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JP7695975B2 - Optical semiconductor element and its manufacturing method - Google Patents

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JP7695975B2 JP2023131594A JP2023131594A JP7695975B2 JP 7695975 B2 JP7695975 B2 JP 7695975B2 JP 2023131594 A JP2023131594 A JP 2023131594A JP 2023131594 A JP2023131594 A JP 2023131594A JP 7695975 B2 JP7695975 B2 JP 7695975B2
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Description

本発明は、光半導体素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor element and a method for manufacturing the same.

垂直に重ね合わせた2つ以上の活性層を有し、それぞれの間にトンネル接合層を挟み込んでなる光半導体素子が知られている。そのような光半導体素子は、重ねる活性層の波長が近い場合には光出力の向上を、また、重ねる活性層の波長を離す場合には異なる波長を放射することを目的に発光素子として使用される。同様に、重ねる活性層の波長が近い場合には受光効率の向上を、また、重ねる活性層の波長を離す場合には異なる波長帯に感度を有することを目的に受光素子としても使用される。 Optical semiconductor elements are known that have two or more active layers stacked vertically with a tunnel junction layer sandwiched between them. Such optical semiconductor elements are used as light-emitting elements to improve optical output when the wavelengths of the stacked active layers are close, and to emit different wavelengths when the wavelengths of the stacked active layers are separated. Similarly, they are also used as light-receiving elements to improve light-receiving efficiency when the wavelengths of the stacked active layers are close, and to have sensitivity to different wavelength bands when the wavelengths of the stacked active layers are separated.

このような光半導体素子は、複数の活性層を垂直に重ね合わせることで、活性層同士が直列接続される。発光素子では、そこに順方向の電流が流れると複数の活性層のそれぞれで発光させることが可能となる。一般的にこの場合の活性層はpn接合である。 In such optical semiconductor elements, multiple active layers are stacked vertically, so that the active layers are connected in series. In a light-emitting element, when a forward current flows through it, each of the multiple active layers can emit light. Generally, the active layers in this case are pn junctions.

トンネル接合層は高濃度のp型半導体層およびn型半導体から形成され、活性層に順方向の電圧が印加されたとき、逆電圧がかかる。通常は、p型、n型、p型(もしくはn型、p型、n型)の順で接合している場合はサイリスタとなって電流が流れないが、活性層に挟まれているトンネル接合層が高濃度でドーピングされていることから、トンネル接合層内でトンネル効果が生じ、電流が流れる。 The tunnel junction layer is formed from a high-concentration p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and when a forward voltage is applied to the active layer, a reverse voltage is applied. Normally, if the junctions are made in the order p-type, n-type, p-type (or n-type, p-type, n-type), a thyristor is formed and no current flows, but because the tunnel junction layer sandwiched between the active layers is highly doped, a tunnel effect occurs within the tunnel junction layer, allowing current to flow.

特開2009-522755号JP 2009-522755 A 特開2018―201009号JP 2018-201009 A

特許文献1では、光半導体素子を構成する結晶格子の基本構成物質として、Al、Ga、In、Pのみが好ましいと記載されているが、これらの物質のみでは3000nmを超えるような長波長の発光は望めない。また特許文献2に記載されているように、従来はトンネル接合層の形成には、n型ドーパントの濃度が1.0×1019atoms/cm以上という高濃度であることが好ましいとされているが、垂直に重ね合わせた活性層間に高濃度のドーパントを含むn型半導体層およびp型半導体層が存在していると、活性層へドーパントが拡散し、信頼性の低下またはリーク電流の増加の原因となる可能性がある。 In Patent Document 1, it is described that only Al, Ga, In, and P are preferable as basic constituent materials of the crystal lattice that constitutes the optical semiconductor element, but light emission at a long wavelength exceeding 3000 nm cannot be expected with only these materials. Also, as described in Patent Document 2, it has been conventionally preferable to form a tunnel junction layer with a high concentration of n-type dopant of 1.0×10 19 atoms/cm 3 or more, but if an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer containing a high concentration of dopant exist between vertically stacked active layers, the dopant may diffuse into the active layer, causing a decrease in reliability or an increase in leakage current.

本発明は、かかる実状に鑑みてなされたものであって、光半導体素子の特性を改善することを目的とする。 The present invention was made in consideration of this situation, and aims to improve the characteristics of optical semiconductor elements.

本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討し、第1活性層及び第2活性層にSbを含み、トンネル接合層がp型InAs層およびn型InAs層を有する、光半導体素子およびその製造方法を見出し、本発明を完成するに至った。そして、本発明のトンネル接合層では、従来は必要と考えられていた濃度よりも低いドーパント濃度でトンネル効果を奏することが分かった。すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。 The inventors have thoroughly investigated ways to solve the above problems, and have found an optical semiconductor device and a method for manufacturing the same, in which the first and second active layers contain Sb and the tunnel junction layer has a p-type InAs layer and an n-type InAs layer, thereby completing the present invention. It has also been found that the tunnel junction layer of the present invention exhibits a tunnel effect at a dopant concentration lower than that previously considered necessary. In other words, the gist of the present invention is as follows.

(1)受発光波長が第1波長である第1活性層と、前記第1活性層上のトンネル接合層と、前記トンネル接合層上の、受発光波長が第2波長である第2活性層と、を有する光半導体素子であって、
前記第1活性層及び前記第2活性層はSbを含み、
前記トンネル接合層は、p型InAs層及びn型InAs層を有する、
光半導体素子。
(1) An optical semiconductor element having a first active layer having an emission wavelength of a first wavelength, a tunnel junction layer on the first active layer, and a second active layer on the tunnel junction layer having an emission wavelength of a second wavelength,
the first active layer and the second active layer contain Sb;
The tunnel junction layer includes a p-type InAs layer and an n-type InAs layer.
Optical semiconductor element.

(2)前記トンネル接合層は、ドーパント濃度が1.0×1018atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm未満である、前記(1)に記載の光半導体素子。 (2) The optical semiconductor element according to (1) above, wherein the tunnel junction layer has a dopant concentration of not less than 1.0×10 18 atoms/cm 3 and less than 1.0×10 19 atoms/cm 3 .

(3)前記第1活性層及び前記第2活性層は、量子井戸構造を有し、
前記第1波長及び前記第2波長は、3000nm以上である、前記(1)又は前記(2)に記載の光半導体素子。
(3) The first active layer and the second active layer have a quantum well structure,
The optical semiconductor element according to (1) or (2), wherein the first wavelength and the second wavelength are 3000 nm or longer.

(4)前記第1波長と前記第2波長とは、互いに同一である、前記(1)~(3)のいずれかに記載の光半導体素子。 (4) An optical semiconductor element according to any one of (1) to (3), in which the first wavelength and the second wavelength are identical to each other.

(5)前記トンネル接合層の前記第1活性層側に前記p型InAs層があり、
前記第1活性層と前記トンネル接合層との間にp型電子ブロック層を有し、
前記第1活性層と前記トンネル接合層との間の膜厚が100nm以下である、前記(1)~(4)のいずれかに記載の光半導体素子。
(5) the p-type InAs layer is located on the first active layer side of the tunnel junction layer,
a p-type electron blocking layer between the first active layer and the tunnel junction layer;
The optical semiconductor element according to any one of (1) to (4), wherein a thickness between the first active layer and the tunnel junction layer is 100 nm or less.

(6)前記トンネル接合層の前記第2活性層側に前記n型InAs層があり、
前記トンネル接合層と前記第2活性層との間にスペーサ層を有し、
前記トンネル接合層と前記第2活性層との間の膜厚が100nm以下である、前記(1)~(5)のいずれかに記載の光半導体素子。
(6) The n-type InAs layer is located on the second active layer side of the tunnel junction layer,
a spacer layer between the tunnel junction layer and the second active layer;
The optical semiconductor element according to any one of (1) to (5), wherein the thickness between the tunnel junction layer and the second active layer is 100 nm or less.

(7)基板上に受発光波長が第1波長である第1活性層を形成する工程と、
前記第1活性層上にトンネル接合層を形成する工程と、
前記トンネル接合層上に受発光波長が第2波長である第2活性層を形成する工程と、
を含み、
前記第1活性層及び前記第2活性層はSbを含み、
前記トンネル接合層を形成する工程は、n型InAs層を形成する工程と、前記n型InAs層上にp型InAs層を形成する工程を含む、
光半導体素子の製造方法。
(7) forming a first active layer on the substrate, the first active layer having a first wavelength for receiving and emitting light;
forming a tunnel junction layer on the first active layer;
forming a second active layer on the tunnel junction layer, the second active layer having a second wavelength for receiving and emitting light;
Including,
the first active layer and the second active layer contain Sb;
The step of forming the tunnel junction layer includes the steps of forming an n-type InAs layer and forming a p-type InAs layer on the n-type InAs layer.
A method for manufacturing an optical semiconductor element.

