JPH06101587B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH06101587B2 JPH06101587B2 JP4966089A JP4966089A JPH06101587B2 JP H06101587 B2 JPH06101587 B2 JP H06101587B2 JP 4966089 A JP4966089 A JP 4966089A JP 4966089 A JP4966089 A JP 4966089A JP H06101587 B2 JPH06101587 B2 JP H06101587B2
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- lattice
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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赤色から紫外
で発光する半導体発光素子に関するものである。
さらに詳細に説明するならば可視光領域の赤色から紫外
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） 従来の可視光短波長領域の半導体発光素子としては、Ga
Nを用いたものがある。第12図にその基本構造を示す。
この構造はMIS型である。図において１は基板のサファ
イアを示す。その上にエピタキシャル成長したｎ形GaN
層２と、Znドープ高抵抗GaN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。
Nを用いたものがある。第12図にその基本構造を示す。
この構造はMIS型である。図において１は基板のサファ
イアを示す。その上にエピタキシャル成長したｎ形GaN
層２と、Znドープ高抵抗GaN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。
（発明が解決しようとする課題） この素子で発光強度を上げるためには、熱を発生させる
ことなく、注入電流を増加させる必要がある。そのため
には、電極４と５の間の素子抵抗を下げなければならな
い。そのためには、高抵抗層を薄くする必要がある。し
かしならば、高抵抗層を薄くすると、発光層の体積が減
ることになり、そのため、発光に寄与することなく電流
が流れてしまう。その結果として、無効電流が増加し、
発光効率が減少する。このため、大木らが1981年のGaAs
及び関連化合物についての国際会議（GaAs and Related
Compounds国際会議）で述べているように、この構造の
素子では、外部量子効率が0.12％までのものしか得られ
ておらず、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。
ことなく、注入電流を増加させる必要がある。そのため
には、電極４と５の間の素子抵抗を下げなければならな
い。そのためには、高抵抗層を薄くする必要がある。し
かしならば、高抵抗層を薄くすると、発光層の体積が減
ることになり、そのため、発光に寄与することなく電流
が流れてしまう。その結果として、無効電流が増加し、
発光効率が減少する。このため、大木らが1981年のGaAs
及び関連化合物についての国際会議（GaAs and Related
Compounds国際会議）で述べているように、この構造の
素子では、外部量子効率が0.12％までのものしか得られ
ておらず、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。
今までに製作されているGaNを用いた発光素子の全て
が、原理的に低発光効率であるMIS型である。そして、
サファイアとGaNとの間の結晶の格子定数の差と、GaNの
格子定数との比が約14％と大きいにもかかわらず、サフ
ァイアとGaNは結晶構造が似ているという理由のみで、
常にサファイア上にGaNが成長されている。その結果と
して、ｐ形或いはｎ形層にZnを添加して高抵抗のGaNし
か得られていない。その最も大きな理由は、前述した大
きな格子不整合によると考えられる。すなわち、格子不
整合があれば、必ず不飽和結合を生ずる。その不飽和結
合自体がドナ・レベルを形成したり、また、ドナとなる
不純物を吸引したりする。その結果、GaNはｎ形となる
と考えられる。またGaNの窒素蒸気圧は、一般に実用に
供されているGaAsやInP等のIII−Ｖ族のＶ族蒸気圧に比
べて遥かに高い。従って、格子不整合状態では、窒素空
孔が生じ易いことも考えられる。この窒素空孔がドナ・
レベルを形成しているものと推定される。この辺りのこ
とは現在、所科学的に証明されていないが、一般に可能
性は極めて高いと考えられている。以上のことから今ま
でに製作されているGaN、あるいはGaNとその他の元素と
の混晶のエピタキシャル成長膜からなる発光素子は、基
板とエピタキシャル膜との格子不整合が大きいため、伝
導性を制御できず、発光効率の高い発光素子を形成でき
ないという欠点を有していた。
が、原理的に低発光効率であるMIS型である。そして、
サファイアとGaNとの間の結晶の格子定数の差と、GaNの
格子定数との比が約14％と大きいにもかかわらず、サフ
ァイアとGaNは結晶構造が似ているという理由のみで、
常にサファイア上にGaNが成長されている。その結果と
して、ｐ形或いはｎ形層にZnを添加して高抵抗のGaNし
か得られていない。その最も大きな理由は、前述した大
きな格子不整合によると考えられる。すなわち、格子不
整合があれば、必ず不飽和結合を生ずる。その不飽和結
合自体がドナ・レベルを形成したり、また、ドナとなる
不純物を吸引したりする。その結果、GaNはｎ形となる
と考えられる。またGaNの窒素蒸気圧は、一般に実用に
供されているGaAsやInP等のIII−Ｖ族のＶ族蒸気圧に比
べて遥かに高い。従って、格子不整合状態では、窒素空
孔が生じ易いことも考えられる。この窒素空孔がドナ・
レベルを形成しているものと推定される。この辺りのこ
とは現在、所科学的に証明されていないが、一般に可能
性は極めて高いと考えられている。以上のことから今ま
でに製作されているGaN、あるいはGaNとその他の元素と
の混晶のエピタキシャル成長膜からなる発光素子は、基
板とエピタキシャル膜との格子不整合が大きいため、伝
導性を制御できず、発光効率の高い発光素子を形成でき
ないという欠点を有していた。
（１） Y.Ohki,Y.Toyoda,H.Kobayashi and I.Akasaki:
Int.Stmp.GaAs and Related Compounds Japan（1981）p
p.479. 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、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。
