JPS63155781A

JPS63155781A - 発光素子

Info

Publication number: JPS63155781A
Application number: JP61303310A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Matsumoto; 信一松本; Susumu Kondo; 進近藤; Haruo Nagai; 治男永井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1988-06-28
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPH0758808B2

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】〔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。

〔従来の技術〕

発振波長６００ｎｍ台のいわゆる可視域半導体レーザは
、１）光ディスクの高密度記録を可能とする２）レーザビ
ームプリンクの記録速度を向上する３）　　Ｈｅ−Ｎｅレーザに代わるビデオディスク用光
源として用いることができる４）プラスチックファ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、多くのメリッ
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。

ランプなどのディスプレイ分野において、既に広く使用
されておシ、最近では、ファクシミリの読み取シ光源、
プラスチックファ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＋　ＧａＡ
ｓＰ＋　ＡＪＩｎＧａＰなどの材料を、ＧａＡｓ、　Ｇ
ａＰなどｍ−ｖ族基板上に形成することで作成されてお
シ、よシ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シ、照明光源、大面積Ｌ
ＥＤディ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シ、デバイスの信頼性が向
上する５）　　Ｓｉデバイスと■−ｖ族デバイスとのモノリシ
ックな集積化が可能となるなどのメリットが期待される。

このため、すでにＳｉ基板上でＡＪＱａＡｇ　、　ｈ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　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙ
ｓ、　１ｅｔｔ、　４８（２３）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、６３２．８　ｎｍ　）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、窒素をドープすることで内部量子効率を増大さ
せてはいるもの＼、大幅な効率の向上は実現できない。

このように、ＡＪＱａＡｇ、あるいは、ＧａＡｓ　Ｐで
は、上述したメリットを抱括する発光素子が実現できな
いといった問題点があった。

〔本発明の目的〕

本発明の目的は、ＡＪＩｎＧａＰ　、あるいは、ＩｎＧ
ａＰを活性層とする発光素子を８１基板上に作成するこ
とによシ、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。

〔発明の構成〕

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。

ＩｎＧａＰは、ＩｎＰの１．３５　ｅＶからＩｎｏ、５
ｔＧａｏ、＋＋ｓＰ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か
ら５６０ｎｍに相当する。Ｉｎｏ４１Ｇａｏ、＋ｓＰ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、
！ｌ）、６００〜５６０ｎｍ領域での発光効率を飛躍的
に向上させうろことが理論的に指摘されておシ、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、
ＡＪＩｎＧａＰとの組合せによシ高品質なヘテロ接合の
形成が可能であり、これによシ、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がある場合のエピタキシャル成長は
、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、ＧＲＡＢ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
よシ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、Ｓｌ上に格子定
数の異なるｍ−ｖ族化合物半導体結晶を成長させた場合
、 ■　Ｓｌと■−ｖ族結晶との構造の差に起因したアンチ
フェイズ ■　Ｓｌ基板とエピタキシャル層との格子不整によるミ
スフィツト転位 ■　８１基板とエピタキシャル層との熱膨張係数差に起
因した格子歪、クラックなどの結晶欠陥が発生する。

■については、８１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アシ、■が現在
、最も重要な問題となっている。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
ッファ層として形成することにょシ、その低減が図られ
てきた。

８１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
５ｉ−Ｇｅ混晶を利用する方法が提案されている（特開
昭６Ｏ−６ｉ１１）。　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■−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ＡＡＩｎＧａＰ　、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０．５４以内であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体を、第３の半導体として形成することによシ、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、ＧａＡｓ、　ＧａＰ、　Ｉｎ
ＧａＰ。

ＧａＡｓＰ　、およびＩｎＧａＡｓＰが可能である。特
に、ＩｎＧａＡｓＰ四元混晶を厚み１〜２μｍの範囲で
形成した場合、その上に堆積するＩｎＧａＰ　、ＡＪＨ
ｎＧａＰ中の転位密度は、１０８〜１０’ｃｍ−２とな
シ著しい結晶性の向上がみられる。これら第３の半導体
層はＳｉ基板上に直接成長させても良く、または、Ｇａ
Ａｓ＋あるいはＳｉに格子走数の近いＧａＰ、　ＧａＡ
ａＰ、　ＩｎＧａＰ、　Ｉｎ−ＧａＡｓＰのいずれかを
第４の半導体層として介在させ、その上に成長させても
よい。

