JPH0758808B2 - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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- JPH0758808B2 JPH0758808B2 JP30331086A JP30331086A JPH0758808B2 JP H0758808 B2 JPH0758808 B2 JP H0758808B2 JP 30331086 A JP30331086 A JP 30331086A JP 30331086 A JP30331086 A JP 30331086A JP H0758808 B2 JPH0758808 B2 JP H0758808B2
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- Japan
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- light emitting
- layer
- substrate
- active layer
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、光通信、および光情報処理分野において重要
である、可視域での発光素子に関するものである。
である、可視域での発光素子に関するものである。
発振波長600nm台のいわゆる可視域半導体レーザは、 １） 光デイスクの高密度記録を可能とする ２） レーザビームプリンタの記録速度を向上する ３） He−Neレーザに代わるビデオデイスク用光源とし
て用いることができる ４） プラスチツクフアイバに適合した通信用光源とし
て用いることができる など、光通信，光情報処理分野において、多くのメリツ
トをもたらすことから、近年、その研究開発が盛んに行
われている。
て用いることができる ４） プラスチツクフアイバに適合した通信用光源とし
て用いることができる など、光通信，光情報処理分野において、多くのメリツ
トをもたらすことから、近年、その研究開発が盛んに行
われている。
一方、可視発光ダイオードは、数字表示装置，ランプな
どのデイスプレイ分野において、既に広く使用されてお
り、最近では、フアクシミリの読み取り光源，プラスチ
ツクフアイバを用いた光伝送用光源など新しい応用が展
開されている。
どのデイスプレイ分野において、既に広く使用されてお
り、最近では、フアクシミリの読み取り光源，プラスチ
ツクフアイバを用いた光伝送用光源など新しい応用が展
開されている。
これら発光素子は、AlGaAs,GaP,GaAsP,AlInGaPなどの材
料を、GaAs,GaPなどIII−Ｖ族基板上に形成することで
作成されており、より短波長での高出力化が望まれてい
る。
料を、GaAs,GaPなどIII−Ｖ族基板上に形成することで
作成されており、より短波長での高出力化が望まれてい
る。
一方、これら短波長半導体レーザ，あるいは、可視発光
ダイオードをSi基板を用いて作成した場合、 １） Si基板の大きな機械的強度を利用できる ２） デバイスの大面積化が可能となり、照明光源，大
面積LEDデイスプレイの実現が可能となる ３） デバイスの低価格化が可能となる ４） Si基板が高い熱伝導率を有することから、デバイ
スの放熱特性が良好となり、デバイスの信頼性が向上す
る ５） SiデバイスとIII−Ｖ族デバイスとのモノリシツ
クな集積化が可能となる などのメリツトが期待される。
ダイオードをSi基板を用いて作成した場合、 １） Si基板の大きな機械的強度を利用できる ２） デバイスの大面積化が可能となり、照明光源，大
面積LEDデイスプレイの実現が可能となる ３） デバイスの低価格化が可能となる ４） Si基板が高い熱伝導率を有することから、デバイ
スの放熱特性が良好となり、デバイスの信頼性が向上す
る ５） SiデバイスとIII−Ｖ族デバイスとのモノリシツ
クな集積化が可能となる などのメリツトが期待される。
このため、すでにSi基板上でAlGaAs,あるいはGaAsPを活
性層としたレーザダイオード、および発光ダイオードの
試作がなされている。（たとえば、M.Akiyama et.al Ap
pl.Phys.lett.48（23）9 1986） しかし、AlGaAsでは、その短波長化の限界が約660nmに
あり、それ以上の短波長化（たとえば、He−Neレーザの
おきかえを考えれば、632.8nm）が望めない。また、GaP
やGaAsPは、570〜640nm帯の発光ダイオードに用いられ
