JPH01157576A

JPH01157576A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH01157576A
Application number: JP62315700A
Authority: JP
Inventors: Akinori Katsui; 勝井　明憲; Noriyoshi Shibata; 典義柴田; Takashi Matsuoka; 隆志松岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1989-06-20
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH0734484B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、化合物半導体発光素子に関するものであり、
更に詳述するならば、可視光短波長から紫外で発光する
半導体発光素子に関するものである。

（従来技術及び発明が解決しようとする問題点）可視光
短波長（青色）の半導体発光素子として、発光効率の高
いものは従来Ｚｎ５ｅを用いて形成されている。第６図
にその基本構造を示す。Ｚｎ５ｅ結晶基板１と、絶縁層
２を有し、半透明金属電極３から正孔が絶縁層２を通し
てＺｎ５ｅ結晶１内に注入され、発光中心を介して電子
と再結合し、発光させる。４は電極を示す。ここで、結
晶基板１としては、高圧溶融法で育成した単結晶をｌｌ
ｌ１＋１厚のウェーハ状に切断し、鏡面研磨したのち、
Ｚｎ融液中で熱処理し、０．３〜２Ω・Ｃｌ１１の比抵
抗にしたものを用いる。絶縁層２としては、３００〜５
０００　Ａ厚のＳｔｏｗ膜を、またＺｎ５ｅ基板１への
オーム性電極４としてＩｎ−Ｇａ、電極３として厚さ５
００〜１０００ＡのＡｕ蒸着膜を用いる。

この構造においては小数キャリアである正孔をいかに効
率良く注入するかが問題であり、絶縁層２の形成技術に
依存するところが多い。特に、絶縁層２の形成をごく薄
い他の化合物例えばＳｔｏｗなどで作製した場合一般に
は高発光効率は得られない。またこの発光は、その発光
エネルギーがＺｎ５ｅのバンドギャップエネルギーに近
いため、結晶内での自己吸収が大きくなり発光強度が低
下する。

また、この構造では、後述する本発明のごとく導波構造
をなすことができない、という問題がある。

このためこの構造の素子では、発光強度を十分上げるこ
とができない欠点を持っており、これまで量子効率が１
０１％までのものしか得られていなかった。

（発明の目的）本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので
、その目的は、電流注入量が多くとれ、かつ発光効率の
高い、可視光短波長を発光する半導体発光素子を提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段）上記の目的を達成するために、本発明は、Ｉ［ａをＭｇ
、　Ｃａ、　Ｂａ、　Ｓｒ、　ＩＩｂをＺｎ、　Ｃｄ、
　ＶｌをＳ、Ｓｅ。

Ｔｅとするとき、Ｉ［ａ、Ｉ［ｂ、Ｖｌ　（ｘ　＋　ｙ
＝　１　）発光層と、これに格子整合条件で接し、発光
層よりバンドギャップの大きいＩＩ　ａｘ＋　ｎ　ｌ）
、＋　Ｖｌ　（ｘ’　＋　ｙ’　＝　１　）からなる電
流注入層とを有することを特徴とする半導体発光素子を
発明の要旨とするものである。

しかして本発明の特徴とする点は、■素子発光部が発光
層と電流注入層より構成され両者はいずれもＩＩＶＩ族
化合物より形成されているため、互いに格子整合が良好
であること、また■バンドギャップが不連続であり、発
光層のバンドギャップが電流注入層のバンドギャップよ
り小であるため、注入されたキャリアの発光層外への流
れが妨げられるとともに、発光層と電流注入層との屈折
率の差により、発生した光が発光層内に閉じ込められる
こと、にある。

■ｂ■族化合物は、閃亜鉛鉱型結晶構造をしており、直
接遷移型バンド構造を持っている。またｌ１ａＶＩ族化
合物は、Ｍｇ、　Ｔｅを除いて、すべて岩塩型結晶構造
をしており、■ｂ■族とは概ね全率にわたって固溶体１
１ａＩ［ｂＶＩを形成する。