〔実施例の説明〕

実施例１第１図は、本発明の実施例のひとつでちるＩｎＯ，４９
Ｇａｏ、ｓＩＰを活性層とする発光ダイオードである。

（１）は、（ｉｏｏ）面を有する３インチのｎ型−８１
基板である。（２）は、ＭＯＶＰＥ法によシロ５０℃で
２μｍ堆積した第３の半導体であるｎ型−Ｉｎｏ、ｓｔ
Ｇ＆ｏ、ｓ＊Ａｇｏ、１１６ＰＯ，，１１４層である。

（３）は、ＭＯＶＰＥ法によシロ５０℃で１μｍ堆積し
た活性層であるｎ型−Ｉｎｏ、４ｅＧａｏ、ｅｔＰ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−Ｉｎｏ、４ｅＧ
ａｏ、ｓｘＰ層であＬ（３）と（４）によシＰｎ接合を
形成した。（５）。

（６）は、オーミック電極であり、該電極はそれぞれＡ
ｕ　−Ｇｅ　−Ｎｉ　＋　ｆ？よびＡｕ　−Ｚｎである
Ｏ　（１）　、　（２）　、　（３）　、　（４）のキ
ャリヤ濃度は、それぞれ、ａｘｉｏ１７．２Ｘ１０”。

３Ｘ１０　　、３Ｘ１０　　ａｍ　　である。また、（
４）のＩｎｏ、４ｓＧａｏ、ｓｘＰ層の転位密度は、３
Ｘ１０’ｃｍ″″２であり、ＩｎＧ、Ａ、Ｐ四元混晶を
バッファ層として用いることによシ、従来の１０７ｃｍ
−”よシ大幅に低減された。

この発光ダイオードに順方向の電流を流すことによシ、
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６５０層ｍｒ半Ｉ値幅はａｏｎｍであった。

また、外部量子効率は、１．８％であ、Ｄ、Ｓｉ基板上
にＡｌＧａＡｓを形成し作成された発光ダイオード（Ｍ
、　Ａｋｌｙａｍａ　ｅｔ　ａｌ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈ
ｙｓ。

１ｅｔｔ、　４８（２３）　９１９８６　）の約６倍の
効率を得た。

実施例２第３図は、本発明の実施例のひとつであるＩｎｏ、４ｓ
Ｇａ６．５１ｐ　を活性層とする発光ダイオードである
。

（１）は、（ｉｏｏ）面を有する３インチのｎ型−８ｔ
基板である。（２）は、ＭＯＣＶＤ法にょシ、４５０　
℃にオイて２０ｎｍ堆積したアモルファス層を、６５０
℃でアニールすることによシ結晶化し形成した第４の半
導体でおるｎ型−ＧａＡｓ層である。（３）は、ＭＯＶ
ＰＥ法によＪ）、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２ｐｍる。（５）は、（４）を堆積したのち、
ＭＯＶＰＥ法によシ、Ｚｎをドーピングしながら堆積し
た厚さ１μｍのｐ型−Ｉｎｏ、４ｅＧａｏ、ｓｔＰ層で
６　Ｄ　、（４）と（５）により　ｐｎ接合を形成１　
？、。（６）　、　（７）はオーミック電極であり、該
電極はそれぞれＡｕ　−Ｇｅ　−Ｎ１．およびＡｕ　−
Ｚｎである。（１）　、　＜２）　、　（３）　、　（
４）　、　（５）のキャリヤ濃度は、それぞれ、３Ｘ１
０　　、３Ｘ１０　　、３Ｘ１０　　、３Ｘ１０　　、
および３　Ｘ　１０１１０ｌ７”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シミ
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６５０℃ｍ＋半値幅は３５ｎｍであった。また
、外部量子効率は１．２％であった。

