JP3057547B2 - 緑色発光ダイオード - Google Patents
緑色発光ダイオードInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒素を添加しない発光
ダイオード（ＬＥＤ）に係り、特に高輝度で緑色発光を
生ずるＧａＰ発光ダイオードに関するものである。
ダイオード（ＬＥＤ）に係り、特に高輝度で緑色発光を
生ずるＧａＰ発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、実用化されている緑色帯の発光ダ
イオードの主なものとしては、窒素（Ｎ）を添加したＧ
ａＰ（Ｎ- doped ＧａＰ）と、蒸気圧制御法によって成
長させた窒素無添加のＧａＰ（Ｎ-free ＧａＰ）とがあ
る。前者の場合、その発光波長が５７０ナノメートル
（ｎｍ）で黄色味を帯びているのに対して、後者の発光
波長は５５０ｎｍで純緑色を呈する。
イオードの主なものとしては、窒素（Ｎ）を添加したＧ
ａＰ（Ｎ- doped ＧａＰ）と、蒸気圧制御法によって成
長させた窒素無添加のＧａＰ（Ｎ-free ＧａＰ）とがあ
る。前者の場合、その発光波長が５７０ナノメートル
（ｎｍ）で黄色味を帯びているのに対して、後者の発光
波長は５５０ｎｍで純緑色を呈する。
【０００３】従来、ＧａＰは間接遷移型半導体であるた
め、発光中心となる不純物である窒素（Ｎ）が存在しな
いと、原理的に高輝度（高効率）発光は生じないとされ
ていた。さらに一般に、自由励起子の発光は、例えば次
の文献に記載されているように、半導体が高純度である
ほど高いとされ（M. G. Craford 著「高純度蒸気成長Ｇ
ａＰのエレクトロルミネセンス及び電子的特性」Journa
l of Applied Physics. １９７９年、４２巻，２７５１
頁）、また半導体が高純度であるほど自由励起子の発光
が強くなるということは、フォトルミネセンス測定によ
って、ＺｎＳｅ等の他の半導体でもよく知られていた
が、基板と発光層の結晶性の改善が十分でないこと、発
光機構の解明が不十分なこと等のため、窒素を添加しな
い純緑色ＬＥＤの高輝度化が全く実現されていなかっ
た。
め、発光中心となる不純物である窒素（Ｎ）が存在しな
いと、原理的に高輝度（高効率）発光は生じないとされ
ていた。さらに一般に、自由励起子の発光は、例えば次
の文献に記載されているように、半導体が高純度である
ほど高いとされ（M. G. Craford 著「高純度蒸気成長Ｇ
ａＰのエレクトロルミネセンス及び電子的特性」Journa
l of Applied Physics. １９７９年、４２巻，２７５１
頁）、また半導体が高純度であるほど自由励起子の発光
が強くなるということは、フォトルミネセンス測定によ
って、ＺｎＳｅ等の他の半導体でもよく知られていた
が、基板と発光層の結晶性の改善が十分でないこと、発
光機構の解明が不十分なこと等のため、窒素を添加しな
い純緑色ＬＥＤの高輝度化が全く実現されていなかっ
た。
【０００４】しかし、最近になって、本発明者等により
間接遷移型半導体のＧａＰの純緑色発光機構は、直接遷
移型半導体であるＧａＡｌＡｓの赤色発光ダイオードと
全く異なり、自由励起子のフォノンを介した再結合によ
ることが明らかにされている（K. Suto and J. Nishiza
wa共著、「Radiative Recombination Mechanisms inSto
ichiometry-Controlled GaP Crystals 」（ストイキオ
メトリ制御されたＧａＰ結晶における放射再結合機構）
Journal of Applied Physics. １９９０年、６７巻，４
５９頁）。そして、本発明者等は、蒸気圧制御法・温度
差法でほぼ最適のリン（Ｐ）の蒸気圧を印加して成長さ
せた結晶完全性が極めて高いＧａＰ半導体では、図１３
に示すようにｎ型不純物としての硫黄（Ｓ）を添加した
場合、自由励起子の発光強度は、不純物濃度との関係で
は不純物濃度がある程度高い方が高効率となることを見
い出した（K. Suto and J. Nishizawa共著、「Free-Exc
iton Recombinationin Stoichiometry-Controlled Ga
P」（ストイキオメトリ制御されたＧａＰにおける自由
励起子再結合）Journal of Electrochem. Soc.１９９３
年、１４０巻，２６８２頁）。ここで図１３は３００Ｋ
におけるドナー不純物密度と自由励起子の発光強度の関
係を示す図である。
間接遷移型半導体のＧａＰの純緑色発光機構は、直接遷
移型半導体であるＧａＡｌＡｓの赤色発光ダイオードと
全く異なり、自由励起子のフォノンを介した再結合によ
ることが明らかにされている（K. Suto and J. Nishiza
wa共著、「Radiative Recombination Mechanisms inSto
ichiometry-Controlled GaP Crystals 」（ストイキオ
メトリ制御されたＧａＰ結晶における放射再結合機構）
Journal of Applied Physics. １９９０年、６７巻，４
５９頁）。そして、本発明者等は、蒸気圧制御法・温度
差法でほぼ最適のリン（Ｐ）の蒸気圧を印加して成長さ
せた結晶完全性が極めて高いＧａＰ半導体では、図１３
に示すようにｎ型不純物としての硫黄（Ｓ）を添加した
場合、自由励起子の発光強度は、不純物濃度との関係で
は不純物濃度がある程度高い方が高効率となることを見
い出した（K. Suto and J. Nishizawa共著、「Free-Exc
iton Recombinationin Stoichiometry-Controlled Ga
P」（ストイキオメトリ制御されたＧａＰにおける自由
励起子再結合）Journal of Electrochem. Soc.１９９３
年、１４０巻，２６８２頁）。ここで図１３は３００Ｋ
におけるドナー不純物密度と自由励起子の発光強度の関
係を示す図である。
【０００５】しかしながら、図１３から明らかなよう
に、自由励起子の発光効率は、不純物濃度１×１０17ｃ
ｍ-3までは一定の関係（線形）で上昇するが、それ以上
では殆ど変わらない。これは、ｎ型（ドナー）不純物を
添加すると、その濃度が高くなるに従って結晶内に欠陥
が発生する傾向が強くなるからであるということがわか
ってきている。一方、ＧａＡｌＡｓ系の発光ダイオード
では、発光ダイオードのヘテロ構造による設計原理が確
立しているが、ＧａＰ系の発光ダイオードでは、発光機
構について十分な解明がされていなかったこともあっ
て、ヘテロ構造における技術は確立されていないのが現
状である。
に、自由励起子の発光効率は、不純物濃度１×１０17ｃ
ｍ-3までは一定の関係（線形）で上昇するが、それ以上
では殆ど変わらない。これは、ｎ型（ドナー）不純物を
添加すると、その濃度が高くなるに従って結晶内に欠陥
が発生する傾向が強くなるからであるということがわか
ってきている。一方、ＧａＡｌＡｓ系の発光ダイオード
では、発光ダイオードのヘテロ構造による設計原理が確
立しているが、ＧａＰ系の発光ダイオードでは、発光機
構について十分な解明がされていなかったこともあっ
て、ヘテロ構造における技術は確立されていないのが現
状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、窒素添加の
ＧａＰ発光ダイオードも、蒸気圧制御法による窒素無添
加のＧａＰ発光ダイオードも、高輝度とは言うものの外
部量子効率は通常、１％以下であり、直接遷移型半導体
には遠く及ばない。しかし、緑色帯域では人間の視感度
が高いため、相対的に高輝度ということができるが、エ
ネルギ効率を高めて低電力で駆動する交通信号表示器
や、ファクシミリ等への応用のためには更に高い発光効
率が求められている。
ＧａＰ発光ダイオードも、蒸気圧制御法による窒素無添
加のＧａＰ発光ダイオードも、高輝度とは言うものの外
部量子効率は通常、１％以下であり、直接遷移型半導体
には遠く及ばない。しかし、緑色帯域では人間の視感度
が高いため、相対的に高輝度ということができるが、エ
ネルギ効率を高めて低電力で駆動する交通信号表示器
や、ファクシミリ等への応用のためには更に高い発光効
率が求められている。
【０００７】本発明は以上の点に鑑み、従来の窒素添加
のＧａＰ発光ダイオード及び窒素無添加のＧａＰ発光ダ
イオードよりも更に高い発光効率を有する、窒素無添加
ＧａＰ系の純緑色発光ダイオードを提供することを目的
とする。
のＧａＰ発光ダイオード及び窒素無添加のＧａＰ発光ダ
イオードよりも更に高い発光効率を有する、窒素無添加
ＧａＰ系の純緑色発光ダイオードを提供することを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明の緑色発光ダイオードは、窒素
を添加しない緑色発光ダイオードであって、ＧａＰ基板