(8)前記トンネル接合層は、ドーパント濃度が1.0×1018atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm未満である、前記(7)に記載の光半導体素子の製造方法。 (8) The method for producing an optical semiconductor element according to (7) above, wherein the tunnel junction layer has a dopant concentration of not less than 1.0×10 18 atoms/cm 3 and less than 1.0×10 19 atoms/cm 3 .

特性が改善された光半導体素子およびその製造方法を提供することができる。例えば、発光素子とした場合には発光出力および順方向電圧が高く、中心波長が3000nm以上の光半導体素子およびその製造方法を提供することができる。さらに、発光素子においてリーク電流が低くなるため、受光素子とした場合には暗電流が低くシャント抵抗が大きい光半導体素子およびその製造方法を提供することもできる。 It is possible to provide an optical semiconductor element with improved characteristics and a manufacturing method thereof. For example, it is possible to provide an optical semiconductor element with high light emission output and forward voltage when used as a light-emitting element, and a central wavelength of 3000 nm or more, and a manufacturing method thereof. Furthermore, since the leakage current is reduced in the light-emitting element, it is also possible to provide an optical semiconductor element with low dark current and high shunt resistance when used as a light-receiving element, and a manufacturing method thereof.

本発明による光半導体素子の第1実施形態を説明する断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating a first embodiment of an optical semiconductor element according to the present invention. 本発明による光半導体素子の第2実施形態を説明する断面模式図である。4 is a schematic cross-sectional view illustrating a second embodiment of an optical semiconductor element according to the present invention. FIG. 本発明による光半導体素子の第2実施形態の製造方法の一例を説明する断面模式図である。5A to 5C are schematic cross-sectional views illustrating an example of a manufacturing method for the second embodiment of the optical semiconductor element according to the present invention. 図3に引き続く製造方法の一例を説明する断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing method subsequent to FIG. 3. 図4に引き続く製造方法の一例を説明する断面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing method subsequent to FIG. 4 . 本発明による光半導体素子の第3実施形態を説明する断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a third embodiment of an optical semiconductor element according to the present invention. 二次イオン質量分析(SIMS)によって、実施例1のTeイオンの拡散状態を測定した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of measuring the diffusion state of Te ions in Example 1 by secondary ion mass spectrometry (SIMS). 二次イオン質量分析(SIMS)によって、実施例1のZnイオンの拡散状態を測定した結果を示すグラフである。4 is a graph showing the results of measuring the diffusion state of Zn ions in Example 1 by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

本発明に従う実施形態の説明に先立ち、以下の点について予め説明する。 Before describing the embodiments of the present invention, the following points will be explained.

本実施形態におけるSbを含む活性層とは、InAsSb1-x(0<x<1)とも表記される化合物を意味するものとする。なお、InAs層、AlInAs層またはInAsP層と表記する場合はSbは組成比に含まないことを意味するが、当該層の成長時においてSb原料ガスを使用していなければよく、チェンバー内のSbの残存または隣接するSbを含む層からの拡散による不可避的なドーパント元素としてSbが含まれることは許容される。また、本明細書において組成比を明示せずに単に「AlInAsSb」と表記する場合は、III族元素(Al、Inの合計)と、V族元素(As、Sbの合計)との化学組成比が1:1であり、かつ、III族元素であるAlおよびInの比率と、V族元素であるAsおよびSbの比率とがそれぞれ不定の、任意の化合物を意味するものとする。この場合、III族元素にAlおよびInのいずれか一方が含まれない場合を含み、また、V族元素にAsおよびSbのいずれか一方が含まれない場合を含むものとする。なお、AlInAsSbPの各III―V属元素の成分組成比は、フォトルミネッセンス測定及びX線回折測定などによって測定することができる。 The active layer containing Sb in this embodiment means a compound also represented as InAs x Sb 1-x (0<x<1). When it is written as an InAs layer, an AlInAs layer, or an InAsP layer, it means that Sb is not included in the composition ratio, but it is acceptable that Sb source gas is not used during the growth of the layer, and Sb is included as an inevitable dopant element due to the remaining Sb in the chamber or diffusion from an adjacent Sb-containing layer. In addition, when the composition ratio is not specified and it is simply written as "AlInAsSb" in this specification, it means an arbitrary compound in which the chemical composition ratio of group III elements (total of Al and In) and group V elements (total of As and Sb) is 1:1, and the ratio of group III elements Al and In and the ratio of group V elements As and Sb are indefinite, respectively. In this case, it includes the case where the group III element does not contain either Al or In, and also includes the case where the group V element does not contain either As or Sb. The composition ratio of each III-V group element in AlInAsSbP can be measured by photoluminescence measurement, X-ray diffraction measurement, or the like.

また、本明細書において、Zn、Te、Si等の特定のドーパントを意図的には添加していない場合を「アンドープ」という。アンドープの層には、製造過程における不可避的なドーパントの混入はあってよい。また、Zn、Te、Si等のドーパント濃度の値は、SIMS分析によるものとする。 In this specification, the term "undoped" refers to a layer in which a specific dopant such as Zn, Te, or Si is not intentionally added. An undoped layer may contain unavoidable dopants that are present during the manufacturing process. The values of the dopant concentrations, such as Zn, Te, and Si, are determined by SIMS analysis.

本実施形態におけるIII―V族化合物半導体は、III族元素として少なくともAl、Ga、Inのいずれかを含み、V属元素として少なくともP、As、Sbを含むものとする。 The III-V compound semiconductor in this embodiment contains at least one of Al, Ga, and In as a group III element, and at least P, As, and Sb as a group V element.

エピタキシャル成長により形成される各層の厚さは、SEM(走査型電子顕微鏡)またはTEM(透過型電子顕微鏡)による成長層の断面観察から算出できる。膜厚が10nm以上の場合にはSEMを使用し、膜厚が10nm未満の場合にはTEMを使用することが好ましい。 The thickness of each layer formed by epitaxial growth can be calculated from cross-sectional observation of the grown layer using a SEM (scanning electron microscope) or a TEM (transmission electron microscope). It is preferable to use an SEM when the film thickness is 10 nm or more, and a TEM when the film thickness is less than 10 nm.

本明細書では、互いに異なる活性層に対して発光波長の中心波長同士を比較し、発光波長が互いに同一であるとして説明するが、これに限定されない。発光波長の中心波長同士は、離れていても良いし、互いに近似していてもよい。中心波長同士が離れている場合は、それぞれの中心波長に異なる役割を与えることができる。本明細書において、発光波長の中心波長同士が互いに近似するとは、発光スペクトルにおける半値全幅の範囲が重なる関係となるように中心波長同士が位置することをいい、例えばその波長差が半値全幅の値以内(例えば100nm以内)に含まれることを意味し、中心波長同士が同一または近似していると、発光スペクトルが合成されて発光強度の向上に効果的である。上記は発光素子の場合で説明したが、受光素子の場合も同様である。 In this specification, the central wavelengths of the emission wavelengths of different active layers are compared, and the emission wavelengths are described as being the same, but this is not limited to the above. The central wavelengths of the emission wavelengths may be separated or may be close to each other. When the central wavelengths are separated from each other, different roles can be assigned to the respective central wavelengths. In this specification, the central wavelengths of the emission wavelengths being close to each other means that the central wavelengths are positioned so that the ranges of the full width at half maximum in the emission spectrum overlap, and for example, the wavelength difference is within the value of the full width at half maximum (for example, within 100 nm). When the central wavelengths are the same or close to each other, the emission spectra are synthesized, which is effective in improving the emission intensity. The above description is given in the case of a light-emitting element, but the same applies to the case of a light-receiving element.

本発明による光半導体素子は、受発光波長が第1波長である第1活性層と、前記第1活性層上のトンネル接合層と、前記トンネル接合層上の、受発光素子が第2波長である第2活性層とを有し、前記第1活性層および前記第2活性層はSbを含み、前記トンネル接合層は、p型InAs層およびn型InAs層を有する。 The optical semiconductor element according to the present invention has a first active layer having a first wavelength of light received and emitted, a tunnel junction layer on the first active layer, and a second active layer on the tunnel junction layer having a second wavelength of light received and emitted, the first active layer and the second active layer containing Sb, and the tunnel junction layer has a p-type InAs layer and an n-type InAs layer.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。また、各図において、説明の便宜上、基板及び各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示す。また、以下では、3元素以上で構成されるIII―V族化合物半導体に対し、各元素の組成比を省略した形(例えば「InAsSb」等)で記述する場合がある。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, for the sake of convenience, the aspect ratio of the substrate and each layer is shown exaggerated from the actual ratio. In addition, below, III-V compound semiconductors composed of three or more elements may be described with the composition ratio of each element omitted (for example, "InAsSb").

