JPH07131065A

JPH07131065A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH07131065A
Application number: JP27205393A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kinoshita; 浩彰木下; Kunihiro Hattori; 邦裕服部; Kazumasa Dobashi; 一雅土橋
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1995-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構造で、サブピーク波長光の強度をメ
インピーク波長光の強度の１％以下に抑制でき、また、
該サブピーク波長光の強度を必要に応じて自在に制御で
きる発光素子を提供することである。【構成】ｐ型またはｎ型の伝導型でキャリア密度が５
×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第１番目の半導体層１と、該半導
体層の直上に形成され該半導体層と伝導型が同じでキャ
リア密度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第２番目の半導体層
２と、これら半導体層の上方に設けられこれらと異なる
伝導型が上側であるｐｎ接合面３ｃとを備え、かつ、第
１番目の半導体層のバンドギャップがｐｎ接合部３のバ
ンドギャップより小さいものであるる半導体発光素子で
ある。ただし、第１番目の半導体層及び／または第２番
目の半導体層が、基板及び／またはｐｎ接合部を形成す
る一方の半導体層を兼ねるものであってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオードなどの
半導体発光素子（以下、「発光素子」という）に関し、
詳しくは、主波長とは別に、他の波長帯に発生する有害
な発光を抑制・制御しうる構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤや半導体レーザーなどの発光素子
における発光は、１つの半導体結晶材料の中に発光層と
して形成されたｐｎ接合部に対して順方向に電圧を加
え、自由電子と正孔とが再結合しエネルギーを放出する
ことによって生じる発光現象である。そして、その目的
の発光波長の中心（以下「メインピーク波長」とい
う。）は、活性層として用いられる半導体結晶材料のバ
ンドギャップでほぼ決まる。しかし、実際の発光素子に
おいては、上記メインピーク波長とは別に、他の波長帯
にも発光波長の中心（以下「サブピーク波長」とい
う。）が存在し問題となる場合がある。例えば、ＧａＡ
ｓ基板上にＡｌＧａＡｓ発光層を成長させた赤色ＬＥＤ
の場合について説明すると、図５にグラフとして破線で
示すように、メインピーク波長が６５０〜６７０ｎｍで
あるのに対して、８８０〜９００ｎｍのサブピーク波長
に発光が観測される等の現象例が知られている。

【０００３】サブピーク波長は設計上の目的以外の予期
しない発光波長であるため、このような波長帯にも発光
が生じるような発光素子を、例えば光電センサーの光源
に用いると、誤動作などが発生し種々の問題となる。サ
ブピーク波長光の発生の原因は、メインピーク波長光の
照射により基板が励起されて放出されるフォトルミネッ
センスであることが知られている。この現象に対処する
ために、従来、基板のキャリア濃度を１×１０¹⁶〜１×
１０¹⁸ｃｍ^-3程度とするか、同様のキャリア濃度の薄層
を従来の結晶基板上に１層設けることによってサブピー
ク波長光の発生を抑制していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な構造によるサブピーク波長光の強度抑制は、メインピ
ーク波長光の１．５〜３％程度に抑えることが限度であ
り、それ以下とすることはできなかった。本発明の目的
は、上記問題を解消し、簡単な構造で、サブピーク波長
光の強度をメインピーク波長光の強度の１％以下に抑制
でき、また、該サブピーク波長光の強度を必要に応じて
自在に制御できる発光素子を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、発光層で
あるｐｎ接合部の接合面に対して基板側にある半導体層
のうち隣接する２層を、共にキャリア濃度５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以下とすることによって、従来と同様の簡単な構造
を維持しながら、サブピーク波長光の強度を従来よりさ
らに制御・抑制できることを見出し本発明を完成した。
即ち、本発明の発光素子は、ｐ型またはｎ型の伝導型で
キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第１番目の半導
体層と、該半導体層の直上に形成され該半導体層と伝導
型が同じでキャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第２
番目の半導体層と、これら半導体層の上方に設けられこ
れらと異なる伝導型が上側であるｐｎ接合面とを備え、
かつ、第１番目の半導体層のバンドギャップがｐｎ接合
部のバンドギャップより小さいものである。ただし、第
１番目の半導体層が基板を兼ねるものであってもよく、
また、第２番目の半導体層がｐｎ接合部を形成する一方
の半導体層を兼ねるものであってもよく、さらには、第
１番目の半導体層が基板を兼ね、第２番目の半導体層が
ｐｎ接合部を形成する一方の半導体層を兼ねるものであ
ってもよい。

