JPH02246175A - 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、化合物半導体発光素子に関するものであり、
さらに詳細に説明するならば、可視光領域の黄色から紫
外で発光する半導体発光素子に関するものである。

（従来の技術） 一般に、半導体からなる発光素子では、ｐｎ接合に電流
注入して、その注入された電子と正孔を再結合させ、発
光させている。従うて、発光再結合効率を高（するため
、結晶欠陥が少なく、無歪の結晶が適している。実際に
、実用になっている素子では、基板上に格子整合する条
件のもとで、エピタキシャル成長した結晶が用いられて
いる。

また、ｐｎ接合からなる素子の方が、ＭＩＳ型より発光
効率が高く、かつ、低電圧で動作する。特に、ｐｎ接合
をホモ接合てはなくヘテロ接合にすると、発光効率はさ
らに高くなる。可視光発光領域の内、特に青色では第５
ｙ！Ｊに示すように視感度が低いため、高強度の発光が
望まれる。

（発明が解決しようとする課題） 青色発光素子用材料として、Ｚｎ５ｅやＺｎＴａが期待
されている。しかしながら、今までに報告されているＺ
ａＳｅやＺｎＴｅは、それぞれｎ形、ｐ形しか得られて
いない、これらの混晶の格子定数が異なっているため、
２０両混晶を重ねても良賀のｐｎ接合が得られない、そ
のため、従来、ｐｎ接合を必要としないＭＩＳ型の発光
素子が作られているだけである。その−例を第６図に示
す０図において、基板１は単結晶ＧａＡｓである。その
上にエピタキシャル成長したｎ形Ｚｏｎｅ層２と、ノン
ドープ高抵抗Ｚｎ５ｅ層３を有し、電極゛４．５からキ
ャリアを注入して、高抵抗層内で発光させている。上述
したように、このＭＩＳ型では発光強度を十分に上げる
ことができないという欠点を有している。

本発明の目的は上記の欠点を解決し、大電流の注入が可
能であり、発光効率の高い、発光層の材料組成を選択す
ることにより可視域から紫外域までに渡る広い波長領域
の光を発する半導体発光素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明は閃亜鉛鉱型結晶構
造を有する＾ＩＡｓ、　ＡＩＰ、　ＢｅＴａ＋　ＣｄＳ
、　ＣｕＢｒ＋ＣｕＬ　ａｇｓ、　ｆ＾ｓ、　ＭｎＳ、
　Ｍｎ５ａ、　Ｚｎ５ｅ、　ＧａｇＴｅ、。

Ｚｎ５ｎＡｓｘ＋　ＩｎＰ＋　ＧａＡａやＧａＰ等の単
結晶、及びこれらの固溶体、あるいは他の元素をも含む
固溶体からなる単結晶基板上に格子整合して成長したＺ
ｎＳ、５ｅｙＴｅｓ層（ｘ＋ｙ＋ｚ−１％かつ、０≦Ｘ
。

ｙ、ｚ≦１）を少なくとも一層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。

さらに本発明は、ＮａＣ１型結晶構造を有するＧｄＳｅ
。

ＮｄＡｓ、　ＮｄＰ、　ＮｄＳ、　ＮｄＳｅ、　ＰｂＳ
、　ＰｒＡｓ、　ＰｒＰ、　Ｐｒｙ。

Ｐｒｙｓ、　　ＰｕＡｓ、　　Ｐｕｐ、　　Ｐｕｓ、　
　ＲｂＦ、　　５ｃＡｓ、　　５ｃＳｂ＋　　Ｓ−＾３
゜ＳｍＰ＋　　５ｗ５Ｉ　　　Ｓ−＾Ｌ　　ＴｂＡｓ、
　　ＴｂＰ、　　ＴｂＳ、　　ＴｂＳ＠、　　丁ｈＡｓ
。

