WO2001015243A1

WO2001015243A1 - Thyristor electroluminescent et dispositif electroluminescent a auto-balayage

Info

Publication number: WO2001015243A1
Application number: PCT/JP2000/005442
Authority: WO
Inventors: Nobuyuki Komaba; Seiji Ohno
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co., Ltd.
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2001-03-01
Also published as: KR100664457B1; US7009221B2; KR20010085947A; CA2348632A1; CN1320279A; KR20060107590A; US6825500B1; US20040196708A1; KR100730506B1; CN1262022C; CN1322597C; EP1150359A1; TW465124B; CN1547267A

Description

明細塞

発光サイリス夕および自己走査型発光装置技術分野

本発明は、発光効率を改善した発光サイリス夕、およびのような発光サイリス夕を用いた自己走査型発光装置に関する。

背景技術

面発光の発光サイリス夕は、本出願人に係る特開平 2 — 1 4 5 8 4号公報に開示されており、また端面発光の発光サイリス夕は、本出願人に係る特開平 9 — 8 5 9 8 5号公報に開示されている。面発光サイリス夕も端面発光サイリス夕も、基本構造は同じであり、例えば G a A s基板上の G a A sノッファ層に連続して A l G a A s 層（ A 1組成例えば 0 . 3 5 ) を結晶成長している。

図 1 は、発光サイリス夕の基本構造を示す概略断面図である。図 1 において、 1 0は p形の G a A s基板であり、この基板上に、 p 形 G a A s ノッファ層 1 2 , p形 A l G a A s層 1 4， n形 A 1 G a A s層 1 6 , p形 A l G a A s層 1 8 , n形 A l G a A s層 2 0 が順次積層されている。 A 1 G a A s層 2 0上には、力ソード電極 2 2が、 A l G a A s層 1 8上にはゲート電極 2 4が、 G a A s基板の裏面にはアノード電極 2 6 が設けられている。

この例では、 p形 G a A s基板上にバッファ層を介して p形層， n形層， p形層， n形層の順で積層されているが、 n形 G a A s基板上に、ノッファ層を介して n形層， p形層， n形層， p形層の順で積層される場合には、最上層の電極はアノード電極、最下部の電極はカソ一ド電極となる。

本発明者らは、このような構造の発光サイリス夕をアレイ状に配列し、配列されたこれらの発光サイリス夕間に、適当な相互作用をもたせることによって、自己走査機能が実現できることを上記公開公報において開示し、光プリン夕用光源として実装上簡便であり、発光素子の配列ピッチが細かくでき、かつ、コンパクトな自己走査型発光装置を作製できること等を示した。

以上のような構造の発光サイリス夕において、 G a A sノヅファ層と、このバッファ層上の A l G a A s層との界面では、 A 1組成が大きく変化する、例えば A 1組成 0から A 1組成 0 . 3 5 に変化するので、格子定数の変化は小さいものの、この急激な変化により、この界面での格子の乱れ、あるいはエネルギーバンドの大きな変形が生じる。これにより、界面での格子不整合が大きくなり、転位が発生する。また界面でのエネルギーギャップが大きくなり、接合によりエネルギーバンドの変形が大きくなる。

以上のようなことから、 G a A s基板上に G a A sノッファ層を介在して A 1 G a A s層を成長させて形成された発光サイリス夕では、 G a A sノッファ層と A l G a A s層との界面で、格子不整合に伴う格子欠陥の誘発、また不明瞭な不純物準位の形成等により、例えばしきい電流値、保持電流の増加によりデバイス特性が劣化するという問題があった。またこれらの界面付近でのキヤリアキラーとなる欠陥の発生により、外部量子効率が低下し発光光量が低下する問題点もあった。

また、図 2に示すように n形 A 1 G a A s層 2 0 上には、カソード電極 2 2 とのォ一ミヅク接触をとるため n形 G a A s層 2 8が形成される場合がある。なお、図 2 において、図 1 と同じ要素には同一の参照番号を付して示している。このように、従来の発光サイリス夕では、電極とのォーミック接触の容易性、材料系の簡易化のため、最上層材料に G a A s を用いていた。発光サイリス夕の発光波長は約 7 8 O n mであるから、最上層に G a A s層を用いるとその吸収端波長が約 8 6 0 n mであることから、発光した光が最上層 2 8 を通過する間に吸収がおこり光量低下が生じる。 G a A s層 2 8 による光吸収量を小さくするためには、 G a A s 層の膜厚を簿くすれば良いが、膜厚が薄いと、さらに次のような問題が生じる。すなわち、ォーミック電極にするためには、電極材料と G a A s との合金化が必要となるが、熱処理による原子の移動距離が大きく、 G a A s層 2 8の下層である A l G a A s層 2 0にまで電極材料の合金化領域が達する。その結果、 A 1 G a A sの結晶性が乱れ、光の散乱等の原因となる。

図 3は、 2 9 7 Kにおける n形 G a A s層の光吸収スぺクトルを示すグラフである。縦軸は吸収係数ひを、横軸は光子エネルギーを示している。光の吸収量は、

1 一 e— ^{a t} (但し、 t は膜厚）

で表される。このグラフより、 7 8 O n mの波長の光に対する吸収係数は約 1 . 5 x 1 0⁴ であることがわかる。膜厚 t を、 0 . 0 2 //mとし、上記式より吸収量を単純計算すれば、発光光量の低下は 3〜 4 %であることがわかる。膜厚の揺らぎや合金化による原子配列の乱れ、組成の変化等が生じると、吸収量のさらなる低下が起こる。