上に、浅いエネルギ準位を有する不純物をｎ型の場合
０．５〜２×１０17ｃｍ-3、ｐ型の場合１〜３×１０18
ｃｍ-3の高濃度で添加した結晶性のよいＧａＰ発光層
と、このＧａＰ発光層に高い格子整合度で形成して浅い
エネルギ準位を有する不純物を添加した結晶性のよい三
元混晶のＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層とを備えており、ＧａＰ発
光層とＡｌxＧａ1-x Ｐ層とでｐｎ接合を形成し、この
組成ｘが０．２２以下に設定されている構成とした。
に、請求項１記載の発明の緑色発光ダイオードは、窒素
を添加しない緑色発光ダイオードであって、ＧａＰ基板
上に、浅いエネルギ準位を有する不純物をｎ型の場合
０．５〜２×１０17ｃｍ-3、ｐ型の場合１〜３×１０18
ｃｍ-3の高濃度で添加した結晶性のよいＧａＰ発光層
と、このＧａＰ発光層に高い格子整合度で形成して浅い
エネルギ準位を有する不純物を添加した結晶性のよい三
元混晶のＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層とを備えており、ＧａＰ発
光層とＡｌxＧａ1-x Ｐ層とでｐｎ接合を形成し、この
組成ｘが０．２２以下に設定されている構成とした。
【０００９】請求項２記載の発明の緑色発光ダイオード
は、窒素を添加しない緑色発光ダイオードであって、Ｇ
ａＰ基板上に、浅いエネルギ準位を有する不純物を添加
した結晶性のよい三元混晶のＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層と、こ
れに高い格子整合度で形成して浅いエネルギ準位を有す
る不純物をｎ型の場合０．５〜２×１０17ｃｍ-3、ｐ型
の場合１〜３×１０18ｃｍ-3の高濃度で添加した結晶性
のよいＧａＰ発光層と、このＧａＰ発光層に高い格子整
合度で形成して浅いエネルギ準位を有する不純物を添加
した結晶性のよい三元混晶のＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層とを備
えており、ＧａＰ発光層とＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層とでｐｎ
接合を形成し、この組成ｘと上記組成ｙが０．２２以下
に設定されている構成とした。
は、窒素を添加しない緑色発光ダイオードであって、Ｇ
ａＰ基板上に、浅いエネルギ準位を有する不純物を添加
した結晶性のよい三元混晶のＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層と、こ
れに高い格子整合度で形成して浅いエネルギ準位を有す
る不純物をｎ型の場合０．５〜２×１０17ｃｍ-3、ｐ型
の場合１〜３×１０18ｃｍ-3の高濃度で添加した結晶性
のよいＧａＰ発光層と、このＧａＰ発光層に高い格子整
合度で形成して浅いエネルギ準位を有する不純物を添加
した結晶性のよい三元混晶のＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層とを備
えており、ＧａＰ発光層とＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層とでｐｎ
接合を形成し、この組成ｘと上記組成ｙが０．２２以下
に設定されている構成とした。
【００１０】また、請求項１又は２に記載の発明の緑色
発光ダイオードにあって、ｐｎ接合を形成するＧａＰ発
光層とＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層との間に、なだらかなＡｌ組
成変移領域を設ける構成とした。
発光ダイオードにあって、ｐｎ接合を形成するＧａＰ発
光層とＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層との間に、なだらかなＡｌ組
成変移領域を設ける構成とした。
【００１１】さらに、Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層上に、浅いエ
ネルギ準位を有する不純物を１０ 18 ｃｍ -3 程度或いはそ
れ以上の高濃度で添加したＧａＰ電極層を加える構成と
した。
ネルギ準位を有する不純物を１０ 18 ｃｍ -3 程度或いはそ
れ以上の高濃度で添加したＧａＰ電極層を加える構成と
した。
【００１２】また、請求項５記載の発明の緑色発光ダイ
オードは、窒素を添加しない緑色発光ダイオードであっ
て、ＧａＰ基板上に、浅いエネルギ準位を有する不純物
を低濃度で添加した結晶性のよい三元混晶のＡｌy Ｇａ
1-y Ｐ層と、これに高い格子整合度で形成して浅いエネ
ルギ準位を有する不純物をｎ型の場合１〜４×１０17ｃ
ｍ-3の比較的高濃度で添加した結晶性のよいＧａＰ発光
層と、このＧａＰ発光層と反対の導電型であって浅いエ
ネルギ準位を有する不純物をＧａＰ発光層より高濃度で
添加した結晶性のよいＧａＰ層とを備えており、ＧａＰ
発光層と導電型の反対なＧａＰ層とでｐｎ接合を形成
し、組成ｙが０．２２以下に設定されている構成とし
た。
オードは、窒素を添加しない緑色発光ダイオードであっ
て、ＧａＰ基板上に、浅いエネルギ準位を有する不純物
を低濃度で添加した結晶性のよい三元混晶のＡｌy Ｇａ
1-y Ｐ層と、これに高い格子整合度で形成して浅いエネ
ルギ準位を有する不純物をｎ型の場合１〜４×１０17ｃ
ｍ-3の比較的高濃度で添加した結晶性のよいＧａＰ発光
層と、このＧａＰ発光層と反対の導電型であって浅いエ
ネルギ準位を有する不純物をＧａＰ発光層より高濃度で
添加した結晶性のよいＧａＰ層とを備えており、ＧａＰ
発光層と導電型の反対なＧａＰ層とでｐｎ接合を形成
し、組成ｙが０．２２以下に設定されている構成とし
た。
【００１３】
【作用】このような構成の緑色発光ダイオードでは、浅
いエネルギ準位を有する不純物を高濃度で添加した結晶
欠陥の極めて少ないＧａＰ発光層において、順方向に電
圧を印加すると電子と正孔がＧａＰ発光層に注入され、
これらの対により自由励起子が生じ、自由励起子のフォ
ノンの放出・吸収を伴う再結合によって室温で発光強度
の極めて大きい緑色発光が生じる。また、ＧａＰ基板と
ＧａＰ発光層との間に形成した結晶性のよいＡｌy Ｇａ
1- y Ｐ層により、自由励起子が結晶性の悪い基板側へ拡
散することを防止するとともに、Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層に
より形成される電位障壁によって電子及び正孔の拡散が
抑止されてＧａＰ発光層内に効果的に閉じ込められ、自
由励起子の発光強度が格段に大きくなる。さらに、ｐｎ
接合を形成するＧａＰ発光層とＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層との
間に設けたなだらかなＡｌ組成変移領域により、ヘテロ
接合領域の電子の電位障壁が小さくなり、順方向電圧に
対する電子の注入効率が向上する。また、Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層上に、浅いエネルギ準位を有する不純物を高濃
度で添加したＧａＰ電極層を形成することにより低抵抗
電極層が形成されるので、電圧印加による注入効率が向
上する。
いエネルギ準位を有する不純物を高濃度で添加した結晶
欠陥の極めて少ないＧａＰ発光層において、順方向に電
圧を印加すると電子と正孔がＧａＰ発光層に注入され、
これらの対により自由励起子が生じ、自由励起子のフォ
ノンの放出・吸収を伴う再結合によって室温で発光強度
の極めて大きい緑色発光が生じる。また、ＧａＰ基板と
ＧａＰ発光層との間に形成した結晶性のよいＡｌy Ｇａ
1- y Ｐ層により、自由励起子が結晶性の悪い基板側へ拡
散することを防止するとともに、Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層に
より形成される電位障壁によって電子及び正孔の拡散が
抑止されてＧａＰ発光層内に効果的に閉じ込められ、自
由励起子の発光強度が格段に大きくなる。さらに、ｐｎ
接合を形成するＧａＰ発光層とＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層との
間に設けたなだらかなＡｌ組成変移領域により、ヘテロ
接合領域の電子の電位障壁が小さくなり、順方向電圧に
対する電子の注入効率が向上する。また、Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層上に、浅いエネルギ準位を有する不純物を高濃
度で添加したＧａＰ電極層を形成することにより低抵抗
電極層が形成されるので、電圧印加による注入効率が向
上する。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の緑色発光ダイオードの好適な
