JPH10321955A

JPH10321955A - 電子線励起発光素子

Info

Publication number: JPH10321955A
Application number: JP12533297A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hayashi; 茂生林; Hiroshi Sugano; 浩菅野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】量子井戸を有する電子線励起発光素子では発
光強度が低く、本発明は電子線励起発光素子において高
い発光効率を得ることを目的とする。【解決手段】励起によりキャリアが発生すると、電子
正孔ともに同じ場所に存在するために、キャリアの拡散
中に容易に再結合してしまい、量子井戸への効率的な閉
じ込めができないために発光強度が低くなることに着目
し、発光層１３をはさむクラッド層１４または１５のう
ち少なくとも一方の層の禁制帯幅が発光層１３から離れ
るに従って徐々にまたは階段状に大きくなるように構成
する。これにより、発生した電子正孔を有効に量子井戸
に移動させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線により励起
を行う発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子線励起による発光素子として
は、発光体として粉末やバルク・単層膜、あるいは単純
な多重量子井戸やダブルヘテロ構造などがとられてい
た。

【０００３】単層膜の例としてはジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジックス１９９５年発行第７７巻５３９
４頁（ＪｏｕｒｎａｌｏｆａｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃｓｖｏｌ．７７，（１９９５），ｐ．５３９
４）を挙げることができ、単純な多重量子井戸の例とし
てはジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス１９
８７年発行第６２巻３０７１頁（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ａｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓｖｏｌ．６２，
（１９８７），ｐ．３０７１）などを挙げることができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の電子線励起による発光素子では、満足する発光
効率を得ることは不可能であった。そこで、本発明はか
かる点に鑑み、量子井戸構造を持つ電子線励起発光素子
の発光効率の向上を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、上記の発
光効率の低さの課題を解決するために、発光体とそれを
励起する手段としての電子線源とを有し、発光体が発光
層とそれをはさむクラッド層とを有し、発光層が量子井
戸あるいは多重量子井戸からなり、クラッド層のうち少
なくとも一方の層の禁制帯幅が、発光層から離れるに従
って徐々にあるいは階段状に大きくなっている構成をと
ることである。この構成により、発生した電子正孔を有
効に量子井戸に移動させることができる。

【０００６】前記構成において、電子線源の加速電圧は
５ｋＶ以上であることが好ましい。第２の発明は、上記
の発光効率の低さの課題を解決するために、発光体とそ
れを励起する手段としての電子線源とを有し、発光体が
複数の発光層とそれらはさむ複数のクラッド層群とを有
し、発光層が量子井戸あるいは多重量子井戸からなり、
クラッド層の禁制帯幅が、それぞれの発光層から離れる
に従って徐々にあるいは階段状に大きくなっている構成
をとることである。この構成により、広い範囲に発生し
た電子正孔をすべて近くの量子井戸発光層に移動させる
ことができ、ひいては井戸層における発光量を増加させ
ることができる。

【０００７】前記構成において、隣り合う発光層の間隔
が０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

【０００８】また、前記構成において、電子線源の加速
電圧は１０ｋＶ以上であることが好ましい。

【０００９】第３の発明は、上記の発光効率の低さの課
題を解決するために、発光体とそれを励起する手段とし
ての電子線源とを有し、発光体が発光層とそれをはさむ
クラッド層とを有し、発光層の発光体表面からの深さ位
置Ｄ（μｍ）が、電子線の加速電圧Ｖ（ｋＶ）に対して
０．０１５Ｖ１．５＜Ｄ＜０．０１５Ｖ１．５の関係に
ある構成をとることである。この構成により、発生した
電子正孔のうち最も多くの電子正孔を有効に量子井戸に
おいて発光させることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、従来の電子線励起によ
る発光素子では十分な発光効率が得られなかった原因の
大きな一つをつきとめ得られたものである。

【００１１】上記した従来の電子線励起発光素子におい
て、生成された電子正孔対は、拡散長の短かさのため
に、励起された場所で発光する確率が非常に高いことが
わかってきた。このために、量子井戸発光層を有する発
光体を電子線励起した場合に、生成したキャリアがクラ
ッド層においても再結合発光してしまい、結果的には有
効に量子井戸に集まらず、結果的に発光効率が低くなっ
てしまうのである。この現象はあまり知られていなかっ
たためか、構造に対して対策はとられていなかった。そ
こで、本発明では、上記の現象を考慮し、電子線励起に
よる発光素子において、構造的に対策を行った。

