JP3643665B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体発光素子に関する。代表的には、ＡlＧaＩnＰ系材料からなる発光層を有する発光ダイオードに関する。
【０００２】
なお、この明細書を通して、「ＡlＧaＩnＰ系材料」とは(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰの混晶比x，yを０≦x，y≦１の範囲で変化させたものを意味する。
【０００３】
【従来の技術】
(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料は、Ｉn混晶比y＝０.５１においてＧaＡs基板と格子整合するとともに、そのＩn混晶比y＝０.５１においてＡl混晶比x＝０〜０.７の範囲で直接遷移型になり、赤から緑までの広い波長領域において高輝度の発光が得られる。そこで最近、発光ダイオードの材料として広く用いられるようになってきた。例えば図８に示すように、そのような(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ系発光ダイオードとして、n型ＧaＡs基板２１２上にn型ＧaＡsバッファ層２１１、n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層２０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層２０５、p型ＧaＰ電流拡散層２０６を順に積層したものが知られている。注入キャリアを活性層２１０に有効に閉じ込めるために、クラッド層２０３，２０５のバンドギャップは活性層２１０のバンドギャップよりも大きく設定されている（タブルヘテロ（ＤＨ）構造）。なお、ＧaＡs基板２１２の裏面にはn側電極２０７、電流拡散層２０６の表面にはｐ側電極２０８がそれぞれ設けられている。Ｉnの混晶比yはＧaＡs基板と格子整合するy＝０.５１に設定されているので、発光に寄与する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料（活性層２１０およびクラッド層２０３，２０５）の結晶性が良好になる。この結果、図９(a)のエネルギバンド図から分かるように、活性層２１０の伝導帯の底（エネルギ値Ｅc）付近の形状、価電子帯の頂上（エネルギ値Ｅv）付近の形状はいずれも放物線状になり、図９(b)に示すように、これらのバンド端Ｅc，Ｅvに対して伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20が接近した状態となっている。したがって、(ＡlxＧa1-x)1- yＩnyＰ活性層２１０自体は比較的高い内部量子効率（pn接合付近で電気が光に変えられる効率をいう。）を示すことができる。
【０００４】
しかしながら、図８の構造では、ＧaＡs基板のバンドギャップが１.４２eＶであるため、赤から緑までの発光が吸収されて、光出力が半分以下に低下するという問題がある。発光材料がＧaＰ，ＧaＡsＰ，ＡlＧaＡs等からなる場合はＧaＡs基板が発光波長に対して透明であるから基板の光吸収による問題は考えられなかったが、発光材料が(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰからなる場合は、ＧaＡs基板を使用している限り、このような基板による光吸収が生じて外部量子効率（外部に取り出される光の効率をいう。単に「効率」、「発光効率」ということがある。）が低下する。
【０００５】
基板による光吸収を避けるために、図１０に示すように、n型ＧaＡs基板３０１上にn型ＧaＡsバッファ層３１１、n型ブラッグ反射層(ＤＢＲ層)３１３、n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層３０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層３１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層３０５、p型ＧaＰ電流拡散層３０６を順に積層したものが提案されている(Ａppl．Ｐhys．Ｌett．，vol．６１，Ｎo１５（１９９２）p１７７５−１７７７)。この発光ダイオードは、ＧaＡs基板３０１とn型クラッド層３０３との間に、屈折率が異なる２種の半導体層を適当な層厚で交互に組み合わせてなるＤＢＲ層３１３を設けて、活性層３１０が発した光をこのＤＢＲ層３１３によって上方へ、ＧaＡs基板３０１側に達しないように反射しようとするものである。また、図１１に示すように、図示しないＧaＡs基板上にn型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層４０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層４１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層４０５、p型ＧaＰ電流拡散層４０６を順に積層した後、上記ＧaＡs基板をエッチングによって取り去り、クラッド層４０３の露出面（接合部）４２０に、赤から緑までの発光波長に対して透明であるＧaＰ基板（バンドギャップが２.２７eＶ）４１４を接合したものが提案されている(Ａppl．Ｐhys．Ｌett．，vol．６４，Ｎo２１（１９９４）p２８３９−２８４１)。
【０００６】
しかしながら、図１０の発光ダイオードでは、活性層３１０から下方へ出射された光の全てをＤＢＲ層３１３によって反射できるわけではなく、その光の一部はＤＢＲ層３１３を透過してＧaＡs基板３０１に吸収される。このため、図８の発光ダイオードに比して、発光効率が１.５倍程度にしか向上しない。
【０００７】
一方、図１１の発光ダイオードでは、ＧaＰ基板４１４を接合する技術が難しく、大量生産には適していない。
【０００８】
このような背景の下で、従来より、(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料をＧaＡs基板上に成長させるのではなく、(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料の発光波長（６５０〜５５０nm）に対して透明である基板、代表的には上述のＧaＰ基板（バンドギャップが２.２７eＶ）上に成長させる手段が考えられている。すなわち、図６に示すように、n型ＧaＰ基板１０１上にn型ＧaＩnＰバッファ層１０４、n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層１０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層１１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層１０５、p型ＧaＰ電流拡散層１０６を成長させたものが考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示すように、ＧaＰの格子定数５.４５１Å近傍には(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料が直接遷移できる領域は存在しない。このため、ＧaＰ基板１０１上にＧaＰ基板と格子整合する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料を成長させたとしても、高効率の発光を望むことはできない。一方、ＧaＰ基板の格子定数５.４５１Åに比べてＧaＡs基板の格子定数５.６５３Åは約３.６％大きいため、ＧaＰ基板１０１上にＧaＡs基板と格子整合する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料１０３，１１０および１０５を成長させた場合、たとえ格子定数差を緩和するためにＧaＩnＰバッファ層１０４を介在させたとしても、成長した(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料１０３，１１０および１０５に、いわゆるミスフィット転位(misfit dislocation：格子不整合に伴う転位)が多くなって非発光再結合中心が増加し、発光の遷移確率が小さくなる。すなわち、基板上に格子定数が異なる結晶を成長させるので、成長した結晶格子の周期性が乱れ、明確な禁制帯が存在できない。このため、図７(a)に示すように、活性層１１０の伝導帯の底（Ｅc）付近や価電子帯の頂上（Ｅv）付近が放物線状にならず、数十meＶ程度のテイル（裾）を持ち、図７(b)に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20に対してテイルの先端（必ずしも位置が明瞭ではない）Ｅc＃，Ｅv＃が離間した状態となる。この結果、注入されたキャリアはバンド端Ｅc，Ｅv付近では再結合しにくくなり、発光の遷移確率が小さくなる。したがって、ＧaＰ基板１０１上にＧaＡs基板と格子整合する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料１０３，１１０および１０５を成長させて作製した直接遷移型の発光ダイオードでは、高効率の発光が困難となる。実際に、図８の発光ダイオードに比して、発光効率は２桁以上落ちてしまう。
