JPH05283746A - 面発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 青〜青緑色発光領域の発光波長が得られ、か
つこの発光が高効率で得られるようにする。 【構成】 ｎ⁺ −ＧａＡｓ基板１１上にｎ型ＺｎＳ_0.07
Ｓｅ_0.93からなるバッファ層１２を形成し、その上にＺ
ｎＳ_qＳｅ_1-q−ＺｎＳ_rＳｅ_1-r：ｑ＝０，ｒ＝１：厚さ
５０Å×５０層からなるｎ型超格子光反射層１３および
ＺｎＳ_xＳｅ_1-x−Ｃｄ_yＺｎ_1-yＳｅ−ＺｎＳ_xＳｅ_1-x：
ｘ＝０．１，ｙ＝０．２，各層厚１００Å，集積回数＝
５からなる絶縁型の多重量子井戸発光層１４を順次形成
し、さらにその上にｐ型ＺｎＳ_pＳｅ_1-p：ｐ＝０．１か
らなる光透過層１５を形成し、光透過層１５に上には半
透明電極１６を形成し、ｎ⁺ −ＧａＡｓ基板１１の下部
には下部電極１７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、青色または青〜緑色に
対応する広いバンドギャップエネルギを有する単一量子
井戸構造または多重量子井戸構造からなる発光層と、こ
の発光層に効率的に光を反射させる単一または多重の光
反射層とを有する面発光ダイオードに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、青色など可視短波長領域の実用的
発光ダイオードの開発に関して化合物半導体材料および
デバイス技術の多くの研究が進められており、現段階で
は、ＺｎＳｅやＳｉＣ結晶のｐｎ接合型発光ダイオー
ド，ＧａＮ系結晶のＭＩＳ型発光ダイオードなどが実用
的な発光ダイオードに近い素子として開発が進められて
いる。しかし、前述した発光ダイオードは、結晶材料と
しての問題点を有しており、実用的発光素子としては、
以下に説明するような解決すべき多くの課題が残ってい
る。

【０００３】ＺｎＳｅ結晶のｐｎ接合型発光ダイオード
は、近年、ｐ，ｎの伝導型制御が可能となり、分子線エ
ピタキシー（以下、ＭＢＥという）成長法などによりそ
の研究が活発に進められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構
造の重要な問題点は、ｐｎ接合形成後、その上部および
下部に金属電極を形成する段階で必要な熱処理（２００
〜４００℃）により、多くの欠陥が発生し、著しい効率
の低下およびオレンジ色や赤色などの深い欠陥準位によ
る発光が出現してくることである。実用的素子の観点か
らは、透明または半透明の金属電極を真空蒸着法やスパ
ッタリング法などで形成し、金属−半導体接着を強固に
するため、あるいは電気的特性を改善するために前述し
た熱処理工程は必須のものであり、この熱処理の課題を
克服する手法は未だに見い出だされていない。

【０００５】ＺｎＳｅ結晶のｐｎ接合型発光ダイオード
の他の問題点は、キャリア（電子／正孔）の再結合によ
り発生した青色の光がＺｎＳｅ結晶自身により吸収され
る効果（自己吸収）やＺｎＳｅ（−ｐｎ接合）結晶膜を
エピタキシー法で成長させるのに必要な基板（ＧａＡｓ
バルク結晶などが用いられる）により吸収され、外部へ
の有効な光出力成分が減少してしまうなどの問題があ
る。

【０００６】ＳｉＣ結晶のｐｎ接合型発光ダイオード
は、結晶のバンドギャップが青色光より遥かに大きいた
め、前述した自己吸収などの問題または電極の熱処理に
よる欠陥の発生の問題はない。しかし、この結晶による
素子の大きな問題点は、ＳｉＣ結晶が間接遷移型のバン
ド構造を有していることである。このため、発光効率を
左右する、電子−正孔再結合発光効率（量子発光効率）
が現在実用となっているＧａＡｓやＩｎＰ結晶系などよ
り数桁低いという問題がある。

【０００７】ＧａＮ系半導体結晶をベースにしたＭＩＳ
型発光素子は、ｐｎ接合形式が困難なため、ＧａＮ結晶
と表面の金属電極との間に薄膜絶縁層（５０〜１０００
Å）を付与し、ＭＩＳ構造で発光ダイオードを形成する
が、前述した薄膜絶縁層形成の制御性やＧａＮ系半導体
結晶−絶縁層界面の欠陥などのため、再現性良く、高効
率の青〜緑色光の発光素子を作製することは困難であ
る。この構造の基本的な問題点は、発光層が絶縁層直下
のＧａＮ結晶表面近傍になるためであり、素子作製のプ
ロセス中に誘起される欠陥，ダメージの影響を発光層が
直接受けることによる。

