量は、バンド・オフ
セットの大きさと、ｐｎ接合の両側のキャリア濃度によ
って制御される。また、両材料間の格子定数を、格子内
での変位及び欠陥がｐｎ接合を介したキャリアの適正な
注入を妨げないように選ぶことも重要である。ｐ型Ｚｎ
Ｔｅとｎ型ＺｎＳｅからなるヘテロ接合は、このドーピ
ング条件を満足する。しかし、これらの材料は、ｐｎ接
合として組み合わせたとき、約７％の格子不整合を示
す。この大きな不整合のために、ｐｎ接合中に欠陥が生
じ、ｐｎ接合を介するキャリア注入量が減少する。この
構造に伴うもう１つの問題は、バンド・オフセットであ
る。伝導帯のオフセットが価電子帯のオフセットよりも
小さい。このため、ｎ型材料に注入される正孔よりもｐ
型材料に注入される電子の方がかなり多くなる。その結
果、ｐ型領域で起こる電子の再結合が、ｎ型領域で起こ
る正孔の再結合よりも多くなる。ｐ型ＺｎＴｅはｎ型Ｚ
ｎＳｅよりもバンドギャップが低いので、このため発生
するエネルギーが低下し、波長が長くなる。

【０００８】広バンドギャップ材料を作成しようとする
従来技術のもう１つの試みは、ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅ系に
おいて短周期の緊張超格子構造（ＳＬＳ）に対する変調
ドーピング技法を使用するものであった。この技法は、
ＺｎＴｅ層をアンチモン（Ｓｂ）でｐ型にドーピング
し、ＺｎＴｅ層をＺｎＳｅ層とインターリーブすること
により、ｐ型の導電性が実現できることを実証した。ｐ
型材料の１周期は、１ｎｍのＺｎＴｅ層と１ｎｍのＺｎ
Ｓｅ層を有し、ｐ型層はこれを３００周期有する。この
構造に伴う問題は、正孔濃度が高くないことである。具
体的に言うと、実用的なデバイス応用例では約１０¹⁷／
ｃｍ³の正孔濃度が必要なのに、約１０¹³／ｃｍ³しかな
い。この低い正孔濃度は、優勢な放射性再結合が、バン
ドギャップの低いｐ型材料中での電子の再結合であるこ
とを意味する。さらに、バンド間発光が優勢な放射性再
結合過程ではない。というのはフォトルミネセンスの強
度ピークは約２．００６ｅＶであり、正常なバンド間再
結合よりもはるかに低いからである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一目的は、発
光半導体デバイスを製作することである。

【００１０】本発明の他の目的は、半導体レーザ装置を
製作することである。

【００１１】本発明の他の目的は、高周波光を放出する
発光半導体デバイスを製作することである。

【００１２】本発明の他の目的は、発光効率のよい高周
波発光デバイスを製作することである。

【００１３】本発明の他の目的は、コヒーレント光を発
生する高周波発光デバイスを製作することである。

【００１４】本発明の他の目的は、製造性の改善された
高周波発光デバイスを製作することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ヘテロ超格子
ｐｎ接合に関するものである。具体的には、本発明は、
ｎ型超格子とｐ型超格子を組み合わせて、高周波（すな
わち青色以上）光を発生させるのに十分なバンドギャッ
プを有する単一のｐｎ接合にするものである。個々の超
格子は、分子線エピタキシ法を使って形成する。この工
程で、バリア材料の薄い層で分離されたウェル材料の薄
い層を生成する。このウェル材料をドーピングしてキャ
リア濃度を生成する。バリア材料は、有効な広バンドギ
ャップ材料を作成するために、ウェル材料の厚さとあい
まって、超格子の有効バンドギャップを調節するように
選ばれる。ｎ型及びｐ型超格子用のバリア材料は、ｎ型
及びｐ型のいずれのウェル材料を形成するために使用す
る材料とも異なる。本発明の特定の実施例では、ｎ型に
ドープしたＺｎＳｅウェル層と未ドープのＺｎＭｎＳｅ
バリア層から第１の超格子を形成し、ｐ型にドーピング
したＺｎＴｅウェル層とドーピングしないＺｎＭｎＳｅ
バリア層から第２の超格子を形成する。この第１と第２
の超格子を組み合わせてヘテロ超格子ｐｎ接合とする。
個々のウェル層とバリア層の厚さ及び組成は、ｐｎ接合
の有効バンドギャップが調節されるように変えられる。
したがって、従来は整合性のなかった材料から広バンド
ギャップのダイオードを形成できる。

