JP2005093895A - ＺｎＳｅ系発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＺｎＳｅ系発光素子において、発光素子の寿命を長くすることができるＺｎＳｅ系発光素子を提供する。
【解決手段】 化合物半導体基板１に形成され、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３とｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層６との間に位置する活性層４を備え、活性層４とｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層６との間にｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有するバリア層５を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体に属するＺｎＳｅ系化合物半導体を用いたＺｎＳｅ系発光素子に関するものである。

ＺｎＳｅ結晶はバンドギャップが室温で２．７ｅＶの直接遷移型の半導体であり、青−緑領域の発光素子用材料として期待されている。特に、１９９０年にプラズマ励起された窒素をドーピングすることによってｐ型ＺｎＳｅの成膜が可能であることが示されて以来、ＺｎＳｅ系発光素子が脚光をあびるようになった。

本発明者らは、ＺｎＳｅ基板を使用した新しい構成の白色ＬＥＤ(Light Emitting Diode)を考案し実用化を図っている。これら白色ＬＥＤはｎ型ＺｎＳｅ基板のＳＡ(Self-Activated：自己活性化)発光を利用する素子である。具体的な構造としては、ｎ型ＺｎＳｅ基板上にＺｎＣｄＳｅ活性層とＺｎＭｇＳＳｅクラッド層とから構成される発光層を形成し、この発光層を含む積層構造を構成するエピタキシャル膜側表面にｐ型電極を、またＺｎＳｅ基板の裏面にｎ電極を配置した積層構造の発光素子である。両電極間を通電し、活性層で青色光（波長４８５ｎｍ近辺）を発光させると、青色光はの一部はそのまま素子外に放出され、また一部は基板側に入射する。基板に入射した青色光は基板のＳＡセンターを励起し、その結果ＳＡ光が誘起される。このＳＡ発光は５９０ｎｍ近辺にピークを持つ発光であり、波長４８５ｎｍの青色光と適度な比率で混ぜ合わせることによって、人間の目には白色に見える発光を得ることができる。上気の白色ＬＥＤは駆動電圧が２．７Ｖ程度と低く、また発光効率が比較的高いことからその実用化が期待されている。

半導体発光素子では、発光層（活性層）はｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とに挟まれ、これら両方のクラッド層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する。両側のクラッド層から活性層に電流を注入し、電流担体のバンド間遷移により発光を生じさせる。ｎ型クラッド層から活性層へ注入された電子は、主として次の経過をたどる。
（ａ1）ホール（正孔）と再結合して発光する。
（ａ2）ｐ型クラッド層へリーク（オーバーフロー）し、ｐ型クラッド層で非発光的再結合をする。

上記の（ａ2）の割合が大きいと発光成分が減るため、発光素子（ＬＤ、ＬＥＤ）の光出力が小さくなる。

上記の（ａ2）に起因する光出力低下の問題を解消するためには、活性層とｐ型クラッド層との間に生じる電子に対するエネルギー障壁（ヘテロ障壁ΔＥc）を大きくすれば良いことが知られている。上記ヘテロ障壁ΔＥcは、より具体的には、活性層内の電子の擬フェルミレベルと、ｐ型クラッド層の伝導帯の底のエネルギーとの差である。ヘテロ障壁ΔＥcを正確に算出することは難しいが、このヘテロ障壁を大きくするには、次の３つの方法がある。
（ｂ1）活性層のバンドギャップと、ｐ型クラッド層のバンドギャップとの差ΔＥgを大きくする。
（ｂ2）ｐ型クラッド層のキャリア密度を増加させて、ｐ型クラッド層のフェルミレベルを下げる。
（ｂ3）活性層に注入する電流密度を下げる。

上記の３つの方法のうち、（ｂ3）の方法は高輝度の発光素子を実現することを目的とする限り、採用することはできない。上記の（ｂ1）の方法として、たとえば、ＺｎＳｅ系発光素子では、クラッド層にＺｎＭｇＳＳｅ層を用いることが提案されている（たとえば特許文献１）。ＺｎＭｇＳＳｅを用いる場合、ＺｎＳｅと格子定数を合わせる条件下において、バンドギャップを４．４ｅＶ程度まで大きくすることができる。
特開平５−７５２１７号公報

