JPH0391270A - 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、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層を用いた半導体
発光素子に関するものである。

（従来の極術） 近年、レーザ・ディスクやレーザ・プリンタなどにみら
れるように、光情報分野の進展にはめざましいものがあ
る。こうした分野では、光源として赤色の半導体レーザ
が使用されているが、大容量記録、高速読み出し、高速
印刷等に対応するためには、高出力化に加えてレーザの
短波長化が必要とされている。このため半導体レーザの
短波長化の研究も進んでいるが、緑ないし青色波長域（
０，３〜０．６μｍ）の半導体レーザは実現していない
。一方、各種表示素子に用いられている発光タイオード
をフルカラー素子として利用するためには、現在実用と
なっている赤色、緑色に加えて、青色の発光ダイオード
が必要となるか、現在実用となるものはできていない。

ＺｎＳ、　Ｚｎ５ｅ　　などのＺｎ系ＩＩ−ＶＩ族半導
体及びその混晶は、直接遷移型の広い禁止帯を有するた
め、緑色ないし青色の発光素子として有望視されている
。

更にＺｎ系ＩＩ−ＶＩｌ族環導体、大きな非線形光学係
数を有するため、第２次高調波発生素子や光双安定素子
などの新機能素子にも有効であるといわれている。

第４図に主なＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（ＺｎＳ。

Ｚｎ５ｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ　、　ＺｎＴｅ、１１：ｄ
Ｔｅ　）　、ｍ−Ｖ族化合物半導体（ＧａＡｓ、ＧａＰ
、ＩｎＰ）　、及びＩＶ族半導体（Ｇｅ）の格子定数と
禁止帯幅の関係を示す。

（発明が解決しようとする課題） しかし、Ｚｎ系１ｌ−ＶＩｌ族環導体ＧａＡｓなどの■
Ｖ族基板上に高品質な結晶が成長できないという問題が
ある。この原因は主に、成長層と基板の線膨張係数の違
いにより、温度変化によって成長層が力を受は歪むため
である。

第５図は従来の化合物半導体の温度−格子定数特性図で
あり、室温でＧａＡｓ基板にほぼ格子整合するＺｎ５ｏ
、ｏ６ｓｅｏ、ｇ４．５００°ＣでＧａＡｓ基板にほぼ
格子整合するＺｎ５ｏ、　ｏｃ＋ｓｅｏ、　９□及びＧ
ａＡｓの格子定数と温度との特性をそれぞれ示したもの
である。図から明らかなように、室温ではＺｎ５ｏ、。

ａＳｅｏ、　＋１４とＧａＡｓはほぼ格子整合するが、
例えば成長温度の５００°Ｃでは約０．１３％と比較的
大きな格子不整合が存在することになる。従って、実際
にＺｎ５ｏ、。６Ｓｅｏ、　９４をＧａＡｓ基板上に成
長温度として４００〜６００°Ｃで成長した場合には、
成長時に歪みが発生し、格子欠陥や基板からの不純物拡
散を生じる。

一方、Ｚｎ５ｏ、　ｏ９Ｓｅｏ、　ｌｌｉは、成長温度
５００°ＣでＧａＡｓ基板にほぼ格子整合するが、室温
では約０．１３％の不整合があるため、温度を下げると
成長層が歪み、やはり格子欠陥や基板からの不純物拡散
を生じる。

以上のように、従来技術ではＺｎ系■−■族化合物半導
体をＧａＡｓ、　ＧａＰ、　ＩｎＰなどのｍ−ｖ族化合
物半導体基板あるいはＧｅ、　Ｓｉなどの■族基板上に
成長すると、温度変化により成長層が歪を受けるため、
高品質な成長層を得ることが困難であり、高蛛能な素子
は実現できなかった。

本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解決する
ためになされたもので、温度変化に関係なく基板と基板
上に積層する化合物半導体層とがほぼ格子整合し高品質
な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） 本発明の特徴は、ｍ−ｖ族化合物半導体またはＩＶ族半
導体からなる半導体基板と、該基板とほぼ格子整合し、
かつ線膨張係数がほぼ等しいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
層とで構成したことにある。

（作用） 上記構成で、■−■族化合物半導体層は基板と格子整合
し、かつ線膨張係数が基板のそれとほぼ等しいので、温
度変化による成長層の歪がなく、従って発明の目的が達
成される。

（実施例１） 以下に、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

なお、以下では説明をわかりやくするために、基板材料
としてＧａＡｓ、基板上に積層する化合物半導体層とし
てＺｎ系半導体とＣｄ系半導体の混晶系を例にとり説明
する。