【００１０】
このように従来は、半導体基板が発光波長に対して透明であっても、半導体基板と格子不整合の状態で発光層（活性層）を成長させた半導体発光素子では、高効率の発光が得られないという問題があった。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、半導体基板上に、この半導体基板と格子不整合の状態で発光層（活性層）が形成された半導体発光素子であって、高効率の発光が得られるものを提供することにある。
【００１２】
特に、この発明の目的は、ＧaＰ基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を母体とする発光層が形成された半導体発光素子であって、赤から緑までの波長領域において高効率の発光が得られるものを提供することにある。
【００１３】
【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に記載の半導体発光素子は、半導体基板上に、この半導体基板によって実質的に吸収されない波長の光を発する発光層が、上記半導体基板と格子不整合の状態で形成された半導体発光素子において、上記発光層の母体をなす半導体材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物と、アクセプタ準位を形成する第２の不純物との２種類が含まれ、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記発光層の母体をなす半導体材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置にドナー準位およびアクセプタ準位を形成することで、上記半導体基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっていることを特徴とする。
【００１４】
この請求項１の半導体発光素子では、上記発光層の母体をなす半導体材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物と、アクセプタ準位を形成する第２の不純物との２種類が含まれている。そして、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記半導体基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっている。したがって、内部量子効率が高まる。また、上記発光層が発した光は上記半導体基板に実質的に吸収されない、つまり半導体基板内で価電子帯の頂上から伝導帯の底への遷移を起こすような光吸収が生じないので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率が高まる。
【００１５】
請求項２に記載の半導体発光素子は、請求項１に記載の半導体発光素子において、上記第１の不純物が形成するドナー準位は、上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は、上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置することを特徴とする。
【００１６】
ここで、発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の端、価電子帯の端とは、それぞれ発光層が半導体基板と格子整合して形成されている場合の伝導帯の端、価電子帯の端を意味している。すなわち、上記第１の不純物が形成するドナー準位および上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位を、上記母体をなす半導体材料の本来のバンド端を基準として規定している。
【００１７】
この請求項２の半導体発光素子では、上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から３０meＶ以上離間し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から３０meＶ以上離間しているので、半導体基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から２００meＶ以内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から２００meＶ以内に位置しているので、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率がさらに高まる。この結果、全体としての発光効率がさらに高まる。
【００１８】
請求項３に記載の半導体発光素子は、ＧaＰ基板上に、ＡlＧaＩnＰ系材料を母体とする発光層を、上記ＧaＰ基板と格子不整合の状態で成長させた半導体発光素子において、上記発光層の母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物として窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが含まれ、かつ、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが含まれ、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記発光層の母体をなすＡ l Ｇ a Ｉ n Ｐ系材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置にドナー準位およびアクセプタ準位を形成することで、上記ＧaＰ基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなすＡ l Ｇ a Ｉ n Ｐ系材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっていることを特徴とする。
【００１９】
この請求項３の半導体発光素子では、第１の不純物としての窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にドナー準位を形成し、第２の不純物としてのマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にアクセプタ準位を形成する。上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から３０meＶ以上離間し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から３０meＶ以上離間しているので、ＧaＰ基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ約数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から２００meＶ以内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から２００meＶ以内に位置しているので、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間のエネルギ差に応じて上記発光層が発した赤から緑までの波長の光は上記ＧaＰ基板に実質的に吸収されない（ＧaＰ基板はＡlＧaＩnＰ系材料の発光波長である６５０nm〜５５０nmに対して透明である）ので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率が高まり、赤から緑までの波長帯域において高輝度の発光が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
(第１の実施形態)
図１はこの発明の第１の実施形態のＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードの断面構造を示している。この発光ダイオードは、(００１)面から[１１０]方向に１５°傾いた面を有するn型ＧaＰ基板１上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）により、n型ＩnＧaＰバッファ層２、Ｓiドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層３、発光層としての窒素・亜鉛ドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層４、Ｚnドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層５、ＺnドープＧaＰ電流拡散層６を順に成長させた後、ＧaＰ基板１の裏面にn側電極７、電流拡散層６の表面にｐ側電極８をそれぞれ設けて構成されている。１５°オフの基板１を用いたが、(１００)面ジャスト(just)の基板でもよい。活性層４の母体をなす(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料への不純物ドーピング濃度は、ドナー準位を形成する第１の不純物としての窒素が１×１０17〜１×１０19cm-3、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてのＺnが１×１０17〜１×１０18cm-3の範囲内とする。