【００１２】そこで以下では本発明の実施の形態におけ
る発光素子について図面を参照しながら説明する。

【００１３】（実施の形態１）まず本発明の実施の形態
１における発光素子について図１〜図４を用いて説明す
る。

【００１４】図１は本実施の形態における電子線励起発
光素子の構造を示す断面図である。図１において、１１
は電子線源としての電子銃であり、発光体とともに真空
容器１２内に設置されている。１３〜１８が広い意味で
の発光体であるが、その中で、１３が発光層である量子
井戸層である。ここでは例として厚さ２ｎｍのＩｎ_0. ₂
Ｇａ_0.8Ｎを用いた。１４、１５は井戸層１３に隣接
し、禁制帯幅が井戸層から離れるに従って大きくなって
いる漸次組成変化クラッド層であり、以後１３〜１５の
構造をグレーデッドクラッド（ｇｒａｄｅｄｃｌａ
ｄ）構造と呼ぶことにする。ここでは例として、漸次組
成変化クラッド層１４および１５にそれぞれ漸次組成の
変化したＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
およびＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎを
用いた。なお、井戸層側がＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎである。ま
た、１６、１７はＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッファ層
と低温成長ＧａＮバッファ層であり１８はサファイア基
板である。発光体の表面はアース線１９により電気的に
接地されている。

【００１５】１４および１５は、組成が連続的に変化し
ていることにより、クラッド層の両バンド（コンダクシ
ョンバンド（Ｅｃ）、バレンスバンド（Ｅｖ））に対し
て井戸層側に傾いた傾斜がついている。ある程度高圧の
電子線励起において、キャリア発生領域は深さ方向に広
く分布している。従来の構造ではバンドに傾斜がなかっ
たためにキャリアに方向性が少なく、井戸層へのキャリ
ア集中が十分にはおこなわれなかった。これに対して、
図１に示す本発明の構造をとることにより、井戸層近傍
に発生した電子・正孔はバンド傾斜に従って有効に井戸
層に集めることができる。このようにしてキャリアを量
子井戸層に集めることにより、量子井戸発光層における
深い準位を埋め尽くすことが容易になり、バンド端発光
を増加させることができる。

【００１６】次に以下では、図１に示した電子線励起発
光素子の具体例について図面を参照しながら説明する。

【００１７】発光体はサファイア基板上に有機金属気相
成長法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａ
ｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ
法）を用いて形成した。基板の表面を清浄化した後、ト
リメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とトリメチルインジウ
ム（ＴＭＩ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモ
ニアのうち複数の原料を用い、窒素をキャリアガスとし
て用い、加熱した基板上に供給することにより薄膜を形
成した。混晶の作製時には原料供給比を調整することに
より組成制御をおこなった。主たる成長温度は１０００
℃、成長圧力は１００Ｔｏｒｒであった。発光層の結晶
性をよくするために、バッファ層として５００℃（低
温）成長ＧａＮバッファ層と１０００℃成長Ｉｎ_0.1Ａ
ｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッファ層とを用いた。具体的な組成と
厚さは次の通りである。発光層であるＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
量子井戸層１３の厚さは２ｎｍ、量子井戸発光層に隣接
し、禁制帯幅が井戸層から離れるに従って大きくなって
いるクラッド層としての漸次組成変化したＩｎ_0.1Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１４および
Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎクラッド
層１５の厚さはそれぞれ０．５μｍ、Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇ
ａ_0.7Ｎバッファ層１６および低温成長ＧａＮバッファ
層１７の厚さはそれぞれ２μｍと０．１μｍ、サファイ
ア基板１８の厚さは０．５ｍｍである。

【００１８】このようにして成長を行った発光体の表面
に１０ｎｍ程度のごく薄いＡｕを蒸着し、３ｍｍ角に切
り出した。その後ＩｎＧａアマルガムで真空容器に接続
し、また、表面はアース線１９を用いて電気的に接地し
た。

【００１９】この発光体では傾斜層のバンド傾斜は１μ
ｍあたり０．４ｅＶである。比較のために従来方式であ
る厚さ方向の組成が一定の試料の素子構造を図２に示
す。２１、２２は電子銃と真空容器である。２３は発光
層である量子井戸層であり、ここでは上記例と同じ厚さ
２ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを用いた。２４は厚さが０．
５μｍのＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎクラッド層である。
２５も同じＩｎ_0.1Ａｌ_0. ₂Ｇａ_0.7Ｎクラッド層である
が、図１の試料と条件を同じにするために厚さを２．５
μｍとしてバッファ層の役目も持たせた。２６は低温成
長ＧａＮバッファ層、２７はサファイア基板である。２
８はアース線であり、電気的に接地されている。

