JPH01194371A - 半導体発光素子 - Google Patents

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、発光波長を変化させることができ、かつ発光
効率の高い半導体発光素子に関するものである。

［従来の技術］ 化合物半導体を用いて発光ダイオードや半導体レーザー
等の発光素子が作製されている。これら発光素子の発光
波長は、作製に用いる半導体の組成と、作製した構造と
によって決定される。

発光波長の異なる素子を作製する際には、活性層となる
領域の組成を変え、禁制帯の幅を変化させる手法が一般
的である。しかし、組成の変化に伴って格子定数が変化
するため、格子不整合により結晶の質が悪化して、素子
寿命の低下や発光効率の低下等をもたらす。そのため、
格子不整合を緩和する構造を設計することが新たに必要
となる。

加えて、結晶成長時における最適条件も組成に応じて変
化するため、結晶成長条件の設定にも多大の労力を必要
とする。

素子の基本的な構造と組成に大幅な変更を加えることな
しに、発光波長を変化させることが可能であれば、構造
設計や条件設定に要する時間と労力を節約でき、素子の
信頼性も向上する。

発光の効率を高めるためには、ドナーあるいはアクセプ
ターとなる不純物濃度を高めることが必要である。その
理由は、このような不純物は発光に関与するキャリアの
数を増やすからである。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、不純物元素は化合物半導体の構成元素と比較す
ると、原子値も原子半径も異なっている。そのため、結
晶欠陥を誘発しやすく、過度にドーピングした場合には
、却って、かかる結晶欠陥のために発光効率は再び減少
する。

そこで、本発明の目的は、発光素子作製用の化合物半導
体の結晶性を損なうことなく、簡単な構造により発光波
長を変化させ、発光効率を高めるようにした半導体発光
素子を提供することにある。

１課題を解決するための手段］ 周期律表において同じ族に属する元素をドーパントとし
て用いることがある。間接遷移型の半導体であるガリウ
ムリン（ＧａＰ）　に窒素をドープしたものが、発光ダ
イオードを作製するために用いられている。その場合、
ＧａＰにおけるリンの格子点の一部を占める窒素原子は
、電子親和力の差により結晶中の電子を引き寄せ、エキ
シトン（励起子）を形成する。このエキシトンが再結合
により消滅する際に発光する。このようにエキシトンを
積極的に形成することにより、発光効率を向上させるこ
とができる。

本発明では、かかる事実の認識の下に、化合物半導体中
に、その構成元素と周期律表において同じ族に属する元
素（以下、同族元素と略す）を用いて、１枚あるいは複
数枚の単原子層を形成する。

すなわち、請求項１の発明は、化合物半導体中に、その
構成元素の一つと周期律表において同じ族に属する元素
で構成される少くとも１層の単原子層を、単独で、また
は連続して、または一定の間隔をおいて埋め込んだ構造
を活性領域としたことを特徴とする 請求項２の発明は、請求項１に記載の構造を超格子構造
におけるバンドギャップの低い層、または量子井戸構造
の井戸層に設けたことを特徴とする。

［作　用］ 発光素子の発光領域にこのように単原子層を配置するこ
とは、波長を変化させ、発光効率を高める効果を持つ。

化合物半導体の構成元素の一部をランダムに同族元素と
置き換えた場合、同族元素の比率に応じて禁制帯幅が変
化し、発光波長が変化する。それと同時に、構成元素を
置き換えた領域の格子定数も変化するため、基板や他の
領域との格子不整合が問題となる。

ある化合物半導体中に同族元素の単原子層を形成する場
合、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）中のインジウム（Ｉｎ）
のように、原子の半径が大きく異なる場合であっても、
その単原子層は結晶に欠陥を生成しない。しかも、この
単原子層は発光波長を変化させ、かつ発光効率を増加さ
せる効果を持つ。