(第1実施形態)
図1を参照して、本発明に従う光半導体素子の第1実施形態である光半導体素子100の一例を、製造方法を交えて説明する。光半導体素子100は、成長用基板105と、成長用基板105上に積層された複数の半導体層からなる、通電により発光する半導体積層体140とを備えている。なお、詳細は後述するが、この半導体積層体140は、pn接合からなる活性層が複数積み重なっており、これら活性層間はトンネル効果により逆方向(n型層からp型層)に電流が流れるトンネル接合層が挟まれている、所謂ダブルスタック型の発光ダイオードとして機能する。
First Embodiment
With reference to Fig. 1, an example of an optical semiconductor element 100 which is a first embodiment of an optical semiconductor element according to the present invention will be described together with a manufacturing method. The optical semiconductor element 100 includes a growth substrate 105 and a semiconductor laminate 140 which is made of a plurality of semiconductor layers laminated on the growth substrate 105 and emits light when electricity is passed through it. As will be described in detail later, the semiconductor laminate 140 functions as a so-called double-stack type light-emitting diode in which a plurality of active layers made of pn junctions are stacked and a tunnel junction layer through which a current flows in the reverse direction (from the n-type layer to the p-type layer) due to the tunnel effect is sandwiched between these active layers.

第1実施形態は、成長用基板105の上に積層されたn型コンタクト層141、n型窓層142、第1スペーサ層143、第1活性層144、p型中間層(第1p型電子ブロック層145および第1p型窓層146)、トンネル接合層147(p型トンネル接合層1471およびn型トンネル接合層1472)、n型中間層(第2スペーサ層148)、第2活性層149、第2p型電子ブロック層150、第2p型窓層151、およびp型コンタクト層152を順次成膜し、成長用基板をそのまま基板として用いる半導体発光素子の実施形態である。 The first embodiment is an embodiment of a semiconductor light emitting device in which an n-type contact layer 141, an n-type window layer 142, a first spacer layer 143, a first active layer 144, a p-type intermediate layer (first p-type electron block layer 145 and first p-type window layer 146), a tunnel junction layer 147 (p-type tunnel junction layer 1471 and n-type tunnel junction layer 1472), an n-type intermediate layer (second spacer layer 148), a second active layer 149, a second p-type electron block layer 150, a second p-type window layer 151, and a p-type contact layer 152 are sequentially formed on a growth substrate 105, and the growth substrate is used as it is.

<基板>
光半導体素子100に適用可能な基板について説明する。本発明において使用する基板は、第1活性層144、トンネル接合層147および第2活性層149を含む半導体積層体140を機械的に形状維持できる程度の厚さを有する基板であればよく、光半導体素子100の半導体積層体140を形成する際のエピタキシャル成長に供する成長用基板105であってもよい。
<Substrate>
A description will be given of a substrate applicable to the optical semiconductor element 100. The substrate used in the present invention may be any substrate having a thickness sufficient to mechanically maintain the shape of the semiconductor laminate 140 including the first active layer 144, the tunnel junction layer 147, and the second active layer 149, and may be the growth substrate 105 used for epitaxial growth when forming the semiconductor laminate 140 of the optical semiconductor element 100.

<<成長用基板>>
成長用基板105としては、GaAs、InP、InAs、GaSb、InSbなどの化合物基板を使用することができる。Sbを含む活性層を形成するにはInAs、GaSb、InSbの基板を用いることが理想であるがそれらの基板は高価であるため、費用面からはGaAs基板を用いることが好ましい。GaAs基板はSiドープされ、n型基板となっていることが好ましく、半導体積層体140はGaAs基板の(100)面上に積層されることが好ましい。また、GaAs基板の膜厚は200μm以上900μm以下であることが好ましい。
<<Growth substrate>>
The growth substrate 105 may be a compound substrate such as GaAs, InP, InAs, GaSb, or InSb. To form an active layer containing Sb, it is ideal to use a substrate of InAs, GaSb, or InSb, but these substrates are expensive, so it is preferable to use a GaAs substrate from the viewpoint of cost. The GaAs substrate is preferably Si-doped to be an n-type substrate, and the semiconductor laminate 140 is preferably laminated on the (100) surface of the GaAs substrate. The thickness of the GaAs substrate is preferably 200 μm or more and 900 μm or less.

また、GaAs基板またはInP基板を用いる場合、成長用基板105とn型コンタクト層141との間に格子不整合を緩和するためのバッファ層を設けることも好ましく、そのバッファ層は低温で成長させたInAsバッファ層を含めることができる。バッファ層は、InαGa1-αAsβSb1-β層の各組成αとβを0~1の範囲で変化させた組成傾斜または超格子構造を用いたバッファ層としても良い。 In addition, when a GaAs substrate or an InP substrate is used, it is also preferable to provide a buffer layer between the growth substrate 105 and the n-type contact layer 141 to reduce lattice mismatch, and the buffer layer may include an InAs buffer layer grown at a low temperature. The buffer layer may be a buffer layer using a composition gradient in which the compositions α and β of the In α Ga 1-α As β Sb 1-β layer are changed in the range of 0 to 1, or a superlattice structure.

<<n型コンタクト層>>
成長用基板105上にIII―V族化合物半導体層からなるn型コンタクト層141を設けても良い。n型コンタクト層141は高い導電性を有し、電極形成において有利である。膜厚は20nm以上500nm以下であることが好ましい。ここで使用できるドーパントとして、Si、Te、S、Ge、Sn、Se等があげられる。また、ドーパント濃度は次に説明するn型窓層142のドーパント濃度より高いことが好ましく、8.0×1018/cm以上3.0×1019/cm以下とすることがより好ましい。
<<N-type contact layer>>
An n-type contact layer 141 made of a III-V compound semiconductor layer may be provided on the growth substrate 105. The n-type contact layer 141 has high conductivity and is advantageous in forming an electrode. The thickness is preferably 20 nm or more and 500 nm or less. Dopants that can be used here include Si, Te, S, Ge, Sn, Se, etc. In addition, the dopant concentration is preferably higher than the dopant concentration of the n-type window layer 142 described next, and more preferably 8.0×10 18 /cm 3 or more and 3.0×10 19 /cm 3 or less.

<<n型窓層>>
n型コンタクト層141上にIII―V族化合物半導体層からなるn型窓層142を設けても良く、膜厚は500nm以上6000nm以下であることが好ましい。ここで使用できるドーパントとして、Si、Te、S、Ge、Sn、Se等があげられる。成長用基板105と第1活性層144の格子定数が異なる場合、n型窓層142の膜厚が500nmよりも薄いと欠陥が第1活性層144に伝搬してしまう。加えて、n型窓層142の膜厚が500nmよりも薄いと十分な量のキャリアが第1活性層144に供給されずに発光出力が小さくなるため、好ましくない。一方で、n型窓層142の膜厚が6000nmよりも厚い場合においても、大幅な特性改善は見込めず、また成長時間が長時間になり原料代も増加することから、生産性に問題があるため、好ましくない。
<<n-type window layer>>
An n-type window layer 142 made of a III-V group compound semiconductor layer may be provided on the n-type contact layer 141, and the thickness is preferably 500 nm to 6000 nm. Examples of dopants that can be used here include Si, Te, S, Ge, Sn, Se, and the like. When the lattice constants of the growth substrate 105 and the first active layer 144 are different, defects propagate to the first active layer 144 if the thickness of the n-type window layer 142 is thinner than 500 nm. In addition, if the thickness of the n-type window layer 142 is thinner than 500 nm, a sufficient amount of carriers is not supplied to the first active layer 144, resulting in a small light emission output, which is not preferable. On the other hand, even if the thickness of the n-type window layer 142 is thicker than 6000 nm, significant improvement in characteristics cannot be expected, and the growth time becomes long and the cost of raw materials increases, which is not preferable because of problems with productivity.

また、ドーパント濃度はn型コンタクト層141よりも低いことが好ましく、1.0×1018/cm以上8.0×1018/cm以下とすることが好ましい。 The dopant concentration is preferably lower than that of the n-type contact layer 141, and is preferably 1.0×10 18 /cm 3 or more and 8.0×10 18 /cm 3 or less.