【００２２】
ＧaＰ基板１上に格子不整合の状態で(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ系材料３，４および５を成長させているので、図２(a)のエネルギバンド図に示すように、活性層４の伝導帯の底（エネルギ値Ｅc）付近や価電子帯の頂上（エネルギ値Ｅv）付近が放物線状にならず、数十meＶ程度のテイル（裾）を持ち、図２(b)に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20に対してテイルの先端（必ずしも位置が明瞭ではない）が離間した状態となる。このため、通常のバンド端発光の遷移確率は比較的小さい。
【００２３】
しかし、この発光ダイオードでは、活性層４において、第１の不純物としての窒素が母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の伝導帯の端（底）Ｅcから３０meＶだけ離れた位置にドナー準位Ｅ(N)を形成し、第２の不純物としての亜鉛が母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の価電子帯の端（頂上）から６０meＶだけ離れた位置にアクセプタ準位Ｅ(Zn)を形成する（図２(b)中のＰ1，Ｐ2がこれらのドナー準位Ｅ(N)，アクセプタ準位Ｅ(Zn)に対応する状態密度Ｇ(Ｅ)のピークを示している。）。上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)、上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから３０meＶ以上離間しているので、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間の発光再結合は殆ど上記テイルの影響を受けない。また、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)、上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから２００meＶ以内に位置しているので、これらの窒素、亜鉛は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、活性層４は上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間のエネルギ差ΔＥ1に応じた波長の光を発するが、この活性層４が発した光はＧaＰ基板１に実質的に吸収されない（ＧaＰ基板はＡlＧaＩnＰ系材料の発光波長である６５０nm〜５５０nmに対して透明である）ので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率を高めることができる。
【００２４】
実際に、この第１実施形態の発光ダイオードでは、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間のエネルギ差ΔＥ1＝２.１６eＶに応じて、発光波長が５７４nmになった。そして、このときの発光効率として１.０％が得られた。これに対して、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.５、y＝０.５１のときバンドギャップＥg（＝２.２５eＶ）に応じて発光波長が５５０nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.１％である。したがって、活性層の混晶比x，yを同じにして比較した場合、第１実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を１０倍に向上できることが分かった。また、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.３８、y＝０.５１のとき、それに応じて発光波長が５７２nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.３５％である。したがって、発光波長を略同じにして比較した場合、第１実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を約３倍に向上できることが分かった。
【００２５】
また、活性層４に窒素をドープすることは短波長化のためにも有利である。これは、活性層４のＡｌ混晶比をx＝０.７５と大きくして間接遷移領域（図５参照）に入っても、窒素ドーピングによって等電子準位が形成されて、直接遷移化し、発光の遷移確率が高くなるからである。実際にx＝０.７５，ｙ＝０.５１のとき、発光波長５５５nmで発光効率０.２％が得られた。
【００２６】
(第２の実施形態)
図３はこの発明の第２の実施形態のＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードの断面構造を示している。この発光ダイオードは、(００１)面から[１１０]方向に１５°傾いた面を有するn型ＧaＰ基板１１上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）により、n型ＩnＧaＰバッファ層１２、Ｓiドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層１３、発光層としてのＳe・Ｍgドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層１４、Ｚnドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層１５、ＺnドープＧaＰ電流拡散層１６を順に成長させた後、ＧaＰ基板１１の裏面にn側電極１７、電流拡散層１６の表面にｐ側電極１８をそれぞれ設けて構成されている。第１の実施形態と同様に１５°オフの基板１を用いたが、(１００)面ジャスト(just)の基板でもよい。活性層１４の母体をなす(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料への不純物ドーピング濃度は、ドナー準位を形成する第１の不純物としてのＳeが１×１０17〜１×１０19cm-3、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてのＭgが１×１０17〜１×１０18cm-3の範囲内とする。
【００２７】
ＧaＰ基板１１上に格子不整合の状態で(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ系材料１３，１４および１５を成長させているので、図４(a)のエネルギバンド図に示すように、活性層１４の伝導帯の底（エネルギ値Ｅc）付近や価電子帯の頂上（エネルギ値Ｅv）付近が放物線状にならず、数十meＶ程度のテイル（裾）を持ち、図４(b)に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20に対してテイルの先端（必ずしも位置が明瞭ではない）が離間した状態となる。このため、通常のバンド端発光の遷移確率は比較的小さい。
【００２８】
しかし、この発光ダイオードでは、活性層１４において、第１の不純物としてのＳeが母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の伝導帯の端（底）Ｅcから１９０meＶだけ離れた位置にドナー準位Ｅ(Se)を形成し、第２の不純物としてのＭgが母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の価電子帯の端（頂上）から６４meＶだけ離れた位置にアクセプタ準位Ｅ(Mg)を形成する（図４(b)中のＰ1，Ｐ2がこれらのドナー準位Ｅ(Se)，アクセプタ準位Ｅ(Mg)に対応する状態密度Ｇ(Ｅ)のピークを示している。）。上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)、上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから３０meＶ以上離間しているので、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間の発光再結合は殆ど上記テイルの影響を受けない。また、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)、上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから２００meＶ以内に位置しているので、これらのＳe、Ｍgは発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、活性層１４は上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間のエネルギ差ΔＥ2に応じた波長の光を発するが、この活性層１４が発した光はＧaＰ基板１１に実質的に吸収されない（ＧaＰ基板はＡlＧaＩnＰ系材料の発光波長である６５０nm〜５５０nmに対して透明である）ので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率を高めることができる。