複数枚の単原子層を持つ構造においては、原子層の枚数
および原子層間の間隔を変化させることにより、発光波
長が変化する。

本発明はこれらの新しい発見に基づいて完成したもので
ある。

単原子層を形成している同族元素の電子親和力が周囲よ
り強い場合には、この原子層は周囲に存在する電子を引
き寄せる力を持つ。電子を引き寄せマイナスに帯電した
原子はクーロン引力により正孔を捕らえ、エキシトン（
励起子）を形成する。このエキシトンは単原子層に２次
元的に束縛されている。エキシトンは電子と正孔との再
結合によって消滅するが、その際に発光する。複数枚の
単原子層がある場合には、原子層間の間隔によりエキシ
トンの束縛状態が変化する。そのため束縛エネルギーが
変化し、エキシトンからの発光波長が変化する。また、
単原子層を形成している同族元素の電子親和力が周囲よ
り弱い場合には、原子層には電子が存在しにくいため正
孔が引き寄せられる。プラスに帯電した原子層はクーロ
ン引力によって電子を捕らえるため、やはり２次元的に
束縛されたエキシトンを形成する。

束縛されたエキシトンが消滅する際に生じる発光は強く
、高い発光効率が得られる。その−例として、ＧａＰに
窒素をドープしたものは、窒素に束縛されたエキシトン
が発光するため、間接遷移型の半導体であるにも拘らず
、高い発光効率を持つことが挙げられる。

超格子構造あるいは量子井戸構造の井戸層内に同族元素
の単原子層を形成することは、井戸内に閉じ込められて
いる電子あるいは正孔をさらに引き寄せ、井戸内のある
部分に束縛する効果がある。このような効果は井戸層や
障壁層の厚さを変化させることなくエキシトンの束縛エ
ネルギーを変化させること、すなわち発光波長を変化さ
せることを可能にする。

本発明による発光素子の作製においては、発光傾城とな
る化合物半導体中に同族元素の単原子層を形成する。単
原子層の枚数と、その層間の間隔を変化させることによ
り、格子欠陥を話発せず、発光領域の全体としての格子
定数を変化させることなく、波長を変化させることが可
能となる。また、同族元素の原子層に２次元的に束縛さ
れたエキシトンが発光するため、高い発光効率が得られ
た。

［実施例］ 以下に、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

以下に述べる本発明の実施例１．２および３では、Ｇａ
Ａｓ中にＧａと同族元素であるＩｎを用いて、単原子層
を形成した。ここでＩｎ原子はＧａＡｓ中でＧａの格子
点を占める。単原子層を持つ構造の作製にはＦＭＥ（Ｆ
ｌｏｗ　ｒａｔｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）法を用いた。ＦＭＥ法はＭＯＣＶＤ法を基礎とし
ており、ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを交互に供
給して結晶を成長させる方法である。ＦＭＥ法によれば
、成長中、常に成長界面を原子レベルで平坦に保つこと
ができ、良質な単原子層が形成できる。

すなわち、本実施例では、ＩＩＩ族原粗原料てトリエチ
ルガリウム（ＴＥＧ）　とトリエチルガリウム（ＴＥＩ
）を、Ｖ族原料としてアルシンＣ砒化水素）を用いてＦ
ＭＥ法を適用し、ＩＩＩ族およびＶ族の原料ガスをそれ
ぞれ１秒ずつ供給し、これを１サイクルとした。ここで
、１サイクル当りの成長量が１原子層分になるように、
原料ガスの流量を設定した。

なお、ＴＥＧに代えてＴＥＩを１サイクル供給すると、
Ｉｎの単原子層が形成される。

実施例１．２ 第１図に本発明の実施例１としてのＧａＡｓＰＮ接合ダ
イオードの層構造を示す。ここでは、ＧａＡｓ発光層に
Ｉｎ単原子層を１枚埋め込んでＰＮ接合ダイオードを構
成する。