【０００６】第１番目および第２番目の半導体層は、ｐ
ｎ接合部の接合面に対してｐ型側・ｎ型側のいずれの側
に設けられるものであってもよいが、それらの伝導型は
設けられた側のｐｎ接合部の伝導型と同じ型となる。例
えば、第１番目および第２番目の半導体層がｐｎ接合面
に対してｐ型側に設けられれば、これらの伝導型はｐ型
となるということである。以下、本明細書では、便宜
上、これら第１番目および第２番目の半導体層が、ｐｎ
接合面に対してｐ型側に設けられる場合について説明す
る。

【０００７】本明細書でいう「ｐｎ接合面」は、ホモ接
合やヘテロ接合など２層からなるｐｎ接合における接合
面の他、２重ヘテロ接合、あるいは、１つまたは多重の
量子井戸構造における接合面を意味する。また、第１番
目の半導体層と第２番目の半導体層とは別個の層であ
り、結晶構造や成分比等が互いに異なる材料からなるも
のである。

【０００８】第１番目および第２番目の半導体層に所望
のキャリア濃度を施与するためのドーパントとして用い
られる物質は、特に限定されるものではないが、特にＺ
ｎは、Ｔｅ，Ｓｉなど他の物質に比べて材料中への拡散
性がよく、目的とするキャリア濃度を正確に得ることが
容易であり、好ましいものの１つである。

【０００９】

【作用】第１番目の半導体層のキャリア濃度を小さくす
ることによって、サブピーク波長光が抑制される。さら
に、隣接する第２番目の半導体層を、第１番目の半導体
層に対するドーパントの拡散防止層とすることによっ
て、第１番目の半導体のキャリア濃度の上昇が抑制され
る。このためには、第２番目の半導体層のキャリア濃度
を小さくすればよい。本発明の発光素子は、これら隣接
する２つの層のキャリア濃度を、共に５×１０¹⁷ｃｍ^-3
以下とすることによって、サブピーク波長光を最も好ま
しく抑制し、メインピーク波長光強度の１％以下とした
のである。これら各層のキャリア濃度の下限としては、
第１番目の半導体層に電極を設ける場合には、オーミッ
ク電極のコンタクト抵抗値を考慮して、１×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上であることが好ましい。また、第１番目および第
２番目の半導体層に電極を設ける必要のない場合は、結
晶成長の安定性・再現性を考慮して、キャリア濃度５×
１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることが好ましい。

【００１０】第１番目の半導体層および／または第２番
目の半導体層は、基板および／またはｐｎ接合面を形成
する一方の半導体層を兼ねるものであってもよく、これ
によって、従来と同じ単純な構造を維持することが可能
となる。

【００１１】第１番目および第２番目の半導体層のキャ
リア濃度を５×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲で変化
させることで、メインピーク波長光強度の１％以下の範
囲において、意図するレベルで十分安定してサブピーク
波長光の強弱を制御することができる。従って、サブピ
ーク波長光に対しても他の用途を与えることが可能とな
り、サブピーク波長光に対する制御が有用なものとなっ
た。ただし、第１の半導体層にて、フォトルミネセンス
効果によるサブピーク波長光が発生するためには、該第
１の半導体層のバンドギャップを、ｐｎ接合部のバンド
ギャップよりも小さくする必要がある。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の発光素子を実施例にもとづき
具体的に説明する。なお、本発明がこれに限定されるも
のでないことは言うまでもない。次に示す実施例１〜４
は、発光ダイオードを例として、本発明による発光素子
の構造の基本的なバリエーションを具体的に示すもので
ある。また、図１〜図４は、これら各々の実施例におけ
る発光素子の構造を模式的に示す図である。〔実施例１〕本実施例による発光素子は、図１に示すよ
うに、基板４直上に形成されるｐ型でキャリア濃度が５
×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第１番目の半導体層１と、該半導
体層の直上に形成され該半導体層と伝導型が同じで材料
が異なりキャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第２番
目の半導体層２と、これら半導体層１，２の上方に設け
られ、これらと異なる伝導型、即ちｎ型が上側であるｐ
ｎ接合面３ｃとを備えるものである。また、３は発光層
であるｐｎ接合部であって、３ａ，３ｂは各々該ｐｎ接
合部３を形成するｎ型半導体層・ｐ型半導体層であり、
Ｘ，Ｙは電極である。なお、第１番目および第２番目の
半導体層のドーパントとしてＺｎを用いた。