【００２０】図３に素子の発光スペクトルを示す。図３
において、（ａ）が図１に示す本発明の量子井戸構造を
持つ電子線励起発光素子からの発光であり、（ｂ）が図
２に示す従来の量子井戸構造を持つ電子線励起発光素子
からの発光である。両者とも励起条件は同じで、具体的
には電子線の加速電圧１０ｋＶで電流密度は１０Ａ／ｃ
ｍ²であり、温度は室温である。従来の通常の量子井戸
構造を持つ発光素子では、井戸層のバンド端からの発光
が支配的だが、クラッド層のバンド端からの発光も観測
されていることがわかる。これに対して本発明の試料で
は、井戸層からの発光強度が従来試料に比べて約３倍で
あり、クラッド層からの発光強度は非常に小さくなって
いるのがわかる。

【００２１】電流注入型半導体レーザにおいて、同様の
ＧＲＩＮ（グレーデッドインデックス）構造がある
が、これは屈折率を漸次変化させることによる効果を利
用したものであり、キャリア移動に関する構造ではな
い。本発明はバンド構造を漸次変化させることによるキ
ャリア移動の効果を利用した点が新規である。電子線励
起においては素子に電界をかけないと言うことと、キャ
リアが電子正孔ともほぼ同数存在して再結合確率が高い
と言うことと、電子正孔が発生する領域が深さ方向に広
範囲であるという条件下で本発明が有効になってくるの
である。

【００２２】ここで、井戸層の厚さを２ｎｍとしたが、
本実施例の場合、井戸層が他の層に対して格子不整合が
大きいために、井戸層の厚さが厚いと結晶性の劣化が起
こるためにこの値に設定した。Ｉｎ０．１Ａｌ０．２Ｇ
ａ０．７Ｎバッファ層に対するＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ
の格子不整合は１．７％程度あるので、高品質な井戸層
を得るには、厚さは１０ｎｍ以下である必要があった。
この膜厚条件下では井戸層からのバンド端発光が大きか
った。

【００２３】またここで、組成の漸次変化しているクラ
ッド層の厚さを０．５μｍとしたが、この最適値は、室
温におけるキャリアの再結合までの移動距離に依存して
いる。バンドの傾斜が緩いものでは移動距離が小さく、
バンドの傾斜が大きいものは移動距離が大きく、キャリ
アを集める領域が広くとれるので、発光効率の向上の効
果が大きい。具体的には組成漸次変化クラッド層ぼ両端
におけるバンドオフセットが０．２ｅＶの時には層厚が
０．５μｍのときに最も発光強度が高かった。０．５μ
ｍ以下ではキャリアを集める領域が狭くなるために発光
強度が減少し、０．５μｍ以上ではバンドの傾きが小さ
くなったために井戸層から遠くのキャリアが井戸にまで
移動しきれずに再結合したことが主な原因であると考え
られる。

【００２４】ここで、電子線の加速電圧を１０ｋＶとし
たが、加速電圧が５ｋＶ以上の時に、キャリアの発生す
る深さ領域が約０．３μｍ以上となり、バンド傾斜によ
りキャリアを集めることが発光効率に対して重要となっ
た。

【００２５】上記の具体例では発光が電子線の照射され
る面の方面方向に対して、垂直な向きであったが、この
ほか発光が電子線の照射される面から行われる素子に関
しても同様の効果が見られた。すなわち、面発光型の電
子線励起発光素子においても、発光効率の増大が見られ
た。

【００２６】ここで、ＩｎＧａＮ系半導体では、正確な
電子と正孔の移動度の比は不明であるが、この比に逆比
例させてコンダクションバンドとバレンスバンドとの傾
斜の比を設けることにより、もっとも効率のよい発光に
なると考えられる。しかしながら、バンドオフセットを
任意に変えることは、作製法上困難である。

【００２７】ここで、発光層として単一量子井戸層を用
いたが、このほか発光体として図４に示す構造の多重量
子井戸を用いても同様の効果が見られた。４１は発光層
であるＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ多重量子井
戸層であり、井戸層の厚さは２ｎｍ、障壁層の厚さは５
ｎｍで、井戸数は４である。４２、４３は井戸層に隣接
する禁制帯幅が井戸層から離れるに従って大きくなって
いるクラッド層としての漸次組成変化Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇ
ａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層およびＩｎ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎクラッド層である。
４４、４５はＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッッファ層お
よび低温成長ＧａＮバッファ層であり、４６はサファイ
ア基板である。この場合、組成変化のないクラッド層を
用いた場合に比べて発光強度は約２倍であった。

【００２８】このように、井戸層の少なくとも片方の層
の禁制帯幅が井戸層から離れるに従って大きくなってい
ることにより、電子線励起発光素子あるいはレーザの発
光効率を向上させることができる。

【００２９】ここで、傾斜クラッド層を井戸の両側に形
成したが、片側だけの場合は、効果としては半分程度と
なったが、ある程度の効果は見られた。

【００３０】また、発光材料としてＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを
用いたが、このほかｔｙｐｅＩの量子井戸構造を持つあ
らゆる電子線励起発光素子に対しても同様の効果が見ら
れた。