実施例３第５図は、本発明の実施例のひとつであるＩｎｏ、＜ｔ
Ｇａｏ、ｓｓＰ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−８１
基板テあルｏ（２）は、ＭＯＣＶＤ法によシ、４５０　
℃において２０ｎｍ堆積したアモルファス層を６５０℃
でアニールすることによυ結晶化させ、引き続き、ＭＯ
ｖＰＥ法によシ堆積し厚さ２μｍとした第４の半導体で
あるｎ型−ＧａＡｓ層である。（３）は、ＭＯＶＰＥ法
によシロ５０℃で１μｍ堆積した第３の半導体であるｎ
型−ＧａＡｓｏ、ｓ’Ｐｏ、ｘ層である。（４）は、Ｍ
ＯＶＰ　Ｅ法によ）６５０℃で１μｍ堆積した活性層で
あるｎ型−Ｉｎｋ、４４Ｇａｏ、ｓｓＰ層でちシ、（３
）と格子整合している。（５）は、（４）を堆積したの
ち、ＭＯＶＰＥ法によＦ）　Ｚｎをドーピングしながら
堆積した厚さ１μｍのｐ型−Ｉｎｏ、ｏＧａｏ、ｓｓＰ
層であり、（４）と（５）によ、９μｍ接合を形成した
。

（６）　、　（７）は、オーミック電極でアシ、該電極
はそれぞれＡｕ　−Ｇｅ　−Ｎｉ　、およびＡｕ　−Ｚ
ｎであるｏ　（１）　、（２）　＋（３）　、　（４）
　、　（５）のキャリア濃度は、それぞれ３　Ｘ　１０
１７゜３Ｘ１０　　、３Ｘ１０　、３Ｘ１０　　および
３　Ｘ　１０　”　ｃｍ’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シ、
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６３０　ｎｍ　＋半値幅は３５ｎｍであった
。また、外部量子効率は１，０％であった。

実施例４第７図は、本発明の実施例のひとつであるＩｎ。、４゜
Ｇａｏ、ｓｚＰを活性層とする発光ダイオードである。

（１）は、（ｉｏｏ）面を有する３インチのｎ型−８ｔ
基板である。（２）は、ＭＯＶＰＥ法により６５０℃で
２　ｐｍ堆積した第３の半導体であるｎ型−Ｉｎｏ、ｇ
＋Ｇａｏ、６ｔＡｓ　ＯＪ６　Ｐａ、６４一層である。

（３）は、ＭＯＶＰＥ法によシロ５０℃で１μｍ堆積し
た活性層であるｎ型Ｉｎ　ｏ、４ｅＧａ　Ｏ，５Ｉ　Ｐ
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Ｖ）
　、Ｚｎをドーピングしながら堆積した厚さ１μｍのｐ
型−Ｊｌｏ、４ｓＧＩＬ０．５ＩＰ層であり、（３）と
（４）によシルｎ接合を形成した。（５）　、　（６）
は、オーミック電極であり、該電極はそれぞれＡｕ−Ｇ
ｅ−Ｎｉ＋およびＡｕ　−Ｚｎである。

（１）　、　（２）　、　（３）　、　（４）　、　（
５）のキャリヤ濃度は、それぞれ、３ＸＩ０　、３Ｘ１
０　　、３Ｘ１０　　、３Ｘ１０　　、および３×１０
　　ｃｍ　　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シ、
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６５０℃ｍ＋半値幅は３３ｎｍであった。ま
た、外部量子効率は１．５チであり、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。

〔発明の効果〕

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。

さらに、本発明によシＳｌ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った。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図、第５図および第７図は、本発明の実施
例である。第２図、第４図、第６図および第８図は各実施例の発光
スペクトルである。特許出願人　日本電信電話株式会社代理人弁理士　玉　　蟲　　久　五　部（外２名）第　　１　　図６０［］　　６５０　７００波長（ｎ、〕）第　　２　　図第　　６　　図波長（ｎｍ）第５図波長（ｎｍ）＄６図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（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であることを特徴とする発光素子。
（２）上記活性層と基板とのあいだに、上記活性層との
格子定数差が０．５％以内であり、かつ、一定の成長温
度において形成される第３の半導体層を有することを特
徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の発光素子。
（３）上記第３の半導体と基板とのあいだに、一定の成
長温度あるいは、成長温度が異なる少なくとも２つの成
長条件のいずれかを経て形成される第４の半導体層を有
することを特徴とする前記特許請求の範囲第２項記載の
発光素子。
（４）上記第３の半導体が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡ
ｓＰ、ＩｎＧａＰあるいは、ＩｎＧａＡｓＰのいずれか
であることを特徴とする前記特許請求の範囲第３項記載
の発光素子。
（５）上記第４の半導体が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡ
ｓＰ、ＩｎＧａＰ、あるいは、ＩｎＧａＡｓＰのいずれ
かであることを特徴とする前記特許請求の範囲第４項記
載の発光素子。