JP3209786B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、主として表示用に用い
られる半導体発光素子に関する。
られる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体発光素子の材料としては、従来Ａ
ｌＧａＡｓ系混晶が広く用いられてきた。しかし、この
材料系で発光素子を作製するとき、波長６６０ｎｍ（赤
色）より短波長では効率が低下してしまうという問題が
あった。その点を克服するためＡｌＧａＩｎＰ系の材料
が精力的に開発されているが、波長５９０ｎｍ（黄色）
より短波長では高効率を示すものが得られていない。さ
らに短波長の半導体発光素子（発光ダイオード：ＬＥ
Ｄ）としてはＧａＰ系のものがあり、波長５６５ｎｍ
（黄緑色）を得ているが、最高輝度を示す波長毎に比較
した効率においては、ＡｌＧａＡｓ系あるいはＡｌＧａ
ＩｎＰ系に比べて極めて悪い。
ｌＧａＡｓ系混晶が広く用いられてきた。しかし、この
材料系で発光素子を作製するとき、波長６６０ｎｍ（赤
色）より短波長では効率が低下してしまうという問題が
あった。その点を克服するためＡｌＧａＩｎＰ系の材料
が精力的に開発されているが、波長５９０ｎｍ（黄色）
より短波長では高効率を示すものが得られていない。さ
らに短波長の半導体発光素子（発光ダイオード：ＬＥ
Ｄ）としてはＧａＰ系のものがあり、波長５６５ｎｍ
（黄緑色）を得ているが、最高輝度を示す波長毎に比較
した効率においては、ＡｌＧａＡｓ系あるいはＡｌＧａ
ＩｎＰ系に比べて極めて悪い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ＧａＰ系黄緑色ＬＥＤ
の効率が悪い原因として、次の２点が考えられる。 ＧａＰが間接遷移であり、発光中心となる不純物Ｎを
ドープしているが、直接遷移に比べて発光効率が劣る。 通常のＧａＰ発光素子はホモ接合構造であり、キャリ
ア（電子・ホール）を発光層に閉じ込める構造を有さな
いため、キャリアが発光層からあふれ、その外側で非発
光遷移をする。 は本質的な問題であるため、他のワイドバンドギャッ
プ直接遷移発光材料を用いることにより解決しようとす
る試みが盛んに行われているが、現時点では別の問題点
が幾つか生じて高効率のものが得られていない。 については、ＧａＰよりバンドギャップが広く、Ｇａ
Ｐに格子整合するＡｌＰをキャリアバリア層（以下この
ような働きをする層を単にバリア層と記す）として用い
ることにより、キャリアを閉じ込め、高効率を図ること
が試みられているが、好効果が得られていない。この解
釈としては、ＡｌＰが非常に空気によって腐食されやす
く、良質の結晶が得られないためとされていたが、超格
子を用いた最新の研究によって、もっと原理的な問題が
あることが明らかになった。
の効率が悪い原因として、次の２点が考えられる。 ＧａＰが間接遷移であり、発光中心となる不純物Ｎを
ドープしているが、直接遷移に比べて発光効率が劣る。 通常のＧａＰ発光素子はホモ接合構造であり、キャリ
ア（電子・ホール）を発光層に閉じ込める構造を有さな
いため、キャリアが発光層からあふれ、その外側で非発
光遷移をする。 は本質的な問題であるため、他のワイドバンドギャッ
プ直接遷移発光材料を用いることにより解決しようとす
る試みが盛んに行われているが、現時点では別の問題点
が幾つか生じて高効率のものが得られていない。 については、ＧａＰよりバンドギャップが広く、Ｇａ
Ｐに格子整合するＡｌＰをキャリアバリア層（以下この
ような働きをする層を単にバリア層と記す）として用い
ることにより、キャリアを閉じ込め、高効率を図ること
が試みられているが、好効果が得られていない。この解
釈としては、ＡｌＰが非常に空気によって腐食されやす
く、良質の結晶が得られないためとされていたが、超格
子を用いた最新の研究によって、もっと原理的な問題が
あることが明らかになった。
【０００４】その問題とは、ＧａＰ−ＡｌＰ界面では、
図７（ａ）に示すように、ホールのＧａＰへの閉じ込め
は得られるものの、電子のＧａＰへの閉じ込め構造が得
られないことである。このように電子・ホールの一方し
か閉じ込められないヘテロ接合構造をタイプIIと呼ぶこ
とにする。一方、ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ界面では、図７
（ｂ）のように、ＧａＡｓ側に電子・ホールとも閉じ込
められる。このようなヘテロ接合構造をタイプＩと呼ぶ
ことにする。
図７（ａ）に示すように、ホールのＧａＰへの閉じ込め
は得られるものの、電子のＧａＰへの閉じ込め構造が得
られないことである。このように電子・ホールの一方し
か閉じ込められないヘテロ接合構造をタイプIIと呼ぶこ
とにする。一方、ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ界面では、図７
（ｂ）のように、ＧａＡｓ側に電子・ホールとも閉じ込
められる。このようなヘテロ接合構造をタイプＩと呼ぶ
ことにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明は、ＧａＰ基板
