JP3562841B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、異なる種類のII−VI族化合物半導体膜を積層した半導体装置に係り、特に異なる該両II−VI族化合物半導体膜のヘテロ界面に起因する問題を解決した半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
II−VI族化合物半導体は、短波長(青色)発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子を構成する材料として有望である。このII−VI族化合物半導体のうち、例えばp型のセレン化亜鉛(ZnSe)化合物半導体膜2は、素子の一部を構成するように砒化ガリウム(GaAs)からなる基板1の上面に形成されるが、このp型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2に電極を被着させる必要のあるとき、図5に示すように、そこに直接的に金(Au)3を被着させると、そのp型のセレン化亜鉛化合物半導体膜のキャリア濃度を高くすることが困難(最大濃度は1×1017cm−3程度)であるに起因して、p型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2と金3との界面がオーミック接触とならず、素子特性が低下する。
【0003】
そこで、図6に示すように、金属電極とオーミック接触できる半導体であるp型のテルル化亜鉛(ZnTe)化合物半導体膜(最大濃度は1×1018cm−3程度)4をp型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2の上面に形成し、そのp型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4の上面に金3を被着させることが検討された。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記構造では、p型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2とp型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4とのヘテロ界面において、両者の格子定数の差、つまり結晶構造の違いによって、格子不整(結晶歪)が発生してこれが上層のp型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4の結晶成長に悪影響を与えて、キャリア濃度の高い半導体膜を形成することができなくなり、金3に対して所望のオーミック接触を得ることが困難となる。また、下部のp形セレン化亜鉛化合物半導体膜2も欠陥が生じ、素子特性に悪影響を与える。さらに、接合界面(ヘテロ界面)にその接合に伴うバンド不連続による電位障壁が発生するので、この点からも素子特性の向上が困難となる。
【0005】
以上のことは、p型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2とp型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4のヘテロ界面のみでなく、結晶構造の異なった種類のII−VI族化合物半導体を接合させた場合のヘテロ界面に同様に発生する問題である。
【0006】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的は、以上のような格子不整による格子欠陥の問題点、およびバンド不連続による電位障壁発生の問題を解決した半導体装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このために本発明は、基板の上面にII−VI族化合物からなる第1の半導体膜を形成し、II−VI族化合物からなり上記第1の半導体膜よりもキャリア濃度の高い第2の半導体膜を上記第1の半導体膜の上面に形成した半導体装置において、上記第1の半導体膜と上記第2の半導体膜との間に、III −VI族の層状半導体からなる第3の半導体膜を介在させて構成した。
【0008】
本発明では、上記第1、第2の半導体膜がp型であることが望ましい。
【0009】
また本発明では、上記第1又は上記第2の半導体膜が、マグネシウム、水銀、亜鉛、カドミウムから選択した1又は2以上の元素と、硫黄、セレン、テルルから選択した1又は2以上の元素とを化合させた2元以上の混晶化合物からなることが望ましい。
【0010】
さらに本発明では、上記第3の半導体膜が、インジウム、ガリウム、アルミニウムから選ばれた1又は2以上の元素と、セレン、テルル、硫黄から選ばれた1又は2以上の元素からなり、III 族元素の原子数とVI族元素の原子数がほぼ1:1である半導体膜であることが望ましい。
【0011】
【作用】
本発明では、層状半導体からなる第3の半導体膜が、その膜自体がファンデルワース力で結合しており、第1、第2の半導体膜に対してもファンデルワース力で結合するので、第1、第2の半導体膜の結晶歪が緩和されて格子欠陥が抑制される。また、バンド不連続に起因する電気的障壁も低減され素子特性が改善される。
【0012】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。図1はその一実施例の半導体装置の断面を示す図である。前述の図3〜4に示したものと同一のものには同一の符号を付した。本実施例では、図1に示すように、p型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2(第1の半導体膜)とp型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4(第2の半導体膜)との間に、層状半導体膜5(第3の半導体膜)を設けている。この層状半導体膜5は、セレン化ガリウム(GaSe)からなるものであって、内部構造が層状構造でなり、原子結合が通常の単結晶構造である共有結合やイオン結合とは異なって、ファンデルワース力による結合となっているものである。
【0013】
したがって、この層状半導体膜5とp型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2との間、およびp型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4との間の結合も、ファンデルワース力による結合となる。このため、p型のセレン化亜鉛化合物半導体膜2とp型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4との間の結晶構造の違いに基づく格子不整の問題が緩和され、p型のテルル化亜鉛化合物半導体膜4の結晶性に与える悪影響が緩和される。また、バンド不連続による電位障壁も低減され、素子特性が改善される。
【0014】
図2は図1に示す半導体装置の成長方法の説明図である。ここでは分子線エピタキシャル装置を使用する場合について説明する。11はチャンバ(成長室)、12は超高真空排気ポンプ、13は基板ホルダ、14は基板(図1の符号1で示す基板)、15は成長を行なう材料の構成原子数(ここでは、Zn、Se、Te、Gaの4つを使用するが、図1では2個のみを示した。)だけ設けられる分子線源、16は各分子線源15のシャッタ、17は高周波ラジカルビーム源、18はドーパント用ボンベ、19はマスフローコントローラである。
【0015】
成長は次の手順で行なう。
(1).まず、化合物であるZnSe、ZnTe、GaSeの原料となる亜鉛(Zn)、セレン(Se)、テルル(Te)、ガリウム(Ga)を個別に分子線源15に充填する。
【0016】
