JPH10190052A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
不整合の状態で発光層4が形成された半導体発光素子で
あって、高効率の発光が得られるものを提供する。 【解決手段】 発光層の母体をなす半導体材料に、発光
再結合中心として働く不純物をドープする。例えば、半
導体基板をGaP基板1、発光層4の母体をなす半導体
材料を(AlxGa1-x)1-yInyPとする。この(AlxG
a1-x)1-yInyP材料に、ドナー準位を形成する第1の不
純物として窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルをド
ープするとともに、アクセプタ準位を形成する第2の不
純物としてマグネシウム、亜鉛またはカドミウムをドー
プする。
Description
関する。代表的には、AlGaInP系材料からなる発光
層を有する発光ダイオードに関する。
P系材料」とは(AlxGa1-x)1-yInyPの混晶比x,yを
0≦x,y≦1の範囲で変化させたものを意味する。
比y=0.51においてGaAs基板と格子整合するととも
に、そのIn混晶比y=0.51においてAl混晶比x=0
〜0.7の範囲で直接遷移型になり、赤から緑までの広
い波長領域において高輝度の発光が得られる。そこで最
近、発光ダイオードの材料として広く用いられるように
なってきた。例えば図8に示すように、そのような(Al
xGa1-x)1-yInyP系発光ダイオードとして、n型GaAs
基板212上にn型GaAsバッファ層211、n型(Alx
Ga1-x)1-yInyPクラッド層203、ノンドープ(Alx
Ga1-x)1-yInyP活性層210、p型(AlxGa1-x)1-yI
nyPクラッド層205、p型GaP電流拡散層206を順
に積層したものが知られている。注入キャリアを活性層
210に有効に閉じ込めるために、クラッド層203,
205のバンドギャップは活性層210のバンドギャッ
プよりも大きく設定されている(タブルヘテロ(DH)
構造)。なお、GaAs基板212の裏面にはn側電極2
07、電流拡散層206の表面にはp側電極208がそ
れぞれ設けられている。Inの混晶比yはGaAs基板と格
子整合するy=0.51に設定されているので、発光に寄
与する(AlxGa1-x)1-yInyP材料(活性層210およ
びクラッド層203,205)の結晶性が良好になる。
この結果、図9(a)のエネルギバンド図から分かるよう
に、活性層210の伝導帯の底(エネルギ値Ec)付近
の形状、価電子帯の頂上(エネルギ値Ev)付近の形状
はいずれも放物線状になり、図9(b)に示すように、こ
れらのバンド端Ec,Evに対して伝導帯および価電子帯
内におけるキャリアの状態密度G(E)のピークP10,P
20が接近した状態となっている。したがって、(AlxGa
1-x)1-yInyP活性層210自体は比較的高い内部量子
効率(pn接合付近で電気が光に変えられる効率をい
う。)を示すことができる。
板のバンドギャップが1.42eVであるため、赤から緑
までの発光が吸収されて、光出力が半分以下に低下する
という問題がある。発光材料がGaP,GaAsP,AlG
aAs等からなる場合はGaAs基板が発光波長に対して透
明であるから基板の光吸収による問題は考えられなかっ
たが、発光材料が(AlxGa1-x)1-yInyPからなる場合
は、GaAs基板を使用している限り、このような基板に
よる光吸収が生じて外部量子効率(外部に取り出される
光の効率をいう。単に「効率」、「発光効率」というこ
とがある。)が低下する。
に示すように、n型GaAs基板301上にn型GaAsバッ
ファ層311、n型ブラッグ反射層(DBR層)313、n
型(AlxGa1-x)1-yInyPクラッド層303、ノンドー
プ(AlxGa1-x)1-yInyP活性層310、p型(AlxGa
1-x)1-yInyPクラッド層305、p型GaP電流拡散層
306を順に積層したものが提案されている(Appl.P
