JPH0734484B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPH0734484B2
JPH0734484B2 JP31570087A JP31570087A JPH0734484B2 JP H0734484 B2 JPH0734484 B2 JP H0734484B2 JP 31570087 A JP31570087 A JP 31570087A JP 31570087 A JP31570087 A JP 31570087A JP H0734484 B2 JPH0734484 B2 JP H0734484B2
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明憲 勝井
柴田  典義
隆志 松岡
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/822Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/823Materials of the light-emitting regions comprising only Group II-VI materials, e.g. ZnO

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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。
(従来技術及び発明が解決しようとする問題点) 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ZnSeを用いて形成されている。第6
図にその基本構造を示す。ZnSe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
ZnSe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。4は電極を示す。ここで、結晶基板
1としては、高圧溶融法で育成した単結晶を1mm厚のウ
ェーハ状に切断し、鏡面研磨したのち、Zn融液中で熱処
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、300〜5000A厚のSiO2膜を、またZnSe基
板1へのオーム性電極4としてIn−Ga、電極3として厚
さ500〜1000AのAu蒸着膜を用いる。
この構造においては少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SiO2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ZnSe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10-3%までの
ものしか得られていなかった。
(発明の目的) 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、かつ発光効率
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。
(問題点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、GaAsまたはIn
P,Siの何れかの基板上に形成されIIaをMg,Ca,Ba,Sr、II
bをZn,Cd、VIをS,Se,Teとするとき、IIaxIIbyVI(x+
y=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IIax′IIby′VI(x′+
y′=1)からなる電流注入層とを有し、GaAsまたはIn
P,Siの単結晶基板に格子整合した構造を有することを特
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。
しかして本発明の特徴とする点は、素子発光部が発光
層と電流注入層より構成され両者はいずれもII VI族化
合物より形成されているため、互いに格子整合が良好で
あること、またバンドギャップが不連続であり、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こ
と、GaAsまたはInP,Siという大口径基板を用いるため、
従来のようにII−V族化合物材料の小さな基板による大
きさを制限されないことにある。
IIbVI族化合物は、閃亜鉛鉱型結晶構造をしており、直
接遷移型バンド構造を持っている。またIIaVI族化合物
は、MgTeを除いて、すべて岩塩型結晶構造をしている
が、IIbVI族とは概ね全率にわたって固溶体IIaIIbVIを
形成する。
第7図に(100)面上の格子整合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、IIaIIb
VIからなる三元ないし四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、良質なヘテロ接合条件を得ることが
可能となる。
単結晶基板としては、閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つGaAs
やInPを用いると、第7図の破線で示したように、IIaII
bVI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,特に良質のヘテロ接合構造が得られる。また、
Si単結晶上にもバッファ層などを介してGaAsやInPの単
結晶薄膜を形成すれば、同じように良質のIIaIIbVI層を
形成することができる。
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。本発明は、上述のIIaIIbVI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、
種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもな
い。
(実施例1) 第1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。Ga
As基板5の上に厚さ5μmのCd0.08Mg0.16Zn0.76Se電流
注入層(クラッド層)6と、厚さ0.5μmのMnSe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
高抵抗にしてある。電極9を正の側として電圧を加える
と、発光層7にキャリアが注入され約4800Å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
ギャップ差が約0.4eV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。なお、発光層と電流注入層に本発明で開示
した異種材料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2図は本発明の第二の実施例を説明する図である。図
において、InP基板10の上に厚さ2μmのMg0.30Cd0.70S
e第一の電流注入層(第一のクラッド層)11と、厚さ0.3
μmのZn0.23Mg0.15Cd0.62Se発光層12、さらに厚さ0.1