(2).基板14を洗浄した後、基板ホルダ13に装着し、チャンバ11内を超高真空(10−9Torr程度)まで排気ポンプ12で排気してから、各分子線源15を適当な分子線強度が得られるように加熱する。この間、シャッタ16は全部を閉じておき、分子線が基板14に到達しないようにする。
【0017】
(3).次に、基板14の表面酸化膜(保護膜として使用したもの)が除去できる温度(600℃程度)まで基板14を加熱し、その表面酸化膜を蒸発排気して表面[100]を清浄化する。この後、基板14の温度を適切な成長温度まで低下させる。ここでは、250℃程度とする。
【0018】
(4).次にドーピング行なうときは、ドーパント用ボンベ18からドーパントガス(窒素N2 )を、適当な流量が得られるよう、マスフローコントローラ19により調整し、高周波ラジカルビーム源17に導入する。そして、ラジカルビームを適当な出力(300W程度)で照射する。
【0019】
(5).この後、図1に示す成長構造が得られるように、シャッタ16を順次開閉して成長を行なう。ここでは、まずZnとSeの分子線源15のシャッタ16を同時に開きZnSe膜を成長させる。ここで窒素をドーピングさせるので、窒素のラジカルビームをラジカルビーム源17から照射する。必要な膜厚が得られる時間の経過後、開けたシャッタ16を閉じる。
【0020】
(6).次に、GaとSeの分子線源15のシャッタ16を同時に開きGaSe膜を成長させる。ここではドーピングさせないので、ラジカルビームをラジカルビーム源17から照射しない。必要な膜厚が得られる時間の経過後、開けたシャッタ16を閉じる。
【0021】
(7).最後に、ZnとTeの分子線源15のシャッタ16を同時に開きZnTe膜を成長させる。ここでも窒素をドーピングさせるので、ラジカルビームをラジカルビーム源17から照射する。必要な膜厚が得られる時間の経過後、開けたシャッタ16を閉じる。
【0022】
以上の実施例によって成長させた資料のX線回折結果は、従来の技術で成長させたものに比べて、図3に示すように、良好な結晶性が得られた。本実施例によったものの方が強度が鋭くなっている。また、I−V(電流電圧)特性測定においても、図4に示すように、本実施例によるものの方が立ち上がり電圧が低くなり、損失が少なくなっている。
【0023】
なお、以上の実施例において、基板1、14はGaAsに限られるものではなく、ZnSe基板、またはそれと格子定数の近い基板、その他が使用できる。
【0024】
また、層状半導体膜5(第3の半導体膜)としては、GaSeに限られるものではなく、III 族原子の原子数とVI族原子(カルコゲン原子)の原子数がほぼ1:1の割合で含まれるものであれば良い。例えば、VI族原子であるセレン(Se)、硫黄(S)、テルル(Te)等のうちから選択した1種又は2種以上と、III 族原子であるインジウム(In)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)から選択した1又は2種以上とを、III 族原子の原子数の割合が1、VI族原子の原子数の割合も1とした層状半導体膜であれば良い。
【0025】
更に、基板の上面に成長されるII−VI族化合物半導体膜(第1、第2の半導体膜)としては、ZnSe、ZnTeに限られるものではない。II族元素であるマグネシウム(Mg)、水銀(Hg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)から選択した1又は2以上と、VI族元素である硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)から選択した1又は2以上とを化合させた2元混晶、あるいは3元以上の混晶、例えばZnSSe(3元混晶)、ZnCdSSe(4元混晶)であっても適用できる。ただし、層状半導体膜(第3の半導体膜)の上層を構成するII−VI族化合物半導体膜(第2の半導体膜)はZnTeのようにキャリア濃度を高くすることができる化合物半導体である必要がある。Teを含ませるとキャリア濃度を高くすることができる。
【0026】
なお、本発明を実施する成長方法は、分子線エピタキシャル(MBE)法に限られるものではなく、気相成長(VPE)法、液相成長(LPE)法でも適用できるものである。
【0027】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、基板上に形成したキャリア濃度の低いII−VI族化合物半導体からなる第1の半導体膜の上層に層状半導体からなる第3の半導体膜、キャリア濃度の高いII−VI族化合物半導体からなる第2の半導体膜を順次形成した構造であるので、第3の半導体膜と第1、第2の半導体膜との界面がファンデルワース力で結合され、格子欠陥やバンド不連続による素子特性劣化を改善することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図2】図2に示す半導体装置の製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図3】本実施例による資料と従来の資料のX線回折特性図である。
【図4】本実施例による資料と従来の資料のI−V特性図である。
【図5】p型ZnSe化合物半導体膜に電極を被着した半導体装置の構造を示す断面図である。
【図6】p型ZnSe化合物半導体膜にp型ZnTe化合物半導体膜を介して電極を被着した半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1:基板、2:p型のセレン化亜鉛化合物半導体膜(第1の半導体膜)、3:p型のテルル化亜鉛化合物半導体膜(第2の半導体膜)、4:電極金属、5:GaSeの層状半導体膜(第3の半導体膜)、
11:チャンバ、12:排気ポンプ、13:基板ホルダ、14:基板、15:分子線源、16:シャッタ、17:高周波ラジカルビーム源、18:ドーパント用ボンベ、19:マスフローコントローラ。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a semiconductor device in which different types of II-VI compound semiconductor films are stacked, and more particularly to a semiconductor device which solves a problem caused by a hetero interface between the two different II-VI compound semiconductor films.
[0002]
[Prior art]
II-VI compound semiconductors are promising as materials for forming light-emitting elements such as short-wavelength (blue) light-emitting diodes and laser diodes. Among the II-VI compound semiconductors, for example, a p-type zinc selenide (ZnSe)
[0003]
Therefore, as shown in FIG. 6, a p-type zinc telluride (ZnTe) compound semiconductor film (maximum concentration is about 1 × 10 18 cm −3 ) 4 that is a semiconductor that can make ohmic contact with a metal electrode is converted into p-type selenide. It has been studied to form it on the upper surface of the zinc
