JPH0645645A

JPH0645645A - 発光素子

Info

Publication number: JPH0645645A
Application number: JP4195687A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Koike; 正好小池
Original assignee: Eastman Kodak Japan Ltd
Current assignee: Eastman Kodak Japan Ltd
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｐ型半導体とＮ型半導体の接合部を有し、接
合面に順方向の電圧を印加することにより接合面を発光
させる発光素子において、電流の増加に対する光量の増
加率を一定にすることができ、各種機器に使用した場合
光量の制御がし易い発光素子を提供することを目的とす
る。【構成】Ｎ型半導体１にリンの混晶比の異なった内層
部と表層部を形成し、選択拡散膜５を用いて所定領域に
亜鉛を拡散し、Ｐ型半導体を形成して、禁制帯幅が内層
部のＮ型半導体２ａとＰ型半導体２ｂより大きいＮ型半
導体１ａとＰ型半導体１ｂを形成し、前記Ｐ型半導体２
の上面に正電極３と、Ｎ型半導体１の裏面に負電極４を
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光素子、特に表面発光
型の発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】小型・軽量である発光素子は、様々な分
野において広く活用されている。そして、近年において
は、光照射によって情報を記録する光プリンタや光の反
射強度を用いて画像やバーコードデータを読み取るイメ
ージリーダ、あるいは光信号を利用した光通信機器にお
いて、発光素子が利用されている。

【０００３】図６は従来から用いられている発光素子の
構造を示す断面模式図であり、図７は従来の発光素子の
平面模式図である。

【０００４】前記図６、７に示される発光素子において
テルルを含有するガリウム砒素リン半導体は第１導電型
の基盤、すなわち、Ｎ型半導体１を形成する。前記Ｎ型
半導体１に亜鉛が拡散されて、第２導電型の拡散層、す
なわち、Ｐ型ガリウム砒素リン半導体２（以下Ｐ型半導
体２という）が形成されている。前記Ｎ型半導体１に亜
鉛を拡散する時、前記Ｎ型半導体１の上面を拡散窓を有
する選択拡散膜５によってマスキングをして、前記拡散
窓より拡散を行うので所望の範囲に前記Ｐ型半導体２を
形成することができる。

【０００５】そして前記Ｐ型半導体２の上面に正電極３
が設けられ、前記Ｎ型半導体１の裏面に負電極４が形成
され、順方向の電圧がＰ型半導体２とＮ型半導体１の接
合面に印加され、拡散された多数キャリアが拡散するこ
とによって電気エネルギーが光エネルギーに変換されて
光が射出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし前記のようなＰ
Ｎ接合面を有する発光素子の前記ＰＮ接合面に順方向の
電圧を印加すると発光素子に流れる電流は、図８に示す
ようにＰＮ接合面全体に流れる。この時の発光素子に流
れる電流と光出力の関係は、図９に実線で示すように、
電流が小さい領域では、電流の増加にともなう光出力の
増加の割合が一定でなく、電流の増加にともなう光出力
の増加の割合が電流に強く依存している。（ここで、増
加率が一定にならない実線との違いを明らかにするため
破線で、電流と光量の関係が線形になる場合を示す。）
すなわち、ＰＮ接合面に印加する電圧をＶとしたとき流
れる電流は、exp(eV/kT)に比例する成分（以下成分Ａと
いう）と、exp(eV/2kT) に比例する成分（以下成分Ｂと
いう）に分割される。ここで、発光素子から射出される
光量は電流成分Ａに比例する。

【０００７】電流が大きい領域では全電流のうち、成分
Ａが電流の大部分を占め、発光素子から射出される光量
が成分Ａに比例するので、電流の増加に対する光量の増
加率は一定になる。