しかし、ＺｎＳｅ系の場合、上記（ｂ1）の方法と、（ｂ2）の方法とを独立に取り扱うことはできず、（ｂ1）の方法のみを追求しても問題の解決にはいたらない。（ｂ1）の方法と（ｂ2）の方法とが互いに関係し合う理由は、ＺｎＳｅ系化合物半導体のドーピング特性にある。次に、ＺｎＳｅ系半導体のドーピング特性について説明する。

ＺｎＳｅ系化合物半導体が属するＩＩ−ＶＩ族化合物半導体では、平衡状態のままｐ型不純物を導入したのでは、十分なｐ型導電性を安定して得ることはできず、ｐ型の導電性は、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法による低温成長下で窒素を導入した場合においてのみ可能になることが知られている。しかし、このドーピングはバンドギャップが大きくなるほど困難になり、バンドギャップが大きいほど得られる最高のｐ型キャリア密度が小さくなってしまう。この現象の結果を図７に示す。

図７は、ＺｎＳｅと格子定数が一致するように組成比が調整されたＺｎＭｇＳＳｅのバンドギャップと、実効的なｐ型キャリア密度（Ｎa−Ｎd）との関係を示す図である。ここで、Ｎaはアクセプター密度であり、Ｎdはドナー密度である。ＺｎＭｇＳＳｅのバンドギャップを大きくすると、（Ｎa−Ｎd）が減少することが分かる。この原因は、ｐ型不純物である窒素（Ｎ）のみをドーピングしたとしても、バンドギャップを大きくすると、ドナー性の欠陥（詳細は良く分っていない）が形成されやすくなることにあると考えられる。すなわち、ＺｎＳｅ系化合物半導体ではバンドギャップを大きくするとドナー性の欠陥密度が増大し、すなわちＮdが増大し、実質的にｐ型キャリア密度が増加せず、むしろドナー性の欠陥形成のためにｐ型キャリア密度が低下する。

上記の現象より、ヘテロ障壁ΔＥcを最も大きくするのに最適な、ｐ型クラッド層のバンドギャップの値があることが分る。すなわち、両者の間には図８に模式的に示すような相関関係がある。図８では、上記最適なバンドギャップの値は臨界値として表示されている。上記の（ｂ1）および（ｂ2）を総合した解決策によって、ｐ型クラッド層のバンドギャップを上記臨界値にすることによって最大のヘテロ障壁ΔＥcを実現し、電子のリークを十分に抑制することが期待される。

上記の最適なバンドギャップの値は、ドーピング技術にも左右されるので一概には言えないが、２．９ｅＶ〜３．０ｅＶ近辺である。この最適のバンドギャップで得られるヘテロ障壁ΔＥcが十分に大きくなり、その結果、上述の電子のリークが十分小さくなれば、何ら問題ない。しかしながら、上記の期待に反して実際は、上記ｐ型クラッド層における最適のバンドギャップを実現しても、ヘテロ障壁ΔＥcの大きさは不十分であり、無視できない量の電子が活性層からｐ型クラッド層へとリークすることが判明した。

ＺｎＳｅ系化合物半導体の発光素子のさらに大きな問題は、上記ｐ型クラッド層への電子のリークが、発光効率を下げるだけでなく、発光素子の寿命を短くすることにある。次に、この現象について説明する。

先に説明したように、ＺｎＳｅ系が属するＩＩ−ＶＩ族化合物半導体では、ｐ型ドーパントの安定性が低い。そのため、ｐ型キャリア密度を高くできないだけでなく、ｐ型クラッド層にリークした電子が、そのｐ型クラッド層で正孔と再結合する際に放出されるエネルギーによってドナー性の欠陥が形成され、ｐ型キャリア密度が減少してしまう。ｐ型キャリア密度が減少すると、ヘテロ障壁ΔＥcが減少し、電子のリークに対して障壁となりにくくなる。この結果、（電子のｐ型クラッド層へのリーク）→（ｐ型クラッド層でのｐ型キャリア密度低下）→（ヘテロ障壁ΔＥcの低下）→（電子のｐ型クラッド層へのリーク加速）→・・・という悪循環に陥ってカタストロフィ的に発光効率が低下する途をたどる。すなわち、稼働中に短い期間の後、急速劣化モードに陥ってしまう。上記の現象のために、ＺｎＳｅ系発光素子の固有の性質として寿命は短く、その寿命を長くすることは困難であると考えられてきた。

