(57)【要約】【課題】  本発明はＩ−ＶＩ族化合物半導体ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳｅ、ＳｎＳｅやそれらの混晶ＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＳｎＳｅＴｅ、ＰｂＥｕＴｅなどによる、およそ３μｍから２０μｍの赤外線領域の光を発生する発光デバイスにおいて、その効率を高める手段を提供するものである。【解決手段】  発光デバイスの活性層にドナ・アクセプタペア発光中心として働くＢｉを添加し発光量子効率を高めるとともに、活性層に電子を注入するための電子注入層に高濃度のＩｎを添加して電子注入効率を高めることにより発光効率を高める。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを高濃度に添加したｎ型注入層、Ｂｉを高濃度に添加しかつキャリア密度が低い活性層、ｐ型不純物を高濃度に添加したｐ型注入層からなるＰｂあるいはＳｎ、あるいはＴｅ、Ｓｅを含むＩＶ−ＶＩ族化合物結晶のエピタキシャル層による発光デバイス。
【請求項２】
前記発光デバイスがヘテロ接合レーザダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はＰｂＴｅ系材料を使った赤外線レーザ、赤外線発光ダイオードなどの発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】  Ｉ−ＶＩ族化合物半導体ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳｅ、ＳｎＳｅやそれらの混晶ＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＳｎＳｅＴｅ、ＰｂＥｕＴｅなどはおよそ３μｍから２０μｍの赤外線領域におけるレーザや発光ダイオード、受光ダイオードとして知られている。ヘテロ構造レーザの試作結果が発表されているが、充分効率の高い特性が得られていないため、極く限られた用途にしか利用されていない。その理由の一つは結晶自体のノンストイキオメトリ（化学量論的組成からのずれ）の制御ができなかったため、結晶が多量の点欠陥を含んでいたことである。【０００３】  これについては本発明者らが蒸気圧制御温度差法（ＴＤＭ−ＣＶＰ）をＩ−ＶＩ族化合物半導体ＰｂＴｅ、ＰｂＳｎＴｅに始めて適用し、ストイキオメトリ制御された結晶完全性の極めて高い単結晶成長、及び液相エピタキシャル成長（ＴＤＭ−ＣＶＰ  ＬＰＥ）に成功した。【０００４】  もう一つの問題はレーザなどのデバイスの製作には適切な不純物原子の添加が必要であるが、Ｉ−ＶＩ族化合物半導体中の不純物原子の挙動が充分解明されていなかったため最適な不純物添加法が知られていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  ＰｂＴｅホモ接合レーザ、Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ−ＰｂＴｅヘテロ接合レーザダイオード、あるいは発光ダイオードにおいては、従来の不純物添加法ではｎ側ドナ不純物としてＢｉまたはＩｎを、ｐ側アクセプタ不純物としてＴｌを添加していた。しかし、これらの不純物の結晶内挙動や効果については充分検討されていなかった。また、活性層は通常、無添加であった。【０００６】  本発明者は最近、液相成長においてこれらの不純物原子の効果を詳細に検討した結果、特に、ドナ不純物について、ＢｉとＩｎでは大きな違いがあることを明らかにした。本発明においてはこれらの新たな知見に基づいて効率の高い発光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  図１は、ｎ側の不純物であるＢｉとＩｎについて溶液相への不純物添加濃度と、エピタキシャル成長層のキャリア密度の関係を示す。図からＢｉの場合、添加濃度を増加して１０１９ｃｍ−３オーダーのＢｉを結晶中に導入してもキャリア密度はほぼ１０１７ｃｍ−３のオーダーのままであり、レーザダイオードの電子注入に必要な１０１９ｃｍ−３オーダーの高電子密度は得られないことが明らかである。【０００８】  この現象について本発明者らは、Ｂｉは１０１８ｃｍ−３オーダー以上の高濃度に添加されると結晶内で陽イオン位置を占めるドナとしてだけでなく、陰イオン位置を占めるアクセプタとして働き、両者が最近接に近い位置を占めるドナ・アクセプタペア、すなわちＢｉ−Ｂｉペアを形成し、この補償効果のため、Ｂｉを電子を１０１７ｃｍ−３のオーダー以上は生成しないこと、しかし、このＢｉ−Ｂｉペアは非常に強い発光中心として働くことを明らかにした。【０００９】  一方、Ｉｎを添加したｎ型層はＢｉのような補償効果を生ぜず、単純なドナとして働くため、図１にＢｉ添加と比較して示すように１０１９ｃｍ−３オーダーの電子密度に達することを明らかにした。【００１０】  この事実をもとに、本発明ではレーザダイオードの電子注入のためのｎ型層にＩｎを添加し、活性層には発光中心として高濃度のＢｉを添加する。順方向電圧を印加するとＩｎ添加ｎ型層から多量の電子が活性層に注入され、一方高濃度にＴｌなどのアクセプタを添加したｐ型注入層からは活性層に正孔が注入される。活性層は熱平衡状態ではキャリア密度が小さいため、ｎ型層からの電子注入効率が高いとともに、多量のＢｉ−Ｂｉペアが存在するため、Ｂｉ−Ｂｉペアを発光中心として注入された電子と正孔は高い確率で再結合することとなり効率の高いレーザダイオードが得られる。