【００１６】

【実施例】図１に、本発明の好ましい実施例のｐｎ接合
構造を示す。図１には、層１０、３０、４０が第１の半
導体化合物から形成され、層６０、７０、９０が第２の
半導体化合物から形成され、層８０が第３の半導体化合
物から形成され、層２０が第４の半導体化合物から形成
されている、多層構造が示されている。層５０は第３ま
たは第４の半導体化合物から形成してもよく、また第３
と第４の半導体化合物を組み合わせて形成してもよい。
第１の半導体化合物はｎ型にドーピングでき、第２の半
導体化合物はｐ型にドーピングできる。第３の半導体層
は、２つのｐ型層の間に挟まれたバリア層である。ｐ型
層９０とバリア層８０はｐｎ接合の第１周期１００を形
成する。このｐｎ接合の第１周期を、少なくとも１回、
通常は約１００回複製して、ｐ型超格子２００を形成す
る。第４の半導体化合物は、２つのｎ型層の間に挟まれ
たバリア層である。ｎ型層１０とバリア層２０はｐｎ接
合の第２周期１５０を形成する。この第２周期を、少な
くとも１回、通常は約１００回複製して、ｎ型超格子２
５０を形成する。層５０はｎ型超格子２５０をｐ型超格
子２００から分離する。バリア層５０によってｐ型超格
子２００から分離されたｎ型超格子２５０が、本発明の
ヘテロ超格子ｐｎ接合を形成する。この特定の実施例で
は、バリア層は真性のもので、ドーピングされていな
い。ｐｎ接合の両側に電圧を印加するため、ｎ型及びｐ
型超格子上にそれぞれ接点３及び５が形成される。

【００１７】第１及び第２の半導体は、それぞれｎ型ま
たはｐ型にドーピングされやすいものを選ぶ。具体的に
は、II−ＶＩ族化合物、Ｉ−III−ＶＩ黄銅鉱、II−III
−ＶＩ黄銅鉱などの広バンドギャップ材料が、ｎ型また
はｐ型の制御されたドーピングが可能な特徴をもつもの
として選ばれる。第３及び第４の半導体材料は、エピタ
キシアル整合性、バンド不連続性の分布、格子整合、な
らびに第１及び第２の半導体と共通の要素をもつものを
選ぶ。第３及び第４の半導体材料は、それぞれ第２及び
第１の半導体材料の間に挟まれたバリア層である。これ
らのバリア層は、超格子に余りに多くの歪みを導入する
のを避けるのに十分な近接さの格子整合をもたなければ
ならない。受容可能な格子不整合の量は約１〜３％であ
る。格子不整合がこの量を超えると、ｐｎ接合中でのキ
ャリア捕捉の量が許容できないものになる。これらのバ
リア層は、超格子のｎ型及びｐ型ウェル材料の価電子帯
及び伝導帯に、価電子帯及び伝導帯の不連続性を導入す
る。これらのバンド不連続性は、効率のよい放射性再結
合に必要な有効バンドギャップを達成するように調節し
なければならない。たとえば、ｐ型バンドギャップが約
２．６ｅＶであり、ｐ型領域での電子再結合が放射性再
結合の優勢なモードである場合、ｐ型材料中で約２．８
ｅＶの有効バンドギャップを生成するには、バリア層の
バンドギャップは約３．０ｅＶでなければならない。ウ
ェル材料よりバンドギャップの大きなバリア層材料を選
択すると、超格子の有効バンドギャップを増加させるよ
うにバンド・エッジの不連続性が調節される。