Int.Stmp.GaAs and Related Compounds Japan（1981）p
p.479. 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、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、本発明は単結晶基板と、前
記単結晶基板上に成長し、かつ前記単結晶基板と異なる
組成からなる薄膜とを備える半導体発光素子において、
前記単結晶基板は単体元素又は複数の元素の固溶体から
なる結晶構造を有し、また前記薄膜は前記単結晶基板上
に格子整合して成長したInxGayAlzN（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
かつ、０≦x,y,z≦１）薄膜の少なくとも一層が含まれ
てな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。
記単結晶基板上に成長し、かつ前記単結晶基板と異なる
組成からなる薄膜とを備える半導体発光素子において、
前記単結晶基板は単体元素又は複数の元素の固溶体から
なる結晶構造を有し、また前記薄膜は前記単結晶基板上
に格子整合して成長したInxGayAlzN（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
かつ、０≦x,y,z≦１）薄膜の少なくとも一層が含まれ
てな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。
III族元素（Ga,Al,In）窒化物の結晶構造は、全てウル
ツ鉱型である。また、そのバンド構造は直接遷移型であ
る。第13図に（001）面上の格子定数とバンドギャップ
エネルギとの関係を示す。InN−GaN間及びInN−AlN間の
ボーイングパラメータは、それぞれ文献（２）及び
（３）による。この図から判るように、InN,GaN及びAlN
から成る二元，三元、或いは四元混晶等を用いることに
より、基板に格子整合し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することができる。
ツ鉱型である。また、そのバンド構造は直接遷移型であ
る。第13図に（001）面上の格子定数とバンドギャップ
エネルギとの関係を示す。InN−GaN間及びInN−AlN間の
ボーイングパラメータは、それぞれ文献（２）及び
（３）による。この図から判るように、InN,GaN及びAlN
から成る二元，三元、或いは四元混晶等を用いることに
より、基板に格子整合し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することができる。
従って、本発明と従来技術との差異は、次の二点であ
る。
る。
第一の差異は、本発明では基板と基板上に成長した結晶
の格子定数が整合しているのに対して、従来のものは格
子不整合であったことである。この格子不整合のため、
従来の結晶では、結晶中に転位等の多くの欠陥が生じ、
伝導型制御ができなかったり、あるいは注入したキャリ
アの寿命が発光再結合にかかる時間より短かったりし
た。そのため、従来は発光効率の極めて低いMIS型の発
光素子しか作れなかった。ところが本発明の格子整合条
件を満たす基板を選択することにより、従来の結晶にあ
った結晶欠陥を含まない結晶を成長できる。そのため、
伝導型制御ができ、注入したキャリアの寿命も長い。こ
の格子整合というのは、エピタキシャル成長をする場
合、良質の結晶を得るためには必須の条件である。
の格子定数が整合しているのに対して、従来のものは格
子不整合であったことである。この格子不整合のため、
従来の結晶では、結晶中に転位等の多くの欠陥が生じ、
伝導型制御ができなかったり、あるいは注入したキャリ
アの寿命が発光再結合にかかる時間より短かったりし
た。そのため、従来は発光効率の極めて低いMIS型の発
光素子しか作れなかった。ところが本発明の格子整合条
件を満たす基板を選択することにより、従来の結晶にあ
った結晶欠陥を含まない結晶を成長できる。そのため、
伝導型制御ができ、注入したキャリアの寿命も長い。こ
の格子整合というのは、エピタキシャル成長をする場
合、良質の結晶を得るためには必須の条件である。
第二に、本発明ではヘテロ接合が形成できるのに対し
て、従来は形成できなかった。一般にこのヘテロ接合を
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。このヘ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。
て、従来は形成できなかった。一般にこのヘテロ接合を
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。このヘ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。
（２） K.Osamura et al.:J.Appl.Phys.,46（1975）34
32. （３） Y.Koide et al.:J.Appl.Phys.,61（1987）454
0. はじめに、本発明における複数の元素の固溶体からなる
結晶構造を有する単結晶基板と、この基板上に格子整合
して成長した薄膜との原子の対応を、夫々の場合につい
て以下に説明する。
32. （３） Y.Koide et al.:J.Appl.Phys.,61（1987）454
0. はじめに、本発明における複数の元素の固溶体からなる
結晶構造を有する単結晶基板と、この基板上に格子整合
して成長した薄膜との原子の対応を、夫々の場合につい
て以下に説明する。
（Ｉ）の場合 （ａ） 六方最密充填構造を有する単体元素Lu,Li,Mg,S
c,Tl,Tm及びこれらの元素の固溶体、或いはZrやHf等の
他の元素と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整
合して成長したｐ形或いはｎ形の伝導型を有し、電気的
に半絶縁性であるInxGayAlzN層（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、か
つ、０≦x,y,z≦１）（以下、InGaAlNと記す）を一層、
或は組成x,y,zが同一或は異なる層の複数層と、パッシ
ベーション膜或はその他の絶縁層と、電極層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
c,Tl,Tm及びこれらの元素の固溶体、或いはZrやHf等の
他の元素と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整