【００２９】
実際に、この第２実施形態の発光ダイオードでは、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間のエネルギ差ΔＥ2＝２.００eＶに応じて、発光波長が６２１nmになった。そして、このときの発光効率として４.５％が得られた。これに対して、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.５、y＝０.５１のときバンドギャップＥg（＝２.２５eＶ）に応じて発光波長が５５０nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.１％である。したがって、活性層の混晶比x，yを同じにして比較した場合、第２実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を１０倍に向上できることが分かった。また、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.０８、y＝０.５１のとき、それに応じて発光波長が６３５nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.１５％である。したがって、発光波長を略同じにして比較した場合、第２実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を３倍に向上できることが分かった。
【００３０】
なお、ドナー準位を形成する第１の不純物としては窒素、セレン以外に、硫黄またはテルル等を用いることができ、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としては亜鉛、マグネシウム以外にカドミウム等を用いることができる。
【００３１】
また、電流拡散層６，１６の材料としては、ＧaＰに代えてＡlＧaＡs等を用いることができる。
【００３２】
第１、第２の実施形態の発光ダイオードは、活性層がエネルギギャップの大きいクラッド層で挟まれたダブルヘテロ型のものとした。この発明は、ダブルヘテロ型の半導体発光素子に広く適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の半導体発光素子は、発光層の母体をなす半導体材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物と、アクセプタ準位を形成する第２の不純物との２種類が含まれ、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、半導体基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっている。したがって、内部量子効率が高まる。また、上記発光層が発した光は上記半導体基板に実質的に吸収されないので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率を高めることができる。
【００３４】
請求項２の半導体発光素子は、上記第１の不純物が形成するドナー準位は、上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は、上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置するので、半導体基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率がさらに高まる。この結果、全体としての発光効率をさらに高めることができる。
【００３５】
請求項３の半導体発光素子は、ＧaＰ基板上に、ＡlＧaＩnＰ系材料を母体とする発光層を、上記ＧaＰ基板と格子不整合の状態で成長させた半導体発光素子において、上記発光層の母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物として窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが含まれ、かつ、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが含まれているので、第１の不純物としての窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にドナー準位を形成し、第２の不純物としてのマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にアクセプタ準位を形成する。したがって、ＧaＰ基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ約数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間のエネルギ差に応じて上記発光層が発した赤から緑までの波長の光は上記ＧaＰ基板に実質的に吸収されないので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率が高まり、赤から緑までの波長帯域において高輝度の発光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例による構造図である。
【図２】 本発明の第１の実施例によるバンド状態図とキャリアの状態密度分布である。
【図３】 本発明の第２の実施例による構造図である。
【図４】 本発明の第２の実施例によるバンド状態図とキャリアの状態密度分布である。
【図５】 発光層の半導体材料と基板の格子定数とエネルギーギャップの関係図である。
【図６】 ＧaＰ基板上の発光ダイオードの構造図である。
【図７】 ＧaＰ基板上の発光ダイオードのバンド図とキャリアの状態密度分布である。
【図８】 従来例による発光ダイオードの構造図(１)である。
【図９】 従来例による発光ダイオードのバンド状態図とキャリアの状態密度分布である。
【図１０】 従来例による発光ダイオードの構造図(２)である。
【図１１】 従来例による発光ダイオードの構造図(３)である。
【符号の説明】
１，１１ n型ＧaＰ基板
２，１２ n型ＧaＡsＰバッファ層
３，１３ n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層
４ 窒素・亜鉛ドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層
５，１５ p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層
６，１６ p型ＧaＰ電流拡散層
７，１７ n型電極
８，１８ p型電極
１４ Ｓe・Ｍgドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体発光素子に関する。代表的には、ＡlＧaＩnＰ系材料からなる発光層を有する発光ダイオードに関する。
【０００２】
なお、この明細書を通して、「ＡlＧaＩnＰ系材料」とは(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰの混晶比x，yを０≦x，y≦１の範囲で変化させたものを意味する。
【０００３】
【従来の技術】
(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料は、Ｉn混晶比y＝０.５１においてＧaＡs基板と格子整合するとともに、そのＩn混晶比y＝０.５１においてＡl混晶比x＝０〜０.７の範囲で直接遷移型になり、赤から緑までの広い波長領域において高輝度の発光が得られる。そこで最近、発光ダイオードの材料として広く用いられるようになってきた。例えば図８に示すように、そのような(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ系発光ダイオードとして、n型ＧaＡs基板２１２上にn型ＧaＡsバッファ層２１１、n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層２０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層２０５、p型ＧaＰ電流拡散層２０６を順に積層したものが知られている。注入キャリアを活性層２１０に有効に閉じ込めるために、クラッド層２０３，２０５のバンドギャップは活性層２１０のバンドギャップよりも大きく設定されている（タブルヘテロ（ＤＨ）構造）。なお、ＧaＡs基板２１２の裏面にはn側電極２０７、電流拡散層２０６の表面にはｐ側電極２０８がそれぞれ設けられている。Ｉnの混晶比yはＧaＡs基板と格子整合するy＝０.５１に設定されているので、発光に寄与する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料（活性層２１０およびクラッド層２０３，２０５）の結晶性が良好になる。この結果、図９(a)のエネルギバンド図から分かるように、活性層２１０の伝導帯の底（エネルギ値Ｅc）付近の形状、価電子帯の頂上（エネルギ値Ｅv）付近の形状はいずれも放物線状になり、図９(b)に示すように、これらのバンド端Ｅc，Ｅvに対して伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20が接近した状態となっている。したがって、(ＡlxＧa1-x)1- yＩnyＰ活性層２１０自体は比較的高い内部量子効率（pn接合付近で電気が光に変えられる効率をいう。）を示すことができる。