【００１８】図２に、本発明によるヘテロ超格子のバン
ド図を示す。第１のバリア半導体材料Ａ_b ２０５が、
第１のウェル材料Ａ_w ２０７の２つの層の間に挟まれ
ている。第１のウェル材料２０７はｎ型にドーピングさ
れ、バリア材料はドーピングされていない。バリア材料
の伝導帯はウェル材料よりもエネルギーが高く、バリア
の価電子帯はウェルの価電子帯よりもエネルギーが低
い。第１の超格子２０３中の有効伝導帯はウェル材料中
の伝導帯よりも高いが、バリア材料中の伝導帯よりも低
い。同様に、第１の超格子２０３中の有効価電子帯はウ
ェル材料の価電子帯よりもエネルギーが低いが、バリア
材料の価電子帯よりも高い。また、第２のバリア半導体
材料Ｂ_b ２１５が第２のウェル材料Ｂ_w ２１７の２つ
の層の間に挟まれている。第２のウェル材料２１７はｐ
型にドーピングされ、バンド材料は内因性である。ここ
でも第２の超格子２１０中の有効伝導帯はウェル材料中
の伝導帯よりも高いが、バリア材料中の伝導帯よりも低
い。さらに、第２の超格子中の有効価電子帯はウェル材
料中の価電子帯よりも低いが、バリア材料の価電子帯よ
りも高い。このｐ型とｎ型の超格子が、バリア層５０を
介して接合され、ｐｎ接合ヘテロ超格子を形成する。図
２は、熱平衡状態にあり電圧が印加されていない状態の
有効エネルギー・バンド図を示す。このヘテロ超格子に
順方向電圧が印加されると、ｎ型超格子からｐ型超格子
の伝導帯に電子が注入され、そこで十分に大きなバンド
ギャップ・エネルギーを介して放射性再結合されて、高
周波（青以上）光を発生する。正孔もｐ型材料からｎ型
材料の価電子帯に注入され、再結合して十分に大きなバ
ンドギャップを介して伝導帯に入り、高周波（青以上）
光を発生する。

【００１９】有効な伝導帯または価電子帯エッジが、単
独のウェル材料またはバリア材料中の当該のバンド・エ
ッジと異なる程度は、ウェル材料及びバリア材料の厚さ
に依存する。図３に、仮定の超格子Ａ及びＢの有効バン
ドギャップ間の一般的関係（価電子帯と伝導帯のエッジ
間の差）を示す。超格子Ａはバンドギャップ・エネルギ
ーが比較的大きく、バリア層と厚さの等しいウェル材料
を有する。超格子Ｂはバンドギャップが比較的小さく、
バリア層と厚さの等しいウェル材料を有する。材料Ａの
ウェル層とバリア層の厚さが減少するにつれて、有効バ
ンドギャップが上昇する。材料Ｂはウェル層及びバリア
層の厚い層に対するバンドギャップが低いが、材料Ｂの
厚さが材料Ａの厚さより十分な量だけ減少したとき、こ
のバンドギャップは材料Ａのバンドギャップにまで上昇
することができる。図３では、ウェル材料の厚さがバリ
ア材料の厚さと同じであると仮定してあるが、この単純
なケースは説明のためのものにすぎない。有効バンドギ
ャップをどう調節するかに応じて、ウェル材料の方がバ
リア材料よりも厚いこともあり、バリア材料の方がウェ
ル材料よりも厚いこともある。

【００２０】ウェル層及びバリア層の厚さの有効バンド
ギャップに対する効果は、２つの理由で重要である。第
１に、超格子の有効バンドギャップは、超格子層の厚さ
を変えるだけで調節することができる。第２に、異なる
超格子は、そのバンドギャップを異なる量だけ調節する
ことができる。この第２の効果は、有効バンドギャップ
・エッジの相対的位置合せによって、放出される光の波
長だけでなく、特定のバンドギャップ領域で放出される
光の相対量も決まるので、重要である。たとえば、ｎ型
材料中に正孔が注入されると、ｐ型材料中に電子が注入
される場合よりも低周波の光が放出される場合、デバイ
スから放出される全部の光が低周波成分をもつ。ｎ型と
ｐ型の超格子間での発光周波数の差は、上記で説明した
ようにｎ型超格子のウェル層及びバリア層をｐ型超格子
より薄くすることによって減らすことができる。また、
この調節によって、所与の順方向バイアスの場合にｎ型
超格子に注入される正孔の量が低下し、そのために、そ
の構造中で放出される光の低周波成分の量が低下する。