hys.Lett.,vol.61,No15(1992)p17
75−1777)。この発光ダイオードは、GaAs基板
301とn型クラッド層303との間に、屈折率が異な
る2種の半導体層を適当な層厚で交互に組み合わせてな
るDBR層313を設けて、活性層310が発した光を
このDBR層313によって上方へ、GaAs基板301
側に達しないように反射しようとするものである。ま
た、図11に示すように、図示しないGaAs基板上にn
型(AlxGa1-x)1-yInyPクラッド層403、ノンドー
プ(AlxGa1-x)1-yInyP活性層410、p型(AlxGa
1-x)1-yInyPクラッド層405、p型GaP電流拡散層
406を順に積層した後、上記GaAs基板をエッチング
によって取り去り、クラッド層403の露出面(接合
部)420に、赤から緑までの発光波長に対して透明で
あるGaP基板(バンドギャップが2.27eV)414
を接合したものが提案されている(Appl.Phys.Let
t.,vol.64,No21(1994)p2839−28
41)。
は、活性層310から下方へ出射された光の全てをDB
R層313によって反射できるわけではなく、その光の
一部はDBR層313を透過してGaAs基板301に吸
収される。このため、図8の発光ダイオードに比して、
発光効率が1.5倍程度にしか向上しない。
P基板414を接合する技術が難しく、大量生産には適
していない。
Ga1-x)1-yInyP材料をGaAs基板上に成長させるので
はなく、(AlxGa1-x)1-yInyP材料の発光波長(65
0〜550nm)に対して透明である基板、代表的には上
述のGaP基板(バンドギャップが2.27eV)上に成
長させる手段が考えられている。すなわち、図6に示す
ように、n型GaP基板101上にn型GaInPバッファ
層104、n型(AlxGa1-x)1-yInyPクラッド層10
3、ノンドープ(AlxGa1-x)1-yInyP活性層110、p
型(AlxGa1-x)1-yInyPクラッド層105、p型GaP
電流拡散層106を成長させたものが考えられている。
示すように、GaPの格子定数5.451Å近傍には(Al
xGa1-x)1-yInyP材料が直接遷移できる領域は存在し
ない。このため、GaP基板101上にGaP基板と格子
整合する(AlxGa1-x)1-yInyP材料を成長させたとし
ても、高効率の発光を望むことはできない。一方、Ga
P基板の格子定数5.451Åに比べてGaAs基板の格
子定数5.653Åは約3.6%大きいため、GaP基板
101上にGaAs基板と格子整合する(AlxGa1-x)1-y
InyP材料103,110および105を成長させた場
合、たとえ格子定数差を緩和するためにGaInPバッフ
ァ層104を介在させたとしても、成長した(AlxGa
1-x)1-yInyP材料103,110および105に、い
わゆるミスフィット転位(misfit dislocation:格子不
整合に伴う転位)が多くなって非発光再結合中心が増加
し、発光の遷移確率が小さくなる。すなわち、基板上に
格子定数が異なる結晶を成長させるので、成長した結晶
格子の周期性が乱れ、明確な禁制帯が存在できない。こ
のため、図7(a)に示すように、活性層110の伝導帯
の底(Ec)付近や価電子帯の頂上(Ev)付近が放物線
状にならず、数十meV程度のテイル(裾)を持ち、図7
(b)に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキ
ャリアの状態密度G(E)のピークP10,P20に対してテ
イルの先端(必ずしも位置が明瞭ではない)Ec#,Ev
#が離間した状態となる。この結果、注入されたキャリ
アはバンド端Ec,Ev付近では再結合しにくくなり、発
光の遷移確率が小さくなる。したがって、GaP基板1
01上にGaAs基板と格子整合する(AlxGa1-x)1-yIn
yP材料103,110および105を成長させて作製
した直接遷移型の発光ダイオードでは、高効率の発光が
困難となる。実際に、図8の発光ダイオードに比して、