【０００８】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、青
〜青緑色光領域の発光波長が得られ、かつこの発光が高
効率で得られる面発光ダイオードを提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明による面発光ダイオードは、ＺｎＳ_xＳ
ｅ_1-x−Ｃｄ_yＺｎ_1-yＳｅ−ＺｎＳ_xＳｅ_1-x（ただし０
≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）からなる単一量子井戸構造また
は複数回繰り返した多量量子井戸構造から形成される発
光層と、ＺｎＳ_wＳｅ_1-w（ただし０≦ｗ≦１）からなる
光反射層との積層構造から構成するものである。また、
本発明による他の面発光ダイオードは、ＺｎＳ_xＳｅ_1-x
−Ｃｄ_yＺｎ_1-yＳｅ−ＺｎＳ_xＳｅ_1-x（ただし０≦ｘ≦
１，０＜ｙ＜１）からなる単一量子井戸構造または複数
回繰り返した多量量子井戸構造から形成される発光層
と、ＺｎＳ_zＳｅ_1-z−ＺｎＳ_pＳｅ_1-p（ただし０＜ｚ＜
１，０＜ｐ＜１）からなる光反射層との積層構造から構
成するものである。

【００１０】

【作用】本発明においては、ＺｎＳ_xＳｅ_1-x−Ｃｄ_yＺ
ｎ_1-yＳｅ−ＺｎＳ_xＳｅ_1-x（ただし０≦ｘ≦１，０＜
ｙ＜１）からなる単一量子井戸構造または複数回繰り返
した多量量子井戸構造から形成される発光層により、電
子−正孔の再結合発光が効率良く行われ、高効率の面発
光が可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明による面発光ダ
イオードの基本的な素子構造を示す断面図である。図１
（ａ）において、１は半導体結晶基板、２はバッファ
層、３は単一光反射層、４は量子井戸発光層、５は光透
過層、６は透明または半透明電極、７は下部電極であ
り、また、図１（ｂ）において、８は多重光反射層であ
る。

【００１２】次に図１の基本構成要素である発光層，光
反射層および光透過層について構成材料とその特徴につ
いて説明する。光発光層４は、Ｃｄ_yＺｎ_1-yＳｅ−Ｚｎ
Ｓ_xＳｅ_1-x（ただし０＜ｙ＜１，０≦ｘ≦１）の量子井
戸構造をとる。単一量子井戸の場合は３０〜２００Å程
度の厚さのＣｄ_yＺｎ_1-yＳｅを、５０〜３００Å程度の
厚さのＺｎＳ_xＳｅ_1-xで挟み込むサンドイッチ構造から
なる。このサンドイッチ構造を、複数回積層して発光層
形成する場合（多重量子井戸：ＭＱＷ）と単一で用いる
場合（単一量子井戸：ＳＱＷ）との２通りが可能であ
り、共に電子−正孔の高い発光再結合効率を有しかつ素
子の電極形成，アニール過程（約３００℃）で熱的な劣
化を生じないことを確認している。

【００１３】また、光反射層３，８は、発光層４から半
導体結晶基板１側に放射される光を効率良く反射し、上
部の光透過層５の方向へ導く役割をするもので、図１
（ａ）の単一光反射層３は、単一のＺｎＳ_wＳｅ_1-w（た
だし０＜ｗ≦１）層（１〜２μｍ）で構成され、図１
（ｂ）の多重光反射層８は、ＺｎＳ_qＳｅ_1-q−ＺｎＳ_r
Ｓｅ_1-r（ただし０＜ｑ＜１，０＜ｒ＜１）の超薄膜
（３０〜１００Å）の多重積層膜（超格子層）で構成さ
れている。

【００１４】単一光反射層３では、ＺｎＳ_wＳｅ_1-w（た
だし０＜ｗ≦１）の組成ｗを発光層４より屈折率（ｎ）
が小さくなるように（ｗ＞ｘ）選択し、反射効率を５０
％程度に設定することができる。また、多重光反射層８
では、ＺｎＳ_qＳｅ_1-q−ＺｎＳ_rＳｅ_1-r超格子層で形成
することによって光反射の効率はさらに向上する。ま
た、この多重光反射層８を構成するＺｎＳ_qＳｅ_1-q−Ｚ
ｎＳ_rＳｅ_1-r超格子層の単一層厚を変えることにより発
光波長に適合した領域で反射効率を最大にすることが可
能であり、一例として５０Åの超格子反射層では５０回
程度の多重構造の条件で波長が４７０ｎｍ近傍で７０％
以上の高い反射率が得られる。

