JPH09331101A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPH09331101A
JPH09331101A JP17061696A JP17061696A JPH09331101A JP H09331101 A JPH09331101 A JP H09331101A JP 17061696 A JP17061696 A JP 17061696A JP 17061696 A JP17061696 A JP 17061696A JP H09331101 A JPH09331101 A JP H09331101A
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JP
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layer
substrate
light emitting
semiconductor light
emitting device
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JP17061696A
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Futoshi Hiei
太 樋江井
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Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 価電子帯頂の不連続を低減することにより良
好な電流−電圧特性を得ることができる半導体発光素子
を提供する。 【解決手段】 p型のGaAsよりなる基板1の上に緩
衝層2およびII−VI族不連続緩和層3を介してII
−VI族化合物半導体よりなるバッファ層4,クラッド
層5,9,ガイド層6,8,活性層7を形成する。緩衝
層2はZnTeにより形成する。II−VI族不連続緩
和層3はZnSTe混晶により形成する。バッファ層4
はZnSeにより形成する。II−VI族不連続緩和層
3におけるSとTeの組成比は基板1側からバッファ層
4側に向かって滑らかに変化し、基板1とバッファ層4
との間の価電子帯頂の不連続が緩和される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、p型の半導体より
なる基板の上にII−VI族化合物半導体を成長させて
第1導電型クラッド層,活性層および第2導電型クラッ
ド層を順次積層してなる半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、緑色や青色で発光可能な半導体発
光素子としてII−VI族化合物半導体発光素子が注目
されている。この半導体発光素子では、一般に、基板に
n型の電気伝導性を有するGaAsを用い、この基板の
上に適宜なII−VI族化合物半導体を成長させて、ク
ラッド層,ガイド層,活性層などの各層を形成してい
る。
【0003】ところが、基板にn型のGaAsを用いた
場合には、p側電極としてII−VI族化合物半導体と
良好なオーム性接触が得られる金属電極材料が存在して
おらず、p側電極における良好なオーム性接触を得るこ
とができないという問題がある。そのため、ZnSeと
ZnTeとの多重量子井戸構造よりなる超格子層を介し
てp側電極を設け疑似的にオーム性接触を得るような改
善がされているものの、接触比抵抗の値が大きく、電流
−電圧特性について十分な再現性が得られていない。そ
こで、基板としてn型のGaAsを用いる代わりに、p
型のGaAsを用いることが考えられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基板に
p型のGaAsを用いた場合には、基板とその上に形成
したII−VI族化合物半導体との間に約1eV程の価
電子帯頂の不連続が存在し、良好な電流−電圧特性を得
ることができないという問題がある。そのため、基板と
第1導電型クラッド層との間にp型のGaInP混晶よ
りなる層またはp型のAlInP混晶よりなる層を挿入
し価電子帯頂の不連続を低減する方法が提案されている
(特開平7−7218)が、それでも依然として0.3
4eV程度の不連続が存在し十分な解決策となっていな
い。
【0005】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、価電子帯頂の不連続を低減すること
