JPH0738487B2 - 広バンドギャップ半導体発光装置 - Google Patents
広バンドギャップ半導体発光装置Info
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- JPH0738487B2 JPH0738487B2 JP23741789A JP23741789A JPH0738487B2 JP H0738487 B2 JPH0738487 B2 JP H0738487B2 JP 23741789 A JP23741789 A JP 23741789A JP 23741789 A JP23741789 A JP 23741789A JP H0738487 B2 JPH0738487 B2 JP H0738487B2
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- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は広バンドギャップ半導体発光装置（LED）、特
にレーザ出力を得るためのファブリ−ペロー空胴を有す
る広バンドギャップ半導体発光装置に関するものであ
る。
にレーザ出力を得るためのファブリ−ペロー空胴を有す
る広バンドギャップ半導体発光装置に関するものであ
る。
（従来の技術） II−VI化合物のような広バンドギャップ材料から形成し
た半導体発光装置（LED）は、これらが電磁スペクトル
の可視領域内の波長の放射光を放出するため所望とされ
ている。しかし、現時点では、広バンドギャップ半導体
材料からpn接合発光装置を形成するのは困難である。そ
の理由は、一般に好適な材料はｎ導電型またはｐ導電型
のいずれにも適宜にドープし得るからである。
た半導体発光装置（LED）は、これらが電磁スペクトル
の可視領域内の波長の放射光を放出するため所望とされ
ている。しかし、現時点では、広バンドギャップ半導体
材料からpn接合発光装置を形成するのは困難である。そ
の理由は、一般に好適な材料はｎ導電型またはｐ導電型
のいずれにも適宜にドープし得るからである。
これらの欠点があるにもかかわらず、それでも単一導電
型の広バンドギャップ半導体材料を用いる装置におい
て、通常例えば異なる導電型の領域間の境界の近くの高
フィールド電位によりもたらされる電子なだれ降伏によ
ってレーザ発光を行うようにしている。これに関し、フ
ェルン等による米国特許第3,493,891号明細書（ｐ−GaA
s）および三浦による特許願昭54−14470号明細書（ｎ−
GaAs）を参照されたい。また、かかる単一導電型材料に
おけるレーザ発光はストリーマのイオン化面の後方に誘
起される高フィールド電位によって達成するようにして
いる。これに関し、N.G.バソウ等による論文“半導体ス
トリーマレーザ"J.クオンタム エレクトロニクス、第Q
E−13巻、第８号、1988年８月（CdxSe1-xおよびZnSe）
参照。更に、ショットキイダイオードから直接キャリア
注入によってレーザ発光を行うことも提案されている。
これに関し、ウエイドによる米国特許第3,382,454号明
細書（ｐ−GaAs）参照。また、光学的ポンピングまたは
高エネルギー電子ビームによりかかる材料内でレーザ発
光させることも既知である。
型の広バンドギャップ半導体材料を用いる装置におい
て、通常例えば異なる導電型の領域間の境界の近くの高
フィールド電位によりもたらされる電子なだれ降伏によ
ってレーザ発光を行うようにしている。これに関し、フ
ェルン等による米国特許第3,493,891号明細書（ｐ−GaA
s）および三浦による特許願昭54−14470号明細書（ｎ−
GaAs）を参照されたい。また、かかる単一導電型材料に
おけるレーザ発光はストリーマのイオン化面の後方に誘
起される高フィールド電位によって達成するようにして
いる。これに関し、N.G.バソウ等による論文“半導体ス
トリーマレーザ"J.クオンタム エレクトロニクス、第Q
E−13巻、第８号、1988年８月（CdxSe1-xおよびZnSe）
参照。更に、ショットキイダイオードから直接キャリア
注入によってレーザ発光を行うことも提案されている。
これに関し、ウエイドによる米国特許第3,382,454号明
細書（ｐ−GaAs）参照。また、光学的ポンピングまたは
高エネルギー電子ビームによりかかる材料内でレーザ発
光させることも既知である。
II−VI化合物材料の電子ビーム励起はビデオのような表
示の用途に特に興味がある。その理由は、表示スクリー
ンを電子ビームで走査する技術は良好に開発されてお
り、かつ、これら材料のバンドギャップエネルギーが可
視スペクトル内で良好に規定された放出を得られるよう
な大きさであるからである。かかる単一導電型の材料を
用いる半導体発光装置の効率は、かかる材料をｎ−型お
よびｐ−型のいずれにドープしてpn接合を得る際に得ら
れる場合よりも少なくなる。かかる単一導電型材料に対
しては、電子なだれ降伏によるキャリア増倍、即ち、最
も効率の良い作動モードを達成するに要する電子ビーム
エネルギーは実際上禁止的となる。
示の用途に特に興味がある。その理由は、表示スクリー
ンを電子ビームで走査する技術は良好に開発されてお
り、かつ、これら材料のバンドギャップエネルギーが可
視スペクトル内で良好に規定された放出を得られるよう
な大きさであるからである。かかる単一導電型の材料を
用いる半導体発光装置の効率は、かかる材料をｎ−型お
よびｐ−型のいずれにドープしてpn接合を得る際に得ら
れる場合よりも少なくなる。かかる単一導電型材料に対
しては、電子なだれ降伏によるキャリア増倍、即ち、最