実施例を図面を参照して詳細に説明する。図１はこの緑
色発光ダイオードの第１の実施例における構成を示す断
面図である。図１において、緑色発光ダイオード１０
は、Ｚｎをドープしたｐ型ＧａＰ基板１２と、浅いエネ
ルギ準位を有する不純物をドープしたｐ型ＧａＰ発光層
１４と、浅いエネルギ準位を有する不純物をドープした
ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１６とを有しており、ｐ型Ｇａ
Ｐ基板１２には穴あきｐ電極１１を形成し、この穴あき
ｐ電極１１に対応した緑色発光ダイオードの反対側のｎ
型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１６に円板状のｎ電極１７を形成
している。
実施例を図面を参照して詳細に説明する。図１はこの緑
色発光ダイオードの第１の実施例における構成を示す断
面図である。図１において、緑色発光ダイオード１０
は、Ｚｎをドープしたｐ型ＧａＰ基板１２と、浅いエネ
ルギ準位を有する不純物をドープしたｐ型ＧａＰ発光層
１４と、浅いエネルギ準位を有する不純物をドープした
ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１６とを有しており、ｐ型Ｇａ
Ｐ基板１２には穴あきｐ電極１１を形成し、この穴あき
ｐ電極１１に対応した緑色発光ダイオードの反対側のｎ
型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１６に円板状のｎ電極１７を形成
している。
【００１５】この第１の実施例のようにＧａＰ発光層が
ｐ型の場合、浅いエネルギ準位を有する不純物としてＺ
ｎを添加し、０．０６ｅＶ程度の浅いアクセプタ準位を
形成している。またｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層も０．１ｅ
Ｖ程度の浅いドナー準位を形成する。なお、ＧａＰ発光
層がｎ型の場合、浅いエネルギ準位を有する不純物とし
ては例えばＳ、Ｓｅ又はＴｅを添加し、ドナー準位とし
て０．１ｅＶ程度の浅いエネルギ準位を形成し、またｐ
型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層も０．０６ｅＶ程度の浅いアクセ
プタを形成する。
ｐ型の場合、浅いエネルギ準位を有する不純物としてＺ
ｎを添加し、０．０６ｅＶ程度の浅いアクセプタ準位を
形成している。またｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層も０．１ｅ
Ｖ程度の浅いドナー準位を形成する。なお、ＧａＰ発光
層がｎ型の場合、浅いエネルギ準位を有する不純物とし
ては例えばＳ、Ｓｅ又はＴｅを添加し、ドナー準位とし
て０．１ｅＶ程度の浅いエネルギ準位を形成し、またｐ
型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層も０．０６ｅＶ程度の浅いアクセ
プタを形成する。
【００１６】浅いエネルギ準位を有する不純物の濃度は
次のようにして決定する。図２は、本発明による緑色発
光ダイオードの室温でのｐ型ＧａＰ発光層における自由
励起子の発光強度とアクセプタ不純物濃度との関係を示
す図である。図３は、本発明による緑色発光ダイオード
の液体窒素温度でのｐ型ＧａＰ発光層における自由励起
子の発光強度とアクセプタ不純物濃度との関係を示す図
である。ｐ型不純物のＺｎ（亜鉛）を添加したＧａＰエ
ピタキシャル発光層の場合、図２に示したように、自由
励起子の発光効率は、不純物濃度１×１０18ｃｍ-3でも
飽和することなく上昇し続ける。また、図３から明らか
なように、Ｚｎ（亜鉛）添加のＧａＰエピタキシャル発
光層の場合は、液体窒素温度のような低温度では高純
度、即ち低不純物濃度の方が自由励起子の発光効率が高
い。そこで、第１の実施例に係るｐｎ接合では、主に発
光効率を高めるために高不純物濃度のｐ型層で発光を生
じさせるものである。
次のようにして決定する。図２は、本発明による緑色発
光ダイオードの室温でのｐ型ＧａＰ発光層における自由
励起子の発光強度とアクセプタ不純物濃度との関係を示
す図である。図３は、本発明による緑色発光ダイオード
の液体窒素温度でのｐ型ＧａＰ発光層における自由励起
子の発光強度とアクセプタ不純物濃度との関係を示す図
である。ｐ型不純物のＺｎ（亜鉛）を添加したＧａＰエ
ピタキシャル発光層の場合、図２に示したように、自由
励起子の発光効率は、不純物濃度１×１０18ｃｍ-3でも
飽和することなく上昇し続ける。また、図３から明らか
なように、Ｚｎ（亜鉛）添加のＧａＰエピタキシャル発
光層の場合は、液体窒素温度のような低温度では高純
度、即ち低不純物濃度の方が自由励起子の発光効率が高
い。そこで、第１の実施例に係るｐｎ接合では、主に発
光効率を高めるために高不純物濃度のｐ型層で発光を生
じさせるものである。
【００１７】ところで、ホモｐｎ接合ではｐ型層側への
注入効率は、およそｎ型層側の不純物濃度Ｎとｐ型層側
の不純物濃度Ｐの比で与えられるが（Ｎ／Ｐ）、ｐ型層
側の不純物濃度Ｐを高くすると、ｎ型層側の不純物濃度
Ｎも高くしなければ、ｐ型層側で発光させることができ
ない。しかし、図１３に関して説明したように、ｎ型不
純物の場合、自由励起子の発光効率は不純物濃度を高濃
度にしたとき、１×１０１７ｃｍ−３までは一定の関係
（線形）で上昇するが、それ以上では殆ど変わらず、さ
らに濃度が高くなるに従って結晶内に欠陥が発生する傾
向が強くなることから、ｎ型不純物濃度を１×１０１７
ｃｍ−３程度にするのが望ましい。したがって、ホモ接
合ではｎ型不純物濃度を１０１８ｃｍ−３程度以上にで
きないから、発光層であるｐ型ＧａＰ層を１０１８ｃｍ
−３の程度まで高不純物濃度にしても高効率発光は実質
的に得られない。そこで、この実施例では注入層として
ｎ型ＧａＰ層を使用せず、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＰ層を
注入層とするヘテロ接合構造とする。
注入効率は、およそｎ型層側の不純物濃度Ｎとｐ型層側
の不純物濃度Ｐの比で与えられるが（Ｎ／Ｐ）、ｐ型層
側の不純物濃度Ｐを高くすると、ｎ型層側の不純物濃度
Ｎも高くしなければ、ｐ型層側で発光させることができ
ない。しかし、図１３に関して説明したように、ｎ型不
純物の場合、自由励起子の発光効率は不純物濃度を高濃
度にしたとき、１×１０１７ｃｍ−３までは一定の関係
（線形）で上昇するが、それ以上では殆ど変わらず、さ
らに濃度が高くなるに従って結晶内に欠陥が発生する傾
向が強くなることから、ｎ型不純物濃度を１×１０１７
ｃｍ−３程度にするのが望ましい。したがって、ホモ接
合ではｎ型不純物濃度を１０１８ｃｍ−３程度以上にで
きないから、発光層であるｐ型ＧａＰ層を１０１８ｃｍ
−３の程度まで高不純物濃度にしても高効率発光は実質
的に得られない。そこで、この実施例では注入層として
ｎ型ＧａＰ層を使用せず、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＰ層を
注入層とするヘテロ接合構造とする。
【００１８】ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層の不純物濃度は、
格子欠陥の発生を防止するために、ｐ型ＧａＰ層の不純
物濃度より低く１０17ｃｍ-3の程度に形成する。この場
合ｐ型ＧａＰ層の不純物濃度を１０18ｃｍ-3の程度にし
ても、ｐ型ＧａＰ層とｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層の価電子
帯に電位障壁が形成されるから、正孔がｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層へ注入されることが阻止され、高い注入効率が
得られる。第１の実施例ではｐ型ＧａＰ発光層のｐ型不
純物濃度を１〜３×１０18ｃｍ-3、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x
Ｐ層のｎ型不純物濃度を１×１０17ｃｍ-3に形成する構
成とした。
格子欠陥の発生を防止するために、ｐ型ＧａＰ層の不純
物濃度より低く１０17ｃｍ-3の程度に形成する。この場
合ｐ型ＧａＰ層の不純物濃度を１０18ｃｍ-3の程度にし
ても、ｐ型ＧａＰ層とｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層の価電子
帯に電位障壁が形成されるから、正孔がｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層へ注入されることが阻止され、高い注入効率が
得られる。第１の実施例ではｐ型ＧａＰ発光層のｐ型不
