JP3057547B2 - 緑色発光ダイオード - Google Patents

緑色発光ダイオード

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JP3057547B2
JP3057547B2 JP8717895A JP8717895A JP3057547B2 JP 3057547 B2 JP3057547 B2 JP 3057547B2 JP 8717895 A JP8717895 A JP 8717895A JP 8717895 A JP8717895 A JP 8717895A JP 3057547 B2 JP3057547 B2 JP 3057547B2
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潤一 西澤
建 須藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒素を添加しない発光
ダイオード(LED)に係り、特に高輝度で緑色発光を
生ずるGaP発光ダイオードに関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、実用化されている緑色帯の発光ダ
イオードの主なものとしては、窒素(N)を添加したG
aP(N- doped GaP)と、蒸気圧制御法によって成
長させた窒素無添加のGaP(N-free GaP)とがあ
る。前者の場合、その発光波長が570ナノメートル
(nm)で黄色味を帯びているのに対して、後者の発光
波長は550nmで純緑色を呈する。
【0003】従来、GaPは間接遷移型半導体であるた
め、発光中心となる不純物である窒素(N)が存在しな
いと、原理的に高輝度(高効率)発光は生じないとされ
ていた。さらに一般に、自由励起子の発光は、例えば次
の文献に記載されているように、半導体が高純度である
ほど高いとされ(M. G. Craford 著「高純度蒸気成長G
aPのエレクトロルミネセンス及び電子的特性」Journa
l of Applied Physics. 1979年、42巻,2751
頁)、また半導体が高純度であるほど自由励起子の発光
が強くなるということは、フォトルミネセンス測定によ
って、ZnSe等の他の半導体でもよく知られていた
が、基板と発光層の結晶性の改善が十分でないこと、発
光機構の解明が不十分なこと等のため、窒素を添加しな
い純緑色LEDの高輝度化が全く実現されていなかっ
た。
【0004】しかし、最近になって、本発明者等により
間接遷移型半導体のGaPの純緑色発光機構は、直接遷
移型半導体であるGaAlAsの赤色発光ダイオードと
全く異なり、自由励起子のフォノンを介した再結合によ
ることが明らかにされている(K. Suto and J. Nishiza
wa共著、「Radiative Recombination Mechanisms inSto
ichiometry-Controlled GaP Crystals 」(ストイキオ
メトリ制御されたGaP結晶における放射再結合機構)
Journal of Applied Physics. 1990年、67巻,4
59頁)。そして、本発明者等は、蒸気圧制御法・温度
差法でほぼ最適のリン(P)の蒸気圧を印加して成長さ
せた結晶完全性が極めて高いGaP半導体では、図13
に示すようにn型不純物としての硫黄(S)を添加した
場合、自由励起子の発光強度は、不純物濃度との関係で
は不純物濃度がある程度高い方が高効率となることを見
い出した(K. Suto and J. Nishizawa共著、「Free-Exc
iton Recombinationin Stoichiometry-Controlled Ga
P」(ストイキオメトリ制御されたGaPにおける自由
励起子再結合)Journal of Electrochem. Soc.1993
年、140巻,2682頁)。ここで図13は300K
におけるドナー不純物密度と自由励起子の発光強度の関
係を示す図である。
【0005】しかしながら、図13から明らかなよう
に、自由励起子の発光効率は、不純物濃度1×1017
-3までは一定の関係(線形)で上昇するが、それ以上
では殆ど変わらない。これは、n型(ドナー)不純物を
添加すると、その濃度が高くなるに従って結晶内に欠陥