合して成長したｐ形或いはｎ形の伝導型を有し、電気的
に半絶縁性であるInxGayAlzN層（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、か
つ、０≦x,y,z≦１）（以下、InGaAlNと記す）を一層、
或は組成x,y,zが同一或は異なる層の複数層と、パッシ
ベーション膜或はその他の絶縁層と、電極層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
（ｂ） ウルツ鉱型構造を有し、混晶Al2CO,AlN,GaN,In
N及びこれらの固溶体、或は単体元素やZnO等の他の混晶
と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整合したIn
GaAlN層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
N及びこれらの固溶体、或は単体元素やZnO等の他の混晶
と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整合したIn
GaAlN層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
（ｃ） NiAs構造を有し、二元混晶CoS,CrS,FeS,FeSx,F
eSex,NbS,NiS,PtB,RhB1.1,TiSa,VP,VS及びこれらの固溶
体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、
前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有することを
特徴とする半導体発光素子。
eSex,NbS,NiS,PtB,RhB1.1,TiSa,VP,VS及びこれらの固溶
体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、
前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有することを
特徴とする半導体発光素子。
（ｄ） 六方Cd（OH）２構造を有する二元混晶PtS2,α
−TaS2,γ−TaS2,TiS2及びこれらの固溶体、或は単体元
素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格
子整合したInGaAlN層とを有することを特徴とする半導
体発光素子。
−TaS2,γ−TaS2,TiS2及びこれらの固溶体、或は単体元
素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格
子整合したInGaAlN層とを有することを特徴とする半導
体発光素子。
（ｅ） 六方晶型ペロブスカイト構造を有するBaTiS3,S
rTiS3及びこれらの固溶体、或は単体元素や他の混晶と
固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGa
AlN層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
rTiS3及びこれらの固溶体、或は単体元素や他の混晶と
固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGa
AlN層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
上記（Ｉ）の場合における（001）面から見た基板と基
板上に成長したInGaAlNの原子の配置を第１図に示す。
図中●は基板の原子を示し、○はInGaAlNの原子を示
す。また、基板及びInGaAlNのａ軸方向の格子定数をそ
れぞれa,a0,c軸方向の格子定数をそれぞれc,c0とする。
これらの原子の記号及び格子定数の記号は以下の説明に
おいても同様とする。図に示すように上記（Ｉ）の
（ａ）〜（ｅ）の場合の基板とInGaAlNとの組合せの場
合、それぞれの原子は一対一に対応する。また、格子定
数の関係は、 ａ＝a0 である。
板上に成長したInGaAlNの原子の配置を第１図に示す。
図中●は基板の原子を示し、○はInGaAlNの原子を示
す。また、基板及びInGaAlNのａ軸方向の格子定数をそ
れぞれa,a0,c軸方向の格子定数をそれぞれc,c0とする。
これらの原子の記号及び格子定数の記号は以下の説明に
おいても同様とする。図に示すように上記（Ｉ）の
（ａ）〜（ｅ）の場合の基板とInGaAlNとの組合せの場
合、それぞれの原子は一対一に対応する。また、格子定
数の関係は、 ａ＝a0 である。
（II）の場合 （ａ） 面心立方構造を有し、単体元素Am,Li,Pb,Pu,Sc
及びこれらの元素の固溶体、或は他の元素と固溶した単
結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを
有することを特徴とする半導体発光素子。
及びこれらの元素の固溶体、或は他の元素と固溶した単
結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを
有することを特徴とする半導体発光素子。
（ｂ） キュウビック・フロライト構造を有し、二元ま
たは三元混晶Be2B,LiMgN,LiZnN,Li2O,NbH2,ScH2及びこ
れらの固溶体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結
晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有
することを特徴とする半導体発光素子。
たは三元混晶Be2B,LiMgN,LiZnN,Li2O,NbH2,ScH2及びこ
れらの固溶体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結
晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有
することを特徴とする半導体発光素子。
（ｃ） ペロブスカイト構造を有するBaThO3,BaUO3,CsC
aF3,CsIO3,CsPbF3,RbCaO3,RbIO3及びこれらの固溶体、
或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、前記
基板上に格子整合したInGaAlN層とを有することを特徴
とする半導体発光素子。
aF3,CsIO3,CsPbF3,RbCaO3,RbIO3及びこれらの固溶体、
或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、前記
基板上に格子整合したInGaAlN層とを有することを特徴
とする半導体発光素子。