純物濃度を１〜３×１０18ｃｍ-3、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x
Ｐ層のｎ型不純物濃度を１×１０17ｃｍ-3に形成する構
成とした。
【００１９】次に、緑色発光ダイオード１０の製造方法
について説明する。緑色発光ダイオード１０は、例えば
蒸気圧制御法と温度差法のエピタキシャル成長法を用い
て適当な温度におけるプロセス条件の下で結晶成長を行
うことにより製造される。本実施例では、Ｚｎドープｐ
型ＧａＰ基板単結晶上にＺｎドープｐ型ＧａＰ発光層を
３０〜５０μｍの厚さで形成し、ｐ型不純物濃度を１〜
３×１０18ｃｍ-3の間の値にし高不純物濃度層としてエ
ピタキシャル成長させる。引き続いて、ｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層を、組成ｘが０．１４、また不純物が硫黄
（Ｓ）又はテルル（Ｔｅ）で、その不純物濃度が１×１
０17ｃｍ-3の低不純物濃度層として、この場合厚さが５
μｍでエピタキシャル成長させる。
について説明する。緑色発光ダイオード１０は、例えば
蒸気圧制御法と温度差法のエピタキシャル成長法を用い
て適当な温度におけるプロセス条件の下で結晶成長を行
うことにより製造される。本実施例では、Ｚｎドープｐ
型ＧａＰ基板単結晶上にＺｎドープｐ型ＧａＰ発光層を
３０〜５０μｍの厚さで形成し、ｐ型不純物濃度を１〜
３×１０18ｃｍ-3の間の値にし高不純物濃度層としてエ
ピタキシャル成長させる。引き続いて、ｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層を、組成ｘが０．１４、また不純物が硫黄
（Ｓ）又はテルル（Ｔｅ）で、その不純物濃度が１×１
０17ｃｍ-3の低不純物濃度層として、この場合厚さが５
μｍでエピタキシャル成長させる。
【００２０】このとき、高効率で自由励起子発光を生じ
るｐｎ接合型発光ダイオードを得るためには、ｐ型Ｇａ
Ｐ発光層１４とｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１６とを結晶性
よく高い格子整合度でエピタキシャル成長させる必要が
ある。この実施例ではＡｌの組成比ｘ＝０．１４で、格
子不整合度が０．０３％程度に形成されている。なお、
Ａｌの組成比ｘ＝０．２２以下、すなわち、格子不整合
度が４．８×１０-4（０．０４８％）程度以下に格子整
合したとき、両層の界面に実質的に欠陥を生じることな
く、自由励起子を有効に閉じ込めることができる。
るｐｎ接合型発光ダイオードを得るためには、ｐ型Ｇａ
Ｐ発光層１４とｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１６とを結晶性
よく高い格子整合度でエピタキシャル成長させる必要が
ある。この実施例ではＡｌの組成比ｘ＝０．１４で、格
子不整合度が０．０３％程度に形成されている。なお、
Ａｌの組成比ｘ＝０．２２以下、すなわち、格子不整合
度が４．８×１０-4（０．０４８％）程度以下に格子整
合したとき、両層の界面に実質的に欠陥を生じることな
く、自由励起子を有効に閉じ込めることができる。
【００２１】このような成長方法によって、エピタキシ
ャル成長された発光層は結晶性が極めてよい。この実施
例では、格子欠陥に起因する深い準位の密度が１０14ｃ
ｍ-3以下であり、通常のＧａＰ結晶中の深い準位密度１
０15ｃｍ-3〜１０16ｃｍ-3に比べて極めて結晶性がよく
形成されている。なお、本発明の実施例のように結晶性
の高いＧａＰは室温で深い準位に起因する発光（通常、
赤色〜赤外帯）を全く観測しない。これに対して結晶性
の悪い結晶ではバンドギャップ近くの波長に相当する純
緑色帯（５５０ｎｍ）で強く発光しないで、深い準位に
基づく赤色〜赤外帯の発光を呈する。
ャル成長された発光層は結晶性が極めてよい。この実施
例では、格子欠陥に起因する深い準位の密度が１０14ｃ
ｍ-3以下であり、通常のＧａＰ結晶中の深い準位密度１
０15ｃｍ-3〜１０16ｃｍ-3に比べて極めて結晶性がよく
形成されている。なお、本発明の実施例のように結晶性
の高いＧａＰは室温で深い準位に起因する発光（通常、
赤色〜赤外帯）を全く観測しない。これに対して結晶性
の悪い結晶ではバンドギャップ近くの波長に相当する純
緑色帯（５５０ｎｍ）で強く発光しないで、深い準位に
基づく赤色〜赤外帯の発光を呈する。
【００２２】ところで、本発明では格子整合度が極めて
よい半導体とエピタキシャル層の組合せを選択すること
が重要である。ＧａＰ基板とＡｌＧａＰ層との格子定数
の不整合度の最大値は、文献（「Semiconductor Raman
Lasers」,Ken Suto, Jun-ichi Nishizawa, Artech Hous
e, Inc. ）によれば、２．２×１０-3である。ＧａＡｓ
基板上のＡｌＧａＡｓ層も１．６×１０-3であり、同程
度に極めて小さな不整合度である。他の III−Ｖ族の３
元混晶と基板結晶の組合せでは格子不整合度の最大値は
１０-2の程度であることに比べると、ＧａＰ基板上のＡ
ｌＧａＰ層の格子整合度は大変高いが、このような優れ
た組合せにおいても、格子定数の差は発光効率を低下さ
せる格子欠陥を発生させる。しかし、Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ
層の組成ｘを小さくすると格子不整合度は、ほぼ組成ｘ
に比例して小さくなり、実質的に自由励起子発光に影響
を与えない程度までに格子欠陥を減らすことができる。
この場合、組成ｘを小さくしすぎると自由励起子や過剰
少数キャリアの拡散を阻止する電位障壁が小さくなりす
ぎる。
よい半導体とエピタキシャル層の組合せを選択すること
が重要である。ＧａＰ基板とＡｌＧａＰ層との格子定数
の不整合度の最大値は、文献（「Semiconductor Raman
Lasers」,Ken Suto, Jun-ichi Nishizawa, Artech Hous
e, Inc. ）によれば、２．２×１０-3である。ＧａＡｓ
基板上のＡｌＧａＡｓ層も１．６×１０-3であり、同程
度に極めて小さな不整合度である。他の III−Ｖ族の３
元混晶と基板結晶の組合せでは格子不整合度の最大値は
１０-2の程度であることに比べると、ＧａＰ基板上のＡ
ｌＧａＰ層の格子整合度は大変高いが、このような優れ
た組合せにおいても、格子定数の差は発光効率を低下さ
せる格子欠陥を発生させる。しかし、Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ
層の組成ｘを小さくすると格子不整合度は、ほぼ組成ｘ
に比例して小さくなり、実質的に自由励起子発光に影響
を与えない程度までに格子欠陥を減らすことができる。
この場合、組成ｘを小さくしすぎると自由励起子や過剰
少数キャリアの拡散を阻止する電位障壁が小さくなりす
ぎる。
【００２３】したがって、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層の最
適な組成ｘは、緑色発光ダイオードの自由励起子発光強
度と上記格子整合する条件により決定する。図４は緑色
発光ダイオードのＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層のＡｌ組成と自由
励起子の発光強度との関係を示す図である。図４に示す
ように 組成ｘが０．２２以上になると、格子不整合の
度合いが大きくなり自由励起子の発光効率を阻害する欠
陥を生じる結果、発光効率は逆に減少に転じるため、組
成ｘを０．２２以下に設定することが望ましい。また、
組成ｘの好適な範囲としては、図４から明らかなように
０．０６〜０．１５の範囲のとき最も自由励起子発光強
度が高い。
適な組成ｘは、緑色発光ダイオードの自由励起子発光強
度と上記格子整合する条件により決定する。図４は緑色
発光ダイオードのＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層のＡｌ組成と自由
励起子の発光強度との関係を示す図である。図４に示す
ように 組成ｘが０．２２以上になると、格子不整合の
度合いが大きくなり自由励起子の発光効率を阻害する欠
陥を生じる結果、発光効率は逆に減少に転じるため、組
成ｘを０．２２以下に設定することが望ましい。また、
組成ｘの好適な範囲としては、図４から明らかなように
０．０６〜０．１５の範囲のとき最も自由励起子発光強
度が高い。
【００２４】この実施例ではｐ型ＧａＰ基板を使用した
が、ｎ型ＧａＰ基板を使用する場合、ｎ型領域の不純物
濃度を十分高くすることは格子欠陥の発生原因となるの
で好ましくない。そこで、後述する第４の実施例と第５
の実施例のようにｎ型領域を十分狭く形成する。
が、ｎ型ＧａＰ基板を使用する場合、ｎ型領域の不純物
濃度を十分高くすることは格子欠陥の発生原因となるの
で好ましくない。そこで、後述する第４の実施例と第５
