JPS61144079A

JPS61144079A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPS61144079A
Application number: JP59265772A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Motoma; 信弘源間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-17
Filing date: 1984-12-17
Publication date: 1986-07-01
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH077849B2

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】〔発明の技術分野〕本発明は、青色から紫外にかけての発光を示す。

発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素
子に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

光の三原色である赤、緑、青の中で、赤色と緑色に関し
ては■二ｖ族化合物半導体を用いた発光素子が開発され
、既に量産が行われている。残る青色発光素子について
は、開発への要望が強いにも拘らず依然商品化されてい
ない。

青色発光素子の半導体材料としては、広い禁制帯幅を有
するｍ−ｖｉ族化合物のｚｎｓ、ｚｎｓｅ。

ｍ−ｖ族化合物のＧａＮ、ＩＶ族化合物のＳｉＣなどが
従来より検討されている。これらの材料のうちＺｎＳ、
ｚｎｓｅは、■−ｖ族化合物のＧａＰ。

ＧａＡＳと格子定数が近く、これらＧａＰまたはＧａＡ
Ｓ結晶を基板として大面積かつ良質の結晶層が得られる
こと、更に容易に青色発光が得られること等から、特に
有望視されている。ところが、ｚｎｓ、　Ｚｎ３ｅは共
にｎ型導電性は得られるが、ｎ型導電性が得られない、
という問題を抱えている。このため、ｐｎ接合が得られ
ないことが、青色発光素子の実用化を遅らせている主因
となっている。

ＺｎＳ、Ｚｎ５ｅにおいて何故ｎ型導電性が得られない
か、その原因については未だ確かな説はないが、おおむ
ね次のような理由が考えられる。

第１は、ＺｎＳ、ｚｎｓｅにおいては、アクセプタ不純
物の中で価電子帯に空孔を生じるに充分浅い不純物準位
を作るものが少ないこと、第２は、たとえ浅い不純物準
位を作るアクセプタ不純物が存在しても、そ札が結晶中
に添加されると、いわゆる自己補償効果によってドナー
型の欠陥生成を誘発してしまうことである。

〔発明の目的〕

本発明は上記した問題を解決して、禁制帯幅の広いＩＩ
−ＶＩ族化合物半導体を用いて良好なｐｎ接合を構成し
、以て高輝度の青色発光を可能とした半導体発光素子を
提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、発光素子のｐｎ接合を構成するｐ型導電層を
、第１の■−■族化合物半導体と、これと異種でかつア
クセプタ不純物が添加された第２の■−■族化合物半導
体とを交互に積層した超格子構造としたことを特徴とす
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超格子構造の導入により、■−ＶＩ族
化合物半導体で良好なｐ型導電層が得られ、これにより
青色から紫外にわたって高輝度の発光を示す発光素子が
得られる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の詳細な説明する。

第１図は一実施例の素子構造を示す。図において、１は
ｎ型ＧａＰ結晶基板であり、２はこの基板１上にエピタ
キシャル成長された。ドナー不純物としてＡｎが添加さ
れたｎ型Ｚｎ５ＦＩｉであって、このｎ型Ｚｎ８層２上
に超格子構造を持つｐ型導電層３が形成されている。４
は０ｇｌ電極、５はｎ側電極である。

第２図はｐ型導電層３の部分を拡大して示す。

即ちｐ型導電型層３は、第１のＩＦ−ＶＩ族化合物半導
体としてのＺｎ５ｅ層ａｉ　ｔ　　＜　＋−ｉ、２．−
。

Ｎ）と、アクセプタタネ鈍物としてＡｇを添加した第２
のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体としてのＺｎＳ層ａ２＋　
　（＋−１，２，・・・、Ｎ）が交互に積層されて超格
子を構成している。２０８層３２ｉの厚みＬｅおよびＺ
ｎ５ｅ層３１１の厚みし２はそれぞれ５〜４０人程度程
度る。このような超格子構造は例えば、有機金属化合物
を用いた気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により得られる。

第３図はこの様な超格子構造をもつｐ型導電層３のバン
ド構造を示す。Ｚｎ８層３２１の価電子帯の頂上は、Ｚ
ｎ５ｅ１３１ｉの価電子帯の頂上から０．６〜ｏ、ａｅ
ｖ程度低いところに位置す、る。一方、Ａｇアクセプタ
の不純物準位は、Ｚｎ８層３２１の価電子帯の頂上から
０．５５〜０．７０ｅＶ高いところに位置する。従って
Ｚｎ８層３２１に添加するＡＱ不純物の濃度を１０１１
１／ｃａ３以上と高くしておけば、この超格子構造部の
平均的なフェルミ・レベルＥＦは、第３図に示すように
ｚｎＢｅ層３１ｉの価電子帯の頂上より低い位置、また
はｚｎＢｅ層３１１の価電子帯の頂上より高くてもその
ごく近傍に位置する。これによりＺｎ５ｅ１３１ｉには
、ＡＱ不純物濃度と同程度の空孔が形成される。この空
孔は超格子の積層方向に移動する時ＺｎＳ層３２１が障
壁となるが、ＺｎＳ１３２ｉの厚さＬａを５〜４０人の
範囲に選べば、障壁をトンネルで抜けていく確率が充分
高くなり、超格子積層方向に高い伝導度をもつｎ型導電
性が得られることになる。