本発明は、ＺｎＳｅ系発光素子において、発光素子の寿命を長くすることができるＺｎＳｅ系発光素子を提供することを目的とする。

本発明のＺｎＳｅ系発光素子は、化合物半導体基板に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に位置する活性層を備えるＺｎＳｅ系発光素子である。そして、上記の活性層とｐ型クラッド層との間にｐ型クラッド層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有するバリア層を有する。

この構成により、活性層に注入された電子は、バリア層のｐ型クラッド層より大きいバンドギャップによる障壁ポテンシャルにより、ｐ型クラッド層への移動を妨げられる。このため、このＺｎＳｅ系発光素子の寿命を大きく向上させることができる。

本構成の要点は、通常のｐ型クラッド層が有する２つの役割である「活性層への正孔の供給」および「ヘテロ障壁形成による電子のリーク抑制」のうち、「ヘテロ障壁形成による電子のリーク抑制」の役割をバリア層に担当させる点にある。ｐ型クラッド層は、「活性層への正孔の供給」の役割のみを担う。「活性層への正孔の供給」だけであれば、ｐ型クラッド層に対する大きなバンドギャップや、大きなキャリア密度の要請はそれほど強くはない。バリア層による電子のリーク抑制については、バリア層のバンドギャップが十分大きければ、キャリア密度を大きくすることによって得られるヘテロ障壁ΔＥcの増加がなくても、活性層の擬フェルミレベルに対して十分大きいヘテロ障壁ΔＥcを確保することができる。

上記の構成における特筆すべき利点は、電子の閉じ込め効率がｐ型クラッド層のキャリア密度にあまり依存しないことにある。そのため、バリア層を越えてリークした電流によってｐ型クラッド層のキャリア（正孔）密度が減少したとしても、電子の閉じ込め効率はほとんど影響を受けず維持される。この結果、従来の構造で問題となっていた、リーク量の増加傾向の悪循環による加速は誘発されず、カタストロフィックな素子の劣化は防止される。

ここで、バリア層による閉じ込め効果について説明すると、基本的に、活性層内における電子の擬フェルミレベルと、バリア層における伝導帯の底のエネルギー準位との差が大きければ、閉じ込め効率は向上する。上記のエネルギー差、すなわちヘテロ障壁ΔＥcを大きくするためには、基本的にはバリア層のバンドギャップを大きくすればよい。そこでＺｎＭｇＳＳｅをバリア層に使用する場合、ＭｇとＳとの組成比を大きくして、バリア層のバンドギャップを大きくすればよい。このとき、バリア層のキャリア密度は重要ではなく、従来のｐ型クラッド層におけるキャリア密度に対する制限は必要なくなる。

クラッド層には意図的にｐ型不純物をドーピングする必要はないが、多少ドーピングされていても支障はない。バリア層を構成する材料は、ＺｎＭｇＳＳｅに限られない。クラッド層よりバンドギャップが大きく、そのバンドギャップが大きい結果として伝導帯の底のエネルギー準位が上昇する（電子親和力が低下すると言ってもよい）材料であれば、ＺｎＭｇＳＳｅでなくてもよい。ただし、半導体基板、たとえばＺｎＳｅ基板と格子定数をおおよそ一致する必要はある。そのような材料として、たとえばＺｎＭｇＢｅＳｅを挙げることができる。ＺｎＭｇＳＳｅと、ＺｎＭｇＢｅＳｅとの相違であるが、ＺｎＭｇＢｅＳｅのほうが電子親和力が小さくなることが知られており、同じバンドギャップであればＺｎＭｇＢｅＳｅのほうが電子の閉じ込め効率が高くなるので、好ましい。

ＺｎＭｓＳＳｅやＺｎＭｇＢｅＳｅでバリア層を形成する場合、そのバンドギャップが大きいほど電子の閉じ込め効率が大きくなるが、大きくしすぎるとバリア層を構成する膜の結晶性が劣化する傾向があり、あまり大きくしないほうがよい。また、バリア層のバンドギャップをｐ型クラッド層のバンドギャップより大きくしすぎると、ｐ型クラッド層から活性層への正孔の注入に対して障壁となるので発光効率を低下させる問題を生じる。