ているが、間接遷移領域を利用するため、窒素をドーブ
することで内部量子効率を増大させてはいるものゝ、大
幅な効率の向上は実現できない。
性層としたレーザダイオード、および発光ダイオードの
試作がなされている。（たとえば、M.Akiyama et.al Ap
pl.Phys.lett.48（23）9 1986） しかし、AlGaAsでは、その短波長化の限界が約660nmに
あり、それ以上の短波長化（たとえば、He−Neレーザの
おきかえを考えれば、632.8nm）が望めない。また、GaP
やGaAsPは、570〜640nm帯の発光ダイオードに用いられ
ているが、間接遷移領域を利用するため、窒素をドーブ
することで内部量子効率を増大させてはいるものゝ、大
幅な効率の向上は実現できない。
このように、AlGaAs,あるいは、GaAsPでは、上述したメ
リツトを抱括する発光素子が実現できないといつた問題
点があつた。
リツトを抱括する発光素子が実現できないといつた問題
点があつた。
本発明の目的は、AIlGaP,あるいは、InGapを活性層とす
る発光素子をSi基板上に作成することにより、高信頼度
短波長レーザダイオード，あるいは、高性能発光ダイオ
ードを提供することにある。
る発光素子をSi基板上に作成することにより、高信頼度
短波長レーザダイオード，あるいは、高性能発光ダイオ
ードを提供することにある。
発明の特徴と従来技術との差異 １） 高効率，高輝度の発光ダイオードを実現するため
には、その活性層として直接遷移型の半導体を選定する
ことが好ましい。
には、その活性層として直接遷移型の半導体を選定する
ことが好ましい。
InGapは、InPの1.35eVからIn0.31Ga0.69Ｐの2.2eVまで
広い直接遷移の組成領域を有する。これは、発光波長に
して900nmら560nmに相当する。In0.31Ga0.69Ｐ付近の組
成では、電子のバンド間配分のため、発光効率が減少す
るが、600nm程度までは、発光効率が極めて高い。さら
に結晶中に窒素をドーピングすることにより、600〜560
nm領域での発光効率を飛躍的に向上させうることが理論
的に指摘されており、可視発光材料として最もすぐれた
材料のひとつである。また、AlInGaPとの組合せにより
高品質なヘテロ接合の形成が可能であり、これにより、
発光素子の性能を大幅に向上させられるという利点もあ
る。
広い直接遷移の組成領域を有する。これは、発光波長に
して900nmら560nmに相当する。In0.31Ga0.69Ｐ付近の組
成では、電子のバンド間配分のため、発光効率が減少す
るが、600nm程度までは、発光効率が極めて高い。さら
に結晶中に窒素をドーピングすることにより、600〜560
nm領域での発光効率を飛躍的に向上させうることが理論
的に指摘されており、可視発光材料として最もすぐれた
材料のひとつである。また、AlInGaPとの組合せにより
高品質なヘテロ接合の形成が可能であり、これにより、
発光素子の性能を大幅に向上させられるという利点もあ
る。
しかし、InGaPは結晶成長が難しい材料である。特に基
板と格子不整である場合のエピタキシヤル成長は、極め
て困難で、発光素子への応用は、他の材料に比べ立ち遅
れ、GaAs基板を用いてわずかに試みられているのみで、
Si基板上へInGaPを成長させることにより作成された発
光素子は、未だない。
板と格子不整である場合のエピタキシヤル成長は、極め
て困難で、発光素子への応用は、他の材料に比べ立ち遅
れ、GaAs基板を用いてわずかに試みられているのみで、
Si基板上へInGaPを成長させることにより作成された発
光素子は、未だない。
２） 素子性能の向上のためには、活性層となる結晶の
結晶性の向上が必須条件となる。しかし、Si上に格子定
数の異なるIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させた場
合、 SiとIII−Ｖ族結晶との構造の差に起因したアンチ
フエイズ Si基板とエピタキシヤル層との格子不整によりミス
フイツト転位 Si基板とエピタキシヤル層との熱膨張係数差に起因
した格子歪，クラツクなどの結晶欠陥が発生する。
結晶性の向上が必須条件となる。しかし、Si上に格子定
数の異なるIII−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させた場
合、 SiとIII−Ｖ族結晶との構造の差に起因したアンチ
フエイズ Si基板とエピタキシヤル層との格子不整によりミス
フイツト転位 Si基板とエピタキシヤル層との熱膨張係数差に起因