さらに、n型窓層142の組成は第1活性層144の組成と格子整合する組成であることが好ましい。n型窓層142の組成は、後述する第1p型電子ブロック層145よりもAl組成比が小さい(すなわち、バンドギャップが小さい)AlInAsとすることが好ましく、InAsとすることがより好ましい。 Furthermore, the composition of the n-type window layer 142 is preferably a composition that is lattice-matched to the composition of the first active layer 144. The composition of the n-type window layer 142 is preferably AlInAs, which has a smaller Al composition ratio (i.e., a smaller band gap) than the first p-type electron block layer 145 described below, and is more preferably InAs.

<第1スペーサ層>
n型窓層142上にアンドープのIII―V族化合物半導体層からなる第1スペーサ層143を設けても良く、膜厚は、1nm以上100nm以下とすることが好ましい。第1スペーサ層143は、第1活性層144の障壁層またはn型窓層142と組成を同じくし、かつ、n型ドーパントをドーピングしない層とすることが好ましい。この第1スペーサ層143は、n型窓層142からn型ドーパントが第1活性層144に拡散する量を低減する。
<First Spacer Layer>
A first spacer layer 143 made of an undoped III-V compound semiconductor layer may be provided on the n-type window layer 142, and the thickness of the first spacer layer 143 is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. The first spacer layer 143 is preferably a layer having the same composition as the barrier layer of the first active layer 144 or the n-type window layer 142, and is not doped with an n-type dopant. The first spacer layer 143 reduces the amount of n-type dopant diffusing from the n-type window layer 142 to the first active layer 144.

<第1活性層>
第1スペーサ層143上にSbを含む第1活性層144を設ける。第1活性層144は発光層となるInAsx1Sb1-x1層(0<x1<1)を含む。図1では、第1活性層144がInAsy11-y1層(0<y1<1)をさらに有し、InAsx1Sb1-x1層を第1活性層の井戸層144wとし、InAsy11-y1層を第1活性層の障壁層144bとする量子井戸構造を例示的に図示しているが、第1活性層144はInAsx1Sb1-x1層の単層構造でもよい。また、Sb以外の組成はInおよびAsに限らず、別のIII―V族化合物半導体を用いても良い。また、第1活性層の井戸層144wと第1活性層の障壁層144bの組成差を調整して、井戸層にひずみを加えることも好ましい。第1活性層144は、結晶欠陥抑制による光出力向上のため図1のように多重量子井戸(MQW)構造を具えることが好ましい。この多重量子井戸構造は、上記井戸層及び障壁層を交互に繰り返した構造により形成することができる。多重量子井戸構造を用いる場合、井戸層および障壁層の組み合わせは、3組以上40組以下が好ましい。つまり、最初の障壁層を含めて3.5組以上40.5組以下が好ましい。さらに、各井戸層の膜厚は5nm以上40nm以下が好ましく、各障壁層の膜厚は10nm以上50nm以下が好ましい。また、第1活性層144はアンドープであることが好ましい。第1活性層144は、発光中心波長が3000nm以上である波長域を有する。障壁層はInAsP以外にAlInAsなどを用いることも出来る。
<First active layer>
A first active layer 144 containing Sb is provided on the first spacer layer 143. The first active layer 144 includes an InAs x1 Sb 1-x1 layer (0<x1<1) that serves as a light-emitting layer. In FIG. 1, the first active layer 144 further includes an InAs y1 P 1-y1 layer (0<y1<1), and a quantum well structure in which the InAs x1 Sb 1-x1 layer is the well layer 144w of the first active layer and the InAs y1 P 1-y1 layer is the barrier layer 144b of the first active layer is illustrated as an example, but the first active layer 144 may have a single layer structure of the InAs x1 Sb 1-x1 layer. In addition, the composition other than Sb is not limited to In and As, and another III-V group compound semiconductor may be used. It is also preferable to adjust the composition difference between the well layer 144w of the first active layer and the barrier layer 144b of the first active layer to add strain to the well layer. The first active layer 144 preferably has a multiple quantum well (MQW) structure as shown in FIG. 1 in order to improve the optical output by suppressing crystal defects. This multiple quantum well structure can be formed by a structure in which the well layer and the barrier layer are alternately repeated. When using a multiple quantum well structure, the combination of the well layer and the barrier layer is preferably 3 to 40 pairs. That is, it is preferable that the combination is 3.5 to 40.5 pairs including the first barrier layer. Furthermore, the thickness of each well layer is preferably 5 nm to 40 nm, and the thickness of each barrier layer is preferably 10 nm to 50 nm. It is also preferable that the first active layer 144 is undoped. The first active layer 144 has a wavelength range in which the central emission wavelength is 3000 nm or more. The barrier layer can be made of AlInAs other than InAsP.

<第1活性層とトンネル接合層との間のp型中間層>
第1活性層とトンネル接合層との間はp型中間層である。第1活性層144と後述のトンネル接合層147との間の膜厚は100nm以下であることが好ましい。そして、このp型中間層は、p型電子ブロック層を含むことが好ましい。
<P-type intermediate layer between the first active layer and the tunnel junction layer>
Between the first active layer 144 and the tunnel junction layer is a p-type intermediate layer. The thickness between the first active layer 144 and a tunnel junction layer 147 described below is preferably 100 nm or less. The p-type intermediate layer preferably includes a p-type electron blocking layer.

<第1p型電子ブロック層>
第1活性層144上にIII―V族化合物半導体層からなる第1p型電子ブロック層145を設けても良く、膜厚は5nm以上60nm以下であることが好ましい。ここで使用できるドーパントとしてMg、Zn、C、Be等があげられる。また、p型ドーパント濃度は1.0×1018/cm以上5.0×1018/cm以下であることが好ましい。この第1p型電子ブロック層145は、第1活性層144へのキャリアの注入および閉じ込めを行う層である。また、第1p型電子ブロック層145は、後述するトンネル接合層147から第1活性層144へのp型ドーパントの拡散を低減する効果もある。
<First p-type electron blocking layer>
A first p-type electron block layer 145 made of a III-V group compound semiconductor layer may be provided on the first active layer 144, and the thickness is preferably 5 nm to 60 nm. Dopants that can be used here include Mg, Zn, C, Be, etc. The p-type dopant concentration is preferably 1.0×10 18 /cm 3 to 5.0×10 18 /cm 3. This first p-type electron block layer 145 is a layer that injects and confines carriers into the first active layer 144. The first p-type electron block layer 145 also has the effect of reducing the diffusion of p-type dopants from a tunnel junction layer 147 to be described later to the first active layer 144.

第1p型電子ブロック層145の組成は、Alz1In1-z1As(0.05≦z1≦0.40)であることが好ましく、Alz1In1-z1As(0.10≦z1≦0.35)であることがより好ましい。Al組成z1を0.05以上とすることで第1p型電子ブロック層145による発光効率を向上させることができ、0.40以下とすることで、順方向電圧が高くなって発光効率が低下することを抑制することができるためである。また、第1p型電子ブロック層145のp型ドーパント濃度は、後述するp型トンネル接合層1471にドープされているp型ドーパント濃度より小さいことが好ましい。 The composition of the first p-type electron blocking layer 145 is preferably Al z1 In 1-z1 As (0.05≦z1≦0.40), and more preferably Al z1 In 1-z1 As (0.10≦z1≦0.35). By making the Al composition z1 0.05 or more, the light emission efficiency of the first p-type electron blocking layer 145 can be improved, and by making it 0.40 or less, the decrease in light emission efficiency due to an increase in forward voltage can be suppressed. In addition, the p-type dopant concentration of the first p-type electron blocking layer 145 is preferably smaller than the p-type dopant concentration doped in the p-type tunnel junction layer 1471 described later.

第1p型電子ブロック層145上に、さらに第1p型窓層146を有していても良い。第1p型窓層146の組成は、第1p型電子ブロック層145の組成z1よりもAl組成が小さいことが好ましく、例えばInAsである。p型ドーパント濃度は1.0×1018/cm以上5.0×1018/cm以下であることが好ましい。 A first p-type window layer 146 may further be provided on the first p-type electron blocking layer 145. The composition of the first p-type window layer 146 preferably has a smaller Al composition than the composition z1 of the first p-type electron blocking layer 145, and is, for example, InAs. The p-type dopant concentration is preferably 1.0×10 18 /cm 3 or more and 5.0×10 18 /cm 3 or less.