【０００４】
しかしながら、図８の構造では、ＧaＡs基板のバンドギャップが１.４２eＶであるため、赤から緑までの発光が吸収されて、光出力が半分以下に低下するという問題がある。発光材料がＧaＰ，ＧaＡsＰ，ＡlＧaＡs等からなる場合はＧaＡs基板が発光波長に対して透明であるから基板の光吸収による問題は考えられなかったが、発光材料が(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰからなる場合は、ＧaＡs基板を使用している限り、このような基板による光吸収が生じて外部量子効率（外部に取り出される光の効率をいう。単に「効率」、「発光効率」ということがある。）が低下する。
【０００５】
基板による光吸収を避けるために、図１０に示すように、n型ＧaＡs基板３０１上にn型ＧaＡsバッファ層３１１、n型ブラッグ反射層(ＤＢＲ層)３１３、n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層３０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層３１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層３０５、p型ＧaＰ電流拡散層３０６を順に積層したものが提案されている(Ａppl．Ｐhys．Ｌett．，vol．６１，Ｎo１５（１９９２）p１７７５−１７７７)。この発光ダイオードは、ＧaＡs基板３０１とn型クラッド層３０３との間に、屈折率が異なる２種の半導体層を適当な層厚で交互に組み合わせてなるＤＢＲ層３１３を設けて、活性層３１０が発した光をこのＤＢＲ層３１３によって上方へ、ＧaＡs基板３０１側に達しないように反射しようとするものである。また、図１１に示すように、図示しないＧaＡs基板上にn型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層４０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層４１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層４０５、p型ＧaＰ電流拡散層４０６を順に積層した後、上記ＧaＡs基板をエッチングによって取り去り、クラッド層４０３の露出面（接合部）４２０に、赤から緑までの発光波長に対して透明であるＧaＰ基板（バンドギャップが２.２７eＶ）４１４を接合したものが提案されている(Ａppl．Ｐhys．Ｌett．，vol．６４，Ｎo２１（１９９４）p２８３９−２８４１)。
【０００６】
しかしながら、図１０の発光ダイオードでは、活性層３１０から下方へ出射された光の全てをＤＢＲ層３１３によって反射できるわけではなく、その光の一部はＤＢＲ層３１３を透過してＧaＡs基板３０１に吸収される。このため、図８の発光ダイオードに比して、発光効率が１.５倍程度にしか向上しない。
【０００７】
一方、図１１の発光ダイオードでは、ＧaＰ基板４１４を接合する技術が難しく、大量生産には適していない。
【０００８】
このような背景の下で、従来より、(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料をＧaＡs基板上に成長させるのではなく、(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料の発光波長（６５０〜５５０nm）に対して透明である基板、代表的には上述のＧaＰ基板（バンドギャップが２.２７eＶ）上に成長させる手段が考えられている。すなわち、図６に示すように、n型ＧaＰ基板１０１上にn型ＧaＩnＰバッファ層１０４、n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層１０３、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層１１０、p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰクラッド層１０５、p型ＧaＰ電流拡散層１０６を成長させたものが考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示すように、ＧaＰの格子定数５.４５１Å近傍には(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料が直接遷移できる領域は存在しない。このため、ＧaＰ基板１０１上にＧaＰ基板と格子整合する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料を成長させたとしても、高効率の発光を望むことはできない。一方、ＧaＰ基板の格子定数５.４５１Åに比べてＧaＡs基板の格子定数５.６５３Åは約３.６％大きいため、ＧaＰ基板１０１上にＧaＡs基板と格子整合する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料１０３，１１０および１０５を成長させた場合、たとえ格子定数差を緩和するためにＧaＩnＰバッファ層１０４を介在させたとしても、成長した(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料１０３，１１０および１０５に、いわゆるミスフィット転位(misfit dislocation：格子不整合に伴う転位)が多くなって非発光再結合中心が増加し、発光の遷移確率が小さくなる。すなわち、基板上に格子定数が異なる結晶を成長させるので、成長した結晶格子の周期性が乱れ、明確な禁制帯が存在できない。このため、図７(a)に示すように、活性層１１０の伝導帯の底（Ｅc）付近や価電子帯の頂上（Ｅv）付近が放物線状にならず、数十meＶ程度のテイル（裾）を持ち、図７(b)に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20に対してテイルの先端（必ずしも位置が明瞭ではない）Ｅc＃，Ｅv＃が離間した状態となる。この結果、注入されたキャリアはバンド端Ｅc，Ｅv付近では再結合しにくくなり、発光の遷移確率が小さくなる。したがって、ＧaＰ基板１０１上にＧaＡs基板と格子整合する(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料１０３，１１０および１０５を成長させて作製した直接遷移型の発光ダイオードでは、高効率の発光が困難となる。実際に、図８の発光ダイオードに比して、発光効率は２桁以上落ちてしまう。
【００１０】
このように従来は、半導体基板が発光波長に対して透明であっても、半導体基板と格子不整合の状態で発光層（活性層）を成長させた半導体発光素子では、高効率の発光が得られないという問題があった。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、半導体基板上に、この半導体基板と格子不整合の状態で発光層（活性層）が形成された半導体発光素子であって、高効率の発光が得られるものを提供することにある。
【００１２】
特に、この発明の目的は、ＧaＰ基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を母体とする発光層が形成された半導体発光素子であって、赤から緑までの波長領域において高効率の発光が得られるものを提供することにある。
【００１３】
【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に記載の半導体発光素子は、半導体基板上に、この半導体基板によって実質的に吸収されない波長の光を発する発光層が、上記半導体基板と格子不整合の状態で形成された半導体発光素子において、上記発光層の母体をなす半導体材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物と、アクセプタ準位を形成する第２の不純物との２種類が含まれ、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記発光層の母体をなす半導体材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置にドナー準位およびアクセプタ準位を形成することで、上記半導体基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっていることを特徴とする。