により、良好な電流−電圧特性を得ることができる半導
体発光素子を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体発光
素子は、p型の半導体よりなる基板の上にII−VI族
化合物半導体を成長させて第1導電型クラッド層,活性
層,第2導電型クラッド層を順次積層してなるものであ
って、基板と第1導電型クラッド層との間に、II−V
I族化合物半導体により形成されると共に基板と第1導
電型クラッド層との間の価電子帯頂の不連続を緩和する
II−VI族不連続緩和層を備えたものである。
【0007】この半導体発光素子では、基板と第2導電
型クラッド層との間に所定の電圧が印加されると、活性
層において電子−正孔再結合による発光が起こる。基板
と第1導電型クラッド層との間では、価電子帯頂の不連
続が緩和されているので、良好なオーム性接触が得られ
る。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【0009】図1は本発明の第1の実施の形態に係る半
導体発光素子の構成を表すものである。この半導体発光
素子は、基板1の上に緩衝層2およびII−VI族不連
続緩和層3を介してバッファ層4,第1導電型クラッド
層5,第1のガイド層6,活性層7および第2導電型ク
ラッド層8が順次積層されている。このうち、II−V
I族不連続緩和層3は、基板1とバッファ層4の間の価
電子帯頂の不連続を緩和するためのものである。
【0010】基板1は、例えば厚さが約350μmであ
り、p型の不純物である例えばベリリウム(Be)が添
加されたp型のGaAs(すなわちp型の半導体)によ
り形成されている。
【0011】緩衝層2は、基板1とII−VI族不連続
緩和層3との間の抵抗を小さくするためのものであり、
p型の不純物である例えば窒素(N)が添加されたp型
のZnTeにより形成されている。すなわち、後述する
ように、II−VI族不連続緩和層3はZnSTe混晶
により形成されるが、図2に示したように、ZnSTe
混晶のキャリア濃度は硫黄(S)の組成比が大きくなる
と低くなり十分なキャリア濃度を得ることができない。
そのため、基板1の上に直接II−VI族不連続緩和層
3を形成した場合、基板1とII−VI族不連続緩和層
3との間の抵抗が高くなってしまう。しかし、硫黄を含
まないZnTeにおいては、1×1019cm-3程度の十
分なキャリア濃度を得ることができる。従って、本実施
の形態ではZnTeよりなる緩衝層2を挿入することに
より、基板1とII−VI族不連続緩和層3との間の抵
抗を小さくするものである。
【0012】なお、ZnTeの格子定数は6.10Åで
あり基板1の格子定数(すなわちGaAsの格子定数
5.6533Å)と整合しないので、緩衝層2の厚さは
臨界膜厚以内の例えば2nmとなっている。
【0013】II−VI族不連続緩和層3は、p型の不
純物である例えば窒素が添加されたp型のZnSTe混
晶により形成されている。このZnSTe混晶は、図3
に示したバンド概念図において網かけで示したように、
硫黄とテルル(Te)との組成比に応じてバンドギャッ
プが変化する。本実施の形態においては、硫黄の組成比
が基板1側からバッファ層4側に向かって0%から65
%まで徐々に増加している。これにより、基板1とバッ
ファ層4との間の価電子帯頂は、図4に示したように、
基板1とII−VI族不連続緩和層3(すなわち緩衝層
2)との間の0.15eVを除き滑らかに連続してい
る。
【0014】なお、ZnTeの格子定数は6.10Åで
ありZnSの格子定数は5.409Åなので、硫黄の組
成比が65%においてZnSTe混晶の格子定数は基板
1と同じ5.6533Åとなる。よって、II−VI族
不連続緩和層3の厚さは、硫黄の組成比が65%以下ま
での厚さが臨界膜厚以内となっており、全体では例えば
20nmとなっている。
【0015】バッファ層4は、例えば厚さが約20nm
であり、p型の不純物である例えば窒素が添加されたp
型のZnSeによって形成されている。第1導電型クラ
ッド層5は、例えば厚さが約1μmであり、p型の不純
物である例えば窒素が添加されたp型のZnMgSSe
混晶によって形成されている。第1のガイド層6は、例
えば厚さが約90nmであり、p型の不純物である例え
ば窒素が添加されたp型のZnSSe混晶によって形成
されている。
【0016】活性層7は、例えば厚さが約7nmの単一
量子井戸構造を有するZnCdSe混晶により形成され
