JPH0728052B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法

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JPH0728052B2 JP1494086A JP1494086A JPH0728052B2 JP H0728052 B2 JPH0728052 B2 JP H0728052B2 JP 1494086 A JP1494086 A JP 1494086A JP 1494086 A JP1494086 A JP 1494086A JP H0728052 B2 JPH0728052 B2 JP H0728052B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、II−VI族化合物半導体を用いた発光素子とそ
の製造方法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
III−V族化合物半導体を用いた赤色から緑色までの発
光素子は量産化の時代に入り、表示素子として広く実用
されている。この様な状況下で、可視域で欠けている唯
一の発光色である青色発光素子に対する期待が一層高ま
っている。にも拘らず、これまでのIII−V族化合物半
導体発光素子と比肩し得る青色発光素子の製造技術は未
だ確立されていない。
青色発光素子を得るための第1の条件は、用いる半導体
の禁制帯幅Egが2.6eVを越えることである。この条件を
満たす半導体結晶としては、II−VI族化合物半導体であ
るZnS(Eg=3.5eV)、ZnSe(Eg=2.6eV)或いはこれら
の混晶がある。これらは直接遷移型であるため高い発光
効率が期待され、各所で精力的な研究が進められてい
る。これらのII−VI族化合物半導体単結晶は、有機金属
気相成長法(MOCVD法)や分子線エピタキシャル法(MBE
法)などにより、GaAsやGaPなどのIII−V族化合物半導
体基板上に得られている。これは、III−V族化合物半
導体では大型の単結晶基板の量産化技術が確立されてい
るが、II−VI族化合物半導体では未だ大型の単結晶基板
製造の技術が確立されていないためである。
ところが、III−V族化合物半導体基板上にII−VI族化
合物半導体層を成長させた場合、結晶成長時に一方の半
導体の構成元素が他方の半導体に拡散する、いわゆる相
互拡散現象が生じ、これが良好な発光特性を得る上で障
害になっていた。即ち、II族元素であるZnはIII−V族
化合物半導体中での拡散定数が大きく、また浅いアクセ
プタ準位を形成して電気的に活性に働く。またGaAsやGa
PなどのIII−V族化合物半導体のIII族構成元素であるG
aは、II−VI族化合物半導体中でドナーとして働き、V
族元素であるAsやPはアクセプタとして働く。このため
に、III−V族化合物半導体とII−VI族化合物半導体の
界面付近に伝導型の反転や高抵抗層を生じるのである。
以上のことをより具体的に第5図を参照して説明する。
第5図は、n型GaAs基板51に、MOCVD法によりn型ZnSe
層52,p型ZnSe層53を順次成長形成した発光素子を示して
いる。55はn側電極、55はp側電極である。この様な従
来法による発光素子では、n型GaAs基板51のn型ZnSe層
52との界面部にp型反転層56が形成される。これは、結
晶成長時に高温の条件下で構成元素の相互拡散が生じる
が、特にZnはGaAs中で拡散定数が大きく、且つ浅いアク
セプタ準位を形成するためである。即ち、GaAs基板51に
拡散したZnの濃度がn型GaAs基板51中でドナー不純物と
なるSeおよび予め存在したドナー不純物濃度の総和を上
回ることにより、p型反転層56が形成されることにな
る。
このようにp型反転層56が形成されると、この発光素子
はpnpn積層構造となる。従ってp側電極55が正、n側電
極54が負となるようなバイアスを印加しても、n型ZnSe
層52とp型反転層56間が逆バイアスになるため、発光部
となるp型ZnSe層53とn型ZnSe層52の接合部に十分な電
流を流すことができないのである。
〔発明の目的〕
本発明は上記した点に鑑みなされたもので、III−V族
化合物半導体とII−VI族化合物半導体の界面において反
転層や高抵抗層の発生がなく、従って良好な電流−電圧
特性が得られ、高い発光効率が得られるようにした半導
体発光素子およびその製造方法を提供することを目的と
する。
〔発明の概要〕
本発明にかかる発光素子は、p型のIII−V族化合物半
導体基板上に直接、またはp型のIII−V族化合物半導
体層を介してp型のII−VI族化合物半導体層およびn型
のII−VI族化合物半導体層が順次積層形成されて構成さ
れていることを特徴とする。
本発明はまた、p型のIII−V族化合物半導体基板上に
直接、またはp型のIII−V族化合物半導体層を介して
p型のII−VI族化合物半導体層を成長形成し、続いてこ
の上にn型のII−VI族化合物半導体層を成長形成して発
光素子を製造することを特徴とする。
〔発明の効果〕
本発明によれば、III−V族化合物半導体とII−VI族化