ＴｈＰ、　　丁ｈｓ＋　　Ｔｈ５ａ、　　！−＾Ｌ　　
ＩＪＡｓ＋　　ＵＰ、　　ＵＳ、　　ＵＳｅ＋　　ＹＡ
ｓｓＹｂＳｂ、　’ｔｂｓ＠等の単結晶、及びこれらの
固溶体、あるいは池の元素をも含む固溶体からなる単結
晶基板上に格子整合して成長したＺｎＳ、Ｓｅ、Ｔｅａ
層（ｘ＋ｙ＋ｚ−１、かつ、０≦Ｘ、７．ｔ≦１）を少
なくとも一層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。

さらに本発明は、ダイアモンド型結晶構造を有するシリ
コンやゲルマニュウムの単結晶、及びこれらの固溶体、
あるいは他の元素をも含む固溶体からなる単結晶基板上
に格子整合して成長したＺｎＳ、５ｅ、７０．層（ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１、かつ、０≦Ｘ。

ｙ、ｚ≦１）を少な（とも−層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。

ＺｎＴａ、　Ｚｎ５ｅｓ及びＺｎＳの結晶構造は、全て
閃亜鉛鉱型である。また、そのバンド構造は直接遷移型
である。第７図に格子定数とバンドギャップエネルギと
の関係を示す６図中−点鎖線はそれぞれＩｎＰ、　Ｇａ
ＡｓやＧａＰ単結晶の格子定数を示す、この図からＩｎ
Ｐ＋　ＧａＡａやＧａＰ単結晶を、ＺｎＴｅ、　Ｚｏｎ
ｅ及びＺｎＳからなる二元、三元、或は四元混晶のエピ
タキシ中ル成長基板に用いれば、基板とエピタキシャル
結晶層は格子整合することが分かる０図から明らかなよ
うに、基板とエピタキシャル層を格子整合させて、バン
ドギャップエネルギの異なる材料の多層構造を形成でき
る。この格子整合は、欠陥のない結晶を得るための必須
の条件である。

また、伝導型がｐ形となり易いＺｒ＋Ｔａと伝導型がｎ
形となりやすいＺｎＳ、　Ｚｎ５ｅを固溶させるため、
伝導型制御が二元結晶の時よりも容易となる。

（作用） （１）　　ＩＩ−ＩＶ族の半導体は、ｐ形成はｎ形どち
らか片一方の伝導型だけしか得られていない、しかし、
本発明ではそれらの固溶体を用いることにより伝湯室を
制御でき、ｐ形でもｎ形でも得ることができる。

Ｑ）本発明では、基板とエピタキシャル層の格子整合を
とりなからへテロ接合が形成できる。このヘテロ接合を
用いることにより、電流注入で発光する素子の発光効率
が飛躍的に向上する。二のへテロ接合は発光素子の発光
効率を上げるために必須である。従来はへテロ接合は形
成できなかったものである。

次に本発明の実施例について説明する。なお、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図は本発明の第１の実施例を説明する図であり、発
光ダイオードの断面を示す、この素子の基本的構造はダ
ブルへテロ構造であり、図において、６はＧａＡｓ基板
、７はヨウ素ドープｎ形ＺｎＳ。

Ｓｅ、Ｔｏ、　（ｘ　＋　ｙ　＋　ｚ　−１、かつ、０
≦Ｘ＋　　Ｆ＋　　Ｚ≦１）　（以下Ｚｎ５ＳｅＴｅと
記す）クラッド層で膜厚は０．５ｎ、８はノンドープＺ
ｎＳＳｅ活性層で膜厚は０．５Ｊ１ｍ、９は窒素ドープ
ｐ形Ｚｎ５Ｓｅｔｅクラッド層て膜厚は２ａ、１０はｐ
形りラッド層のオーミック電極、１１はｎ形りラッド層
のオーミック電極を示す、ここに示した全てのＺｎＳＳ
ｅ及びＺｎ５ＳｅＴｅ層は、基板６に格子整合してエピ
タキシャル成長した半導体結晶層である。また、クラッ
ド層と活性層とのバンドギャップエネルギ差が大きくな
るように、Ｚｎ５ＳｅＴｅクラッド層の組成を第７図か
ら選んだ。