上に発光層が（ＡｌyＧａ1-y）xＩｎ1-xＰ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ＜１）の組成からなるｐｎ接合が形成された
半導体発光素子において、格子欠陥が生じない状態で存
在しうる最大膜厚より薄いバリア層が該発光層のｐ型半
導体層側に隣接して形成され、その組成が（ＡｌnＧａ
1-n）mＩｎ1-mＰ（０＜ｎ≦１、０≦ｍ＜ｘ）であり、
該バリア層中に圧縮歪を有することを特徴とする半導体
発光素子を提供する。また、この発明は、ＧａＡｓ基板
上に発光層が（Ａｌ y Ｇａ 1-y ） x Ｉｎ 1-x Ｐ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１）の組成からなるｐｎ接合が形成された
半導体発光素子において、格子欠陥が生じない状態で存
在しうる最大膜厚より薄い２つのバリア層が該発光層に
両側に隣接して形成され、該発光層のｐ型半導体層側に
位置するバリア層の組成が（Ａｌ n Ｇａ 1-n ） m Ｉｎ 1-m Ｐ
（ｙ＜ｎ≦１、０≦ｍ＜ｘ）であり、該バリア層中に圧
縮歪を有し、該発光層のｎ型半導体層側に位置するバリ
ア層の組成が（Ａｌ n Ｇａ 1-n ） m Ｉｎ 1-m Ｐ（ｙ＜ｎ≦
１、０≦ｘ＜ｍ）であり、該バリア層中に引っ張り歪を
有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。
上に発光層が（ＡｌyＧａ1-y）xＩｎ1-xＰ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ＜１）の組成からなるｐｎ接合が形成された
半導体発光素子において、格子欠陥が生じない状態で存
在しうる最大膜厚より薄いバリア層が該発光層のｐ型半
導体層側に隣接して形成され、その組成が（ＡｌnＧａ
1-n）mＩｎ1-mＰ（０＜ｎ≦１、０≦ｍ＜ｘ）であり、
該バリア層中に圧縮歪を有することを特徴とする半導体
発光素子を提供する。また、この発明は、ＧａＡｓ基板
上に発光層が（Ａｌ y Ｇａ 1-y ） x Ｉｎ 1-x Ｐ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１）の組成からなるｐｎ接合が形成された
半導体発光素子において、格子欠陥が生じない状態で存
在しうる最大膜厚より薄い２つのバリア層が該発光層に
両側に隣接して形成され、該発光層のｐ型半導体層側に
位置するバリア層の組成が（Ａｌ n Ｇａ 1-n ） m Ｉｎ 1-m Ｐ
（ｙ＜ｎ≦１、０≦ｍ＜ｘ）であり、該バリア層中に圧
縮歪を有し、該発光層のｎ型半導体層側に位置するバリ
ア層の組成が（Ａｌ n Ｇａ 1-n ） m Ｉｎ 1-m Ｐ（ｙ＜ｎ≦
１、０≦ｘ＜ｍ）であり、該バリア層中に引っ張り歪を
有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【０００６】この発明の基板は、ＧａＰ，ＧａＡｓ，Ｓ
ｉ、ＺｎＳｅなどが利用でき、好ましくはＧａＰ，Ｇａ
Ａｓである。発光層は周知の（Ａｌy Ｇａ1-y ）X Ｉｎ
1-X Ｐの組成よりなるものである。バリア層はその組成
が（Ａｌn Ｇａ1-n ）m Ｉｎ1-m Ｐであり、ｍ，ｎの範
囲は0 〜1 である。さらにｍの範囲は、基板がＧａＰの
場合好ましくは０．４〜１であり、基板がＧａＡｓの場
合好ましくは０．４〜０．８である。
ｉ、ＺｎＳｅなどが利用でき、好ましくはＧａＰ，Ｇａ
Ａｓである。発光層は周知の（Ａｌy Ｇａ1-y ）X Ｉｎ
1-X Ｐの組成よりなるものである。バリア層はその組成
が（Ａｌn Ｇａ1-n ）m Ｉｎ1-m Ｐであり、ｍ，ｎの範
囲は0 〜1 である。さらにｍの範囲は、基板がＧａＰの
場合好ましくは０．４〜１であり、基板がＧａＡｓの場
合好ましくは０．４〜０．８である。
【０００７】歪みバリア層の厚さは、格子欠陥が生じな
い臨界膜厚の範囲であればできるだけ大きく取ればよ
い。ただし臨界膜厚は歪み量に反比例して減少する。そ
の範囲は一般には１０００Å以下であり、好ましくは３
００Åである。バリア層の作製法は、ＭＢＥ法（分子線
成長法）、ＶＰＥ法（気相成長法）、ＬＰＥ法（液相成
長法）などが適用できる。
い臨界膜厚の範囲であればできるだけ大きく取ればよ
い。ただし臨界膜厚は歪み量に反比例して減少する。そ
の範囲は一般には１０００Å以下であり、好ましくは３
００Åである。バリア層の作製法は、ＭＢＥ法（分子線
成長法）、ＶＰＥ法（気相成長法）、ＬＰＥ法（液相成
長法）などが適用できる。
【０００８】バリア層への圧縮または引っ張り応力の負
荷はバリア層のバルクでの格子定数が下地の格子定数と
異なる様にバリア層の組成を設定し、バリア層の格子定
数が下地の格子定数に合わし込まれて結晶成長する様、
バリア層の厚さ及び結晶成長条件を制御する事によって
与えられる。本発明では、発光層にＡｌＧａＩｎＰ系材
料を用いた発光素子において、バリア層と発光層が格子
整合した材料を用いたヘテロ接合がタイプII、あるいは
所望のバリア高さが得られないタイプＩとなる場合に、