上記（II）の場合においては、（001）面から見た、基
板と基板上に成長したInGaAlNの原子の配置を第２図に
示す。格子定数の関係は、 ａ＝２1/2a0 である。
板と基板上に成長したInGaAlNの原子の配置を第２図に
示す。格子定数の関係は、 ａ＝２1/2a0 である。
（III）の場合、 （ａ） 面心立方構造を有し、単体元素Ag,Al,Au,Mo,P
d,Pt及びこれらの元素の合金、或は他の元素と合金化し
た単結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層
とを有することを特徴とする半導体発光素子。
d,Pt及びこれらの元素の合金、或は他の元素と合金化し
た単結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層
とを有することを特徴とする半導体発光素子。
（ｂ） ペロブスカイト構造を有するAgZnF3,BaFeO3,Ba
MnO3,BaPbO3,BaSnO3,BaTiO3,BaZrO3,CaSnO3,CaTiO3,CaZ
rO3,CeCrO3,CeFeO3,CeGaO3,CeVO3,EuFeO3,EuTiO3,FeBiO
3,GdFeO3,GdMnO3,KCdF3,KCoF3,KFeF3,KMgF3,KMnF3,KNbO
3,KNiF3,KTaO3,KZnF3,LaCoO3,LaCrO3,LaFeO3,LaGaO3,La
RhO3,LaTiO3,LaVO3,LiBaF3,NdCrO3,NdFeO3,NdGaO3,NdVO
3,α‐PbTiO3,PrCrO3,PrFeO3,PrGaO3,PrMnO3,PrVO3,PuM
nO3,RbCoF3,RbMnF3,SmCrO3,SmFeO3,SmVO3,SrFeO3,SrHfO
3,SrMoO3,SrSnO3,SrTiO3,SrZrO3,TaSnO3,TlCoF3及びこ
れらの固溶体、或単体元素や他の混晶と固溶した単結晶
基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有す
ることを特徴とする半導体発光素子。
MnO3,BaPbO3,BaSnO3,BaTiO3,BaZrO3,CaSnO3,CaTiO3,CaZ
rO3,CeCrO3,CeFeO3,CeGaO3,CeVO3,EuFeO3,EuTiO3,FeBiO
3,GdFeO3,GdMnO3,KCdF3,KCoF3,KFeF3,KMgF3,KMnF3,KNbO
3,KNiF3,KTaO3,KZnF3,LaCoO3,LaCrO3,LaFeO3,LaGaO3,La
RhO3,LaTiO3,LaVO3,LiBaF3,NdCrO3,NdFeO3,NdGaO3,NdVO
3,α‐PbTiO3,PrCrO3,PrFeO3,PrGaO3,PrMnO3,PrVO3,PuM
nO3,RbCoF3,RbMnF3,SmCrO3,SmFeO3,SmVO3,SrFeO3,SrHfO
3,SrMoO3,SrSnO3,SrTiO3,SrZrO3,TaSnO3,TlCoF3及びこ
れらの固溶体、或単体元素や他の混晶と固溶した単結晶
基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有す
ることを特徴とする半導体発光素子。
上記（III）の場合、（001）面から見た、基板と基板上
に成長したInGaAlNの原子の配置を第３図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝（3/2）1/2a0 である。
に成長したInGaAlNの原子の配置を第３図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝（3/2）1/2a0 である。
（IV）の場合、 （ａ） 体心立方構造を有し、単体元素Th,Tl及びこれ
らの元素の固溶体、或は他の元素と固溶した単結晶基板
と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有するこ
とを特徴とする半導体発光素子。
らの元素の固溶体、或は他の元素と固溶した単結晶基板
と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有するこ
とを特徴とする半導体発光素子。
（ｂ） NaCl型構造を有し、二元混晶CoO,CrN,FeO,LiD,
LiF,Li6F,Li7F,LiH,MgO,NbO,PdHb,TiC,TiN,TiOc,VC,VC
0.75,VN,VOc及びこれらの固溶体、或は単体元素や他の
混晶と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整合し
たInGaAlN層とを有することを特徴とする半導体発光素
子。
LiF,Li6F,Li7F,LiH,MgO,NbO,PdHb,TiC,TiN,TiOc,VC,VC
0.75,VN,VOc及びこれらの固溶体、或は単体元素や他の
混晶と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格子整合し
たInGaAlN層とを有することを特徴とする半導体発光素
子。
（ｃ） CsCL型構造を有し、二元混晶CsBr,CsCN,CsNH2,
CsSH,ThTe,TlBr,TlCl,TlCN,TlN,CaTl,CdCe,CdLa,CdPr,M
gCe,MgLa,MgPr,MgSr,SrTl,TlBi,TlSb及びこれらの固溶
体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、
前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有することを
特徴とする半導体発光素子。
CsSH,ThTe,TlBr,TlCl,TlCN,TlN,CaTl,CdCe,CdLa,CdPr,M
gCe,MgLa,MgPr,MgSr,SrTl,TlBi,TlSb及びこれらの固溶
体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、
前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有することを
特徴とする半導体発光素子。
上記（IV）の場合、（001）面から見た、基板と基板上
に成長したInGaAlNの原子の配置を第４図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝（3/2）1/2a0 である。
に成長したInGaAlNの原子の配置を第４図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝（3/2）1/2a0 である。
（Ｖ）の場合、 （ａ） 体心立方構造を有し、単体元素Eu,Sr及びこれ
らの元素の合金、或は他の元素と固溶した単結晶基板