図 4は、 G a A s基板 1 0上に G a A sノソファ層 1 2 を有し、さらに最上層に G a A s層 2 8 を有する発光サイリス夕を示す。なお、図 4において、図 1 および図 2 と同一の要素には、同一の参照番号を付して示している。

一般に、 p n p n構造の発光サイリス夕は、図 5 に示すように、基板側の P n p トランジスタ 4 4 と基板とは反対側の n p n トランジス夕 4 6 との組み合わせであると考えられる。すなわち、ァノ一ドが p n p トランジスタ 4 4のエミヅ夕に、力ソードが n p n トランジス夕 4 6のエミヅ夕に、ゲートが n p n小ランジス夕 4 6のべ —スにそれぞれ相当する。それぞれのトランジスタ 4 4 , 4 6の電流増幅率の組み合わせによって、サイリス夕の保持電流が決まる。すなわち、保持電流を小さくするには、それぞれのトランジスタの電流増幅率ひを大きくする必要がある。電流増幅率ひは、ェミッタ注入効率ァ，輸送効率，コレクタ接合なだれ増倍率 M , 固有コレクタ効率ひ * の積で与えられる。このうち、エミッ夕注入効率ァを大きくするためには、エミッ夕の不純物濃度はベースの不純物濃度よりも高く設計される。

p形不純物である Z nの拡散速度は非常に速く、ェピタキシャル成膜中にも n形の半導体層に拡散していき、 n形不純物を補償してしまう。このため、アノード層（ G a A s層 1 2 および A l G a A s層 1 4 ) の Z n濃度が n形ゲート層（ A l G a A s層 1 6 ) の不純物 S iの濃度よりも大きいと、アノード層とゲート層との界面付近の S i がほとんど補償されてしまい、トランジスタの輸送効率 /? を下げてしまう。また、非.発光中心を作り、発光効率低下を招くという問題がある。発明の開示

本発明の目的は、 G a A s基板上に G a A sノヅファ層を介在して A 1 G a A s層を成長させて形成された発光サイリス夕において, 発光効率を改善した発光サイリス夕を提供することにある。

本発明の他の目的は、最上層材料に G a A s を用いた発光サイリス夕において、発光効率を改善した発光サイリス夕を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、 n形ゲート層の不純物が Z nである発光サイリス夕において、発光効率を改善した発光サイリス夕を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、以上のような発光サイリス夕を用いた自己走査型発光装置を提供することにある。

本発明の第 1 の態様は、 G a A s基板上の G a A sバッファ層の上に、 p形および n形の A 1 G a A s層が交互に積層された p n p n構造発光サイリス夕において、前記 G a A sノヅファ層の直上の A 1 G a A s層は、 A 1の組成が階段状に大きくなるように変化しているか、あるいは、 A 1の組成が速続的に大きくなるように変化していることを特徴とする発光サイリス夕である。

このような発光サイリス夕では、前記 A l G a A s層の A 1組成が徐々に変化しているので、 G a A sノッファ層と A 1 G a A s層との界面での格子不整合に伴う転位等の格子欠陥を低減することができ、また界面でのエネルギーバンドの極端な変形を緩和させることができる。

A 1組成を徐々に変化させる代わりに、単一あるいは多重量子井戸もしくは、歪み層を用いた歪み超格子構造などの挿入も効果があると考えられる。このとき高反射条件を満たすような量子井戸層または超格子層とすることにより、基板側への光が量子井戸層または超格子層により反射されるため、出射光量の向上も期待できる。

また、 A 1の組成が階段状にあるいは連続的に変化している A 1 G a A s層でミスフィット転位が発生するおそれがある場合には、ミスフィット転位の伝搬を停止させるために、 A l G a A s層内に量子井戸層または歪み超格子構造を設けてもよい。

本発明の第 2の態様によれば、最上層の材料を、吸収端波長が 7 8 0 n mより短い材料、例えば I n G a P , I n G a A s Pあるいは A l G a I n P とすることにより、最上層での光吸収をなくすことができる。この材料は、 G a A s基板に対し格子整合していることが望ましい。このように、発光サイリス夕の発光波長より短い波長域に吸収端を持つ材料を最上層に用いることにより、出射光の最上層での光吸収をなくし、外部量子効率を高めることができる。

本発明の第 3の態様によれば、 p n p n構造の発光サイリス夕において、少なくとも nゲート層に近いアノード層の部分の不純物の濃度を、 nゲート層の不純物の濃度より低くしたことを特徴とする p n p n構造の発光サイリス夕が、例えば、 p形基板上に、 p形の第 1層、 p形の第 2層、 n形の第 3層、 p形の第 4層、 n形の第 5層、 n形の第 6層がェピタキシャル成長されている場合、このような発光サイリス夕は、基板側の p n p トランジスタと基板とは反対側の n p n トランジスタの組み合わせである。

本発明によれば、第 1 層，第 2層の不純物濃度を、第 3層の不純物濃度以下にすることにより、第 1層，第 2層から第 3層への不純物拡散を制限する。なお、 p n p トランジスタのエミヅ夕一べ一ス接合はへテロ接合となっているため、エミッ夕の不純物濃度がベ一スの不純物濃度よりも低くなつてもエミッ夕注入効率ァはほとんど影響を受けず、ほぼ 1 を保つことができる。