も効率の良い作動モードを達成するに要する電子ビーム
エネルギーは実際上禁止的となる。
本発明はこれらあらかじめ必要とされる場合よりも少な
いエネルギーの電子ビームにより励起し得る広バンドギ
ャップ単一導電型半導体発光装置を提供することを目的
とする。本発明の他の目的はこれらあらかじめ必要とさ
れる場合よりも少ないエネルギーの電子ビームにより励
起し得る広バンドギャップ単一導電型半導体レーザを提
供せんとするにある。
いエネルギーの電子ビームにより励起し得る広バンドギ
ャップ単一導電型半導体発光装置を提供することを目的
とする。本発明の他の目的はこれらあらかじめ必要とさ
れる場合よりも少ないエネルギーの電子ビームにより励
起し得る広バンドギャップ単一導電型半導体レーザを提
供せんとするにある。
本発明の更に他の目的は作動の効率を高めるようにした
広バンドギャップ単一導電型半導体発光装置およびレー
ザを提供せんとするにある。
広バンドギャップ単一導電型半導体発光装置およびレー
ザを提供せんとするにある。
本発明の更に他の目的は作動の効率を高めるようにした
広バンドギャップ単一導電型半導体ヘテロ構造の発光装
置およびレーザを提供せんとするにある。
広バンドギャップ単一導電型半導体ヘテロ構造の発光装
置およびレーザを提供せんとするにある。
本発明の１例によれば、電子なだれ降伏によるキャリア
増倍に必要なスレシホルド以下の電位を供給し、必要と
される場合よりも低いエネルギーでキャリア導入により
光放出の励起を行い得るようにする。かかるキャリア導
入は電子の入射ビーム、または光のような電磁放射、或
はpn接合ダイオードまたはショットキーダイオードのよ
うなキャリア注入によって行うことができる。
増倍に必要なスレシホルド以下の電位を供給し、必要と
される場合よりも低いエネルギーでキャリア導入により
光放出の励起を行い得るようにする。かかるキャリア導
入は電子の入射ビーム、または光のような電磁放射、或
はpn接合ダイオードまたはショットキーダイオードのよ
うなキャリア注入によって行うことができる。
本発明の他の例では、電位井戸または階段状部、或はそ
の組合わせのような効率−増強ヘテロ構体を有し、キャ
リア増倍および／またはかかる装置の再結合の効率を高
め得るようにした広バンドギャップ単一導電型半導体発
光装置を提供することができる。
の組合わせのような効率−増強ヘテロ構体を有し、キャ
リア増倍および／またはかかる装置の再結合の効率を高
め得るようにした広バンドギャップ単一導電型半導体発
光装置を提供することができる。
本発明の更に他の例では、かかる装置に、広バンドギャ
ップ半導体ホモ構体またはヘテロ構体のエピタキシヤル
成長を支持するに好適な単結晶半導体材料の基板に形成
されたキャリア注入構体を用いる。ここに云うかかる構
体とは一般に装置の“能動領域”を意味するものとす
る。かかる装置は集積回路分野に既知の技術により例え
ばキャリア注入構体および能動領域の双方を形成する基
板に形成された装置の配列（アレイ）の１つである。例
えば、基板の全面を覆うヘテロ構体のエピタキシヤル成
長層を、所望の能動領域に相当する区域をマスクし、次
いでヘテロ構体のエピタキシヤル層の材料に対し選択さ
れるエッチング剤により露出部分を除去することによっ
て個別の能動領域の配列に分離し得るようにする。かか
る配列は、その個別の装置に電子なだれ降伏に必要な走
査電子ビーム電位以下の電位を供給する際にビデオ表示
装置のような表示装置に有利である。
ップ半導体ホモ構体またはヘテロ構体のエピタキシヤル
成長を支持するに好適な単結晶半導体材料の基板に形成
されたキャリア注入構体を用いる。ここに云うかかる構
体とは一般に装置の“能動領域”を意味するものとす
る。かかる装置は集積回路分野に既知の技術により例え
ばキャリア注入構体および能動領域の双方を形成する基
板に形成された装置の配列（アレイ）の１つである。例
えば、基板の全面を覆うヘテロ構体のエピタキシヤル成
長層を、所望の能動領域に相当する区域をマスクし、次
いでヘテロ構体のエピタキシヤル層の材料に対し選択さ
れるエッチング剤により露出部分を除去することによっ
て個別の能動領域の配列に分離し得るようにする。かか
る配列は、その個別の装置に電子なだれ降伏に必要な走
査電子ビーム電位以下の電位を供給する際にビデオ表示
装置のような表示装置に有利である。
本発明の更に他の例では、かかる装置に平行な反射面を
設け、これら平行反射面により装置の能動領域のキャリ
ア再結合領域のファブリ−ペロー空胴を形成して放出光
のレーザ発光を行い得るようにする。かかるレーザ装置
では、電極は部分伝送とするか、またはレーザ光の通路
の外側に設けて電極材料によるかかる光の吸収および／
または減衰を防止し得るようにする。
設け、これら平行反射面により装置の能動領域のキャリ
ア再結合領域のファブリ−ペロー空胴を形成して放出光
のレーザ発光を行い得るようにする。かかるレーザ装置
では、電極は部分伝送とするか、またはレーザ光の通路
の外側に設けて電極材料によるかかる光の吸収および／
または減衰を防止し得るようにする。
（実施例） 図面につき本発明の実施例を説明する。
ここに云う“広バンドギャップ半導体材料”とは周期率
表のII族およびVI族から選択した元素の化合物およびII
I族およびＶ族から選択した元素の化合物に基づく半導
体組成を意味するものとする。
表のII族およびVI族から選択した元素の化合物およびII
I族およびＶ族から選択した元素の化合物に基づく半導
体組成を意味するものとする。
II−VI化合物の例としては硫化亜鉛（ZnS）、セレン化
亜鉛（ZnSe）、硫化カドミウム（CdS）およびセレン化