【０００８】つまり、電流が大きい領域では電流と光出
力の比は電流値に依存せず、安定したものになるが、電
流が小さい領域では成分Ｂの占める割合が比較的大き
く、成分Ａと成分Ｂの比が電圧に依存するので、電流の
増加に対する光量の増加率は一定にならない。ここで、
電流成分Ｂの主な成分は半導体表面に露出したＰＮ接合
面近傍の空乏層で起こる電子とホールの再結合電流であ
る。

【０００９】発光素子において、電流の増加に対する光
量の増加率が一定にならない場合、電流による光量の制
御性に問題があり光プリンタやイメージリーダあるいは
光通信機器の光源に用いた場合、制御しにくいという問
題があった。

【００１０】そこで本発明は、電流の増加に対する光量
の増加率が一定になり各種機器に用いた場合、光量の制
御のし易い発光素子を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するため、第１導電型の基盤と、不純物拡散によっ
て前記基盤の一部に形成された第２導電型の拡散層と、
を含み、前記基盤および前記拡散層の表面に形成された
電極間に順方向の電圧を印加して前記基盤と前記拡散層
の接合面において発光させる発光素子において、前記基
盤および前記拡散層は、三元系以上の元素による混晶か
ら構成され、前記基盤および前記拡散層は、その表面部
に各本体とは異なった混晶比を有する一層以上の表層部
を有し、少なくとも前記表層部の禁制帯幅の値が各本体
の禁制帯幅の値より大きく設定され、発光する前記接合
面は、前記表層部より深いことを特徴とするものであ
る。

【００１２】

【作用】本発明においては、発光素子の第１導電型の基
盤および第２導電型の拡散層に異なった混晶比を有する
内層部と表層部を形成し、禁制帯幅の値が前記内層部よ
りも前記表層部が大きくなるように設定し、前記表層部
である露出した前記基盤と前記拡散層との接合面近傍の
空乏層に流れ込む電流を少なくして、空乏層内での電子
とホールの再結合を抑制することによって、発光に関与
しない電流成分の発生を抑えられるので発光素子に流れ
る電流の増加に対する光量の増加率が一定になる。

【００１３】

【実施例】本発明の良好な実施例を図面を利用して説明
する。

【００１４】第１実施例として、本発明に基づく発光素
子は、図１の断面模式図に示すように、テルルを含有す
るガリウム砒素リン半導体はＮ型半導体１を形成し、こ
のＮ型半導体１の上面に配設された拡散選択膜５によっ
て所望の領域に亜鉛が拡散され、Ｐ型ガリウム砒素リン
半導体（以下Ｐ型半導体２という）が形成されている。
また、前記Ｐ型半導体２の上面に正電極３が形成され、
前記Ｎ型半導体１の裏面に負電極４が形成されている。

【００１５】本発明の特徴とするところは、図１に示す
ように、発光素子は、結晶中のリンの混晶比が内層部で
あるＮ型半導体１b およびＰ型半導体２b より大きな表
層部であるＮ型半導体１a およびＰ型半導体２a と、を
有し、前記表層部の禁制帯幅が前記内層部の禁制帯幅よ
り大きく形成していることである。

【００１６】図２に亜鉛拡散前のＮ型半導体１を示す。
該Ｎ型半導体１は、結晶中のリンの混晶比が異なる二層
から形成され、内層部であるＮ型半導体１b よりリンの
混晶比が大きい表層部であるＮ型半導体１a を形成す
る。次に、前記Ｎ型半導体１aの上面に配設された拡散
口を有する拡散選択膜５によって所望の領域に亜鉛を拡
散する。

【００１７】したがって、発光素子の表層部に、リンの
混晶比が内層部のＮ型半導体１b およびＰ型半導体２b
より大きいＮ型半導体１a およびＰ型半導体２a が形成
される。

【００１８】上述のように形成された二層構造を有する
発光素子の動作状態について説明する。

【００１９】発光素子に流れる電流は、Ｐ型半導体２と
Ｎ型半導体１が接合しているＰＮ接合面に加わる電圧を
Ｖとしたとき、exp(eV/kT)に比例する成分（以下成分Ａ
という）と、exp(eV/2kT) に比例する成分（以下成分Ｂ
という）に分割される。そして、発光素子から射出され
る光量は電流成分Ａに比例する。