活性層とクラッド層間のバンドギャップエネルギ差が大
きいほど、電流注入時にキャリアのオーバーフローを生
じない、そのため、効率よく発光させることができる。

電極１０．１１にそれぞれ正と負の電圧を加えることに
より、電極１０．１１からそれぞれ正孔と電子を発光層
に注入した。その結果、波長４５０ｒｖの青色発光を観
測できた。最大光出力は１３１であり、外部微分量子効
率は３％であった。

（実施例２） 第２図は本発明の第２の実施例を説明する図であり、素
子の断面を示す、この素子はレーザである。基本的構造
はダブルへテロ構造を有する埋め込みレーザである０図
において、１２はＧａＡｓ基板、１３ばヨウ素ドープｎ
形Ｚｎ５ＳｅＴｅクラッド層で、膜厚は５ｎ、１４はノ
ンドープＺｎＳＳｅ活性層で膜厚は０、Ｉｎ、１５は窒
素ドープｐ形Ｚｎ５ＳｅＴｅクラッド層で膜厚は２ｎ％
１６１！素ドープｐ形Ｚｎ５ＳｅＴｅ埋め込み層、１７
はヨウ素ドープｎ形Ｚｎ５ＳｅＴｅ埋め込み層、１８は
ｐ形りラッド層のオーミック電極、１９はｎ形りラッド
層のオーミック電極を示す、ここに示した全てのＺｎ５
Ｓａ及びＺｎ５ＳｅＴｅ層は、基板に格子整合してエピ
タキシャル成長した半導体結晶層である。また、クラッ
ド層及び埋め込み層と活性層とのバンドギャップエネル
ギ差が大きくなるように、Ｚｎ５ＳｅＴｅクラッド層の
組成を第７図から選んだ。

共振器長は３０Ｏｎで、活性層幅は０．８１である。

一般に、短波長発振素子で問題となるＣ０Ｄ（Ｃａｔａ
ｓｔｏｒａｐｈｉｃ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ）
レベルを上げるために、電極１８は両端面からＩｏｎ内
側まで形成した。また、熱伝導を良くするために基板の
厚さを６Ｏｎと薄くし、ダイヤモンド・ヒートシンク上
にマウントした。電極１８．１９にそれぞれ正と負の電
圧を加える。そうすると一般にＩｎＰ系やＧａＡｌ系を
用いた埋め込みレーザと同様に、埋め込み層１６と１７
のｐｎ接合には逆バイアスがかかり、埋め込み層には電
流が流れず、活性層にだけ電流が流れる。また、埋め込
み層やクラッド層より活性層の屈折率の方が高いため、
活性層で発生した光は活性層に閉じ込められる。従って
、電流を活性層に挟挿でき、光を活性層に閉じ込めるこ
とができる。

その結果、低閾値電流で外部微分量子効率の高い動作が
可能になる。

次に、室温でのＣＷ特性を示す、光出力と注入電流の関
係を第３図に、発振スペクトルを第４図に示す、第３図
では横軸に注入電流、縦軸に光出力をとっており、第４
図では横軸に波長、縦軸に強度をとっである０発振閾値
電流は４８■Ａで、発振波長は４５２ｎ■で、端面当り
の外部微分量子効率は２７％であった。また、端面当り
の最大光出力は１３請−であり、横モードは単一であっ
た。

ここでは、活性層としてＺｎ５ＳｅＴｅを選んだが、基
板に格子整合する組成のＺｎ５ＳｅＴｅを選べば、Ｚｎ
５Ｓｓを活性層とした場合と異なった発振波長のレーザ
を同様に製作できる。また、ｐ形電極のオーミック抵抗
を下げるために、ｐ形りラッド層と電極との間に低抵抗
になり易いバンドギャップの狭いＺｎ５ＳｅＴｅ層のｐ
形層をキャップ層として一層入れても良い。