の実施例のようにｎ型領域を十分狭く形成する。
【００２５】次に実施例１の作用について説明する。図
５は第１の実施例の緑色発光ダイオードにおけるヘテロ
構造エネルギ帯を示す図である。図１及び図５を参照し
て、電極に順方向電圧を加えると、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x
Ｐ層から電子ｅがヘテロ界面の電位障壁を越えてｐ型Ｇ
ａＰ発光層の伝導帯に注入されるとともに、発光層の価
電子帯に正孔ｈが流入し、正孔ｈと過剰な電子ｅとが一
対になり自由励起子Ａを形成する。一方、ｐ型ＧａＰ発
光層の浅いエネルギ準位を有する不純物が高濃度である
ため、自由励起子がフォノンとフォトンを放出して消滅
し、ＧａＰ発光層のフォノンと自由励起子との相互作用
が生じて自由励起子のフォノンの放出及び吸収を伴う再
結合によって、室温で緑色発光が生じるようになる。ま
た、ｐ型ＧａＰ発光層１４とｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１
６の格子整合度がよく、さらに結晶完全性が極めて高い
ため、自由励起子が格子欠陥に捕らえられずに発光する
ので、発光強度が大きくなる。
５は第１の実施例の緑色発光ダイオードにおけるヘテロ
構造エネルギ帯を示す図である。図１及び図５を参照し
て、電極に順方向電圧を加えると、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x
Ｐ層から電子ｅがヘテロ界面の電位障壁を越えてｐ型Ｇ
ａＰ発光層の伝導帯に注入されるとともに、発光層の価
電子帯に正孔ｈが流入し、正孔ｈと過剰な電子ｅとが一
対になり自由励起子Ａを形成する。一方、ｐ型ＧａＰ発
光層の浅いエネルギ準位を有する不純物が高濃度である
ため、自由励起子がフォノンとフォトンを放出して消滅
し、ＧａＰ発光層のフォノンと自由励起子との相互作用
が生じて自由励起子のフォノンの放出及び吸収を伴う再
結合によって、室温で緑色発光が生じるようになる。ま
た、ｐ型ＧａＰ発光層１４とｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１
６の格子整合度がよく、さらに結晶完全性が極めて高い
ため、自由励起子が格子欠陥に捕らえられずに発光する
ので、発光強度が大きくなる。
【００２６】図５に示すような価電子帯の電位障壁５２
の場合、ｐ型ＧａＰ発光層からのｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ
層への正孔の拡散が抑止されるため注入効率を高めるこ
とができ、その結果自由励起子の発生効率が高まる。こ
の電位障壁５２を高くするにはＡｌ組成比ｘを大きくす
る方がよいが、格子整合度との関係もあり、ｘが０．２
２以下が望ましい。しかし、電子に対してはＧａＡｓ−
ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ接合の場合と全く異なり、伝導帯
のヘテロ接合面に実線で示したように、ｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層（ｘ＝０．２２）とｐ型ＧａＰ発光層とをヘテ
ロ接合させたままでは電位障壁５４がＧａＰ発光層側で
高くなってしまい、発光層に電子を注入するとき順方向
電圧が大きくなってしまう。
の場合、ｐ型ＧａＰ発光層からのｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ
層への正孔の拡散が抑止されるため注入効率を高めるこ
とができ、その結果自由励起子の発生効率が高まる。こ
の電位障壁５２を高くするにはＡｌ組成比ｘを大きくす
る方がよいが、格子整合度との関係もあり、ｘが０．２
２以下が望ましい。しかし、電子に対してはＧａＡｓ−
ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ接合の場合と全く異なり、伝導帯
のヘテロ接合面に実線で示したように、ｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層（ｘ＝０．２２）とｐ型ＧａＰ発光層とをヘテ
ロ接合させたままでは電位障壁５４がＧａＰ発光層側で
高くなってしまい、発光層に電子を注入するとき順方向
電圧が大きくなってしまう。
【００２７】この伝導帯の電位障壁５４を実際上問題に
ならないくらい小さくするには、図５中に点線で示した
ように、完全にシャープなへテロ界面とせずに、１００
〜数１００ÅのなだらかなＡｌ組成変移領域を設けるこ
とが望ましい。液相成長ではこの変移領域は相互拡散に
よって自然に形成することが可能である。このようなｎ
型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層（ｘ＝０．２２）とｐ型ＧａＰ発
光層との間に、なだらかなＡｌ組成変移領域を設けるこ
とにより、ヘテロ接合領域の電子の電位障壁５４を小さ
くでき、順方向電圧に対する電子の注入効率が向上し、
その結果自由励起子の発光強度が大きくなる。
ならないくらい小さくするには、図５中に点線で示した
ように、完全にシャープなへテロ界面とせずに、１００
〜数１００ÅのなだらかなＡｌ組成変移領域を設けるこ
とが望ましい。液相成長ではこの変移領域は相互拡散に
よって自然に形成することが可能である。このようなｎ
型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層（ｘ＝０．２２）とｐ型ＧａＰ発
光層との間に、なだらかなＡｌ組成変移領域を設けるこ
とにより、ヘテロ接合領域の電子の電位障壁５４を小さ
くでき、順方向電圧に対する電子の注入効率が向上し、
その結果自由励起子の発光強度が大きくなる。
【００２８】次に、第２の実施例について説明する。図
６は第２の実施例の構成を示す断面図である。なお、図
６では第１の実施例のような電極は図示を省略してお
り、以下に示す他の実施例についても同様である。図６
に示すように、第２の実施例は第１の実施例におけるｐ
型ＧａＰ基板とｐ型ＧａＰ発光層との間に、ｐ型Ａｌy
Ｇａ1-y Ｐ層２３を設ける構成である。この第２の実施
例では、ｐ型ＧａＰ発光層２４の厚さを２０μｍとし、
ｐ型ＧａＰ基板２２とｐ型ＧａＰ発光層２４との間にｐ
型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３を、組成ｙが０．１、また不
純物がＺｎ又はＭｇで、その不純物濃度が１×１０17ｃ
ｍ-3になるように形成している。
６は第２の実施例の構成を示す断面図である。なお、図
６では第１の実施例のような電極は図示を省略してお
り、以下に示す他の実施例についても同様である。図６
に示すように、第２の実施例は第１の実施例におけるｐ
型ＧａＰ基板とｐ型ＧａＰ発光層との間に、ｐ型Ａｌy
Ｇａ1-y Ｐ層２３を設ける構成である。この第２の実施
例では、ｐ型ＧａＰ発光層２４の厚さを２０μｍとし、
ｐ型ＧａＰ基板２２とｐ型ＧａＰ発光層２４との間にｐ
型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３を、組成ｙが０．１、また不
純物がＺｎ又はＭｇで、その不純物濃度が１×１０17ｃ
ｍ-3になるように形成している。
【００２９】なお、ｐ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３の組成
比ｙは図４に基づき自由励起子発光強度と格子整合条件
により決定したものであり、０．２２以下であればよい
が、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層２６の組成ｘと同じ値であ
る必要はない。また、ｐ型ＧａＰ発光層２４とｎ型Ａｌ
x Ｇａ1-x Ｐ層２６（ｘ＝０．２２）は、第１の実施例
と同様に浅いエネルギ準位を有する不純物を添加して形
成され、その成長方法も同様である。
比ｙは図４に基づき自由励起子発光強度と格子整合条件
により決定したものであり、０．２２以下であればよい
が、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層２６の組成ｘと同じ値であ
る必要はない。また、ｐ型ＧａＰ発光層２４とｎ型Ａｌ
x Ｇａ1-x Ｐ層２６（ｘ＝０．２２）は、第１の実施例
と同様に浅いエネルギ準位を有する不純物を添加して形
成され、その成長方法も同様である。
【００３０】次に、第２の実施例の作用について説明す
る。図７は第２の実施例のヘテロ構造エネルギ帯を示す
図である。図７に示すように、自由励起子のフォノンの
放出と吸収を伴う再結合によって室温で緑色発光が生
じ、第１の実施例と同様の作用効果を有している。しか
し、ｐ型ＧａＰ基板２２と発光層であるｐ型ＧａＰ層２
４との間に、更に結晶性と格子整合度が極めてよく電位