ここで、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体系の発光素子の場合には、上記ｐ型クラッド層から活性層への正孔の注入に対する障壁の形成はあまり問題とならない。しかし、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なり、ＺｎＳｅ系化合物半導体では、バリア層とｐ型クラッド層との間に上記の障壁が存在すると、ｐ型ドーピングが不安定になり、劣化しやすくなる。そのため、ｐ型クラッド層から活性層への正孔の注入に対する障壁は小さいほうが望ましい。上記障壁に関して、ＺｎＭｇＳＳｅとＺｎＭｇＢｅＳｅとを比べると、同じバンドギャップとした場合、ＺｎＭｇＢｅＳｅのほうが正孔に対する障壁は小さくなるか、または上記障壁が形成されないので好ましい。

上記の説明から分かるように、バリア層のバンドギャップには最適な値が存在する。この最適値は、バリア層の材料、ｐ型クラッド層のバンドギャップ、ｐ型クラッド層のｐ型ドーピングの安定性などに依存するので、一概に決定することはできない。しかし、ｐ型クラッド層のバンドギャップと比べ、０．０２５ｅＶ〜０．５ｅＶ大きい範囲内にバリア層のバンドギャップの最適値がある。また、最適値から多少ずれたとしても、ｐ型クラッド層のバンドギャップと比べ、０．０２５ｅＶ〜０．５ｅＶ大きい範囲内のバンドギャップであればバリア層の上記役割を期待することができる。

次に図面を用いて本発明の実施の形態における発光素子を紹介する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるＺｎＳｅ系発光素子を示す図である。ｎ型化合物半導体基板１の上にｎ型ＺｎＳｅ系バッファ層（以下、ｎ型バッファ層）２が位置し、その上にｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層（以下、ｎ型クラッド層）３が形成されている。ｎ型化合物半導体基板１には、ｎ型ＺｎＳｅ単結晶基板またはｎ型ＧａＡｓ単結晶基板を用いることができる。ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板は、ＺｎＳｅ系エピタキシャル膜を形成しやすく、また安価である。

ｎ型クラッド層３の上に量子井戸層とその障壁層とが積層された活性層４が位置し、その上に、バリア層（第１クラッド層）５が位置し、そのバリア層の上にｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層（以下、ｐ型クラッド層または第２クラッド層）６が形成されている。

バリア層には、図２に示すように、ｉ型Ｚｎ_1-x-yＭｇ_xＢｅ_yＳｅ（０．０１≦ｙ≦０．１）を用いることができる。また、バリア層には、図３に示すように、ｉ型Ｚｎ_1-x-yＭｇ_xＳ_yＳｅ（０．０１≦ｘ≦０．１）を用いてもよい。ただし、バリア層は真性化合物半導体に限定されるわけではなく、ｐ型不純物を含んでもよい。

上記ｐ型クラッド層の上にはｐ型ＺｎＳｅバッファ層７が位置し、その上にｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層８が形成され、さらにその上にｐ電極９が設けられている。ｎ型化合物半導体基板１にはｎ電極が設けられているが図示していない。ｎ電極とｐ電極との間に電圧を印加して活性層に電流を注入して発光を得る。

図４および図５は、ｎ型クラッド層３／活性層４／バリア層５／ｐ型クラッド層６におけるバンド構造を示す図である。活性層４とｐ型クラッド層（第２クラッド層）６との間にバリア層（第１クラッド層）５を設け、活性層の電子のｐ型クラッド層へのリークに対する障壁ポテンシャルを形成している。すなわち、活性層に電子を閉じ込めている。ここで図４では、バリア層とｐ型クラッド層の価電子帯との間に不連続がなく連続的に接合されているが、このような接合はバリア層としてＺｎＭｇＢｅＳｅを使用した場合にのみ可能であり、バリア層にＺｎＭｇＳＳｅを使用した場合には、図５に示すように、バリア層とｐ型クラッド層との界面において価電子帯側にも障壁が形成される。また、バリア層にＺｎＭｇＢｅＳｅを使用した場合においても、そのバンドギャップを大きくしすぎると、やはり図５に示すように価電子帯側に障壁が形成される。