発光効率は2桁以上落ちてしまう。
に対して透明であっても、半導体基板と格子不整合の状
態で発光層(活性層)を成長させた半導体発光素子で
は、高効率の発光が得られないという問題があった。
に、この半導体基板と格子不整合の状態で発光層(活性
層)が形成された半導体発光素子であって、高効率の発
光が得られるものを提供することにある。
AlGaInP系材料を母体とする発光層が形成された半
導体発光素子であって、赤から緑までの波長領域におい
て高効率の発光が得られるものを提供することにある。
め、請求項1に記載の半導体発光素子は、半導体基板上
に、この半導体基板によって実質的に吸収されない波長
の光を発する発光層が、上記半導体基板と格子不整合の
状態で形成された半導体発光素子において、上記発光層
の母体をなす半導体材料に、発光再結合中心として働く
不純物が含まれていることを特徴とする。
再結合中心として働く不純物は、上記発光層の母体をな
す半導体材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置に不
純物準位を形成し得る。その場合、上記半導体基板との
格子不整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料
のバンド端がテイルを持ったとしても、上記不純物準位
を介する発光再結合はそのテイルの影響を受けにくい。
したがって、内部量子効率が高まる。また、上記発光層
が発した光は上記半導体基板に実質的に吸収されない、
つまり半導体基板内で価電子帯の頂上から伝導帯の底へ
の遷移を起こすような光吸収が生じないので、外部量子
効率が低下することもない。したがって、全体としての
発光効率が高まる。
項1に記載の半導体発光素子において、上記不純物とし
て、ドナー準位を形成する第1の不純物と、アクセプタ
準位を形成する第2の不純物との2種類が含まれている
ことを特徴とする。
の不純物が形成するドナー準位と第2の不純物が形成す
るアクセプタ準位との間で、発光再結合が生じる。した
がって、上記第1の不純物、第2の不純物のいずれか一
方のみが含まれている場合に比して内部量子効率が高く
なり、全体としての発光効率がさらに高まる。
項1または2に記載の半導体発光素子において、上記第
1の不純物が形成するドナー準位は、上記母体をなす半
導体材料の伝導帯の端から30meV乃至200meVの範
囲内に位置し、上記第2の不純物が形成するアクセプタ
準位は、上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端から
30meV乃至200meVの範囲内に位置することを特徴
とする。
伝導帯の端、価電子帯の端とは、それぞれ発光層が半導
体基板と格子整合して形成されている場合の伝導帯の
端、価電子帯の端を意味している。すなわち、上記第1
の不純物が形成するドナー準位および上記第2の不純物
が形成するアクセプタ準位を、上記母体をなす半導体材
料の本来のバンド端を基準として規定している。
は、上記第1の不純物が形成するドナー準位は上記母体
をなす半導体材料の伝導帯の端から30meV以上離間
し、上記第2の不純物が形成するアクセプタ準位は上記
母体をなす半導体材料の価電子帯の端から30meV以上
離間しているので、半導体基板と発光層との格子不整合
によって上記母体をなす半導体材料の伝導帯の端、価電
子帯の端がそれぞれ数十meV程度のテイルを持ったとし
ても、上記第1の不純物が形成するドナー準位と上記第
2の不純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結
合は殆どそのテイルの影響を受けない。また、上記第1
の不純物が形成するドナー準位は上記母体をなす半導体
材料の伝導帯の端から200meV以内に位置し、上記第
2の不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなす
半導体材料の価電子帯の端から200meV以内に位置し
ているので、これらの第1の不純物、第2の不純物は発