障壁としてのＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３を設けたことによ
り、自由励起子Ａが結晶性の悪い基板に拡散することが
防止され、自由励起子の発光効率をいっそう高めること
ができる。
る。図７は第２の実施例のヘテロ構造エネルギ帯を示す
図である。図７に示すように、自由励起子のフォノンの
放出と吸収を伴う再結合によって室温で緑色発光が生
じ、第１の実施例と同様の作用効果を有している。しか
し、ｐ型ＧａＰ基板２２と発光層であるｐ型ＧａＰ層２
４との間に、更に結晶性と格子整合度が極めてよく電位
障壁としてのＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３を設けたことによ
り、自由励起子Ａが結晶性の悪い基板に拡散することが
防止され、自由励起子の発光効率をいっそう高めること
ができる。
【００３１】また、ＧａＰ発光層２４はｎ型Ａｌx Ｇａ
1-x Ｐ層２６とＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３との狭い領域に
限定して形成されているので、発光層の正孔ｈ及び自由
励起子Ａは両側の電位障壁７２，７３によって有効に閉
じ込められ、さらに発光層に注入された電子ｅは電位障
壁Ｕによって拡散が抑止されるので、発光層で注入され
る電子ｅと正孔ｈの対が多くなり自由励起子Ａの発光効
率が格段に向上する。なお、電位障壁ＵはＡｌＧａＰ半
導体の禁制帯幅とＧａＰ半導体の禁制帯幅の差程度であ
る。
1-x Ｐ層２６とＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３との狭い領域に
限定して形成されているので、発光層の正孔ｈ及び自由
励起子Ａは両側の電位障壁７２，７３によって有効に閉
じ込められ、さらに発光層に注入された電子ｅは電位障
壁Ｕによって拡散が抑止されるので、発光層で注入され
る電子ｅと正孔ｈの対が多くなり自由励起子Ａの発光効
率が格段に向上する。なお、電位障壁ＵはＡｌＧａＰ半
導体の禁制帯幅とＧａＰ半導体の禁制帯幅の差程度であ
る。
【００３２】図８は緑色発光ダイオードの第１と第２の
実施例におけるＧａＰ発光層の厚さと自由励起子の発光
強度との関係を示す図である。図８における■印は第１
の実施例におけるＧａＰ発光層の厚さと自由励起子の発
光強度との関係を示し、▲印は第２の実施例におけるＧ
ａＰ発光層の厚さと自由励起子の発光強度との関係を示
している。図８からわかるように、第２の実施例でｐ型
Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３を設けることにより、図８にお
いて実線で示したように、ＧａＰ発光層の厚さが２０μ
ｍ以下でも効率よく発光させることができる。上記の作
用を持つ障壁層であるｐ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層が無い第
１の実施例の場合、図中の点線で示したように２０μｍ
以下は殆ど発光しない。したがって、第２の実施例のよ
うに、ＧａＰ基板とＧａＰ発光層との間に、障壁層であ
るＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層を設ける構成とすることにより、
自由励起子の発光強度を高めることができるとともに、
上記障壁層のない構造に比べ発光層の厚さを薄く形成で
きる。
実施例におけるＧａＰ発光層の厚さと自由励起子の発光
強度との関係を示す図である。図８における■印は第１
の実施例におけるＧａＰ発光層の厚さと自由励起子の発
光強度との関係を示し、▲印は第２の実施例におけるＧ
ａＰ発光層の厚さと自由励起子の発光強度との関係を示
している。図８からわかるように、第２の実施例でｐ型
Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層２３を設けることにより、図８にお
いて実線で示したように、ＧａＰ発光層の厚さが２０μ
ｍ以下でも効率よく発光させることができる。上記の作
用を持つ障壁層であるｐ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層が無い第
１の実施例の場合、図中の点線で示したように２０μｍ
以下は殆ど発光しない。したがって、第２の実施例のよ
うに、ＧａＰ基板とＧａＰ発光層との間に、障壁層であ
るＡｌy Ｇａ1-y Ｐ層を設ける構成とすることにより、
自由励起子の発光強度を高めることができるとともに、
上記障壁層のない構造に比べ発光層の厚さを薄く形成で
きる。
【００３３】次に、第３の実施例を説明する。図９は第
３の実施例の構成を示す断面図である。図９に示すよう
に、緑色発光ダイオード３０は、ｐ型ＧａＰ基板３２上
に、厚さが５ミクロンでＡｌ組成ｙ＝０．１で不純物濃
度が１×１０17ｃｍ-3のｐ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層３３
と、厚さが２０μｍで不純物濃度が１〜３×１０18ｃｍ
-3のｐ型ＧａＰ発光層３４と、厚さが５μｍでＡｌ組成
ｘが０．１４で不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のｎ型Ａ
ｌx Ｇａ1-x Ｐ層３６とを備えている。さらにこの第３
の実施例では、第２の実施例のｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層
２６が電極層としての抵抗が高いので、図９に示すｎ型
Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層３６を形成後、更にｎ型ＧａＰ電極
層３８を設ける構成である。
３の実施例の構成を示す断面図である。図９に示すよう
に、緑色発光ダイオード３０は、ｐ型ＧａＰ基板３２上
に、厚さが５ミクロンでＡｌ組成ｙ＝０．１で不純物濃
度が１×１０17ｃｍ-3のｐ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層３３
と、厚さが２０μｍで不純物濃度が１〜３×１０18ｃｍ
-3のｐ型ＧａＰ発光層３４と、厚さが５μｍでＡｌ組成
ｘが０．１４で不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のｎ型Ａ
ｌx Ｇａ1-x Ｐ層３６とを備えている。さらにこの第３
の実施例では、第２の実施例のｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層
２６が電極層としての抵抗が高いので、図９に示すｎ型
Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層３６を形成後、更にｎ型ＧａＰ電極
層３８を設ける構成である。
【００３４】このｎ型ＧａＰ電極層３８は、厚さが０．
５μｍで不純物が硫黄（Ｓ）又はテルル（Ｔｅ）で、そ
の不純物濃度が５×１０18ｃｍ-3になるように形成して
いるが、１〜５×１０18ｃｍ-3程度でよい。その他の構
成及び成長方法は第２の実施例と同様である。
５μｍで不純物が硫黄（Ｓ）又はテルル（Ｔｅ）で、そ
の不純物濃度が５×１０18ｃｍ-3になるように形成して
いるが、１〜５×１０18ｃｍ-3程度でよい。その他の構
成及び成長方法は第２の実施例と同様である。
【００３５】このようなｎ型ＧａＰ電極層３８を設ける
ことにより低抵抗電極層を形成することができる。な
お、第１の実施例においてもｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１
６の上に、上記と同様のｎ型ＧａＰ電極層を設けてもよ
い。
ことにより低抵抗電極層を形成することができる。な
お、第１の実施例においてもｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層１
６の上に、上記と同様のｎ型ＧａＰ電極層を設けてもよ
い。
【００３６】次に、第４の実施例を説明する。図１０は
第４の実施例の構成を示す断面図である。第４の実施例
は第３の実施例の伝導型を逆にしたものであるが、発光
層をｎ型としているため、図１３に関して説明したよう
に不純物濃度は１０17ｃｍ-3程度まで高濃度にできる
が、ｐ型ＧａＰ発光層のように１０18ｃｍ-3の程度まで
高濃度にすることは格子欠陥を発生させることから好ま
しくない。したがって、発光層の不純物濃度が１０17ｃ
ｍ-3程度であっても自由励起子発光効率を格段に高める
ためには、ｎ型発光層の厚さを２０μｍより十分狭く形
成するのが効果的である。以下、第４の実施例を詳細に
説明する。
第４の実施例の構成を示す断面図である。第４の実施例
は第３の実施例の伝導型を逆にしたものであるが、発光
層をｎ型としているため、図１３に関して説明したよう