【００１５】また、図１の光透過層５は、ＺｎＳ_pＳｅ
_1-p（ただし０＜ｐ＜１）で構成され、発光層４の光を
効率良く外部へ取り出す働きをさせるために発光層４の
量子井戸の屈折率と同じか少し高い程度に組成ｐを決定
する。つまりｐ≒ｘまたはｐ＜ｘのように選び、厚さは
０．１〜１μｍの範囲で形成する。

【００１６】次にこのように構成された基本構成要素が
面発光ダイオードとして動作するための電気伝導特性に
ついて説明する。面発光ダイオードの基本的素子構造
は、ダイオードであるために伝導型としてｐ−ｉ−ｎま
たはｎ−ｉ−ｐ接合から構成される。基本的には量子井
戸型発光層４は、絶縁性（ｉ型）であり、それを上部の
光透過層（ｐまたはｎ型）５および下部の光反射層（ｎ
またはｐ型）３，８で接続した構成をとる。ｐ−ｉ−ｎ
またはｎ−ｉ−ｐ接合型には、本質的差異はなく、例え
ば半導体結晶基板１の基板結晶（ＧａＡｓ結晶など）の
伝導型がｎ型の場合は上部光透過層５はｐ型，下部光反
射層３，８をｎ型にしたｐ−ｉ−ｎ型をとり、また、半
導体結晶基板１の伝導型がｐ型の場合はその逆の構成を
とることは勿論である。

【００１７】また、実施例でも示すようにｐ−ｉ−ｎ
（またはｎ−ｉ−ｐ）型とは、本質的に小数キャリア注
入の機構の異なるｉ−ｉ−ｎ型（上部光透過層および発
光層が共に絶縁性）構成で高い発光効率を示す面発光ダ
イオードが作製し得ることが確認されている。この構造
では上部金属電極からの正孔注入が重要なポイントにな
っており、ｐ型層を形成するプロセスなしでダイオード
が実現できる大きな特長を有している。

【００１８】また、この基本的素子は、ｎ⁺またはｐ⁺型
の単結晶基板上にエピタキシャル成長により全て形成す
るが、その手法として分子線エピタキシー（ＭＢＥ）
法，有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法および通常の気
相成長（ＶＰＥ）法などを使用することができる。

【００１９】以下、実施例に基づいて電気的特性につい
て詳細に説明する。本発明による面発光ダイオードの特
性を実際にＭＯＶＰＥ法により作製した例をもとに説明
する。ＭＯＶＰＥ法では、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ：Ｚ
ｎ供給），セレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ：Ｓｅ供給），水素
ガス希釈ジメチルカドミウム（Ｈ₂−ＤＭＣｄ：Ｃｄ供
給）および硫化水素（Ｈ₂ Ｓ：Ｓ供給）を原材料として
用い、ＺｎＳＳｅ，ＺｎＣｄＳｅ化合物半導体結晶膜を
形成した。前述した原料は、各々流量コントローラによ
り流量制御され、水素キャリアガスとともに減圧（０．
１〜１０Ｔｏｒｒ）の反応成長室に導入されている。

【００２０】単結晶基板は、（１００）面のｎ型ＧａＡ
ｓバルク結晶を用い、成長時の基板温度を２８０〜３８
０℃で膜成長を行った。ｎ型不純物の添加には沃素
（Ｉ）を用い、また、ｐ型に対しては窒素（Ｎ）の添加
を行った。半絶縁層は、マトリクス原料のみを導入する
ことで行い、１０⁸Ωｃｍ以上の高抵抗層を形成した。