実施例として、素子の基板にＧａｋｓを用いた場合を示
したが、エピタキシャル層と格子整合する基板であれば
、どんな基板であっても良いことは明らかである。

（１）　　例えば、閃亜鉛鉱型結晶構造を有するＡｌＡ
ｓ＋ＡＩＰ＋　ＢｓＴｅ、　ＣｄＳ、　ＣｕＢｒ＋　Ｃ
ｕ１．　ＨｇＳ＋　ＩｎＡｓ、　ＭｎＳ。

Ｍｏ５ｓ、　　Ｚｎ５ｅ、　　Ｇａ１Ｔｅｓ＋　　Ｚｎ
５ｎＡａｔ＋　　１７１ＰＩ　　ＧａＡｓやＧａＰ等の
単結晶、及びこれらの固溶体、あるいは他の元素をも含
む固溶体からなる単結晶基板を用いることもできる。

Ｃ）　例えば、ＮａＣｌ型結晶構造を有するＧｄ５ｅｅ
　ＮｄＡａｓＮｄＰ、　ＮｄＳ、　ＮｄＳｅ、　ＰｂＳ
、　ＰｒＡｓ＋　ＰｒＰ、　Ｐｒｙ、　Ｆｒｅｅ。

ＰｕＡｓ、ＰｕＰ、Ｐｕｓ、ＲｂＦ＋　　５ｃＡｓ、５
ｃａｂ、ＳｍＡｓ＋　　ＳｍＰ＋ＳｍＳ、　　Ｓｓ＋Ａ
ｓ、　　ＴｂＡｓ＋　　ＴｂＰ＋　　ＴｂＳ＋　　Ｔｂ
Ｓｅ、　　↑ｈｘｓｔ　　ＴｂＰＩＴｈＳ＋　　ＴｈＳ
ｅ、ＴｌｌＡｓ＋　　ＵＡｓ＋　　υＰ、　　ＵＳ＋　
　ＵＳｅｔ　　ＹＡｓ＋　　ＹｂＳｂ＋ＹｂＳｅ等の単
結晶、及びこれらの固溶体、あるいは他の元素をも含む
固溶体からなる単結晶基板を用いることができる。

（３）また、ダイアモンド型結晶構造を有するシリコン
やゲルマニュウムの単結晶、及びこれらの固溶体、ある
いは他の元素をも含む固溶体からなる単結晶基板を用い
ることもできる。

また、以上述べてきた素子構造の他に、他の素子構造て
あっても基板とその上に成長した結晶の格子定数を一致
させるという本発明の基本原理は、きわめて有効である
ことは言うまでもない。