に不純物濃度は１０17ｃｍ-3程度まで高濃度にできる
が、ｐ型ＧａＰ発光層のように１０18ｃｍ-3の程度まで
高濃度にすることは格子欠陥を発生させることから好ま
しくない。したがって、発光層の不純物濃度が１０17ｃ
ｍ-3程度であっても自由励起子発光効率を格段に高める
ためには、ｎ型発光層の厚さを２０μｍより十分狭く形
成するのが効果的である。以下、第４の実施例を詳細に
説明する。
【００３７】図１０において、緑色発光ダイオード４０
は、ｎ型ＧａＰ基板４２上に、厚さが２〜５μｍでＡｌ
組成ｙ＝０．１〜０．１７で不純物濃度が１〜４×１０
17ｃｍ-3のｎ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層４３と、厚さが２〜
２０μｍで不純物濃度が０．５〜２×１０17ｃｍ-3のｎ
型ＧａＰ発光層４４と、厚さが１〜３μｍでＡｌ組成ｙ
＝０．１〜０．１７で不純物濃度が２〜８×１０17ｃｍ
-3のｐ型Ａｌx Ｇａ1- x Ｐ層４６と、厚さが０．１〜１
μｍで不純物濃度が１〜５×１０18ｃｍ-3のｐ型ＧａＰ
電極層４８を備える構成である。ｎ型領域の不純物は硫
黄（Ｓ）又はテルル（Ｔｅ）、ｐ型領域の不純物は亜鉛
（Ｚｎ）又はマグネシウム（Ｍｇ）であり、各不純物は
浅いエネルギ準位を形成している。なお、この第４の実
施例の製造方法等は第２の実施例と同様である。
は、ｎ型ＧａＰ基板４２上に、厚さが２〜５μｍでＡｌ
組成ｙ＝０．１〜０．１７で不純物濃度が１〜４×１０
17ｃｍ-3のｎ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層４３と、厚さが２〜
２０μｍで不純物濃度が０．５〜２×１０17ｃｍ-3のｎ
型ＧａＰ発光層４４と、厚さが１〜３μｍでＡｌ組成ｙ
＝０．１〜０．１７で不純物濃度が２〜８×１０17ｃｍ
-3のｐ型Ａｌx Ｇａ1- x Ｐ層４６と、厚さが０．１〜１
μｍで不純物濃度が１〜５×１０18ｃｍ-3のｐ型ＧａＰ
電極層４８を備える構成である。ｎ型領域の不純物は硫
黄（Ｓ）又はテルル（Ｔｅ）、ｐ型領域の不純物は亜鉛
（Ｚｎ）又はマグネシウム（Ｍｇ）であり、各不純物は
浅いエネルギ準位を形成している。なお、この第４の実
施例の製造方法等は第２の実施例と同様である。
【００３８】次に第４の実施例の作用について説明す
る。図１１は第４の実施例の緑色発光ダイオードにおけ
るヘテロ構造エネルギ帯を示す図である。図１１に示す
ように、順方向電圧が印加されると、正孔ｈが発光層の
価電子帯に注入され、浅いエネルギ準位のドナーから伝
導帯に放出された電子と正孔ｈの対が自由励起子Ａを形
成する。ＧａＰ発光層の浅いエネルギ準位を有する不純
物濃度が比較的高濃度であるため、ＧａＰ発光層のフォ
ノンと自由励起子との相互作用が生じ、自由励起子のフ
ォノンの放出及び吸収を伴う再結合によって、室温で緑
色発光が生じるようになる。
る。図１１は第４の実施例の緑色発光ダイオードにおけ
るヘテロ構造エネルギ帯を示す図である。図１１に示す
ように、順方向電圧が印加されると、正孔ｈが発光層の
価電子帯に注入され、浅いエネルギ準位のドナーから伝
導帯に放出された電子と正孔ｈの対が自由励起子Ａを形
成する。ＧａＰ発光層の浅いエネルギ準位を有する不純
物濃度が比較的高濃度であるため、ＧａＰ発光層のフォ
ノンと自由励起子との相互作用が生じ、自由励起子のフ
ォノンの放出及び吸収を伴う再結合によって、室温で緑
色発光が生じるようになる。
【００３９】また、電位障壁となるｎ型Ａｌy Ｇａ1-y
Ｐ層４３を有しているから、自由励起子Ａが結晶性の悪
い基板に拡散することが防止され、自由励起子の発光効
率が向上する。さらに、ｎ型ＧａＰ発光層４４がｐ型Ａ
ｌx Ｇａ1-x Ｐ層４６とｎ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層４３の
狭い領域に形成されているから、この狭い領域に閉じ込
められた自由励起子は自由熱運動により層内の不純物と
何度も衝突するので、この衝突がフォノンを放出する再
結合の機会となる。したがって、格子欠陥量を増大させ
ることなく不純物濃度を増大させたのと同様の効果が得
られ、自由励起子の発光効率が格段に向上する。また、
高濃度のｐ型ＧａＰ電極層４８を形成しているから、極
めて低抵抗の電極層ができ、順方向電圧を有効に印加す
ることができ、電子及び正孔の注入効率が向上する。さ
らに、ｎ型ＧａＰ発光層を有する第４の実施例の場合、
正孔の拡散を抑制する電位障壁Ｕがｐ型ＧａＰ発光層を
有する構造より大きくできるので、正孔の閉じ込めを効
果的に行うことができる。
Ｐ層４３を有しているから、自由励起子Ａが結晶性の悪
い基板に拡散することが防止され、自由励起子の発光効
率が向上する。さらに、ｎ型ＧａＰ発光層４４がｐ型Ａ
ｌx Ｇａ1-x Ｐ層４６とｎ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層４３の
狭い領域に形成されているから、この狭い領域に閉じ込
められた自由励起子は自由熱運動により層内の不純物と
何度も衝突するので、この衝突がフォノンを放出する再
結合の機会となる。したがって、格子欠陥量を増大させ
ることなく不純物濃度を増大させたのと同様の効果が得
られ、自由励起子の発光効率が格段に向上する。また、
高濃度のｐ型ＧａＰ電極層４８を形成しているから、極
めて低抵抗の電極層ができ、順方向電圧を有効に印加す
ることができ、電子及び正孔の注入効率が向上する。さ
らに、ｎ型ＧａＰ発光層を有する第４の実施例の場合、
正孔の拡散を抑制する電位障壁Ｕがｐ型ＧａＰ発光層を
有する構造より大きくできるので、正孔の閉じ込めを効
果的に行うことができる。
【００４０】次に、第５の実施例について説明する。図
１２は第５の実施例の構成を示す断面図である。この第
５の実施例はｎ型ＧａＰ発光層を有するホモ接合型緑色
発光ダイオードである。図１２において、緑色発光ダイ
オード５０は、ｎ型ＧａＰ基板５２上に、厚さが５μｍ
でＡｌ組成ｙ＝０．１５のｎ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層５３
と、厚さが２０μｍで不純物濃度が１〜４×１０17ｃｍ
-3のｎ型ＧａＰ発光層５４と、厚さが１０μｍで不純物
濃度が１〜２×１０18ｃｍ-3のｐ型ＧａＰ層５６を形成
した構成である。ｎ型領域の不純物は硫黄（Ｓ）又はテ
ルル（Ｔｅ）、ｐ型領域の不純物は亜鉛（Ｚｎ）又はマ
グネシウム（Ｍｇ）であり、各不純物は浅いエネルギ準
位を形成している。第５の実施例は第１の実施例と同様
の成長方法により製造され、結晶性と格子整合度が極め
て良好に形成されている。
１２は第５の実施例の構成を示す断面図である。この第
５の実施例はｎ型ＧａＰ発光層を有するホモ接合型緑色
発光ダイオードである。図１２において、緑色発光ダイ
オード５０は、ｎ型ＧａＰ基板５２上に、厚さが５μｍ
でＡｌ組成ｙ＝０．１５のｎ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層５３
と、厚さが２０μｍで不純物濃度が１〜４×１０17ｃｍ
-3のｎ型ＧａＰ発光層５４と、厚さが１０μｍで不純物
濃度が１〜２×１０18ｃｍ-3のｐ型ＧａＰ層５６を形成
した構成である。ｎ型領域の不純物は硫黄（Ｓ）又はテ
ルル（Ｔｅ）、ｐ型領域の不純物は亜鉛（Ｚｎ）又はマ
グネシウム（Ｍｇ）であり、各不純物は浅いエネルギ準
位を形成している。第５の実施例は第１の実施例と同様
の成長方法により製造され、結晶性と格子整合度が極め
て良好に形成されている。
【００４１】この第５の実施例のホモ接合型緑色発光ダ
イオードは、浅いエネルギ準位を有する不純物を高濃度
でｎ型ＧａＰ発光層に添加しているから、ＧａＰ発光層
のフォノンと自由励起子との相互作用が生じ、自由励起
子のフォノンの放出及び吸収を伴う再結合によって、室
温で緑色発光が生じるようになる。また、ｎ型ＡｌyＧ
ａ1-y Ｐ層５３が形成されているから、ｎ型ＧａＰ発光
層に注入された正孔及び過剰の自由励起子が基板に拡散
して非発光再結合を生ずるのを防ぐことができ、発光層
の自由励起子の発光効率が格段に向上する。
イオードは、浅いエネルギ準位を有する不純物を高濃度
でｎ型ＧａＰ発光層に添加しているから、ＧａＰ発光層
のフォノンと自由励起子との相互作用が生じ、自由励起
子のフォノンの放出及び吸収を伴う再結合によって、室
温で緑色発光が生じるようになる。また、ｎ型ＡｌyＧ
ａ1-y Ｐ層５３が形成されているから、ｎ型ＧａＰ発光
層に注入された正孔及び過剰の自由励起子が基板に拡散
して非発光再結合を生ずるのを防ぐことができ、発光層
の自由励起子の発光効率が格段に向上する。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｇ
ａＰ系の発光ダイオードにおいて、自由励起子の発光効