ている。第2のガイド層8は、例えば厚さが約90nm
であり、n型の不純物である例えば塩素(Cl)が添加
されたn型のZnSSe混晶によって形成されている。
第2導電型クラッド層9は、例えば厚さが約1μmであ
り、n型の不純物である例えば塩素が添加されたn型の
ZnMgSSe混晶によって形成されている。
【0017】この第2導電型クラッド層9の上には、例
えば厚さが約20〜30nmのコンタクト層10がZn
Seにより形成されている。このコンタクト層10は、
n型の不純物である例えば塩素が添加されることにより
n型の半導体となっている。コンタクト層10の上に
は、パラジウム(Pd),白金(Pt)および金(A
u)をコンタクト層10側から順次積層してなるn側電
極11が設けられており、基板1の裏面には、インジウ
ムからなるp側電極12が設けられている。
【0018】このような構成を有する半導体発光素子
は、次のようにして形成することができる。
【0019】まず、p型のGaAsにより形成された基
板1の上に、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epi
taxy;MBE)法により、緩衝層2,II−VI族不連
続緩和層3,バッファ層4,第1導電型クラッド層5,
第1のガイド層6,活性層7,第2のガイド層8,第2
導電型クラッド層9およびコンタクト層7の各層を順次
エピタキシャル成長させる。
【0020】このMBE法では、各層をそれぞれ構成す
る化合物半導体の組成に応じて原料の各粒子線を分子線
源セルからそれぞれ照射することにより各層をそれぞれ
エピタキシャル成長させる。緩衝層2,II−VI族不
連続緩和層3,バッファ層4,第1導電型クラッド層
5,第1のガイド層6に対する窒素の添加は、原料の各
粒子線に加え、ECR(Electron Cycrotron Rcsonanc
e)セルまたはRF(Radio Frequency )セルによって
プラズマ化した窒素を照射することにより行う。また、
第2のガイド層8,第2導電型クラッド層9およびコン
タクト層10に対する塩素の添加は、塩素の粒子線を原
料の各粒子線と共に分子線源セルから照射することによ
り行う。
【0021】次いで、コンタクト層10の上にパラジウ
ム,白金,金を順次蒸着し、n側電極11を形成する。
また、基板1の裏面にインジウムを蒸着しp側電極12
を形成する。これにより図1に示した構成を有する半導
体発光素子が形成される。
【0022】次に、この半導体発光素子の作用について
説明する。
【0023】この半導体発光素子では、n側電極11と
p側電極12との間に所定の電圧が印加されると、p側
電極12から基板1に電流が注入される。基板1に注入
された電流は、緩衝層2,II−VI族不連続緩和層
3,バッファ層4,第1導電型クラッド層5および第1
のガイド層6を通過して、活性層7に注入される。活性
層7では、電子−正孔再結合により発光が起こる。
【0024】このとき、基板1とバッファ層4との間で
は、II−VI族不連続緩和層3により価電子帯頂がほ
ぼ連続状態となっており、図5に示したように、疑似的
なオーム性接触が得られている。また、緩衝層2により
基板1とII−VI族不連続緩和層3との間の抵抗が低
くなっている。
【0025】このように本実施の形態に係る半導体発光
素子によれば、基板1とバッファ層4との間にII−V
I族不連続緩和層3を挿入するようにしたので、基板1
とバッファ層4との間の価電子帯頂をほぼ連続状態とす
ることができ、良好な電流−電圧特性を得ることができ
る。また、基板1とII−VI族不連続緩和層3との間
に緩衝層2を挿入するようにしたので、基板1とII−
VI族不連続緩和層3との間の抵抗を低くすることがで
きる。
【0026】なお、本実施の形態においては基板1にp
型のGaAsを用いているので、n型のGaAsを用い
る場合とは異なり、p側電極12を帯状ではなく全面に
形成することができる。よって、n型のGaAsを用い
る場合はp側電極との比接触抵抗を1×10-3Ωcm2
程度とする必要があるのに対して、本実施の形態におい
ては1×10-2Ωcm2 程度であればよくなり、p側電
極12との間の良好なオーム性接触を容易に得ることが
できる。
【0027】図6は本発明の第2の実施の形態に係る半
導体発光素子の構成を表すものである。この半導体発光
素子は、第1の実施の形態の緩衝層2とII−VI族不
連続緩和層3とに代えて、III−V族不連続緩和層2
1とII−VI族不連続緩和層22とを基板1とバッフ