が発生する傾向が強くなるからであるということがわか
ってきている。一方、GaAlAs系の発光ダイオード
では、発光ダイオードのヘテロ構造による設計原理が確
立しているが、GaP系の発光ダイオードでは、発光機
構について十分な解明がされていなかったこともあっ
て、ヘテロ構造における技術は確立されていないのが現
状である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、窒素添加の
GaP発光ダイオードも、蒸気圧制御法による窒素無添
加のGaP発光ダイオードも、高輝度とは言うものの外
部量子効率は通常、1%以下であり、直接遷移型半導体
には遠く及ばない。しかし、緑色帯域では人間の視感度
が高いため、相対的に高輝度ということができるが、エ
ネルギ効率を高めて低電力で駆動する交通信号表示器
や、ファクシミリ等への応用のためには更に高い発光効
率が求められている。
【0007】本発明は以上の点に鑑み、従来の窒素添加
のGaP発光ダイオード及び窒素無添加のGaP発光ダ
イオードよりも更に高い発光効率を有する、窒素無添加
GaP系の純緑色発光ダイオード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
に、請求項1記載の発明の緑色発光ダイオードは、窒素
を添加しない緑色発光ダイオードであって、GaP基板
上に、浅いエネルギ準位を有する不純物をn型の場合
0.5〜2×1017cm-3、p型の場合1〜3×1018
cm-3の高濃度で添加した結晶性のよいGaP発光層
と、このGaP発光層に高い格子整合度で形成して浅い
エネルギ準位を有する不純物を添加した結晶性のよい三
元混晶のAlx Ga1-x P層とを備えており、GaP発
光層とAlxGa1-x P層とでpn接合を形成し、この
組成xが0.22以下に設定されている構成とした。
【0009】請求項2記載の発明の緑色発光ダイオード
は、窒素を添加しない緑色発光ダイオードであって、G
aP基板上に、浅いエネルギ準位を有する不純物を添加
した結晶性のよい三元混晶のAly Ga1-y P層と、こ
れに高い格子整合度で形成して浅いエネルギ準位を有す
る不純物をn型の場合0.5〜2×1017cm-3、p型
の場合1〜3×1018cm-3の高濃度で添加した結晶性
のよいGaP発光層と、このGaP発光層に高い格子整
合度で形成して浅いエネルギ準位を有する不純物を添加
した結晶性のよい三元混晶のAlx Ga1-x P層とを備
えており、GaP発光層とAlx Ga1-x P層とでpn
接合を形成し、この組成xと上記組成yが0.22以下
に設定されている構成とした。
【0010】また、請求項1又は2に記載の発明の緑色
発光ダイオードにあって、pn接合を形成するGaP発
光層とAlx Ga1-x P層との間に、なだらかなAl組
成変移領域を設ける構成とした。
【0011】さらに、Alx Ga1-x P層上に、浅いエ
ネルギ準位を有する不純物を10 18 cm -3 程度或いはそ
れ以上の高濃度で添加したGaP電極層を加える構成と
した。
【0012】また、請求項5記載の発明の緑色発光ダイ
オードは、窒素を添加しない緑色発光ダイオードであっ
て、GaP基板上に、浅いエネルギ準位を有する不純物
を低濃度で添加した結晶性のよい三元混晶のAly Ga
1-y P層と、これに高い格子整合度で形成して浅いエネ
ルギ準位を有する不純物をn型の場合1〜4×1017
-3の比較的高濃度で添加した結晶性のよいGaP発光
層と、このGaP発光層と反対の導電型であって浅いエ
ネルギ準位を有する不純物をGaP発光層より高濃度で
添加した結晶性のよいGaP層とを備えており、GaP
発光層と導電型の反対なGaP層とでpn接合を形成
し、組成yが0.22以下に設定されている構成とし
た。
【0013】
【作用】このような構成の緑色発光ダイオードでは、浅
いエネルギ準位を有する不純物を高濃度で添加した結晶
欠陥の極めて少ないGaP発光層において、順方向に電
圧を印加すると電子と正孔がGaP発光層に注入され、
これらの対により自由励起子が生じ、自由励起子のフォ
ノンの放出・吸収を伴う再結合によって室温で発光強度
の極めて大きい緑色発光が生じる。また、GaP基板と
GaP発光層との間に形成した結晶性のよいAly Ga
1- y P層により、自由励起子が結晶性の悪い基板側へ拡