キャリアの閉じ込めを図るために、バリア層の発光層に
隣接する部分を、発光層に格子接合せず、格子欠陥が生
じない程度の薄い膜とした歪み層で形成することによっ
て、より高いバリア障壁を有するタイプＩのヘテロ接合
を実現し、発光効率の向上を図る。
荷はバリア層のバルクでの格子定数が下地の格子定数と
異なる様にバリア層の組成を設定し、バリア層の格子定
数が下地の格子定数に合わし込まれて結晶成長する様、
バリア層の厚さ及び結晶成長条件を制御する事によって
与えられる。本発明では、発光層にＡｌＧａＩｎＰ系材
料を用いた発光素子において、バリア層と発光層が格子
整合した材料を用いたヘテロ接合がタイプII、あるいは
所望のバリア高さが得られないタイプＩとなる場合に、
キャリアの閉じ込めを図るために、バリア層の発光層に
隣接する部分を、発光層に格子接合せず、格子欠陥が生
じない程度の薄い膜とした歪み層で形成することによっ
て、より高いバリア障壁を有するタイプＩのヘテロ接合
を実現し、発光効率の向上を図る。
【０００９】発光層は直接遷移でも間接遷移でもよく、
発光中心となる不純物を入れても入れなくてもよい。
発光中心となる不純物を入れても入れなくてもよい。
【００１０】
【作用】ＡｌＧａＩｎＰ系材料で発光層としてＧａＰを
用いる場合を例にとって説明する。ＧａＰと格子整合す
る材料はＩｎを含まないＡｌX Ｇａ1-X Ｐ（０≦ｘ≦
１）であるが、この材料をバリア層にしたときＧａＰ発
光層とのヘテロ接合はｘが幾らであってもタイプIIとな
るため電子を閉じ込めることができず、発光効率はタイ
プＩの場合に比べて大幅に劣る。そこで格子整合の条件
は満たさなくなるが、バリア層をＡｌＧａＩｎＰとした
ときにＧａＰ発光層との間でタイプＩのヘテロ接合とな
る場合があるかを考察する。
用いる場合を例にとって説明する。ＧａＰと格子整合す
る材料はＩｎを含まないＡｌX Ｇａ1-X Ｐ（０≦ｘ≦
１）であるが、この材料をバリア層にしたときＧａＰ発
光層とのヘテロ接合はｘが幾らであってもタイプIIとな
るため電子を閉じ込めることができず、発光効率はタイ
プＩの場合に比べて大幅に劣る。そこで格子整合の条件
は満たさなくなるが、バリア層をＡｌＧａＩｎＰとした
ときにＧａＰ発光層との間でタイプＩのヘテロ接合とな
る場合があるかを考察する。
【００１１】接合がタイプＩとなるためには、バリア層
のバンドギャップが発光層のバンドギャップより大きい
事のほか、バリア層の伝導帯レベルが発光層の伝導帯レ
ベルより高い必要がある。伝導帯レベルを、Ｇａ0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐに対する相対値ΔＥｃ0で表すことにする。図
８に横軸を格子定数、縦軸をバンドギャップエネルギー
とし、Ｇａ0.5 Ｉｎ 0.5 Ｐ（点Ｕ）を基準にしたΔＥｃ
0 の等高線を書き加えたＡｌＧａＩｎＰ系の状態図を示
す。ΔＥｃ0 はＡｌＰ（点Ｑ）、ＩｎＰ（点Ｔ）でそれ
ぞれ極小値となり、Ｇａ0.8 Ｉｎ0.Ｐ（点Ｖ）とＡｌ
0.4 Ｉｎ0.6 Ｐ（点Ｓ）を結ぶ線上で高くなり、特にＡ
ｌ0.4 Ｉｎ0.6 Ｐ（点Ｓ）で極大値となる。領域ＰＱＳ
Ｖが間接遷移領域、領域ＳＴＶが直接遷移領域である。
ＧａＰ（点Ｐ）に対してタイプＩの接合となるバリア層
は、ＧａＰ（点Ｐ）と等しいΔＥｃ0の線ＰＲより下
側、ＧａＰ（点Ｐ）と等しいバンドギャップの線ＰＷよ
り上側でなければいけない。この条件が同時に成り立つ
領域ＰＲＳＷがＧａＰに対する歪みバリアの組成として
適した範囲である。なお、ここでの議論では量子効果お
よび歪みによるバンドギャップの変化は考慮されていな
い。厳密にこれらの点も考慮すると領域ＰＲＳＷの外側
（例えば点Ｖ）でも歪みバリアとして用いることのでき
る場合がある。
のバンドギャップが発光層のバンドギャップより大きい
事のほか、バリア層の伝導帯レベルが発光層の伝導帯レ
ベルより高い必要がある。伝導帯レベルを、Ｇａ0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐに対する相対値ΔＥｃ0で表すことにする。図
８に横軸を格子定数、縦軸をバンドギャップエネルギー
とし、Ｇａ0.5 Ｉｎ 0.5 Ｐ（点Ｕ）を基準にしたΔＥｃ
0 の等高線を書き加えたＡｌＧａＩｎＰ系の状態図を示
す。ΔＥｃ0 はＡｌＰ（点Ｑ）、ＩｎＰ（点Ｔ）でそれ
ぞれ極小値となり、Ｇａ0.8 Ｉｎ0.Ｐ（点Ｖ）とＡｌ
0.4 Ｉｎ0.6 Ｐ（点Ｓ）を結ぶ線上で高くなり、特にＡ
ｌ0.4 Ｉｎ0.6 Ｐ（点Ｓ）で極大値となる。領域ＰＱＳ
Ｖが間接遷移領域、領域ＳＴＶが直接遷移領域である。
ＧａＰ（点Ｐ）に対してタイプＩの接合となるバリア層
は、ＧａＰ（点Ｐ）と等しいΔＥｃ0の線ＰＲより下
側、ＧａＰ（点Ｐ）と等しいバンドギャップの線ＰＷよ
り上側でなければいけない。この条件が同時に成り立つ
領域ＰＲＳＷがＧａＰに対する歪みバリアの組成として
適した範囲である。なお、ここでの議論では量子効果お
よび歪みによるバンドギャップの変化は考慮されていな
い。厳密にこれらの点も考慮すると領域ＰＲＳＷの外側
（例えば点Ｖ）でも歪みバリアとして用いることのでき