と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有するこ
とを特徴とする半導体発光素子。
らの元素の合金、或は他の元素と固溶した単結晶基板
と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有するこ
とを特徴とする半導体発光素子。
（ｂ） NaCl型構造を有し、二元混晶AgF,CaNH,CeN,Dy
H,ErN,HoN,LuN,NaF,NaH,NbC,NbC0.7,NbN0.93,NpN,NpO,P
aO,PuB,PuC,PuN,PuO,ScN,SmO,TaC,TaO,TbN,TmN,UC,UN,U
O,YN,YbN,YbO,ZrB,ZrC,ZrN,ZrO及びこれらの固溶体、或
は単体元素やCaO,CdO,MnO等の他の混晶と固溶した単結
晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有
することを特徴とする半導体発光素子。
H,ErN,HoN,LuN,NaF,NaH,NbC,NbC0.7,NbN0.93,NpN,NpO,P
aO,PuB,PuC,PuN,PuO,ScN,SmO,TaC,TaO,TbN,TmN,UC,UN,U
O,YN,YbN,YbO,ZrB,ZrC,ZrN,ZrO及びこれらの固溶体、或
は単体元素やCaO,CdO,MnO等の他の混晶と固溶した単結
晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有
することを特徴とする半導体発光素子。
（ｃ） CsCl型構造を有し、混晶CsI,CsSeH及びこれら
の固溶体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基
板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
の固溶体、或は単体元素や他の混晶と固溶した単結晶基
板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
（ｄ） 閃亜鉛鉱型構造を有し、二元混晶BAs,BP,BeS及
びこれらの固溶体、或は単体元素や他の混晶と固溶した
単結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層と
を有することを特徴とする半導体発光素子。
びこれらの固溶体、或は単体元素や他の混晶と固溶した
単結晶基板と、前記基板上に格子整合したInGaAlN層と
を有することを特徴とする半導体発光素子。
上記（Ｖ）の場合、（001）面から見た、基板と基板上
に成長したInGaAlNの原子の配置を第５図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝２1/2a0 である。
に成長したInGaAlNの原子の配置を第５図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝２1/2a0 である。
（VI）の場合、 キュウビック・スピネル構造を有するAl2CdO4,Al2CoO4,
Al2CuO4,AlFeNiO4,Al2FeO4,Al2MgO4,Al2MnO4,Al2NiO4,A
l2SnO4,Al2ZnO4,Co2CuO4,Co2GeO4,Co2MgO4,Co7Sb2O12,C
o2SnO4,Co2TiO4,Co2ZnO4,Co3O4,（Co,Ni）3O4,Cr2CdO4,
Cr2FeO4,Cr2（Fe,Mg）O4,Cr2MnO4,Cr2NiO4,Cr2ZnO4,FeC
rMnO4,FeMn（Zn0.5Ge0.5）O4,Fe2CoO4,Fe2CuO4,Fe2Ge
O4,Fe2MgO4,Fe2MgO4,Fe2（Mg,Mn,Fe）O4,Fe2MnO4,Fe2Mo
O4,Fe2NiO4,Fe2TiO4,Fe2ZnO4,Fe2O4a,Ga2CdO4,Ga2CoO4,
Ga2CuO4,Ga2MgO4,Ga2NiO4,Ga2ZnO4,In2MgO4,LiAlTiO4,L
iCoSbO4,LiCoVO4,LiCrGeO4,LiCrMnO4,LiCrTiO4,LiFeTiO
4,LiGaTiO4,LiGeRhO4,LiMnTiO4,LiNiVO4,Li2NiF4,LiRhM
nO4,LiTiRhO4,LiVTiO4,LiZnSbO4,Mg2GeO4,Mg2SnO4,Mg2T
iO4,Mg2VO4,Mn2CuO4,Mn2LiO4,Mn2NiO4,Mn2TiO4,Ni2Ge
O4,Ni2SiO4,Rh2CoO4,Rh2CuO4,Rh2MgO4,Rh2MnO4,Rh2Zn
O4,Mn2MgO4,Ti2MnO4,V2FeO4,V2LiO4,V2MgO4,V2TiO4,V2Z
nO4,ZnMn（Mg0.5Ti0.5）O4,Zn7Sb2O12,Zn2TiO4,LiAl
5O8,CuFe5O8,LiGa5O8及びこれらの固溶体、或は単体元
素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格
子整合したInGaAlN層とを有することを特徴とする半導
体発光素子。
Al2CuO4,AlFeNiO4,Al2FeO4,Al2MgO4,Al2MnO4,Al2NiO4,A
l2SnO4,Al2ZnO4,Co2CuO4,Co2GeO4,Co2MgO4,Co7Sb2O12,C
o2SnO4,Co2TiO4,Co2ZnO4,Co3O4,（Co,Ni）3O4,Cr2CdO4,
Cr2FeO4,Cr2（Fe,Mg）O4,Cr2MnO4,Cr2NiO4,Cr2ZnO4,FeC
rMnO4,FeMn（Zn0.5Ge0.5）O4,Fe2CoO4,Fe2CuO4,Fe2Ge
O4,Fe2MgO4,Fe2MgO4,Fe2（Mg,Mn,Fe）O4,Fe2MnO4,Fe2Mo
O4,Fe2NiO4,Fe2TiO4,Fe2ZnO4,Fe2O4a,Ga2CdO4,Ga2CoO4,
Ga2CuO4,Ga2MgO4,Ga2NiO4,Ga2ZnO4,In2MgO4,LiAlTiO4,L
iCoSbO4,LiCoVO4,LiCrGeO4,LiCrMnO4,LiCrTiO4,LiFeTiO
4,LiGaTiO4,LiGeRhO4,LiMnTiO4,LiNiVO4,Li2NiF4,LiRhM
nO4,LiTiRhO4,LiVTiO4,LiZnSbO4,Mg2GeO4,Mg2SnO4,Mg2T
iO4,Mg2VO4,Mn2CuO4,Mn2LiO4,Mn2NiO4,Mn2TiO4,Ni2Ge
O4,Ni2SiO4,Rh2CoO4,Rh2CuO4,Rh2MgO4,Rh2MnO4,Rh2Zn
O4,Mn2MgO4,Ti2MnO4,V2FeO4,V2LiO4,V2MgO4,V2TiO4,V2Z
nO4,ZnMn（Mg0.5Ti0.5）O4,Zn7Sb2O12,Zn2TiO4,LiAl
