JP2003258303A - 光電変換機能素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基板上に、該基板と実質
的に格子整合条件を満たす活性層、光ガイド層、クラッ
ド層を有する光電変換機能素子において、各層間のバン
ドギャップを調整することにより、優れた素子特性を有
する光電変換機能素子を提供する。 【解決手段】 ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基板１１上に実質的
に格子整合条件を満たす活性層１５、光ガイド層１４、
１６、クラッド層１３、１７を形成し、光ガイド層１
４、１６のバンドギャップは活性層１５のバンドギャッ
プより０．１ｅＶ以上大きく、クラッド層１３、１７の
バンドギャップは活性層１５のバンドギャップより０．
３０ｅＶ以上大きく、かつ、光ガイド層１４、１６のバ
ンドギャップより０．２ｅＶ以上大きくなるように各層
の組成あるいは超格子層の層厚比を決定するようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＩ−ＶＩ族化合
物半導体結晶を基板として用いた光電変換機能素子（半
導体光素子）に関し、特に、ＺｎＴｅ単結晶を基板とし
て用いた光電変換機能素子における各層の組成に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、化合物半
導体の中でも特にワイドギャップを有する半導体である
ため、黄色発光、緑色発光、青色発光などが可能であ
る。そこで近年、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶を基体
として用いて、高効率かつ長寿命の光電変換機能素子の
開発が試みられている。例えば、特開平０４−１３３４
７８号公報には、ｐ型ＺｎＴｅ基板上にＭｇ_{1- x} Ｚｎ_x
Ｔｅ（０＜ｘ＜１）からなるクラッド層および活性層を
有する発光素子に関する技術が開示されている。前記先
願技術によれば、ｐ−ＺｎＴｅ基板上にｐ−Ｍｇ_０．５
Ｚｎ_０．５Ｔｅからなるｐ側クラッド層、アンドープの
Ｍｇ_xＺｎ_1-xＴｅ （ｘ＜０.５）からなる活性層、ｎ−
Ｍｇ_０．５Ｚｎ_０．５Ｔｅ からなるｎ側クラッド層を
この順に積層し、発光波長が４９０ｎｍ（ｘ＝０.２
５）又は５４０ｎｍ （ｘ＝０.１）の半導体発光素子を
実現している。

【０００３】しかし、前記先願技術では、基板と該基板
上に形成される各層との格子整合条件を満足出来ないた
めに結晶品質が劣悪になり、そのために実用に耐え得る
発光素子の作製は困難であった。そこで、実用レベルの
性能を有するＩＩ−ＶＩ族化合物半導体レーザを実現す
るために、ｐ型ＺｎＴｅ基板上に、該基板と実質的に格
子整合するＺｎＭｇＳｅＴｅクラッド層およびＺｎＣｄ
ＳｅＴｅ活性層を形成してＩＩ−ＶＩ族半導体レーザを
形成するようにした技術が提案された（特開平１０―２
７９４６号公報）。この技術によれば、ｐ型ＺｎＴｅ基
板を用いた場合、ｐ側およびｎ側クラッド層としてＺｎ
ＭｇＳｅＴｅ層を形成することにより、ｐ型ＺｎＴｅ基
板から活性層上部のｎ側クラッド層に到るまで実質的に
格子整合する構造としたので、活性層近傍での格子不整
合に起因する歪による応力の発生を完全に抑制できる。

【０００４】また、３元系（または４元系）の材料を用
いれば、組成を変更することによりバンドギャップエネ
ルギーＥｇを連続的に変化させることができるので、目
的に合致する発光波長をもつ活性層を設計することが容
易であるという利点がある。さらに、４元系では格子定
数、光の屈折率などもう１つの自由度を最適化できると
いう利点がある。

【０００５】このような背景から、３元系または４元系
の組成を有する半導体材料を用いた光電変換機能素子の
研究が盛んに行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記先
願技術（特開平１０―２７９４６号公報）では、ＺｎＴ
ｅ基板と実質的に格子整合する条件によりクラッド層の
組成を決定しているだけであり、各層（クラッド層、活
性層等）のバンドギャップエネルギーについて詳細に言
及されていない。すなわち、優れた発光特性を有する光
電変換素子を実現するためのバンドギャップの条件につ
いては明らかにされていなかった。

