JPH0227777A - 半導体発光素子 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、化合物半導体発光素子に関するものであり、
更に詳述するならば、可視光短波長から紫外で発光する
半導体発光素子に関するものである。

（従来の技術） 可視光短波長（青色）の半導体発光素子として、発光効
率の高いものは従来Ｚｎ５ｅを用いて形成されている。

第７図にその基本構造を示す、　Ｚｎ５ｅ結晶基板１と
、絶縁層２を有し、半透明金属電極３から正孔が絶縁層
２を通してＺｎ５ｅ結晶１内に注入され、発光中心を介
して電子と再結合し、発光させる。ここで、結晶基板ｌ
としては、高圧溶融法で育成した単結晶を１１厚のウェ
ーハ状に切断し、鏡面研磨したのち、Ｚｎ溶液中で熱処
理し、０．３〜２Ω・ｃｍの比抵抗にしたものを用いる
。絶縁層２としては、３００〜５０００人厚のＳｔｏｗ
膜を、またＺｎ５ｅ基板１へのオーム性電極４としてＩ
ｎ−Ｇａ、電極３として厚さ５００〜１０００人のＡｕ
蒸着膜を用いる。

（発明が解決しようとする課題） この構造においては小数キャリアである正孔をいかに効
率良く注入するかが問題であり、絶縁層２の形成技術に
依存するところが多い、特に、絶縁層２の形成をごく薄
い他の化合物例えばＳｉｎｇなどで作製した場合一般に
は高発光効率は得られない、またこの発光は、その発光
エネルギーがＺｎ５ｅのバンドギャップエネルギーに近
いため、結晶内での自己吸収が大きくなり発光強度が低
下する。

また、この構造では、後述する本発明のごとく導波構造
をなすことができない、という問題がある。

このためこの構造の素子では、発光強度を十分上げるこ
とができない欠点を持っており、これまで量子効率が１
０−”％までのものしか得られていなかった。

本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので
、その目的は、電流注入量が多くとれ、且つ発光効率の
高い、可視光短波長を発光する半導体発光素子を提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明は、（ＺｎＳ）＋
−ｍ−ｙ−ｇ（ＧａｚＳｅｚ）ｇ（ＧａＰ）ｙ（ＺｎＳ
ｅ）ｓ　　（０≦ｘ＜１゜０≦ｙ＜１．０＜ｚ＜１）発
光層と、これに格子整合条件で接し、発光層よりバンド
ギャップの大きい（ＺｎＳ）　＋−ｃ　−ｙ・−１（Ｇ
ａ１Ｓｅ３）　、（ＧａＰ）　ｙ・（ＺｎＳｅ）　ｗ・
（０≦ｘ′＜１、０≦ｙ’＜　ｌ　、　　０　＜ｚ’＜
　１　）からなる電流注入層とを有することを特徴とす
る半導体発光素子を発明の要旨とするものである。

（作用） しかして本発明は、（イ）素子発光部が発光層と電流注
入層より構成され、両者は互いに格子整合が良好である
こと、また、（ロ）発光層のバンドギャップが電流注入
層のバンドギャップより小であるため、注入されたキャ
リアの発光層外への流れが妨げられるとともに、発光層
と電流注入層との屈折率の差により、発生した光が発光
層内に閉じ込められるものである。

化合物、ＺｎＳ＋　Ｇａ１Ｓｅ３．　ＧａＰ、およびＺ
ｎ５ｅは、いずれも閃亜鉛鉱型結晶構造を持っているた
め、概ね全率にわたって固溶体、（ＺｎＳ）＋−ｘ−ｙ
−ｍ（ＧａｚＳｅｚ）ｘ（ＧａＰ）　、　（ＺｎＳｅ）
　−（０≦ｘ＜ｌ、Ｏ≦ｙ＜ｌ、ｏ＜ｚ＜１）ｙを形成
する。第１図に（１００）面上の格子定数とバンドギャ
ップエネルギーの関係を示す、この図から分かるように
、上記４元ないし５元系の固溶体を用いることにより完
全格子整合条件でバンドギャップの異なる材料の多層構
造を形成でき、良質なヘテロ接合構造を得ること可能と
なる。