【００３１】具体的には厚さ１０ｎｍのＺｎ_0.8Ｃｄ_0.2
Ｓｅ量子井戸と厚さ０．４μｍのＺｎＳｅ−Ｚｎ_0.9Ｍ
ｇ_0.1Ｓ_0.2Ｓｅ_0.8漸次組成変化クラッド層を用いた発
光体に関しても同様に２〜５倍の発光効率の向上が見ら
れた。この材料系の場合、井戸層の厚さを１０ｎｍとし
たが、上述の場合と同様に井戸層の厚さは厚いほど従来
との比較において発光効率の向上の度合いがやや少なか
った。また、井戸層が他の層に対して格子不整合がある
ために、結晶性のよい発光体を得るには井戸層の厚さに
は制限があった。Ｚｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｓ_0.2Ｓｅ_0.8バッファ
層に対するＺｎ_0. ₈Ｃｄ_0.2Ｓｅの格子不整合は０．８％
程度あるので、高品質な井戸層を得るには井戸層の厚さ
は１０ｎｍ以下である必要があり、またこの厚さ条件下
では発光量が大きかった。またここで、組成の漸次変化
しているクラッド層の厚さを０．４μｍとしたが、この
ＺｎＳｅ系では組成漸次変化クラッド層ぼ両端における
バンドオフセットが０．１ｅＶの時には層厚が０．４μ
ｍのときに最も発光強度が高かった。０．４μｍ以下で
はキャリアを集める領域が狭くなるために発光強度が減
少し、０．４μｍ以上ではバンドの傾きが小さくなった
ために井戸層から遠くのキャリアが井戸にまで移動しき
れずに再結合したためだと考えられる。

【００３２】また、厚さ５ｎｍのＧａＡｓ井戸層と厚さ
０．５μｍのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ
_0.7Ｐ_0.3クラッド層を用いたＡｌＧａＡｓＰ系の素子に
おいても、同様に２〜５倍の発光効率の向上が見られ
た。この材料系の場合、井戸層の厚さを５ｎｍとした
が、井戸層の格子不整合のために、厚さが結晶性のよい
発光体を得るには井戸層の厚さには制限があった。Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ_0.7Ｐ_0.3バッファ層に対するＧａＡｓの
格子不整合は３％程度あるので、高品質な井戸層を得る
には井戸層の厚さは５ｎｍ以下である必要があり、また
この厚さ条件下では発光量が大きかった。またここで、
組成の漸次変化しているクラッド層の厚さを０．５μｍ
としたが、このＡｌＧａＡｓＰ系では組成漸次変化クラ
ッド層ぼ両端におけるバンドオフセットが０．１ｅＶの
時には層厚が０．５μｍのときに最も発光強度が高かっ
た。０．５μｍ以下ではキャリアを集める領域が狭くな
るために発光強度が減少し、０．５μｍ以上ではバンド
の傾きが小さくなったために井戸層から遠くのキャリア
が井戸にまで移動しきれずに再結合したためだと考えら
れる。近赤外ではあるが同様の発光効率の向上の効果が
見られた。

【００３３】（実施の形態２）次に本発明の実施の形態
２における発光素子について図５及び図６を用いて説明
する。

【００３４】図５は本実施の形態における電子線励起発
光素子の構造を示す断面図図である。図５において、５
１は電子線源としての電子銃であり、発光体とともに真
空容器５２内に設置されている。５３１〜５３４は発光
層である複数の量子井戸層であり、ここでは例としてそ
れぞれ同じ厚さ２ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを用いた。５
４１〜５４４および５５１〜５５４は井戸層の上側に接
するクラッド層と下側に接するクラッド層であり、隣接
する井戸層から離れるに従って禁制帯幅が大きくなって
いる。ここでは例として、それぞれ漸次組成の変化した
Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9ＮおよびＩ
ｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎを用いた。
５６および５７はＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッファ層
と低温成長ＧａＮバッファ層であり、５８はサファイア
基板である。発光体の表面はアース線５９により電気的
に接地されている。電子線励起においては深さ方向に非
常に広い範囲で電子正孔対が発生するが、すべての電子
・正孔に対してその近傍に井戸層があるために、電子・
正孔をクラッド層で再結合させることなく有効に井戸層
に集めることができる。このため、井戸層の発光波長に
おける光学ゲインを有効に増加させることができる。