第７図に（１００）面上の格子整合とバンドギャップエ
ネルギーの関係を示す。この図から分かるように、ＩＩ
　ａ　ＩＩ　ｂＶＩからなる三元ないし四元系の固溶体
を用いることにより完全格子整合条件でバンドギャップ
の異なる材料の多層構造を形成でき、良質なヘテロ接合
条件を得ることが可能となる。

単結晶基板としては、閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つＧａ
ＡｓやＩｎＰを用いると、第７図の破線で示したように
、ｌｌａＩＩｂＶＩ層を基板も含めて完全格子整合条件
で形成することができ、特に良質のへテロ接合構造が得
られる。また、Ｓｔ単結晶上にもバッファ層などを介し
てＧａＡｓやＩｎＰの単結晶薄膜を形成すれば、同じよ
うに良質のｌｌａＩＩｂＶＩ層を形成することができる
。

このようなヘテロ接合構造では、バンドギャップエネル
ギーの違いにより必然的にその界面でバンドギャップの
不連続を生じている。このバンドギャップ不連続は、バ
ンドギャップの小さい半導体からのキャリアの流出に対
してバリアの働きをする。本発明は、上述のＩ［ａＩＩ
ｂＶＩの良好なヘテロ接合を発光部即ち発光層と電流注
入層に用いることを特徴としており、バンドギャップ不
連続により注入されたキャリアの発光層外への流れが妨
げられ発光層内で発光再結合するキャリアが増加するこ
とを物理的根拠としている。

次に本発明の実施例について説明する。尚、実施例は一
つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で、
種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもな
い。

（実施例１）第１図は本発明の半導体発光素子の第一の実施例を説明
する図であり、発光素子の断面を示したものである。Ｇ
ａＡｓ基板５の上に厚さ５１のｃｄｎ、。８Ｍｇｏ、　
＋　ｂＺｎｏ、　７ｂｓｅ電流注入層（クラッド層）６
と、厚さ０．５ｎのＺｎ５ｅ発光層７と、電流注入層お
よび発光層に対する電極８，９とを有している。電流注
入層はｎ型で低抵抗であり、発光層は高抵抗にしである
。電極９を正の側として電圧を加えると、発光層７にキ
ャリアが注入され約４８００　Ａの青色で発光する。キ
ャリアは電流注入層６へも流れるが、バンドギャップ差
が約０．４　ｅＶあり、バンドギャップ不連続の効果に
より無効電流が減少し、外部量子効率１％と高効率で発
光した。なお、発光層と電流注入層に本発明で開示した
異種材料の組合せを用いると、電流注入層の屈折率が発
光層の屈折率に比べて低くなり、いわゆるクラッド層と
して作用し、光を閉じ込める導波型構造を実現できるの
で、発光効率を高めることができる。

（実施例２）第２図は本発明の第二の実施例を説明する図である。図
において、ＩｎＰ基板１０の上に厚さ２趨のＭｇｏ、　
ｓ。Ｃｄｏ、、。Ｓｅ第一の電流注入層（第一のクラッ
ド層）１１と、厚さ０．３１のＺｎｏ、　ｚ３Ｍｇｏ、
　＋　、ｃｄｏ、　ｂａｓｅ発光層１２、さらに厚さ０
．１ｎのＭｇｏ、　３ｏｃｄｏ、　ｔｏｓｅ第二の電流
注入層（第二のクラッド層）１３と、両電流注入層１１
および１３に対する電極１４．１５を有している。電極
１５を正の側として電圧を加えると、薄い電流注入層１
３を通してキャリアが発光層１２に注入される。この実
施例の構造では、発光層の両側にバンド不連続があり、
キャリアの戻りも少なくすることができている。素子の
抵抗は殆ど高抵抗の電流注入層１３に決っている。本素
子では発光した光は、クラッド層として作用する電流注
入層に挟まれて導波され、主に層に平行な方向へ放出さ
れる。発光波長は約５０００　Ａの青色であり、外部量
子効率は３％が得られた。

