JPS5880883A - 青色発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は青色発光素子Ｋ１１ｌする■ 青色発光素子を構成する材料は室温で２．７ｅＶ以上の
高いバンドギャップをもつことが必要である。

この様な高いバンドキャップをもち、かつ青色発光に有
望な半導体としてはトｌ化合物ではＺｎ８・（セレン化
亜鉛）、Ｚｎ８　（硫化亜鉛）、ｌ［［−マ化合物では
ＧａＮ　（窒化ガリウム）、ｆｆ−ｆｆ化合物で＃：ｔ
８１０（炭化シリコン）があけられる。中でもＺｎＢ＠
ｄ共有結合性が比較的大きく、バンド−造からみる発光
遷移は直接遷移型であるため効率良く青色発光が起こる
可能性が高いと期待され工いる。

Ｚｎ８ｅの結晶は自己補償効果が強く、低抵抗のＰ型が
形成困難である。尚、自己補償効果とはドナー不純物が
多量にドーピングされるとｚｎ空孔子が生じやすくなり
、斯る空孔子がアクセプターとして働き、上記ドナーを
補償することである。従ってＺｎ８’ｅ結晶を用いた青
色発光素子の構造では一般にＺｎ８（金属、絶Ｉａｌｌ
、半導体）−造の素子が広く研究されてｉる。

＃！１図ＦｉＩｌｉ願昭５６−１１８８８４号で既に提
案された青色発光素子を示し、１１）ａ−主面が（１０
０）面で、不純物濃度が約Ｉ　Ｘ　１０”３−７４るれ
型Ｇ、−＾、！基板、（２１は腋基板の一生面上ＫＭＢ
Ｂ（分子線エビメキシャル成長）法によ抄形ｆｆされた
ｎ型２３８０層であり％皺層嬬不純物としてＧａを含む
と共にその特性は比抵抗が０．１ｆ１６ｓｔ以下でかつ
発光波長が４６ｉｎｍである。（３）ｉｉ上記ｎ＠１Ｚ
ｎ８ｅ層（２）上に、Ｚｎ１法で形成された比抵抗が１
０４ΩＧ以上のアンドーグＺｎＥｌｅ　Ｉｔ　ｓ　（４
１（！Ｓｔは夫＃ＧａＡｓ基板（１）＆Ｉｌ＆ヒ７ンド
ープｚｎｅｅ層（３）表ＩｉＩに形成されたオーミック
性の第１、第２電極である。

上記アンドープＺｎＢｅ層（３）は比抵抗が１０’Ω信
以−Ｅとなる高抵抗層である。従ってｎ型Ｚｎ５ｅ＃（
２１、アンドープＺｎ８０層（３）及び第２電極１５）
とによりＭｒＳ偽造となり、第１電極（４）−第２電極
（５）間に覇方向バイアスを印加すると、ｎ型Ｚｎ５ｅ
層（２）とアンドープＺｎ８＠層（３）との界面付近で
約４６１ｎｍＯ育色発光が得られた。

またｎ型Ｚｎ８θ編（２）とアンドーグＺｎＢｅ層（３
）とはＭＢＥ法により連続して形成できるのでその界面
は清浄で子坦となり、かグ同−材料からなるため上目「
１界面付近に格子電数等の違いによる内部応力が発生せ
ず結晶性が低下する危惧はない。

斐にＭＢＥでにドーピング濃度の制御が簡単に行えるの
で上記素子を再現性良く得ることができる。

しかし乍ら上ルビ素子より発する発’ｘ成分には背合成
分だけではなく種々の波長を有した光成分が混じってい
ることが判った。

その原因は第２図に示す如くアンドーグＺｎ８ｅ層（３
）において不所望な不純物の混入により生じたアクセプ
タ準位ＫＡ　、ドナー準位ＩＤもしくは発光中心ＩＬｔ
−介した発光遷移及び伝導バンド端１ｃと充満バンド端
１ｎｖとの間で生じる発光遷移等が起るためである０尚
図中１１はフェルミ準位である。