カドミウム（CdSe）がある。II族のカチオンまたはVI族
のアニオン或はその双方が、１つ以上の他のII族のカチ
オンまたはVI族のアニオンと夫々部分的に置換される混
合化合物も含まれ、その例としては（Zn,Cd）Ｓ、Zn
（S,Se）等がある。又、かかる広バンドギャップ半導体
材料としては砒化ガリウム（GaAs）、窒化ヴリウム（Ga
N）、窒化アルミニウム（AlN）および燐化インジウム
（InP）のようなIII−Ｖ族化合物およびIII族のカチオ
ンまたはＶ族のアニオンまたはその双方が１つ以上の他
のIII族のカチオンまたはＶ族のアニオンと部分的に置
換されるこれら材料の混合化合物に基づく化合物があ
る。
亜鉛（ZnSe）、硫化カドミウム（CdS）およびセレン化
カドミウム（CdSe）がある。II族のカチオンまたはVI族
のアニオン或はその双方が、１つ以上の他のII族のカチ
オンまたはVI族のアニオンと夫々部分的に置換される混
合化合物も含まれ、その例としては（Zn,Cd）Ｓ、Zn
（S,Se）等がある。又、かかる広バンドギャップ半導体
材料としては砒化ガリウム（GaAs）、窒化ヴリウム（Ga
N）、窒化アルミニウム（AlN）および燐化インジウム
（InP）のようなIII−Ｖ族化合物およびIII族のカチオ
ンまたはＶ族のアニオンまたはその双方が１つ以上の他
のIII族のカチオンまたはＶ族のアニオンと部分的に置
換されるこれら材料の混合化合物に基づく化合物があ
る。
かかる混合化合物は特定の装置の用途に適合される、個
別の層またはバンドギャップエネルギー（バンドギャッ
プとは材料の伝導帯および価電子帯のエネルギー間の差
である）が変化するヘテロ構体の形成に有利である。
別の層またはバンドギャップエネルギー（バンドギャッ
プとは材料の伝導帯および価電子帯のエネルギー間の差
である）が変化するヘテロ構体の形成に有利である。
第１図には、能動材料11が電極12および13間にサンドイ
ッチ状に挟まれた本発明の広バンドギャップ半導体発光
装置10の１例の断面を示す。能動材料11は例えばｎ−型
ZnSeとする。この材料の両端には電極12に正電圧を印加
し、電極13を接地して正電位を加える。かかる正電位に
よって能動材料のバンドギャップを変化させ、装置に矢
印で示す電子ビームを入射する際光放出を行い得るよう
にする。
ッチ状に挟まれた本発明の広バンドギャップ半導体発光
装置10の１例の断面を示す。能動材料11は例えばｎ−型
ZnSeとする。この材料の両端には電極12に正電圧を印加
し、電極13を接地して正電位を加える。かかる正電位に
よって能動材料のバンドギャップを変化させ、装置に矢
印で示す電子ビームを入射する際光放出を行い得るよう
にする。
第２図は第１図の装置の能動領域のエネルギー状態を線
図的に示し、Ecは材料の伝導帯のエネルギーレベル（準
位）、Evは材料の価電子帯のエネルギーレベルである。
電子（ｎ−型材料では多数キャリア）は伝導帯内で接地
電極13から離れる方向に移動して正電極12に向かい、正
孔（少数キャリア）は価電子帯に沿って正電極12から離
れる方向に移動して接地電極13に向かう。電子−正孔対
は、第１図に矢印で示す電子ビームが装置の片側表面に
入射する際に発生する。これら電子−正孔対が再結合す
ると、エネルギーは光放出の形態で生ずるようになる。
電位が増大するにつれて一層多数の電子−正孔対が発生
し、その結果可能なキャリア再結合の数従って装置から
出る光の量が増大する。電位が電子なだれ降伏によるキ
ャリア増倍に必要なレベル以下のレベルに保持される場
合には装置に入射する電子ビームは電子なだれ状態を発
生する。
図的に示し、Ecは材料の伝導帯のエネルギーレベル（準
位）、Evは材料の価電子帯のエネルギーレベルである。
電子（ｎ−型材料では多数キャリア）は伝導帯内で接地
電極13から離れる方向に移動して正電極12に向かい、正
孔（少数キャリア）は価電子帯に沿って正電極12から離
れる方向に移動して接地電極13に向かう。電子−正孔対
は、第１図に矢印で示す電子ビームが装置の片側表面に
入射する際に発生する。これら電子−正孔対が再結合す
ると、エネルギーは光放出の形態で生ずるようになる。
電位が増大するにつれて一層多数の電子−正孔対が発生
し、その結果可能なキャリア再結合の数従って装置から
出る光の量が増大する。電位が電子なだれ降伏によるキ
ャリア増倍に必要なレベル以下のレベルに保持される場
合には装置に入射する電子ビームは電子なだれ状態を発
生する。
既知のように、電子なだれは、それ自体追加の電荷キャ
リア発生するに充分な電荷キャリアを生ずるプロセスに
関連し、これによりキャリア対従って再結合の数が増大
し、その結果装置の効率および光出力の双方が増大する
ようになる。
リア発生するに充分な電荷キャリアを生ずるプロセスに
関連し、これによりキャリア対従って再結合の数が増大
し、その結果装置の効率および光出力の双方が増大する
ようになる。
第３図は第１図の装置の効率を電位井戸に能動領域を追
加することによって増強するようにした本発明広バンド
ギャップ半導体発光装置他の例を示す断面図である。従
って、装置30は電位井戸32および33が位置し、正電位お
よび接地電位に夫々保持される電極34および35間にサン
ドイッチ状に挟まれた能動材料31を有する。能動材料を
例えばZnSXSe1−Ｘとすると、電位井戸はZnSeとなる。
ここにｘは約0.1〜0.3の範囲内とする。電位井戸を含む
これら能動領域は、能動材料31の層をエピタキシヤル堆
積し、電位井戸33の層をエピタキシヤル堆積し、能動材
料31の他の層を堆積し、他の電位井戸層32を堆積し、能
動領域31の残りの層を堆積することによって形成するこ