【００３５】次に以下では、図５に示した電子線励起発
光素子の具体例について説明する。発光体の製造方法は
上記した実施の形態１の場合と同様であり、原料の供給
パターンが違っているだけであるためにここでは詳細は
省略する。発光体５３〜５８は厚さ０．５ｍｍのサファ
イア基板５８上に厚さ０．１μｍの低温成長ＧａＮバッ
ファ層５７と厚さ２μｍのＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバ
ッファ層５６を介して形成されており、４組のグレーデ
ッドクラッド構造５３１〜５５４からなっている。それ
ぞれのグレーデッド構造は、厚さ２ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎ量子井戸５３１〜５３４と、その上部にある厚さ
１００ｎｍの漸次組成変化したＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ
_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎクラッド層５４１〜５４４と、量
子井戸層の下部にある厚さ１００ｎｍの漸次組成変化し
たＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッ
ド層５５１〜５５４からなる。ここで、クラッド層の井
戸層側がＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎであり、井戸と井戸との中間
地点、発光体の表面およびＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバ
ッファ層との界面がＩｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎであり、
その間は直線補間的に組成が変化している構造である。

【００３６】図６に素子の発光スペクトルを示す。室温
で加速電圧１０ｋＶ・電流密度１０Ａ／ｃｍ²の電子線
を照射した結果である。図６において、（ａ）が図５に
示す本発明の量子井戸構造を持つ発光素子からの発光で
あり、（ｂ）が井戸間隔が０．２μｍで井戸幅２ｎｍ井
戸層数４の従来の組成変化のないクラッド層を持つ電子
線励起多重量子井戸発光素子からの発光である。両者と
も励起条件は同じで、具体的には電子線の加速電圧１０
ｋＶで電流密度は１０Ａ／ｃｍ²であり、温度は室温で
ある。従来の多重量子井戸構造を持つ発光素子では、量
子井戸層のバンド端からの発光が支配的だが、クラッド
層のバンド端からの発光も少しではあるが観測されてい
ることがわかる。これに対して本発明の複数のグレーデ
ッドバンド構造を持つ試料では、井戸層のバンド端から
の発光強度が従来試料に比べて約２倍となり、クラッド
層のバンド端からの発光強度は非常に小さくなっている
のがわかる。

【００３７】このように、複数のグレーデッドバンド構
造を持つ電子線励起発光素子においては、活性層以外に
は必ずバンド勾配が存在し、発生したすべての電子・正
孔をいずれかの井戸層に集めることができる。このた
め、井戸層にキャリアが集中して深い準位を埋め尽くす
ために、強いバンド端発光を得ることができる。

【００３８】この具体例では発光が電子線の照射される
面の方面方向に対して、垂直な向きであったが、このほ
か発光が電子線の照射される面から行われる素子に関し
ても同様の効果が見られた。すなわち、面発光型の電子
線励起発光素子においても、発光効率の増大が見られ
た。

【００３９】ここで、井戸の間隔は０．２μｍ（１００
ｎｍ＋１００ｎｍ）としたが、キャリアを井戸に集める
点では広い方が有効であるが、幅を広くとるとバンドの
傾斜が小さくなるのでキャリアを集める効果が小さくな
っていくために、層厚に関しては最適値があると考えら
れる。また、格子不整による結晶性の劣化の問題があ
り、上述のＩｎＧａＮ系薄膜の場合には井戸層の間隔は
０．２μｍ程度が最適であった。効果としては井戸層の
間隔が１μｍ以下の場合に発光強度増大の効果が見られ
た。

【００４０】ここで、電子線の加速電圧を１０ｋＶとし
たが、加速電圧が１０ｋＶ以上の時に、キャリアの発生
する深さ領域が約１．５μｍ以上となり、単一の発光層
に量子井戸にバンド傾斜によりキャリアを集めることが
困難になるために、複数のグレーデッドバンド構造をと
ることが発光量増大に対して重要となった。

【００４１】ここで、発光材料としてＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
を用いたが、このほかｔｙｐｅＩの量子井戸構造を持つ
あらゆる電子線励起発光素子に対しても同様の効果が見
られた。

【００４２】具体的には厚さ１０ｎｍのＺｎ_0.8Ｃｄ_0.2
Ｓｅ量子井戸と厚さ１００ｎｍのＺｎＳｅ−Ｚｎ_0.9Ｍ
ｇ_0.1Ｓ_0.2Ｓｅ_0.8漸次組成変化クラッド層を複数用い
た素子に関しても同様に２〜５倍の発光効率の向上が見
られた。この材料系の場合、井戸層の厚さを１０ｎｍと
したが、上述の場合と同様に井戸層の厚さは厚いほど従
来との比較において発光効率の向上の度合いがやや少な
かった。また、井戸層が他の層に対して格子不整合があ
るために、結晶性のよい発光体を得るには井戸層の厚さ
には制限があった。Ｚｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｓ_0.2Ｓｅ_0.8バッフ
ァ層に対するＺｎ _0.8Ｃｄ_0.2Ｓｅの格子不整合は０．８
％程度あるので、高品質な井戸層を得るには井戸層の厚
さは１０ｎｍ以下である必要があり、またこの厚さ条件
下では発光量が大きかった。またここで、組成の漸次変
化しているクラッド層の厚さを１００ｎｍとしたが、こ
のＺｎＳｅ系では層厚が１００ｎｍのときに最も発光強
度が高かった。１００ｎｍ以下ではキャリアを集める領
域が狭くなる効果により発光強度が減少し、１００ｎｍ
以上ではバンドの傾きが小さくなる効果により井戸層か
ら遠くのキャリアが井戸にまで移動しきれずに再結合し
たためだと考えられる。