【００２１】図１の構造は、エピタキシアル材料の薄い
層を付着させる能力のある通常のエピタキシアル成長装
置を使って作成される。通常の分子線エピタキシアル
（ＭＢＥ）成長システムなどの装置が好ましいが、通常
の有機金属気相エピタキシアル成長システムなど他の装
置でも十分である。図１は、４層Ｎ⁺バッファ／基板構
造３００上にｐｎ接合ヘテロ超格子構造が形成されてい
ることを示している。図１の構造を作成するには、Ｎ⁺
にドーピングしたＧａＡｓ＜１００＞基板３０２を分子
線エピタキシ・チェンバに装入する。基板３０２を約６
００℃に加熱して、基板から表面酸化物を除去する。次
に温度を５８０℃に下げ、厚さ約３００ナノメートル
（ｎｍ）のＧａＡｓバッファ層３０４をＧａＡｓ基板の
上に成長させる。層３０４はＧａＡｓ層をシリコンでド
ーピングしたものである。シリコン濃度は約２×１０¹⁸
／ｃｍ³である。続いて４７５℃でＮ⁺Ｇａ_1-xＩｎ_xＡ
ｓ：Ｓｉバッファ層３０６を成長させる。このバッファ
層中のインジウム組成は、ｘ＝０からｘ＝０．２３まで
単調に増加し、この層の厚さは約７００ｎｍである。こ
の場合も、シリコン濃度は約２×１０¹⁸／ｃｍ³であ
る。次にウェハ上に第３のＮ⁺バッファ層３０８を付着
させる。このバッファ層の組成はＧａ_1-xＩｎ_xＡｓＳｉ
であり、ｘ＝０．２３、厚さ３００ｎｍである。ＭＢＥ
チェンバ内でシリコン流出セルを開き、基板３０２を１
０５０℃に保つことによって、すべてのバッファ層にＮ
⁺ドーパントを添加する。これによってバッファ層の電
子濃度は２×１０¹⁸／ｃｍ³となる。バッファ層３０８
を成長させた後、基板３０２の温度を約３００℃に下
げ、バッファ層３０８の表面をＺｎフラックスに約１分
間さらす。Ｚｎフラックスの濃度は約５×１０¹⁴／ｃｍ
³であるが、Ｚｎの付着効率は非常に悪いので、層３０
８中に残るＺｎは僅かである。この工程は、バッファ層
の表面を変質させて、構造層が追従する成長表面を滑ら
かにするために実施する。

【００２２】バッファ層の形成後、ｎ型超格子２５０を
成長させることができる。超格子２５０は、５０層のド
ーピングしていないＺｎＭｎＳｅで分離された５０層の
ＺｎＳｅ、合計１００層を有する。ＺｎＳｅ層は厚さ約
４ｎｍで、厚さの範囲は１〜１０ｎｍである。３００℃
で交互にこれらの層を形成し、Ｚｎ流出セル・シャッタ
とＳｅシャッタを開いたままでＭｎとＺｎＣｌ₂の流出
セル・シャッタを開閉して組成を制御する。ＺｎＳｅの
成長速度は毎秒０．２６ｎｍ、ＺｎＭｎＳｅの成長速度
は毎秒０．３５ｎｍである。ＺｎＭｎＳｅ層の組成は、
大体Ｚｎ_0.7Ｍｎ_0.3Ｓｅである。ＺｎＣｌ₂セルの温度
を１００〜１２０℃の間に設定すると、超格子領域２５
０中の電子濃度は約１〜５×１０¹⁸／ｃｍ³となる。最
後のＺｎＭｎＳｅ層の形成後ただちにｐ型超格子領域２
００の成長を開始する。超格子２００は、リンでドーピ
ングしたＺｎＴｅ層と真性ＺｎＭｎＳｅ層が交互になっ
た１００層から構成される。超格子２００の組成は、Ｍ
ＢＥシステムのＺｎ流出セル・シャッタを開いたままで
Ｍｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐの流出セル・シャッタを開閉して
制御する。チェンバの温度は３００℃に保つ。リンでド
ーピングしたＺｎＴｅ層は厚さ約１ｎｍで、厚さの範囲
は０．５〜５ｎｍである。ＺｎＭｎＳｅ層も厚さ１ｎｍ
で、厚さの範囲は０．５〜５ｎｍである。また超格子２
００中のＺｎＭｎＳｅの組成は超格子２５０中と同じで
ある。その結果得られる超格子２５０の正孔濃度は１〜
０×１０¹⁷／ｃｍ³である。