5O8,CuFe5O8,LiGa5O8及びこれらの固溶体、或は単体元
素や他の混晶と固溶した単結晶基板と、前記基板上に格
子整合したInGaAlN層とを有することを特徴とする半導
体発光素子。
上記（VI）の場合、（001）面から見た、基板と基板上
に成長したInGaAlNの原子の配置を第６図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝６1/2a0 である。
に成長したInGaAlNの原子の配置を第６図に示す。格子
定数の関係は、 ａ＝６1/2a0 である。
このように複数の元素の固溶体からなる結晶構造を有す
る単結晶基板上に、格子整合して成長した薄膜よりなる
半導体発光素子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。
る単結晶基板上に、格子整合して成長した薄膜よりなる
半導体発光素子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７図は本発明の第１の実施例を説明する図であり、発
光素子の断面を示す。本発光素子はMgO基板６の上に成
長した膜厚５μｍの基板に格子整合するｎ形InGaN層7,
膜厚0.5μｍのZnドープして高抵抗にした基板に格子整
合するInGaN発光層8,発光層の電極９とｎ形層７のオー
ミック電極10から成る。電極９に正の電圧を、電極10に
負の電圧を加えると発光層８は570nmの波長で発光し
た。その外部量子効率は0.45％と第12図に示した素子と
比較して極めて高かった。発光効率がこのように高くな
った原因は、基板とその上に成長した結晶の格子定数の
整合により成長した結晶の結晶性が高くなったためと考
えられる。また、本素子に用いたInGaN層に、基板と格
子整合する条件でアルミニュウムを添加すると約413nm
の紫外領域まで発光させることができる。
光素子の断面を示す。本発光素子はMgO基板６の上に成
長した膜厚５μｍの基板に格子整合するｎ形InGaN層7,
膜厚0.5μｍのZnドープして高抵抗にした基板に格子整
合するInGaN発光層8,発光層の電極９とｎ形層７のオー
ミック電極10から成る。電極９に正の電圧を、電極10に
負の電圧を加えると発光層８は570nmの波長で発光し
た。その外部量子効率は0.45％と第12図に示した素子と
比較して極めて高かった。発光効率がこのように高くな
った原因は、基板とその上に成長した結晶の格子定数の
整合により成長した結晶の結晶性が高くなったためと考
えられる。また、本素子に用いたInGaN層に、基板と格
子整合する条件でアルミニュウムを添加すると約413nm
の紫外領域まで発光させることができる。
（実施例２） 第８図は本発明の第２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。本素子の基本的構造はダブ
ルヘテロ構造であり、Al2MgO4基板11,膜厚５μｍのSnド
ープ形InGaAlNクラッド層12,膜厚0.5μｍのノンドープI
nGaN活性層13,膜厚２μｍのZnドープｐ形InGaAlNクラッ
ド層14,n形クラッド層のオーミック電極15,p形クラッド
層14のオーミック電極16から成る。
光ダイオードの断面を示す。本素子の基本的構造はダブ
ルヘテロ構造であり、Al2MgO4基板11,膜厚５μｍのSnド
ープ形InGaAlNクラッド層12,膜厚0.5μｍのノンドープI
nGaN活性層13,膜厚２μｍのZnドープｐ形InGaAlNクラッ
ド層14,n形クラッド層のオーミック電極15,p形クラッド
層14のオーミック電極16から成る。
ここに示した全てのInGaN及びInGaAlN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、クラッド層と活性層とのバンドギャップエネルギ
差が0.3eVとなるように、InGaAlNクラッド層の組成を第
13図から選んだ。そして、電極15,16にそれぞれ負と正
の電圧を加えることにより、電極15,16からそれぞれ電
子と正孔を発光層に注入した。その結果、波長450nmの
青色発光を観測できた。最大光出力は13mWであり、外部
微分量子効率は３％であった。
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0.3eVとなるように、InGaAlNクラッド層の組成を第
13図から選んだ。そして、電極15,16にそれぞれ負と正
の電圧を加えることにより、電極15,16からそれぞれ電
子と正孔を発光層に注入した。その結果、波長450nmの
青色発光を観測できた。最大光出力は13mWであり、外部
微分量子効率は３％であった。
（実施例３） 第９図は本発明の第３の実施例を説明する図であり、素
子の断面を示す。本素子はレーザである。基本的構造は
ダブルヘテロ構造を有する埋め込みレーザであり、Al2M
gO4基板17,膜厚５μｍのSnドープｎ形InGaAlNクラッド
層18,膜厚0.1μｍのノンドープInGaN活性層19,膜厚２μ
ｍのZnドープｐ形InGaAlNクラッド層20,Znドープｐ形In
GaAlN埋め込み層21,Snドープｎ形InGaAlN埋め込み層22,
p形クラッド層のオーミック電極23,n形クラッド層のオ
ーミック電極24から成る。
子の断面を示す。本素子はレーザである。基本的構造は
ダブルヘテロ構造を有する埋め込みレーザであり、Al2M
gO4基板17,膜厚５μｍのSnドープｎ形InGaAlNクラッド
層18,膜厚0.1μｍのノンドープInGaN活性層19,膜厚２μ
ｍのZnドープｐ形InGaAlNクラッド層20,Znドープｐ形In
GaAlN埋め込み層21,Snドープｎ形InGaAlN埋め込み層22,
p形クラッド層のオーミック電極23,n形クラッド層のオ
ーミック電極24から成る。
ここに示した全てのInGaN及びInGaAlN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0.3eVとなるように、InGaAlNクラッ
ド層の組成を第13図から選んだ。共振器長は300μｍ
で、活性層幅は0.8μｍである。一般に短波長発振素子
で問題となるCOD（Catastrophic Optical Damage）レベ
ルを上げるために、電極23は両端面から10μｍ内側まで
形成した。また、熱伝導を良くするために器板の厚みを
60μｍと薄くし、ダイヤモンド・ヒートシンク上でマウ
ントした。電極23,24にそれぞれ正と負の電圧を加え
る。そのようにすると一般にInP系やGaAs系を用いた埋
め込みレーザと同様に、埋め込み層21と22のpn接合には
逆バイアスがかかり、埋め込み層には電流は流れず、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