した格子歪，クラツクなどの結晶欠陥が発生する。
については、Si基板表面のクリーニング技術の向上、
および（100）面から２゜傾斜したオフアングル基板を
用いることで、既にその解決がなされている。につい
ては選択成長，低温成長がその解決策として挙げられて
いるが、この問題は将来的な課題であり、が現在、最
も重要な問題となつている。これについては、基板と成
長させるべき半導体層との間に第３の半導体層をバツフ
ア層として形成することにより、その低減が図られてき
た。
および（100）面から２゜傾斜したオフアングル基板を
用いることで、既にその解決がなされている。につい
ては選択成長，低温成長がその解決策として挙げられて
いるが、この問題は将来的な課題であり、が現在、最
も重要な問題となつている。これについては、基板と成
長させるべき半導体層との間に第３の半導体層をバツフ
ア層として形成することにより、その低減が図られてき
た。
Si基板上にInGaPを形成する場合、第３の半導体層とし
て格子不整量が0.2％以下のGe,あるいはSi−Ge液晶を利
用する方法が提案されている（特開昭60−66812号）。
しかし、この方法では、GeがInGaP層に拡散し、InGaP層
の結晶性を劣化させるため、高品質なInGaP層を得られ
ず発光素子の特性が向上できない。この問題は、第３の
半導体層としてIII−Ｖ族化合物半導体を用いることで
解決される。
て格子不整量が0.2％以下のGe,あるいはSi−Ge液晶を利
用する方法が提案されている（特開昭60−66812号）。
しかし、この方法では、GeがInGaP層に拡散し、InGaP層
の結晶性を劣化させるため、高品質なInGaP層を得られ
ず発光素子の特性が向上できない。この問題は、第３の
半導体層としてIII−Ｖ族化合物半導体を用いることで
解決される。
本発明は、可視発光素子において、発光部分となる活性
層がAlInGaP,あるいは、InGaPであり、かつ、基板がSi
であることを主要な特徴とする。また本発明は、活性層
と基板とのあいだに、活性層との格子不整量が0.5％以
内であるIII−Ｖ族化合物半導体混晶を、第３の半導体
として形成することにより、上述した結晶欠陥のうち
の低減を図るものである。
層がAlInGaP,あるいは、InGaPであり、かつ、基板がSi
であることを主要な特徴とする。また本発明は、活性層
と基板とのあいだに、活性層との格子不整量が0.5％以
内であるIII−Ｖ族化合物半導体混晶を、第３の半導体
として形成することにより、上述した結晶欠陥のうち
の低減を図るものである。
第３の半導体層としては、InGaP,GaAsP,およびInGaAsP
が可能である。特に、InGaAsP四元混晶を厚み１〜２μ
ｍの範囲で形成した場合、その上に堆積するInGaP,AlIn
GaP中の転移密度は、103〜104cm-2となり著しい結晶性
の向上がみられる。
が可能である。特に、InGaAsP四元混晶を厚み１〜２μ
ｍの範囲で形成した場合、その上に堆積するInGaP,AlIn
GaP中の転移密度は、103〜104cm-2となり著しい結晶性
の向上がみられる。
実施例１ 第１図は、本発明の実施例のひとつであるIn0.49Ga0.51
Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
（１）は、（100）面を有する３インチのｎ型−Si基板
である。（２）は、MOVPE法により650℃で２μｍ堆積し
た第３の半導体であるｎ型−In0.31Ga0.69As0.36Ｐ0.64
層である。（３）は、MOVPE法により650℃で１μｍ堆積
した活性層であるｎ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、
（２）と格子整合している。（４）は、（３）を堆積し
たのち、MOVPE法により、Znをドーピングしながら堆積
した厚さ１μｍのＰ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、
（３）と（４）によりPn接合を形成した。（５），
（６）は、オーミツク電極であり、該電極はそれぞれAu
−Ge−Ni,およびAu−Znである。（１），（２），
（３），（４）のキヤリヤ濃度は、それぞれ、３×1
017,2×1016,3×1017,3×1017cm-3である。また、
（４）のIn0.49Ga0.51Ｐ層の転位密度は、３×104cm-2
であり、InGaAsP四元混晶をバツフア層として用いるこ
とにより、従来の107cm-2より大幅に低減された。
である。（２）は、MOVPE法により650℃で２μｍ堆積し