【００２１】（ダイオード特性） （１）ｐ−ｉ−ｎ型面発光ダイオード 作製したｐ−ｉ−ｎ型面発光ダイオードの構造を図２に
示す。図２において、厚さ約３５０μｍのｎ⁺ −ＧａＡ
ｓ基板１１上に厚さ約１μｍのｎ型ＺｎＳ_0.07Ｓｅ_0.93
からなるバッファ層１２を形成し、その上にＺｎＳ_qＳ
ｅ_1-q−ＺｎＳ_rＳｅ_1-r：ｑ＝０、ｒ＝１：厚さ５０Å
×５０層からなるｎ型の超格子光反射層１３およびＺｎ
Ｓ_xＳｅ_1-x−Ｃｄ_yＺｎ_1-yＳｅ−ＺｎＳ_xＳｅ_1-x：ｘ＝
０．１，ｙ＝０．２，各層厚＝１００Å，積層回数＝５
からなる絶縁型の多重量子井戸発光層１４を順次形成
し、さらにその上にｐ型ＺｎＳ_pＳｅ_1-p：ｐ＝０．１か
らなる光透過層１５を形成した。ここでｎ層の電子濃度
は約１×１０¹⁷ｃｍ^-3，ｐ層の正孔濃度は約１×１０¹⁶
ｃｍ^-3である。

【００２２】次にこの光透過層１５の上部に厚さ約３０
０ÅのＡｕ蒸着膜からなる半透明電極１６を形成し、さ
らにこのｎ⁺ −ＧａＡｓ基板１１の下部に同様に厚さ約
３００ÅのＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ蒸着膜からなる下部電極１
７を形成している。なお、このダイオードの有効発光面
積は６ｍｍ×６ｍｍである。また、ｈνは放射光であ
る。

【００２３】図３（ａ）はこのように形成されたｐ−ｉ
−ｎ型面発光ダイオードの電流−電圧特性を、図３
（ｂ）はその発光スペクトルを示したものである。図３
（ａ）に示すようにｐ−ｉ−ｎ型構造の電流−電圧特性
においては、順方向の立ち上がり電圧は、４〜６Ｖであ
り、約５Ｖ近傍より発光が明確に確認されるようにな
る。また、図３（ｂ）に示すようにこのｐ−ｉ−ｎ型面
発光ダイオードの最大ピーク波長（λ_P ）は４８０ｎｍ
であり、この発光帯以外の深い欠陥準位からのオレンジ
または赤色の発光は検出されない。この面発光ダイオー
ドの発光効率η（η≡発光パワー／Ｉ・Ｖ×１００）
は、注入電流を４０ｍＡの条件でη＝０．１％の値が得
られる。

【００２４】（２）ｉ−ｉ−ｎ型面発光ダイオード このダイオード構造は、ｐ−ｉ−ｎ型ダイオードの上部
のｐ型透過層１５を１０⁷ Ωｃｍ以上の高抵抗層（半絶
縁性）で置き換えたものであり、上部の半透明電極１６
からの効率的正孔注入を利用するものである。

【００２５】本発明による面発光ダイオードを実際にＭ
ＯＶＰＥ法により作製したｉ−ｉ−ｎ型面発光ダイオー
ドの構造を図４に示す。図４において、厚さ約３５０μ
ｍのｎ⁺ −ＧａＡｓ基板２１上に厚さ約１．５μｍのｎ
型ＺｎＳ_0.07Ｓｅ_0.93からなるバッファ層２２を形成
し、その上にｎ型ＺｎＳ_0.18Ｓｅ_0.82からなる単一光反
射層２３およびその上にＺｎＳ_0.07Ｓｅ_0.93−Ｚｎ_0.18
Ｃｄ_0.82Ｓｅ−ＺｎＳ_{0. 07}Ｓｅ_0.93（各層厚＝約１００
Å）からなる絶縁性型単一量子井戸発光層２４を順次形
成し、さらにその上にＺｎＳ_0.07Ｓｅ_0.93からなる厚さ
０．４μｍのｉ型（半絶縁性：ρ＝１０⁸ Ωｃｍ）光透
過層２５を形成した。

【００２６】電極は前述したｐ−ｉ−ｎ型と同様にこの
光透過層２５の上部に厚さ約３００ÅのＡｕ蒸着膜から
なる半透明電極２６を形成し、さらにこのｎ⁺ −ＧａＡ
ｓ基板２１の下部に同様に厚さ約３００ÅのＡｕ−Ｇｅ
−Ｎｉ蒸着膜からなる下部電極２７を形成している。

【００２７】図５（ａ）は、このように形成されたｉ−
ｉ−ｎ型面発光ダイオードの電流−電圧特性を示したも
のである。厚さ０．４μｍのｉ型光透過層２５では、順
方向の立ち上がり電圧は、約６Ｖ近傍で非常にシャープ
に半透明電極２６からの電流（正孔）注入が生じる。半
透明電極２６から注入された正孔は単一量子井戸発光層
２４へ導かれ、下部の単一光反射層２３として機能する
ｎ型ＺｎＳ_0.18Ｓｅ_{0. 82}からの注入された電子と介合
し、効率良く単一量子井戸発光層２４で再結合発光を行
う。