単結晶基板として、閃亜鉛鉱型の結晶構造を持ち、大型
、かつ高品質なウェーハが容易に人手可能な、ＳｔやＧ
ａＰを用いると、第１図の破線で示したよう　（ＺｎＳ
）　ｔ−ｘ−ｙ−ｍ（ＧａｚＳｅｚ）ｘ（ＧａＰ）ｙ（
ＺｎＳｆｌ）ｇ層を基板も含めて完全格子整合条件で形
成することができ、特に良質のへテロ接合構造が得られ
る。

このようなヘテロ接合構造では、バンドギャップエネル
ギーの違いにより必然的にその界面でバンドギャップの
不連続を生じている。このバンドギャップ不連続は、バ
ンドギャップの小さい半導体からのキャリアの流出に対
してバリアの働きをする０本発明は、上述の（ＺｎＳ）
＋−ｘ−ｒ−＊（ｃａｚｓｅ＊）ｘ（ＧａＰ）　、　（
ＺｎＳｅ）ｙの良好なヘテロ接合を発光部即ち発光層と
電流注入層に用いることを特徴としており、バンドギャ
ップ不連続により注入されたキャリアの発光層外への流
れが妨げられ発光層内で発光再結合するキャリアが増加
することを物理的根拠としている。

次に本発明の実施例について説明する。尚、実施例は一
つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で、
種々の変更或いは改良を行いうることは言うまでもない
。

（実施例１） 第２図は本発明の半導体発光素子の第一の実施例を説明
する図であり、発光素子の断面を示したものであるａ　
ｓｉｘ板５の上に厚さ５ｎの（ＧａアＳｓ、）ｏ、５ｘ
（ＺｎＳ）ｅｌｓ（ＺｎＳｅ）ｓ、ｅｓ電流注入層（ク
ラッド層）６と、厚さ０．５ｎのＣＧａｚＳｅｓ）ｏ、
　５６（ＺｎＳ）ｅ、　４！（ＺｎＳｅ）。０．３発光
層７と、電流注入層および発光層に対する電極８，９と
を有している。電流注入層はｎ型で低抵抗であり、発光
層は高抵抗にしである。電極９を正の側として約１■の
電圧を加えると、発光層７にキャリアが注入され約４６
００人の青色で発光する。キャリアは電流注入層６へも
流れるが、バンドギャップ差が０．４　ｅＶあり、バン
ドギャップ不連続の効果により無効電流が減少し、外部
量子効率１％と高効率で発光した。尚、発光層と電流注
入層に本発明で開示した異種材質の組合せを用いると、
電流注入層の屈折率が発光層の屈折率に比べて低くなり
、いわゆるクラッド層として作用し、光を閉じ込める導
波型構造を実現できるので、発光効率を高めることがで
きる。

（実施例２） 第３図は本発明の第二の実施例を説明する図である０図
において、ＧａＣ基板１０の上に厚さ２ｎの（ＧａｇＳ
ｅｓ）ｚ、　ｓｇ（ＺｎＳ）ａ、　ｚｙ（ＺｎＳｅ）ｅ
、　＋４第一の電流注入層（第一のクラッド層）１１と
、　厚さ０．３μの（Ｇａｓｈｅｓ）　＊、　ｓｏ　（
ＺｎＳ）　＊、　ｘｍ　（ＺｎＳｅ）　＊、　＋　！発
光層１２と、さらに厚さ０．１ｎの（ＧａｇＳｅｓ）ｅ
、　ｓｗ（ＺｎＳ）ｏ、　ｏｗ（ＺｎＳｅ）。１．第二
の電流注入層（第二のクラッド層）１３と、両電流注入
層１１および１３に対する電極１４．１５を有している
。電極１５を正の側として電圧を加えると、薄い電流注
入層１３を通してキャリアが発光層１２に注入される。

この実施例の構造では、発光層の両側にバンド不連続が
あり、キャリアの戻りも少なくすることができている。

素子の抵抗は殆ど高抵抗の電流注入層１３で決まってい
る０本素子では発光した光は、クラッド層として作用す
る電流注入層に挟まれて導波され、主に層に平行な方向
へ放出される０発光波長は約４６００人の青色であり、
外部量子効率は３％が得られた。