【００２３】超格子２５０及びバッファ構造３００の上
方に超格子２００を形成した後、このプレーナ構造は、
従来のリソグラフィ及び開裂技法によってすぐにダイオ
ード構造に形成できる状態にある。具体的に言うと、超
格子層中にエッチングによってメサを形成する。このエ
ッチングによって超格子構造の選択的区域が除去され
て、バッファ／基板構造３００の上面にｐｎ接合ヘテロ
超格子構造のメサが形成される。超格子構造２００上に
金を蒸着させて、Ｐ型超格子２００への接点５を形成す
る。この金電極は厚さ約５０ｎｍで半透明である。金層
ヘッダによってバッファ／基板構造３００を貫通してｎ
型超格子２５０への接点３を構成する。その後、金電極
５に、金属ヘッダ３に対して正の電極を印加することが
できる。このダイオードは、室温で半透明の電極を介し
て青色光を発光する。スペクトル解析によれば発光ピー
クは４８０ｎｍにある。

【００２４】ｐｎ接合ヘテロ超格子の第２のダイオード
構造を図４に示す。この場合は、超格子２００の上にＳ
ｉ₃Ｎ₄層７を付着させる。次に通常のフォトリソグラフ
ィ技法を使って層７をパターン付けしエッチングする。
そのパターンは、通常は長さ８００ミクロン、幅２０ミ
クロンの、層７中の開口である（ただし、開口の幅は数
ミクロンから数百ミクロン以上まで大きく変えることが
できる）。層７上に金の層５を蒸着させて、エッチング
された開口を覆う。この金属の厚さは約１５０ｎｍであ
る。処理済みのＧａＡｓウェハを開裂させて、正常は長
さ１．０ｍｍ、幅約０．６ｍｍのキャビティ構造とす
る。次々このキャビティ構造を銅ヒート・シンク上に載
せ、Ｎ⁺型バッファ・基板構造への接点３を形成する。
この場合も、全接点に、Ｎ⁺接点３に対して正の電圧を
印加して、ｐｎダイオードに順方向バイアスをかける。
閾値電流密度が約６２５Ａ／ｃｍ²の順方向バイアス状
態では、発光スペクトルの線幅が非常に狭くなり、開裂
された側壁からコヒーレント青色光が放出する。

【００２５】本発明の代替実施例は、第１と第２の超格
子構造を交互の材料で形成することによって作成でき
る。具体的には、ウェル層とバリア層の厚さを変え、ウ
ェル層とバリア層を形成する材料を変えることによって
超格子バンドギャップを調節する。図３は、ウェル層及
びバリア層の厚さとバンドギャップの一般的関係を示し
ている。この一般的関係は、ウェル層とバリア層を形成
する材料を様々な材料のうちから選択する際に使用でき
る。ウェル層及びバリア層の適切な材料を選択する具体
例を下記に示す。

【００２６】ｎ型ＺｎＳ_1-xＳｅ_xの０．５ミクロンの第
１バッファ層をＮ⁺Ｓｉ＜１００基板上に成長させ、Ｃ
ｌでドーピングした。ｘは０〜０．５まで単調に傾斜す
る。厚さ１ミクロンのＺｎＳ_0.5Ｓｅ_0.5の第２のバッフ
ァ層を第１のバッファ層上に成長させ、Ｃｌでドーピン
グした。これらのバッファ層の電子濃度は２×１０¹⁸／
ｃｍ³である。厚さ約１．５ｎｍのＺｎＳｅウェル層３
０層と、厚さ約１．５ｎｍのＺｎＳバリア層３０層から
第１の超格子と構成した。ウェル層は成長時に同時にＣ
ｌでドーピングする。この第１の超格子はバリア層の上
面に成長させる。第１の超格子の上面に第２の超格子を
成長させる。ＺｎＳｅウェル層で終端する第１の超格子
の形成に続いて、厚さ１ｎｍのＺｎＳ_0.75Ｔｅ_0.25のバ
リア層から第２の超格子の形成が開始する。この第２の
超格子はＺｎＳｅ_0.7Ｔｅ_0.3ウェル層３０層とＺｎＳ
_0.75Ｔｅ_0.25バリア層３０層からなる。これらのｐ型ウ
ェル層は窒素またはリンで約１×１０¹⁷／ｃｍ³の濃度
までドーピングする。次にＳｉウェハに厚さ約５０ｎｍ
の半透明な金の層を蒸着して１電極を形成する。次にこ
のＳｉウェハを通常通りエッチングして、直径約１ｍｍ
のメサ・ダイオード構造を形成する。Ｎ⁺シリコンと金
接点の間に約１０ボルトの順方向バイアスをうけると、
光が放出され、その発光ピークは約４２０ｎｍである。