た第３の半導体であるｎ型−In0.31Ga0.69As0.36Ｐ0.64
層である。（３）は、MOVPE法により650℃で１μｍ堆積
した活性層であるｎ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、
（２）と格子整合している。（４）は、（３）を堆積し
たのち、MOVPE法により、Znをドーピングしながら堆積
した厚さ１μｍのＰ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、
（３）と（４）によりPn接合を形成した。（５），
（６）は、オーミツク電極であり、該電極はそれぞれAu
−Ge−Ni,およびAu−Znである。（１），（２），
（３），（４）のキヤリヤ濃度は、それぞれ、３×1
017,2×1016,3×1017,3×1017cm-3である。また、
（４）のIn0.49Ga0.51Ｐ層の転位密度は、３×104cm-2
であり、InGaAsP四元混晶をバツフア層として用いるこ
とにより、従来の107cm-2より大幅に低減された。
この発光ダイオードに順方向の電流を流すことにより、
電流注入発光を得た。第２図に発光スペクトルを示す。
発光波長は650nm,半値幅は30nmであつた。また、外部量
子効率は、1.8％であり、Si基板上にAlGaAsを形成し作
成された発光ダイオード（M.Akiyama et al.Appl.Phys.
lett.48（23）9 1986）の約６倍の効率を得た。
電流注入発光を得た。第２図に発光スペクトルを示す。
発光波長は650nm,半値幅は30nmであつた。また、外部量
子効率は、1.8％であり、Si基板上にAlGaAsを形成し作
成された発光ダイオード（M.Akiyama et al.Appl.Phys.
lett.48（23）9 1986）の約６倍の効率を得た。
参考例１ 第３図は、本発明に対する参考例のひとつであるIn0.49
Ga0.51Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
Ga0.51Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
（１）は、（100）面を有する３インチのｎ型−Si基板
である。（２）は、MOCVD法により、450℃において20nm
堆積したアモルフアス層を、650℃でアニールすること
により結晶化し形成した第４の半導体であるｎ型−GaAs
層である。（３）は、MOVPE法により、650℃において堆
積した第３の半導体であるｎ型−GaAs層であり、
（２），（３）あわせて２μｍである。（４）は、MOVP
E法により、650℃において１μｍ堆積した活性層である
ｎ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、（３）と格子整合して
いる。（５）は、（４）を堆積したのち、MOVPE法によ
り、Znをドーピングしながら堆積した厚さ１μｍのｐ型
−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、（４）と（５）によりPn接
合を形成した。（６），（７）はオーミツク電極であ
り、該電極はそれぞれAu−Ge−Ni,およびAu−Znであ
る。（１），（２），（３），（４），（５）のキヤリ
ヤ濃度は、それぞれ、３×1017,3×1016,3×1017,3×10
17,および３×1017cm-3である。
である。（２）は、MOCVD法により、450℃において20nm
堆積したアモルフアス層を、650℃でアニールすること
により結晶化し形成した第４の半導体であるｎ型−GaAs
層である。（３）は、MOVPE法により、650℃において堆
積した第３の半導体であるｎ型−GaAs層であり、
（２），（３）あわせて２μｍである。（４）は、MOVP
E法により、650℃において１μｍ堆積した活性層である
ｎ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、（３）と格子整合して
いる。（５）は、（４）を堆積したのち、MOVPE法によ
り、Znをドーピングしながら堆積した厚さ１μｍのｐ型
−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、（４）と（５）によりPn接
合を形成した。（６），（７）はオーミツク電極であ
り、該電極はそれぞれAu−Ge−Ni,およびAu−Znであ
る。（１），（２），（３），（４），（５）のキヤリ