（実施例３） 第４図は本発明の第三の実施例を示す図である。

図においては、ＧａＰ基板１６上に厚さ２ｎの（ＧａＰ
）　＠、　５ｓ（ＺｎＳ）　６．　ｚｓ　（Ｚｉｐｓ）
　ｏ、　ｏｑの組成を持つ第一の電流注入層（第一のク
ラッド層）１９と、　厚さ０．３　ｔｓの（ＧａＰ）　
＠、　６１　（ＺｎＳ）　＠、　ａ、（ＺｎＳｅ）　＠
、　Ｏ５発光層２０、更に厚さ０．１ｎの（ＧａＰ）　
＊、　ｓｓ　（ＺｎＳ）　ｏ、　ｓｇ　（ＺｎＳｅ）　
ｅ、　＠Ｔ第二の電流注入層（第二のクラッド層）２１
と、両電流注入層１９及び２１に対する電極２２．２３
を有する０発光部の構造は実施例２と同じであり、従来
の発光素子に比べ発光効率の著しい改善が得られた０発
光波長は約４６００人の青色である。

（実施例４） 第５図は本発明の第四の実施例を説明する図である０図
においては、ＧａＰ基板２４の上に２ｎ厚の（ＧａＰ）
　＊、　ｓｇ　（ＺｎＳ）　＊、　４ｍ　（ＺｎＳｅ）
　ｅ、　ａｓ第一の電流注入層（第一のクラッド層）２
５と、０．３ｎ厚の（ＧａＰ）ｚ、５ｖ（ＺｎＳ）ｚ、
　ｏｗ（ＺｎＳｅ）ｚ、　ｏｘ発光層２６、さらに０．
Ｉｎ厚の（ＧａＰ）ｚ、　５ｉ（ＺｎＳ）ｚ、　４ｏ（
ＺｎＳｅ）ｏ、　ａｍ第二の電流注入層（第二のクラッ
ド層）２７と、電流注入層２５．２７に対する電極２８
．２９を存している。電極２７を正の側として電圧を加
えることにより発光し、その光は両電流注入層間を導波
され放出される。上記組合せによる発光波長は約５２０
０人の緑色であり、外部量子効率は３％が得られた。