【００２７】ヘテロ接合系の他の例は、第１の超格子中
のｎ型ウェル層を第２の超格子中のｐ型ウェル層と組み
合わせることによって形成され、各超格子は整合性のあ
るバリア層を有する。適当なｎ型ウェル材料は、ＺｎＳ
ｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ（それぞれＡｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃ
ｌ、Ｂｒ、ＩまたはＦでドーピングしたもの）またはＺ
ｎ（Ｓｅ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ
ｅ、（Ｚｎ，Ｃｄ）（Ｓｅ，Ｓ）などそれらの合金であ
る。適当なｐ型層は、ＺｎＴｅ（Ａｓ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎ、
Ｂｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＬｉまたはＮａでドーピング
したもの及びＺｎ（Ｓｅ，Ｔｅ）、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｔ
ｅ、Ｚｎ（Ｔｅ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｃｄ）（Ｔｅ，Ｓ）、
（Ｚｎ，Ｃｄ）（Ｔｅ，Ｓｅ）なのＺｎＴｅをベースと
する合金、ＺｎＳｅ（ＮまたはＬｉでドーピングしたも
の）、及び（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓｅ、Ｚｎ（Ｓ，Ｓｅ）など
ＺｎＳｅをベースとする合金である。適当なバリア層
は、超格子中のｎ型またはｐ型ウェル層用には（Ｚｎ，
Ｍｎ）Ｓｅ、超格子中のｐ型ウェル層用には（Ｚｎ，Ｍ
ｎ）（Ｓｅ，Ｔｅ）、超格子中のｎ型ウェル層用には
（Ｚｎ，Ｍｎ）（Ｓ，Ｓｅ）、超格子中のｐ型ウェル層
用には（Ｚｎ，Ｍｎ）（Ｓ，Ｔｅ）である。Ｍｎを含ま
ないバリア層は、ｎ型ウェル層用にはＺｎ（Ｓ，Ｓ
ｅ）、ｐ型ウェル層用にはＺｎ（Ｓ，Ｔｅ）である。こ
の場合、Ｚｎ（Ｓ，Ｓｅ）はＺｎＳ_xＳｅ_1-x（ｘ＝０〜
1)、Ｚｎ（Ｓ，Ｔｅ）はＺｎＳ_xＴｅ_1-x（Ｘ＝０〜１）
として表わすことができる。Ｍｎを含まない場合は、Ｍ
ｎが第ＩＩ群の部位を置換する代わりに、Ｓが第ＶＩ群
の部位を置換し、そのためｎ型とｐ型のどちらの材料の
超格子バンドギャップも上昇する。