また本発明によれば、発光サイリス夕を発光素子として用いることにより、以下のような構造の自己走査型発光装置を実現できる。第 1 の構造は、発光動作のためのしきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する発光素子を複数個配列し、各発光素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも 1 つの発光素子の制御電極に、相互作用抵抗または電気的に一方向性を有する電気素子を介して接続し、各発光素子の発光を制御する電極に、電圧あるいは電流を印加する複数本の配線を接続させた自己走査型発光装置である。

また第 2 の構造は、転送動作のためのしきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する転送素子を複数個配列し、各転送素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも 1 つの転送素子の制御電極に、相互作用抵抗または電気的に一方向性を有する電気素子を介して接続するとともに、各転送素子に電源ラインを電気的手段を用いて接続し、かつ各転送素子にクロックラインを接続して形成した自己走査転送素子アレイと、しきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する発光素子を複数個配列した発光素子アレイとからなり、前記発光素子アレイの各制御電極を前記転送素子の制御電極と電気的手段にて接続し、各発光素子に発光のための電流を注入するラインを設けた自己走査型発光装置である。

このような構造の自己走査型発光装置によれば、外部発光効率が良く、かつ、高精細化，コンパクト化，低コスト化を図った発光装置を実現できる。図面の簡単な説明

図 1 は、バッファ層を有する従来の発光サイリス夕の概略断面図である。

図 2は、最上層に G a A s層を用いる従来の発光サイリス夕の概略断面図である。

図 3は、図 2の発光サイリス夕において n形 G a A sの吸収係数を示すグラフである。

図 4は、従来の発光サイリス夕の概略断面図である。

図 5は、図 4の発光サイリス夕の等価回路図である。

図 6は、本発明の第 1 の実施例を示す図である。

図 7は、本発明の第 2の実施例を示す図である。

図 8は、発光サイリス夕の特性評価回路を示す図である。

図 9は、しきい電流の測定例を示すグラフである。

図 1 0は、保持電流の測定例を示すグラフである。

図 1 1 は、本発明の第 3の実施例を示す図である。

図 1 2および図 1 3 は、本発明の第 4の実施例を示す図である。ある。

図 1 4は、本発明の第 5の実施例を示す図である。

図 1 5は、 I n G a Pのフォトノレミネヅセンス強度を示すグラフである。

図 1 6は、 I n ₀₅ G a。 ₅ P層の光吸収スペクトルを、 G a A s と比較して示す図である。

図 1 7は、発光サイリス夕の光出力測定回路を示す図である。図 1 8は、 I n G a A s Pの組成図である。

図 1 9は、 A 1 G a I n Pの格子定数とエネルギーギャップとの関係を示すグラフである。図 2 0 は、発光サイリス夕の電流—光出力特性を示す図である。図 2 1 は、本発明の第 7の実施例を示す図である。

図 2 2 は、自己走査型発光装置の第 1 の基本構造の等価回路図である。

図 2 3 は、自己走査型発光装置の第 2の基本構造の等価回路図である。

図 2 4は、自己走査型発光装置の第 3の基本構造の等価回路図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する

第 1 の実施例

図 6は、図 1 で説明したバッファ層を有する従来の発光サイリス夕の問題を解決した本発明の一実施例を示す図である。 G a A s基板 1 0 上に A 1 _x G a !._x A s層を、 A 1組成 X を 0 ( G a A s ) から徐々に 0 . 3 5 まで階段状に増加させながら、ェピタキシャル成長させる状態を示している。なお、 G a A s , A l G a A sの導電形（ n形， p形）にかかわらず、ェビタキシャル成長の方法は同じであるので、実施例では、導電形を区別することなく説明する。

G a A s基板 1 0の上に、 A 1原料の供給量を変えて、 A 1組成を 0， 0 . 1 , 0 . 2 , 0 . 3， 0 . 3 5のように変化させながら A 1 G a A s層をェピタキシャル成長する。すなわち、 A 1組成が 0の G a A s層 (バッファ層） 1 2， A 1組成が 0 . 1 の A 1 G a A s層 5 0 - 1 ， A 1組成が 0 . 2の A I G a A s層 5 0 — 2， A 1組成が 0 . 3の A l G a A s層 5 0 — 3 , A 1組成が 0 . 3 5 の A 1 G a A s層 5 0 — 4 を順次、ェピ夕キシャル成長する。

このように A 1組成が階段状に増加された 4つの A l G a A s層 5 0 — 1， 5 0一 2 , 5 0 - 3 , 5 0 - 4は、図 1 の A l G a A s 層 1 4に相当している。この場合、 G a A sノソファ層 1 2〜A 1 G a A s層 5 0 — 4 までの全体の膜厚は、キャリァの閉じ込め効率により設定する。

以後の工程は、図 1 の従来例と同じであり、 A 1組成が 0 . 3 5 の A 1 G a A s層を順次ェピタキシャル成長する。

第 2の実施例

図 7は、図 1 で説明したバッファ層を有する従来の発光サイリス夕の問題を解決した本発明の第 2 の実施例を示す図であり、 G a A sノ、' ッファ層 1 2 上に A 1 _x G a A s を， , A 1組成 X を 0 から 0 . 3 5 まで連続的に変化させながらェピ夕キシャル成長する。このような A 1組成の変化は、ェピタキシャル成長時に、 A 1 と G a の供給量の少なくとも一方を連続的に変化させることにより実現される。

このようにして、 G a A s基板 1 0上の G a A sノッファ層 1 2 上に A 1組成が 0から 0 . 3 5 まで連続的に変化した A 1 G a A s 層 5 2 — 1 が形成され、引き続き A 1組成が 0 . 3 5の A l G a A s層 5 2 — 2が形成される。