る場合がある。
【００１２】一般には格子整合条件が満たされないヘテ
ロ接合では格子欠陥が多いため発光素子に用いるには不
適であるが、非常に薄い膜では、圧縮（または引っ張
り）応力が存在した状態で格子欠陥を生じないようにす
ることができる。格子欠陥が生じない状態で存在し得る
最大膜厚は、例えばＧａＡｓ上に成長されたＩｎＧａＡ
ｓ薄膜では歪み量が１％の時に約９０Åとされ、歪み量
に反比例して減少する。歪みバリア層はこのような薄膜
で構成される。
ロ接合では格子欠陥が多いため発光素子に用いるには不
適であるが、非常に薄い膜では、圧縮（または引っ張
り）応力が存在した状態で格子欠陥を生じないようにす
ることができる。格子欠陥が生じない状態で存在し得る
最大膜厚は、例えばＧａＡｓ上に成長されたＩｎＧａＡ
ｓ薄膜では歪み量が１％の時に約９０Åとされ、歪み量
に反比例して減少する。歪みバリア層はこのような薄膜
で構成される。
【００１３】
【実施例】以下では、実施例に基づき本発明を詳細に説
明する。
明する。
【００１４】実施例１ 実施例１では、作用の説明で示した様に、ＧａＰ（図８
点Ｐ）を発光層とし、（Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 ）0.8 Ｉｎ
0.2 Ｐ（点Ｘ）をｐ側の歪みバリア層とした。素子の断
面図を図１に示す。ＭＯＣＶＤ型（Metal Organic Chem
ical Vaper Deposition:有機金属気相成長法）によって
ｎ型ＧａＰ基板１０上に、ｎ型ＧａＰバッファ層１１、
アンドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｐホールバリア層１２、Ｎ
ドープＧａＰ発光層１３、アンドープ（Ａｌ0.3 Ｇａ
0.7 ）0.8 Ｉｎ0.2 Ｐ歪みバリア層１４（圧縮応力、厚
さ７０Å）、ｐ型Ａｌn Ｇａ1-n Ｐグレーデッドバンド
ギャップ層１５（ｎが０．１から０まで変化）、ｐ型Ｇ
ａＰキャップ層１６を成長する。基板裏面及びエピタキ
シ表面のそれぞれ一部分に、裏面電極１７および表面電
極１８を形成する。
点Ｐ）を発光層とし、（Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 ）0.8 Ｉｎ
0.2 Ｐ（点Ｘ）をｐ側の歪みバリア層とした。素子の断
面図を図１に示す。ＭＯＣＶＤ型（Metal Organic Chem
ical Vaper Deposition:有機金属気相成長法）によって
ｎ型ＧａＰ基板１０上に、ｎ型ＧａＰバッファ層１１、
アンドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｐホールバリア層１２、Ｎ
ドープＧａＰ発光層１３、アンドープ（Ａｌ0.3 Ｇａ
0.7 ）0.8 Ｉｎ0.2 Ｐ歪みバリア層１４（圧縮応力、厚
さ７０Å）、ｐ型Ａｌn Ｇａ1-n Ｐグレーデッドバンド
ギャップ層１５（ｎが０．１から０まで変化）、ｐ型Ｇ
ａＰキャップ層１６を成長する。基板裏面及びエピタキ
シ表面のそれぞれ一部分に、裏面電極１７および表面電
極１８を形成する。
【００１５】この素子では発光波長に対して基板１０お
よび各層が透明であるので、光は表面・裏面の電極に遮
られない部分、および側面から出射する。本素子の波長
は５６５ｎｍ（黄緑色）、外部量子効率は１．５％で、
従来のホモ接合型ＬＥＤにおける外部量子効率０．３％
の約５倍であった。電流注入時の素子のバンドエネルギ
ー図を図２（ａ）に示す。Ｅｆｅは電子の擬フェルミレ
ベル、Ｅｆｈはホールの擬フェルミレベルであり、両者
の差がｅＶ（ｅは素電荷量、Ｖは印加電圧）となる。ｎ
型基板１０から注入され伝導帯を流れる電子に着目する
と、伝導帯はｎ型ＧａＰバッファ層１１からｎ型Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ｐホールバリア層１２にかけて落ち込む
が、この領域にはホールが存在しないので電子が飽和
し、ＧａＰ発光層１３まで注入される。歪みバリア層１
４のため室温においては大部分の電子がこの障壁を乗り
越えることはない。一方ｐ型ＧａＰキャップ層に注入さ
れたホールはｐ型グレーデッドバリア層１５へ侵入し、
歪みバリア層１４に落ち込む。ここでは電子がないため
ホールはさらに発光層１３へ進み、電子と発光再結合も
しくは非発光再結合する。
よび各層が透明であるので、光は表面・裏面の電極に遮
られない部分、および側面から出射する。本素子の波長
は５６５ｎｍ（黄緑色）、外部量子効率は１．５％で、
従来のホモ接合型ＬＥＤにおける外部量子効率０．３％
の約５倍であった。電流注入時の素子のバンドエネルギ
ー図を図２（ａ）に示す。Ｅｆｅは電子の擬フェルミレ
ベル、Ｅｆｈはホールの擬フェルミレベルであり、両者
の差がｅＶ（ｅは素電荷量、Ｖは印加電圧）となる。ｎ
型基板１０から注入され伝導帯を流れる電子に着目する
と、伝導帯はｎ型ＧａＰバッファ層１１からｎ型Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ｐホールバリア層１２にかけて落ち込む