散することを防止するとともに、Aly Ga1-y P層に
より形成される電位障壁によって電子及び正孔の拡散が
抑止されてGaP発光層内に効果的に閉じ込められ、自
由励起子の発光強度が格段に大きくなる。さらに、pn
接合を形成するGaP発光層とAlx Ga1-x P層との
間に設けたなだらかなAl組成変移領域により、ヘテロ
接合領域の電子の電位障壁が小さくなり、順方向電圧に
対する電子の注入効率が向上する。また、Alx Ga
1-x P層上に、浅いエネルギ準位を有する不純物を高濃
度で添加したGaP電極層を形成することにより低抵抗
電極層が形成されるので、電圧印加による注入効率が向
上する。
【0014】
【実施例】以下、本発明の緑色発光ダイオードの好適な
実施例を図面を参照して詳細に説明する。図1はこの緑
色発光ダイオードの第1の実施例における構成を示す断
面図である。図1において、緑色発光ダイオード10
は、Znをドープしたp型GaP基板12と、浅いエネ
ルギ準位を有する不純物をドープしたp型GaP発光層
14と、浅いエネルギ準位を有する不純物をドープした
n型Alx Ga1-x P層16とを有しており、p型Ga
P基板12には穴あきp電極11を形成し、この穴あき
p電極11に対応した緑色発光ダイオードの反対側のn
型Alx Ga1-x P層16に円板状のn電極17を形成
している。
【0015】この第1の実施例のようにGaP発光層が
p型の場合、浅いエネルギ準位を有する不純物としてZ
nを添加し、0.06eV程度の浅いアクセプタ準位を
形成している。またn型Alx Ga1-x P層も0.1e
V程度の浅いドナー準位を形成する。なお、GaP発光
層がn型の場合、浅いエネルギ準位を有する不純物とし
ては例えばS、Se又はTeを添加し、ドナー準位とし
て0.1eV程度の浅いエネルギ準位を形成し、またp
型Alx Ga1-x P層も0.06eV程度の浅いアクセ
プタを形成する。
【0016】浅いエネルギ準位を有する不純物の濃度は
次のようにして決定する。図2は、本発明による緑色発
光ダイオードの室温でのp型GaP発光層における自由
励起子の発光強度とアクセプタ不純物濃度との関係を示
す図である。図3は、本発明による緑色発光ダイオード
の液体窒素温度でのp型GaP発光層における自由励起
子の発光強度とアクセプタ不純物濃度との関係を示す図
である。p型不純物のZn(亜鉛)を添加したGaPエ
ピタキシャル発光層の場合、図2に示したように、自由
励起子の発光効率は、不純物濃度1×1018cm-3でも
飽和することなく上昇し続ける。また、図3から明らか
なように、Zn(亜鉛)添加のGaPエピタキシャル発
光層の場合は、液体窒素温度のような低温度では高純
度、即ち低不純物濃度の方が自由励起子の発光効率が高
い。そこで、第1の実施例に係るpn接合では、主に発
光効率を高めるために高不純物濃度のp型層で発光を生
じさせるものである。
【0017】ところで、ホモpn接合ではp型層側への
注入効率は、およそn型層側の不純物濃度Nとp型層側
の不純物濃度Pの比で与えられるが(N/P)、p型層
側の不純物濃度Pを高くすると、n型層側の不純物濃度
Nも高くしなければ、p型層側で発光させることができ
ない。しかし、図13に関して説明したように、n型不
純物の場合、自由励起子の発光効率は不純物濃度を高濃
度にしたとき、1×1017cm−3までは一定の関係
(線形)で上昇するが、それ以上では殆ど変わらず、さ
らに濃度が高くなるに従って結晶内に欠陥が発生する傾
向が強くなることから、n型不純物濃度を1×1017
cm−3程度にするのが望ましい。したがって、ホモ接
合ではn型不純物濃度を1018cm−3程度以上にで
きないから、発光層であるp型GaP層を1018cm
−3の程度まで高不純物濃度にしても高効率発光は実質
的に得られない。そこで、この実施例では注入層として
n型GaP層を使用せず、n型AlGa1−xP層を
注入層とするヘテロ接合構造とする。
【0018】n型Alx Ga1-x P層の不純物濃度は、
格子欠陥の発生を防止するために、p型GaP層の不純
物濃度より低く1017cm-3の程度に形成する。この場
合p型GaP層の不純物濃度を1018cm-3の程度にし
ても、p型GaP層とn型Alx Ga1-x P層の価電子
帯に電位障壁が形成されるから、正孔がn型Alx Ga