ヤ濃度は、それぞれ、３×1017,3×1016,3×1017,3×10
17,および３×1017cm-3である。
この発光ダイオードに順方向の電流を流すことにより電
流注入発光を得た。第４図に発光スペクトルを示す。発
光波長に650nm,半値幅は35nmであつた。また、外部量子
効率は1.2％であつた。
流注入発光を得た。第４図に発光スペクトルを示す。発
光波長に650nm,半値幅は35nmであつた。また、外部量子
効率は1.2％であつた。
参考例２ 第５図は、本発明に対する参考例のひとつであるIn0.44
Ga0.56Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
Ga0.56Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
（１）は、（100）面を有する３インチのｎ型−Si基板
である。（２）は、MOCVD法により、450℃において20nm
堆積したアモルフアス層を650℃でアニールすることに
より結晶化させ、引き続き、MOVPE法により堆積し厚さ
２μｍとした第４の半導体であるｎ型−GaAs層である。
（３）は、MOVPE法により650℃で１μｍ堆積した第３の
半導体であるｎ型−GaAs0.9Ｐ0.1層である。（４）は、
MOVPE法により650℃で１μｍ堆積した活性層であるｎ型
−In0.44Ga0.56Ｐ層であり、（３）と格子整合してい
る。（５）は、（４）を堆積したのち、MOVPE法によりZ
nをドーピングしながら堆積した厚さ１μｍのｐ型−In
0.44Ga0.56Ｐ層であり、（４）と（５）によりPn接合を
形成した。（６），（７）は、オーミツク電極であり、
該電極はそれぞれAu−Ge−Ni,およびAu−Znである。
（１），（２），（３），（４），（５）のキヤリア濃
度は、それぞれ３×1017,3×1016,3×1017,3×1017およ
び３×1017cm-3である。
である。（２）は、MOCVD法により、450℃において20nm
堆積したアモルフアス層を650℃でアニールすることに
より結晶化させ、引き続き、MOVPE法により堆積し厚さ
２μｍとした第４の半導体であるｎ型−GaAs層である。
（３）は、MOVPE法により650℃で１μｍ堆積した第３の
半導体であるｎ型−GaAs0.9Ｐ0.1層である。（４）は、
MOVPE法により650℃で１μｍ堆積した活性層であるｎ型
−In0.44Ga0.56Ｐ層であり、（３）と格子整合してい
る。（５）は、（４）を堆積したのち、MOVPE法によりZ
nをドーピングしながら堆積した厚さ１μｍのｐ型−In
0.44Ga0.56Ｐ層であり、（４）と（５）によりPn接合を
形成した。（６），（７）は、オーミツク電極であり、
該電極はそれぞれAu−Ge−Ni,およびAu−Znである。
（１），（２），（３），（４），（５）のキヤリア濃
度は、それぞれ３×1017,3×1016,3×1017,3×1017およ
び３×1017cm-3である。
この発光ダイオードに順方向の電流を流すことにより、
電流注入発光を得た。第６図に発光スペクトルを示す。
発光波長は630nm,半値幅は35nmであつた。また、外部量
子効率は、1,0％であつた。
電流注入発光を得た。第６図に発光スペクトルを示す。
発光波長は630nm,半値幅は35nmであつた。また、外部量
子効率は、1,0％であつた。
実施例２ 第７図は、本発明の実施例のひとつであるIn0.49Ga0.51
Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
Ｐを活性層とする発光ダイオードである。
（１）は、（100）面を有する３インチのｎ型−Si基板
である。（２）は、MOVPE法により650℃で２μｍ堆積し
た第３の半導体であるｎ型−In0.31Ga0.69As0.36Ｐ0.64
層である。（３）は、MOVPE法により650℃で１μｍ堆積
した活性層であるｎ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、
（２）との格子不整量は0.3％である。（４）は、
（３）を堆積したのち、MOVPE法により、Znをドーピン
グしながら堆積した厚さ１μｍのｐ型−In0.49Ga0.51Ｐ
層であり、（３）と（４）によりpn接合を形成した。
（５），（６）は、オーミツク電極であり、該電極はそ
れぞれAu−Ge−Ni,およびAu−Znである。（１），
（２），（３），（４），（５）のキヤリヤ濃度は、そ
れぞれ、３×1017,3×1016,3×1017,3×1017,および３