次に本発明の実施の形態における発光素子の製造方法について説明する。まず、ＭＢＥ法によって面方位（１００）の導電性ＺｎＳｅ基板上に、図１に示す積層２〜８を形成した。ｎ型とｐ型のクラッド層の組成比に関しては、バンドギャップが室温で２．９ｅＶで、かつＺｎＳｅ基板とおおよそ格子整合する組成とした。バリア層として、バンドギャップ３．１ｅＶ（室温）で、やはりＺｎＳｅ基板とおおよそ格子整合する厚さ２０ｎｍのＺｎＭｇＢｅＳｅ層を使用した。ここで、ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅ層３、バリア層（第１クラッド層）５およびｐ型ＺｎＭｇＳＳｅ層（第２クラッド層）の各層で、必要とされるＭｇ組成が異なるので、成長時に必要とされるＭｇフラックスが異なる。そこで、Ｍｇ源として複数のＫセルを使用してもよいが、本実施の形態では、単独のＫセルを使用して成長途中でＭｇ用のＫセルの温度を変更する方法を採用した。したがって、バリア層５およびｐ型ＺｎＭｇＳＳｅ層６の成長前にＭｇ用Ｋセルの温度を変更し、その温度が安定するまで成長を中断した。

各層の室温でのバンドギャップの測定であるが、４．２Ｋでのバンド端近辺のＰＬ(Photo-Luminescent)発光（エキシトンの再結合による発光）の発光波長を利用して、下記（Ｉ）式の換算式を用いて室温でのバンドギャップを算出した。

Ｅg(ｅＶ）＝｛１２４０／λ_4.2PL（ｎｍ）｝−０．１・・・・・・・（Ｉ）
上記（Ｉ）式で、０．１ｅＶを差し引いているが、これは４．２Ｋから室温への温度上昇に伴うバンドギャップの減少分である。上記の換算式は必ずしも正確ではなく系統誤差を含むが、簡便であることから近似式として採用している。

格子定数の整合に関しては、Ｘ線による（４００）回折の回折角のずれによって評価することができる。ＭＢＥ法によって積層構造２〜８を形成した後、回折線を測定すると、ＺｎＳｅ基板からの強い回折と、クラッド層からの比較的弱い回折とがともに観察される。両者の回折角度の違いから、クラッド層の格子整合の度合いを評価することができる。ただし、バリア層に関しては、回折のピークが観察できないので、事前に行なう条件設定用の成長において、ＺｎＳｅ基板上に比較的厚いＺｎＭｇＢｅＳｅまたはＺｎＭｇＳＳｅを成膜して、Ｘ線回折角を測定して格子整合を評価する。バンドギャップについても同様の測定を行なう。

ｎ型不純物としてはＣｌを、またｐ型不純物としてはＮを使用しているが、この選択は、本発明における本質的な問題ではなく、用いる不純物は上記不純物に限定されない。

ｎ型およびｐ型クラッド層にＺｎＭｇＳＳｅを使用し、また両者のバンドギャップとして同じ値を採用しているが、これらの選択も本発明に必須ではない。ｎ型およびｐ型クラッド層に異なるＺｎＳｅ系化合物半導体を用いてもよいし、両者のバンドギャップが相違してもよい。

比較例として、図１の積層構造から、バリア層（第１クラッド層）５を除いた従来構造のＬＥＤを製作した。ここで、積層構造の他の層については厚みやバンドギャップは本実施の形態（本発明例）と同一になるようにした。

図１の積層構造における各層２〜８を成膜した後、ＺｎＳｅ基板１の裏側にＴｉ／Ａｕからなるｎ電極を形成した。また、ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層８の上に厚み１００Å程度の半透明Ａｕ電極を形成した。その後、４００μｍ角にスクライブブレークして、ステム上にボンディングして寿命評価用のＬＥＤを作製した。

なお、電極形成前にＸ線（ＣｕのＫα₁線）による（４００）回折を測定し、ｎ型およびｐ型クラッド層の回折ピークがＺｎＳｅ基板の回折ピークと比べ、ずれが４００秒以下であることを確認した。また、ＺｎＭｇＢｅＳｅに関しては、ＬＥＤ成長の直前に実施した条件設定用の成長において、Ｘ線（ＣｕのＫα₁線）による（４００）回折を測定し、ＺｎＳｅ基板の回折ピークと比べ、ずれがやはり４００秒以下であることを確認した。

上記の作製手順にしたがって作製した本発明例のＬＥＤおよび比較例のＬＥＤについて寿命を測定した。測定方法として７０℃で１５ｍＡの一定電流を流しながら、輝度の変化を測定した。図６に測定結果を示す。図６によれば、従来構造の比較例では２０時間程度で、輝度が初期輝度の７０％程度まで低下することが分る。一方、本発明例では、初期輝度の７０％程度まで低下するのに４００時間以上を要することが分る。本発明例のＬＥＤにおいて、輝度の経時劣化が大幅に抑制されていることが分る。