第１図は、本発明による第１の実施例であり、短波長帯
半導体発光素子の断面図である。

図において、１はｎ−ＧａＡｓ基板、２はｎ−Ｃｄｏ５
５Ｚｎｏ、　４５３０９ｓｓｅｏ、　Ｏ５よりなるｎ側
クラッド層で厚さ約２μｍ、３はＣｄｏ、　：＋９Ｚｎ
ｏ、　６１ｓＯ３１ｓｅｏ、　６９よりなる活性層で厚
さ約０．２μｍ、４はｐ−（：ｄｏ、　５ｓＺｎｏ、　
４６ＳＯ９，、ｓｅｏ、　ｏａよりなるｐ側りラッド層
で厚さ約２μｍ、５は絶縁膜、６及び７は電極である。

すなわち、本発明の特徴はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層
の■族元素のＣｄの組成比を調整することにより、Ｉｆ
−ＶＩ族化合物半導体層の線膨張係数を基板の線膨張係
数とほぼ等しくなるように構成したものである。

第２図は本発明による化合物半導体層であるＣｒｄｏ、
　：＋５Ｚｎｏ、　６１ｓＯ３１ｓｅｏ、　６９の温度
−格子定数の特性図である。図のように、本発明による
Ｚｎ系半導体とＣｄ系半導体の混晶であるＣｄ＋−Ｘｚ
ｎｘＳｉ−ｙＳｅＶが室温てＧａＡｓに格子整合する組
成はほぼｙ＝１．５９０ｘ−０，６６６て表される直線
上になり、更に０．４２＜ｘ＜０．６４の場合、線膨張
係数はＧａＡｓとほぼ一致する。

この構造では、各層の組成か、基板との格子不整合が成
長温度、室温でともに±０．０１％以下となるように選
ばれているため、温度変化による歪をほとんど受けない
高品質な結晶が得られ、その結果高性能な短波長発光素
子を得ることができる。

なお、ｎ側クラッド層２は■（ヨウ素）を、ｐ側りラッ
ド層４はＬｉ　（リチウム）をそれぞれドープすること
により、１０Ｉ８ＣＩ１１−３以上のキャリア濃度が得
られた。

基板がＧａＡｓの場合、基板と化合物半導体との線膨張
係数がほぼ等しくなる組成範囲としては、クラット層及
び活性層をＣｄ、、ＺｎＸ５．−ｙＳｅ、　（ｙ＝１．
５９０ｘ−０，６６６，０，４２＜ｘ＜０．６４）て構
成すればよい。また、基板なＧｅとした場合は、クラッ
ド層及び活性層をｙ＝１．５９２ｘ−０，６７９（０，
５６＜ｘ＜０．７８）で表されるＣｄ５−ｘＺｎＸｓｌ
−ｙＳｅｙで構成すればよい。また、ＩｎＰ基板を使用
した場合はｙ＝１．６７９ｘ＋０．１５９（０，１０＜
ｘ＜０．３１）で表されるＣｄ＋−ｘＺｎｘＳ１−ｙＳ
ｅｙで構成すればよい。なお、ＧａＰは線膨張係数が比
較的小さく、かつ格子定数が線膨張係数の大きいＺｎＳ
に近いため、Ｃｄｔ−ｘＺｎｘＳｌ−ｙＳｅｙては室温
と成長温度で共にほぼ格子整合させるのは困難である。

しかし、ＧａＡｓ１−ｚＰｚ混晶を基板とした場合は０
＜ｚ＜０．５の範囲で室温及び成長温度で共にほぼ格子
整合させることが可能である。

ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層としてＣｄ４−ｘＺｎｘＳ
１−ｙ−ｚＳｅｙＴｅ、を用いた場合の組成比は、次の
通りである。

（１）基板がＩｎＰの場合。

０．１４＜ｘ＜１．０　、　０．０＜ｙ＜０．７６　、
　０．０＜ｚ＜０．５８（２）基板がＧａＡｓの場合。

０．４４＜ｘ＜１．０　　、　０．０＜ｙ＜０．３５　
　、　０．０＜ｚ＜０．３６（３）基板がＧｅの場合。

０．５８＜ｘ＜１．０　、　０．１７＜ｙ＜０．２９　
、０．０＜ｚ＜０．６２（実施例２） 実施例１では、通常の２重へテロ構造であったが、活性
層またはクラッド層もしくはその両方を厚さが３００オ
ングストローム以下で組成の異なる超薄膜を多層積層し
た膜であってもよい。

第３図は本発明による第２の実施例であり、活性層３０
のみを超格子構造にした半導体発光素子の断面図である
。図から明らかなように、活性層３０はＣｄｏ３ｓＺｎ
ｏ、　６１３０．３１ｓｅＯ，ａｌｌ井戸層３１とＣｄ
ｏ、　＝、＝。