【００２０】電流が大きい場合、つまり、電圧Ｖが大き
い領域では全電流のうち、成分Ａが電流の大部分を占め
る。

【００２１】従って、発光素子から射出される光量が成
分Ａに比例するので、電流の増加に対する光量の増加率
は一定になる。つまり、電圧Ｖが大きい領域では電流と
光出力の比は電流値に依存せず、安定したものになる。

【００２２】次に電流値が小さい場合、つまり電圧Ｖが
小さい領域では、成分Ｂの占める割合が比較的大きく、
成分Ａと成分Ｂの比が電圧に依存するので、電流の増加
に対する光量の増加率は一定にならない。つまり、電圧
Ｖが小さい領域では電流と光出力の比は電流値に依存す
るようになる。ここで、電流成分Ｂの主な成分は発光素
子表面に露出したＰＮ接合面近傍の空乏層内で起こる電
子とホールの再結合電流である。

【００２３】従って、発光素子表面に露出したＰＮ接合
面近傍、すなわち表層部に流れ込む電流を抑制すれば、
発生する電流成分Ｂを減少させることができる。

【００２４】ところで、発光素子を流れる電流Ｉは、大
きく分けて拡散電流Ｉ_dと再結合電流Ｉ_rの和として次
のように表すことができる。

【００２５】Ｉ＝Ｉ_d＋Ｉ_r ・・・・式１また、拡散電流Ｉ_dは、印加電圧Ｖに対して飽和電流を
Ｉ_sとすると次式で表せることが知られている。

【００２６】Ｉ_d＝Ｉ_s｛exp （ｑＶ／ｋＴ）−１｝・・・・式２ここで、ｑは素電荷、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温
度である。

【００２７】さらに、飽和電流Ｉ_sは、Ｎ、Ｐ型半導体
中の熱平衡における少数キャリア密度：Ｎ_p、Ｐ_nによ
って次式で表せることが知られている。

【００２８】Ｉ_s＝ｑＳ（Ｎ_p・Ｄ_p／Ｌ_p＋Ｎ_n・Ｄ_n／Ｌ_n）・・・・式３ここで、ＳはＰＮ接合面積、Ｌ_p、Ｌ_nはそれぞれホー
ル、電子の拡散長、Ｄ_p、Ｄ_nはそれぞれホール、電子
の拡散係数である。

【００２９】また、ボルツマン統計により少数キャリア
密度Ｎ_p、Ｐ_nは擬フェルミエネルギー：Ｅｆ_n、Ｅｆ
_p、伝導帯、価電子帯のエネルギーをＥｃ、Ｅｖとする
と次式で表せることが知られている。

【００３０】Ｐ_n＝Ｎｖ・exp ｛−（Ｅｆ_n−Ｅｖ）／ｋＴ｝・・・・式４Ｎ_p＝Ｎｃ・exp ｛−（Ｅｃ−Ｅｆ_p）／ｋＴ｝・・・・式５ここで、Ｎｖ、Ｎｃは価電子帯、伝導帯の実行状態密度
である。

【００３１】さらに、半導体の禁制帯幅をＥｇとする
と、近似的に次の比例関係が成り立つことが知られてい
る。

【００３２】（Ｅｆ_n−Ｅｖ） or （Ｅｃ−Ｅｆ_p）∝ Ｅｇ・・・・式６従って、式４、式５、式６より次の関係が導き出され
る。

【００３３】Ｐ_n or Ｎ_p∝ exp （−Ｅｇ／ｋＴ）・・・・式７すなわち、式３および式７より半導体の禁制帯幅Ｅｇが
大きくなると飽和電流Ｉ_sは小さくなり式２より拡散電
流Ｉ_dは小さくなる。