【００４３】また、厚さ５ｎｍのＧａＡｓ井戸層と厚さ
１２０ｎｍのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ
_0.7Ｐ_0.3クラッド層を複数用いたＡｌＧａＡｓＰ系の素
子においても、同様に２〜５倍の発光効率の向上が見ら
れた。この材料系の場合、井戸層の厚さを５ｎｍとした
が、井戸層の格子不整合が小さいために、厚さが結晶性
のよい発光体を得るには井戸層の厚さには制限があっ
た。Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ _0.7Ｐ_0.3バッファ層に対するＧ
ａＡｓの格子不整合は３％程度あるので、高品質な井戸
層を得るには井戸層の厚さは５ｎｍ以下である必要があ
り、またこの厚さ条件下では発光量が大きかった。また
ここで、組成の漸次変化しているクラッド層の厚さを５
０ｎｍとしたが、このＡｌＧａＡｓＰ系では層厚が１２
０ｎｍのときに最も発光強度が高かった。１２０ｎｍ以
下ではキャリアを集める領域が狭くなる効果で発光強度
が減少し、１２０ｎｍ以上ではバンドの傾きが小さくな
る効果で井戸層から遠くのキャリアが井戸にまで移動し
きれずに再結合したためだと考えられる。

【００４４】（実施の形態３）次に本発明の実施の形態
３における発光素子について図７〜図９を用いて説明す
る。

【００４５】図７は本実施の形態における電子線励起発
光素子の構造を示す断面図である。図７において、７１
は加速電圧１５ｋＶの電子線源としての電子銃であり、
発光体とともに真空容器１２内に設置されている。７３
は発光層である量子井戸層であり、ここでは例として厚
さ２ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを用いた。７４は上部クラ
ッド層であり、ここでは例として、厚さ０．９μｍのＧ
ａＮを用いた。また、７５は下部クラッド層であり、こ
こでは例として厚さ３μｍのＧａＮを用いた。７６は低
温成長ＧａＮバッファ層であり７７はサファイア基板で
ある。発光体の表面はアース線７８により電気的に接地
されている。ここで、発光層の発光体表面からの深さ位
置Ｄ（μｍ）が、電子線の加速電圧Ｖ（ｋＶ）に対して
Ｄ＜０．０１５Ｖ１．５の関係にある。本実施の形態の
場合、発光層であるＩｎ_0.2Ｇａ₀ _.8Ｎ量子井戸７３は表
面から０．９μｍの位置にある。

【００４６】次に以下では、図７に示した電子線励起発
光素子の具体例について説明する。発光体はサファイア
基板上に有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎ
ｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ法）を用いて形成した。基板の表面
を清浄化した後、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とト
リメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアのうち複数の
原料を用い、窒素をキャリアガスとして用い、加熱した
基板上に供給することにより薄膜を形成した。混晶の作
製時には原料供給比を調整することにより組成制御をお
こなった。主たる成長温度は１０００℃、成長圧力は１
００Ｔｏｒｒであった。発光層の結晶性をよくするため
に、バッファ層として５００℃（低温）成長ＧａＮバッ
ファ層を用いた。図７中の７３は発光層である量子井戸
層としての厚さ２ｎｍのＩｎ_0. ₂Ｇａ_0.8Ｎ層、７４は厚
さが０．９μｍの上部ＧａＮクラッド層であり、７５は
厚さ３μｍのＧａＮクラッド層である。７６は低温成長
ＧａＮ層である。７７はサファイア基板である。このよ
うにして成長を行った発光体の表面に１００Å程度のご
く薄いＡｕを蒸着し、３ｍｍ角に切り出した。その後Ｉ
ｎＧａアマルガムで真空容器に接続し、また、表面はア
ース線７８を介して電気的に接地した。ＩｎＧａを用い
た理由は放熱性と電気伝導性を有するためである。ま
た、同様に層膜厚を一定にして上部クラッド層の厚さを
０．２μｍから３μｍまで変えた試料を作製した。