このような 2つの A l G a A s層 5 2 - 1 ， 5 2 — 2は、図 1 の A l G a A s層 1 4に相当してレ、る。

この場合、 G a A sノ人' ッファ層 1 2〜A 1 G a A s層 5 2 — 2 までの全体の膜厚は、キャリアの閉じ込め効率により設定する。

以上のような第 1 の実施例および第 2の実施例におけるように、 A 1組成を徐々に変化させることにより、 G a A sノヅファ層と A I G a A s層との界面での格子不整合に伴う転位等の格子欠陥を低減することができ、また界面でのエネルギーバンドの極端な変形を緩和させることができる。これによりデバイス特性への影響を軽減させる。

第 1 または第 2実施例の発光サイリス夕のしきい電流，保持電流光出力をつぎのような方法で測定した。図 8 に示すように、サイリス夕 6 0のアノード電極 2 6 ，力ソード電極 6 4 , ゲ一卜電極 6 6 を、定電流源 6 8および定電圧源 7 0に接続し、定電流源 6 8の出力電流 I _k を変化させ、発光サイリス夕のカゾード電圧 V_k とゲ一ト電流 I _g を測定した。測定デ一夕の典形例を図 9 に示す。図 9 において、ゲ一ト電流 I _εが増加から減少に反転する直前に最大となる電流を求め、これをしきい電流とした。一方、同様に定電流源 6 8の出力電流 I _k (発光サイリス夕 6 ◦ のカソ一ド電流に等しい）を変化させながら、力ソード電圧 V _k を測定した。 I _k 一 V _k 特性の典形例を図 1 0に示す。保持電流は、カソード電圧が一定値（例えば 0.2V ) を超える点として定義した。光出力は、ゲート電極を抵抗を介してアノード電極に接続し、出力電流 I _k を適当な値（例えば 13mA ) に設定したときの光出力をフォトダイオードで測定することにより得た。 1 5〜 2 0個の第 1 または第 2の実施例の発光サイリス夕を測定し、図 1 の従来の発光サイリス夕と比較したところ、しきい電流は平均で約 2 0 %減少し、保持電流は平均で約 1 5 %減少した。光出力は平均で約 1 0 %増加した。

第 3の実施例

図 1 1 は、図 1 で説明したバッファ層を有する従来の発光サイリス夕の問題を解決した本発明の第 3の実施例を示す図であり、 G a A s基板 1 0上の G a A sノヅファ層 1 2の上に、量子井戸層 7 2 を形成し、この量子井戸層 7 2上に図 1 の従来構造と同様に、 A 1 G a A s層 1 4、 A l G a A s層 1 6 …をェビタキシャル成長したものである。このような量子井戸層は、第 1 および第 2の実施例の A 1組成が階段状に増加された A 1 G a A s層および A 1組成が連続的に変化した A 1 G a A s層と同様の働きをし、 G a A sノヅファ層と A l G a A s層との界面での格子不整合に伴う転位等の格子欠陥を低減することができ、また界面でのエネルギーバンドの極端な変形を緩和させることができる。本実施例における a子井戸層は、 G a A sノソファ層 1 2 と A 1 G a A s層 1 4 との界面ではなく、 A l G a A s層 1 4内に設けてもよい。また、量子丼戸層に代えて、歪み超格子構造を用いても同様の効果が得られる。

第 4の実施例

前述した第 1 および第 2の実施例の A 1組成を階段状あるいは連続的に変化した A l G a A s層では、格子不整合に起因して発生するミスフィッ卜転位が、この A l G a A s層を伝搬して上層まで達し、サイリス夕特性に影響を与えるおそれがある。このようなミスフィット転位の伝搬を低減かつ停止するようにした実施例を以下に説明する。

図 1 2 に示す実施例では、図 6の構造において、 A 1 G a A s層 5 0 — 4内に量子井戸層または歪み超格子構造 7 4 を設けている。これにより、ミスフィット転位の伝搬を停止することができる。図 1 3 に示す実施例では、図 7の構造において、 A 1 G a A s層 5 2 — 2 内に量子井戸層または歪み超格子構造 7 6 を設けている。これによりミスフィット転位の伝搬を停止することができる。

第 5の実施例

図 1 4は、図 2で説明した、最上層に G a A s層を用いた従来の発光サイリス夕の問題を解決した本発明の発光サイリス夕の概略断面図である。構造は、図 2の従来例と同じであるが最上層の G a A s層を、 G a A s基板に対し格子整合する I n G a Pからなる層 8

0で置き換えたものである。

I n G a _x Pの場合、 G a A s に格子整合するのは組成 xが約 0 . 5のときである。 I n G a Pの成長には M O C V Dを用いた

I n原料としてはトリメチルインジウム（ T M I ) 、 G a原料にはトリメチルガリウム（ T M G ) 、 P原料にはホスフィンを使用した成長条件は使用する反応炉の構造に依存するため、所望の組成 X =

0 . 5 を得るためには、条件出しが必要である。減圧成長法を用いる場合、成長温度は 6 0 0〜 7 0 0 °Cとした。 III 族原料供給モル比（ T M G / T M I ) は、混晶比（ X / 1 — X ) に比例するものとして決定した。 n形 I n G a Pを得るためのドーパントとしてはセレンを用い、セレンの原料にはセレン化水素を使用した。