【０００７】本発明は、ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基板上に、
該基板と実質的に格子整合条件を満たす活性層、クラッ
ド層を有する光電変換機能素子、または、活性層、光ガ
イド層、クラッド層を有する光電変換機能素子におい
て、各層間のバンドギャップを調整することにより、優
れた素子特性を有する光電変換機能素子を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基板上
に、該基板と実質的に格子整合条件を満たす活性層、ク
ラッド層を有する光電変換機能素子であって、前記クラ
ッド層のバンドギャップは前記活性層のバンドギャップ
より０．３０ｅＶ以上大きくなるようにした光電変換機
能素子である。

【０００９】また、請求項２に係る発明は、光ガイド層
を有する場合で、ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基板上に、該基板
と実質的に格子整合条件を満たす活性層、光ガイド層、
クラッド層を有する光電変換機能素子であって、前記光
ガイド層のバンドギャップは前記活性層のバンドギャッ
プより０．１ｅＶ以上大きく、前記クラッド層のバンド
ギャップは前記活性層のバンドギャップより０．３０ｅ
Ｖ以上大きく、かつ、前記光ガイド層のバンドギャップ
より０．２ｅＶ以上大きくなるようにした光電変換機能
素子である。これにより、キャリアの閉じこめ効率を高
くすることができ、優れた発光特性を有する光電変換機
能素子を作製することができる。また、ＬＤを作製する
場合は、前記クラッド層のバンドギャップを前記活性層
のバンドギャップより０．５０ｅＶ以上大きくなるよう
にするのが望ましい。

【００１０】請求項３に係る発明は、前記活性層のｐ側
に設けられたｐ側光ガイド層を、Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ
_１−ｙ）_１−ｘＴｅ、またはＺｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢ
ｅ_１−ｙ）_{１− ｘ}Ｔｅ／ＺｎＴｅ超格子で構成するよう
にしたものである。ただし、組成ｘ，ｙは０＜ｘ＜１、
０＜ｙ＜１を満足する値とする。これにより、ｐ側光ガ
イド層をＺｎＴｅ基板と格子整合させることができる。
また、ＺｎＭｇＢｅＴｅ／ＺｎＴｅ超格子で構成した場
合は組成ｘだけでなく超格子の層厚比によりバンドギャ
ップを調整できるので、所望のバンドギャップを比較的
容易に実現することができる。

【００１１】請求項４に係る発明は、前記活性層のｎ側
に設けられたｎ側光ガイド層を、ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘ
／ＺｎＴｅ超格子で構成するようにしたものである。た
だし、組成ｘは，０＜ｘ＜１を満足する値とする。これ
により、ｎ側光ガイド層をＺｎＴｅ基板と格子整合させ
ることができる。また、ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘ／ＺｎＴ
ｅ超格子で構成した場合は組成ｘだけでなく超格子の層
厚比によりバンドギャップを調整できるので、所望のバ
ンドギャップを比較的容易に実現することができる。

【００１２】請求項５に係る発明は、前記活性層のｐ側
に設けられたｐ側クラッド層を、Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ
_１−ｙ）_１−ｘＴｅ、またはＺｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢ
ｅ_１−ｙ）_{１− ｘ}Ｔｅ／ＺｎＴｅ超格子で構成するよう
にしたものである。ただし、組成ｘ，ｙは０＜ｘ＜１、
０＜ｙ＜１を満足する値とする。これにより、ｐ側クラ
ッド層をＺｎＴｅ基板と格子整合させることができると
ともに、ＺｎＴｅ、ＢｅＴｅと同様、ｐ型の高いキャリ
ア濃度を得ることができる。また、ｐ側クラッド層をＺ
ｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）_１−ｘＴｅとＺｎＴｅで構成
される超格子とすれば、ＺｎＭｇＢｅＴｅの組成ならび
に超格子の層厚比の両方でｐ側クラッド層のバンドギャ
ップを調整できるという利点がある。また、ｐ側クラッ
ド層とｐ側光ガイド層を同じ構成とすることにより安定
した成長が可能になる。