×1017cm-3である。
である。（２）は、MOVPE法により650℃で２μｍ堆積し
た第３の半導体であるｎ型−In0.31Ga0.69As0.36Ｐ0.64
層である。（３）は、MOVPE法により650℃で１μｍ堆積
した活性層であるｎ型−In0.49Ga0.51Ｐ層であり、
（２）との格子不整量は0.3％である。（４）は、
（３）を堆積したのち、MOVPE法により、Znをドーピン
グしながら堆積した厚さ１μｍのｐ型−In0.49Ga0.51Ｐ
層であり、（３）と（４）によりpn接合を形成した。
（５），（６）は、オーミツク電極であり、該電極はそ
れぞれAu−Ge−Ni,およびAu−Znである。（１），
（２），（３），（４），（５）のキヤリヤ濃度は、そ
れぞれ、３×1017,3×1016,3×1017,3×1017,および３
×1017cm-3である。
この発光ダイオードに順方向の電流を流すことにより、
電流注入発光を得た。第８図に発光スペクトルを示す。
発光波長は650nm,半値幅は33nmであつた。また、外部量
子効率は1.5％であり、第３の半導体とのあいだに0.3％
の格子不整がある場合でも、充分な発光効率が得られ
た。
電流注入発光を得た。第８図に発光スペクトルを示す。
発光波長は650nm,半値幅は33nmであつた。また、外部量
子効率は1.5％であり、第３の半導体とのあいだに0.3％
の格子不整がある場合でも、充分な発光効率が得られ
た。
以上述べたように、本発明によるならば、Si基板上の発
光ダイオードは、従来のものに比べ、外部量子効率を約
６倍まで向上することができ、外部量子効率1.8％の高
効率発光ダイオードを得ることができた。
光ダイオードは、従来のものに比べ、外部量子効率を約
６倍まで向上することができ、外部量子効率1.8％の高
効率発光ダイオードを得ることができた。
さらに、本発明によりSiを基板とする高信頼度短波長レ
ーザダイオードの製作が可能となつた。
ーザダイオードの製作が可能となつた。
第１図，第７図は、本発明の実施例である。 第３図，第５図は、本発明に対する参考例である。 第２図，第８図は本発明の各実施例の発光スペクトルで
ある。 第４図，第６図は本発明に対する各参考例の発光スペク
トルである。
ある。 第４図，第６図は本発明に対する各参考例の発光スペク
トルである。
Claims (2)
- 【請求項１】可視発光素子において、発光部分となる活
性層が、AlInGaP,あるいは、InGaPであり、かつ、基板
がSiであり、上記活性層と基板との間であって基板に接
するように、上記活性層との格子定数差が0.5％以内で
ある第３の混晶半導体層を有することを特徴とする発光
素子。 - 【請求項２】上記第３の混晶半導体層を形成する第３の
半導体が、GaAsP、InGaPあるいはInGaAsPのいずれかで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の発光
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30331086A JPH0758808B2 (ja) | 1986-12-19 | 1986-12-19 | 発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30331086A JPH0758808B2 (ja) | 1986-12-19 | 1986-12-19 | 発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63155781A JPS63155781A (ja) | 1988-06-28 |
| JPH0758808B2 true JPH0758808B2 (ja) | 1995-06-21 |
Family
ID=17919421
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0758808B2 (ja) |
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Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1986
- 1986-12-19 JP JP30331086A patent/JPH0758808B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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