このような現象を避けるために上記アンドープＺｎ８・
層（３）を極力薄くしてアンドープＺｎＢｅ層中での正
孔の滞在時間ｔ！［（することも考えられるが、本発明
者の実験によると、上記アンドープＺｎ８・層（３）の
層厚を１００ム以下にすると絶縁破壊を生じ易くなると
いう結果を得た。

木尭明は斯る点に鎌みてなされたもので、アンドープＺ
ｎＢｅ層での発光現象を防ぎ純粋な青色光だけを発する
育色発光素子を提供せんとするものである。以下１１總
例にり倉本発明を説明するＯｎ型ＧａＡｓ基板、ａＳａ
鋏基板上ＶｃＭＢＩＩｉ法よりより形成された成長層で
あり、骸成長層は■族原子の例えばＧａ（ガリウム）を
不純物として含むｎ型ＺｎＢａ１ｌＪＱ３と不純物を含
まないアンドーグ２コ８・層■を交互に周期的に積層し
たものである。また斯る晴となるアンドーグＺｎ５ｅ層
ａ４）上ｒｃ形取ざｔた絡１１！極、ａ８１は基板ａＤ
裏面に形１１ｉされ次第２電極である０　　　′ 次に上記素子の製造方法について説明する。第４図は本
実施例素子を得るためのＭＢＥ装置を原理的に示したも
のである。パックグランド真空度１０−”ＴＯｒｒ以下
に排気した真空容器内に、基板部ｆ２＋１と第１〜ｔＸ
３セ＃（２２ａ）　〜（２２ｃ）とが対同配置され、こ
れらの間に主シャツタロと個別シャツ！（２４ａ）〜（
２４ｃ）が介在されている◎基板部（財）はと−タ機１
１１を備えた基板ホルダ（５）とその上にＩｎ（インジ
ウム）メタル（イ）により貼着されたＧａｐｓ基１ｋ。

とからなる。第１〜第３セル（２２ａ）〜（２２ｃ）は
夫々るつぼ（２７ａ）　〜（２７ｃ）丙にＺｎ（亜鉛）
　、Ｂｅ（セレン）、Ｇａ（ガリウム）′ｆｒ個別に収
納してお夛、その周囲にるつは加熱用ヒーターを有し、
又各るつぼ温度検出用熱電対ａｔ−備えている。

上記Ｌ”　Ｂ　ｍ装置自体は周知であり、基板■ヤ各竜
ルの温度を制御すると共に各シャツ！（２４ｍ）〜ｇ 鯰層αΦとが交互に積層された成長層を得ることができ
る。

ＧａＡｅ（１００）面上へのアンドープＺｎ８ｅ単結層
薄膜を成長させるＭｉ１ｍ家長条件は、基板温度が３０
０℃〜４００℃、Ｚｎセル温温度１８０℃〜２５０℃、
ｇｏ　＊ｈ温駅が１７０℃〜２２０℃で単結晶成長が起
るが、成長した膜の表面モホロジー結晶性からみると最
適条件蝶、基板温度が３５０℃〜４００℃、　Ｚｎビー
ム強度と８０ビーム！１ｌＩＩ比が１になるような条件
がよい。

これらビーム強度はｚｎセルで約２９０℃、Ｓ・セルで
約１９０℃が適尚である。このと色アンドープＺｎＢ・
層の比抵抗は１０’Ｊ１ａｇ＊以上となった。

ｔたｎ１ｌｊｊＺｎ８ｅ真の成長条件は第３七ル（２２
ｅ）を４２５℃に保ち第３シヤツタ（２４１１１）を開
けることにより不純物としてのｅａをドーピングでき、
″このときのホトルミネッセンスによる発光波長は４６
１ｎｍとな抄純粋な青色光が得られる０尚斯る場合のＧ
ａのキャリア濃ｆは約７　Ｘ　１０”♂である。