1-x P層へ注入されることが阻止され、高い注入効率が
得られる。第1の実施例ではp型GaP発光層のp型不
純物濃度を1〜3×1018cm-3、n型Alx Ga1-x
P層のn型不純物濃度を1×1017cm-3に形成する構
成とした。
【0019】次に、緑色発光ダイオード10の製造方法
について説明する。緑色発光ダイオード10は、例えば
蒸気圧制御法と温度差法のエピタキシャル成長法を用い
て適当な温度におけるプロセス条件の下で結晶成長を行
うことにより製造される。本実施例では、Znドープp
型GaP基板単結晶上にZnドープp型GaP発光層を
30〜50μmの厚さで形成し、p型不純物濃度を1〜
3×1018cm-3の間の値にし高不純物濃度層としてエ
ピタキシャル成長させる。引き続いて、n型Alx Ga
1-x P層を、組成xが0.14、また不純物が硫黄
(S)又はテルル(Te)で、その不純物濃度が1×1
17cm-3の低不純物濃度層として、この場合厚さが5
μmでエピタキシャル成長させる。
【0020】このとき、高効率で自由励起子発光を生じ
るpn接合型発光ダイオードを得るためには、p型Ga
P発光層14とn型Alx Ga1-x P層16とを結晶性
よく高い格子整合度でエピタキシャル成長させる必要が
ある。この実施例ではAlの組成比x=0.14で、格
子不整合度が0.03%程度に形成されている。なお、
Alの組成比x=0.22以下、すなわち、格子不整合
度が4.8×10-4(0.048%)程度以下に格子整
合したとき、両層の界面に実質的に欠陥を生じることな
く、自由励起子を有効に閉じ込めることができる。
【0021】このような成長方法によって、エピタキシ
ャル成長された発光層は結晶性が極めてよい。この実施
例では、格子欠陥に起因する深い準位の密度が1014
-3以下であり、通常のGaP結晶中の深い準位密度1
15cm-3〜1016cm-3に比べて極めて結晶性がよく
形成されている。なお、本発明の実施例のように結晶性
の高いGaPは室温で深い準位に起因する発光(通常、
赤色〜赤外帯)を全く観測しない。これに対して結晶性
の悪い結晶ではバンドギャップ近くの波長に相当する純
緑色帯(550nm)で強く発光しないで、深い準位に
基づく赤色〜赤外帯の発光を呈する。
【0022】ところで、本発明では格子整合度が極めて
よい半導体とエピタキシャル層の組合せを選択すること
が重要である。GaP基板とAlGaP層との格子定数
の不整合度の最大値は、文献(「Semiconductor Raman
Lasers」,Ken Suto, Jun-ichi Nishizawa, Artech Hous
e, Inc. )によれば、2.2×10-3である。GaAs
基板上のAlGaAs層も1.6×10-3であり、同程
度に極めて小さな不整合度である。他の III−V族の3
元混晶と基板結晶の組合せでは格子不整合度の最大値は
10-2の程度であることに比べると、GaP基板上のA
lGaP層の格子整合度は大変高いが、このような優れ
た組合せにおいても、格子定数の差は発光効率を低下さ
せる格子欠陥を発生させる。しかし、Alx Ga1-x
層の組成xを小さくすると格子不整合度は、ほぼ組成x
に比例して小さくなり、実質的に自由励起子発光に影響
を与えない程度までに格子欠陥を減らすことができる。
この場合、組成xを小さくしすぎると自由励起子や過剰
少数キャリアの拡散を阻止する電位障壁が小さくなりす
ぎる。
【0023】したがって、n型Alx Ga1-x P層の最
適な組成xは、緑色発光ダイオードの自由励起子発光強
度と上記格子整合する条件により決定する。図4は緑色
発光ダイオードのAlx Ga1-x P層のAl組成と自由
励起子の発光強度との関係を示す図である。図4に示す
ように 組成xが0.22以上になると、格子不整合の
度合いが大きくなり自由励起子の発光効率を阻害する欠
陥を生じる結果、発光効率は逆に減少に転じるため、組
成xを0.22以下に設定することが望ましい。また、
組成xの好適な範囲としては、図4から明らかなように
0.06〜0.15の範囲のとき最も自由励起子発光強
度が高い。
【0024】この実施例ではp型GaP基板を使用した
が、n型GaP基板を使用する場合、n型領域の不純物
濃度を十分高くすることは格子欠陥の発生原因となるの
で好ましくない。そこで、後述する第4の実施例と第5