【００３４】次に再結合電流Ｉ_rは拡散電位Ｖ_dとする
と、印加電圧Ｖに対して次式で表せることが知られてい
る。

【００３５】Ｉ_r＝（ｎ_i／τ）｛ｋＴ／（Ｖ_d−Ｖ）｝・Ｗ・exp （ｑＶ／２ｋＴ）・・・・式８ここで、ｎ_iは真性状態のキャリア密度、τはキャリア
のライフタイム、Ｗは遷移領域の幅である。

【００３６】また、拡散電位Ｖ_dは、擬フェルミエネル
ギーＥｆ_n、価電子帯のエネルギーＥｖを用いて次式で
表されることが知られている。

【００３７】Ｖ_d＝Ｅｆ_n−Ｅｖ＋ｋＴ・ｌｎ（Ｐ_p／Ｎ_v）・・・・式９ここで、Ｎ_vは、価電子帯の実行状態密度であり、Ｐ_p
は、Ｐ型半導体中の多数キャリアであるホールの密度で
あり、Ｎ_vは、価電子帯の実効状態密度である。

【００３８】従って、式６の比例関係を用いて、式９よ
り次のような関係を導くことができる。

【００３９】Ｖ_d∝ Ｅｇ・・・・式１０従って、式８、式９、式１０より半導体の禁制帯幅Ｅｇ
が大きくなると再結合電流Ｉ_rは小さくなる。

【００４０】つまり、同一の印加電圧に対して禁制帯幅
の大きい半導体のＰＮ接合面を流れる電流は、禁制帯幅
の小さな半導体の中のＰＮ接合面を流れる電流より小さ
くなる。

【００４１】一般に、ガリウム砒素リン半導体の禁制帯
幅はリンの混晶比に比例して大きくなることが知られて
いる（ベガース則）。

【００４２】従って、発光素子を形成する結晶に、リン
の混晶比の異なる表層部と、内層部とを形成し、混晶比
が前記内層部よりも前記表層部が大きくなるように設定
し、前記表層部の禁制帯幅を前記内層部の禁制帯幅より
高く形成することによって、前記表層部に流れ込む電流
を抑制することができる。

【００４３】つまり、図３に示すように、リンの混晶比
の大きい表層部、すなわち、禁制帯幅の大きいＮ型半導
体１a およびＰ型半導体２a を流れる電流成分Ｉ₁は、
リンの混晶比の小さい内層部、すなわち、禁制帯幅の小
さいＮ型半導体１b およびＰ型半導体２b を流れる電流
成分Ｉ₂に比べて小さくなる。

【００４４】従って、発光素子の表面に露出したＰＮ接
合面近傍に流れる発光に関与しない電流成分の発生を抑
えることができるので、図４の実線に示すように電流が
小さい領域でも、発光素子に流れる電流の増加に対する
光量の増加率を一定にすることができる。

【００４５】なお、実施例においてリンの混晶比の大き
なＰ型半導体１a とリンの混晶比の小さいＰ型半導体１
b との間に混晶比の違いによるヘテロバリヤーが存在す
るが、前記Ｐ型半導体１a 、１b は共にＰ型であるから
多数キャリアであるホールに対してはポテンシャルバリ
ヤーとしては、ほとんど作用しない。

【００４６】本発明に基づく第２実施例を図５を用いて
説明する。

【００４７】第１実施例では、ガリウム砒素リン半導体
がリンの混晶比の異なる二層構造を有している場合につ
いて説明したが、二層構造に限定されず、図５に示すよ
うにリンの混晶比が異なる三層構造から形成されてもよ
い。