第４図は、Ｚｎ５ｅ層３１；の厚みＬｚを２０人とし、
ｚｎｓ層３２１のＡＱ添加濃度を１０１７／　ｃｍ　”
として、ＺｎＳ層ａ２ｔの厚みＬａを変えた時の超格子
構造の導電率特性を示している。

この様に、ＺｎＳあるいはＺｎ５ｅバルク結晶では深い
不純物準位を形成してキャリアを生成しない不純物が、
本実施例の超格子構造においては有効的に浅いアクセプ
タ不純物準位として働き、正のキャリアを生成して、バ
ルク結晶では得られないｐ索導電層が得られる。なお本
実施例において、発光再結合を有効に行なわせるために
は、超格子構造からなるｐ型理電層３の厚みを０．２〜
３μ乳程度とすることが望ましい。

この様に構成された第１図の発光素子は、そのｐｎ接合
に順方向バイアスをかけると、主としてｎ型Ｚｎ８層２
からｐ型理電層３へと電子が注入される。この注入電子
はｐ型導電層３内の　Ｚｎ５ｅ層３１ｉにおいて空孔と
発光再結合を起す。

その除虫じる発光は、超格子構造を用いたことによる量
子効果のためにＺｎ５ｅの禁制帯幅で決まる波長より多
少短いものとなる。その発光波長を決めるのは、超格子
の周期（Ｌａ　＋Ｌｚ　）とＺｎ８層３２１の厚さＬｓ
との比である。ｍｓ／（Ｌｅ　＋Ｌｚ　）の値がＯから
１へと変化するにつれて、発光色は青色から紫外へと変
化する。またこの発光は直接遷移型であるため再結合確
率が高く、更にｎｌＺｎｓ層２が光の反射層として働く
ためｐ型導電層３側での外部発光効率が１％程度と＾い
値を示す。

第５図は超格子の横方向にキャリアを流すようにした実
施例の素子構造である。５１はノンドープの高抵抗Ｇａ
Ｐ基板であり、この基板５１上に先の実施例と同様に超
格子構造を持つｐ型理電層５２を形成し、このｐ型理電
層５２の一部にマスクして不純物を高濃度にドープして
ｎ型層５３を形成したものである。このｎ型層５３の形
成は例えば、Ａｇおよびｚｎをイオン注入して熱処理す
る方法、またはＡｇおよびｚｎの雰囲気中での熱処理方
法による。これらの方法で高濃度にｎ型不純物をドープ
すれば、ｐ索導電層は反転してｎ型層５３が得られる。

そしてｐ型理電層５２の一部をメサエッチングしてＡＵ
からなるｎ側電極５４を形成し、ｎ型層５３にはＩｎ−
Ｇａからなるｎ側電極５５を形成している。

この実施例によれば、ｐ型理電層５２でのキャリア走行
が超格子の横方向であるため、先の実施例よりｎ型層５
２での正孔移動度が高く、優れたｐｎ接合特性が得られ
、強い発光が認められる。

第５図のＧａＰ基板５１は他の高抵抗基板、例えば高抵
抗ＺｎＳ基板、高抵抗ｚｎＳｅ基板等に置換することが
できる。

第６図は、ｐ型基板を出発基板とした実施例の素子構造
である。即ちｐ型ＧａＰ結晶基板６１を用いてこの上に
先の実施例と同様の超格子構造を持つｐ型理電層６２を
形成し、この上にｎ型Ｚｎ８層６３を形成したものであ
る。ＧａＰ基板６１側から光を取出すために、ＧａＰ基
板６１を裏面からエツチングして光取出し窓を設けてい
る。

６４はｎ側電極、６５はｎ側電極である。

この実施例によっても第１図の実施例と同様の優れた発
光特性を示す。

第７図は更に別の実施例の素子構造である。この実施例
では、ｎ型ＺｎＳ基板７１を用いてこの上に先の実施例
と同様に超格子構造を持つｐ型導電層７２を形成してい
る。７３はｐｆＭ電極、７４はｎｍ１ｉ極である。

この実施例によっても同様に良好な青色発光特性を示す
ことができる。

本発明は上記各実施例に限られるものではなく、以下に
列記するように種々変形実施することができる。

■　超格子構造のｐ索導電層を構成する第１のｍ−ｖｒ
族化合物半導体物半導体および第２の■−■族化合物半
導体として、それぞれ一般的にＺｎＳ　　Ｓｅ　　　（
０≦ｘ〈１）およびｚｎｓ。

Ｘ　　　　　　　１−ＸＳｅ　　　（０＜Ｙ≦１）、Ｙ＞Ｘ）を用い得る。

−ｙ同様に第１のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体および第２のＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体として、それぞれｚｎＸＣｄ、
ｘＳ（０≦ｘく１）およびＺｎ、Ｃｄ１−。