（実施例３）第３図は本発明の第三の実施例を示す図である。

図においては、Ｓｔ基板１６にバッファ層１７を介して
ＩｎＰ層１８がありその上に厚さ２１のＣａ６．３＋Ｚ
ｎｏ、　ｂｑＴｅｏ、　３ｏＳｅｏ、　１゜の組成を持
つ第一の電流注入層（第一のクラッド層）１９と、厚さ
０．３１のＣａ０．　Ｉ　５Ｚｎｏ。

ａ７Ｔｅｏ、　４＋ｓｅｏ、　５’１発光層２０、更に
厚さ０．１１のＣａｏ。

３１ＺｎＯ，ｂｑＴｅｏ、　５ｏｓｅｏ、　ｆｆＯ第二
の電流注入層（第ニックラッド層）２１と、両電流注入
層１９及び２１に対する電極２２．２３を有する。発光
部の構造は実施例２と同じであり、従来の発光素子に比
べ発光効率の著しい改善が得られた。発光波長は４６０
０　Ａの青色である。

（実施例４）第４図は本発明の第四の実施例を説明する図である。図
においては、ＩｎＰ基板２４の上に２１厚のＺｎｏ、　
＋　Ｊｇｏ、　＋　ｑＣｄｏ、　ｂａｓｅ第一の電流注
入層（第一のクラッド層）２５と、０．３ｆｌ厚のＺｎ
ｏ、　ａ７ｃｄｏ、　５３Ｓｅ発光層２６、さらに０．
１１厚のＺｎｏ、　＋Ｊｇｏ、　＋ｑＣｄｏ、　ｂａｓ
ｅ第二の電流注入層（第二のクラッド層）２７と、電流
注入層２５．２７に対する電極２８．２９を有している
。

電極２７を正の側として電圧を加えることにより発光し
、その光は両電流注入層間を導波され放出される。上記
組合せによる発光波長は約５９００５．の緑色であり、
外部量子効率は３％が得られた。

（実施例５）第５図は、本発明の第五の実施例を説明する図で、紫色
（波長４０００Ａ　）を得るためのものである。

図においては、ＧａＡｓ基板３０の上に２１厚のＣｄｏ
、＋２Ｍｇｏ、　ａ３Ｚｎｏ、　５ｓＳｅ第一の電流注
入層（第一ノクラッド層）３１と、０．３１厚のＣｄｏ
、　ｏＪｇｏ、　＋５Ｚｎｏ、　７．ｓｆ！発光層３２
、さらに０．１　ｎ厚のＣｄｏ、　＋　Ｊｇｏ、　ｚ３
Ｚｎｏ、　ｓ、Ｓｅ第二の電流注入層（第二のクラ・ン
ド層）３３と、電流注入層３１．３３に対する電極３４
．３５を有してｌ、する。