第１図において、１はオーミック電極、２はｎ型のＧａ
Ａｓ基板であり、この基板１の一方の主面に電極１を被
着する。３はｎ型にドープしたＧａＡｓエピタキシャル
層、４はノンドープＧａＡｓエピタキシャル層、５はＩ
ｎ単原子層、６はノンドープＧａＡｓ層、７はｐ型にド
ープしたＧａＡｓエピタキシャル層であり、これら各層
３〜７をこの順序で基板２の他方の主面上に配置する。

８はオーミック電極であり、層７の上に配置する。

第２図は本発明の実施例２として、ＡｌＧａ八５−へａ
Ａｓ量子井戸構造の井戸部分にＩｎの単原子層を埋め込
んだダブルへテロ（ＤＨ）型ダイオードの層構造を示す
。

第２図において、１はオーミック電極、２はｎ型のＧａ
Ａｓ基板であり、この基板１の一方の主面に電８ｉ１を
被着する。１３はｎ型にドープしたＡｌＧａＡｓエピタ
キシャル層、４はノンドープＧａＡｓエピタキシャル層
、５はＩｎ単原子層、６はノンドープＧａＡｓ層、１７
はｐ型にドープしたＡｌＧａＡｓのエピタキシャル層、
１９はＧａＡｓキャップ層であり、これら各層１３、４
．　５．　６．１７．１９をこの順序で基板２の他方の
主面上に配置する。８はオーミック電極であり、層１９
の上に配置する。

次に、以上に示した実施例１および２の構造の特性を以
下に説明する。

第３図はＧａＡｓ層４．６中にＩｎＪＩＬ原子層５を埋
め込んだ実施例１の構造における活性層の液体ヘリウム
を用いた低温（２に）での発光特性である実施例１およ
び２では、第３図かられかるように、ＧａＡｓのみ成長
させた通常の試料によるスペクトルＩＩ（発光強度は１
００倍して示しである）と本発明の実施例１の場合のス
ペクトルＩとを比較すると、本発明の場合には、従来例
には見られない、非常に強く、半値幅の小さい発光が観
測された。この発光の半値幅は通常の不純物による発光
の半値幅に比べて、遥かに小さい。また、Ｉｎの単原子
層５が関与した発光より高エネルギー側にＧａＡｓのエ
キシトンによる発光が観測されている。このＧａＡｓか
らの発光は、強度および半値幅共に、ＦＭＥ法により作
製したノンドープＧａＡｓからの発光に匹敵する。これ
は、Ｉｎ単原子層５を成長した後にこのＩｎ層５より上
に成長したＧａＡｓ層６が、格子欠陥を含まず良質であ
ることを示している。

第４図は実施例１によるＰＮ接合ダイオードの活性層に
おける液体窒素温度（７７Ｋ）での発光特性を示す。こ
こで、右側のスペクトルＩはＩｎ単原子層を持つ実施例
１の素子の場合を示し、左側のスペクトルＩＩは同一条
件で成長したＧａＡｓのみの従来例の素子からのスペク
トルである。Ｉｎ単原子層を持つ素子は持たない素子に
比べて強い発光を示した。また、発光波長も長波長側に
シフトしている。なお、発光効率の向上は室温での測定
によっても確認されている。

ＩｎはＧａに比べ電子親和力が大きいため、電子を引き
寄せ、エキシトンを形成する。この２次元的に束縛され
たエキシトンが、再結合によって消滅する際に強い発光
を示す、また、エキシトンの束縛エネルギー分だけ、発
光波長を長波長側へ変化させる。

ＩｎＡｓはＧａＡｓより７．４％格子定数が大きい、こ
の７．４％という差は、ＧａＰとＧａＡｓの３．４％、
ＩｎＰとＩｎＡｓの３．２％、ＧａＡｓと＾ＩＡｓの０
．２％等、他の化合物半導体の組合わせにおける差より
も大きい０本発明によれば、ＧａＡｓ中のＩｎ単原子層
が結晶に欠陥を誘発しないことが明らかとなった。した
がって、他の化合物半導体の組合せにおいても、単原子
層を含まないものと同程度の良質の結晶が得られる。