合物半導体の間で構成元素の相互拡散が生じたとして
も、この接合部の両側は共にp型であって、II−VI族化
合物半導体層のII族構成元素はIII−V族化合物半導体
層内でアクセプタとなり、III−V族化合物半導体のV
族構成元素はII−VI族化合物半導体層内でアクセプタと
なるために、この界面部で伝導型の反転層や高抵抗層が
形成されることはない。またp型III−V族化合物半導
体基板のp型不純物として、この上に形成されるII−VI
族化合物半導体層のII族構成元素を用い、p型II−VI族
化合物半導体層のp型不純物としてIII−V族族化合物
半導体基板のV族構成元素を用いれば、成長時の構成元
素の相互拡散はより効果的に抑制される。従って良好な
電流−電圧特性が得られ、高い発光効率を有する発光素
子が得られる。
また本発明の方法によれば、大型結晶基板の量産技術が
確立されているGaAs,GaPなどのIII−V族化合物半導体
基板を用いて、無用な反転層や高抵抗層を形成すること
なくII−VI族化合物半導体によるpn接合を形成すること
ができ、ZnS,ZnSeなどのII−VI族化合物半導体を用いた
高効率の青色発光素子を量産することができる。
〔発明の実施例〕
以下本発明の実施例を説明する。
第1図は一実施例の青色発光素子を示す。図において、
11はp型GaAs基板であり、この上に厚さ5μmのp型Zn
Se層12、厚さ5μmのn型ZnSe層13が順次積層形成され
ている。GaAs基板11の主要なp型不純物は、ZnSeのII族
構成元素であるZnであり、その濃度は例えば1×1018/c
m3である。p型ZnSe層12の主要なp型不順物は、GaAsの
V族構成元素であるAsであり、またn型ZnSe層13の主要
なn型不純物はAlである。GaAs基板11の裏面にはp側電
極としてAuZn電極14が形成され、n型ZnSe層13の表面に
はn側電極としてInGa電極15が形成されている。
第2図(a)〜(c)はこの発光素子の製造工程を示
す。Znドープのp型GaAs基板11に、MOCVD法により先ず
p型ZnSe層12を成長させる。原料ガスにはジメチル亜鉛
(DMZn)およびジメチル・セレン(DMSe)を用い、p型
不純物原料としてアルシン(AsH3)を用いる。結晶成長
条件は、II族原料のモル供給量[DMZn]と、VI族原料の
モル供給量 [DMSe]の比を、 [DMSe]/[DMZn]=2 とし、500℃,1気圧の条件下で行う。成長速度は約500Å
/minであり、この様な条件で厚さ5μmのp型ZnSe層12
を形成する(a)。次に不純物原料を変えて、他は同様
の条件で厚さ5μmのn型ZnSe層13を成長させる
(b)。n型不純物原料としては、トリエチルアルミニ
ウム(TEAl)を用いる。最後にGaAs基板11裏面にAuZn電
極14を形成し、n型ZnSe層13の表面にInGa電極15を形成
して、発光素子を完成する(c)。
この様にして得られた発光素子は、pn接合の正常な電流
−電圧特性を示し、GaAs基板とZnSe層との界面部に反転
層等が生じていないことが確認された。またこの発光素
子は、良好な青色発光を示した。
第3図は別の実施例の発光素子である。この実施例で
は、p型GaAs基板31上にバッファ層としてp型GaAs層32
を成長させ、この上にp型ZnSe層33、n型ZnSe層34を順
次成長させている。35はAuZn電極、36はInGa電極であ
る。
バッファ層としてのGaAs層32は、原料ガスとしてトリメ
チル・ガリウム(TMG)およびアルシン(AsH3)を用
い、p型不純物原料としてジメチル亜鉛(DMZn)を用い
たMOCVD法により成長させる。成長条件は、700℃,1気圧
の条件下で、III族原料のモル供給量 [TMG]とV族原料のモル供給量[AsH3]比を、 [AsH3]/[TMG]=20 となるように保つ。p型ZnSe層33およびn型ZnSe層34の
成長法は先の実施例と同様である。
この実施例によっても先の実施例と同様に優れた発光特
性を示す素子が得られた。
以上では、II−VI族化合物半導体としてZnSeを用いた
が、同じく広い禁制帯幅を持つZnSを用いることもでき
る。特にこれらの混晶であるZnSxSe1-xを用いれば、そ
の組成比を異ならせて素子内部に適当なヘテロ接合を形
成して、より発光効率の高い素子を得ることができる。
第4図はその様な実施例の発光素子を示す。この実施例
では、p型GaAs基板41に厚さ5μmのp型ZnS0.1Se0.9
層42、厚さ1μmのp型ZnSe層43、厚さ5μmのn型Zn
S0.1Se0.9層44が順次積層形成されている。結晶成長は
先の実施例と同様の条件のMOCVD法より行われる。その
際、Sの原料にはジエチル・イオウ(DES)が用いられ
る。p型電極,n側電極としてそれぞれAuZn電極45,InGa
電極46が形成されている。
この素子構造において、p型ZnSe層43の禁制帯幅は2.7e
Vであり、これを挟むZnSSe層42,44の禁制帯幅は2.8eVで
ある。従って両者の禁制帯幅の差により生じるポテンシ
ャル障壁によってp型ZnSe層43には電子および正孔が有
効に閉じこめられ、効率のよい放射性再結合が生じる。