が、この領域にはホールが存在しないので電子が飽和
し、ＧａＰ発光層１３まで注入される。歪みバリア層１
４のため室温においては大部分の電子がこの障壁を乗り
越えることはない。一方ｐ型ＧａＰキャップ層に注入さ
れたホールはｐ型グレーデッドバリア層１５へ侵入し、
歪みバリア層１４に落ち込む。ここでは電子がないため
ホールはさらに発光層１３へ進み、電子と発光再結合も
しくは非発光再結合する。
【００１６】各層の歪みを図２（ｂ）に示す。歪みバリ
ア層１４だけに強い圧縮歪みがかかり、その他の部分で
は歪みは生じていない。この実施例に関して以下の変形
が可能である。Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｐホールバリア層１２
は、ｎ型でもｉ型（アンドープ）でもよい。（Ａｌ0.3
Ｇａ0.7 ）0.8 Ｉｎ0.2 Ｐ歪みバリア層１４は、ｐ型で
もｉ型（アンドープ）でもよい。
ア層１４だけに強い圧縮歪みがかかり、その他の部分で
は歪みは生じていない。この実施例に関して以下の変形
が可能である。Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｐホールバリア層１２
は、ｎ型でもｉ型（アンドープ）でもよい。（Ａｌ0.3
Ｇａ0.7 ）0.8 Ｉｎ0.2 Ｐ歪みバリア層１４は、ｐ型で
もｉ型（アンドープ）でもよい。
【００１７】ｎ側バリア層１２も歪みバリア層としても
よい。例えば（Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.8 Ｉｎ
0.2 Ｐとすると、ＧａＰ発光層１３とΔＥｃ0 が等しい
ため電子の落ち込みがなく、ホールに対してはバリア層
として働く。ｐ型グレーデッドバリア層１５はなくても
よく、直接ｐ型キャップ層１６と歪みバリア層１４が接
していてもよい。
よい。例えば（Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.8 Ｉｎ
0.2 Ｐとすると、ＧａＰ発光層１３とΔＥｃ0 が等しい
ため電子の落ち込みがなく、ホールに対してはバリア層
として働く。ｐ型グレーデッドバリア層１５はなくても
よく、直接ｐ型キャップ層１６と歪みバリア層１４が接
していてもよい。
【００１８】発光層１３へドープする発光中心不純物
は、Ｎ以外に、Ｂｉ、ＺｎとＯ、ＺｎとＳ、ＺｎとＳ
ｅ、ＺｎとＴｅ、ＭｇとＳ、ＭｇとＳｅ、ＭｇとＴｅな
どであってもよく、また不純物を全く含まなくてもよ
い。歪みバリア層１４はＡｌを含まないＧａＩｎＰであ
ってもよい。例えばＧａ0. 1 Ｉｎ0.2 Ｐ歪みバリア層１
４”を用いると、ＧａＰより僅かにバンドギャップが小
さいため、光吸収などが生じ不都合が生じるように思わ
れるが、歪みバリア層の厚さが極めて薄いため、量子効
果によりホールの準位が量子化され、また圧縮歪みによ
るバンド拡大効果が生じることから、特に効率が低下す
る事はなく、腐食性の高いＡｌを用いないため信頼性の
点で有利となる。
は、Ｎ以外に、Ｂｉ、ＺｎとＯ、ＺｎとＳ、ＺｎとＳ
ｅ、ＺｎとＴｅ、ＭｇとＳ、ＭｇとＳｅ、ＭｇとＴｅな
どであってもよく、また不純物を全く含まなくてもよ
い。歪みバリア層１４はＡｌを含まないＧａＩｎＰであ
ってもよい。例えばＧａ0. 1 Ｉｎ0.2 Ｐ歪みバリア層１
４”を用いると、ＧａＰより僅かにバンドギャップが小
さいため、光吸収などが生じ不都合が生じるように思わ
れるが、歪みバリア層の厚さが極めて薄いため、量子効
果によりホールの準位が量子化され、また圧縮歪みによ
るバンド拡大効果が生じることから、特に効率が低下す
る事はなく、腐食性の高いＡｌを用いないため信頼性の
点で有利となる。
【００１９】実施例２ 素子の断面図を図３に示す。ＭＯＣＶＤ法によって、ｐ
型ＧａＰ基板２０上に、ｐ型Ａｌn Ｇａ1-n Ｐグレーデ
ッドバンドギャップ層２１（ｎは０から０．５まで変
化）、アンドープＡｌ0.75Ｉｎ0.25Ｐ歪みバリア層２２
（圧縮応力状態、厚さ３０Å）、ＮドープＡｌ0.5 Ｇａ
0.5 Ｐ発光量２３、アンドープＡｌ0.8 Ｉｎ0.2 Ｐ歪み
バリア層２４（圧縮応力、厚さ５０Å）、ｐ型Ａｌn Ｇ
ａ1-n Ｐグレーデッドバリア層２５（ｎが０．５から１
まで変化）、ｐ型ＡｌＰキャップ層２６を成長する。さ
らにＳｉＯ2 保護層２７をスパッタ法で形成した後、保
護層２７を一部除去し、その除去した上に表面電極２８
を形成し、基板裏面に裏面電極２９を形成する。
型ＧａＰ基板２０上に、ｐ型Ａｌn Ｇａ1-n Ｐグレーデ
ッドバンドギャップ層２１（ｎは０から０．５まで変
化）、アンドープＡｌ0.75Ｉｎ0.25Ｐ歪みバリア層２２
（圧縮応力状態、厚さ３０Å）、ＮドープＡｌ0.5 Ｇａ
0.5 Ｐ発光量２３、アンドープＡｌ0.8 Ｉｎ0.2 Ｐ歪み
バリア層２４（圧縮応力、厚さ５０Å）、ｐ型Ａｌn Ｇ
ａ1-n Ｐグレーデッドバリア層２５（ｎが０．５から１
まで変化）、ｐ型ＡｌＰキャップ層２６を成長する。さ
らにＳｉＯ2 保護層２７をスパッタ法で形成した後、保
護層２７を一部除去し、その除去した上に表面電極２８
を形成し、基板裏面に裏面電極２９を形成する。