光再結合中心として有効に働く。したがって、上記第1
の不純物が形成するドナー準位と第2の不純物が形成す
るアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内部量
子効率がさらに高まる。この結果、全体としての発光効
率がさらに高まる。
P基板上に、AlGaInP系材料を母体とする発光層
を、上記GaP基板と格子不整合の状態で成長させた半
導体発光素子において、上記発光層の母体をなすAlGa
InP系材料に、ドナー準位を形成する第1の不純物と
して窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが含まれ、
かつ、アクセプタ準位を形成する第2の不純物としてマ
グネシウム、亜鉛またはカドミウムが含まれていること
を特徴とする。
の不純物としての窒素、酸素、セレン、硫黄またはテル
ルが上記母体をなすAlGaInP系材料の伝導帯の端か
ら30meV乃至200meVの範囲内にドナー準位を形成
し、第2の不純物としてのマグネシウム、亜鉛またはカ
ドミウムが上記母体をなすAlGaInP系材料の価電子
帯の端から30meV乃至200meVの範囲内にアクセプ
タ準位を形成する。上記第1の不純物が形成するドナー
準位は上記母体をなすAlGaInP系材料の伝導帯の端
から30meV以上離間し、上記第2の不純物が形成する
アクセプタ準位は上記母体をなすAlGaInP系材料の
価電子帯の端から30meV以上離間しているので、Ga
P基板と発光層との格子不整合によって上記母体をなす
AlGaInP系材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれ
ぞれ約数十meV程度のテイルを持ったとしても、上記第
1の不純物が形成するドナー準位と上記第2の不純物が
形成するアクセプタ準位との間の発光再結合は殆どその
テイルの影響を受けない。また、上記第1の不純物が形
成するドナー準位は上記母体をなすAlGaInP系材料
の伝導帯の端から200meV以内に位置し、上記第2の
不純物が形成するアクセプタ準位は上記母体をなすAl
GaInP系材料の価電子帯の端から200meV以内に位
置しているので、これらの第1の不純物、第2の不純物
は発光再結合中心として有効に働く。したがって、上記
第1の不純物が形成するドナー準位と第2の不純物が形
成するアクセプタ準位との間の発光再結合によって、内
部量子効率が高まる。また、上記第1の不純物が形成す
るドナー準位と上記第2の不純物が形成するアクセプタ
準位との間のエネルギ差に応じて上記発光層が発した赤
から緑までの波長の光は上記GaP基板に実質的に吸収
されない(GaP基板はAlGaInP系材料の発光波長で
ある650nm〜550nmに対して透明である)ので、外
部量子効率が低下することもない。したがって、全体と
しての発光効率が高まり、赤から緑までの波長帯域にお
いて高輝度の発光が得られる。
細に説明する。
実施形態のAlGaInP系発光ダイオードの断面構造を
示している。この発光ダイオードは、(001)面から
[110]方向に15°傾いた面を有するn型GaP基板1
上に、例えばMOCVD法(有機金属化学気相成長法)
により、n型InGaPバッファ層2、Siドープ(AlxGa
1-x)1-yInyP(x=1.0、y=0.51)クラッド層3、
発光層としての窒素・亜鉛ドープ(AlxGa1-x)1-yIny
P(x=0.5、y=0.51)活性層4、Znドープ(AlxG
a1-x)1-yInyP(x=1.0、y=0.51)クラッド層5、
ZnドープGaP電流拡散層6を順に成長させた後、Ga
P基板1の裏面にn側電極7、電流拡散層6の表面にp
側電極8をそれぞれ設けて構成されている。15°オフ
の基板1を用いたが、(100)面ジャスト(just)の基板
でもよい。活性層4の母体をなす(AlxGa1-x)1-yIny
P材料への不純物ドーピング濃度は、ドナー準位を形成
する第1の不純物としての窒素が1×1017〜1×10
19cm-3、アクセプタ準位を形成する第2の不純物として