【００１３】ｐｎ接合面３ｃは、順方向電流によって、
可視・不可視を問わず発光現象が得られる公知の半導体
結晶により構成される。また、上述のように、ホモ接合
・ヘテロ接合の他、２重ヘテロ接合、さらに、その中で
も１つまたは多重の量子井戸構造における接合面を意味
する。ｐｎ接合部に用いられる材質を表１に示す。

【００１４】基板４は、ｐｎ接合部など種々の半導体結
晶層を成長させるための土台となる結晶であって、単一
の元素からなる半導体、化合物半導体、または上記成長
させるべき半導体結晶と格子定数の整合性が良好である
ような結晶であればどのようなものであってもよい。表
１に、基板に用いられる材料を、ｐｎ接合部の材料に好
適な組み合わせとして示す。

【００１５】第１番目，第２番目の半導体層１，２は、
互いに異なるものであり、また、上記基板に対して結晶
成長可能な関係を有する材料であればよい。第１番目，
第２番目の半導体層１，２の各厚みは、これらが他の層
を兼用せずに独立して設けられる場合は、５〜５０μｍ
程度がよく、特に１０〜２０μｍ程度が好ましい。表１
に、該半導体層１，２に用いられる材料を、ｐｎ接合部
の材料と基板の材料とに好適な組み合わせとして示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】表中における括弧内の数字は、キャリア濃
度（単位ｃｍ^-3）である。また、表中に示す活性層は図
示していない。以下、同様である。

【００１８】第１番目，第２番目の半導体層やｐｎ接合
部を基板上に形成する方法としては、エピタキシャル成
長可能な成膜方法がよく、ＣＶＤ法（化学気相堆積
法），ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法），ＶＰＥ法
（気相エピタキシャル成長法），ＬＰＥ法（液相エピタ
キシャル成長法），ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成
長法）等が例示される。

【００１９】〔実施例２〕本実施例による発光素子は、
図２に示すように、実施例１における基板４のキャリア
濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下として、第１番目の半導体
層１が基板４を兼ねる構造としたものである。かくし
て、積層数を増加させない構造でありながら、従来より
大幅な抑制作用を得ることができ、好ましい構造とな
る。表２に、第１番目の半導体層１（＝基板４），第２
番目の半導体層２，ｐｎ接合部３ａ，３ｂに、各々用い
られる材料の好適な組み合わせを示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】〔実施例３〕本実施例による発光素子は、
図３に示すように、実施例１におけるｐｎ接合部のｐ型
半導体層３ｂのキャリア濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下と
して、第２番目の半導体層１がｐｎ接合部を形成する一
方のｐ型半導体層３ｂを兼ねる構造としたものである。
このような構造もまた、実施例２と同様の理由から、好
ましい構造である。表３に、基板４，第１番目の半導体
層１，第２番目の半導体層２（＝ｐ型半導体層３ｂ），
ｎ型半導体層３ａに、各々用いられる材料の好適な組み
合わせを示す。