第1活性層144とトンネル接合層147との間のp型中間層には、上記の第1p型電子ブロック層145または第1p型窓層146以外の層が含まれていても良い。その場合でも、本発明では、トンネル接合層147におけるドーパント濃度を低く抑えることができるため、p型トンネル接合層1471からのp型ドーパントの拡散が生じてもp型中間層内のp型ドーパント濃度を例えば5.0×1018/cm以下とすることができ、第1活性層144とトンネル接合層147との間の合計膜厚を100nm以下に抑制することが可能である。ドーパントの拡散量を抑えつつ、このように薄くすることで、素子全体の順方向電圧を低減することが期待できる。 The p-type intermediate layer between the first active layer 144 and the tunnel junction layer 147 may include a layer other than the first p-type electron block layer 145 or the first p-type window layer 146. Even in this case, in the present invention, since the dopant concentration in the tunnel junction layer 147 can be kept low, the p-type dopant concentration in the p-type intermediate layer can be kept, for example, at 5.0×10 18 /cm 3 or less even if diffusion of the p-type dopant from the p-type tunnel junction layer 1471 occurs, and the total film thickness between the first active layer 144 and the tunnel junction layer 147 can be kept at 100 nm or less. By making the film thin in this way while suppressing the amount of dopant diffusion, it is expected that the forward voltage of the entire element can be reduced.

<トンネル接合層>
第1p型窓層146上に、InAsからなるp型トンネル接合層1471およびn型トンネル接合層1472から構成されるトンネル接合層147を設ける。トンネル接合層147の膜厚は、10nm以上200nm以下であることが好ましい。p型トンネル接合層1471に使用できるドーパントとしてはMg、Zn、C、Be等があげられ、n型トンネル接合層1472に使用できるドーパントとしてはSi、Te、S、Ge、Sn、Se等があげられる。p型トンネル接合層1471は第1活性層144に対峙し、n型トンネル接合層1472は第2活性層149に対峙する。p型トンネル接合層1471とn型トンネル接合層1472の膜厚およびドーパント濃度は同一であっても良いし、異なっていても良い。また、p型トンネル接合層1471およびn型トンネル接合層1472のドーパント濃度は層内で均一である必要はなく、濃度勾配があっても良い。
<Tunnel junction layer>
A tunnel junction layer 147 consisting of a p-type tunnel junction layer 1471 and an n-type tunnel junction layer 1472 made of InAs is provided on the first p-type window layer 146. The thickness of the tunnel junction layer 147 is preferably 10 nm to 200 nm. Dopants that can be used for the p-type tunnel junction layer 1471 include Mg, Zn, C, Be, etc., and dopants that can be used for the n-type tunnel junction layer 1472 include Si, Te, S, Ge, Sn, Se, etc. The p-type tunnel junction layer 1471 faces the first active layer 144, and the n-type tunnel junction layer 1472 faces the second active layer 149. The thicknesses and dopant concentrations of the p-type tunnel junction layer 1471 and the n-type tunnel junction layer 1472 may be the same or different. Furthermore, the dopant concentrations of the p-type tunnel junction layer 1471 and the n-type tunnel junction layer 1472 do not need to be uniform within the layers, and may have a concentration gradient.

通常、トンネル接合の形成には半導体のドープ率を極めて高くして、n型半導体層とp型半導体層の接合面に生じる空乏層が、量子トンネリングが生じるほど薄くなる必要があるため、化合物半導体においては少なくとも1.0×1019/cm以上(好ましくは1.0×1020/cm)のドーパント濃度が必要とされている。しかし本発明では、ドーパント濃度が1.0×1018/cm以上1.0×1019/cm未満でもトンネル接合を実現することができた。トンネル接合層は、ドーパント濃度が5.0×1018/cm以上9.0×1018/cm以下であることがより好ましい。第1活性層144および第2活性層149へのドーパントの拡散が少ない方が、信頼性等の特性向上につながるため、量子トンネリングを生じさせることが出来れば、トンネル接合層147へのドーパント濃度は少ない方が好ましい。 Usually, in order to form a tunnel junction, the doping rate of the semiconductor must be extremely high so that the depletion layer generated at the junction surface between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer is thin enough to cause quantum tunneling, and therefore a dopant concentration of at least 1.0×10 19 /cm 3 or more (preferably 1.0×10 20 /cm 3 ) is required in the compound semiconductor. However, in the present invention, a tunnel junction can be realized even with a dopant concentration of 1.0×10 18 /cm 3 or more and less than 1.0×10 19 /cm 3. It is more preferable that the dopant concentration of the tunnel junction layer is 5.0×10 18 /cm 3 or more and 9.0×10 18 /cm 3 or less. Since the less diffusion of the dopant into the first active layer 144 and the second active layer 149 leads to improved characteristics such as reliability, it is preferable that the dopant concentration of the tunnel junction layer 147 is low as long as quantum tunneling can be caused.

<<p型トンネル接合層>>
p型トンネル接合層1471内のp型ドーパント濃度は1.0×1018atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm未満であることが好ましく、9.0×1018atoms/cm以下であることがより好ましい。膜厚は、5nm以上100nm以下であることが好ましい。
<<p-type tunnel junction layer>>
The p-type dopant concentration in the p-type tunnel junction layer 1471 is preferably 1.0×10 18 atoms/cm 3 or more and less than 1.0×10 19 atoms/cm 3 , and more preferably 9.0×10 18 atoms/cm 3 or less. The film thickness is preferably 5 nm or more and 100 nm or less.

<<n型トンネル接合層>>
n型トンネル接合層1472内のn型ドーパント濃度は1.0×1018atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm未満であることが好ましく、9.0×1018atoms/cm以下であることがより好ましい。膜厚は、5nm以上100nm以下であることが好ましい。
<<N-type tunnel junction layer>>
The n-type dopant concentration in the n-type tunnel junction layer 1472 is preferably 1.0×10 18 atoms/cm 3 or more and less than 1.0×10 19 atoms/cm 3 , and more preferably 9.0×10 18 atoms/cm 3 or less. The film thickness is preferably 5 nm or more and 100 nm or less.

<トンネル接合層と第2活性層との間のn型中間層>
トンネル接合層と第2活性層との間はn型中間層である。n型中間層はアンドープ層であっても良い。トンネル接合層147と後述の第2活性層149との間の膜厚は100nm以下であることが好ましい。そして、このn型中間層は、スペーサ層を含むことが好ましい。
<N-type intermediate layer between the tunnel junction layer and the second active layer>
Between the tunnel junction layer and the second active layer is an n-type intermediate layer. The n-type intermediate layer may be an undoped layer. The thickness between the tunnel junction layer 147 and the second active layer 149 described later is preferably 100 nm or less. The n-type intermediate layer preferably includes a spacer layer.

<第2スペーサ層>
トンネル接合層147上に第2スペーサ層148を設けても良く、膜厚は1nm以上100nm以下とすることが好ましい。第2スペーサ層148はトンネル接合層147のn型トンネル接合層1472または第2活性層149の障壁層と組成を同じにしてもよいし障壁層よりバンドギャップを大きくする組成としても良い。成長時にn型ドーパントの原料ガスを流さず意図的なドーピングをしない層(アンドープ層)とすることが好ましい。この第2スペーサ層148は、トンネル接合層147のn型トンネル接合層1472からn型ドーパントが第2活性層149に拡散するのを低減する。
<Second Spacer Layer>
A second spacer layer 148 may be provided on the tunnel junction layer 147, and the thickness of the second spacer layer 148 is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. The second spacer layer 148 may have the same composition as the n-type tunnel junction layer 1472 of the tunnel junction layer 147 or the barrier layer of the second active layer 149, or may have a composition that makes the band gap larger than that of the barrier layer. It is preferable that the second spacer layer 148 is an undoped layer that is not intentionally doped without flowing raw material gas of n-type dopant during growth. This second spacer layer 148 reduces the diffusion of n-type dopant from the n-type tunnel junction layer 1472 of the tunnel junction layer 147 to the second active layer 149.

第2活性層149とトンネル接合層147との間には、上記の第2スペーサ層148以外の層が含まれていても良い。その場合でも、本発明では、トンネル接合層147におけるドーパント濃度を低く抑えることができるため、n型トンネル接合層1472からn型ドーパントの拡散が生じても、n型中間層内のn型ドーパント濃度を例えば5.0×1018/cm以下とすることができ、第2活性層149とトンネル接合層147との間の合計膜厚を100nm以下に抑制することも可能である。ドーパントの拡散量を抑えつつ、このように薄くすることで、素子全体の順方向電圧を低減することが期待できる。 A layer other than the second spacer layer 148 may be included between the second active layer 149 and the tunnel junction layer 147. Even in this case, in the present invention, since the dopant concentration in the tunnel junction layer 147 can be kept low, even if the n-type dopant diffuses from the n-type tunnel junction layer 1472, the n-type dopant concentration in the n-type intermediate layer can be kept, for example, 5.0×10 18 /cm 3 or less, and the total film thickness between the second active layer 149 and the tunnel junction layer 147 can be kept to 100 nm or less. By making the film thin in this way while suppressing the amount of dopant diffusion, it is expected that the forward voltage of the entire element can be reduced.