この実施例の構造におし）でも、実施＠１２〜４と同じ
く、導波型構造を持つため、ギヤ１ノアと光の閉じ込め
が有効に為され、発光効率の高１．ｚ導波光力く層に平
行な方向へ放出される。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、ＩＩ　ａＸ　ｎ　ｂｙＶ
Ｉ　（ｘ＋ｙ＝１）発光層と、これに完全格子整合条件
で接し、発光層より十分バンドギャップエネルギーの大
きいＩＩａｘ−１１ｂｙ−Ｖｌ　（ｘ’＋ｙ’＝１）か
らなる電流注入層とを有することにより、電流注入層が
多く取れ、かつ発光効率の高い、緑色から青色、紫色ま
での可視光短波長を発光する半導体発光素子を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体発光素子の第一の実施例の構造
の概略を示し、第２図は本発明の第二の実施例の構造、
第３図は本発明の第三の実施例の構造、第４図は本発明
の第四の実施例の構造、第５図は本発明の第五の実施例
の構造を示し、第６図は従来技術の発光素子の構造、第
７図はＩ［ａｌＩｂ■化合物固溶体の（１００）面上の
格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示したも
のである。１・・・・Ｚｎ５ｅ基板２・・・・絶縁層３・・・・半透明金属電極４・・・・電極５、３（１・ＧａＡｓ基板６　・・・・Ｃｄｏ、ｏ＠Ｍｇｏ、＋６Ｚｎｏ、ｙ６Ｓ
ｅ６Ｓｅ電流注入・・・Ｚｎ５ｅ発光層８、　９．１４．１５．２２．２３．２Ｂ、　２９．３
４．３５・・・・・・・・電極１０、２４　・・ＩｎＰ基板１１、１３・’Ｍｇｏ、３ｏＣｄｏ、ｖｏＳｅ電流注入
層１２・・・・Ｍｇｏ、＋５Ｚｎｏ、ｚｓＣｄｏ、６ｚ
Ｓｅ発光層、１６・・・・Ｓｔ基板１７・・・・バッファ層１８・・・・ＩｎＰ層１９＋　２１　・・Ｃａｏ、　ｓ＋Ｚｎｏ、　ｂｑＴｅ
ｏ、　３ｏｓＱｏ、　、ｏ電流注入層２（１・・Ｃａｏ
、ｒｓＺｎｏ、ｌ１ｑＴｅｏ、ａＩＳｅｏ、ｓｑ発光層
２５＋　２７　・・Ｚｎｏ、　＋Ｊｇｏ、　＋ｑＣｄｏ
、　ｂａｓｅ電流注入層２６・・・・Ｚｎｏ、４．Ｃｄ
ｏ、５ｓＳｅ発光層３Ｌ　３３　・・Ｃｄｏ、　＋ｚＭ
ｇｏ、　３３Ｚｎｏ、　５５Ｓｅ電流注入層、（２・・
・・Ｃｄｏ、ｏＪｇｏ、＋ＩＩＺｎｏ、１．ｓｅ発光層
第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）化学式IIａ＿ｘIIｂ＿ｙVIで表され、IIａはＭｇ
、Ｃａ、ＢａおよびＳｒ、またIIｂはＺｎおよびＣｄ、
VIはＳ、ＢｅおよびＴｅからそれぞれ選ばれた一種また
は二種以上の元素であり、かつｘ＋ｙ＝１である発光層
と、これに格子整合条件で接し、発光層よリバンドギャ
ップの大きいIIａ＿ｘ＿’IIｂ＿ｙ＿’VI（ｘ’＋ｙ’
＝１）からなる電流注入層とを有することを特徴とする
半導体発光素子。
（２）IIａはＭｇ、IIｂはＺｎおよびＣｄ、VIはＳｅで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導
体発光素子。
（３）IIａはＭｇ、IIｂはＺｎ、VIはＳｅおよびＴｅで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導
体発光素子。
（４）IIａはＣａ、IIｂはＺｎ、VIはＳｅおよびＴｅで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導
体発光素子。
（５）IIａ＿ｘIIｂ＿ｙVIおよびIIａ＿ｘ＿’IIｂｙ＿
’VI層として、ＧａＡｓ単結晶基板に格子整合した構造
を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
項または第３項記載の半導体発光素子。
（６）IIａ＿ｘIIｂ＿ｙVIおよびIIａ＿ｘ＿’IIｂｙ＿
’VI層として、ＩｎＰ単結晶基板に格子整合した構造を
有することを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項
、第３項または第４項記載の半導体発光素子。
（７）IIａ＿ｘIIｂ＿ｙおよびIIａ＿ｘ＿’IIｂ＿ｙ＿
’VI層として、Ｓｉ単結晶基板に格子整合した構造を有
することを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、
第３項または第４項記載の半導体発光素子。