【００２２】

【表３】

【００２３】〔実施例４〕本実施例による発光素子は、
図４に示すように、実施例１における、基板４と、ｐｎ
接合部のｐ型半導体層３ｂのキャリア濃度とを共に５×
１０¹⁷ｃｍ^-3以下として、第１番目の半導体層１が基板
４を兼ね、第２番目の半導体層２がｐｎ接合部を形成す
る一方のｐ型半導体層３ｂを兼ねる構造としたものであ
る。このような構造は、基本的な発光ダイオードの構造
と全く同じであり、かつ、従来より大幅な抑制作用を示
すため、最も好ましいサブピーク波長光の抑制構造であ
る。表４に、第１番目の半導体層１（＝基板４），第２
番目の半導体層２（＝ｐ型半導体層３ｂ），ｎ型半導体
層３ａに各々用いられる材料の好適な組み合わせを示
す。

【００２４】

【表４】

【００２５】上記実施例１〜４で示した発光素子は、ｐ
ｎ接合部の単純な一例を示したものであって、これらを
種々の２重ヘテロ接合等に置き換えることで、サブピー
ク波長光が抑制された様々な発光素子が得られる。

【００２６】〔性能試験〕上記実施例による発光素子を
実際に発光させ、これを測光することによってサブピー
ク波長光の抑制程度を調べた。発光素子の構造は実施例
４で示した発光ダイオードとし、基板およびｐｎ接合部
に用いる各々の材料を、表４の第１番目に示す組み合わ
せとした。即ち、ｐｎ接合部のｎ層；Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ（１×１０¹⁸ ）第２番目の半導体層；Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ（５×１０¹⁷ ）第１番目の半導体層（基板）；ＧａＡｓ（５×１０¹⁷ ）という構成および材料の組み合わせである。ただし、括
弧内の数字は、キャリア濃度（単位ｃｍ^-3）である。図
５は、上記発光ダイオードの測光結果による波長と発光
強度の関係を示すグラフである。同図に太線で示すよう
に、サブピーク波長光は８８０〜９００ｎｍの波長帯に
観測されたが、その強さはメインピーク波長光の１％以
下であり、十分効果的に抑制されていることが確認でき
た。また、表１〜４に示した材料の組み合わせをもっ
て、実施例１〜４で示した発光素子の構造について測光
したところ、全て上記と同様のサブピーク波長光の抑制
効果を確認できた。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の発光素子
は、簡単な構造で、サブピーク波長光の強度をメインピ
ーク波長光の強度の１％以下に抑制でき、センサーの誤
動作などの問題を解消することができる。また、サブピ
ーク波長光を発する第１番目の半導体層へのドーパント
の拡散が、第２番目の半導体層により抑制されるので、
意図するレベルで十分安定してサブピーク波長光を発生
させ得、このサブピーク波長光を他の用途に利用する場
合に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発光素子の一実施例による構造を模式
的に示す図である。

【図２】本発明の発光素子の一実施例による構造を模式
的に示す図である。

【図３】本発明の発光素子の一実施例による構造を模式
的に示す図である。

【図４】本発明の発光素子の一実施例による構造を模式
的に示す図である。

【図５】本発明および従来の発光ダイオードの発光にお
ける、波長と発光強度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１第１番目の半導体層２第２番目の半導体層３ｐｎ接合部３ｃｐｎ接合面４基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型またはｎ型の伝導型でキャリア濃度
が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第１番目の半導体層と、第１
番目の半導体層の直上に形成され該半導体層と伝導型が
同じでキャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の第２番目
の半導体層と、これら半導体層の上方に設けられこれら
と異なる伝導型が上側であるｐｎ接合面とを備え、か
つ、第１番目の半導体層のバンドギャップがｐｎ接合部
のバンドギャップより小さいものである半導体発光素
子。
【請求項２】第１番目の半導体層が、基板を兼ねるも
のである請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】第２番目の半導体層が、ｐｎ接合部を形
成する一方の半導体層を兼ねるものである請求項１記載
の半導体発光素子。
【請求項４】第１番目の半導体層が基板を兼ね、第２
番目の半導体層がｐｎ接合部を形成する一方の半導体層
を兼ねるものである請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】第１番目および第２番目の半導体層のド
ーパントがＺｎである請求項１記載の半導体発光素子。