に狭搾でき、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。
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0.3eVとなるように、InGaAlNクラッ
ド層の組成を第13図から選んだ。共振器長は300μｍ
で、活性層幅は0.8μｍである。一般に短波長発振素子
で問題となるCOD（Catastrophic Optical Damage）レベ
ルを上げるために、電極23は両端面から10μｍ内側まで
形成した。また、熱伝導を良くするために器板の厚みを
60μｍと薄くし、ダイヤモンド・ヒートシンク上でマウ
ントした。電極23,24にそれぞれ正と負の電圧を加え
る。そのようにすると一般にInP系やGaAs系を用いた埋
め込みレーザと同様に、埋め込み層21と22のpn接合には
逆バイアスがかかり、埋め込み層には電流は流れず、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
に狭搾でき、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。注入電流を横軸に、光出
力を縦軸にとり光出力と注入電流の関係を第10図に、波
長を横軸にとり、任意単位の強度を縦軸にとって発振ス
ペクトルを第11図に示す。発振閾注入電流は48mAで、発
振波長は452nm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13mWであり、
横モードは単一であった。
力を縦軸にとり光出力と注入電流の関係を第10図に、波
長を横軸にとり、任意単位の強度を縦軸にとって発振ス
ペクトルを第11図に示す。発振閾注入電流は48mAで、発
振波長は452nm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13mWであり、
横モードは単一であった。
ここでは、活性層としてInGaAlNを選んだが、基板に格
子整合する組成のInGaAlNを選べば、InGaNを活性層とし
て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形ク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InGaAlN層のｐ形層をキャップ層として
一層入れても良い。
子整合する組成のInGaAlNを選べば、InGaNを活性層とし
て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形ク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InGaAlN層のｐ形層をキャップ層として
一層入れても良い。
以上述べてきた素子構造の他に、他の素子構造であって
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、極めて有効であることは言
うまでもないことである。
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、極めて有効であることは言
うまでもないことである。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば基板と格子整合し
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２と３に示したよう
に電流注入により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。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。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効果がある。
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２と３に示したよう
に電流注入により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。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。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効果がある。
第１図乃至第６図は本発明にかかる基板とその上に成長
するIII族元素（Al,Ga,In）窒化物の二元，三元及び四
元混晶の（001）面上での原子の対応を示す。 第７図及び第８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９図は本発明の実施例３におけるレーザ共振器方向に
垂直な断面構造の概略を示す。 第10図は本発明の実施例３における室温値・CW動作時の
片端面からの光出力と注入電流との関係を示す。 第11図は本発明の実施例３における室温値・CW動作時の
発振スペクトルを示す。 第12図は従来技術の発光素子の構造の概略、第13図はII
I族元素（Al,Ga,In）窒化物の（001）面上の格子定数と
バンドギャップエネルギとの関係を示す。 １……サファイア基板 ２……ｎ形GaN層 ３……Znドープ高抵抗GaN層 4,5……金電極 ６……MgO基板 ７……ｎ形InGaN層 ８……Znドープ高抵抗InGaN発光層 ９……ｎ形オーミック電極 10……金電極 11……Al2MgO4基板 12……SnドープInGaAlNクラッド層 13……ノンドープInGaN発光層 14……ZnドープInGaAlNクラッド層 15……ｐ形オーミック電極 16……ｎ形オーミック電極 17……Al2MgO4基板 18……SnドープInGaAlNクラッド層 19……ノンドープInGaN発光層 20……ZnドープInGaAlNクラッド層 21……ZnドープInGaAlNクラッド層 22……SnドープInGaAlNクラッド層 23……ｐ形オーミック電極 24……ｎ形オーミック電極
するIII族元素（Al,Ga,In）窒化物の二元，三元及び四
元混晶の（001）面上での原子の対応を示す。 第７図及び第８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９図は本発明の実施例３におけるレーザ共振器方向に
垂直な断面構造の概略を示す。 第10図は本発明の実施例３における室温値・CW動作時の
片端面からの光出力と注入電流との関係を示す。 第11図は本発明の実施例３における室温値・CW動作時の
発振スペクトルを示す。 第12図は従来技術の発光素子の構造の概略、第13図はII
I族元素（Al,Ga,In）窒化物の（001）面上の格子定数と