【００４７】図８に、加速電圧を５〜３０ｋＶまで変え
たときの電子線励起による井戸層のバンド端発光強度の
表面からの井戸層の深さ依存性を示す。電子線の電流値
はすべて同じ５μＡとした。加速電圧が１０ｋＶの時に
は井戸深さが０．５μｍの試料で発光強度が最大を示
し、加速電圧が２０ｋＶの時には井戸深さが１．４μｍ
の試料で発光強度が最大を示した。図８からわかるよう
に、発光強度が最大を示す井戸深さＤ（μｍ）は加速電
圧Ｖ（ｋＶ）に依存する。

【００４８】次に図９に最大発光量を示す井戸層深さの
加速電圧依存性を示す。最小二乗法によるそのフィッテ
ィング関数はＩｎＧａＮ系薄膜の場合、Ｄ＝０．０１５
Ｖ１．５であった。この深さの値付近で最も発光強度が
増大する。

【００４９】このようにして、電子線照射により発生す
る電子正孔対の密度が最大となる位置に量子井戸層を有
することにより、電子線励起発光素子あるいはレーザの
発光効率を向上させることができる。

【００５０】この具体例では発光が電子線の照射される
面の方面方向に対して、垂直な向きであったが、このほ
か発光が電子線の照射される面から行われる素子に関し
ても同様の効果が見られた。すなわち、面発光型の電子
線励起発光素子においても、発光効率の増大が見られ
た。

【００５１】ここで、井戸層の厚さを２ｎｍとしたが、
井戸層が他の層に対して格子不整合が大きいために、井
戸層の厚さが厚いと結晶性の劣化が起こるためにこの値
に設定した。Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッファ層に対
するＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの格子不整合は０．８％程度ある
ので、高品質な井戸層を得るには、厚さは１０ｎｍ以下
である必要があった。

【００５２】ここで、発光材料としてＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
を用いたが、このほかｔｙｐｅＩの量子井戸構造を持つ
あらゆる電子線励起発光素子に対しても同様の効果が見
られた。これらの発光層の発光体表面からの深さ位置Ｄ
（μｍ）が、すべて電子線の加速電圧Ｖ（ｋＶ）に対し
て０．０１２Ｖ１．５＜Ｄ＜０．０１８Ｖ１．５の範囲
内にあった。具体的には、厚さ１０ｎｍのＺｎ_0.8Ｃｄ
_0.2Ｓｅ量子井戸を厚さ３μｍのＺｎ_0.9Ｍｇ_0.1Ｓ_0.2Ｓ
ｅ_0.8クラッド層の内部に形成した実験の場合は、最大
発光量を示す井戸深さＤ（μｍ）の加速電圧（Ｖ）依存
性はＤ＝０．０１４Ｖ１．５の関係にあった。厚さ５ｎ
ｍのＧａＡｓ井戸層を厚さ３μｍのＡｌ_0. ₅Ｇａ_0.5Ａｓ
クラッド層の内部に形成した実験では、最大発光量を示
す井戸深さＤ（μｍ）の加速電圧（Ｖ）依存性はＤ＝
０．０１６Ｖ１．５の関係にあった。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明によれ
ば、発光体とそれを励起する手段としての電子線源とを
有し、発光体が発光層とそれをはさむクラッド層とを有
し、発光層が量子井戸あるいは多重量子井戸からなり、
クラッド層のうち少なくとも一方の層の禁制帯幅が、発
光層から離れるに従って徐々にあるいは階段状に大きく
なっていることにより、発生した電子正孔を有効に量子
井戸に移動させることができるという効果がある。ここ
で、電子線源の加速電圧が５ｋＶ以上である場合には、
発生した分布の大きなキャリアを井戸層に集めることが
でき、ひいては井戸層における発光量を増加させるとい
う点で効果が大きい。

【００５４】第２の発明によれば、発光体とそれを励起
する手段としての電子線源とを有し、発光体が複数の発
光層とそれをはさむ複数のクラッド層群とを有し、発光
層が量子井戸あるいは多重量子井戸からなり、クラッド
層の禁制帯幅が、発光層から離れるに従って徐々にある
いは階段状に大きくなっていることにより、広い範囲に
発生した電子正孔をすべて近くの量子井戸発光層に移動
させることができ、ひいては井戸層における発光量を増
加させるという点で効果が大きい。ここで、隣り合う量
子井戸あるいは量子井戸群の間隔が０．１μｍ以上１μ
ｍ以下である場合には、キャリアの移動中に再結合する
確率が低いために、有効に量子井戸にて発光再結合させ
ることができるという点、すなわち発光量を増大させる
という点で効果が大きい。ここで、電子線源の加速電圧
が１０ｋＶ以上である場合には、発生した分布の広いキ
ャリアを一つのグレーデッドバンド構造で集めきること
ができないため、特にその効果が大きい。

