光デバイス／発光ダイオード
１９．発光ダイオード材料の具体例（その２）
前項では、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系の３種類の混晶系について、直接遷移、間接遷移の範囲を見ました。そして重要な材料系としては窒素を５族元素とするＡｌＧａＩｎＮ系について最後に少しだけ触れました。
発光ダイオードの発光層の材料を選ぶ場合、まず直接遷移型であることが重要なことはこれまで説明した通りですが、それだけですべてが解決するわけではありません。発光層は良質な結晶である必要があります。結晶に欠陥が多く含まれていると、電子、正孔が欠陥を介して再結合しやすくなります。このような欠陥を介した再結合は発光を生じない場合が多いのです。
発光ダイオードはこれまでにも例をあげたように、基板の上に発光層を含む半導体層が積み重ねられています。この半導体層を欠陥の少ない結晶層とするための基本は、基板と半導体層各層の格子定数（結晶中の原子間の距離）を一致させることです。しかしこれは理想で、現実の材料系ではなかなか難しいと言えます。
前項の例を見るとＧａＡｓの格子定数は0.565ｎｍ、ＡｌＡｓは0.566ｎｍです。ＧａＡｓとＡｌＡｓの格子定数の不一致の程度は(0.566-0.565)/0.566×100（％）から計算され、約0.18％となります。このくらいの違いならよいですが、0.5％くらい違うと問題になってきますから、条件はかなり厳しいものです。
前項のデータに窒化物系のデータを加えてもう一度整理してみます。図１９－１は横軸に格子定数、縦軸にバンドギャップエネルギーをとったものです。このようなグラフはよく使われています。
図は５族元素の種類ごとに色分けしてみました。Ａｓの化合物が赤、Ｐ化合物が青、Ｎ化合物が緑です。Ｎを含む系は格子定数、バンドギャップエネルギーともに３族元素によって大きく変化するのが特徴です。
Ⅲ－Ⅴ族化合物で基板となる結晶として選べるのはほとんどＧａＡｓとＩｎＰだけと言っていい状態です。この他、ＧａＰなどもバルク結晶が成長できますが、あまり使われていません。となるとまずＧａＡｓ基板かＩｎＰ基板を使うことを考え、これに格子定数が一致する材料を選定することになります。
図の破線はそれぞれＧａＡｓとＩｎＰの格子定数を示します。この線上にくる組成で、かつ直接遷移型であれば、発光層として使える可能性が高いことになります。前項同様に具体的な系で考えてみます。
１．ＡｌＧａＩｎＡｓ系（赤い三角形） ＡｌＧａＡｓはＡｌ組成全体にわたってＧａＡｓに格子整合していることはこれまで述べてきた通りですが、Ｉｎが加わるとＧａＡｓには整合しなくなります。一方、ＩｎＰにはＩｎを含む組成で格子整合する範囲があります。これは赤外域の発光となりますが、それほど使われていません。
２．ＡｌＧａＩｎＰ系（青い三角形） ＧａＡｓに整合する範囲があります。ＡｌＰとＧａＰも格子定数がほとんど等しく、バンドギャップエネルギーも近いので、ＧａＡｓに整合させる条件はほとんどＩｎ組成だけで決まります。これが大体0.5です。つまり（ＡｌxＧａ１－ｘ）0.5Ｉｎ0,5ＰがＧａＡｓに整合します。ＡｌとＧａの組成比を変えれば、直接遷移の範囲で発光波長を変化させることができます。赤色発光に貴重な存在です。
３．ＩｎＧａＡｓＰ系 ５族が２種類になるので、図は少しわかりにくくなりますが、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰの４点で囲まれる４角形を考えます。ＧａＡｓにもＩｎＰにも整合する組成があることがわかります。ＧａＡｓに対する整合組成はＡｌＧａＡｓの発光波長と同じ範囲になりますので、なにか特別な理由がないと使われません。一方、ＩｎＰに対する整合組成は上記のＡｌＧａＩｎＡｓとほぼ同様な波長範囲ですが、こちらの方が赤外域ではよく使われています。
４．ＩｎＧａＡｌＮ系（緑色の線） ＩｎＮに近い組成でＧａＡｓと整合することができますが、発光波長は赤外域になりますので、あまり使われません。可視光の範囲ではＧａＡｓともＩｎＰとも整合範囲がありません。
以上より、実用的に使われているＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ基板系、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ基板系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ基板系はそれぞれ使われる理由があることがわかると思います。
しかしＧａＰやＧａＡｓＰ、あるいはＡｌＧａＩｎＮ系などは上記の点では使えない部類に属します。にも拘わらず実際には実用的な素子として使われています。これはなぜでしょうか。次項以降ではそのために考えられた手段などを調べることにします。