（発明の効果） 以上説明したように、基板と格子整合した結晶を基板上
にエピタキシャル成長することにより、欠陥の極めて少
ない良質の結晶が得られる。その結果、伝導型の制御も
可能となり、実施例１と２に示したように電流注入によ
る発光が可能となる利点がある。電流注入による発光は
ＭＩＳ型構造による発光より桁違いに強いと一般的に言
われている０本発明の実施例においても、従来からある
ＭＩＳ型素子と比べてはるかに強い発光が得られている
。青色発光などの可視の短波長領域では、視感度が低い
、従って、表示装置等にこの波長域の素子を用いる場合
、発光ダイオードより、より発光強度の高いレーザが望
ましい０本発明によれば、実施例にも示したように、レ
ーザを作ることもできるという利点がある。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図はそれぞれ本発明の実施例１及び実施
例２の構造の概略を示す、第３図は本発明の実施例２に
おける室温・ＣＷ動作時の片端面からの光出力と注入電
流との関係、第４図は本発明の実施例２における室温値
・ＣＷ動作時の発振スペクトルを示す、第５図は視感度
曲線、第６図は従来技術のＭｒＳ型発光発光素子造の概
略、第７図は格子定数とバンドギャップエネルギの関係
を示す。 ｌ　・　・　・ ２　・　・　・ ３　・　・　・ ４．５・ ６　・　・　・ ７　・　・　・ ８　・　・　・ ９　・　・　・ ｌＯ・　・　・ １１・　・　・ １２・　・　・ １３・　・　・ １４・　・　・ １５・　・　・ １６・　・　・ １７・　・　・ １８・　・　・ １９・　・　・ ・ＧａＡｓ基板 ・ｎ形Ｚｎ５ｅ層 ・ノンドープ高抵抗Ｚｎ５ｅ層 ・金電極 ・ＧａＡｓ基板 ・ヨウ素ドープＺｎ５ＳｅＴｅクラツド層・ノンドープ
ＺｎＳＳｅ発光層 ・窒素ドープＺｎ５ＳｅＴｅクラツド層・ｐ形オーミッ
ク電極 ・ｎ形オーミック電掻 ・ＧａＡｓ基板 ・ヨウ素ドープＺｎ５ＳｅＴｅクラツド層・ノンドープ
ＺｎＳＳｅ発光層 ・窒素ドープＺｎ５ＳａＴｅクラツド層・ヨウ素ドープ
Ｚｎ５ＳｅＴｅ埋め込み層・窒素ドープＺｎ５ＳｅＴａ
埋め込み層・ｐ形オーミック電極 ・ｎ形オーミック電極 第 図 第２図 １”）−ｉ％）−ＴＺｎＳ５ｅＴｅ７７ｙト４］９・・
・ｎ形トミッ７て棲 第 図 第 図 第３図 注入１１ （ｍＡ） 坂 長 （ｎｍ） 第 図 バシドギ≧・ソアＬ冬ルＡ“ （ｅＶ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）閃亜鉛鉱型結晶構造を有するＡｌＡｓ、ＡｌＰ、
   ＢｅＴｅ、ＣｄＳ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＨｇＳ、ＩｎＡ
   ｓ、ＭｎＳ、ＭｎＳｅ、ＺｎＳｅ、ＧＡ＿２Ｔｅ＿３、
   ＺｎＳｎＡｓ＿２、ＩｎＰ、ＧａＡｓやＧａＰ等の単結
   晶、及びこれらの固溶体、あるいは他の元素をも含む固
   溶体からなる単結晶基板上に格子整合して成長したＺｎ
   Ｓ＿ｘＳｅ＿ｙＴｅ＿ｚ層（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、かつ、０
   ≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）を少なくとも一層有することを特徴
   とする半導体発光素子。
2. （２）ＮａＣｌ型結晶構造を有するＧｄＳｅ、ＮｄＡｓ
   、ＮｄＰ、ＮｄＳ、ＮｄＳｅ、ＰｂＳ、ＰｒＡｓ、Ｐｒ
   Ｐ、ＰｒＳ、ＰｒＳｅ、ＰｕＡｓ、ＰｕＰ、ＰｕＳ、Ｒ
   ｂＦ、ＳｃＡｓ、ＳｃＳｂ、ＳｍＡｓ、ＳｍＰ、ＳｍＳ
   、ＳｍＡｓ、ＴｂＡｓ、ＴｂＰ、ＴｂＳ、ＴｂＳｅ、Ｔ
   ｈＡｓ、ＴｈＰ、ＴｈＳ、ＴｈＳｅ、ＴｍＡｓ、ＵＡｓ
   、ＵＰ、ＵＳ、ＵＳｅ、ＹＡｓ、ＹｂＳｂ、ＹｂＳｅ等
   の単結晶、及びこれらの固溶体、あるいは他の元素をも
   含む固溶体からなる単結晶基板上に格子整合して成長し
   たＺｎＳ＿ｘＳｅ＿ｙＴｅ＿ｚ層（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、か
   つ、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）を少なくとも一層有すること
   を特徴とする半導体発光素子。
3. （３）ダイアモンド型結晶構造を有するシリコンやゲル
   マニュウムの単結晶、及びこれらの固溶体、あるいは他
   の元素をも含む固溶体からなる単結晶基板上に格子整合
   して成長したＺｎＳ＿ｘＳｅ＿ｙＴｅ＿ｚ層（ｘ＋ｙ＋
   ｚ＝１、かつ、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）を少なくとも一層
   有することを特徴とする半導体発光素子。