【００１３】請求項６に係る発明は、請求項２または請
求項５においてＺｎＭｇＢｅＴｅの組成を具体的に決定
したもので、ＺｎＴｅの格子定数を６．１０Å、ＭｇＴ
ｅの格子定数を６．３５Å、ＢｅＴｅの格子定数を５．
６２Åとした場合に、前記Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）
_１−ｘＴｅの組成をＺｎ_ｘ（Ｍｇ_{０．６５８}Ｂｅ_{０．
３４２}）_１−ｘＴｅ（０＜ｘ＜１）としたものである。
すなわち、ｐ側クラッド層を構成するＺｎＭｇＢｅＴｅ
の組成をＺｎ_ｘ（Ｍｇ _{０．６５８}Ｂｅ_{０．３４２}）
_１−ｘＴｅとすることでＺｎＴｅと格子整合するように
したので、ｐ側クラッド層を安定して成長させることが
できる。

【００１４】請求項７に係る発明は、前記活性層のｎ側
に設けられたｎ側クラッド層を、ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘ
／ＺｎＴｅ超格子で構成するようにしたものである。た
だし、組成ｘは０＜ｘ＜１を満足する値とする。このよ
うに、ｎ側クラッド層をＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘ／ＺｎＴ
ｅ超格子で構成することにより実質的にＺｎＴｅと格子
整合するｎ側光ガイド層上に容易に成膜することができ
る。つまり、ＺｎＴｅの結晶構造が閃亜鉛鉱型であるの
に対して、ＭｇＳｅＴｅの結晶構造はウルツ鉱型である
ので、実質的にＺｎＴｅと格子整合するｎ側光ガイド層
上にＭｇＳｅＴｅを単層で成膜するのは困難であると考
えられていたが、ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘ／ＺｎＴｅ超格
子で構成することにより比較的容易に成膜することが可
能となった。また、ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘ／ＺｎＴｅ超
格子の層厚比によりバンドギャップを比較的容易に調整
することができる。さらには、ＭｇＳｅＴｅの屈折率は
ＺｎＴｅに比較して低いため、光閉じこめ効果が大きい
という利点もある。

【００１５】請求項８に係る発明は、請求項４または請
求項７においてＭｇＳｅＴｅの組成を具体的に決定した
もので、ＺｎＴｅの格子定数を６．１０Å、ＭｇＳｅの
格子定数を５．９１Å、ＭｇＴｅの格子定数を６．３５
Åとした場合に、前記ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘの組成をＭ
ｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ_{０．４３２}としたものである。す
なわち、ｎ側クラッド層およびｎ側光ガイド層を構成す
るＭｇＳｅＴｅの組成をＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}とすることでＺｎＴｅと格子整合するように
したので、ｎ側クラッド層およびｎ側光ガイド層を安定
して成長させることができる。

【００１６】以下に、ｐ側クラッド層およびｐ側光ガイ
ド層を構成するＺｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ _１−ｙ）_１−ｘＴｅ
（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）が、ＺｎＴｅと格子整合す
るための組成の算出方法について説明する。なお、以下
の計算において、ＺｎＴｅ、ＭｇＴｅ、ＢｅＴｅ、Ｍｇ
Ｓｅ、ＣｄＴｅの格子定数およびバンドギャップ値とし
て、表１に示す値を使用する。ただし、文献等により表
１に示す各化合物半導体に対する格子定数またはバンド
ギャップの値が異なるが、それらの値に基づいて算出さ
れた結果を用いる場合も本発明に含まれる。

【００１７】

【表１】

【００１８】まず、Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）_１−ｘ
Ｔｅは（ＺｎＴｅ）_ｘ［（ＭｇＴｅ）_ｙ（ＢｅＴｅ）
_１−ｙ］_１−ｘと等価であると考えれば、Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ
_ｙＢｅ _１−ｙ）_１−ｘＴｅとＺｎＴｅとが格子整合する
条件は、組成ｘに関係なく、 6.35y+5.62(1-y)=6.10・・・（１） となる。これよりｙ＝０．６５８が算出されるので、Ｚ
ｎ_ｘ（Ｍｇ_{０．６５８}Ｂｅ_{０．３４２}）_１−ｘＴｅの組
成とすることでＺｎＴｅと格子整合させることができ
る。