【００２８】本発明のもう１つの実施例では、Ｉ−III
−ＶＩ型黄銅鉄をII−ＶＩ群化合物と組み合わせて使用
する。具体的には、ｐ型超格子はウェル層としてＣｕＡ
ｌＳ₂を有し、バリア層としてドーピングしていないＺ
ｎＳを有する。ｎ型超格子は、ウェル層としてドーピン
グされたＺｎＳｅを有し、バリア層としてＺｎＳを有す
る。さらに具体的には、ＭＢＥツールを使ってｎ型シリ
コン基板上にバッファ／基板層としてｎ型ＺｎＳ_0.5Ｓ
ｅ_0.5を成長させる。次にＺｎＳｅ層とＺｎＳ層を交互
に付着させて、ＺｎＳｅ／ＺｎＳの約１００周期を形成
する。このＺｎＳｅ層はウェル層を形成し、Ｃｌで約１
×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度にドーピングされ、厚さ約１．
５ｎｍである。ＺｎＳバリア層はドーピングされてい
ず、厚さ約１．５ｎｍである。ＺｎＳｅ／ＺｎＳの１０
０周期で形成されるｎ型超格子はＺｎＳバリア層で終わ
る。次にこのｎ型超格子の上にｐ型超格子を形成する。
ｐ型超格子はＣｕＡｌＳ₂から形成されたｐ型ウェル層
を有する。このウェル層は約３．４ｅＶのバンドギャッ
プを有し、Ｚｎで約１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度にドーピ
ングされ、厚さ約１．５ｎｍである。バリア層はドーピ
ングされていないＺｎＳで、厚さ約１．５ｎｍである。
このｐ型超格子は、ウェル層とバリア層の約１００周期
からなる。図１に示したのと同様にして、ｎ型バッファ
／基板及びｐ型超格子構造上に接点を形成する。順方向
バイアスをうけると、３．０〜３．５ｅＶのエネルギー
範囲の放射線が出ると予想される。

【００２９】本発明のもう１つの実施例では、上記のよ
うにウェル層ではなく、バリア層をドーピングする。具
体的には、ウェル材料と整合性のある、バンドギャップ
のより大きなバリア層を超格子中に導入することによ
り、超格子中のドーピングされた材料の有効バンドギャ
ップが上昇する。同様に、超格子のバリア材料をドーピ
ングする際、バンドギャップがより低いドーピングされ
ていないウェル材料は、超格子の有効バンドギャップを
減少させる。このウェル材料は、広バンドギャップ構造
中に不連続性を導入し、そのため超格子の有効バンドギ
ャップが下がる。このヘテロ超格子構造の全体的効果は
同じである。ウェル層とバリア層が格子構造中で整合性
がある（格子不整合が約１〜３％未満）ときは、キャリ
ア濃度の供給源は、ｎ型またはｐ型超格子でウェルから
でもバリアからでもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明により、以前には整合性のなかっ
た材料から、高周波光を放出する広バンドギャップ・ダ
イオードが形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の物理的一実施例を示す図である。

【図２】本発明のバンド図である。

【図３】本発明の有効バンドギャップと超格子の層厚の
一般的関係を示すグラフである。

【図４】本発明の代替の物理的実施例を示す図である。

【符号の説明】

３接点５接点１０ｎ型層２０バリア層３０ｎ型層４０ｎ型層５０バリア層６０ｐ型層７０ｐ型層８０バリア層９０ｐ型層２００ｎ型超格子２５０ｎ型超格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者スプラティク・グハアメリカ合衆国10547、ニューヨーク州モヘガン・レーク、クロムウェル・プレース 17シー (72)発明者ムネカタ・ヒロオアメリカ合衆国10541、ニューヨーク州マホパック、アーチャー・ロード 39 (56)参考文献特開平２−152284（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型ドープの複数の第１ウェル層の各々の
間に第１バリア層を介在させてなる第１超格子と、ｎ型
ドープの複数の第２ウェル層の各々の間に第２バリア層
を介在させてなる第２超格子とでｐｎ接合を形成した半
導体デバイスにおいて、上記第１ウェル層の厚さが１〜１０ｎｍであり、上記第２ウェル層の厚さが０．５〜５ｎｍであり、上記第１バリア層は上記第１ウェル層より大きなバンド
ギャップを有し、上記第２バリア層は上記第２ウェル層より大きなバンド
ギャップを有し、上記第１バリア層及び上記第２バリア層はそれぞれ上記
第１ウェル層及び上記第２ウェル層と協慟して有効な広
バンドギャップ材を形成するような厚みに選定されてい
る、ことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】上記第１バリア層がｐ型ドープされ、上記
第２バリア層がｎ型ドープされていることを特徴とす
る、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】上記第１バリア層及び上記第２バリア層が
亜鉛マンガンの合金からなる、請求項１に記載の半導体
デバイス。
【請求項４】上記第１バリア層及び第２バリア層がＺｎ
Ｓ_xＳｅ_1-xまたは、ＺｎＳ_xＴｅ_1-x（ｘ＝０〜１）から
なる、請求項１に記載の半導体デバイス。