とができる。電位井戸の厚さは例えば数100Å近くと
し、能動領域の全部の厚さは５〜20μとする。
加することによって増強するようにした本発明広バンド
ギャップ半導体発光装置他の例を示す断面図である。従
って、装置30は電位井戸32および33が位置し、正電位お
よび接地電位に夫々保持される電極34および35間にサン
ドイッチ状に挟まれた能動材料31を有する。能動材料を
例えばZnSXSe1−Ｘとすると、電位井戸はZnSeとなる。
ここにｘは約0.1〜0.3の範囲内とする。電位井戸を含む
これら能動領域は、能動材料31の層をエピタキシヤル堆
積し、電位井戸33の層をエピタキシヤル堆積し、能動材
料31の他の層を堆積し、他の電位井戸層32を堆積し、能
動領域31の残りの層を堆積することによって形成するこ
とができる。電位井戸の厚さは例えば数100Å近くと
し、能動領域の全部の厚さは５〜20μとする。
電位井戸の組成を適宜選定してこれら電位井戸のバンド
ギャップが能動領域の周囲の材料のバンドギャップより
も低くなるようにする。かかる装置のエネルギー状態図
を第４図に示し、ここに状態図の下側部分および価電子
帯の切欠き部は、電位井戸の正しい位置に相当し、これ
ら電位井戸の低いバンドギャップを示す。
ギャップが能動領域の周囲の材料のバンドギャップより
も低くなるようにする。かかる装置のエネルギー状態図
を第４図に示し、ここに状態図の下側部分および価電子
帯の切欠き部は、電位井戸の正しい位置に相当し、これ
ら電位井戸の低いバンドギャップを示す。
装置の作動に当たり、電子および正孔が図示の方向に移
動するにつれて多数のこれら電荷キャリアが電位井戸で
トラップされ、その結果キャリア再結合および光放出が
これら電位井戸に集中するようになる。かかる電荷キャ
リアのトラップによってキャリアが弛張され、第１図に
示す場合のホモ構体で生ずるよりも大きな効率の再結合
が行われるようになる。
動するにつれて多数のこれら電荷キャリアが電位井戸で
トラップされ、その結果キャリア再結合および光放出が
これら電位井戸に集中するようになる。かかる電荷キャ
リアのトラップによってキャリアが弛張され、第１図に
示す場合のホモ構体で生ずるよりも大きな効率の再結合
が行われるようになる。
第５図は本発明広バンドギャップ半導体発光装置50の他
の例の断面図を示し、本例では正電極54および接地電極
55間の能動領域を各々が類別組成の３つのサブ領域51、
52および53に分割する。例えば、これら３つの領域はｎ
−ZnSxSe1-xで構成し、ここに例えばｘは約0.05から約
0.3まで各層の下側面から上側面まで均一に増大する。
かかる層の厚さは数100Å程度とする。類別組成は既知
のエピタキシヤル堆積技術によって形成することができ
る。
の例の断面図を示し、本例では正電極54および接地電極
55間の能動領域を各々が類別組成の３つのサブ領域51、
52および53に分割する。例えば、これら３つの領域はｎ
−ZnSxSe1-xで構成し、ここに例えばｘは約0.05から約
0.3まで各層の下側面から上側面まで均一に増大する。
かかる層の厚さは数100Å程度とする。類別組成は既知
のエピタキシヤル堆積技術によって形成することができ
る。
類別組成のかかる層構体によればバンドギャップが層を
横切って連続的に変化し、この変化によっていわゆる
“階段状部”を形成する。かかる構体のエネルギー状態
を第６図に示す。図から明らかなようにこの階段状部の
ステップは伝導帯よりも価電子帯で深くなる。これは追
加の正孔（ｎ−型材料の少数キャリア）の形成を促進す
るうえで必要である。正孔が装置の正電極から接地電極
に向かって移動するにつれてその価電子帯のエネルギー
は急激に変化する。その理由は、これらが“ステップ”
に追加の正孔を発生し、これにより少数キャリアの集中
を増大し、電子正孔対の再結合の可能性を増大し、その
結果光放出を増強するようになる。能動材料をｎ−型で
なくｐ−型とする場合には階段状部が形成されて正孔よ
りも電子を像倍するようになる。
横切って連続的に変化し、この変化によっていわゆる
“階段状部”を形成する。かかる構体のエネルギー状態
を第６図に示す。図から明らかなようにこの階段状部の
ステップは伝導帯よりも価電子帯で深くなる。これは追
加の正孔（ｎ−型材料の少数キャリア）の形成を促進す
るうえで必要である。正孔が装置の正電極から接地電極
に向かって移動するにつれてその価電子帯のエネルギー
は急激に変化する。その理由は、これらが“ステップ”
に追加の正孔を発生し、これにより少数キャリアの集中
を増大し、電子正孔対の再結合の可能性を増大し、その
結果光放出を増強するようになる。能動材料をｎ−型で
なくｐ−型とする場合には階段状部が形成されて正孔よ
りも電子を像倍するようになる。
第７図は本発明広バンドギャップ半導体発光装置70の他
の例の断面を示し、本例では第３図の電位井戸および第
５図の階段状部を単一能動領域に組合わせてキャリア発
生および再結合の効率を更に増大し得るようにする。こ
れがため階段状部の領域71、72および73は第５図の装置
につき説明した所と同様に存在し、最下側階段状部領域
73は電位井戸74および75を含む。
の例の断面を示し、本例では第３図の電位井戸および第
５図の階段状部を単一能動領域に組合わせてキャリア発
生および再結合の効率を更に増大し得るようにする。こ
れがため階段状部の領域71、72および73は第５図の装置
につき説明した所と同様に存在し、最下側階段状部領域
73は電位井戸74および75を含む。
かかる装置のエネルギー状態を第８図に示す。かかる装
置の作動では、正孔は正電極から接地電極に向かって移