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above structure, at the hetero interface between the p-type zinc selenide
[0005]
What has been described above is that not only the heterointerface between the p-type zinc selenide
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device which has solved the above-described problems of lattice defects due to lattice irregularities and the problem of potential barrier generation due to band discontinuity. It is to be.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
For this purpose, the present invention forms a first semiconductor film made of a group II-VI compound on an upper surface of a substrate, and forms a second semiconductor film made of a group II-VI compound with a higher carrier concentration than the first semiconductor film. In a semiconductor device having a film formed on an upper surface of the first semiconductor film, a third semiconductor film made of a group III-VI layered semiconductor is interposed between the first semiconductor film and the second semiconductor film. It was configured with intervening.
[0008]
In the present invention, it is preferable that the first and second semiconductor films are p-type.
[0009]
In the present invention, the first or second semiconductor film may include one or more elements selected from magnesium, mercury, zinc, and cadmium, and one or more elements selected from sulfur, selenium, and tellurium. It is desirable to consist of a mixed crystal compound of two or more compounds obtained by combining
[0010]
Further, in the present invention, the third semiconductor film is made of one or more elements selected from indium, gallium, and aluminum, and one or more elements selected from selenium, tellurium, and sulfur; A semiconductor film in which the number of atoms of the element and the number of atoms of the group VI element are approximately 1: 1 is desirable.
[0011]
[Action]
In the present invention, since the third semiconductor film made of a layered semiconductor is bonded by van der Waals force itself and is also bonded to the first and second semiconductor films by Van der Waals force, Crystal distortion of the first and second semiconductor films is relaxed, and lattice defects are suppressed. Further, the electric barrier caused by the band discontinuity is reduced, and the device characteristics are improved.
[0012]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a semiconductor device according to one embodiment. The same components as those shown in FIGS. 3 and 4 are denoted by the same reference numerals. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, between a p-type zinc selenide compound semiconductor film 2 (first semiconductor film) and a p-type zinc telluride compound semiconductor film 4 (second semiconductor film). Is provided with a layered semiconductor film 5 (third semiconductor film). The
[0013]
Therefore, the bond between the
[0014]
FIG. 2 is an explanatory diagram of a method of growing the semiconductor device shown in FIG. Here, a case where a molecular beam epitaxial apparatus is used will be described. Reference numeral 11 denotes a chamber (growth chamber), 12 denotes an ultra-high vacuum evacuation pump, 13 denotes a substrate holder, 14 denotes a substrate (substrate indicated by
[0015]
The growth is performed in the following procedure.