【００１４】
この請求項１の半導体発光素子では、上記発光層の母体をなす半導体材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物と、アクセプタ準位を形成する第２の不純物との２種類が含まれている。そして、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記半導体基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっている。したがって、内部量子効率が高まる。また、上記発光層が発した光は上記半導体基板に実質的に吸収されない、つまり半導体基板内で価電子帯の頂上から伝導帯の底への遷移を起こすような光吸収が生じないので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率が高まる。
【００１５】
請求項２に記載の半導体発光素子は、請求項１に記載の半導体発光素子において、上記第１の不純物が形成するドナー準位は、上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は、上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置することを特徴とする。
【００１６】
ここで、発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の端、価電子帯の端とは、それぞれ発光層が半導体基板と格子整合して形成されている場合の伝導帯の端、価電子帯の端を意味している。すなわち、上記第１の不純物が形成するドナー準位および上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位を、上記母体をなす半導体材料の本来のバンド端を基準として規定している。
【００１７】
この請求項２の半導体発光素子では、上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から３０meＶ以上離間し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から３０meＶ以上離間しているので、半導体基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から２００meＶ以内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から２００meＶ以内に位置しているので、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率がさらに高まる。この結果、全体としての発光効率がさらに高まる。
【００１８】
請求項３に記載の半導体発光素子は、ＧaＰ基板上に、ＡlＧaＩnＰ系材料を母体とする発光層を、上記ＧaＰ基板と格子不整合の状態で成長させた半導体発光素子において、上記発光層の母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物として窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが含まれ、かつ、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが含まれ、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記発光層の母体をなすＡ l Ｇ a Ｉ n Ｐ系材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置にドナー準位およびアクセプタ準位を形成することで、上記ＧaＰ基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなすＡ l Ｇ a Ｉ n Ｐ系材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっていることを特徴とする。
【００１９】
この請求項３の半導体発光素子では、第１の不純物としての窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にドナー準位を形成し、第２の不純物としてのマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にアクセプタ準位を形成する。上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から３０meＶ以上離間し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から３０meＶ以上離間しているので、ＧaＰ基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ約数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から２００meＶ以内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から２００meＶ以内に位置しているので、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間のエネルギ差に応じて上記発光層が発した赤から緑までの波長の光は上記ＧaＰ基板に実質的に吸収されない（ＧaＰ基板はＡlＧaＩnＰ系材料の発光波長である６５０nm〜５５０nmに対して透明である）ので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率が高まり、赤から緑までの波長帯域において高輝度の発光が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
(第１の実施形態)
図１はこの発明の第１の実施形態のＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードの断面構造を示している。この発光ダイオードは、(００１)面から[１１０]方向に１５°傾いた面を有するn型ＧaＰ基板１上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）により、n型ＩnＧaＰバッファ層２、Ｓiドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層３、発光層としての窒素・亜鉛ドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層４、Ｚnドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層５、ＺnドープＧaＰ電流拡散層６を順に成長させた後、ＧaＰ基板１の裏面にn側電極７、電流拡散層６の表面にｐ側電極８をそれぞれ設けて構成されている。１５°オフの基板１を用いたが、(１００)面ジャスト(just)の基板でもよい。活性層４の母体をなす(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料への不純物ドーピング濃度は、ドナー準位を形成する第１の不純物としての窒素が１×１０17〜１×１０19cm-3、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてのＺnが１×１０17〜１×１０18cm-3の範囲内とする。
【００２２】
ＧaＰ基板１上に格子不整合の状態で(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ系材料３，４および５を成長させているので、図２(a)のエネルギバンド図に示すように、活性層４の伝導帯の底（エネルギ値Ｅc）付近や価電子帯の頂上（エネルギ値Ｅv）付近が放物線状にならず、数十meＶ程度のテイル（裾）を持ち、図２(b)に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20に対してテイルの先端（必ずしも位置が明瞭ではない）が離間した状態となる。このため、通常のバンド端発光の遷移確率は比較的小さい。
【００２３】