動し、追加の正孔を発生する。その理由はこれらが階段
状部のステップに降下し最下部の階段状部領域73の電位
井戸でトラップされるようになる。又、電子は接地電極
から正電極に向かって移動し、これも階段状部のステッ
プに到達する前に電位井戸でトラップされるようにな
る。前述したように、トラップされた電荷キャリアは緩
和されて再結合し、未トラップキャリアに比較し、増大
した効率で光放出を生じるようになる。
置の作動では、正孔は正電極から接地電極に向かって移
動し、追加の正孔を発生する。その理由はこれらが階段
状部のステップに降下し最下部の階段状部領域73の電位
井戸でトラップされるようになる。又、電子は接地電極
から正電極に向かって移動し、これも階段状部のステッ
プに到達する前に電位井戸でトラップされるようにな
る。前述したように、トラップされた電荷キャリアは緩
和されて再結合し、未トラップキャリアに比較し、増大
した効率で光放出を生じるようになる。
第１〜７図の装置では個別のキャリア導入を装置の表面
に入射する電子ビームによって行っている。第９図では
キャリア導入を電子ビームよりもキャリア注入構体によ
り第７図の装置と同様の装置に対して行う。かかる装置
90ではpn接合ダイオード91を能動領域上に位置させ、ｐ
＋領域およびｎ＋領域を例えばドープして不純物レベル
が1018〜10191/cm3の範囲となるようにする。能動領域
は階段状部層92、93および94を具え、層94は電位井戸95
および96を有するようにする。ダイオードのｎ＋領域上
に位置する電極97およびダイオードのｐ＋領域上に位置
する電極98は正電位に保持し、電極97の電位を電極98の
電位よりも大きくし、底部電極99は接地電位に保持す
る。
に入射する電子ビームによって行っている。第９図では
キャリア導入を電子ビームよりもキャリア注入構体によ
り第７図の装置と同様の装置に対して行う。かかる装置
90ではpn接合ダイオード91を能動領域上に位置させ、ｐ
＋領域およびｎ＋領域を例えばドープして不純物レベル
が1018〜10191/cm3の範囲となるようにする。能動領域
は階段状部層92、93および94を具え、層94は電位井戸95
および96を有するようにする。ダイオードのｎ＋領域上
に位置する電極97およびダイオードのｐ＋領域上に位置
する電極98は正電位に保持し、電極97の電位を電極98の
電位よりも大きくし、底部電極99は接地電位に保持す
る。
かかる装置のエネルギー状態を第10図に示す。本例では
下側部分を層92、93および94とし、第８図に示すものと
同様とする。上側部分はpn接合ダイオードの伝導帯およ
び価電子帯のエネルギー変化を示す。図面から明らかな
ように、図示のような逆バイアスを行うと、pn接合ダイ
オードは正孔を装置内に注入する。
下側部分を層92、93および94とし、第８図に示すものと
同様とする。上側部分はpn接合ダイオードの伝導帯およ
び価電子帯のエネルギー変化を示す。図面から明らかな
ように、図示のような逆バイアスを行うと、pn接合ダイ
オードは正孔を装置内に注入する。
能動領域の組成を第３および５図に示す所と同様のもの
とする場合にはこれら層92、93および94の全体の厚さを
約１μとし、ｎ＋領域の厚さを約0.5μとし、ｎ領域の
下側のダイオードのｐ領域の厚さを約100〜300Åとし、
電極97に約10Vの電位を印加し電極98の約5Vの電位を印
加して装置の能動領域にホット正孔を注入し得るように
する。pn接合ダイオードは、能動領域に対し選定した材
料と両立し得、例えば珪素または砒化ガリウムのような
ｎ−型またはｐ−型の双方にドープし得る任意の半導体
から造ることができる。或は又、キャリア注入に逆バイ
アスショットキーダイオードを用いることができる。
とする場合にはこれら層92、93および94の全体の厚さを
約１μとし、ｎ＋領域の厚さを約0.5μとし、ｎ領域の
下側のダイオードのｐ領域の厚さを約100〜300Åとし、
電極97に約10Vの電位を印加し電極98の約5Vの電位を印
加して装置の能動領域にホット正孔を注入し得るように
する。pn接合ダイオードは、能動領域に対し選定した材
料と両立し得、例えば珪素または砒化ガリウムのような
ｎ−型またはｐ−型の双方にドープし得る任意の半導体
から造ることができる。或は又、キャリア注入に逆バイ
アスショットキーダイオードを用いることができる。
既知のように、装置の後にｐ−型材料を選択する場合に
は、順バイアスpn接合ダイオードまたはショットキーダ
イオードを用いて装置の能動領域に電子を注入し得るよ
うにする。
は、順バイアスpn接合ダイオードまたはショットキーダ
イオードを用いて装置の能動領域に電子を注入し得るよ
うにする。
第11図は本発明広バンドギャップ半導体発光装置100を
他の例として示す。本例ではｎ−型単結晶半導体基板10
1上に同一材料の単結晶ｐ−型層102を設け、既知のよう
に不純物の熱拡散によってｎ＋＋領域を設けてpn接合を
形成し得るようにする。個のｐ−型層102の上側のpn接
合上に類別組成層103、106および107を有する能動領域
をエピタキシヤル堆積し、層103には電位井戸層104およ
び105を設ける。例えば層103はZnSeとして層104および1
05に交互に設け、これら層104および105の各々はZnSSe
とする。層106は全部をZnSeとし、層107は全部をZnSSe
とする。これら層の成長は基板102の残存領域をマスク
してpn接合上の区域に制限するか、または基板102の全
面で行い、その後その部分を例えばエッチング処理によ
り選択的に除去する。次いで、電極108、109および110