上記の劣化の抑制はｐ型クラッド側に電子がリークしにくくなったことによって、ｐ型クラッドが劣化しにくくなったことに加え、ｐ型クラッド層が劣化しても閉じ込め効率が維持されていることに由来する。従来のＺｎＳｅ系発光素子は、劣化しやすく寿命が短いためにその実用化が妨げられてきたが、本発明に係る発光素子は、上記の構造を備えることによりその欠点が解消されたものである。

次に、本発明の他の実施の形態を、上述の本発明の実施の形態も含めて羅列的に説明する。

上記のバリア層のバンドギャップの大きさは、ｐ型のバンドギャップよりも０．０２５ｅＶ〜０．５ｅＶ大きくするのがよい。

バリア層のバンドギャップの大きさが、ｐ型クラッド層のそれより０．０２５ｅＶ未満大きいだけでは活性層に注入された電子のｐ型クラッド層への移動を充分抑制するのが難しい。また、バリア層のバンドギャップの大きさがｐ型クラッド層のそれより０．５ｅＶを超えて大きくなると、結晶が不安定化してデバイス特性に悪影響を及ぼす。

上記のバリア層のバンドギャップにおいて、その価電子帯のエネルギーをｐ型クラッド層のそれとほとんど同じとし、その伝導帯のエネルギーをｐ型クラッド層のそれより大きくしてもよい。

この構成によれば、活性層の電子のｐ型クラッド層へのリークのみを抑制して、価電子帯の正孔に対してはほとんど影響しない。このため、デバイス特性に悪影響を及ぼすことなく寿命を延長することができる。

上記のバリア層を、Ｂｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体とすることができる。この構成により、発光特性を低下させることなくＺｎＳｅ系の発光素子の寿命を延ばすことができる。

上記のバリア層を、Ｚｎ_1-x-yＭｇ_xＢｅ_yＳｅ（０．０１≦ｙ≦０．１）としてもよい。

この構成により、バリア層の伝導帯のバンド底がｐ型クラッド層のそれより充分高く、バリア層の価電子帯のバンド頂部はｐ型クラッド層と大きく異ならないようにできる。その結果、発光特性を低下することなく素子寿命を延ばすことが可能になる。また、エピタキシャルのバリア層およびｐ型クラッド層を形成することができ、高い発光効率を確保することができる。なお、上記のＺｎ_1-x-yＭｇ_xＢｅ_yＳｅ（０．０１≦ｙ≦０．１）層はｐ型不純物を導入することが非常に難しいが、ｐ型不純物を導入できれば、ｐ型クラッド層より大きいバンドギャップを有するかぎりｐ型不純物を含んだものであってもよい。

また、上記のバリア層を、Ｚｎ_1-xＭｇ_xＳ_yＳｅ_1-y（ｘ、ｙは０〜１の範囲）としてもよい。

この構成により、バリア層のバンドギャップをｐ型バリア層のそれより充分大きくでき、活性層の電子のｐ型バリア層への流入を防止することができる。この結果、発光素子の長寿命化を達成することができる。上記のＺｎ_1-xＭｇ_xＳ_yＳｅ_1-y（ｘ、ｙは０〜１の範囲）層はｉ型化合物半導体であることが望ましいが、ｐ型クラッド層より大きいバンドギャップを有するかぎり、ｐ型不純物を含んでもよい。

上記のバリア層の厚みは、５ｎｍ以上で活性層の厚み以下の範囲にしてもよい。バリア層の厚みが５ｎｍ未満では活性層の電子はトンネル効果によりｐ型クラッド層に流入してしまい、障壁ポテンシャルとして機能しにくくなる。また、厚みが活性層の厚みを超えるとバリア層の剛性が高くなり、歪みのマッチングがずれて歪みが大きく生じる。バリア層の厚みの上限としては上記の活性層の厚みを上限としてもよいし、それとは別に具体的に１００ｎｍを厚みの上限としてもよい。

上記の化合物半導体基板にｎ型ＺｎＳｅ単結晶基板を用いてもよい。この基板を用いて結晶性の良好なエピタキシャル膜を形成して、発光効率のよい長寿命の発光素子を作製することができる。

上記の化合物半導体基板にｎ型ＧａＡｓ単結晶基板を用いてもよい。ＧａＡｓ基板は安価であり、またＺｎＳｅ系エピタキシャル膜を形成することもできる。このため、安価で長寿命の発光効率の高い発光素子を得ることができる。