の実施例のようにn型領域を十分狭く形成する。
【0025】次に実施例1の作用について説明する。図
5は第1の実施例の緑色発光ダイオードにおけるヘテロ
構造エネルギ帯を示す図である。図1及び図5を参照し
て、電極に順方向電圧を加えると、n型Alx Ga1-x
P層から電子eがヘテロ界面の電位障壁を越えてp型G
aP発光層の伝導帯に注入されるとともに、発光層の価
電子帯に正孔hが流入し、正孔hと過剰な電子eとが一
対になり自由励起子Aを形成する。一方、p型GaP発
光層の浅いエネルギ準位を有する不純物が高濃度である
ため、自由励起子がフォノンとフォトンを放出して消滅
し、GaP発光層のフォノンと自由励起子との相互作用
が生じて自由励起子のフォノンの放出及び吸収を伴う再
結合によって、室温で緑色発光が生じるようになる。ま
た、p型GaP発光層14とn型Alx Ga1-x P層1
6の格子整合度がよく、さらに結晶完全性が極めて高い
ため、自由励起子が格子欠陥に捕らえられずに発光する
ので、発光強度が大きくなる。
【0026】図5に示すような価電子帯の電位障壁52
の場合、p型GaP発光層からのn型Alx Ga1-x
層への正孔の拡散が抑止されるため注入効率を高めるこ
とができ、その結果自由励起子の発生効率が高まる。こ
の電位障壁52を高くするにはAl組成比xを大きくす
る方がよいが、格子整合度との関係もあり、xが0.2
2以下が望ましい。しかし、電子に対してはGaAs−
AlGaAs系ヘテロ接合の場合と全く異なり、伝導帯
のヘテロ接合面に実線で示したように、n型Alx Ga
1-x P層(x=0.22)とp型GaP発光層とをヘテ
ロ接合させたままでは電位障壁54がGaP発光層側で
高くなってしまい、発光層に電子を注入するとき順方向
電圧が大きくなってしまう。
【0027】この伝導帯の電位障壁54を実際上問題に
ならないくらい小さくするには、図5中に点線で示した
ように、完全にシャープなへテロ界面とせずに、100
〜数100ÅのなだらかなAl組成変移領域を設けるこ
とが望ましい。液相成長ではこの変移領域は相互拡散に
よって自然に形成することが可能である。このようなn
型Alx Ga1-x P層(x=0.22)とp型GaP発
光層との間に、なだらかなAl組成変移領域を設けるこ
とにより、ヘテロ接合領域の電子の電位障壁54を小さ
くでき、順方向電圧に対する電子の注入効率が向上し、
その結果自由励起子の発光強度が大きくなる。
【0028】次に、第2の実施例について説明する。図
6は第2の実施例の構成を示す断面図である。なお、図
6では第1の実施例のような電極は図示を省略してお
り、以下に示す他の実施例についても同様である。図6
に示すように、第2の実施例は第1の実施例におけるp
型GaP基板とp型GaP発光層との間に、p型Aly
Ga1-y P層23を設ける構成である。この第2の実施
例では、p型GaP発光層24の厚さを20μmとし、
p型GaP基板22とp型GaP発光層24との間にp
型Aly Ga1-y P層23を、組成yが0.1、また不
純物がZn又はMgで、その不純物濃度が1×1017
-3になるように形成している。
【0029】なお、p型Aly Ga1-y P層23の組成
比yは図4に基づき自由励起子発光強度と格子整合条件
により決定したものであり、0.22以下であればよい
が、n型Alx Ga1-x P層26の組成xと同じ値であ
る必要はない。また、p型GaP発光層24とn型Al
x Ga1-x P層26(x=0.22)は、第1の実施例
と同様に浅いエネルギ準位を有する不純物を添加して形
成され、その成長方法も同様である。
【0030】次に、第2の実施例の作用について説明す
る。図7は第2の実施例のヘテロ構造エネルギ帯を示す
図である。図7に示すように、自由励起子のフォノンの
放出と吸収を伴う再結合によって室温で緑色発光が生
じ、第1の実施例と同様の作用効果を有している。しか
し、p型GaP基板22と発光層であるp型GaP層2
4との間に、更に結晶性と格子整合度が極めてよく電位
障壁としてのAly Ga1-y P層23を設けたことによ
り、自由励起子Aが結晶性の悪い基板に拡散することが
防止され、自由励起子の発光効率をいっそう高めること
ができる。
【0031】また、GaP発光層24はn型Alx Ga