をｎ−型基板101の下側表面、能動領域107の上側表面お
よびｐ−型層の上側表面に夫々形成する。電極108を正
電位、電極109を負電位および電極110を接地電位とす
る。かかる装置のエネルギー状態を第12図に示す。
他の例として示す。本例ではｎ−型単結晶半導体基板10
1上に同一材料の単結晶ｐ−型層102を設け、既知のよう
に不純物の熱拡散によってｎ＋＋領域を設けてpn接合を
形成し得るようにする。個のｐ−型層102の上側のpn接
合上に類別組成層103、106および107を有する能動領域
をエピタキシヤル堆積し、層103には電位井戸層104およ
び105を設ける。例えば層103はZnSeとして層104および1
05に交互に設け、これら層104および105の各々はZnSSe
とする。層106は全部をZnSeとし、層107は全部をZnSSe
とする。これら層の成長は基板102の残存領域をマスク
してpn接合上の区域に制限するか、または基板102の全
面で行い、その後その部分を例えばエッチング処理によ
り選択的に除去する。次いで、電極108、109および110
をｎ−型基板101の下側表面、能動領域107の上側表面お
よびｐ−型層の上側表面に夫々形成する。電極108を正
電位、電極109を負電位および電極110を接地電位とす
る。かかる装置のエネルギー状態を第12図に示す。
例えば、n++領域の厚さを約0.5μとし、n++領域上のｐ
−型領域の厚さを約100〜300Åとし、層112の厚さを約
0.2〜0.3μとし、層112の電位井戸103、104および105の
厚さを夫々約30Åとし、層106および107の厚さを夫々約
0.1〜0.2μとする。
−型領域の厚さを約100〜300Åとし、層112の厚さを約
0.2〜0.3μとし、層112の電位井戸103、104および105の
厚さを夫々約30Åとし、層106および107の厚さを夫々約
0.1〜0.2μとする。
第11図の構成は単結晶基板の広バンドギャップ半導体発
光装置の配列の製造に用いる装置である。かかる配列を
第15図に部分的に示す。本例では基板171上に、第11図
に示すものの構成と同様の装置172を設ける。かかる配
列の製造時には、まず最初pn接合の配列（アレイ）を、
集積回路で既知の写真食刻マスク技術、熱拡散およびエ
ピタキシヤル成長技術を用いて基板に形成する。次いで
装置の能動領域は、まず最初能動材料を必要とするダイ
オード上の区域のみを露光して基板表面をマスクし、露
出した領域にエピタキシヤル層を成長させ、次いでマス
ク材料を除去するか、或は又、基板の全表面にエピタキ
シヤル層を成長させ、次いで写真食刻マスクおよび選択
エッチング技術により層の部分を除去してダイオード上
の区域に能動材料を残存させるようにする。最後に電極
を形成する。かかる配列は、例えば配列の個別の半導体
発光装置を個別にアドレス指定してビデオその他の情報
を表示する表示装置の製造に用いることができる。
光装置の配列の製造に用いる装置である。かかる配列を
第15図に部分的に示す。本例では基板171上に、第11図
に示すものの構成と同様の装置172を設ける。かかる配
列の製造時には、まず最初pn接合の配列（アレイ）を、
集積回路で既知の写真食刻マスク技術、熱拡散およびエ
ピタキシヤル成長技術を用いて基板に形成する。次いで
装置の能動領域は、まず最初能動材料を必要とするダイ
オード上の区域のみを露光して基板表面をマスクし、露
出した領域にエピタキシヤル層を成長させ、次いでマス
ク材料を除去するか、或は又、基板の全表面にエピタキ
シヤル層を成長させ、次いで写真食刻マスクおよび選択
エッチング技術により層の部分を除去してダイオード上
の区域に能動材料を残存させるようにする。最後に電極
を形成する。かかる配列は、例えば配列の個別の半導体
発光装置を個別にアドレス指定してビデオその他の情報
を表示する表示装置の製造に用いることができる。
第13図は本発明広バンドギャップ半導体発光装置の他の
例の装置150を示し、本例装置は、ファブリ−ペロー表
面154および155を能動領域151の対向表面に平行に配置
する点以外は第１図に示す装置と同一である。既知のよ
うに、かかる表面は空胴内にトラップされた光波を増幅
し、次いで矢印で示すように装置からレーザ光を放出し
得るファブリ−ペロー空胴を構成する。この例では、フ
ァブリ−ペロー表面に対する垂線を電極表面15152およ
び153に平行とし、従って電極材料を光が通過する際に
発生するレーザ光の減衰または吸収を防止し得るように
する。
例の装置150を示し、本例装置は、ファブリ−ペロー表
面154および155を能動領域151の対向表面に平行に配置
する点以外は第１図に示す装置と同一である。既知のよ
うに、かかる表面は空胴内にトラップされた光波を増幅
し、次いで矢印で示すように装置からレーザ光を放出し
得るファブリ−ペロー空胴を構成する。この例では、フ
ァブリ−ペロー表面に対する垂線を電極表面15152およ
び153に平行とし、従って電極材料を光が通過する際に
発生するレーザ光の減衰または吸収を防止し得るように
する。
第14図は本発明広バンドギャップ半導体レーザ装置の他
の例のレーザ装置160を示す。この装置160では、能動材
料161の層を適宜の基板162上に堆積し、その後能動材料
161に溝をエッチングにより形成して電極材料を充填し
電極163および164を形成する。次いで能動材料161およ
び基板162の外側表面に反射層165および166を夫々堆積
し、ファブリ−ペロー表面を形成する。電極164に印加
する正電圧によって電極間の能動材料に電子なだれ降伏
に必要な電位よりも低い電位を印加する。次いで反射層