【００１９】また、このときのＺｎ_ｘ（Ｍｇ_{０．６５８}
Ｂｅ_{０．３４２}）_１−ｘＴｅのバンドギャップをＥａと
すると、 Ea=2.26x+2.9×0.658×（1-x）+4.10×０.342×(1-x) =3.31-1.05x・・・（２） と表すことができる。なお、ＺｎＭｇＢｅＴｅ系のバン
ドギャップＥａは、ボーイング係数の項は考慮する必要
がなく、ベガード則に従うことが、本発明者等による実
験と計算から得られている。さらに、０＜ｘ＜１よりＥ
ａの取りうる範囲は 2.26＜Ea＜3.31・・・（３） となる。すなわち、ｐ側クラッド層およびｐ側光ガイド
層を構成するＺｎ_ｘ（Ｍｇ_{０． ６５８}Ｂｅ_{０．３４２}）
_１−ｘＴｅのバンドギャップは、式（２），（３）を満
たす。

【００２０】さらに、ｐ側クラッド層またはｐ側光ガイ
ド層をＺｎＭｇＢｅＴｅ／ＺｎＴｅ超格子で構成した場
合のバンドギャップＥｂは、ＺｎＭｇＢｅＴｅ層の割合
をｚとすれば、（２）を利用して、 Eb=(3.31-1.05x)z＋2.26(1-z)・・・（４） と表すことができる。

【００２１】次に、ｎ側クラッド層およびｎ側光ガイド
層を構成するＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘ（０＜ｘ＜１）が、
ＺｎＴｅと格子整合するための組成の算出方法について
説明する。まず、ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘは（ＭｇＳｅ）
_ｘ（ＭｇＴｅ）_１−ｘと等価であると考えれば、ＭｇＳ
ｅ_ｘＴｅ_１−ｘとＺｎＴｅとが格子整合する条件は、 5.9x+6.35(1-x)=6.10・・・（５） と表すことができる。これよりｘ＝０．５６８が算出さ
れるので、ＭｇＳｅ_{０． ５６８}Ｔｅ_{０．４３２}の組成と
することでＺｎＴｅと格子整合させることができる。

【００２２】また、このときのＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}のバンドギャップをＥｃとすると、 Ec=4.0×0.568+2.9×0.432-0.568×0.432×2=3.034・・・（６） となる。ＭｇＳｅＴｅは、本発明者等の実験と計算によ
り、ボーイング係数がおおよそ２であると求められてい
る。そこで、（６）式の右辺において、この値を用いた
ボーイングパラメータ（第３項）をベガード則にしたが
った項（第１項および第２項）に加えている。なお、さ
らに実験を重ねて母数を増やすことで、より正確なボー
イング係数を算出することができる。

【００２３】これより、ＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}／ＺｎＴｅ超格子のバンドギャップエネルギ
ーＥｄは、ＭｇＳｅＴｅ層の割合をｚとすれば、 Ed=3.034ｚ＋2.26(1-z) =0.774z+2.26・・・（７） と表すことができる。さらに、０＜ｚ＜１よりＥｄの取
りうる範囲は 2.26＜Ed＜3.034・・・（８） となる。すなわち、ｎ側クラッド層およびｎ側光ガイド
層を構成するＭｇＳｅ_{０ ．５６８}Ｔｅ_{０．４３２}／Ｚｎ
Ｔｅ超格子のバンドギャップは、式（７），（８）を満
たす。これより、例えば、ＭｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅの層
厚比を８：２（ｚ＝０．８）とした場合は、Ｅｄ＝２．
８８となる。

【００２４】また、本発明では特に限定しないが、活性
層としては、ＢｅＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＭｇＳｅＴｅ、Ｍ
ｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅ超格子、ＢｅＭｇＺｎＴｅ、Ｚｎ
ＣｄＳｅＴｅ等が考えられる。一例として、活性層をＢ
ｅ_ｘＺｎ_ｙＣｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｔｅ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜
１、０＜ｘ＋ｙ＜１）で構成した場合に、活性層の組成
を決定する方法について説明する。