(1). First, zinc (Zn), selenium (Se), tellurium (Te), and gallium (Ga), which are the raw materials of the compounds ZnSe, ZnTe, and GaSe, are individually charged into the
[0016]
(2). After cleaning the
[0017]
(3). Next, the
[0018]
(4). Next, when performing doping, the dopant gas (nitrogen N 2 ) is adjusted by the
[0019]
(5). Thereafter, the
[0020]
(6). Next, the
[0021]
(7). Finally, the
[0022]
The results of X-ray diffraction of the material grown according to the above-described example showed better crystallinity than that of the material grown according to the prior art, as shown in FIG. According to the present embodiment, the strength is sharper. Also in the IV (current-voltage) characteristic measurement, as shown in FIG. 4, the one according to the present embodiment has a lower rising voltage and a smaller loss.
[0023]
In the above embodiment, the
[0024]
Further, the layered semiconductor film 5 (third semiconductor film) is not limited to GaSe, but includes a group III atom and a VI group (chalcogen) atom in a ratio of approximately 1: 1. Anything that is acceptable. For example, one or more selected from selenium (Se), sulfur (S), tellurium (Te) and the like which are group VI atoms, and indium (In) and gallium (Ga) which are group III atoms. One or more selected from aluminum (Al) may be a layered semiconductor film in which the ratio of the number of Group III atoms is 1 and the ratio of the number of Group VI atoms is also 1.
[0025]
Further, the II-VI compound semiconductor films (first and second semiconductor films) grown on the upper surface of the substrate are not limited to ZnSe and ZnTe. One or more elements selected from the group II elements magnesium (Mg), mercury (Hg), zinc (Zn) and cadmium (Cd), and the group VI elements sulfur (S), selenium (Se), tellurium ( The present invention can be applied to a binary mixed crystal obtained by combining one or two or more selected from Te) or a ternary mixed crystal such as ZnSSe (ternary mixed crystal) or ZnCdSSe (quaternary mixed crystal). However, the II-VI compound semiconductor film (second semiconductor film) constituting the upper layer of the layered semiconductor film (third semiconductor film) needs to be a compound semiconductor such as ZnTe which can increase the carrier concentration. is there. When Te is contained, the carrier concentration can be increased.
[0026]
The growth method for implementing the present invention is not limited to the molecular beam epitaxy (MBE) method, but can be applied to a vapor phase epitaxy (VPE) method and a liquid phase epitaxy (LPE) method.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the third semiconductor film made of a layered semiconductor is formed on the first semiconductor film made of a II-VI compound semiconductor having a low carrier concentration formed on a substrate, and the II-VI having a high carrier concentration is formed on the first semiconductor film. Since the second semiconductor film made of a group III compound semiconductor is sequentially formed, the interface between the third semiconductor film and the first and second semiconductor films is coupled by van der Waals force, and lattice defects and band defects are generated. There is an advantage that deterioration of device characteristics due to continuation can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a manufacturing device of the semiconductor device illustrated in FIG. 2;
FIG. 3 is an X-ray diffraction characteristic diagram of a material according to the present embodiment and a conventional material.
FIG. 4 is an IV characteristic diagram of a material according to the present embodiment and a conventional material.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device in which an electrode is attached to a p-type ZnSe compound semiconductor film.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device in which an electrode is attached to a p-type ZnSe compound semiconductor film via a p-type ZnTe compound semiconductor film.
[Explanation of symbols]
1: substrate, 2: p-type zinc selenide compound semiconductor film (first semiconductor film), 3: p-type zinc telluride compound semiconductor film (second semiconductor film), 4: electrode metal, 5: GaSe Layered semiconductor film (third semiconductor film),
11: chamber, 12: exhaust pump, 13: substrate holder, 14: substrate, 15: molecular beam source, 16: shutter, 17: high-frequency radical beam source, 18: dopant cylinder, 19: mass flow controller.
Claims (4)
上記第1の半導体膜と上記第2の半導体膜との間に、III −VI族の層状半導体からなる第3の半導体膜を介在させたことを特徴とする半導体装置。A first semiconductor film made of a II-VI compound is formed on the upper surface of the substrate, and a second semiconductor film made of a II-VI compound and having a higher carrier concentration than the first semiconductor film is replaced with the first semiconductor film. In the semiconductor device formed on the upper surface of the film,
A semiconductor device, wherein a third semiconductor film made of a group III-VI layered semiconductor is interposed between the first semiconductor film and the second semiconductor film.
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