（実施例５） 第６図は、本発明の第五の実施例を説明する図で、紫色
（波長４１００人）を得るためのものである。

図においては、Ｓｔ基板３０の上に２ｎ厚の（ｃａｕｓ
ｅｓ）ｏ、＋１（ＺｎＳ）ｏ、ｓｇ（ＺｎＳｅ）ｏ、ａ
＊第一の電流注入Ｎ（第一のクラッド層）３１と、０．
３ｎ厚の（ＧａｚＳｅｔ）　ａ、　ｘｑ（ＺｎＳ）　ｏ
、　ｓｑ　（ＺｎＳｅ）　６．０４発光層３２、さらに
０．１１厚のＣＧａｚＳｅｘ）　ｏ、　＋　２　（Ｚｎ
Ｓ）　６．　ｓ　＋　（ＺｎＳｅ）　＠、　（１６第二
の電流注入層（第二のクランド層）３３、電流注入層３
１゜３３に対する電極３４．３５を有している。この実
施例の構造においても、実施例２〜４と同じく、導波型
構造を持つため、キャリアと光の閉じ込めが存効に為さ
れ、発光効率の高い導波光が層に平行な方向へ放出され
る。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、　（ＺｎＳ）＋−ｍ−ｙ
−ｇ（ＧａｍＳｅｓ）ｙ（ＧａＰ）ｙ（ＺｎＳｅ）−（
０≦ｘ＜１．Ｏ≦ｙく１、Ｑ＜Ｚ＜１）発光層と、これ
に格子整合条件で接し、発光層よりバンドギャップの大
きい（ＺｎＳ）＋−ｒ−ｙ・−＋＋・（ＧａｇＳｅｚ）
ｚ＋　（ＧａＰ）ｒ□　（ＺｎＳｅ）ｚ・（０≦χ９く
１．０≦ｙ’＜　ｌ　、　　Ｑ　＜ｚ’＜　ｌ　）から
なる電流注入層とを有することにより、電流注入量が多
く取れ、かつ発光効率の高い、緑色から青色、紫色まで
の可視光短波長を発光する半導体発光素子を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は■−■族と■〜■族化合物固溶体の（１００）
面上の格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示
したものである。第２図は本発明の半導体発光素子の第
一の実施例の構造の概略を示し、第３図は本発明の第二
の実施例の構造、第４図は本発明の第三の実施例の構造
、第５図は本発明の第四の実施例の構造、第６図は本発
明の第五の実施例の構造、第７図は従来技術の発光素子
の構造を示したものである。 ｌ　・　・　・ ２　・　・　・ ３　・　・　・ ４　・　・　・ ５．３０・ ６　・　・　・ ７　・　・　・ ８、９゜ １０、　１６ １１．１３・ １２・　・　・ １９．２１・ ２０・　・　・ ２５、　２７・ ・Ｚｎ５ｅ基板 ・絶縁層 ・半透明金属電極 ・電極 ・Ｓｉ基板 −（ＧａｚＳｅｚ）ｏｌｇ（ＺｎＳ）ａ、　１ｚ（Ｚｎ
Ｓｅ）ａ、　ａｓ電流注入層 −（ＧａｚＳｅｓ）ｏ、　ｓ＆（ＺｎＳ）ｏ、　ａｔｃ
Ｚｎｓｅ）ｏ、　ｏｘ発光層 １４、１５．２２．２３．２８．２９．３４．３５・電
極２４・・・　ＧａＰ基板 ’　（ＧａｚＳｅｚ）６．　ｓｑ　（ＺｎＳ）ｅ、　ｔ
ｑ　（ＺｎＳｅ）６．　Ｉ　ａ電流注入層 ・（ＧａｚＳｅｓ）ｓ、　５ｏ（ＺｎＳ）ｚ、　ｓｑ（
ＺｎＳｅ）ｏ、　＋を発光層 ・（ＧａＰ）　ｏ、　ｓｓ　（ＺｎＳ）　ａ、　ｓｑ　
（ＺｎＳｅ）　ｏ、　ｏｖ電流注入層 ・（ＧａＰ）　ｏ、　ｈａ　（ＺｎＳ）　ｅ、　ｔ、（
ＺｎＳｅ）　ｏ、　ａｓ発光層・（ＧａＰ）　ｏ、　ｓ
ｘ　（ＺｎＳ）　＠、　４＠　（ＺｎＳｅ）　ｓ、　ａ
ｍ電流注入層 ２６　・・・・（ＧａＰ）ａ、ｓｗ（ＺｎＳ）＋、ｏ＊
（ＺｎＳｅ）ｏ、ｏｚ発光層３１３３・・（ＧａｉＳｅ
ｓ）ｏ、＋＋（ＺｎＳ）ｏ、ａ＋（ＺｎＳｅ）ａ、ａｉ
電流注入層 ３２・・・・（ＧａｔＳｅｓ）＋、３．（ＺｎＳ）ｏ、
５ｑ（ＺｎＳｅ）ｏ、＊ａ発光層 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　高　山　敏　界（外１名）第 図 笛 図 第４ 図 第 図 第６ 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （ＺｎＳ）＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ＿−＿ｚ（Ｇａ＿２Ｓ
   ｅ＿３）＿ｘ（ＧａＰ）＿ｙ（ＺｎＳｅ）＿ｚ（０≦ｘ
   ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ＜１）発光層と、これに格子
   整合条件で接し、発光層よりバンドギャップの大きい（
   ＺｎＳ）＿１＿ｘ′＿−＿ｙ′＿−＿ｚ′（Ｇａ＿２Ｓ
   ｅ＿３）＿ｘ′（ＧａＰ）＿ｙ′（ＺｎＳｅ）＿ｚ′（
   ０≦ｘ′＜１、０≦ｙ′＜１、０＜ｚ′＜１）からなる
   電流注入層とを有することを特徴とする半導体発光素子
   。