ァ層4との間に備えたことを除き、他の構成は第1の実
施の形態と同一である。よって、第1の実施の形態と同
一の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な
説明は省略する。
【0028】III−V族不連続緩和層21は、基板1
とII−VI族不連続緩和層22との間の価電子帯頂の
不連続を緩和するためのものである。すなわち、後述す
るように、II−VI族不連続緩和層22をZnCdS
e混晶により形成した場合、図7に示したバンド概念図
から分かるように、II−VI族不連続緩和層22のみ
によっては基板1とII−VI族不連続緩和層22との
間の価電子帯頂の不連続を緩和できないからである。
【0029】このIII−V族不連続緩和層21は、基
板1の上に形成された第1のIII−V族半導体層であ
るGaInP混晶層21aと、このGaInP混晶層2
1aの上に形成された第2のIII−V族半導体層であ
るAlInP混晶層21bとにより構成されている。G
aInP混晶層21aは、例えば厚さが20nmであ
り、p型の不純物である例えばベリリウムが添加された
p型のGaInP混晶により形成されている。このGa
InP混晶は、組成比がガリウム(Ga)52%,イン
ジウム(In)48%であり、図7に示したように、バ
ッファ層4との価電子帯頂との差が0.67eVであ
る。
【0030】AlInP混晶層21bは、例えば厚さが
20nmであり、p型の不純物である例えばベリリウム
が添加されたp型のAlInP混晶により形成されてい
る。このAlInP混晶は、組成比がアルミニウム(A
l)52%,インジウム(In)48%であり、図7に
示したように、バッファ層4との価電子帯頂との差が
0.34eVである。すなわち、GaInP混晶層21
aとAlInP混晶層21bの挿入により、基板1とバ
ッファ層4との間に存在した価電子帯頂の差は0.96
eVから0.34eVにまで低くなっている。
【0031】II−VI族不連続緩和層22は、厚さが
臨界膜厚以内の例えば20nmであり、p型の不純物で
ある例えば窒素が添加されたp型のZnCdSe混晶に
より形成されている。このZnCdSe混晶は、図7に
おいて網かけで示したように、亜鉛(Zn)とカドミウ
ム(Cd)との組成比に応じてバンドギャップが変化す
る。本実施の形態においては、亜鉛の組成比がAlIn
P混晶層21b側からバッファ層4側に向かって0%か
ら100%まで徐々に増加しており、AlInP混晶層
21bとバッファ層4との間の価電子帯頂をほぼ滑らか
に連続するようになっている。
【0032】このように本実施の形態に係る半導体発光
素子によっても、第1の実施の形態と同様に、基板1と
バッファ層4との間の価電子帯頂をほぼ連続させること
ができ、良好な電流−電圧特性を得ることができる。
【0033】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。
【0034】例えば、上記第1の実施の形態においては
II−VI族不連続緩和層3をZnSTe混晶により形
成するようにし、上記第2の実施の形態においてはII
−VI族不連続緩和層22をZnCdSe混晶により形
成するようにしたが、不純物の添加によりp型の半導体
となり、かつ組成比を変化させることにより価電子帯頂
のエネルギー準位を基板1の価電子帯頂のエネルギー準
位とバッファ層4の価電子帯頂のエネルギー準位との間
からバッファ層4の価電子帯頂のエネルギー準位まで変
化させることができるものであれば、II−VI族不連
続緩和層を他のII−VI族化合物半導体により形成す
ることもできる。
【0035】また、上記第1の実施の形態においては、
II−VI族不連続緩和層3をIII−V族不連続緩和
層を介さずに基板1の上に形成するようにしたが、第2
の実施の形態と同様に、III−V族不連続緩和層を介
して基板1の上に形成し、基板1とII−VI族不連続
緩和層3との間の0.15eVの価電子帯頂の不連続状
態を除去するようにしてもよい。この場合、III−V
族不連続緩和層は、第2の実施の形態とは異なり、Ga
InP混晶層のみにより構成することができる。
【0036】更に、上記第2の実施の形態においては、
III−V族不連続緩和層21をGaInP混晶層21
aとAlInP混晶層21bとにより構成するようにし
たが、GaInP混晶層21aのみにより構成するよう
にしてもよく、また他の1または複数のIII−V族半
導体層により構成するようにしてもよい。なお、これは