【００４８】表層部のリンの混晶比は第１実施例と同様
に表面が最も大きく、内層部に向かうに従って小さく形
成する。つまり、Ｎ型半導体１a 、１b 、１c およびＰ
型半導体２a 、２b 、２c は、リンの混晶比が順に小さ
くなるように形成することによって、第１実施例と同様
の効果が期待できる。さらに、各層のリンの混晶比の差
を小さくすることによって、前記Ｎ型半導体１a と、前
記Ｎ型半導体１b の層の境界、および、前記Ｎ型半導体
１b と、前記Ｎ型半導体１c の層の境界部分に働く応力
を小さくすることができる。、つまり、混晶比の異なる
層を形成したことによって、各層の格子定数が変化する
ことによって発生する各層間の応力を小さくすることが
できる。この場合、図５中の表層部第２層の前記Ｎ型半
導体１bと前記Ｐ型半導体２b は、内層部前記Ｎ型半導
体１c と前記Ｐ型半導体２c に対してバッファー層とし
ての効果を生じ、発光素子の構造において、境界面のミ
スフィット転位を少なくすることができる。

【００４９】前記実施例において、Ｎ型半導体にＰ型不
純物を拡散してＰ型半導体を形成する拡散型発光素子で
説明したが、Ｐ型半導体にＮ型不純物を拡散してＮ型半
導体を形成してもよい。また、半導体材料はガリウム砒
素リンに限定されず、アルミニウムガリウム砒素でもよ
い。さらに、ガリウム砒素リンのような三元系の混晶に
限定されず、インジウムガリウム砒素リン等の四元系の
混晶にも適応される。また、前記実施例においては、不
純物を拡散してＰ型半導体を形成する方法で説明した
が、不純物を拡散させる方法は前記方法に限られず、例
えば、イオン打ち込み法でＰ型半導体を形成してもよ
い。

【００５０】また、前記実施例では、ＰＮ接合を有する
発光素子を用いて本発明を説明したが、本発明はＰＮ接
合に限定されるものではなく、例えば、ＰＩＮ接合にも
用いることができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明に基づく発光素子によれば、電流
の増加に対する光量の増加率を一定にすることができる
ので制御性のよい発光素子を作ることができる。

【００５２】従って、本発明の発光素子を電子写真方式
のプリンタ露光光源として用いた場合には、光量を電流
で制御容易な露光装置が実現できる。またイメージリー
ダの光源として用いた場合にも制御し易い装置が可能と
なる。さらに、本発明に基づく発光装置を光通信機器の
光源として用いた場合にも制御しやすい装置を作ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく発光素子の第１実施例を説明す
る断面模式図である。

【図２】本発明に基づく発光素子の第１実施例を説明す
る亜鉛拡散前のＮ型半導体の基盤の平面模式図である。

【図３】本発明に基づく発光素子の第１実施例の順方向
に電圧を印加した時の電流分布を示した模式図である。

【図４】本発明に基づく発光素子における電流−光量特
性を示した特性図である。

【図５】本発明に基づく発光素子の第２実施例を説明す
る断面模式図である。

【図６】従来の発光素子の断面模式図である。

【図７】従来の発光素子の平面模式図である。

【図８】従来の発光素子の順方向に電圧を印加した時の
電流分布を示した模式図である。

【図９】従来の発光素子における電流−光量特性を示し
た特性図である。

【符号の説明】

１Ｎ型半導体（第１導電型の基盤）１ａＮ型半導体表層部（高リン混晶）１ｂＮ型半導体内層部２Ｐ型半導体（第２導電型の拡散層）２ａＰ型半導体（高リン混晶）２ｂＰ型半導体３正電極４負電極５選択拡散膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の基盤と、不純物拡散によっ
て前記基盤の一部に形成された第２導電型の拡散層と、
を含み、前記基盤および前記拡散層の表面に形成された電極間に
順方向の電圧を印加して前記基盤と前記拡散層の接合面
において発光させる発光素子において、前記基盤および前記拡散層は、三元系以上の元素による
混晶から構成され、前記基盤および前記拡散層は、その表面部に各本体とは
異なった混晶比を有する一層以上の表層部を有し、少なくとも前記表層部の禁制帯幅の値が各本体の禁制帯
幅の値より大きく設定され、発光する前記接合面は、前記表層部より深いことを特徴
とする発光素子。