しかし、この発光ダイオードでは、活性層４において、第１の不純物としての窒素が母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の伝導帯の端（底）Ｅcから３０meＶだけ離れた位置にドナー準位Ｅ(N)を形成し、第２の不純物としての亜鉛が母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の価電子帯の端（頂上）から６０meＶだけ離れた位置にアクセプタ準位Ｅ(Zn)を形成する（図２(b)中のＰ1，Ｐ2がこれらのドナー準位Ｅ(N)，アクセプタ準位Ｅ(Zn)に対応する状態密度Ｇ(Ｅ)のピークを示している。）。上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)、上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから３０meＶ以上離間しているので、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間の発光再結合は殆ど上記テイルの影響を受けない。また、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)、上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから２００meＶ以内に位置しているので、これらの窒素、亜鉛は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、活性層４は上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間のエネルギ差ΔＥ1に応じた波長の光を発するが、この活性層４が発した光はＧaＰ基板１に実質的に吸収されない（ＧaＰ基板はＡlＧaＩnＰ系材料の発光波長である６５０nm〜５５０nmに対して透明である）ので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率を高めることができる。
【００２４】
実際に、この第１実施形態の発光ダイオードでは、上記窒素が形成するドナー準位Ｅ(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位Ｅ(Zn)との間のエネルギ差ΔＥ1＝２.１６eＶに応じて、発光波長が５７４nmになった。そして、このときの発光効率として１.０％が得られた。これに対して、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.５、y＝０.５１のときバンドギャップＥg（＝２.２５eＶ）に応じて発光波長が５５０nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.１％である。したがって、活性層の混晶比x，yを同じにして比較した場合、第１実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を１０倍に向上できることが分かった。また、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.３８、y＝０.５１のとき、それに応じて発光波長が５７２nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.３５％である。したがって、発光波長を略同じにして比較した場合、第１実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を約３倍に向上できることが分かった。
【００２５】
また、活性層４に窒素をドープすることは短波長化のためにも有利である。これは、活性層４のＡｌ混晶比をx＝０.７５と大きくして間接遷移領域（図５参照）に入っても、窒素ドーピングによって等電子準位が形成されて、直接遷移化し、発光の遷移確率が高くなるからである。実際にx＝０.７５，ｙ＝０.５１のとき、発光波長５５５nmで発光効率０.２％が得られた。
【００２６】
(第２の実施形態)
図３はこの発明の第２の実施形態のＡlＧaＩnＰ系発光ダイオードの断面構造を示している。この発光ダイオードは、(００１)面から[１１０]方向に１５°傾いた面を有するn型ＧaＰ基板１１上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）により、n型ＩnＧaＰバッファ層１２、Ｓiドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層１３、発光層としてのＳe・Ｍgドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層１４、Ｚnドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層１５、ＺnドープＧaＰ電流拡散層１６を順に成長させた後、ＧaＰ基板１１の裏面にn側電極１７、電流拡散層１６の表面にｐ側電極１８をそれぞれ設けて構成されている。第１の実施形態と同様に１５°オフの基板１を用いたが、(１００)面ジャスト(just)の基板でもよい。活性層１４の母体をなす(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ材料への不純物ドーピング濃度は、ドナー準位を形成する第１の不純物としてのＳeが１×１０17〜１×１０19cm-3、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてのＭgが１×１０17〜１×１０18cm-3の範囲内とする。
【００２７】
ＧaＰ基板１１上に格子不整合の状態で(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ系材料１３，１４および１５を成長させているので、図４(a)のエネルギバンド図に示すように、活性層１４の伝導帯の底（エネルギ値Ｅc）付近や価電子帯の頂上（エネルギ値Ｅv）付近が放物線状にならず、数十meＶ程度のテイル（裾）を持ち、図４(b)に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密度Ｇ(Ｅ)のピークＰ10，Ｐ20に対してテイルの先端（必ずしも位置が明瞭ではない）が離間した状態となる。このため、通常のバンド端発光の遷移確率は比較的小さい。
【００２８】
しかし、この発光ダイオードでは、活性層１４において、第１の不純物としてのＳeが母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の伝導帯の端（底）Ｅcから１９０meＶだけ離れた位置にドナー準位Ｅ(Se)を形成し、第２の不純物としてのＭgが母体(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)の価電子帯の端（頂上）から６４meＶだけ離れた位置にアクセプタ準位Ｅ(Mg)を形成する（図４(b)中のＰ1，Ｐ2がこれらのドナー準位Ｅ(Se)，アクセプタ準位Ｅ(Mg)に対応する状態密度Ｇ(Ｅ)のピークを示している。）。上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)、上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから３０meＶ以上離間しているので、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間の発光再結合は殆ど上記テイルの影響を受けない。また、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)、上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)はそれぞれバンド端Ｅc，Ｅvから２００meＶ以内に位置しているので、これらのＳe、Ｍgは発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、活性層１４は上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間のエネルギ差ΔＥ2に応じた波長の光を発するが、この活性層１４が発した光はＧaＰ基板１１に実質的に吸収されない（ＧaＰ基板はＡlＧaＩnＰ系材料の発光波長である６５０nm〜５５０nmに対して透明である）ので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率を高めることができる。
【００２９】
実際に、この第２実施形態の発光ダイオードでは、上記Ｓeが形成するドナー準位Ｅ(Se)と上記Ｍgが形成するアクセプタ準位Ｅ(Mg)との間のエネルギ差ΔＥ2＝２.００eＶに応じて、発光波長が６２１nmになった。そして、このときの発光効率として４.５％が得られた。これに対して、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.５、y＝０.５１のときバンドギャップＥg（＝２.２５eＶ）に応じて発光波長が５５０nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.１％である。したがって、活性層の混晶比x，yを同じにして比較した場合、第２実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を１０倍に向上できることが分かった。また、図８に示したようなＧaＡs基板上にＡlＧaＩnＰ系材料を成長させた格子整合型の発光ダイオードでは、ノンドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ活性層２１０の混晶比がx＝０.０８、y＝０.５１のとき、それに応じて発光波長が６３５nmとなる。そして、そのときの発光効率は０.１５％である。したがって、発光波長を略同じにして比較した場合、第２実施形態の構造のものは、図８の発光ダイオードに比して発光効率を３倍に向上できることが分かった。