光学特性の評価のために、 G a A s基板上に単層の I n G a Pを成長し測定試料とした。図 1 5 は室温で測定した I n。 ₅ G a ₀.₅ P のフォトルミネッセンス強度を示している。発光中心波長は約 6 6 O n mである。図 1 6は同じ I n _{0 5} G a₀₅ P層の光吸収スぺクトルを、 G a A s (図 3 ) と比較して示している。 I n_{0 5} G a。 ₅ P の吸収端波長は約 6 5 0 n m ( 0 . 9 e V ) であり、 7 8 0 n mの波長の光に対する吸収係数は 1 0 c n ¹以下であり、 G a A sの 1 . 5 x 1 0⁴ c m に比べて大幅に小さい値が得られた。

最上層の力ソード層を前記 I n G a P層として、発光サイリス夕を作製した。 I n G a P層の成長方法は上記の通りであり、それ以外の製造プロセスはすでに開示されている G a A s層を用いた場合と同様である。また、 I n G a P層に対して力ソード電極がォ一ミヅク接触するためには、カソード電極の材料に A u G e N i を用いた。

光出力を測定するため、発光サイリス夕は図 1 7のように結線した。発光サイリス夕 8 2 のゲート電極 8 4は抵抗 8 6 を介してァノ — ド電極 8 8 と接続し、アノード電極 8 8 と力ソード電極 9 0 との間に定電流源 9 2 を接続して、一定力ソード電流（例えば 1 0 m A ) 下での光出力をフォトダイオードにより測定した。

得られた光出力は、 G a A s層を使用した発光サイリス夕の場合の典形値より平均で約 3 %増加した。このことから、 I n。 ₅ G a ϋ.5 P層の吸収は無視できる程度であることがわかる。

また、最上層の材料として、 I n ^ G a _x A s ₁._y P _y を用いる場合、吸収端エネルギーが大きい側の組成 x， yを使用することにより、吸収係数を小さくできる。このことを説明するために、 I n い _x G a _x A s _{l v} P _v の組成図を、図 1 8 に示す。実線は、等エネルギーギャップ E g線を、破線は等格子定数線を示す。この組成図によれば、吸収端エネルギーが 1 . 6 e Vを示す線 1 0 0 が約 7 8 O n mの発光波長に相当している。また、格子定数 5 . 6 5 Aは、 G a A sの格子定数に相当している。したがって、この状態図から、 G a A sの格子定数に等しい格子定数を有する組成のうち黒丸で示す点 1 0 2 より、高エネルギー側の組成を使用することにより、吸収係数を小さくできることがわかる。

さらに、最上層の材料として、 A l _x G a _y I n _1-x._y Pを用いる場合、 G a A s と格子整合するようにそれぞれの組成 x , yを選ぶ必要がある。図 1 9 は、 A l G a l n Pの格子定数とエネルギーギヤップとの関係を示すグラフである。縦軸は格子定数を、横軸はェネルギーギャップ E gを示す。図中、斜線部 1 0 4 が A l _x G a _y I n Pのとりうる組成範囲であるが、このうち G a A s と格子整合するのは実線 1 0 6で示される組成である。この組成では、エネルギーギャップは 7 8 0 n mの波長に対し十分大きな値であるため、吸収係数は G a A s に比べ十分小さいと推定できる。

第 6の実施例

図 4で説明した従来の発光サイリス夕の問題を解決した本発明の発光サイリス夕の実施例を説明する。

図 4の発光サイリス夕の構造において、 p形 G a A s層 1 2， p 形 A l G a A s層 1 4の濃度のみを変化させた発光サイリス夕を作製した。表 1 に、基板および各層の化合物，膜厚，不純物，不純物濃度を示す。表 1

基板 1 ひは、 G a A s よりなり、不純物は Z nである。ノツファ層 1 2は、厚さ 5 0 0 n mの G a A s よりなり、不純物は Z nである。アノード層 1 4は、厚さ 5 0 0 n mの A l ₀₃ G a。 ₇ A s よりなり、不純物は Z nである。 n形ゲート層 1 6は、厚さ 2 0 0 n m の A 1_{0 13}G a ₀₈₇ A s よりなり、不純物は S iである。 p形ゲート層 1 8 は、厚さ 8 0 0 n mの A 0.13 G a 0.87 A s よりなり、不純物は Z nである。力ソード層 2 0 は、厚さ 5 0 0 n mの A l。,₃ G a 0.7 A s よりなり、不純物は S iである。ォーミック接触層 2 8 は、厚さ 3 O n mの G a A s よりなり、不純物は S iである。

不純物濃度は、表 1 に示すように、 4種類 N o . 1 ， N o . 2 ， N o . 3 , N o . 4のものを作製した。表 1の N o . 1 , N o . 2 N o . 3 , N o . 4において、 4つの層 1 6 ， 1 8 , 2 0 , 2 8の不純物濃度は同じである。すなわち、層 1 6の S iの不純物濃度は l x l 0¹⁸/ c m³ 、層 1 8 の Z nの不純物濃度は l x l 0¹⁷/ c m³ 、層 2 0の S iの不純物濃度は 3 x 1 0¹⁸/ c m³ 、層 2 8の S iの不純物濃度は、 3 x l 0¹⁸/ c m³ である。

一方、 N o . 1 では、層 1 2 ， 1 4の Z nの不純物濃度を、 2 x 1 0¹⁷/ c m³ とした。 N o . 2では、層 1 2 ， 1 4の Z nの不純物濃度を、 2 x l 0¹⁸/ c m³ とした。 N o . 3 では、厣 1 2 , 1 4の Z nの不純物濃度を、 5 x l 0 ¹⁷/ c m³ とした。 N o . 4では、層 1 2， 1 4の Z nの不純物濃度を、 1 X 1 0¹⁸/ c m ³ とした。