【００２８】前述したようにこのｉ−ｉ−ｎ型構造で
は、ｐ型層を使用せず、金属電極からの正孔注入を利用
するため、素子の微分抵抗が極めて小さい特長を有して
いる。

【００２９】図５（ｂ）はｉ−ｉ−ｎ型面発光ダイオー
ドの発光スペクトルを示したものである。同図に示すよ
うに発光の最大ピーク波長（λ_P ）は、４６７μｍであ
り、それ以外の可視光域発光は完全に抑制されている。
この最大ピーク波長λ_P は、単一量子井戸発光層２４の
構成材料であるＺｎ_yＣｄ_1-yＳｅの組成ｙおよび井戸層
厚を変えることにより、制御でき、最大ピーク波長λ_P
＝４６０〜５３０ｎｍの範囲を設定することが可能であ
る。

【００３０】このｉ−ｉ−ｎ型構造の発光ダイオードの
発光効率ηは、注入電流が８０ｍＡの条件でη≧０．１
％の値が得られる。また、単一光反射層２３，単一量子
井戸発光層２４，光透過層２５および上部の半透明電極
２６の最適化を行うことで０．２％以上の発光効率が可
能となる。

【００３１】なお、前述した実施例では、面発光ダイオ
ードの素子構造をＭＯＶＰＥ法により作製した場合につ
いて説明したが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法，有
機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法および気相成長（ＶＰ
Ｅ）法などなどによっても実現できることは自明であ
る。

【００３２】また、前述した実施例では、面発光ダイオ
ードの素子構成，形成法としてＧａＡｓ結晶基板を使用
した場合について説明したが、他の基板としてＧｅ，Ｚ
ｎＳｅなどのバルク単結晶を用いることは勿論可能であ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
近年まで実用素子として開発されていなかった青〜緑色
光領域の発光波長を有し、かつこの発光が高い発光効率
で得られる面型発光ダイオードが実現可能となり、既に
開発されている赤色発光ダイオードと組み合わせて使用
することでカラーディスプレイ素子およびそのシステム
が実現可能となるなどの極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による面型発光ダイオードの基本構成を
示す断面図である。

【図２】本発明による面型発光ダイオードの一実施例に
よるｐ−ｉ−ｎ型面発光ダイオードの構成を示す斜視図
である。

【図３】（ａ）はｐ−ｉ−ｎ型面発光ダイオードの電流
−電圧特性を示す図、（ｂ）は発光スペクトルを示す図
である。

【図４】本発明による面型発光ダイオードの他の実施例
によるｉ−ｉ−ｎ型面発光ダイオードの構成を示す斜視
図である。

【図５】（ａ）はｉ−ｉ−ｎ型面発光ダイオードの電流
−電圧特性を示す図、（ｂ）は発光スペクトルを示す図
である。

【符号の説明】

１１ ＧａＡｓ基板 １２ バッファ層 １３ 超格子光反射層 １４ 多重量子井戸発光層 １５ 光透過層 １６ 半透明電極 １７ 下部電極 ２１ ＧａＡｓ基板 ２２ バッファ層 ２３ 単一光反射層 ２４ 単一量子井戸発光層 ２５ 光透過層 ２６ 半透明電極 ２７ 下部電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＺｎＳ_xＳｅ_1-x−Ｃｄ_yＺｎ_1-yＳｅ−Ｚ
   ｎＳ_xＳｅ_1-x（ただし０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）からな
   る単一量子井戸構造の少なくとも１層から形成される発
   光層と、ＺｎＳ_wＳｅ_1-w（ただし０≦ｗ≦１）からなる
   光反射層との積層構造を有することを特徴とする面発光
   ダイオード。
2. 【請求項２】 ＺｎＳ_xＳｅ_1-x−Ｃｄ_yＺｎ_1-yＳｅ−Ｚ
   ｎＳ_xＳｅ_1-x（ただし０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）からな
   る単一量子井戸構造の少なくとも１層から形成される発
   光層と、ＺｎＳ_zＳｅ_1-z−ＺｎＳ_pＳｅ_1-p（ただし０＜
   ｚ＜１，０＜ｐ＜１）からなる光反射層との積層構造を
   有することを特徴とする面発光ダイオード。