【００２０】この素子では基板２０が発光波長を吸収す
るため、光は一部側面から出射するほかは表面から出射
する。発光波長は５４０ｎｍ（緑色）であった。
るため、光は一部側面から出射するほかは表面から出射
する。発光波長は５４０ｎｍ（緑色）であった。
【００２１】実施例３ 実施例３では、直接遷移領域となるＡｌＧａＩｎＰで発
光層を形成した発光素子に歪みバリア層を適用した。Ｇ
ａＡｓに格子整合する（Ａｌn Ｇａ1-n ）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐ系のΔＥｃ0 は、ｘ＝０，０．７，１の各場面につい
てそれぞれ０，＋０．１９，＋０．１２ｅＶとなり、ｘ
＝０．７でΔＥｃ0 は最大となる。一方緑色の発光を実
現するためには発光層のｎとして０．６程度が必要とな
り、そのΔＥｃ0 は＋０．１６ｅＶとなるため、バリア
層としてｎ＝０．７の系を用いても伝導帯バリアとして
は０．０３ｅＶしか得られない。
光層を形成した発光素子に歪みバリア層を適用した。Ｇ
ａＡｓに格子整合する（Ａｌn Ｇａ1-n ）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐ系のΔＥｃ0 は、ｘ＝０，０．７，１の各場面につい
てそれぞれ０，＋０．１９，＋０．１２ｅＶとなり、ｘ
＝０．７でΔＥｃ0 は最大となる。一方緑色の発光を実
現するためには発光層のｎとして０．６程度が必要とな
り、そのΔＥｃ0 は＋０．１６ｅＶとなるため、バリア
層としてｎ＝０．７の系を用いても伝導帯バリアとして
は０．０３ｅＶしか得られない。
【００２２】歪みバリア層としてＡｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ（図
８点Ｓ）を用いると、ΔＥｃ0は＋０．２２ｅＶ（推定
値）となるため、伝導帯バリアとして０．０６ｅＶが得
られることになる。素子の断面図を図５に示す。ＭＯＣ
ＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ基板３０上に、ｐ型（Ａ
ｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐグレーデッドバンドギャップ
層３１（ｘが０から０．７へ変化）、アンドープＡｌ
0.4Ｉｎ0.6 Ｐ歪バリア層３２（圧縮応力状態、厚さ８０
Å）、アンドープ（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ発光
層３３、ｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.6Ｉｎ0.4Ｐ歪バリア
層３４（引っ張り応力状態、厚さ６０Å）、ｎ型Ａｌ
0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層３５、ｎ型（ＡｌxＧａ1-x）0.5
Ｉｎ0.5Ｐグレーデッドバンドギャップ層３６（ｘが１
から０まで変化）、ｎ型ＧａＡｓキャップ層３７を成長
する。その上に表面電極３８を形成し、３８を一部エッ
チングし、３８をマスクにしてｎ型グレーデッドバンド
ギャップ層３６・ｎ型キャップ層３７を一部除去する。
基板裏面に裏面電極３９を形成する。
８点Ｓ）を用いると、ΔＥｃ0は＋０．２２ｅＶ（推定
値）となるため、伝導帯バリアとして０．０６ｅＶが得
られることになる。素子の断面図を図５に示す。ＭＯＣ
ＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ基板３０上に、ｐ型（Ａ
ｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐグレーデッドバンドギャップ
層３１（ｘが０から０．７へ変化）、アンドープＡｌ
0.4Ｉｎ0.6 Ｐ歪バリア層３２（圧縮応力状態、厚さ８０
Å）、アンドープ（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ発光
層３３、ｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.6Ｉｎ0.4Ｐ歪バリア
層３４（引っ張り応力状態、厚さ６０Å）、ｎ型Ａｌ
0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層３５、ｎ型（ＡｌxＧａ1-x）0.5
Ｉｎ0.5Ｐグレーデッドバンドギャップ層３６（ｘが１
から０まで変化）、ｎ型ＧａＡｓキャップ層３７を成長
する。その上に表面電極３８を形成し、３８を一部エッ
チングし、３８をマスクにしてｎ型グレーデッドバンド
ギャップ層３６・ｎ型キャップ層３７を一部除去する。
基板裏面に裏面電極３９を形成する。
【００２３】素子のバンドエネルギー図を図６に示す。
グレーデッドバンドギャップ層３１・３６をそれぞれ用
いることにより、ＧａＡｓとの界面における価電子帯・
伝導帯のノッチが抑えれらている。歪みバリア層３２に
よって電子、歪みバリア層３４によってホールの発光層
３３への閉じ込めが行われる。歪みバリア層３４を用い
ることにより、バリア層３５との伝導帯でのノッチが生