【００３０】
なお、ドナー準位を形成する第１の不純物としては窒素、セレン以外に、硫黄またはテルル等を用いることができ、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としては亜鉛、マグネシウム以外にカドミウム等を用いることができる。
【００３１】
また、電流拡散層６，１６の材料としては、ＧaＰに代えてＡlＧaＡs等を用いることができる。
【００３２】
第１、第２の実施形態の発光ダイオードは、活性層がエネルギギャップの大きいクラッド層で挟まれたダブルヘテロ型のものとした。この発明は、ダブルヘテロ型の半導体発光素子に広く適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項１の半導体発光素子は、発光層の母体をなす半導体材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物と、アクセプタ準位を形成する第２の不純物との２種類が含まれ、上記第１、第２の不純物はそれぞれ、半導体基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっている。したがって、内部量子効率が高まる。また、上記発光層が発した光は上記半導体基板に実質的に吸収されないので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率を高めることができる。
【００３４】
請求項２の半導体発光素子は、上記第１の不純物が形成するドナー準位は、上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置し、上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は、上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置するので、半導体基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率がさらに高まる。この結果、全体としての発光効率をさらに高めることができる。
【００３５】
請求項３の半導体発光素子は、ＧaＰ基板上に、ＡlＧaＩnＰ系材料を母体とする発光層を、上記ＧaＰ基板と格子不整合の状態で成長させた半導体発光素子において、上記発光層の母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物として窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが含まれ、かつ、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが含まれているので、第１の不純物としての窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にドナー準位を形成し、第２の不純物としてのマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内にアクセプタ準位を形成する。したがって、ＧaＰ基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ約数十meＶ程度のテイルを持ったとしても、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、これらの第１の不純物、第２の不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第１の不純物が形成するドナー準位と第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量子効率が高まる。また、上記第１の不純物が形成するドナー準位と上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位との間のエネルギ差に応じて上記発光層が発した赤から緑までの波長の光は上記ＧaＰ基板に実質的に吸収されないので、外部量子効率が低下することもない。したがって、全体としての発光効率が高まり、赤から緑までの波長帯域において高輝度の発光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例による構造図である。
【図２】 本発明の第１の実施例によるバンド状態図とキャリアの状態密度分布である。
【図３】 本発明の第２の実施例による構造図である。
【図４】 本発明の第２の実施例によるバンド状態図とキャリアの状態密度分布である。
【図５】 発光層の半導体材料と基板の格子定数とエネルギーギャップの関係図である。
【図６】 ＧaＰ基板上の発光ダイオードの構造図である。
【図７】 ＧaＰ基板上の発光ダイオードのバンド図とキャリアの状態密度分布である。
【図８】 従来例による発光ダイオードの構造図(１)である。
【図９】 従来例による発光ダイオードのバンド状態図とキャリアの状態密度分布である。
【図１０】 従来例による発光ダイオードの構造図(２)である。
【図１１】 従来例による発光ダイオードの構造図(３)である。
【符号の説明】
１，１１ n型ＧaＰ基板
２，１２ n型ＧaＡsＰバッファ層
３，１３ n型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層
４ 窒素・亜鉛ドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層
５，１５ p型(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝１.０、y＝０.５１)クラッド層
６，１６ p型ＧaＰ電流拡散層
７，１７ n型電極
８，１８ p型電極
１４ Ｓe・Ｍgドープ(ＡlxＧa1-x)1-yＩnyＰ(x＝０.５、y＝０.５１)活性層
Claims (3)
- 半導体基板上に、この半導体基板によって実質的に吸収されない波長の光を発する発光層が、上記半導体基板と格子不整合の状態で形成されたダブルヘテロ型の半導体発光素子において、
上記発光層の母体をなす半導体材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物と、アクセプタ準位を形成する第２の不純物との２種類が含まれ、
上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記発光層の母体をなす半導体材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置にドナー準位およびアクセプタ準位を形成することで、上記半導体基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっていることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１に記載の半導体発光素子において、
上記第１の不純物が形成するドナー準位は、上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置し、
上記第２の不純物が形成するアクセプタ準位は、上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から３０meＶ乃至２００meＶの範囲内に位置することを特徴とする半導体発光素子。 - ＧaＰ基板上に、ＡlＧaＩnＰ系材料を母体とする発光層を、上記ＧaＰ基板と格子不整合の状態で成長させたダブルヘテロ型の半導体発光素子において、
上記発光層の母体をなすＡlＧaＩnＰ系材料に、ドナー準位を形成する第１の不純物として窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが含まれ、かつ、アクセプタ準位を形成する第２の不純物としてマグネシウム、亜鉛またはカドミウムが含まれ、
上記第１、第２の不純物はそれぞれ、上記発光層の母体をなすＡ l Ｇ a Ｉ n Ｐ系材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置にドナー準位およびアクセプタ準位を形成することで、上記ＧaＰ基板と発光層との間の格子不整合によって上記発光層の母体をなすＡ l Ｇ a Ｉ n Ｐ系材料の伝導帯の底、価電子帯の頂上に生じたテイルの影響を、実質的に受けない発光再結合中心として働くようになっていることを特徴とする半導体発光素子。
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