光デバイス／発光ダイオード

２１．材料選択範囲の拡大手段（その２）

　前項では基板と格子定数が違う材料は発光層として使えないという障害を克服する方法を紹介しました。つぎはもう一つの障害となっている間接遷移型の半導体を利用できるようにする方法を紹介します。

　現実にＧａＰは間接遷移型の半導体ですが、これを発光層とする黄緑色の光を発する発光ダイオードは実用化されています。これはどうしてなのでしょうか。

　間接遷移型半導体であるＧａＰに窒素（Ｎ）などを添加すると発光強度が強まることは1960年代から知られていました。例えば1966年に米国で最初に出願された特許(1)にはそのことが記載されています。この段階では添加された窒素がどのように作用するか、まだ明確になっていなかったようです。

　1970年代になるとかなりそのメカニズムが明確なってきます。例えば1971年出願の特開昭47-24785には窒素が伝導帯のすぐ下に準位をつくることが記載され、これを介して発光が生じることが述べられています。

　すでに上記の特許(1)ではこのＮの導入によってできる準位をアイソエレクトロニック・トラップ（Isoelectronic trap、日本語では等電子トラップ）と呼んでいます。不純物として導入されるＮはＶ族ですから、Ⅲ－Ｖ族化合物ではドナーにもアクセプタにもなりません。つまりキャリアの生成には関与しません。これが「等電子」と言われる理由です。トラップというのは英語では「罠（わな）」という意味ですが、日本語では捕獲中心といって電子や正孔を捕らえる準位を意味します。

　より具体的にＧａＰの例で説明します。より明確な図を示します。前に説明したようにＧａＰは間接遷移型で、バンド構造は大雑把に描けば図２１－１のようになっています。Γ位置でのバンドギャップエネルギーは2.88ｅＶですが、Ｘ位置ではこれより小さい2.25ｅＶとなっています。これは波長にすると551ｎｍで緑色に相当しますが、伝導帯Ｘの底は価電子帯の頂上と運動量ｋが違うので、ほとんど発光は生じません。

　導入されたＮは図のように伝導帯Γの下0.69ｅＶのところに準位（等電子トラップ）を作ります。このため伝導帯Γにいる電子はこのトラップに捕らえられやすくなります。

　捕らえられた電子は価電子帯の頂上からのエネルギー差（2.19ｅＶ）が伝導帯Ｘの底との差（2.25ｅＶ）より僅かながら小さいため、価電子帯の正孔と再結合しやすく、この再結合によって発光が生じます。発光波長は2,19ｅＶに相当する565ｎｍで、これは黄緑色に相当します。GaPで実用的な強度の発光を得られるのはこの場合です。

　しかしこのような適当な不純物がどの間接遷移型半導体にも見つかるとは限らず、実用的に使われているのはこのＧａＰとＧａＡｓＰの黄色から橙色の発光に限られると思われます。

　窒素の添加がよい効果を生んだ事実は、後に窒化物半導体が優れた材料として登場するのを暗示していたように後からみると思われないでしょうか。

(1)特公昭46-1970号