【００５５】第３の発明によれば、発光体とそれを励起
する手段としての電子線源とを有し、発光体が発光層と
発光層をはさむクラッド層とを有し、発光層の発光体表
面からの深さ位置Ｄ（μｍ）が、電子線の加速電圧Ｖ
（ｋＶ）に対して０．０１２Ｖ１．５＜Ｄ＜０．０１８
Ｖ１．５の関係にあることにより、発生した電子正孔の
うち最も多くの電子正孔を有効に量子井戸において発光
させることができるという効果ある。

【００５６】以上のように、本発明によれば、発光量の
大きな電子線励起発光素子を得ることが可能となり、発
光表示素子のみならず半導体レーザなどの特性向上、信
頼性の向上の点で実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態１における電子線励起発光素
子の概略を示す断面図

【図２】比較例の電子線励起発光素子の概略を示す断面
図

【図３】本発明実施の形態１における電子線励起発光素
子と比較例の電子線励起発光素子の発光スペクトルを示
す図

【図４】本発明実施の形態１における電子線励起発光素
子の概略を示す断面図

【図５】本発明実施の形態２における電子線励起発光素
子の概略を示す断面図

【図６】本発明実施の形態２における電子線励起発光素
子の発光スペクトルを示す図

【図７】本発明実施の形態３における電子線励起発光素
子の概略を示す断面図

【図８】本発明実施の形態３における電子線励起発光素
子の発光強度の表面からの井戸層深さ依存性を示す図

【図９】本発明実施の形態３における電子線励起発光素
子の発光強度の最大を示す井戸の深さ位置の加速電圧依
存性を示す図

【符号の説明】１１電子銃１２真空容器１３Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層１４Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ組
成漸次変化クラッド層１５Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ組
成漸次変化クラッド層１６Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッファ層１７低温成長ＧａＮバッファ層１８サファイア基板１９アース線２１電子銃２２真空容器２３Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層２４Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎクラッド層２５Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎクラッド層兼バッファ
層２６低温成長ＧａＮバッファ層２７サファイア基板２８アース線４１Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ多重量子井
戸層４２Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ組
成漸次変化クラッド層４３Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ組
成漸次変化クラッド層４４Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッファ層４５低温成長ＧａＮバッファ層４６サファイア基板５１電子銃５２真空容器５３１Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ多重量子
井戸層５３２Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ多重量子
井戸層５３３Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ多重量子
井戸層５３４Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ多重量子
井戸層５４１Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
組成漸次変化クラッド層５４２Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
組成漸次変化クラッド層５４３Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
組成漸次変化クラッド層５４４Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
組成漸次変化クラッド層５５１Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ
組成漸次変化クラッド層５５２Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ
組成漸次変化クラッド層５５３Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ
組成漸次変化クラッド層５５４Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ−Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎ
組成漸次変化クラッド層５６Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.2Ｇａ_0.7Ｎバッファ層５７低温成長ＧａＮバッファ層５８サファイア基板５９アース線７１電子銃７２真空容器７３Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層７４ＧａＮ上部クラッド層７５ＧａＮ下部クラッド層７６低温成長ＧａＮバッファ層７７サファイア基板７８アース線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子井戸または多重量子井戸からなる発光
層及び前記発光層をはさむクラッド層とを有する発光体
と、前記発光体を励起する電子線源とを有し、前記クラ
ッド層のうち少なくとも一方の層の禁制帯幅が、前記発
光層から離れるに従って徐々にまたは階段状に大きくな
っていることを特徴とする電子線励起発光素子。
【請求項２】電子線源の加速電圧が５ｋＶ以上であるこ
とを特徴とする請求項１記載の電子線励起発光素子。
【請求項３】量子井戸または多重量子井戸からなる複数
の発光層及び前記発光層をはさむ複数のクラッド層群と
を有する発光体と、前記発光体を励起する電子線源とを
有し、前記クラッド層の禁制帯幅が、前記発光層から離
れるに従って徐々にまたはは階段状に大きくなっている
ことを特徴とする電子線励起発光素子。
【請求項４】隣り合う発光層の間隔が０．１μｍ以上１
μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の電子線
励起発光素子。
【請求項５】電子線源の加速電圧が１０ｋＶ以上である
ことを特徴とする請求項３記載の電子線励起発光素子。
【請求項６】発光層及び前記発光層をはさむクラッド層
とを有する発光体と、前記発光体を励起する電子線源と
を有し、前記発光層の前記発光体表面からの深さ位置Ｄ
（μｍ）が、前記電子線の加速電圧Ｖ（ｋＶ）に対して
０．０１２Ｖ１．５＜Ｄ＜０．０１８Ｖ１．５の関係に
あることを特徴とする電子線励起発光素子。