Ｓ　（０＜ｙ≦１．Ｖ＞Ｘ）を用いることもできる。

■　超格子構造の第２のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層の
アクセプタ不純物として、Ａｇの他、Ｌｉ。

Ｎａ、Ｃｕなどの王族元素あるいはＰ、ＡＳなどのＶ族
元素を添加することができる。また第１の■−■族化合
物半導体層は必ずしもノンドープである必要はなく、第
２のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層におけると同様の不純
物を添加してもよい。

■　超格子構造中のアクセプタ不純物準位は、外部から
の不純物元素添加によらず、ｚｎ空孔が高濃度に存在す
るように結晶成長させることにより形成することもでき
る。ｚｎ空孔が高濃度に形成される結晶成長条件として
は、例えばＭＯＣＶＤ法を例にとれば、■族元素を供給
するガスの。

■族元素を供給するガスに対するモル比を充分大きく（
例えば１０倍以上）設定すればよい。

するガスに対するモル比を充分大きく（例えば１０倍以
上）設定すればよい。

■　超格子構造のｎ型導電層と接合するｎ型ＺｎＳ層と
して、より一般的にＺｎＳ　Ｓｅ１．、、ｚ（０≦２≦
１）を用いることができる。この場合、２の値が１より
小さくなるにつれ、順方向バイアスしたとき、ｎ型層か
らｐ型層への電子注入と同時にｐ型層からｎ型層への正
孔注入が生じる。ｎ型層に注入された正孔はｎ型層中の
電子と発光再結合する。この発光も波長は青色から紫外
であり、また再結合確率も高い。従ってこの構造も特性
の優れた青色から紫外にかけての発光素子として有用で
ある。

■　本発明はダブルへテロ接合構造の発光素子に適用す
ることも可能であり、有用である。

【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構造を示す図、第
２図はそのｎ型導電層部の拡大図、第３図は同じくｎ型
導電層部のバンド構造を示す図、第４図は同じくｎ型導
電層部の導電率特性を示す図、第５図〜第７図は他の実
施例の発光素子構造を示す図である。１　・ｎ型ＧａＰ結晶基板、２−ｎ　Ｗ　Ｚ　ｎ　Ｓ層
、３・・・ｎ型導電層（超格子構造部）、４・・・ｐ側
電極（Ａｕ）、５−ｎ側電極（Ａｕ−Ｇｅ）、３１ｉ・
・・７０８０層（第１のＩ−ＶＩ族化合物半導体層）、
３２ｉ・／’ｌ添加ＺｎＳ層（第２のＩＩ−ＶＩ族化合
物半導体層）、５１・・・高抵抗ＧａＰ基板、５２・・
・ｎ型導電層（超格子構造部）、５３・・・ｎ型導電層
、５４　・ｐ側電極（Ａｕ）、５５・　ｎｉｌ！Ｉｌｉ
極（Ｉｎ−Ｇａ）、６１・Ｄ型ＧａＰ基板、６２　・ｎ
型導電層（超格子構造部）、６３・・・ｎ型ＺｎＳ層、
６４−ｏ側電極（Ａｕ−Ｚｎ）　、６５・ｎ側電極（Ｉ
　ｎ−Ｇａ）　、７１−ｎ型ＺｎＳ基板、７２　・・・
ｎ型導電層（超格子構造部）、７３・・・ｐ　（１１１
１電極＜Ａ（Ｊ）　、７４−ｎ’ｔｌ’Ｒ極（Ｉｎ−Ｇ
ａ）。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図ム第３１図Ｚｎ５ｅ　　ＺｎＳ　　Ｚｎ５ｅ　ＺｎＳ第４図＋０　　２０　　３０　　４０ｚｎｓ４４Ｌｓ　　Ｃλ〕第５図第６図第７Ｖ！Ｉ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）化合物半導体を用いてｐｎ接合を構成した半導体
発光素子において、ｐ型導電層を、第１のII−VI族化合
物半導体と、これと異種でかつアクセプタ不純物準位を
持つ第２のII−VI族化合物半導体とを交互に積層した超
格子により構成したことを特徴とする半導体発光素子。
（２）第２のII−VI族化合物半導体は第１のII−VI族化
合物半導体より禁制帯幅が広い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）第１のII−VI族化合物半導体はＺｎＳ＿ｘＳｅ＿
１＿−＿ｘ（０≦ｘ＜１）であり、第２のII−VI族化合
物半導体はアクセプタ不純物として I 族またはＶ族元
素が添加されたＺｎＳ＿ｙＳｅ＿１＿−＿ｙ（０＜ｙ≦
１、ｙ＞ｘ）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）第１のII−VI族化合物半導体はＺｎ＿ｘＣｄ＿１
＿−＿ｘＳ（０≦ｘ＜１）であり、第２のII−VI族化合
物半導体はアクセプタ不純物として I 族またはＶ族元
素が添加されたＺｎ＿ｙＣｄ＿１＿−＿ｙＳ（０＜ｙ≦
１、ｙ＞ｘ）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。