Ｚｎｏ、　４５３０９５ｓｅｏ、　ｏｓ障壁層３２との
薄膜を複数積層した超格子構造で構成したものである。

活性層３０が超格子層の場合、量子井戸レーザとしての
特性を示す。

実施例１及び２では、ｎ−ｖｉ族半導体としてＣｄＺｎ
ＳＳｅやＣｄＺｎ５ＳｅＴｅを取り上げたが、本発明は
この組成に限ることはなく、他のＩＩ−ＶＩｌ族環導体
も適用できる。また、線膨張係数を調整するための■族
元素として、Ｃｄ、　Ｍｇ及びＨｇのうち少なくともひ
とつの元素を用いてもよい。

（発明の効果） 以上に述べたように、本発明は基板とほぼ格子整合し、
かつ線膨張係数がほぼ等しくなるように化合物半導体層
を構成することにより、温度変化に関係なく高品質な半
導体発光素子を実現することができる。

化合物半導体層をＣｄ１−ＸＺｎｘＳｔ−ｙｓｅｙて構
成することにより、ＧａＡｓ基板と格子整合し、かつ線
膨張係数をほぼ等しくすることができる。

化合物半導体層をＣｄ＋−ｘＺｎｘＳ１−ｙ−ＪｅｙＴ
ｅｚで構成することにより、Ｃｄ＋−ｘＺｎｘＳ１−ｙ
ｓｅｙに比べて禁止帯幅な広い範囲にわたってとれ、Ｇ
ａＡｓ基板と格子整合し、かつ線膨張係数をほぼ等しく
することができる。

ｍ−ｖ族生導体基板を、ＧａＡｓ、　ＩｎＰ及びＧａＡ
ｓＰのうち一つの化合物半導体で構成することにより、
化合物半導体層と格子整合をとることができる。

　０ ＩＶ族半導体基板を、Ｇｅで構成することにより、化合
物半導体層と格子整合をとることができる。

線膨張係数を調整するための■族元素として、Ｃｄ、　
Ｍｇ及びＨｇのうち少なくともひとつの元素を用いるこ
とにより簡単に調整することができる。

これにより、本発明は室温で安定に動作する短波長光源
を実現することができる他、光双安定素子、■−ｖ族ま
たは■旅寝波路構造の埋め込み用など、多くの半導体発
光素子に適用可能であり、その効果が極めて大である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による半導体発光素子の断面図、 第２図は本発明の化合物半導体層であるＣｄｏ、　３９
Ｚｎｏ、　６１Ｓ０．３１Ｓｅ０．６９と基板であるＧ
ａＡｓの格子定数の温度変化を示す特性図、 第３図は本発明による超格子構造の半導体発光素子の断
面図、 第４図は従来の元素及び化合物半導体の禁止帯１ 幅と格子定数の関係図、 第５図は従来の化合物半導体層であるＺｎ５ｏ、　０６
Ｓｅｏ、　９４＋　Ｚｎ５ｏ、　０９ｓｅ０．９１及び
ＧａＡｓの格子定数の温度変化の特性図である。 ｎ−ＧａＡｓ基板 ｎ側クラッド層（Ｃｄｏ５ｓＺｎｏ、　４ＳＳＯ，ｃ＋
５Ｓｅ。 活性層（Ｃｄｏ３９ｚｎｏ、　ａｔｓｏ３ｔｓｅｏ、　
ｓｃ＋）ｐ側りラッド層（Ｃｄｏ、　５ｓＺｎｏ、　４
５３０．９５ｓｅＯ絶縁膜 ｎ側電極 ｐ側電極 超格子構造の活性層 井戸層 障壁層 ｏｓ） 。５）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）III−Ｖ族化合物半導体またはIV族半導体からな
   る半導体基板と、 その上にもうけられる、該基板とほぼ格子整合し、かつ
   線膨張係数がほぼ等しく、クラッド層にはさまれた活性
   層を有するII−VI族化合物半導体層とで構成されている
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. （２）前記化合物半導体層は、Ｃｄ＿１＿−＿ｘＺｎ＿
   ｘＳ＿１＿−＿ｙＳｅ＿ｙで構成されていることを特徴
   とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. （３）前記化合物半導体層はＣｄ＿１＿−＿ｘＺｎ＿ｘ
   Ｓ＿１＿−＿ｙ＿−＿ｚＳｅ＿ｙＴｅ＿ｚで構成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. （４）前記III−Ｖ族半導体基板はＧａＡｓ、ＩｎＰ及
   びＧａＡｓＰのうち一つの化合物半導体で構成されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素（５）
   前記IV族半導体基板はＧｅで構成されていることを特徴
   とする請求項１記載の半導体発光素子。