1-x P層26とAly Ga1-y P層23との狭い領域に
限定して形成されているので、発光層の正孔h及び自由
励起子Aは両側の電位障壁72,73によって有効に閉
じ込められ、さらに発光層に注入された電子eは電位障
壁Uによって拡散が抑止されるので、発光層で注入され
る電子eと正孔hの対が多くなり自由励起子Aの発光効
率が格段に向上する。なお、電位障壁UはAlGaP半
導体の禁制帯幅とGaP半導体の禁制帯幅の差程度であ
る。
【0032】図8は緑色発光ダイオードの第1と第2の
実施例におけるGaP発光層の厚さと自由励起子の発光
強度との関係を示す図である。図8における■印は第1
の実施例におけるGaP発光層の厚さと自由励起子の発
光強度との関係を示し、▲印は第2の実施例におけるG
aP発光層の厚さと自由励起子の発光強度との関係を示
している。図8からわかるように、第2の実施例でp型
Aly Ga1-y P層23を設けることにより、図8にお
いて実線で示したように、GaP発光層の厚さが20μ
m以下でも効率よく発光させることができる。上記の作
用を持つ障壁層であるp型Aly Ga1-y P層が無い第
1の実施例の場合、図中の点線で示したように20μm
以下は殆ど発光しない。したがって、第2の実施例のよ
うに、GaP基板とGaP発光層との間に、障壁層であ
るAly Ga1-y P層を設ける構成とすることにより、
自由励起子の発光強度を高めることができるとともに、
上記障壁層のない構造に比べ発光層の厚さを薄く形成で
きる。
【0033】次に、第3の実施例を説明する。図9は第
3の実施例の構成を示す断面図である。図9に示すよう
に、緑色発光ダイオード30は、p型GaP基板32上
に、厚さが5ミクロンでAl組成y=0.1で不純物濃
度が1×1017cm-3のp型Aly Ga1-y P層33
と、厚さが20μmで不純物濃度が1〜3×1018cm
-3のp型GaP発光層34と、厚さが5μmでAl組成
xが0.14で不純物濃度が1×1017cm-3のn型A
x Ga1-x P層36とを備えている。さらにこの第3
の実施例では、第2の実施例のn型Alx Ga1-x P層
26が電極層としての抵抗が高いので、図9に示すn型
Alx Ga1-x P層36を形成後、更にn型GaP電極
層38を設ける構成である。
【0034】このn型GaP電極層38は、厚さが0.
5μmで不純物が硫黄(S)又はテルル(Te)で、そ
の不純物濃度が5×1018cm-3になるように形成して
いるが、1〜5×1018cm-3程度でよい。その他の構
成及び成長方法は第2の実施例と同様である。
【0035】このようなn型GaP電極層38を設ける
ことにより低抵抗電極層を形成することができる。な
お、第1の実施例においてもn型Alx Ga1-x P層1
6の上に、上記と同様のn型GaP電極層を設けてもよ
い。
【0036】次に、第4の実施例を説明する。図10は
第4の実施例の構成を示す断面図である。第4の実施例
は第3の実施例の伝導型を逆にしたものであるが、発光
層をn型としているため、図13に関して説明したよう
に不純物濃度は1017cm-3程度まで高濃度にできる
が、p型GaP発光層のように1018cm-3の程度まで
高濃度にすることは格子欠陥を発生させることから好ま
しくない。したがって、発光層の不純物濃度が1017
-3程度であっても自由励起子発光効率を格段に高める
ためには、n型発光層の厚さを20μmより十分狭く形
成するのが効果的である。以下、第4の実施例を詳細に
説明する。
【0037】図10において、緑色発光ダイオード40
は、n型GaP基板42上に、厚さが2〜5μmでAl
組成y=0.1〜0.17で不純物濃度が1〜4×10
17cm-3のn型Aly Ga1-y P層43と、厚さが2〜
20μmで不純物濃度が0.5〜2×1017cm-3のn
型GaP発光層44と、厚さが1〜3μmでAl組成y
=0.1〜0.17で不純物濃度が2〜8×1017cm
-3のp型Alx Ga1- x P層46と、厚さが0.1〜1
μmで不純物濃度が1〜5×1018cm-3のp型GaP
電極層48を備える構成である。n型領域の不純物は硫
黄(S)又はテルル(Te)、p型領域の不純物は亜鉛
(Zn)又はマグネシウム(Mg)であり、各不純物は
浅いエネルギ準位を形成している。なお、この第4の実
施例の製造方法等は第2の実施例と同様である。