165を経て能動材料161に電子ビームを照射することによ
って電子なだれ降伏によるキャリア増倍を行う。キャリ
アを再結合することによって反射層165および166間に発
振を生ぜしめ、矢印で示すように光増幅およびレーザ出
力を発生させて光を放出し得るようにする。この配置は
基板上にかかる装置の配列を形成する際に用いることが
できる。かかる配列は、レーザ出力を励起するに充分な
エネルギーを有する変調電子ビームにより配列を走査し
て配列に印加する定バイアス電圧によってビデオ情報を
表示するようにした表示の用途に用いるのが特に好適で
ある。これがため、第11図の装置に対比し、配列の各素
子を個別にアドレス指定するのを防止することができ
る。
の例のレーザ装置160を示す。この装置160では、能動材
料161の層を適宜の基板162上に堆積し、その後能動材料
161に溝をエッチングにより形成して電極材料を充填し
電極163および164を形成する。次いで能動材料161およ
び基板162の外側表面に反射層165および166を夫々堆積
し、ファブリ−ペロー表面を形成する。電極164に印加
する正電圧によって電極間の能動材料に電子なだれ降伏
に必要な電位よりも低い電位を印加する。次いで反射層
165を経て能動材料161に電子ビームを照射することによ
って電子なだれ降伏によるキャリア増倍を行う。キャリ
アを再結合することによって反射層165および166間に発
振を生ぜしめ、矢印で示すように光増幅およびレーザ出
力を発生させて光を放出し得るようにする。この配置は
基板上にかかる装置の配列を形成する際に用いることが
できる。かかる配列は、レーザ出力を励起するに充分な
エネルギーを有する変調電子ビームにより配列を走査し
て配列に印加する定バイアス電圧によってビデオ情報を
表示するようにした表示の用途に用いるのが特に好適で
ある。これがため、第11図の装置に対比し、配列の各素
子を個別にアドレス指定するのを防止することができ
る。
第１図は光放出に必要な電位以下の電位を供給し、か
つ、光放出を装置に入射する電子ビームによって励起す
るようにした本発明半導体発光装置の１例を示す断面
図、 第２図は装置全体バンドギャップエネルギーの変化を示
す第１図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第３図は第１図の装置の効率を電位井戸の追加により増
強するようにした本発明半導体発光装置の他の例を示す
第１図と同様の断面図 第４図は第３図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第５図は第１図の装置の効率を階段状部の追加により増
強するようにした本発明半導体発光装置の他の例を示す
第１図と同様の断面図 第６図は第５図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第７図は第３および５図の装置の効率を電位井戸および
階段状部のの組合わせにより増強するようにした本発明
半導体発光装置の他の例を示す第１図と同様の断面図 第８図は第７図の装置の能動領域の電位状態図、 第９図は第７図の電子ビームをpn接合ダイオードにより
置換した本発明半導体発光装置の他の例を示す断面図、 第10図は第９図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第11図はpn接合を単結晶基板材料に形成し、能動領域を
基板の表面にエピタキシヤル成長させるようにした本発
明半導体発光装置の他の例を示す断面図、 第12図は第11図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第13図はファブリ−ペロー表面を第１図の装置の能動領
域に追加するようにした本発明半導体発光装置の他の例
を示す断面図、 第14図はファブリ−ペロー表面を電極間の能動領域およ
び基板材料に位置させるようにした本発明広バンドギャ
ップ半導体発光装置の他の例を示す断面図、 第15図は表示装置に用いるに好適な本発明広バンドギャ
ップ半導体発光装置の配置の１部分を示す平面図であ
る。 10、30、50、70、90、100、150、160、170……広バンド
ギャップ半導体発光装置 11、31、103、106、107……能動材料 12、13、34、35、54、55、108、109、110……電極 32、33、74、75、95、96、104、105……電位井戸 51、52、53……サブ領域 71、72、73、92、93、94……階段状部領域 91……pn接合ダイオード 101……単結晶半導体基板 102……単結晶ｐ−型層
つ、光放出を装置に入射する電子ビームによって励起す
るようにした本発明半導体発光装置の１例を示す断面
図、 第２図は装置全体バンドギャップエネルギーの変化を示
す第１図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第３図は第１図の装置の効率を電位井戸の追加により増
強するようにした本発明半導体発光装置の他の例を示す
第１図と同様の断面図 第４図は第３図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第５図は第１図の装置の効率を階段状部の追加により増
強するようにした本発明半導体発光装置の他の例を示す
第１図と同様の断面図 第６図は第５図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第７図は第３および５図の装置の効率を電位井戸および
階段状部のの組合わせにより増強するようにした本発明