<第2活性層>
第2スペーサ層148上にSbを含む第2活性層149を設ける。第2活性層149は第1活性層144と同じ構成をとることが好ましい。例えば図1では、第2活性層149は発光層となる井戸層InAsx2Sb1-x2層(0<x2<1)および障壁層InAsy21-y2層(0<y2<1)からなる量子井戸構造を図示しているが、第2活性層の井戸層149wは第1活性層の井戸層144wと、第2活性層の障壁層149bは第1活性層の障壁層144bとそれぞれ共通の構成とすることが好ましい。また、第1活性層144および第2活性層149は同一の発光波長を有し、発光中心波長が3000nm以上である波長域を有する。
<Second active layer>
A second active layer 149 containing Sb is provided on the second spacer layer 148. The second active layer 149 preferably has the same structure as the first active layer 144. For example, in FIG. 1, the second active layer 149 is illustrated as a quantum well structure consisting of a well layer InAs x2 Sb 1-x2 layer (0<x2<1) and a barrier layer InAs y2 P 1-y2 layer (0<y2<1) which are light-emitting layers, but it is preferable that the well layer 149w of the second active layer has the same structure as the well layer 144w of the first active layer, and the barrier layer 149b of the second active layer has the same structure as the barrier layer 144b of the first active layer. In addition, the first active layer 144 and the second active layer 149 have the same emission wavelength and have a wavelength range in which the emission center wavelength is 3000 nm or more.

<第2p型電子ブロック層>
第2活性層149上にIII―V族化合物半導体層からなる第2p型電子ブロック層150を設けても良く、膜厚は5nm以上60nm以下であることが好ましい。ここで使用できるドーパントとしてMg、Zn、C、Be等があげられる。また、ドーパント濃度は1.0×1018/cm以上5.0×1018/cm以下であることが好ましい。この第2p型電子ブロック層150は、第2活性層149へのキャリアの注入および閉じ込めを行う層である。また、第2p型電子ブロック層150は、第2p型窓層151から第2活性層149へのドーパントの拡散を低減する効果もある。
<Second p-type electron blocking layer>
A second p-type electron block layer 150 made of a III-V compound semiconductor layer may be provided on the second active layer 149, and the thickness is preferably 5 nm to 60 nm. Dopants that can be used here include Mg, Zn, C, Be, etc. The dopant concentration is preferably 1.0×10 18 /cm 3 to 5.0×10 18 /cm 3. This second p-type electron block layer 150 is a layer that injects and confines carriers into the second active layer 149. The second p-type electron block layer 150 also has the effect of reducing the diffusion of dopants from the second p-type window layer 151 to the second active layer 149.

第2p型電子ブロック層150の組成は、Alz2In1-z2As(0.05≦z2≦0.4)であることが好ましく、Alz2In1-z2As(0.10≦z2≦0.35)であることがより好ましい。Al組成z2を0.05以上とすることで、第2p型電子ブロック層150による発光効率を向上させることができ、0.40以下とすることで、順方向電圧が高くなって発光効率が低下することを抑制することができるためである。また、第2p型電子ブロック層150のp型ドーパント濃度は、p型トンネル接合層1471にドープされているp型ドーパント濃度より小さいことが好ましい。 The composition of the second p-type electron blocking layer 150 is preferably Alz2In1 -z2As (0.05≦z2≦0.4), and more preferably Alz2In1 -z2As (0.10≦z2≦0.35). By making the Al composition z2 0.05 or more, the light emission efficiency of the second p-type electron blocking layer 150 can be improved, and by making it 0.40 or less, the decrease in light emission efficiency due to an increase in forward voltage can be suppressed. In addition, the p-type dopant concentration of the second p-type electron blocking layer 150 is preferably smaller than the p-type dopant concentration doped in the p-type tunnel junction layer 1471.

<第2p型窓層>
第2p型電子ブロック層150上にIII―V族化合物半導体層からなる第2p型窓層151を設けても良く、膜厚は500nm以上2000nm以下であることが好ましい。第2p型窓層151がこれより厚いと、電流がLEDチップの端まで広がり表面再結合が増加するほか、素子のオーミック抵抗が増加してしまうことで発光効率が低下するので好ましくない。一方、第2p型窓層151がこれより薄いと、電極の真下で発光し、光の取り出しを妨げるため好ましくない。ここで使用できるドーパントとしてMg、Zn、C、Be等があげられる。第2p型窓層151のドーパント濃度は1.0×1018atoms/cm以上5.0×1018atoms/cm以下であることが好ましい。
<Second p-type window layer>
A second p-type window layer 151 made of a III-V group compound semiconductor layer may be provided on the second p-type electron blocking layer 150, and the thickness is preferably 500 nm or more and 2000 nm or less. If the second p-type window layer 151 is thicker than this, the current spreads to the edge of the LED chip, increasing surface recombination, and the ohmic resistance of the element increases, which is undesirable as it reduces the light emission efficiency. On the other hand, if the second p-type window layer 151 is thinner than this, it is undesirable as it emits light directly under the electrode and prevents light extraction. Examples of dopants that can be used here include Mg, Zn, C, and Be. The dopant concentration of the second p-type window layer 151 is preferably 1.0×10 18 atoms/cm 3 or more and 5.0×10 18 atoms/cm 3 or less.

<p型コンタクト層>
第2p型窓層151上にIII―V族化合物半導体層からなるp型コンタクト層152を設けても良く、膜厚は20nm以上300nm以下が好ましい。p型コンタクト層152のドーパント濃度は第2p型窓層151のドーパント濃度より高く、8.0×1018atoms/cm以上3.0×1019atoms/cm以下であることが好ましい。
<p-type contact layer>
A p-type contact layer 152 made of a III-V compound semiconductor layer may be provided on the second p-type window layer 151, and the thickness of the p-type contact layer 152 is preferably 20 nm or more and 300 nm or less. The dopant concentration of the p-type contact layer 152 is higher than that of the second p-type window layer 151, and is preferably 8.0× 1018 atoms/ cm3 or more and 3.0× 1019 atoms/ cm3 or less.

以下において、これまでに説明した光半導体素子100の製造方法の実施形態の一例を説明する。光半導体素子100は、成長用基板105がn型もしくはアンドープの場合、第1活性層144とInAsからなるトンネル接合層147と第2活性層149と、を順にエピタキシャル成長する工程を経て製造する。ここで、第1活性層144および第2活性層149はSbを含み、トンネル接合層147は、p型InAs層で形成されるp型トンネル接合層1471およびn型InAs層で形成されるn型トンネル接合層1472が垂直に積層されている。第1活性層144とp型トンネル接合層1471は対峙し、n型トンネル接合層1472と第2活性層149は対峙する。また、トンネル接合層147のドーパント濃度は、1.0×1018atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm未満である。 An example of an embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element 100 described above will be described below. When the growth substrate 105 is n-type or undoped, the optical semiconductor element 100 is manufactured through a process of epitaxially growing the first active layer 144, the tunnel junction layer 147 made of InAs, and the second active layer 149 in order. Here, the first active layer 144 and the second active layer 149 contain Sb, and the tunnel junction layer 147 is formed by vertically stacking a p-type tunnel junction layer 1471 formed of a p-type InAs layer and an n-type tunnel junction layer 1472 formed of an n-type InAs layer. The first active layer 144 and the p-type tunnel junction layer 1471 face each other, and the n-type tunnel junction layer 1472 and the second active layer 149 face each other. The dopant concentration of the tunnel junction layer 147 is equal to or higher than 1.0×10 18 atoms/cm 3 and lower than 1.0×10 19 atoms/cm 3 .

第1活性層144とトンネル接合層147との間に、合計膜厚が100nm以下の第1p型電子ブロック層145または第1p型窓層146を形成しても良く、また、トンネル接合層147と第2活性層149との間に、アンドープの、膜厚が100nm以下の第2スペーサ層148を形成しても良い。 A first p-type electron block layer 145 or a first p-type window layer 146 having a total thickness of 100 nm or less may be formed between the first active layer 144 and the tunnel junction layer 147, and an undoped second spacer layer 148 having a thickness of 100 nm or less may be formed between the tunnel junction layer 147 and the second active layer 149.

さらに、成長用基板105と第1活性層144との間にn型コンタクト層141、n型窓層142、第1スペーサ層143のうち一つ以上の層を形成しても良く、第2活性層上に第2p型電子ブロック層150、第2p型窓層151、p型コンタクト層152の一つ以上の層を形成しても良い。 Furthermore, one or more layers of the n-type contact layer 141, the n-type window layer 142, and the first spacer layer 143 may be formed between the growth substrate 105 and the first active layer 144, and one or more layers of the second p-type electron block layer 150, the second p-type window layer 151, and the p-type contact layer 152 may be formed on the second active layer.