本発明者の実験によれば、本実施例素子の構造にした場
合上記アンドープＺｎ８・層顛の各々の層厚が最小５０
Ａで、かつその総和が２００ム以上となれば絶縁破壊が
生じる危惧がないことが判った。そこで本実施例素子で
はアンドープＺｎ８ｅｊｌＱ４１の層厚を約５ＯＡ、　
ｎｆｆ１ＩＺｎ８ｅｌ（１３１の層厚を約７００ムとし
て各４層ずつ形成した。尚最下層のｎ型Ｚｎ８・層止は
基板α」との格子不整合を緩和するために１０００Ａ以
上であることが好ましく、本実施例では１１００Ａとし
た。第５図は本実施例素子ＫＩＮ方回電圧を印加したバ
ンド構造を示す。尚第３図と同一箇所には同一番号が付
されている。

Ｇａが・ドープされ象ｎ型Ｚｎ８・層α３は電圧の成分
がほとんど印加されず、マタ逆にアンドープＺｒ５Ｂ・
層［１４１は電圧成分が印加されるので成長層は図の如
く階段状となる。このとき亭１電極（１５＋側から注入
され比正孔りは最表層のアンドープＺｎ８ＯＮＩ顛を介
して、ｎ＠！Ｚｎ８ｅ層０に飛び込み、そこで正孔りの
一部がＧａドープにより形成されたドナ一単位ＩＪ）に
存在する電子・と再結合して育色発光に寄与し、更に残
りの正孔ｈＦｉ再びアンドープＺｎＢ・ＮＩｒ１ｔ！を
経由して次のＨ１ｌＺｎ８ｓ層（１３Ｋｑ入され育色発
光に寄与する。斯る発光現象を操返し乍ら正孔りは最下
層のｎ型Ｚｎ８・層α３に達する。尚第５図中ＩＱ％ｌ
ｌ１Ｆ％］！！■は夫々伝導バンド端、フエルン準位充
満バンド端である。

斯る素子では、アンドープｚｎｓｅｌＱ４の層厚が従来
のものに較べて半分となるので、この層にお叶る再結合
発光の確率も非常に低くなり、従って発光に際して育色
成分以外の他の色成分が発生することはなく純粋な青色
光を得ることができた。また、既述した如く、第１電極
回側のｎ型Ｚｎ８・層ａ３中で再結合しなかった正孔ｈ
Ｆｉ第２電極ａｅ側のｎ型ＺｎＢｅ層−で再結合するの
で、従来素子に比べて発光効率が高くな抄発光強度が増
した。

尚本実施例では、アイドープＺｎ８・層Ｉとｎｍｚｎ、
□″　□゛ ８ｅｌ１３とを各４層ずつ交互に積層したがこれに限る
ものではなく既述したアンドープＺｎ８・層の条件を満
足すればよい。また最下層以外のｎｌｌｊＺｎＳｅ層ａ
３の層厚は発光効率の観点から５００λ〜１０００Ａで
あることが好ましい０ り上の説明から明らかな如く、本発明の育色発光素子は
純粋な青色光を高効率で発光できるので大ｆ寮用的であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は既に提案された育色発光素子を示す断面図、第
２図は第１図素子の順方向電圧時のバンド構造を示す図
、第３図は本発明の実施例を示すｗ１面図、亀４図は本
実施例素子を製造するためのＭＢ’Ｒ％置を示す図、第
５図は本実施例素子の順方向電圧印加時のバンド構造を
示す図である。 ［１１１−・・ｎ型ＧａＡｅ基板、α３・ｎｆＭＺｎＢ
ｅ層、α４・・・アンドープＺｎＳθ智。 二二二二二ゴｚ３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基・板上に■族原子を不純物として含特徴
   とする青色発光素子。