のZnが1×1017〜1×1018cm-3の範囲内とする。
Ga1-x)1-yInyP系材料3,4および5を成長させてい
るので、図2(a)のエネルギバンド図に示すように、活
性層4の伝導帯の底(エネルギ値Ec)付近や価電子帯
の頂上(エネルギ値Ev)付近が放物線状にならず、数
十meV程度のテイル(裾)を持ち、図2(b)に示すよう
に、伝導帯および価電子帯内におけるキャリアの状態密
度G(E)のピークP10,P20に対してテイルの先端(必
ずしも位置が明瞭ではない)が離間した状態となる。こ
のため、通常のバンド端発光の遷移確率は比較的小さ
い。
4において、第1の不純物としての窒素が母体(AlxGa
1-x)1-yInyP(x=0.5、y=0.51)の伝導帯の端
(底)Ecから30meVだけ離れた位置にドナー準位E
(N)を形成し、第2の不純物としての亜鉛が母体(AlxG
a1-x)1-yInyP(x=0.5、y=0.51)の価電子帯の端
(頂上)から60meVだけ離れた位置にアクセプタ準位
E(Zn)を形成する(図2(b)中のP1,P2がこれらのド
ナー準位E(N),アクセプタ準位E(Zn)に対応する状態
密度G(E)のピークを示している。)。上記窒素が形成
するドナー準位E(N)、上記亜鉛が形成するアクセプタ
準位E(Zn)はそれぞれバンド端Ec,Evから30meV以
上離間しているので、上記窒素が形成するドナー準位E
(N)と上記亜鉛が形成するアクセプタ準位E(Zn)との間
の発光再結合は殆ど上記テイルの影響を受けない。ま
た、上記窒素が形成するドナー準位E(N)、上記亜鉛が
形成するアクセプタ準位E(Zn)はそれぞれバンド端E
c,Evから200meV以内に位置しているので、これら
の窒素、亜鉛は発光再結合中心として有効に働く。した
がって、上記窒素が形成するドナー準位E(N)と上記亜
鉛が形成するアクセプタ準位E(Zn)との間の発光再結合
によって、内部量子効率が高まる。また、活性層4は上
記窒素が形成するドナー準位E(N)と上記亜鉛が形成す
るアクセプタ準位E(Zn)との間のエネルギ差ΔE1に応
じた波長の光を発するが、この活性層4が発した光はG
aP基板1に実質的に吸収されない(GaP基板はAlGa
InP系材料の発光波長である650nm〜550nmに対
して透明である)ので、外部量子効率が低下することも
ない。したがって、全体としての発光効率を高めること
ができる。
ドでは、上記窒素が形成するドナー準位E(N)と上記亜
鉛が形成するアクセプタ準位E(Zn)との間のエネルギ差
ΔE1=2.16eVに応じて、発光波長が574nmにな
った。そして、このときの発光効率として1.0%が得
られた。これに対して、図8に示したようなGaAs基板
上にAlGaInP系材料を成長させた格子整合型の発光
ダイオードでは、ノンドープ(AlxGa1-x)1-yInyP活
性層210の混晶比がx=0.5、y=0.51のときバン
ドギャップEg(=2.25eV)に応じて発光波長が5
50nmとなる。そして、そのときの発光効率は0.1%
である。したがって、活性層の混晶比x,yを同じにして
比較した場合、第1実施形態の構造のものは、図8の発
光ダイオードに比して発光効率を10倍に向上できるこ
とが分かった。また、図8に示したようなGaAs基板上
にAlGaInP系材料を成長させた格子整合型の発光ダ
イオードでは、ノンドープ(AlxGa1-x)1-yInyP活性
層210の混晶比がx=0.38、y=0.51のとき、そ
れに応じて発光波長が572nmとなる。そして、そのと
きの発光効率は0.35%である。したがって、発光波
長を略同じにして比較した場合、第1実施形態の構造の
ものは、図8の発光ダイオードに比して発光効率を約3
倍に向上できることが分かった。
短波長化のためにも有利である。これは、活性層4のA
l混晶比をx=0.75と大きくして間接遷移領域(図5
参照)に入っても、窒素ドーピングによって等電子準位
が形成されて、直接遷移化し、発光の遷移確率が高くな
るからである。実際にx=0.75,y=0.51のと