明らかに、 N o . 2 , N o . 4の場合には、層 1 2 , 1 4の不純物濃度が、層 1 6の S iの不純物濃度以下にはなっていない。

以上の N o . l〜N o . 4の不純物濃度を有する発光サイリス夕について、その電流一光出力特性を調べた。得られた電流一光出力特性を図 2 0 に示す。層 1 2， 1 4の Z n濃度が層 1 6の S i濃度より十分に低い N o . 1 の発光サイリス夕では、発光量が最も高くなっている。また、 N o . 3の発光サイリス夕では、発光量が次に高くなつている。ところが、層 1 2， 1 4の 2 11濃度が層 1 6の 3 i濃度と同じ、あるいは層 1 6の S i濃度よりも低い N o . 4， N o . 2の発光サイリス夕では、発光量が順次低くなつている。このことから、層 1 2， 1 4の Z n濃度を層 1 6の S i濃度より低く設定すれば、層 1 2 , 1 4から層 1 6への不純物拡散が制限される結果、発光効率が低下しないことがわかる。

第 7の実施例

第 6の実施例では、層 1 2 , 1 4の不純物濃度を、層 1 6の不純物濃度より低くすると効果があることが示されたが、層 1 2 , 1 4 の不純物濃度を低下させると、これらの層の抵抗が増大し、サイリス夕の性能に影響を与える。これを避けるために、図 2 1 に示すように、第 6の実施例において層 1 4 を 2つの層 1 4 — 1， 1 4 - 2 に分割した発光サイリス夕を作製した。各層の不純物濃度（設定濃度）は表 2 に示す通り設定した。分割した第 2層のうち、上層 1 4 — 1 の不純物濃度のみ 2 x l 0¹⁶/ c m'³ と低くし、下層 1 4 一 2 は 2 X 1 0¹⁸/ c m^:i とした。他の層の濃度は第 6 の実施例同様である。

成長後の各層の不純物濃度を二次イオン質量分析法によって評価した結果（実測濃度）表 2 中に示した。評価結果によると、上層 1 4 — 2の不純物濃度は設定濃度（ 2 X 1 0¹⁶/ c m³ ) より高い 4 X I 0¹⁷/ c m³ となっていることがわかった。これは上層 1 4 一 2の成長中に Z nが下層 1 4 — 1 から拡散したためである。

この構造の発光サイリス夕の電流一光出力特性第 6の実施例の N o . 1 とほぼ同様であった。したがって層 1 4の層 1 6に近い部分の不純物濃度が低ければ効果があることが示された。

表 2

以上の 2つの実施例では、 p形基板を用いた場合を示しているが、 n形基板の場合も、アノード層の不純物濃度を nゲート層の不純物濃度よりも低くすればよい。また、ここでは、拡散の起こりやすい不純物 Z nについて説明したが、本発明は他種の不純物についても同様の効果がある。すなわち、第 5， 6層の n形不純物濃度についても適用可能である。

第 8の実施例

以上のような発光サイリス夕を適用できる自己走査型発光装置の 3つの基本構造について説明する。

図 2 2は、自己走査型発光装置の第 1 の基本構造の等価回路図である。発光素子として、端面発光サイリス夕… T.₂, T .い Τ。， Τ +₁, Τ ₊₂…を用い、これら発光サイリス夕には、各々ゲート電極… G.2, G .! , G。， G₊₁， G + 'が設けられている。各々のゲート電極には、負荷抵抗 Rしを介して電源電圧 V が印加される。また、隣接するゲート電極は、相互作用を作るために抵抗 R _t を介して電気的に接続されている。また、発光素子のアノード電極に、 3本の転送クロック、 φ、 , Φ₂ , 03 ) ラインが、それそれ 3素子おきに（繰り返されるように）接続される。

この自己走査型発光素子アレイの動作を説明すると、まず転送クロック ₃ がハイレベルとなり、発光サイリス夕 Τ。がオンしているとする。このとき発光サイリス夕の特性から、ゲート電極 G。は零ボル卜近くまで引き下げられる。電源電圧 V _GK を仮に 5 ボルトとすると、負荷抵抗 Rし、相互作用抵抗 R , よりなる抵抗ネットヮークから各発光サイリス夕のゲート電圧が決まる。そして、発光サイリス夕 T。に近いサイリス夕のゲート電圧が最も低下し、以降順にサイリス夕 T。から離れるにしたがいゲート電圧 V ( G ) は上昇していく。これは次のように表せる。

V ( G。） < V ( G₊₁) = V ( G._t) < V ( G₊₂) = V ( G.₂) … …… （ 1 )

これらのゲート電圧の差は、負荷抵抗 R , 相互作用抵抗の値を適当に選択することにより設定することができる。

発光サイリス夕のターンオン電圧 V。_N は、次式に示すように、ゲート電圧 V ( G ) より p n接合の拡散電位 V _dlf だけ高い電圧となることが知られている。

したがって、ァノードに印加する電圧をこの夕一ンオン電圧 V_0N より高く設定すれば、その発光サイリス夕はオンすることになる。さてこの発光サイリス夕 T。がオンしている状態で、次の転送クロックをノヽィレベルにする。このクロックは発光サイリス夕 T ₊₁ と T .₂ に同時にカ卩わるが、転送クロック ø i のハイレベルの電圧の値 V„ を次の範囲に設定すると、発光サイリス夕 T₊₁ のみをオンさせることができる。