【００２５】まず、Ｂｅ_ｘＺｎ_ｙＣｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｔｅは
（ＢｅＴｅ）_ｘ（ＺｎＴｅ）_ｙ（ＣｄＴｅ）_{１−ｘ−ｙ}
と等価と考えれば、Ｂｅ_ｘＺｎ_ｙＣｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｔｅ活
性層の格子定数ａは、 a=5.62x+6.10y+6.48(1-x-y) =6.48-0.86x-0.38y・・・（９） と表すことができる。さらに、活性層にはＺｎＴｅ基板
と実質的に格子整合する組成を用いるため、格子定数の
歪みは１％以下とするのが望ましいので、式（９）を利
用して、 6.1×0.99＜6.48-0.86x-0.38y＜6.1×1.01・・・（１０） を満足するように（ｘ，ｙ）の組合せを決定する。

【００２６】また、Ｂｅ_ｘＺｎ_ｙＣｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｔｅ活
性層のバンドギャップをＥeとすると、 Ee=4.1x+2.26y+1.44(1-x-y) =2.66x+0.82y+1.44・・・（１１） と表すことができる。上記（１０）、（１１）式を利用
して、所望のバンドギャップとなるように組成（ｘ、
ｙ）を決定すればよい。

【００２７】例えば、ｎ側クラッド層を層厚比８：２の
ＭｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅで構成した場合は、ｎ側クラッ
ド層のバンドギャップは２．８８（ｅＶ）となるので、
請求項１の条件（クラッド層のバンドギャップは活性層
のバンドギャップより０．３ｅＶ以上大きい）よりＢｅ
_ｘＺｎ_ｙＣｄ_{１−ｘ−ｙ}Ｔｅ活性層のバンドギャップＥ
ｅは２．５８ｅＶ以下となる。これと式（１１）より、
Ee=2.66x+0.82y+1.44＜2.58・・・（１６）を満足する
（ｘ，ｙ）の組合せを決定すれば、活性層のバンドギャ
ップＥｅは２．５８ｅＶ以下となる。例えば、（ｘ＝
０．３９８，ｙ＝０．０９９）として活性層をＢｅ
_{０．３９８}Ｚｎ_{０．０９９}Ｃｄ_{０．５０３}Ｔｅで構成す
ることによりＥｅ＝２．５８となり、かつ式（１０）も
満足するので格子歪みを１％以下に抑えることができ
る。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る光電
変換機能素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）の構成
を表す説明図である。本実施形態の発光ダイオードは、
ｐ型ＺｎＴｅ基板１１上にＺｎＴｅバッファ層１２を介
して、ｐ型ＭｇＢｅＺｎＴｅクラッド層１３と、ｐ型Ｚ
ｎＴｅ／ＭｇＢｅＺｎＴｅ光ガイド層１４（発光ダイオ
ードの場合は必ずしも必要ない）と、ＺｎＣｄＴｅ活性
層１５と、ｎ型ＭｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅ光ガイド層１６
（発光ダイオードの場合は必ずしも必要ない）と、ｎ型
ＭｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅクラッド層１７と、ＺｎＴｅ層
１８と、ＣｄＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層１９と、ＣｄＳｅ
層２０と、が順次積層されてなる半導体素子の表面およ
び裏面にＡｕ電極１０、２１を形成して構成される。

【００２９】上述した構成において、ｐ側およびｎ側ク
ラッド層１３，１７は、そのバンドギャップが活性層１
５のバンドギャップより０．３ｅＶ以上大きく、それぞ
れが隣接する光ガイド層１４，１６のバンドギャップよ
り０．１ｅＶ以上大きくなるように組成および超格子層
における層厚比を決定した。また、ｐ側およびｎ側光ガ
イド層１４，１６のバンドギャップは、活性層１５のバ
ンドギャップより０．１ｅＶ以上大きくなるように組成
および超格子層における層厚比を決定した。

【００３０】以下、本発明者等が実施した上記のような
構造を有する発光ダイオードの製造手順の一例について
説明する。なお、本実施形態では、原料として固体のＺ
ｎ，Ｍｇ，Ｓｅ，Ｔｅを用いて分子線エピタキシャル成
長（ＭＢＥ）法により各層を成長させた。まず、発光ダ
イオードを作製するにあたり、厚さ０．５ｍｍ、直径２
インチで、室温下でキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ
^−３のｐ型ＺｎＴｅ単結晶を成長用基板１１として用い
た。この前記ＺｎＴｅ単結晶基板１１の表面をラッピン
グし、その後有機洗浄を行い、ブロム−メタノール溶液
で２０℃、１０分間エッチングを行った。その後、純粋
洗浄して乾燥させてから分子線エピタキシャル装置内へ
導入した。

