ダブルヘテロ構造

　前回の特許調査で見つかった特許２５６０９６３号、２５６０９６４号をもう一度見てみましょう。ｎ型のＧａＮとｐ型のＧａＮの間にＩｎＧａＮという混晶を挟んだ構造、すなわちダブルヘテロ構造が書かれています。発光ダイオードにこのようなダブルヘテロ構造を用いることはすでに知られていて、ＡｌＧａＡｓ系の赤色発光ダイオードとして実用に付されています。

　ヘテロ接合とは異なる種類の半導体の接合ですが、とくにエネルギーバンドギャップの違いが重要です。ＧａＮのエネルギーバンドギャップは約３．４ｅＶです。ｅＶは電子ボルト（エレクトロンボルト）というエネルギーの単位です。１個の電子がもつ電荷を単位電荷といいますが、この単位電荷を１ボルトの電位差だけ持ち上げるのに必要なエネルギーが１ｅＶです。３．４ｅＶのエネルギーは光の波長に直すと３５０ｎｍくらいで、これは紫色の波長範囲に当たります。ＩｎＮのエネルギーバンドギャップは２ｅＶくらいです。これは波長に直すと６００ｎｍくらいで、燈色です。ですからＩｎＧａＮの混晶を使って、Ｉｎの組成比を増やしていくと発光する光の色は紫色→青色→緑色→黄色→橙色と変えられることがわかります。

　ところで、エネルギーバンドギャップの値を比べてみるとＧａＮの方がＩｎＮより大きいことがわかります。ＩｎＧａＮはこの間に入りますから、ＩｎＮよりは大きくＧａＮよりは小さいことになります。そこでＩｎＧａＮをＧａＮでサンドイッチするとどうなるかと言いますと、図を見て下さい。真ん中のＩｎＧａＮ層はエネルギーでみるとへこんだ部分になります。

　ｎ型のＧａＮとｐ型のＧａＮの間にＩｎＧａＮをはさんだダブルヘテロ構造に電圧をかけて電流を流してみます。電子はｎ型のＧａＮ側から尖ったスパイク部分を越えてＩｎＧａＮ層に流れ込みますが、ｐ型ＧａＮ層側には高い障壁があって流れ込めずに堰き止められてしまいます。一方、正孔はｐ型ＧａＮ側からＩｎＧａＮ層に流れ込みますが、同じようにｎ型ＧａＮ層には流れ込めません。

　このためＩｎＧａＮ層に電子と正孔が貯まることになり、電子は近くにいる正孔に引き寄せられて結合しやすくなります。供給される電子と正孔のほとんどがこのＩｎＧａＮ層内で結合し、光を出すことになります。無駄になる電子、正孔が少ないため、同じ電流でもシングルヘテロ構造の場合より強い発光が起こることになります。これがダブルヘテロ構造を使う利点です。

　ところでＧａＮとＩｎＮの格子定数（並んでいる原子の間の距離）は１３％くらいＩｎＮの方が大きい値をもっています。このため、ＧａＮ結晶膜の上にＩｎＧａＮ結晶膜を積層する場合、Ｉｎの組成比が小さいうちはいいのですが、組成比が大きくなりＩｎＮに近づいてくるとＩｎＧａＮの結晶に乱れが生じやすくなるようです。このため、原理的には紫色から橙色まで広い可視光の範囲をＩｎＧａＮの混晶でカバーできるのですが、実際には緑色くらいまでが限度です。上記の特許の実施例には、Ｉｎの組成比が０．１５のとき、発光波長は４９０ｎｍ、０．２５のとき５１０ｎｍであったと書かれています。４９０ｎｍは青緑色、５１０ｎｍは緑色に相当します。

　ＡｌＮはどうかというと、こちらはエネルギーバンドギャップは６ｅＶくらいと非常に大きくなっています。波長にすると２００ｎｍくらいですから完全な紫外線の範囲です。ところがＩｎＮとちがって格子定数はＧａＮとあまり変わりません。このためＡｌの組成比を自由に変えてＧａＮまたはＡｌＧａＡｓとのヘテロ接合が作れることになります。この点はＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの関係とよく似ています。組成比のちがうＡｌＧａＮを組み合わせたヘテロ接合により紫外線を出す発光ダイオードを作ることができるわけです。