一方、半導体積層体140の各半導体層をエピタキシャル成長させるための成長用基板105がp型であれば、成長用基板105に、第2活性層149、トンネル接合層147および第1活性層144を順に形成する。このとき、第2活性層149とn型トンネル接合層1472とが対峙し、p型トンネル接合層1471と第1活性層144とが対峙する。 On the other hand, if the growth substrate 105 for epitaxially growing each semiconductor layer of the semiconductor laminate 140 is p-type, the second active layer 149, the tunnel junction layer 147, and the first active layer 144 are formed in this order on the growth substrate 105. At this time, the second active layer 149 faces the n-type tunnel junction layer 1472, and the p-type tunnel junction layer 1471 faces the first active layer 144.

各半導体層は、エピタキシャル成長により形成することができ、例えば、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法または分子線エピタキシ(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。例えば、In源としてトリメチルインジウム(TMIn)、Ga源としてトリメチルガリウム(TMGa)または、トリエチルガリウム(TEGa)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMAl)、As源としてアルシン(AsH)または、ターシャルブチルアルシン(TBAs)、Sb源としてトリメチルアンチモン(TMSb)、トリエチルアンチモン(TESb)、または、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)、P源としてホスフィン(PH)または、ターシャルブチルホスフィン(TBP)を所定の混合比で用い、これらの原料ガスを、キャリアガスを用いつつ気相成長させることにより、成長時間に応じて所望の厚みで形成することができる。各層をp型またはn型にドーピングする場合は、所望に応じたドーパント源のガスをさらに用いればよい。例えばZnをドーピングする場合、DEZn(ジエチル亜鉛)ガスなどを用いればよい。なお、InAsはアンドープでもn型となる。 Each semiconductor layer can be formed by epitaxial growth, for example, by a known thin film growth method such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). For example, trimethylindium (TMIn) as an In source, trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa) as a Ga source, trimethylaluminum (TMAl) as an Al source, arsine (AsH 3 ) or tertiarybutylarsine (TBAs) as an As source, trimethylantimony (TMSb), triethylantimony (TESb) or trisdimethylaminoantimony (TDMASb) as an Sb source, and phosphine (PH 3 ) or tertiarybutylphosphine (TBP) as a P source are used in a predetermined mixing ratio, and these raw material gases are vapor-phase grown using a carrier gas, so that a desired thickness can be formed according to the growth time. When each layer is doped to p-type or n-type, a dopant source gas according to the desire may be further used. For example, when Zn is doped, DEZn (diethylzinc) gas or the like may be used. Note that InAs is also n-type even when undoped.

図1では成長用基板105の裏面に下部電極195が設けられている。さらにp型コンタクト層152上の一部には上部電極191が設けられている。上部電極191はオーミック電極の配線部およびパッド部を含んでも良く、図示しないがパッド部はボンディング用の金属層または半田を有していても良い。上部電極191および下部電極195に用いる金属材料および形成方法は公知のものを用いることができる。金属材料としては、Ti、Pt、Au、Ag、Al、Zn、Niなどを使用できる。 In FIG. 1, a lower electrode 195 is provided on the back surface of the growth substrate 105. Furthermore, an upper electrode 191 is provided on a portion of the p-type contact layer 152. The upper electrode 191 may include a wiring portion and a pad portion of an ohmic electrode, and although not shown, the pad portion may have a metal layer or solder for bonding. The metal materials and formation methods used for the upper electrode 191 and the lower electrode 195 may be publicly known. Examples of metal materials that may be used include Ti, Pt, Au, Ag, Al, Zn, and Ni.

上部電極191から下部電極195に順方向電圧を印加すると、第1活性層144および第2活性層149に順方向電圧がかかり、第1活性層144および第2活性層149の両方が発光する。このとき、トンネル接合層147におけるトンネル接合(pn接合)には逆方向電圧が印加される。これによりトンネル接合層147では、トンネル効果により電流が流れる。 When a forward voltage is applied from the upper electrode 191 to the lower electrode 195, a forward voltage is applied to the first active layer 144 and the second active layer 149, and both the first active layer 144 and the second active layer 149 emit light. At this time, a reverse voltage is applied to the tunnel junction (pn junction) in the tunnel junction layer 147. This causes a current to flow in the tunnel junction layer 147 due to the tunnel effect.

(第2実施形態)
図2を参照して、本発明の第2実施形態に従う光半導体素子200を説明する。光半導体素子200は、支持基板を接合したうえで成長用基板を除去することで得られる接合型の光半導体素子である。光半導体素子100と同一の構成要素には原則として数字三桁のうち、下二桁で同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。この光半導体素子200は、支持基板280、ならびに支持基板280の表面に設けられた金属接合層279および金属反射層271、ならびに金属反射層271上の貫通孔を具える透明絶縁層261および当該貫通孔に設けられたオーミック電極部265を有する配電部260、ならびに配電部260上に設けられた半導体積層体240を少なくとも備える。
Second Embodiment
An optical semiconductor element 200 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2. The optical semiconductor element 200 is a junction-type optical semiconductor element obtained by bonding a support substrate and then removing a growth substrate. In principle, the same components as those of the optical semiconductor element 100 are given the same reference numbers with the last two digits of the three-digit number, and duplicated descriptions are omitted. The optical semiconductor element 200 includes at least a support substrate 280, a metal bonding layer 279 and a metal reflective layer 271 provided on the surface of the support substrate 280, a transparent insulating layer 261 having a through hole on the metal reflective layer 271 and a power distribution section 260 having an ohmic electrode section 265 provided in the through hole, and a semiconductor laminate 240 provided on the power distribution section 260.

図2の光半導体素子200における半導体積層体240は、支持基板280と反対側から順に、n型コンタクト層241、n型窓層242、第1スペーサ層243、第1活性層244、第1p型電子ブロック層245、第1p型窓層246、トンネル接合層247、第2スペーサ層248、第2活性層249、第2p型電子ブロック層250、第2p型窓層251、およびp型コンタクト層252を有する。 The semiconductor laminate 240 in the optical semiconductor element 200 in FIG. 2 has, in order from the side opposite the support substrate 280, an n-type contact layer 241, an n-type window layer 242, a first spacer layer 243, a first active layer 244, a first p-type electron blocking layer 245, a first p-type window layer 246, a tunnel junction layer 247, a second spacer layer 248, a second active layer 249, a second p-type electron blocking layer 250, a second p-type window layer 251, and a p-type contact layer 252.

成長用基板と異なる支持基板280としては、成長用基板より安価で熱伝導性が高いことが好ましく、例えば、Si、Ge、GaAsなどの化合物基板のほか、銅合金、モリブデン、タングステン、コバールなどの熱膨張係数を抑制可能な金属を使用した金属基板またはAlNなどのセラミック基板に金属を付けたサブマウント基板を使用することができる。加工性および価格の面からSi基板を支持基板280に用いることも好ましい。 The support substrate 280, which is different from the growth substrate, is preferably cheaper and has higher thermal conductivity than the growth substrate. For example, in addition to compound substrates such as Si, Ge, and GaAs, metal substrates using metals that can suppress the thermal expansion coefficient, such as copper alloys, molybdenum, tungsten, and Kovar, or submount substrates in which metal is attached to a ceramic substrate such as AlN can be used. From the standpoint of processability and cost, it is also preferable to use a Si substrate as the support substrate 280.

以下、光半導体素子200とその製造方法の実施形態の一例を、図3~図5を参照しつつ、より詳細に説明する。まず、成長用基板205を用意する。そして、図3を参照し、半導体積層体240を形成する。このとき、成長用基板205上に、図示しないエッチングストップ層を形成してもよい。半導体積層体240は既述の半導体積層体140と同様である。 Below, an example of an embodiment of the optical semiconductor element 200 and a manufacturing method thereof will be described in more detail with reference to Figures 3 to 5. First, a growth substrate 205 is prepared. Then, with reference to Figure 3, a semiconductor laminate 240 is formed. At this time, an etching stop layer (not shown) may be formed on the growth substrate 205. The semiconductor laminate 240 is similar to the semiconductor laminate 140 described above.

<配電部の形成>
p型コンタクト層252上に、貫通孔を具える透明絶縁層261および貫通孔に設けられたオーミック電極部265を備える配電部260を形成する。配電部260を形成する具体的手法は任意であるが、配電部260を形成するための具体的な態様の一例を図4および図5を参照して以下に説明する。
<Formation of power distribution division>
A power distribution section 260 including a transparent insulating layer 261 with a through hole and an ohmic electrode section 265 provided in the through hole is formed on the p-type contact layer 252. Any specific method may be used to form the power distribution section 260, but an example of a specific mode for forming the power distribution section 260 will be described below with reference to FIGS.