じない。
グレーデッドバンドギャップ層３１・３６をそれぞれ用
いることにより、ＧａＡｓとの界面における価電子帯・
伝導帯のノッチが抑えれらている。歪みバリア層３２に
よって電子、歪みバリア層３４によってホールの発光層
３３への閉じ込めが行われる。歪みバリア層３４を用い
ることにより、バリア層３５との伝導帯でのノッチが生
じない。
【００２４】この素子では基板３０が発光波長を吸収す
るため、光は表面および側面から出射する。発光波長は
５５７ｎｍ（緑色）であった。本実施例において発光層
は直接遷移であるが、間接遷移に近いため、発光中心と
なる不純物（Ｎなど）をドープすることにより発光輝度
が増す。ただし、その場合発光波長が若干長波長とな
る。
るため、光は表面および側面から出射する。発光波長は
５５７ｎｍ（緑色）であった。本実施例において発光層
は直接遷移であるが、間接遷移に近いため、発光中心と
なる不純物（Ｎなど）をドープすることにより発光輝度
が増す。ただし、その場合発光波長が若干長波長とな
る。
【００２５】
【発明の効果】ワイドバンドギャップで赤色〜黄色〜緑
色の発光素子に用いることができるＡｌＧａＩｎＰ系半
導体は、特に黄色〜緑色の短波長発光において、格子整
合するヘテロ接合によっては発光層への電子・ホールの
閉じ込めが困難となる。本発明は、バリア層に歪みを与
えた層を用いることによって、発光層に電子・ホールを
有効に閉じ込めることができる。従って本発明は、特に
黄色〜緑色半導体発光素子の高効率化に大いに役立つ。
色の発光素子に用いることができるＡｌＧａＩｎＰ系半
導体は、特に黄色〜緑色の短波長発光において、格子整
合するヘテロ接合によっては発光層への電子・ホールの
閉じ込めが困難となる。本発明は、バリア層に歪みを与
えた層を用いることによって、発光層に電子・ホールを
有効に閉じ込めることができる。従って本発明は、特に
黄色〜緑色半導体発光素子の高効率化に大いに役立つ。
【図１】実施例１の半導体発光素子の断面図である。
【図２】実施例１の半導体発光素子のエネルギーバンド
図および歪み量の図である。
図および歪み量の図である。
【図３】実施例２の半導体発光素子の断面図である。
【図４】実施例２の半導体発光素子のエネルギーバンド
図である。
図である。
【図５】実施例３の半導体発光素子の断面図である。
【図６】実施例３の半導体発光素子のエネルギーバンド
図である。
図である。
【図７】ヘテロ接合におけるタイプIIおよびタイプＩの
バンド不連続の説明図である。
バンド不連続の説明図である。
【図８】ＡｌＧａＩｎＰ系材料の格子定数とバンドギャ
ップエネルギーの関係の説明図である。
ップエネルギーの関係の説明図である。
１０ ｎ型ＧａＰ基板 １１ ｎ型ＧａＰバッファ層 １２ ＡｌＧａＰホールバリア層 １３ ＧａＰ：Ｎ発光層 １４ ＡｌＧａＩｎＰ歪みバリア層 １５ ｐ型ＡｌＧａＰグレーデッドバンドギャップ層 １６ ｐ型ＧａＰキャップ層 １７ 表面電極 １８ 裏面電極 ２０ ｐ型ＧａＰ基板 ２１ ｐ型ＡｌＧａＰグレーデッドバンドギャップ層 ２２ ＡｌＩｎＰ歪みバリア層 ２３ ｎ型ＡｌＧａＰ発光層 ２４ ＡｌＩｎＰ歪みバリア層 ２５ ｐ型ＡｌＧａＰグレーデットバリア層 ２６ ｐ型ＡｌＰキャップ層 ２７ ＳｉＯ2 保護層 ２８ 表面電極 ２９ 裏面電極 ３０ ｐ型ＧａＡｓ基板 ３１ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰグレーデッドバンドギャップ
層 ３２ ＡｌＧａＩｎＰ歪みバリア層 ３３ ＡｌＧａＩｎＰ発光層 ３４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪みバリア層 ３５ ｎ型ＡｌＩｎＰバリア層 ３６ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰグレーデッドバンドギャップ
層 ３７ ｎ型ＧａＡｓキャップ層 ３８ 表面電極 ３９ 裏面電極
層 ３２ ＡｌＧａＩｎＰ歪みバリア層 ３３ ＡｌＧａＩｎＰ発光層 ３４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪みバリア層 ３５ ｎ型ＡｌＩｎＰバリア層 ３６ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰグレーデッドバンドギャップ
層 ３７ ｎ型ＧａＡｓキャップ層 ３８ 表面電極 ３９ 裏面電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅 康夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 中津 弘志 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 山本 修 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−3367（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−243676（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−181185（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−315174（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−243482（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/20