率を格段に向上させ、これにより例えば特にファクシミ
リ等に対して有効に適用することができる等の利点があ
る。
ａＰ系の発光ダイオードにおいて、自由励起子の発光効
率を格段に向上させ、これにより例えば特にファクシミ
リ等に対して有効に適用することができる等の利点があ
る。
【図１】本発明の第１の実施例における構成を示す断面
図である。
図である。
【図２】本発明による緑色発光ダイオードの室温でのｐ
型ＧａＰ発光層における自由励起子の発光強度とアクセ
プタ不純物濃度との関係を示す図である。
型ＧａＰ発光層における自由励起子の発光強度とアクセ
プタ不純物濃度との関係を示す図である。
【図３】本発明による緑色発光ダイオードの液体窒素温
度でのｐ型ＧａＰ発光層における自由励起子の発光強度
とアクセプタ不純物濃度との関係を示す図である。
度でのｐ型ＧａＰ発光層における自由励起子の発光強度
とアクセプタ不純物濃度との関係を示す図である。
【図４】本発明による緑色発光ダイオードのＡｌx Ｇａ
1-x Ｐ層のＡｌ組成と自由励起子の発光強度との関係を
示す図である。
1-x Ｐ層のＡｌ組成と自由励起子の発光強度との関係を
示す図である。
【図５】第１の実施例の緑色発光ダイオードにおけるヘ
テロ構造エネルギ帯を示す図である。
テロ構造エネルギ帯を示す図である。
【図６】第２の実施例の緑色発光ダイオードの構成を示
す断面図である。
す断面図である。
【図７】第２の実施例のヘテロ構造エネルギ帯を示す図
である。
である。
【図８】第１の実施例と第２の実施例におけるＧａＰ発
光層の厚さと自由励起子の発光強度との関係を示す図で
ある。
光層の厚さと自由励起子の発光強度との関係を示す図で
ある。
【図９】第３の実施例の緑色発光ダイオードの構成を示
す断面図である。
す断面図である。
【図１０】第４の実施例の緑色発光ダイオードの構成を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図１１】第４の実施例の緑色発光ダイオードにおける
ヘテロ構造エネルギ帯を示す図である。
ヘテロ構造エネルギ帯を示す図である。
【図１２】第５の実施例の緑色発光ダイオードの構成を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図１３】従来技術の３００Ｋにおけるドナー不純物密
度と自由励起子の発光強度の関係を示す図である。
度と自由励起子の発光強度の関係を示す図である。
１１ 穴あきｐ電極 １０ 緑色発光ダイオード １２ ｐ型ＧａＰ基板 １４ ｐ型ＧａＰ発光層 １６ ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層 １７ 円板状ｎ電極 ２３ ｐ型Ａｌy Ｇａ1-y Ｐ層 ３８ ｎ型ＧａＰ電極層 ４４ ｎ型ＧａＰ発光層 ４８ ｐ型ＧａＰ電極層 ５６ ｐ型ＧａＰ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−335621（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−80981（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−93589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−82280（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−291617（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00
Claims (5)
- 【請求項１】 窒素を添加しない緑色発光ダイオードで
あって、ＧａＰ基板上に、浅いエネルギ準位を有する不
純物をｎ型の場合０．５〜２×１０17ｃｍ-3、ｐ型の場
合１〜３×１０18ｃｍ-3の高濃度で添加した結晶性のよ
いＧａＰ発光層と、このＧａＰ発光層に高い格子整合度
で形成して浅いエネルギ準位を有する不純物を添加した
結晶性のよい三元混晶のＡｌx Ｇａ1-x Ｐ層とを備えて
おり、 上記ＧａＰ発光層と上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層とでｐｎ接
合を形成し、この組成ｘが０．２２以下に設定されてい
る、緑色発光ダイオード。 - 【請求項２】 窒素を添加しない緑色発光ダイオードで
あって、ＧａＰ基板上に、浅いエネルギ準位を有する不
純物を添加した結晶性のよい三元混晶のＡｌy Ｇａ1-y
Ｐ層と、これに高い格子整合度で形成して浅いエネルギ
準位を有する不純物をｎ型の場合０．５〜２×１０17ｃ
ｍ-3、ｐ型の場合１〜３×１０18ｃｍ-3の高濃度で添加
した結晶性のよいＧａＰ発光層と、このＧａＰ発光層に
高い格子整合度で形成して浅いエネルギ準位を有する不
純物を添加した結晶性のよい三元混晶のＡｌx Ｇａ1-x
Ｐ層とを備えており、 上記ＧａＰ発光層と上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層とでｐｎ接
合を形成し、この組成ｘと上記組成ｙが０．２２以下に
設定されている、緑色発光ダイオード。 - 【請求項３】 ｐｎ接合を形成する前記ＧａＰ発光層と
前記Ａｌx Ｇａ1-xＰ層との間に、なだらかなＡｌ組成
変移領域を設けた、請求項１又は２に記載の緑色発光ダ
イオード。 - 【請求項４】 前記Ａｌx Ｇａ1-x Ｐ層上に、浅いエネ
ルギ準位を有する不純物を１０18ｃｍ-3程度或いはそれ
以上の高濃度で添加したＧａＰ電極層が形成されてい
る、請求項１乃至３の何れかに記載の緑色発光ダイオー
ド。 - 【請求項５】 窒素を添加しない緑色発光ダイオードで
あって、ＧａＰ基板上に、浅いエネルギ準位を有する不
純物を低濃度で添加した結晶性のよい三元混晶のＡｌy
Ｇａ1-y Ｐ層と、これに高い格子整合度で形成して浅い
エネルギ準位を有する不純物をｎ型の場合１〜４×１０
17ｃｍ-3の比較的高濃度で添加した結晶性のよいＧａＰ
発光層と、このＧａＰ発光層と反対の導電型であって浅
いエネルギ準位を有する不純物を上記ＧａＰ発光層より
高濃度で添加した結晶性のよいＧａＰ層とを備えてお
り、 上記ＧａＰ発光層と上記導電型の反対なＧａＰ層とでｐ
ｎ接合を形成し、上記組成ｙが０．２２以下に設定され
ている、緑色発光ダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8717895A JP3057547B2 (ja) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | 緑色発光ダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8717895A JP3057547B2 (ja) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | 緑色発光ダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08288551A JPH08288551A (ja) | 1996-11-01 |
| JP3057547B2 true JP3057547B2 (ja) | 2000-06-26 |
Family
ID=13907742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8717895A Expired - Lifetime JP3057547B2 (ja) | 1995-04-12 | 1995-04-12 | 緑色発光ダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3057547B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6429583B1 (en) * | 1998-11-30 | 2002-08-06 | General Electric Company | Light emitting device with ba2mgsi2o7:eu2+, ba2sio4:eu2+, or (srxcay ba1-x-y)(a1zga1-z)2sr:eu2+phosphors |
| JP4024994B2 (ja) | 2000-06-30 | 2007-12-19 | 株式会社東芝 | 半導体発光素子 |
-
1995
- 1995-04-12 JP JP8717895A patent/JP3057547B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08288551A (ja) | 1996-11-01 |
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