【００３１】次に、ＺｎＴｅ単結晶基板１１に３５０
℃、１分間の熱処理を施して基板表面を洗浄し、次い
で、ＺｎＴｅ単結晶基板１１上にＺｎＴｅバッファ層１
２を２４０℃の低温で５ｎｍの厚さで形成した。次に、
ｐ型Ｚｎ_０．４９Ｍｇ_０．３３Ｂｅ_０．１８Ｔｅクラッ
ド層１３（キャリア濃度：５×１０^１８ｃｍ^−３）を５
００ｎｍの厚さで形成した。このＺｎＭｇＢｅＴｅクラ
ッド層１３のバンドギャップＥｇ１は２．８ｅＶであっ
た。

【００３２】その上にｐ型Ｚｎ_０．４９Ｍｇ_０．３３Ｂ
ｅ_０．１８Ｔｅ／ＺｎＴｅ光ガイド層１４（キャリア濃
度：１×１０^１８ｃｍ^−３）を５０ｎｍの厚さで形成し
た。この超格子層は、厚さ４ＭＬのＺｎＭｇＢｅＴｅ層
と、厚さ６ＭＬのＺｎＴｅ層とを、交互に５層（計１０
層）積み重ねて形成したもので、バンドギャップＥｇ２
は２．４７ｅＶであった。なお、ｐ型ＺｎＭｇＢｅＴｅ
クラッド層１３およびｐ型ＺｎＭｇＢｅＴｅ／ＺｎＴｅ
光ガイド層１４は、不純物としてプラズマ励起により活
性化したＮ（窒素）をドーピングしてｐ型に制御した。

【００３３】次に、ｐ型ＺｎＭｇＢｅＴｅ／ＺｎＴｅ光
ガイド層１４の上にアンドープＺｎＣｄＴｅ活性層１５
を１０ｎｍの厚さで形成した。このＺｎＣｄＴｅ活性層
１５のバンドギャップＥｇ３は２．１３ｅＶであった。
さらに、アンドープＺｎＣｄＴｅ活性層１５の上にｎ型
ＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ_{０．４３２}／ＺｎＴｅ光ガイド
層１６（キャリア濃度：１×１０^１７ｃｍ^−３）を３０
ｎｍの厚さで形成した。この超格子層は、厚さ３ＭＬの
ＭｇＳｅ_{０．５ ６８}Ｔｅ_{０．４３２}層と、厚さ７ＭＬの
ＺｎＴｅ層とを、交互に５層（計１０層）積み重ねて形
成したもので、バンドギャップＥｇ４は２．４９ｅＶで
あった。

【００３４】その上にｎ型ＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}／ＺｎＴｅクラッド層１７（キャリア濃度：
５×１０^１７ｃｍ^−３）を２００ｎｍの厚さで形成し
た。このＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ_{０．４３２}／ＺｎＴｅ
クラッド層１３のバンドギャップＥｇ５は２．８ｅＶで
あった。このときのＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ_{０．４３２}
とＺｎＴｅの層厚比は７：３の超格子構造とする。な
お、ｎ型ＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ_{０．４３２}／ＺｎＴｅ
光ガイド層１６およびｎ型ＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}／ＺｎＴｅクラッド層１７は、不純物として
Ｃｌをドーピングしてｎ型に制御した。

【００３５】次に、ｎ型ＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}／ＺｎＴｅクラッド層１７の上に、ＺｎＴｅ
層１８を５ｎｍの厚さで形成した後、ＣｄＳｅ／ＺｎＴ
ｅ超格子層１９を２０ｎｍの厚さで形成し、さらにその
上にＣｄＳｅ層２０を５ｎｍ形成してコンタクト層とし
た。ここで、ＣｄＳｅ層２０は、不純物としてＣｌをド
ーピングしてｎ型に制御しており、そのキャリア濃度は
１×１０^１９ｃｍ^−３とした。成長終了後、ＺｎＴｅ単
結晶基板１１の裏面にｐ側電極としてＡｕを蒸着し、Ｃ
ｄＳｅコンタクト層２０の表面にｎ側電極としてＡｕを
蒸着して発光ダイオードを作製した。この発光ダイオー
ドは、発光波長が５３９ｎｍの優れた発光特性を示し
た。また、動作寿命の長時間化も実現することができ
た。