き、発光波長555nmで発光効率0.2%が得られた。
実施形態のAlGaInP系発光ダイオードの断面構造を
示している。この発光ダイオードは、(001)面から
[110]方向に15°傾いた面を有するn型GaP基板1
1上に、例えばMOCVD法(有機金属化学気相成長
法)により、n型InGaPバッファ層12、Siドープ
(AlxGa1-x)1-yInyP(x=1.0、y=0.51)クラッ
ド層13、発光層としてのSe・Mgドープ(AlxGa1-x)
1-yInyP(x=0.5、y=0.51)活性層14、Znドー
プ(AlxGa1-x)1-yInyP(x=1.0、y=0.51)クラ
ッド層15、ZnドープGaP電流拡散層16を順に成長
させた後、GaP基板11の裏面にn側電極17、電流拡
散層16の表面にp側電極18をそれぞれ設けて構成さ
れている。第1の実施形態と同様に15°オフの基板1
を用いたが、(100)面ジャスト(just)の基板でもよ
い。活性層14の母体をなす(AlxGa1-x)1-yInyP材
料への不純物ドーピング濃度は、ドナー準位を形成する
第1の不純物としてのSeが1×1017〜1×1019cm
-3、アクセプタ準位を形成する第2の不純物としてのM
gが1×1017〜1×1018cm-3の範囲内とする。
lxGa1-x)1-yInyP系材料13,14および15を成長
させているので、図4(a)のエネルギバンド図に示すよ
うに、活性層14の伝導帯の底(エネルギ値Ec)付近
や価電子帯の頂上(エネルギ値Ev)付近が放物線状に
ならず、数十meV程度のテイル(裾)を持ち、図4(b)
に示すように、伝導帯および価電子帯内におけるキャリ
アの状態密度G(E)のピークP10,P20に対してテイル
の先端(必ずしも位置が明瞭ではない)が離間した状態
となる。このため、通常のバンド端発光の遷移確率は比
較的小さい。
14において、第1の不純物としてのSeが母体(AlxG
a1-x)1-yInyP(x=0.5、y=0.51)の伝導帯の端
(底)Ecから190meVだけ離れた位置にドナー準位
E(Se)を形成し、第2の不純物としてのMgが母体(Alx
Ga1-x)1-yInyP(x=0.5、y=0.51)の価電子帯の
端(頂上)から64meVだけ離れた位置にアクセプタ準
位E(Mg)を形成する(図4(b)中のP1,P2がこれらの
ドナー準位E(Se),アクセプタ準位E(Mg)に対応する状
態密度G(E)のピークを示している。)。上記Seが形
成するドナー準位E(Se)、上記Mgが形成するアクセプ
タ準位E(Mg)はそれぞれバンド端Ec,Evから30meV
以上離間しているので、上記Seが形成するドナー準位
E(Se)と上記Mgが形成するアクセプタ準位E(Mg)との
間の発光再結合は殆ど上記テイルの影響を受けない。ま
た、上記Seが形成するドナー準位E(Se)、上記Mgが形
成するアクセプタ準位E(Mg)はそれぞれバンド端Ec,
Evから200meV以内に位置しているので、これらの
Se、Mgは発光再結合中心として有効に働く。したがっ
て、上記Seが形成するドナー準位E(Se)と上記Mgが形
成するアクセプタ準位E(Mg)との間の発光再結合によっ
て、内部量子効率が高まる。また、活性層14は上記S
eが形成するドナー準位E(Se)と上記Mgが形成するアク
セプタ準位E(Mg)との間のエネルギ差ΔE2に応じた波
長の光を発するが、この活性層14が発した光はGaP
基板11に実質的に吸収されない(GaP基板はAlGa
InP系材料の発光波長である650nm〜550nmに対
して透明である)ので、外部量子効率が低下することも
ない。したがって、全体としての発光効率を高めること
ができる。
ドでは、上記Seが形成するドナー準位E(Se)と上記Mg
が形成するアクセプタ準位E(Mg)との間のエネルギ差Δ
E2=2.00eVに応じて、発光波長が621nmになっ
た。そして、このときの発光効率として4.5%が得ら
れた。これに対して、図8に示したようなGaAs基板上
にAlGaInP系材料を成長させた格子整合型の発光ダ
イオードでは、ノンドープ(AlxGa1-x)1-yInyP活性