【0038】次に第4の実施例の作用について説明す
る。図11は第4の実施例の緑色発光ダイオードにおけ
るヘテロ構造エネルギ帯を示す図である。図11に示す
ように、順方向電圧が印加されると、正孔hが発光層の
価電子帯に注入され、浅いエネルギ準位のドナーから伝
導帯に放出された電子と正孔hの対が自由励起子Aを形
成する。GaP発光層の浅いエネルギ準位を有する不純
物濃度が比較的高濃度であるため、GaP発光層のフォ
ノンと自由励起子との相互作用が生じ、自由励起子のフ
ォノンの放出及び吸収を伴う再結合によって、室温で緑
色発光が生じるようになる。
【0039】また、電位障壁となるn型Aly Ga1-y
P層43を有しているから、自由励起子Aが結晶性の悪
い基板に拡散することが防止され、自由励起子の発光効
率が向上する。さらに、n型GaP発光層44がp型A
x Ga1-x P層46とn型Aly Ga1-y P層43の
狭い領域に形成されているから、この狭い領域に閉じ込
められた自由励起子は自由熱運動により層内の不純物と
何度も衝突するので、この衝突がフォノンを放出する再
結合の機会となる。したがって、格子欠陥量を増大させ
ることなく不純物濃度を増大させたのと同様の効果が得
られ、自由励起子の発光効率が格段に向上する。また、
高濃度のp型GaP電極層48を形成しているから、極
めて低抵抗の電極層ができ、順方向電圧を有効に印加す
ることができ、電子及び正孔の注入効率が向上する。さ
らに、n型GaP発光層を有する第4の実施例の場合、
正孔の拡散を抑制する電位障壁Uがp型GaP発光層を
有する構造より大きくできるので、正孔の閉じ込めを効
果的に行うことができる。
【0040】次に、第5の実施例について説明する。図
12は第5の実施例の構成を示す断面図である。この第
5の実施例はn型GaP発光層を有するホモ接合型緑色
発光ダイオードである。図12において、緑色発光ダイ
オード50は、n型GaP基板52上に、厚さが5μm
でAl組成y=0.15のn型Aly Ga1-y P層53
と、厚さが20μmで不純物濃度が1〜4×1017cm
-3のn型GaP発光層54と、厚さが10μmで不純物
濃度が1〜2×1018cm-3のp型GaP層56を形成
した構成である。n型領域の不純物は硫黄(S)又はテ
ルル(Te)、p型領域の不純物は亜鉛(Zn)又はマ
グネシウム(Mg)であり、各不純物は浅いエネルギ準
位を形成している。第5の実施例は第1の実施例と同様
の成長方法により製造され、結晶性と格子整合度が極め
て良好に形成されている。
【0041】この第5の実施例のホモ接合型緑色発光ダ
イオードは、浅いエネルギ準位を有する不純物を高濃度
でn型GaP発光層に添加しているから、GaP発光層
のフォノンと自由励起子との相互作用が生じ、自由励起
子のフォノンの放出及び吸収を伴う再結合によって、室
温で緑色発光が生じるようになる。また、n型Aly
1-y P層53が形成されているから、n型GaP発光
層に注入された正孔及び過剰の自由励起子が基板に拡散
して非発光再結合を生ずるのを防ぐことができ、発光層
の自由励起子の発光効率が格段に向上する。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、G
aP系の発光ダイオードにおいて、自由励起子の発光効
率を格段に向上させ、これにより例えば特にファクシミ
リ等に対して有効に適用することができる等の利点があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における構成を示す断面
図である。
【図2】本発明による緑色発光ダイオードの室温でのp
型GaP発光層における自由励起子の発光強度とアクセ
プタ不純物濃度との関係を示す図である。
【図3】本発明による緑色発光ダイオードの液体窒素温
度でのp型GaP発光層における自由励起子の発光強度
とアクセプタ不純物濃度との関係を示す図である。
【図4】本発明による緑色発光ダイオードのAlx Ga
1-x P層のAl組成と自由励起子の発光強度との関係を
示す図である。
【図5】第1の実施例の緑色発光ダイオードにおけるヘ
テロ構造エネルギ帯を示す図である。
【図6】第2の実施例の緑色発光ダイオードの構成を示
す断面図である。
【図7】第2の実施例のヘテロ構造エネルギ帯を示す図