【００３６】以上、本発明者によってなされた発明を実
施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記
実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲で変更可能である。例えば、活性層はＺｎＣｄ
Ｔｅに限定されず、ＢｅＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＭｇＳｅＴ
ｅ、ＭｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅ超格子、ＢｅＭｇＺｎＴ
ｅ、ＺｎＣｄＳｅＴｅ等が考えられる。

【００３７】また、活性層１５、クラッド層１３，１
７、光ガイド層１４，１６の組成は、上記実施形態のも
のに限定されない。例えば、表２に示す各層１３，１
４，１５，１６，１７に対応するバンドギャップの算出
式を利用して求めた各層のバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ
５が、表３に示す条件を満たすように各層の組成あるい
は超格子層の層厚比を決定すればよい。ただし、表２に
おいて、ｘ１，ｘ２，ｘ３は各層のＺｎの組成比であ
り、ｚ１はＺｎ_ｘ２（Ｍｇ_{０．６５８}Ｂｅ_{０．３４２}）
_１−ｘ２Ｔｅ／ＺｎＴｅ超格子におけるＺｎ_ｘ２（Ｍｇ
_{０．６５８}Ｂｅ_{０．３ ４２}）_１−ｘ２Ｔｅ層の割合であ
り、ｚ２，ｚ３はＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ_{０． ４３２}／
ＺｎＴｅ超格子におけるＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}層の割合である。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】また、ｐ側クラッド層１３をＺｎＭｇＢｅ
Ｔｅ／ＺｎＴｅ超格子で構成してもよいし、ｐ側光ガイ
ド層をＺｎＭｇＢｅＴｅ層で構成してもよい。また、エ
ピタキシャル成長法は、分子線エピタキシャル成長法
（ＭＢＥ）に限らず有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
でもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基
板上に、該基板と実質的に格子整合条件を満たす活性
層、クラッド層を有する光電変換機能素子において、前
記クラッド層のバンドギャップは前記活性層のバンドギ
ャップより０．３０ｅＶ以上大きくなるようにしたの
で、電子キャリアの閉じこめ効率を向上することがで
き、優れた発光特性を有するＬＥＤを作製できるという
効果を有する。

【００４２】また、光ガイド層を有する場合、すなわち
ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基板上に、該基板と実質的に格子整
合条件を満たす活性層、光ガイド層、クラッド層を有す
る光電変換機能素子の場合は、前記光ガイド層のバンド
ギャップは前記活性層のバンドギャップより０．１ｅＶ
以上大きく、前記クラッド層のバンドギャップは前記活
性層のバンドギャップより０．３０ｅＶ以上大きく、か
つ、前記光ガイド層のバンドギャップより０．２ｅＶ以
上大きくなるようにしたので、電子キャリアの閉じこめ
効率を向上することができ、優れた発光特性を有するＬ
ＥＤを作製できるという効果を有する。

【００４３】また、前記クラッド層のバンドギャップを
前記活性層のバンドギャップより０．５０ｅＶ以上大き
くすることにより、ＬＤに適した光電変換機能素子とす
ることができる。

【００４４】また、ｐ側クラッド層およびｐ側光ガイド
層をＺｎ_ｘ（Ｍｇ_{０．６５８}Ｂｅ_{０ ．３４２}）_１−ｘＴ
ｅ、またはＺｎ_ｘ（Ｍｇ_{０．６５８}Ｂｅ_{０．３４２}）
_１−ｘＴｅ／ＺｎＴｅ超格子で構成し、ｎ側クラッド層
およびｎ側光ガイド層をＭｇＳｅ_{０．５６８}Ｔｅ
_{０．４３２}／ＺｎＴｅ超格子で構成することにより、実
質的にＺｎＴｅと構成整合するようにしたので、各層を
安定して成長させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光電変換機能素子としての発光ダ
イオード（ＬＥＤ）の構成を表す説明図である。