V ( G.₂) + V_dlf > V_H > V ( G₊₁) + V _dir ( 3 ) これで発光サイリス夕 T。， T ₊₁ が同時にオンしていることになる。そしてクロック？^ をローレベルにすると、発光サイリス夕 T 。がオフとなりオン状態の転送ができたことになる。

上に述べたような原理から、転送クロック ø i ， ₂ ， _Ά のハィレベル電圧を順番に互いに少しずつ重なるように設定すれば、発光サイリス夕のオン状態は順次転送されていく。このようにして、本発明の自己走査型発光装置を実現することができる。

図 2 3は、自己走査型発光装置の第 2の基本構造の等価回路図である。この自己走査型発光装置は、発光サイリス夕のゲ一卜電極間の電気的接続の方法としてダイオードを用いている。すなわち、図 2 2の回路の相互作用抵抗の代わりにダイオード… D .₂， D .₁₅ D„ , D ₊₁, …を用いる。ダイオードは、電気的に一方向性を有するので、転送クロックラインは、 2本でよく、各発光サイリス夕のアノード電極に、 2 本の転送クロック φ _γ , ₂ ) ラインがそれそれ 1 素子おきに接続される。

この自己走査型発光装置の動作を説明する。まず転送クロック ø

2 がハイレベルとなり、発光サイリス夕 T _Q がオンしているとする。このとき発光サイリス夕の特性からゲ一卜電極 G。は零ボル卜近くまで引き下げられる。電源電圧 V _QK を仮に 5 ボルトとすると、負荷抵抗 R _L , ダイオード Dのネットワークから各発光サイリス夕のゲート電圧が決まる。そして、発光サイリス夕 T。に近いサイリス夕のゲート電圧が最も低下し、以降順に発光サイリス夕 Τ ₍₎ から離れるにしたがいゲート電圧は上昇していく。

ダイオード特性の一方向性，非対称性から、電圧を下げる効果は発光サイリス夕 Τ。の右方向にしか働かない。すなわちゲート電極 G ₊₁ は G。に対し、ダイオードの順方向立ち上がり電圧 V _dlf だけ高い電圧に設定され、ゲ一卜電極 G ₊₂ は G ₊₁ に対し、さらにダイォ ― ドの順方向立ち上がり電圧 V ,,„■ だけ高い電圧に設定される。一方、発光サイリス夕 T ₍₎ の左側の発光サイリス夕 T ^ のゲート電極 G は、ダイオード D ^ が逆バイアスになっているためダイオード D には電流が流れず、したがって電源電圧 V _GKと同電位となる。次の転送クロックは、最近接の発光サイリス夕 Τ ₊₁, Τ そして発光サイリス夕 Τ ₊₃ および Τ .₃ 等に印加されるが、これらのなかで、最もターンオン電圧の最も低いサイリス夕は Τ₊₁ であり、サイリス夕 Τ ₊₁ のターンオン電圧は約（ G ₊₁ のゲート電圧 + V _dlf ) であるが、これは V _dlf の約 2倍である。次に夕一ンオン電圧の低いサイリス夕は T ₊₃ であり、 V _dlf の約 4倍である。発光サイリス夕と T .₃の夕一ンオン電圧は、約（ V_GK+ V_d,_f ) となる。以上から、転送クロック i のハイレベル電圧を V _dlf の約 2倍から V _dlf の約 4倍の間に設定しておけば、発光サイリス夕 T ₊₁ のみをオンさせることができ、転送動作を行うことができる。

図 2 4は、自己走査型発光装置の第 3の基本構造の等価回路図である。この自己走査型発光装置は、転送部 4 0 と発光部 4 2 とを分離させた構造である。転送部 4 0の回路構成は、図 2 3 に示した回路構成と同じであり、転送部 4 0 の発光サイリス夕 … T .₁₅ Τ。， Τ₊₁， Τ₊₂…は、この実施例では転送素子として用いられる。

発光部 4 2 は、書き込み用発光素子… L .₁₃ L。， L ₊₁, L ₊₂…からなり、これら各発光素子のゲートは、転送素子… Τ .₁₅ Τ。， Τ _+1: Τ ₊₂…のゲート G.い G。， G+广 'に接続されている。書き込み用発光素子のァノードには、書き込み信号 S _ιηが加えられている。

以下に、この自己走査型発光装置の動作を説明する。いま、転送素子 T。がオン状態にあるとすると、ゲート電極 G_Q の電圧は、電源電圧 V οκ より低下し、ほぼ零ボルトとなる。したがって、書き込み信号 S _in の電圧が、 p n接合の拡散電位 V_du. (約 1 ボルト）以上であれば、発光素子 L。を発光状態とすることができる。

これに対し、ゲート電極 G .i は約 5 ボル卜であり、ゲート電極 G _{+ 1} は約 1 ボルトとなる。したがって、発光素子の書き込み電圧は約 6 ボルト、発光素子 L _{+ 1} の書き込み信号の電圧は約 2 ボルトとなる。これから、発光素子 L。のみに書き込める書き込み信号 S _{l n} の電圧は、約 1 〜 2 ボルトの範囲となる。発光素子 L。がオン、すなわち発光状態に入ると、書き込み信号 S _{ι η} の電圧は約 1 ボル卜に固定されてしまうので、他の発光素子が選択されてしまう、というエラ一は防ぐことができる。