である。
【図8】第1の実施例と第2の実施例におけるGaP発
光層の厚さと自由励起子の発光強度との関係を示す図で
ある。
【図9】第3の実施例の緑色発光ダイオードの構成を示
す断面図である。
【図10】第4の実施例の緑色発光ダイオードの構成を
示す断面図である。
【図11】第4の実施例の緑色発光ダイオードにおける
ヘテロ構造エネルギ帯を示す図である。
【図12】第5の実施例の緑色発光ダイオードの構成を
示す断面図である。
【図13】従来技術の300Kにおけるドナー不純物密
度と自由励起子の発光強度の関係を示す図である。
【符号の説明】
11 穴あきp電極 10 緑色発光ダイオード 12 p型GaP基板 14 p型GaP発光層 16 n型Alx Ga1-x P層 17 円板状n電極 23 p型Aly Ga1-y P層 38 n型GaP電極層 44 n型GaP発光層 48 p型GaP電極層 56 p型GaP層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−335621(JP,A) 特開 昭59−80981(JP,A) 特開 昭57−93589(JP,A) 特開 昭53−82280(JP,A) 特開 平5−291617(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒素を添加しない緑色発光ダイオードで
    あって、GaP基板上に、浅いエネルギ準位を有する不
    純物をn型の場合0.5〜2×1017cm-3、p型の場
    合1〜3×1018cm-3の高濃度で添加した結晶性のよ
    いGaP発光層と、このGaP発光層に高い格子整合度
    で形成して浅いエネルギ準位を有する不純物を添加した
    結晶性のよい三元混晶のAlx Ga1-x P層とを備えて
    おり、 上記GaP発光層と上記Alx Ga1-x P層とでpn接
    合を形成し、この組成xが0.22以下に設定されてい
    る、緑色発光ダイオード。
  2. 【請求項2】 窒素を添加しない緑色発光ダイオードで
    あって、GaP基板上に、浅いエネルギ準位を有する不
    純物を添加した結晶性のよい三元混晶のAly Ga1-y
    P層と、これに高い格子整合度で形成して浅いエネルギ
    準位を有する不純物をn型の場合0.5〜2×1017
    -3、p型の場合1〜3×1018cm-3の高濃度で添加
    した結晶性のよいGaP発光層と、このGaP発光層に
    高い格子整合度で形成して浅いエネルギ準位を有する不
    純物を添加した結晶性のよい三元混晶のAlx Ga1-x
    P層とを備えており、 上記GaP発光層と上記Alx Ga1-x P層とでpn接
    合を形成し、この組成xと上記組成yが0.22以下に
    設定されている、緑色発光ダイオード。
  3. 【請求項3】 pn接合を形成する前記GaP発光層と
    前記Alx Ga1-xP層との間に、なだらかなAl組成
    変移領域を設けた、請求項1又は2に記載の緑色発光ダ
    イオード。
  4. 【請求項4】 前記Alx Ga1-x P層上に、浅いエネ
    ルギ準位を有する不純物を1018cm-3程度或いはそれ
    以上の高濃度で添加したGaP電極層が形成されてい
    る、請求項1乃至3の何れかに記載の緑色発光ダイオー
    ド。
  5. 【請求項5】 窒素を添加しない緑色発光ダイオードで
    あって、GaP基板上に、浅いエネルギ準位を有する不
    純物を低濃度で添加した結晶性のよい三元混晶のAly
    Ga1-y P層と、これに高い格子整合度で形成して浅い
    エネルギ準位を有する不純物をn型の場合1〜4×10
    17cm-3の比較的高濃度で添加した結晶性のよいGaP
    発光層と、このGaP発光層と反対の導電型であって浅
    いエネルギ準位を有する不純物を上記GaP発光層より
    高濃度で添加した結晶性のよいGaP層とを備えてお
    り、 上記GaP発光層と上記導電型の反対なGaP層とでp
    n接合を形成し、上記組成yが0.22以下に設定され
    ている、緑色発光ダイオード。
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