半導体発光装置の他の例を示す第１図と同様の断面図 第８図は第７図の装置の能動領域の電位状態図、 第９図は第７図の電子ビームをpn接合ダイオードにより
置換した本発明半導体発光装置の他の例を示す断面図、 第10図は第９図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第11図はpn接合を単結晶基板材料に形成し、能動領域を
基板の表面にエピタキシヤル成長させるようにした本発
明半導体発光装置の他の例を示す断面図、 第12図は第11図の装置の能動領域のエネルギー状態図、 第13図はファブリ−ペロー表面を第１図の装置の能動領
域に追加するようにした本発明半導体発光装置の他の例
を示す断面図、 第14図はファブリ−ペロー表面を電極間の能動領域およ
び基板材料に位置させるようにした本発明広バンドギャ
ップ半導体発光装置の他の例を示す断面図、 第15図は表示装置に用いるに好適な本発明広バンドギャ
ップ半導体発光装置の配置の１部分を示す平面図であ
る。 10、30、50、70、90、100、150、160、170……広バンド
ギャップ半導体発光装置 11、31、103、106、107……能動材料 12、13、34、35、54、55、108、109、110……電極 32、33、74、75、95、96、104、105……電位井戸 51、52、53……サブ領域 71、72、73、92、93、94……階段状部領域 91……pn接合ダイオード 101……単結晶半導体基板 102……単結晶ｐ−型層
Claims (18)
- 【請求項１】少なくとも２つの電極およびこれら電極間
の能動領域を有し、II−VIおよびIII−Ｖ半導体化合物
並びにその混合化合物の群から選択した単一導電型の主
として単結晶半導体化合物を具える 広バンドギャップ単一導電型半導体発光装置において、
前記能動領域へのキャリア導入を行う手段を設け、作動
時に電子なだれ降伏によるキャリア増倍に必要な電位よ
りも低いバイアス電位を前記電極間に供給してバイアス
電位をかけない場合に必要とするよりも低いエネルギー
で個別のキャリア導入により光放出を励起するようにし
たことを特徴とする広バンドギャップ半導体発光装置。 - 【請求項２】前記能動領域が少なくとも１つの電位井戸
を含むことを特徴とする請求項１に記載の広バンドギャ
ップ半導体発光装置。 - 【請求項３】前記能動領域の組成をｎ−型ZnSxSe1-xと
し、前記電位井戸の組成をｎ−型ZnSeとしたことを特徴
とする請求項２に記載の広バンドギャップ半導体発光装
置。 - 【請求項４】前記能動領域の組成をｎ−型AlxGa1-xNと
し、前記電位井戸の組成をｎ−型GaNとしたことを特徴
とする請求項２に記載の広バンドギャップ半導体発光装
置。 - 【請求項５】前記能動領域は少なくとも１つの階段状部
を含むことを特徴とする請求項１に記載の広バンドギャ
ップ半導体発光装置。 - 【請求項６】前記能動領域の組成を式ｎ−型ZnSxSe1-x
とし、この組成を前記階段状部領域全体に亘り均一に変
化し得るようにしたことを特徴とする請求項５に記載の
広バンドギャップ半導体発光装置。 - 【請求項７】前記階段状部全体に亘りｘの値を下限約0.
05〜上限約0.3の範囲としたことを特徴とする請求項６
に記載の広バンドギャップ半導体発光装置。 - 【請求項８】前記能動領域は少なくとも１つの電位井戸
および少なくとも１つの階段状部を含むことを特徴とす
る請求項１に記載の広バンドギャップ半導体発光装置。 - 【請求項９】前記電位井戸は全体に階段状部領域内に位
置させるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の
広バンドギャップ半導体発光装置。 - 【請求項１０】前記個別のキャリア導入は装置の片側表
面に電子ビームをイオン注入することにより達成するよ
うにしたことを特徴とする請求項１に記載の広バンドギ
ャップ半導体発光装置。 - 【請求項１１】前記キャリア導入は前記能動領域の片側
表面のキャリア注入構体によって達成するようにしたこ
とを特徴とする請求項１に記載の広バンドギャップ半導
体発光装置。 - 【請求項１２】前記キャリア注入構体をpn接合ダイオー
ドとしたことを特徴とする請求項11に記載の広バンドギ
ャップ半導体発光装置。 - 【請求項１３】少なくとも１つのキャリア注入構体は単
結晶半導体基板に位置させ、１つ以上のエピタキシヤル
層を具える少なくとも１つの能動領域を前記基板上の前
記キャリア注入構体に位置させるようにしたことを特徴
とする請求項11に記載の広バンドギャップ半導体発光装
置。 - 【請求項１４】前記キャリア注入構体をpn接合ダイオー
ドとしたことを特徴とする請求項13に記載の広バンドギ
ャップ半導体発光装置。 - 【請求項１５】前記基板材料は単結晶珪素および砒化ガ
リウムよりなる群から選択するようにしたことを特徴と
する請求項14に記載の広バンドギャップ半導体発光装
置。 - 【請求項１６】前記基板は離間されたキャリア注入構体
の配列を含み、前記基板は前記キャリア注入構体配列上
に位置する能動領域の配列を支持するようにしたことを
特徴とする請求項13に記載の広バンドギャップ半導体発
光装置。 - 【請求項１７】一対の平行反射面を設けて前記能動領域
の少なくとも再結合領域に対するファブリ−ペロー空胴
を設ける用にしたことを特徴とする請求項１に記載の広
バンドギャップ半導体発光装置。 - 【請求項１８】前記電極はレーザ光路の外側に設けるよ
うにしたことを特徴とする請求項17に記載の広バンドギ
ャップ半導体発光装置。
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