光デバイス／発光ダイオード
１８．発光ダイオード材料の具体例（その１）
前項では、ＡｌＧａＡｓを例にあげて直接遷移から間接遷移への移り変わりの微妙さについて説明しました。ここではもう少し具体例を並べてみたいと思います。
１．ＡｌＧａＩｎＡｓ
まずＡｌＧａＡｓにさらにもう一つのⅢ族元素のＩｎを加えた４元化合物半導体に着目します。半導体に限らず、このような多元化合物の組成を示すのに、図１８－１のような正三角形など多角形の図が便利です。
この場合、Ⅴ族元素のＡｓが共通であり、３角形の３つの頂点はそれぞれＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓの各２元化合物を表します。３角形の３本の辺上は３元化合物に対応します。例えば右側の斜めの辺はＡｌＧａＡｓを表し、目盛りｘはＡｌの組成を表します。一番下がＡｌ組成ｘが０のＧａＡｓに相当し、上へいくに連れてＡｌ成分が増加し、一番上の頂点ではｘが１、すなわちＡｌＡｓとなります。
この図（原資料は特開昭63-150982）ではＩｎ組成を基準にとり、４元化合物を （Ａｌ<sub>ｘ</sub>Ｇａ<sub>１－ｘ</sub>）<sub>ｙ</sub>Ｉｎ<sub>１－ｙ</sub>Ａｓ というふうに書き、ｘとｙをとっています。組成の記号のとり方は、第１元素をｘ、第２元素をｙ、第３元素を１－ｘ－ｙとする場合もあります。上記のようなとり方の場合、Ｉｎの含有量はｙですが、Ａｌの含有量はｘではなく、ｘｙである点に注意が必要です。
図で水色に塗った部分が間接遷移となる領域です。これは理論計算と実験により定められたものです。３つの２元化合物のうち、ＡｌＡｓだけが間接遷移型ですから、その周りの組成が間接遷移型となるのは想像できます。
各頂点の２元化合物のそばに青字で書いてある数字はｅＶ単位の方がバンドギャップエネルギー、ｎｍ単位の方が格子定数です。これらは３元化合物を表す直線上では、基本的には組成に比例して変化すると考えてよいので簡単に計算できます。例えばｙ＝0.5のＩｎ<sub>0.5</sub>Ｇａ<sub>0.5</sub>Ａｓではバンドギャップエネルギーは0.89ｅＶ、格子定数は0.586ｎｍと計算されます。
４元化合物も含めて、バンドギャプエネルギーが1.6ｅＶと1.0ｅＶになるのは図中の破線で示した直線上の組成のときです。1.6ｅＶの場合はＩｎを含まないＡｌＧａＡｓでもｘ＝0.2くらいにすれば実現できますが、1.0ｅＶの場合はＧａＡｓのバンドギャップエネルギーより小さいので、Ｉｎを含むことが必須となります。
２．ＩｎＧａＡｓＰ
つぎに古くから可視光発光材料として用いられてきたＧａＡｓＰを例にあげます。今度はⅤ族元素が２種類になります。上記特許を参考に３族のＩｎも含めた４元化合物のＩｎＧａＡｓＰで考えます。Ⅲ族とⅤ族が２種類ずつなので、ベースになる２元化合物は４種類となりますから、組成図は図１８－２のように四角形（正方形）になります。
ここでは Ｉｎ<sub>１－ｘ</sub>Ｇａ<sub>ｘ</sub>Ａｓ<sub>ｙ</sub>Ｐ<sub>１－ｙ</sub> と書き、Ｇａ組成をｘ、Ａｓ組成をｙとしました。
４つの２元化合物のうち、ＧａＰだけが間接遷移型ですから、図のようにその周りだけが間接遷移型となります。ＧａＡｓＰ（図の正方形の上の辺上）では、ｘ＝0.5より小さい組成で間接遷移になります。バンドギャップエネルギーにすると1,84ｅＶより小さい場合となります。
ＩｎＧａＡｓＰと言えば、ＩｎＰ基板に格子整合した赤外域の発光素子が作れることが知られています。図の左下のＩｎＰの頂点から右上方に引いた直線上ではＩｎＰと格子定数が等しくなります。一方、バンドギャップエネルギー0.95ｅＶ（波長1.3μｍに相当）と0.8ｅＶ（波長1.55μｍに相当）となるのは図中の破線上です（この場合少し直線関係からは少し外れた曲線となります）。この直線と曲線の交点となるように組成ｘ、ｙを選べば、ＩｎＰ基板に格子整合した波長1.3μｍ、1.55μｍの発光が得られることになります。
３．ＡｌＧａＩｎＰ
もう一つの例として赤色発光ダイオードの材料であるＡｌＧａＩｎＰを考えます。これはⅤ族がＰ、１種の４元化合物ですから、図１８－１の場合のＡｓをＰで置き換えたものになります。図１８－３が組成図です（原資料は特開平06-268318）。ｘ、ｙの取り方も同様に （Ａｌ<sub>ｘ</sub>Ｇａ<sub>１－ｘ</sub>）<sub>ｙ</sub>Ｉｎ<sub>１－ｙ</sub>Ｐ とします。
この場合、ＩｎＰだけが直接遷移型で、ＧａＰとＡｌＰは間接遷移型となりますから、図のように直接遷移の範囲はＩｎＰ周囲のやや狭い範囲に限られます。
ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードはＧａＡｓ基板に格子整合する条件で作られます。図１８－３のＧａＩｎＰを示す下の辺で考えると、ＧａＡｓの格子定数0.565ｎｍに等しくなるのは大体ｙ＝0.5のときです。ＧａＰとＡｌＰの格子定数は等しいので、ＧａＡｓと格子定数が等しい線はＧａＡｌＰの辺に平行になります。図にバンドギャップエネルギーが2.0ｅＶ（波長620ｎｍに相当）の線を書き込んでありますが、この波長の発光を得るには、２つの線の交点になるように組成ｘ、ｙを選べばよいことになります。
直接遷移、間接遷移の範囲の例をあげましたが、少し触れたように格子整合条件も発光ダイオードの材料を選定するのに重要な条件です。次項でこの点を考えます。
４．ＡｌＧａＩｎＮ
もっとも新しく実用的に使われるようになった材料系ですが、現在ではもっとも重要な材料系であると言ってもよいかと思われます。
この材料系はＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのいずれもが直接遷移型です。そこで上のような図は省略し、次項以降で別の観点から改めて取り上げることにします。