μmのMg0.30Cd0.70Se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14,1
5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に決
っている。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。発光波長は約5000Åの青色であ
り、外部量子効率は3%が得られた。
(実施例3) 第3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、Si基板16にバッファ層17を介してInP層18があ
りその上に厚さ2μmのCa0.31Zn0.69Te0.30Se0.70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0.3μmのCa0.13Zn0.87Te0.41Se0.59発光層20、更
に厚さ0.1μmのCa0.31Zn0.69Te0.30Se0.70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。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。発光波長は4600Åの青色である。
(実施例4) 第4図は本発明の第四の実施例を説明する図である。図
においては、InP基板24の上に2μm厚のZn0.17Mg0.19C
d0.64Se第一の電流注入層(第一のクラッド層)25と、
0.3μm厚のZn0.47Cd0.53Se発光層26、さらに0.1μm厚
のZn0.17Mg0.19Cd0.64Se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を有
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5900Åの緑色であ
り、外部量子効率は3%が得られた。
(実施例5) 第5図は、本発明の第五の実施例を説明する図で、紫色
(波長4000A)を得るためのものである。図において
は、GaAs基板30の上に2μm厚のCd0.12Mg0.33Zn0.55Se
第一の電流注入層(第一のクラッド層)31と、0.3μm
厚のCd0.03Mg0.18Zn0.79Se発光層32、さらに0.1μm厚
のCd0.12Mg0.33Zn0.55Se第二の電流注入層(第二のクラ
ッド層)33と、電流注入層31,33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
込めが有効に為され、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、GaAsまたはInP,Siの何れ
かの基板上に形成されIIaxIIbyVI(x+y=1)発光層
と、これに完全格子整合条件で接し、発光層より十分バ
ンドギャップエネルギーの大きいIIax′IIby′VI(x′
+y′=1)からなる電流注入層とを有し、GaAsまたは
InP,Siの単結晶基板に格子整合した構造を有することに
より、電流注入層が多く取れ、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。
さらに、発光層と電流注入層の組成の差に起因する屈折
率差により光が発光層に閉じ込められる効果があるこ
と、発光層と電流注入層が格子整合条件で接しているた
めの発光層と電流注入層の界面に欠陥が発生せず界面に
おけるキャリアの非発光再結合が防止される効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
第1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2図は本発明の第二の実施例の構造、
第3図は本発明の第三の実施例の構造、第4図は本発明
の第四の実施例の構造、第5図は本発明の第五の実施例
の構造を示し、第6図は従来技術の発光素子の構造、第
7図はIIaIIbVI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。 1……ZnSe基板 2……絶縁層 3……半透明金属電極 4……電極 5,30……GaAs基板 6……Cd0.08Mg0.16Zn0.76Se電流注入層 7……ZnSe発光層 8,9,14,15,22,23,28,29,34,35……電極 10,24……InP基板 11,13……Mg0.30Cd0.70Se電流注入層 12……Mg0.15Zn0.23Cd0.62Se発光層、 16……Si基板 17……バッファ層 18……InP層 19,21……Ca0.31Zn0.69Te0.30Se0.70電流注入層 20……Ca0.13Zn0.87Te0.41Se0.59発光層 25,27……Zn0.17Mg0.19Cd0.64Se電流注入層 26……Zn0.47Cd0.53Se発光層 31,33……Cd0.12Mg0.33Zn0.55Se電流注入層 32……Cd0.03Mg0.18Zn0.79Se発光層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GaAsまたはInP,Siの何れかの基板上に形成
    され、化学式IIaxIIbyVIで表わされ、IIaはMg,Ca,Baお
    よびSr、またはIIbはZnおよびCd、VIはS,SeおよびTeか
    らそれぞれ選ばれた一種または二種以上の元素であり、
    かつx+y=1である発光層と、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IIax′IIby
    VI(x′+y′=1)からなる電流注入層とを有し、Ga
    AsまたはInP,Siの単結晶基板に格子整合した構造を有す
    ることを特徴とする半導体発光素子。 のであります。
  2. 【請求項2】IIaはMg、IIbはZnおよびCd、VIはSeである
    ことを特徴とす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】IIaはMg、IIbはZn、VIはSeおよびTeである
    ことを特徴とす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】IIaはCa、IIbはZn、VIはSeおよびTeである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体発
    光素子。
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JPH0391270A (ja) * 1989-09-01 1991-04-16 Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> 半導体発光素子
US5045897A (en) * 1990-03-14 1991-09-03 Santa Barbara Research Center Quaternary II-VI materials for photonics

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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