上記のＺｎＳｅ系発光素子を構成する化合物半導体基板を含む積層構造において、基板からのひずみの指標に用いられる面方位のＸ線回折のピークと、積層構造からの面方位のＸ線回折のピークとのずれを１０００秒以下としてもよい。

この構成によれば、上記ずれを抑制することにより発光特性に優れた長寿命のＺｎＳｅ系発光素子を得ることができる。なお、化合物半導体基板のひずみの指標に用いられる面指数は、通常、（４００）面である。上記のずれの抑制は、発光素子に生成するひずみの抑制につながる。

上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態はあくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことを意図するものである。

本発明のＺｎＳｅ系発光素子は、リーク感受性のないリーク防止手段であるバリア層を配置することにより、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体に特有のリークにともなう累積的結晶変質を被ることがない。このため、電子のリークを安定して抑制することができ、寿命が長く発光効率のよい照明を安価に行なうことが可能になるので、各種の照明装置に広範に適用することが期待される。

本発明の実施の形態におけるＺｎＳｅ系発光素子を示す図である。 バリア層にＺｎＢｅＭｇＳｅを用いた場合の積層構造を示す図である。 バリア層にＺｎＭｇＳＳｅを用いた場合の積層構造を示す図である。 バリア層にＺｎＢｅＭｇＳｅを用いた場合のバンド構造を示す図である。 バリア層にＺｎＭｇＳＳｅを用いた場合のバンド構造を示す図である。 加速条件下での発光素子の寿命試験結果を示す図である。 ＺｎＭｇＳＳｅにおける、（Ｎa−Ｎd）とバンドギャップＥgとの関係を示す図である。 ｐ型クラッド層のバンドギャップの大きさと、伝導帯側バンドオフセットΔＥcとの関係を示す図である。

符号の説明

１ ｎ型化合物半導体基板、２ ｎ型ＺｎＳｅバッファ層、３ ｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層、４ 活性層、５ バリア層（第１クラッド層）、６ ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層（第２クラッド層）、７ ｐ型ＺｎＳｅバッファ層、８ ｐ型ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子コンタクト層、９ ｐ電極。

Claims (11)

1. 化合物半導体基板に形成され、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に位置する活性層を備えるＺｎＳｅ系発光素子であって、
   前記活性層とｐ型クラッド層との間にｐ型クラッド層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有するバリア層を有する、ＺｎＳｅ系発光素子。
2. 前記ｎ型クラッド層がｎ型ＺｎＭｇＳＳｅ層であり、前記ｐ型クラッド層がｐ型ＺｎＭｇＳＳｅ層である、請求項１に記載のＺｎＳｅ系発光素子。
3. 前記バリア層のバンドギャップの大きさが前記ｐ型クラッド層のバンドギャップよりも０．０２５ｅＶ〜０．５ｅＶ大きい、請求項１または２に記載のＺｎＳｅ系発光素子。
4. 前記バリア層のバンドギャップにおいて、その価電子帯のエネルギーは前記ｐ型クラッド層のそれとほとんど同じであり、その伝導帯のエネルギーが前記ｐ型クラッド層のそれより大きい、請求項１〜３のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。
5. 前記バリア層が、Ｂｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体である、請求項１〜４のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。
6. 前記バリア層が、Ｚｎ_1-x-yＭｇ_xＢｅ_yＳｅ（０．０１≦ｙ≦０．１）である、請求項１〜５のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。
7. 前記バリア層が、Ｚｎ_1-xＭｇ_xＳ_yＳｅ_1-yである、請求項１〜４のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。
8. 前記バリア層の厚みが、５ｎｍ以上で前記活性層の厚み以下の範囲にある、請求項１〜７のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。
9. 前記化合物半導体基板にｎ型ＺｎＳｅ単結晶基板を用いた、請求項１〜８のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。
10. 前記化合物半導体基板にｎ型ＧａＡｓ単結晶基板を用いた、請求項１〜８のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。
11. 前記ＺｎＳｅ系発光素子を構成する前記化合物半導体基板を含む積層構造において、前記基板からのひずみの指標に用いられる面方位のＸ線回折のピークと、積層構造からの前記面方位のＸ線回折のピークとのずれが１０００秒以下である、請求項１〜１０のいずれかに記載のＺｎＳｅ系発光素子。

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