第2の実施の形態に限ることではなく、III−V族不
連続緩和層を設ける場合全てにおいて該当する。
【0037】加えて、上記第2の実施の形態において
は、GaInP混晶層21aを組成比がガリウム52
%,インジウム48%のGaInP混晶により形成する
ようにし、AlInP混晶層21bを組成比がアルミニ
ウム52%,インジウム48%のAlInP混晶により
形成するようにしたが、それらの組成比を基板1側から
II−VI族不連続緩和層22側に向かって滑らかに変
化させるようにしてもよい。なお、これは第2の実施の
形態に限ることではなく、III−V族不連続緩和層を
設ける場合全てにおいて該当する。
【0038】更にまた、上記実施の形態においては、I
I−VI族不連続緩和層2,22を3元素からなる混晶
により形成するようにしたが、組成比を変化させること
によりバンドギャップを変化させることができればよ
く、3元素に限らず3以上の元素からなる混晶であれば
よい。
【0039】加えてまた、上記第1の実施の形態におい
ては、II−VI族不連続緩和層3における硫黄の組成
比を0%から65%まで変化させるようにしたが、本発
明は、この組成比に限定されるものではなく、例えば0
%から50%まで変化させるようにしてもよい。但し、
第1の実施の形態のように、65%まで変化させると、
ZnSTe混晶の格子定数を基板1の格子定数と整合さ
せることができるので好ましい。なお、これは、第2の
実施の形態についても同様である。
【0040】更にまた、上記実施の形態においては、基
板1にp型のGaAsを用いているが、本発明は、p型
のInPなどの他のp型のIII−V族化合物半導体を
基板に用いる場合にも適用することができる。なお、p
型のInPを基板に用いる場合には、InPの格子定数
は5.868Åであるので、II−VI族不連続緩和層
をZnSTe混晶により形成すると、硫黄の組成比が3
4%のときにZnSTe混晶の格子定数が基板の格子定
数に整合するようになる。従って、II−VI族不連続
緩和層における硫黄の組成比を格子定数が基板の格子定
数と整合するまで変化させる場合には、図2に示したよ
うに、キャリア濃度を十分に高くすることができ、抵抗
の低いII−VI族不連続緩和層を形成することができ
る。よって、良好な電気的接触が可能となる。
【0041】更にまた、上記実施の形態においては、バ
ッファ層4をZnSeにより形成するようにしたが、本
発明は、バッファ層4を他のII−VI族化合物半導体
により形成する場合においても適用することができる。
なお、その場合、II−VI族不連続緩和層の組成およ
びIII−V族不連続緩和層の組成は、バッファ層4の
組成に応じて適宜に選択される。
【0042】加えてまた、本発明は、バッファ層4を形
成しない場合やバッファ層4を複数形成する場合などに
ついても適用することができ、また、第1のガイド6お
よび第2のガイド層8を形成しない場合や第1のガイド
層6および第2のガイド層8を真性半導体により形成し
た場合などについても適用することができる。
【0043】更にまた、上記実施の形態においては、M
BE法により緩衝層2,III−V族不連続緩和層2
1,II−VI族不連続緩和層3,22,バッファ層
4,第1導電型クラッド層5,第1のガイド層6,活性
層7,第2のガイド層8,第2導電型クラッド層9およ
びコンタクト層10を形成するようにしたが、MOCV
D(Metal Organic Chemical Vapor Deposition )など
の他の方法により形成することもできる。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
発光素子によれば、基板と第1導電型クラッド層との間
に、II−VI族化合物半導体により形成されたII−
VI族不連続緩和層を備えるようにしたので、基板と第
1導電型クラッド層との間の価電子帯頂の不連続を緩和
することができ、疑似的なオーム性接触が得られ、良好
な電流−電圧特性を得ることができるという効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素
子を表す断面図である。
【図2】ZnSTe混晶におけるキャリア濃度の硫黄依
存性を表す特性図である。
【図3】GaAs,ZnSTe混晶,ZnSe,ZnT
e,ZnSそれぞれの相対的なバンド概念図である。
【図4】図1に示した実施の形態における基板からバッ
ファ層までの価電子帯頂の接続状態を表す概念図であ
る。
【図5】図1に示した実施の形態における緩衝層とバッ