層210の混晶比がx=0.5、y=0.51のときバンド
ギャップEg(=2.25eV)に応じて発光波長が55
0nmとなる。そして、そのときの発光効率は0.1%で
ある。したがって、活性層の混晶比x,yを同じにして比
較した場合、第2実施形態の構造のものは、図8の発光
ダイオードに比して発光効率を10倍に向上できること
が分かった。また、図8に示したようなGaAs基板上に
AlGaInP系材料を成長させた格子整合型の発光ダイ
オードでは、ノンドープ(AlxGa1-x)1-yInyP活性層
210の混晶比がx=0.08、y=0.51のとき、それ
に応じて発光波長が635nmとなる。そして、そのとき
の発光効率は0.15%である。したがって、発光波長
を略同じにして比較した場合、第2実施形態の構造のも
のは、図8の発光ダイオードに比して発光効率を3倍に
向上できることが分かった。
としては窒素、セレン以外に、硫黄またはテルル等を用
いることができ、アクセプタ準位を形成する第2の不純
物としては亜鉛、マグネシウム以外にカドミウム等を用
いることができる。
は、GaPに代えてAlGaAs等を用いることができる。
は、活性層がエネルギギャップの大きいクラッド層で挟
まれたダブルヘテロ型のものとしたが、当然ながらそれ
に限られるものではない。この発明は、シングルヘテロ
型発光ダイオードやホモ接合型発光ダイオードその他の
半導体発光素子に広く適用することができる。
導体発光素子は、半導体基板上に、この半導体基板によ
って実質的に吸収されない波長の光を発する発光層が、
上記半導体基板と格子不整合の状態で形成されており、
発光再結合中心として働く不純物が上記発光層の母体を
なす半導体材料の禁制帯内でバンド端から離れた位置に
不純物準位を形成するので、上記半導体基板との格子不
整合によって上記発光層の母体をなす半導体材料のバン
ド端がテイルを持ったとしても、上記不純物準位を介す
る発光再結合はそのテイルの影響を受けにくい。したが
って、内部量子効率が高まる。また、上記発光層が発し
た光は上記半導体基板に実質的に吸収されないので、外
部量子効率が低下することもない。したがって、全体と
しての発光効率を高めることができる。
記不純物として、ドナー準位を形成する第1の不純物
と、アクセプタ準位を形成する第2の不純物との2種類
が含まれているので、第1の不純物が形成するドナー準
位と第2の不純物が形成するアクセプタ準位との間で、
発光再結合が生じる。したがって、上記第1の不純物、
第2の不純物のいずれか一方のみが含まれている場合に
比して内部量子効率が高くなり、全体としての発光効率
がさらに高まる。
第1の不純物が形成するドナー準位は、上記母体をなす
半導体材料の伝導帯の端から30meV乃至200meVの
範囲内に位置し、上記第2の不純物が形成するアクセプ
タ準位は、上記母体をなす半導体材料の価電子帯の端か
ら30meV乃至200meVの範囲内に位置するので、半
導体基板と発光層との格子不整合によって上記母体をな
す半導体材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ数
十meV程度のテイルを持ったとしても、上記第1の不純
物が形成するドナー準位と上記第2の不純物が形成する
アクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの
影響を受けない。また、これらの第1の不純物、第2の
不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがっ
て、上記第1の不純物が形成するドナー準位と第2の不
純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によ
って、内部量子効率がさらに高まる。この結果、全体と
しての発光効率をさらに高めることができる。
P基板上に、AlGaInP系材料を母体とする発光層
を、上記GaP基板と格子不整合の状態で成長させた半
導体発光素子において、上記発光層の母体をなすAlGa