このためこの発光素子は良好な電流−電圧特性と、高効
率の青色発光を示す。n型層部分を同様にZnSとZnSSeと
の積層構造とすることも有効である。
本発明は上記各実施例に限られるものではない。例え
ば、II−VI族化合物半導体層として上記実施例で挙げた
ZnSxSe1-x系の他に、ZnTe,CdS,CdSe,HgTe等或いはこれ
らの混晶系を用いることができる。またIII−V族化合
物半導体基板としてGaAsの他に、GaP,InPなどを用いる
ことができる。II−VI族化合物半導体層の成長法として
も、MOCVD法に限らず、他の気相成長法やMBE法或いは液
相成長法を利用することが可能である。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の発光素子を示す図、第2図
(a)〜(c)はその製造工程を説明するための図、第
3図および第4図は他の実施例の発光素子を示す図、第
5図は従来の発光素子を示す図である。 11,31,41……p型GaAs基板、32……p型GaAs層、12,33,
43……p型ZnSe層、13,34,……n型ZnSe層、42……p型
ZnSSe層、44……n型ZnSSe層、14,35,45……AuZn電極、
15,36,46……InGa電極。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】p型のIII−V族化合物半導体基板上に直
    接、またはp型のIII−V族化合物半導体層を介して、
    p型のII−VI族化合物半導体層およびn型のII−VI族化
    合物半導体層が順次積層されて構成されていることを特
    徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項2】前記p型のIII−V族化合物半導体基板ま
    たはその上のp型のIII−V族化合物半導体層の主要な
    アクセプタ不純物は、これに接する前記p型のII−VI族
    化合物半導体層のII族元素である特許請求の範囲第1項
    記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項3】前記p型のII−VI族化合物半導体層の主要
    なアクセプタ不純物は、これに接する前記p型のIII−
    V族化合物半導体基板またはこの上のIII−V族化合物
    半導体層のV族元素である特許請求の範囲第1項記載の
    半導体発光素子。
  4. 【請求項4】前記p型のIII−V族化合物半導体基板ま
    たはこの上のp型のIII−V族化合物半導体層がGaAsで
    あり、前記p型のII−VI族化合物半導体層およびn型の
    II−VI族化合物半導体層がZnSxSe1-x(0≦x≦1)で
    ある特許請求の範囲第1項記載の半導体発光素子。
  5. 【請求項5】前記p型のII−VI族化合物半導体層はZnSS
    e層とZnSe層の積層構造からなり、前記n型のII−VI族
    化合物半導体層がZnSSeからなる特許請求の範囲第1項
    記載の半導体発光素子。
  6. 【請求項6】p型のIII−V族化合物半導体基板に直
    接、またはp型のIII−V族化合物半導体層を成長形成
    した後、p型のII−VI族化合物半導体層およびn型のII
    −VI族化合物半導体層を順次成長形成することを特徴と
    する半導体発光素子の製造方法。
  7. 【請求項7】前記p型のIII−V族化合物半導体基板ま
    たはその上のp型のIII−V族化合物半導体層の主要な
    アクセプタ不純物は、これに接する前記p型のII−VI族
    化合物半導体層のII族元素である特許請求の範囲第6項
    記載の半導体発光素子の製造方法。
  8. 【請求項8】前記p型のII−VI族化合物半導体層の主要
    なアクセプタ不純物は、これに接する前記p型のIII−
    V族化合物半導体基板またはこの上のIII−V族化合物
    半導体層のV族元素である特許請求の範囲第6項記載の
    半導体発光素子の製造方法。
  9. 【請求項9】前記p型のIII−V族化合物半導体基板ま
    たはこの上のp型のIII−V族化合物半導体層がGaAsで
    あり、前記p型のII−VI族化合物半導体層およびn型の
    II−VI族化合物半導体層がZnSxSe1-x(0≦x≦1)で
    ある特許請求の範囲第6項記載の半導体発光素子の製造
    方法。
  10. 【請求項10】前記p型のII−VI族化合物半導体層はZn
    SSe層からなり、前記n型のII−VI族化合物半導体層がZ
    nSeとZnSSeとの積層構造からなる特許請求の範囲第6項
    記載の半導体発光素子の製造方法。
  11. 【請求項11】前記p型のII−VI族化合物半導体層およ
    びn型のII−VI族化合物半導体層をMOCVD法により成長
    形成する特許請求の範囲第6項記載の半導体発光素子の
    製造方法。
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