このように化合物半導体中の同族元素の単原子層によっ
て、結晶の質を劣化させることなく発光波長を変化させ
、発光効率を向上させることが可能である。

実施例３ 実施例１と同一条件で、ＧａＡｓ発光層中にＩｎ単原子
層を２層有する構造を作製した。ここで、残余の構造は
第１図と同様とした。この２層のＩｎ単原子層はＮ層（
Ｎは２枚のＩｎ単原子層の間の距離をＧａＡｓの層数で
表したものであり、２以上の正整数である。）のＧａＡ
ｓ層で離隔されている。

第５図に層数Ｎを種々変えた場合のかかる構造の低温（
２に）における発光特性を示す。Ｉｎ原子層間の距離に
相当するＮを減少させると、発光波長は長波長側へと変
化した。発光波長は大幅に変化しているが、Ｎが１０以
上であれば発光強度には大きな変化が見られなかった。

これより、Ｉｎ単原子層の間隔がｌＯ層程度以上あれば
、ＩｎとＧａの原子半径の差による欠陥は生じないもの
と考えられる。

単原子層が２層以上存在し、その距離がエキシトンの半
径より小さい場合、エキシトンは両方の原子層に束縛さ
れるものと考えられる。複数の原子層に束縛される場合
は、１層の単原子層に束縛される場合に比べ、エキシト
ンは安定な状態で存在する。そのため、エキシトンの束
縛エネルギーが増加し、発光波長は長波長側に変化する
。また、単原子層の間隔が小さい場合は、より狭い領域
にエキシトンを束縛することになり、束縛エネルギーが
より大きくなる。したがって単原子層間の距離を変化さ
せることによって、発光波長を変化させることが可能で
ある。

なお、上述した実施例１または２の単原子層を連続して
数層、たとえば２〜３層連続して配置することもできる
。

あるいはまた、実施例２と同様にして、量子井戸構造が
多数配置されてなる超格子構造におけるバンドギャップ
の低い側の層に、単独のまたは連続した複数層の単原子
層、あるいは一定の間隔をおいて設けた複数層の単原子
層を設けることもできる。

［発明の効果］ 以上説明したところから明らかなように、本発明によれ
ば、化合物半導体中に同族元素の単原子層を埋め込むこ
とにより、エキシトンを２次元的に束縛し、それによっ
て発光効率を向上させることが可能である。しかもまた
、複数の単原子層を形成し、眉間の距離を変化させるこ
とにより発光波長を変化させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の２実施例として、Ｇａ
Ａｓ発光層にＩｎ車原子面を埋め込んだＰＮ接合ダイオ
ード、および＾１ＧａＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸構造にＩ
ｎ単原子層を埋め込んだダブルへテロダイオードを、そ
れぞれ、示す断面図、 第３図は、ＧａＡｓ中にＩｎの単原子層面が１枚形成さ
れている実施例１の構造についての低温（２に）での発
光スペクトルを従来例と対比して示す発光特性図、 第４図は、ＧａＡｓ中にＩｎの単原子層面が１枚形成さ
れている実施例１の構造についての液体窒素温度（７７
Ｋ）での発光スペクトルを比較のために同一条件で成長
したノンドープＧａＡｓのスペクトルと併せて示す発光
特性図、 第５図はＧａＡｓ中に２枚のＩｎ単原子層を持つ構造の
実施例についての低温（２に）での発光スペクトルを示
す発光特性図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）化合物半導体中に、その構成元素の一つと周期律表
   において同じ族に属する元素で構成される少くとも１層
   の単原子層を、単独で、または連続して、または一定の
   間隔をおいて埋め込んだ構造を活性領域としたことを特
   徴とする半導体発光素子。 ２）請求項１に記載の前記構造を超格子構造におけるバ
   ンドギャップの低い層、または量子井戸構造の井戸層に
   設けたことを特徴とする半導体発光素子。