【符号の説明】

１０ ｐ側Ａｕ電極 １１ ｐ型ＺｎＴｅ基板 １２ ｐ型ＺｎＴｅバッファ層 １３ ｐ型ＺｎＭｇＢｅＴｅクラッド層 １４ ｐ型ＺｎＭｇＢｅＴｅ／ＺｎＴｅ光ガイド層 １５ アンドープＺｎＣｄＴｅ活性層 １６ ｎ型ＭｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅ光ガイド層 １７ ｎ型ＭｇＳｅＴｅ／ＺｎＴｅクラッド層 １８ ＺｎＴｅ層 １９ ＺｎＴｅ／ＣｄＳｅ超格子層 １９ ＣｄＳｅ層 ２０ ｎ側Ａｕ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 一郎 東京都杉並区清水１丁目12番１号メゾンケ イ103号 (72)発明者 荒川 篤俊 埼玉県戸田市新曽南３丁目17番35号 株式 会社日鉱マテリアルズ戸田工場内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA05 CA41 CA66 5F073 AA45 AA76 AA77 CA22 DA06 DA35

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型ＺｎＴｅ単結晶基板上に、該基板と
   実質的に格子整合条件を満たす活性層、クラッド層を有
   する光電変換機能素子であって、 前記クラッド層のバンドギャップは前記活性層のバンド
   ギャップより０．３０ｅＶ以上大きいことを特徴とする
   光電変換機能素子。
2. 【請求項２】 前記光電変換機能素子は、前記ｐ型Ｚｎ
   Ｔｅ単結晶基板と実質的に格子整合条件を満たす光ガイ
   ド層を有し、 前記光ガイド層のバンドギャップは前記活性層のバンド
   ギャップより０．１ｅＶ以上大きく、 前記クラッド層のバンドギャップは前記活性層のバンド
   ギャップより０．３０ｅＶ以上大きく、かつ、隣接する
   光ガイド層のバンドギャップより０．２ｅＶ以上大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換機能素子。
3. 【請求項３】 前記活性層のｐ側に設けられたｐ側光ガ
   イド層は、Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）_１−ｘＴｅ、ま
   たはＺｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）_１−ｘＴｅ（０＜ｘ＜
   １、０＜ｙ＜１）とＺｎＴｅで構成される超格子からな
   ることを特徴とする請求項２に記載の光電変換機能素
   子。
4. 【請求項４】 前記活性層のｎ側に設けられたｎ側光ガ
   イド層は、ＭｇＳｅ _ｘＴｅ_１−ｘとＺｎＴｅで構成され
   る超格子からなることを特徴とする請求項２または請求
   項３に記載の光電変換機能素子。
5. 【請求項５】 前記活性層のｐ側に設けられたｐ側クラ
   ッド層は、Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）_１−ｘＴｅ、ま
   たはＺｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）_１−ｘＴｅ（０＜ｘ＜
   １、０＜ｙ＜１）とＺｎＴｅで構成される超格子からな
   ることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記
   載の光電変換機能素子。
6. 【請求項６】 ＺｎＴｅの格子定数を６．１０Å、Ｍｇ
   Ｔｅの格子定数を６．３５Å、ＢｅＴｅの格子定数を
   ５．６２Åとした場合、 前記Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_ｙＢｅ_１−ｙ）_１−ｘＴｅの組成は、
   Ｚｎ_ｘ（Ｍｇ_{０．６５ ８}Ｂｅ_{０．３４２}）_１−ｘＴｅ
   （０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項３または
   請求項５に記載の光電変換機能素子。
7. 【請求項７】 前記活性層のｎ側に設けられたｎ側クラ
   ッド層は、ＭｇＳｅ _ｘＴｅ_１−ｘとＺｎＴｅで構成され
   る超格子からなることを特徴とする請求項１から請求項
   ６の何れかに記載の光電変換機能素子。
8. 【請求項８】 ＺｎＴｅの格子定数を６．１０Å、Ｍｇ
   Ｓｅの格子定数を５．９１Å、ＭｇＴｅの格子定数を
   ６．３５Åとした場合、 前記ＭｇＳｅ_ｘＴｅ_１−ｘの組成は、ＭｇＳｅ
   _{０．５６８}Ｔｅ_{０．４３２}であることを特徴とする請求
   項４または請求項７に記載の光電変換機能素子。