InP系材料に、ドナー準位を形成する第1の不純物と
して窒素、酸素、セレン、硫黄またはテルルが含まれ、
かつ、アクセプタ準位を形成する第2の不純物としてマ
グネシウム、亜鉛またはカドミウムが含まれているの
で、第1の不純物としての窒素、酸素、セレン、硫黄ま
たはテルルが上記母体をなすAlGaInP系材料の伝導
帯の端から30meV乃至200meVの範囲内にドナー準
位を形成し、第2の不純物としてのマグネシウム、亜鉛
またはカドミウムが上記母体をなすAlGaInP系材料
の価電子帯の端から30meV乃至200meVの範囲内に
アクセプタ準位を形成する。したがって、GaP基板と
発光層との格子不整合によって上記母体をなすAlGaI
nP系材料の伝導帯の端、価電子帯の端がそれぞれ約数
十meV程度のテイルを持ったとしても、上記第1の不純
物が形成するドナー準位と上記第2の不純物が形成する
アクセプタ準位との間の発光再結合は殆どそのテイルの
影響を受けない。また、これらの第1の不純物、第2の
不純物は発光再結合中心として有効に働く。したがっ
て、上記第1の不純物が形成するドナー準位と第2の不
純物が形成するアクセプタ準位との間の発光再結合によ
って、内部量子効率が高まる。また、上記第1の不純物
が形成するドナー準位と上記第2の不純物が形成するア
クセプタ準位との間のエネルギ差に応じて上記発光層が
発した赤から緑までの波長の光は上記GaP基板に実質
的に吸収されないので、外部量子効率が低下することも
ない。したがって、全体としての発光効率が高まり、赤
から緑までの波長帯域において高輝度の発光を得ること
ができる。
キャリアの状態密度分布である。
キャリアの状態密度分布である。
ルギーギャップの関係図である。
る。
キャリアの状態密度分布である。
ある。
とキャリアの状態密度分布である。
である。
である。
0.51)クラッド層 4 窒素・亜鉛ドープ(AlxGa1-x)1-yInyP(x=0.
5、y=0.51)活性層 5,15 p型(AlxGa1-x)1-yInyP(x=1.0、y=
0.51)クラッド層 6,16 p型GaP電流拡散層 7,17 n型電極 8,18 p型電極 14 Se・Mgドープ(AlxGa1-x)1-yInyP(x=0.
5、y=0.51)活性層
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体基板上に、この半導体基板によっ
て実質的に吸収されない波長の光を発する発光層が、上
記半導体基板と格子不整合の状態で形成された半導体発
光素子において、 上記発光層の母体をなす半導体材料に、発光再結合中心
として働く不純物が含まれていることを特徴とする半導
体発光素子。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体発光素子におい
て、 上記不純物として、ドナー準位を形成する第1の不純物
と、アクセプタ準位を形成する第2の不純物との2種類
が含まれていることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の半導体発光素
子において、 上記第1の不純物が形成するドナー準位は、上記母体を
なす半導体材料の伝導帯の端から30meV乃至200me
Vの範囲内に位置し、 上記第2の不純物が形成するアクセプタ準位は、上記母
体をなす半導体材料の価電子帯の端から30meV乃至2
00meVの範囲内に位置することを特徴とする半導体発
光素子。 - 【請求項4】 GaP基板上に、AlGaInP系材料を母
体とする発光層を、上記GaP基板と格子不整合の状態
で成長させた半導体発光素子において、 上記発光層の母体をなすAlGaInP系材料に、ドナー
準位を形成する第1の不純物として窒素、酸素、セレ
ン、硫黄またはテルルが含まれ、かつ、アクセプタ準位
を形成する第2の不純物としてマグネシウム、亜鉛また
はカドミウムが含まれていることを特徴とする半導体発
光素子。
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