ファ層との間の電流−電圧特性を表す図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素
子を表す断面図である。
【図7】AlInP混晶,GaInP混晶,GaAs,
ZnCdSe混晶,ZnSe,CdSeそれぞれの相対
的なバンド概念図である。
【符号の説明】
1…基板、2…緩衝層、3,22…II−VI族不連続
緩和層、4…バッファ層、5…第1導電型クラッド層、
6…第1のガイド層、7…活性層、8…第2のガイド
層、9…第2導電型クラッド層、10…コンタクト層、
11…n側電極、12…p側電極、21…III−V族
不連続緩和層、21a…GaInP混晶層、21b…A
lInP混晶

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型の半導体よりなる基板の上にII−
    VI族化合物半導体を成長させて第1導電型クラッド
    層,活性層および第2導電型クラッド層を順次積層して
    なる半導体発光素子であって、 前記基板と前記第1導電型クラッド層との間に、II−
    VI族化合物半導体により形成されると共に前記基板と
    前記第1導電型クラッド層との間の価電子帯頂の不連続
    を緩和するためのII−VI族不連続緩和層を備えたこ
    とを特徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 前記II−VI族不連続緩和層は、3以
    上の元素からなり組成比が前記基板側から前記第1導電
    型クラッド層に向かって滑らかに変化するII−VI族
    化合物半導体により形成されたことを特徴とする請求項
    1記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 前記II−VI族不連続緩和層は、組成
    比が変化することにより、価電子帯頂のエネルギー準位
    が少なくとも前記基板側に隣接する層の価電子帯頂のエ
    ネルギー準位と前記第1導電型クラッド層側に隣接する
    層の価電子帯頂のエネルギー準位との間から前記第1導
    電型クラッド層側に隣接する層の価電子帯頂のエネルギ
    ー準位まで変化するII−VI族化合物半導体により形
    成されたことを特徴とする請求項2記載の半導体発光素
    子。
  4. 【請求項4】 前記II−VI族不連続緩和層を構成す
    るII−VI族化合物半導体は、p型の半導体であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
  5. 【請求項5】 前記II−VI族不連続緩和層は、Zn
    STe混晶もしくはZnCdSe混晶により形成された
    ことを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
  6. 【請求項6】 前記II−VI族不連続緩和層はZnS
    Te混晶により形成されると共に、前記基板と前記II
    −VI族不連続緩和層との間にZnTeにより形成され
    た緩衝層を備えたことを特徴とする請求項5記載の半導
    体発光素子。
  7. 【請求項7】 前記基板は、III−V族化合物半導体
    により形成されたことを特徴とする請求項1記載の半導
    体発光素子。
  8. 【請求項8】 前記基板は、GaAsもしくはInPに
    より形成されたことを特徴とする請求項7記載の半導体
    発光素子。
  9. 【請求項9】 前記II−VI族不連続緩和層の第1導
    電型クラッド層側に隣接する層は、ZnSeにより形成
    されたことを特徴とする請求項5記載の半導体発光素
    子。
  10. 【請求項10】 更に、前記基板と前記II−VI族不
    連続緩和層との間に、少なくとも1層のIII−V族半
    導体層により構成されると共に前記基板と前記II−V
    I族不連続緩和層との間の価電子帯頂の不連続を緩和す
    るためのIII−V族不連続緩和層を備えたことを特徴
    とする請求項1記載の半導体発光素子。
  11. 【請求項11】 前記III−V族半導体層は、GaI
    nP混晶もしくはAlInP混晶により形成されたこと
    を特徴とする請求項10記載の半導体発光素子。
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