バンドギャップエネルギとの関係を示す。 １……サファイア基板 ２……ｎ形GaN層 ３……Znドープ高抵抗GaN層 4,5……金電極 ６……MgO基板 ７……ｎ形InGaN層 ８……Znドープ高抵抗InGaN発光層 ９……ｎ形オーミック電極 10……金電極 11……Al2MgO4基板 12……SnドープInGaAlNクラッド層 13……ノンドープInGaN発光層 14……ZnドープInGaAlNクラッド層 15……ｐ形オーミック電極 16……ｎ形オーミック電極 17……Al2MgO4基板 18……SnドープInGaAlNクラッド層 19……ノンドープInGaN発光層 20……ZnドープInGaAlNクラッド層 21……ZnドープInGaAlNクラッド層 22……SnドープInGaAlNクラッド層 23……ｐ形オーミック電極 24……ｎ形オーミック電極
Claims (1)
- 【請求項１】単結晶基板と、前記単結晶基板上に成長
し、かつ前記単結晶基板と異なる組成からなる薄膜とを
備える半導体発光素子において、前記単結晶基板は単体
元素又は複数の元素の固溶体からなる結晶構造を有し、
また前記薄膜は前記単結晶基板上に格子整合して成長し
たInxGayAlzN（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、かつ、０≦x,y,z≦
１）薄膜の少なくとも一層が含まれてなることを特徴と
する半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4966089A JPH06101587B2 (ja) | 1989-03-01 | 1989-03-01 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4966089A JPH06101587B2 (ja) | 1989-03-01 | 1989-03-01 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02229475A JPH02229475A (ja) | 1990-09-12 |
| JPH06101587B2 true JPH06101587B2 (ja) | 1994-12-12 |
Family
ID=12837337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4966089A Expired - Lifetime JPH06101587B2 (ja) | 1989-03-01 | 1989-03-01 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06101587B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8934513B2 (en) | 1994-09-14 | 2015-01-13 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor light emitting device and manufacturing method therefor |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CA2037198C (en) | 1990-02-28 | 1996-04-23 | Katsuhide Manabe | Light-emitting semiconductor device using gallium nitride group compound |
| US6830992B1 (en) | 1990-02-28 | 2004-12-14 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Method for manufacturing a gallium nitride group compound semiconductor |
| US5173751A (en) * | 1991-01-21 | 1992-12-22 | Pioneer Electronic Corporation | Semiconductor light emitting device |
| JP3423328B2 (ja) * | 1991-12-09 | 2003-07-07 | 豊田合成株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| JP2809045B2 (ja) * | 1992-11-20 | 1998-10-08 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化物半導体発光素子 |
| JP2560964B2 (ja) * | 1993-03-05 | 1996-12-04 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| US5578839A (en) * | 1992-11-20 | 1996-11-26 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device |
| JP2778405B2 (ja) † | 1993-03-12 | 1998-07-23 | 日亜化学工業株式会社 | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 |
| DE69425186T3 (de) | 1993-04-28 | 2005-04-14 | Nichia Corp., Anan | Halbleitervorrichtung aus einer galliumnitridartigen III-V-Halbleiterverbindung und Verfahren zu ihrer Herstellung |
| US6005258A (en) | 1994-03-22 | 1999-12-21 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Light-emitting semiconductor device using group III Nitrogen compound having emission layer doped with donor and acceptor impurities |
| JP2666237B2 (ja) * | 1994-09-20 | 1997-10-22 | 豊田合成株式会社 | ３族窒化物半導体発光素子 |
| JP3564811B2 (ja) | 1995-07-24 | 2004-09-15 | 豊田合成株式会社 | ３族窒化物半導体発光素子 |
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