発光強度は書き込み信号 S に流す電流量で決められ、任意の強度にて画像書き込みが可能となる。また、発光状態を次の素子に転送するためには、書き込み信号 S の電圧を一度零ボルトまでおとし、発光している素子をいつたんオフにしておく必要がある。産業上の利用可能性

本発明によれば、発光効率を改善した発光サイリス夕を提供することができる。また本発明によれば、発光素子をアレイ化し自己走査機能も加えることにより、外部発光効率を高めた自己走査型発光装置を提供できる。

Claims

請求の範囲

1 . G a A s基板と、

前記 G a A s基板上に設けられた G a A sノッファ層と、前記 G a A sバッファ層上に設けられ、第 1導電形および第 2導電形の A 1 G a A s層が交互に積層された 4つの層とを備え、

前記 G a A sノヅファ層の直上の A 1 G a A s層は、複数の A 1

G a A s層よりなり、これら複数の A l G a A s層の A 1組成が上方に向かって階段状に大きくなるように変化していることを特徴とする発光サイリス夕。

2 . 前記複数の A l G a A s層の最上層内に、量子井戸層または歪み超格子構造が挿入されたことを特徴とする請求項 1 記載の発光サィリス夕。

3 . G a A s基板と、

前記 G a A sノッファ層の直上の A l G a A s層は、 A 1の組成が上方に向かって連続的に大きくなるように変化していることを特徴とする発光サイリス夕。

4. 前記 G a A sノッファ層の直上の A l G a A s層内に、量子井戸層または歪み超格子構造が挿入されたことを特徴とする請求項 3 記載の発光サイリス夕。

5 . G a A s基板と、

前記 G a A s基板上に設けられた G a A s バッファ層と、前記 G a A sバッファ層上に設けられ、第 1 導電形および第 2導電形の A 1 G a A s層が交互に積層された 4つの層とを備え、前記 G a A sノヅファ層と直上の A 1 G a A s層との間に、または前記直上の A 1 G a A s層内に量子井戸層または歪み超格子構造が挿入されたことを特徴とする発光サイリス夕。

6 . 基板と、

前記基板上に設けられ、第 1 導電形および第 2導電形の半導体層が交互に積層された 4つの層とを備え、

前記 4つの層のうち、光が出射する最上層が、 I n G a P , I n G a A s P , および A l G a l n Pよりなる群から選択された材料よりなることを特徴とする発光サイリス夕。

7 . 前記選択された材料の組成は、前記発光サイリス夕の基板の材料と格子整合するように選ばれることを特徴とする請求項 6記載の発光サイリス夕。

8 . 前記基板の材料は、 G a A s であることを特徴とする請求項 7 記載の発光サイリス夕。

9 . p形のアノード層と、

前記 P形のァノード層に接して形成された n形のゲート層と、前記 n形のゲート層に接して形成された p形のゲ一ト層と、前記 P形のゲ一ト層に接して形成された n形のカソード層とを備え、

少なぐとも nゲート層に近いァノード層の部分の不純物の濃度を nゲート層の不純物の濃度より低くしたことを特徴とする発光サイリス夕。

1 0 . 前記アノード層の不純物は、 Z nであることを特徴とする請求項 9 記載の発光サイリス夕。

1 1 . 前記アノード層の不純物は Z nであり、前記 n形のゲート層の不純物は S i であることを特徴とする請求項 9記載の発光サイリス夕。

1 2 . 発光動作のためのしきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する発光素子を複数個配列し、各発光素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも 1 つの発光素子の制御電極に、相互作用抵抗を介して接続し、各発光素子の発光を制御する電極に、電圧あるいは電流を印加する複数本の配線を接続させた構造を有し、前記発光素子は、請求項 1 〜 1 1 のいずれかに記載されている発光サイリス夕である、自己走査型発光装置。

1 3 , 発光動作のためのしきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する発光素子を複数個配列し、各発光素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも 1 つの発光素子の制御電極に、電気的に一方向性を有する電気素子を介して接続し、各発光素子の発光を制御する電極に、電圧あるいは電流を印加する複数本の配線を接続させた自己走査型発光装置において、

前記発光素子は、請求項 1 〜 1 1 のいずれかに記載されている発光サイリス夕である、自己走査型発光装置。

1 4 . 請求項 1 3 記載の自己走査型発光装置において、

前記一方向性を有する電気素子は、ダイオードである、自己走査型発光装置。

1 5 . 転送動作のためのしきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する転送素子を複数個配列し、各転送素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも 1 つの転送素子の制御電極に、相互作用抵抗を介して接続すると共に、各転送素子に電源ラインを電気的手段を用いて接続し、かつ各転送素子にクロックラインを接続して形成した自己走査転送素子アレイと、

しきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する発光素子を複数個配列した発光素子アレイとからなり、

前記発光素子アレイの各制御電極を前記転送素子の制御電極と電気的手段にて接続し、各発光素子に発光のための電流を印加するラィンを設けた自己走査型発光装置において、

1 6 . 転送動作のためのしきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する転送素子を複数個配列し、各転送素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも 1 つの転送素子の制御電極に、電気的に一方向性を有する電気素子をを介して接続すると共に、各転送素子に電源ラインを電気的手段を用いて接続し、かつ各転送素子にクロックラインを接続して形成した自己走査転送素子アレイと、

前記発光素子は、請求項 1 〜 1 1 のいずれかに記載されている端面発光サイリス夕である、自己走査型発光装置。

1 7 . 請求項 1 6記載の自己走査型発光装置において、