Claims (3)
- 【請求項１】 ＧａＰ基板上に発光層が（ＡｌyＧ
ａ1-y）xＩｎ1-xＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の組成
からなるｐｎ接合が形成された半導体発光素子におい
て、格子欠陥が生じない状態で存在しうる最大膜厚より薄い
バリア層が該発光層のｐ型半導体層側に隣接して形成さ
れ、その組成が（ＡｌnＧａ1-n）mＩｎ1-mＰ（０＜ｎ≦
１、０≦ｍ＜ｘ）であり、該バリア層中に圧縮歪を有す
ることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】 ＧａＡｓ基板上に発光層が（ＡｌyＧａ
1-y）xＩｎ1-xＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成か
らなるｐｎ接合が形成された半導体発光素子において、格子欠陥が生じない状態で存在しうる最大膜厚より薄い
２つの バリア層が該発光層に両側に隣接して形成され、該発光層のｐ型半導体層側に位置するバリア層 の組成が
（ＡｌnＧａ1-n）mＩｎ1-mＰ（ｙ＜ｎ≦１、０≦ｍ＜
ｘ）であり、該バリア層中に圧縮歪を有し、 該発光層のｎ型半導体層側に位置するバリア層の組成が
（Ａｌ n Ｇａ 1-n ） m Ｉｎ 1-m Ｐ（ｙ＜ｎ≦１、０≦ｘ＜
ｍ）であり、該バリア層中に 引っ張り歪を有することを
特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項３】 発光層が、ＮとＢｉのいずれか、Ｚｎと
Ｏ、ＺｎとＳ、ＺｎとＳｅ、ＺｎとＴｅ、ＭｇとＳ、Ｍ
ｇとＳｅ、ＭｇとＴｅの組み合わせのいずれかを含むこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8912392A JP3209786B2 (ja) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8912392A JP3209786B2 (ja) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05291617A JPH05291617A (ja) | 1993-11-05 |
| JP3209786B2 true JP3209786B2 (ja) | 2001-09-17 |
Family
ID=13962115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8912392A Expired - Fee Related JP3209786B2 (ja) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3209786B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3643665B2 (ja) * | 1996-12-20 | 2005-04-27 | シャープ株式会社 | 半導体発光素子 |
| CA2814119C (en) * | 2010-10-12 | 2017-01-17 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High bandgap iii-v alloys for high efficiency optoelectronics |
| JP5400943B2 (ja) * | 2011-05-18 | 2014-01-29 | 株式会社東芝 | 半導体発光素子 |
| JP2017092076A (ja) * | 2015-11-02 | 2017-05-25 | 株式会社ソディック | 発光素子 |
| WO2019022960A1 (en) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | Lumileds Llc | CONSTRAINTS OF ALGAINP FOR EFFICIENT BLOCKING OF ELECTRON AND HOLES IN LIGHT EMITTING DEVICES |
-
1992
- 1992-04-09 JP JP8912392A patent/JP3209786B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05291617A (ja) | 1993-11-05 |
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