【発明の効果】
【００１１】  本発明によれば、３μｍから２０μｍの赤外線を発生する効率の高いレーザダイオードあるいは発光ダイオードを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態、実施例１】
【００１２】  本発明を図２のようなＰｂＴｅ−Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ−ＰｂＴｅダブルヘテロ構造レーザダイオードの場合について説明する。１はｎ型ＰｂＴｅ電子注入層であり、Ｉｎが１０１９ｃｍ−３オーダー添加されている。２はＰｂ１−ｘＳｎｘＴｅ活性層であり、１０１９ｃｍ−３オーダーのＢｉが添加されているが、キャリア密度は低く、１０１７ｃｍ−３オーダーである。３はｐ型ＰｂＴｅ正孔注入層であり、高濃度すなわち１０１８ｃｍ−３から１０１９ｃｍ−３オーダーのＴｌなどのアクセプタが添加されている。４はｐ型ＰｂＴｅ基板結晶である。このダイオードに順方向電圧を印加すると、高電子密度のｎ型ＰｂＴｅ注入層から電子が多量に活性層に注入され、同様に、ｐ型ＰｂＴｅ注入層からは正孔が注入される。活性層は熱平衡時のキャリア密度は低いが、多量のＢｉ−Ｂｉペアが存在するため、注入された電子と正孔が強い発光再結合を生じる。一般にヘテロ構造においてはヘテロ障壁の効果により低温では活性層から注入層への逆注入は少ないが温度が高くなり室温に近づくと障壁を乗り越えるキャリアが増大し注入効率が低下せざるを得ない。
【００１３】  しかし、上述のような、Ｂｉを添加した活性層からの逆注入が少なく、同時に発光再結合確率が高いので比較的高温まで高い効率を維持することができる。
Ｐｂ１−ｙＥｕｙＴｅ−Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ−Ｐｂ１−ｙＥｕｙＴｅヘテロ接合ダイオードや、活性層、注入層に更にＳｅを添加した多元系ヘテロ接合においても同様である。
【実施例２】
【００１４】  次に図３はＰｂＴｅ  ｐｎホモ接合の場合である。活性層は図１のＰｂ１−ｘＳｎｘＴｅ活性層２に代わって、ＰｂＴｅ活性層５となるほかは図１と同様である。この場合も、活性層のキャリア密度が低いために活性層から注入層への逆注入が起きないため活性層に向かって効率の高い注入効果が得られ、更に活性層における発光効率も多量のＢｉ−Ｂｉペアが存在するため高い効率が得られる結果、総合的に効率の高いダイオードとなる。
Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅなどの混晶によるホモ接合においても同様である。【００１５】  実施例１，２、いずれの場合も活性層に高濃度のＢｉ−Ｂｉペアを導入するにはエピタキシャル結晶成長が熱平衡に近い状態で行われることが望ましい。結晶成長時に結晶内に導入されるＢｉ原子が最も安定な状態としてＢｉ−Ｂｉペアを形成しながら導入されるからである。従って、液相成長法で作られることが望ましい。特に、蒸気圧制御温度差法液相成長（ＴＤＭ−ＣＶＰ  ＬＰＥ）は欠陥の発生を極小に抑えるため、欠陥とＢｉの複合体が高濃度Ｂｉ添加によっても形成されず、ほとんどがＢｉ−Ｂｉペアとなるので最も望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】  ＢｉあるいはＩｎ添加ＰｂＴｅエピタキシャル層の電子密度と溶液中の不純物原子濃度の関係を示す図である。
【図２】  実施例１におけるヘテロ接合の構造を示す図である。
【図３】  実施例２におけるホモ接合の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】  １…Ｉｎ添加ｎ型ＰｂＴｅ層
２…Ｂｉ添加Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ活性層
３…Ｔｌ添加ｐ型ＰｂＴｅ層
４…ｐ型ＰｂＴｅ基板結晶
５…Ｂｉ添加ＰｂＴｅ活性層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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