まず、透明絶縁層261を半導体積層体240上に成膜する。成膜法としては、プラズマCVD法またはスパッタ法などの、公知の手法が適用可能である。その後、透明絶縁層261上にフォトマスクを用いて配電部のレジストパターンを形成する。次いで、レジストパターンを利用してエッチングにより透明絶縁層261の一部を除去し、貫通孔を形成する。貫通孔が設けられることにより、半導体積層体240の最表面の一部領域は露出する。その後、オーミック電極部265を成膜し、次いでレジストパターンを利用してリフトオフすれば、配電部260を形成することができる。配電部260には、透明絶縁層261およびオーミック電極部265が並列して配設されることになる。なお、図面では簡略化のため、オーミック電極部265は貫通孔を充填するように図示しているものの、これに限定されず、透明絶縁層261とオーミック電極部265との間に間隙が生じてもよい。 First, the transparent insulating layer 261 is formed on the semiconductor laminate 240. As the film formation method, known methods such as plasma CVD or sputtering can be applied. After that, a resist pattern of the power distribution section is formed on the transparent insulating layer 261 using a photomask. Next, a part of the transparent insulating layer 261 is removed by etching using the resist pattern to form a through hole. By providing the through hole, a part of the outermost surface of the semiconductor laminate 240 is exposed. After that, the ohmic electrode section 265 is formed, and then lifted off using the resist pattern to form the power distribution section 260. In the power distribution section 260, the transparent insulating layer 261 and the ohmic electrode section 265 are arranged in parallel. Note that, for simplification in the drawing, the ohmic electrode section 265 is illustrated as filling the through hole, but this is not limited to this, and a gap may be formed between the transparent insulating layer 261 and the ohmic electrode section 265.

オーミック電極部265は、所定のパターンで島状に分散させて形成することができる。オーミック電極部265として、例えばAu、AuZn、AuBe、AuTiなどを用いることができ、これらの積層構造を用いることも好ましい。例えば、Ti/Auをオーミック電極部265とすることができる。オーミック電極部265の膜厚(または合計膜厚)は制限されないが、例えば300nm~1300nm、より好ましくは350nm~800nmとすることができる。 The ohmic electrode portion 265 can be formed by dispersing it in an island shape in a predetermined pattern. For example, Au, AuZn, AuBe, AuTi, etc. can be used as the ohmic electrode portion 265, and it is also preferable to use a laminated structure of these. For example, Ti/Au can be used as the ohmic electrode portion 265. There are no restrictions on the film thickness (or total film thickness) of the ohmic electrode portion 265, but it can be, for example, 300 nm to 1300 nm, more preferably 350 nm to 800 nm.

<金属反射層の形成>
図4に示すように、配電部260上に金属反射層271を形成することも好ましい。金属反射層271は、複数の金属層を含むことができるが、金属反射層271を構成する金属には、Auの他、Al、Pt、Ti、Agなどを用いることができる。例えば、金属反射層271はAuのみからなる単一層であっても良いし、金属反射層271にAu金属層が2層以上含まれていても良い。金属反射層271は、金属反射層271の組成においてAuを50質量%以上有することが好ましい。後続の工程における金属接合層279との接合を確実に行うため、金属反射層271の最表層(半導体積層体240と反対側の面)を、Au金属層とすることが好ましい。
<Formation of Metal Reflective Layer>
As shown in FIG. 4, it is also preferable to form a metal reflective layer 271 on the power distribution unit 260. The metal reflective layer 271 may include a plurality of metal layers, and the metal constituting the metal reflective layer 271 may be Al, Pt, Ti, Ag, or the like in addition to Au. For example, the metal reflective layer 271 may be a single layer made of Au only, or the metal reflective layer 271 may include two or more Au metal layers. It is preferable that the metal reflective layer 271 has 50 mass % or more of Au in its composition. In order to ensure bonding with the metal bonding layer 279 in the subsequent process, it is preferable that the outermost layer of the metal reflective layer 271 (the surface opposite to the semiconductor laminate 240) is an Au metal layer.

例えば、配電部260(上記間隙が設けられている場合は間隙を含む)上に、Al、Au、Pt、Auの順に各金属を成膜し、金属反射層271を形成することができる。金属反射層271におけるAu1層の厚みを、例えば400nm~2000nmとすることができ、Au以外の金属からなる金属層の厚みを、例えば5nm~200nmとすることができる。蒸着法などの一般的な手段を用いることにより、金属反射層271を成膜して形成することができる。 For example, metals can be deposited in the order of Al, Au, Pt, and Au on the power distribution section 260 (including the gap if the gap is provided) to form the metal reflective layer 271. The thickness of the Au1 layer in the metal reflective layer 271 can be, for example, 400 nm to 2000 nm, and the thickness of the metal layers made of metals other than Au can be, for example, 5 nm to 200 nm. The metal reflective layer 271 can be deposited and formed using a common method such as a vapor deposition method.

<支持基板との接合>
支持基板との接合について、図4を参照して説明する。半導体積層体240および配電部260を、少なくとも金属接合層279を介して支持基板280と接合する。金属反射層271を設けることで、金属反射層271と金属接合層279とを接合してよい。金属接合層279と、金属反射層271とを対向配置して貼り合せ、250℃~500℃程度の温度で加熱圧縮接合を行うことで、両者の接合を行うことができる。
<Joining with supporting substrate>
The bonding with the support substrate will be described with reference to Fig. 4. The semiconductor stack 240 and the power distribution section 260 are bonded to the support substrate 280 via at least a metal bonding layer 279. The metal reflective layer 271 may be provided to bond the metal reflective layer 271 and the metal bonding layer 279. The metal bonding layer 279 and the metal reflective layer 271 are placed opposite each other and bonded together, and heated and compressed to bond at a temperature of about 250°C to 500°C, whereby the two can be bonded together.

<金属接合層>
Ti、Pt、Auなどの金属または、Auと共晶合金を形成する金属(Snなど)または半田を用いて金属接合層279を形成することができ、これらを積層して金属接合層279を形成することが好ましい。例えば、支持基板280の表面から順に、厚み400nm~800nmのTi、厚み5nm~20nmのPt、厚み700nm~1200nmのAuを積層して金属接合層279を形成することができる。例えば、金属反射層271と金属接合層279とで接合する場合に、金属接合層279の最表層をAu金属とし、金属反射層271の最表層もAuとして、Au-Au拡散によるAu同士での接合を行うことができる。
<Metal bonding layer>
The metal bonding layer 279 can be formed using metals such as Ti, Pt, Au, or a metal (such as Sn) that forms a eutectic alloy with Au, or solder, and it is preferable to laminate these to form the metal bonding layer 279. For example, the metal bonding layer 279 can be formed by laminating, in order from the surface of the support substrate 280, Ti having a thickness of 400 nm to 800 nm, Pt having a thickness of 5 nm to 20 nm, and Au having a thickness of 700 nm to 1200 nm. For example, when bonding the metal reflective layer 271 and the metal bonding layer 279, the outermost layer of the metal bonding layer 279 can be made of Au metal, and the outermost layer of the metal reflective layer 271 can also be made of Au, and bonding between Au layers can be performed by Au-Au diffusion.

<支持基板>
支持基板280は、成長用基板205とは異種の基板であればよく、先に述べた半導体基板、金属基板、セラミック基板がベースとなったサブマウント基板などを用いることができる。上述した接合法を用いるため、支持基板280は、本実施形態において形成する各半導体層と格子不整合してもよい。なお、支持基板280は、用途によっては絶縁性でもよいものの、導電性基板であることが好ましい。加工性および価格の面からSi基板を支持基板280に用いることが好ましい。Si基板を用いることで、支持基板280の厚みを、従来よりも大幅に小さくすることもでき、種々の半導体デバイスと組み合わせる実装にも適している。また、Si基板はInAs基板に比べて放熱性の点でも有利である。
<Support substrate>
The support substrate 280 may be a substrate of a different type from the growth substrate 205, and may be a submount substrate based on the semiconductor substrate, metal substrate, or ceramic substrate described above. Since the above-mentioned bonding method is used, the support substrate 280 may be lattice-mismatched with each semiconductor layer formed in this embodiment. The support substrate 280 may be an insulating substrate depending on the application, but is preferably a conductive substrate. In terms of processability and cost, it is preferable to use a Si substrate for the support substrate 280. By using a Si substrate, the thickness of the support substrate 280 can be significantly reduced compared to the conventional method, and it is also suitable for mounting in combination with various semiconductor devices. In addition, the Si substrate is also advantageous in terms of heat dissipation compared to the InAs substrate.

<成長用基板の除去>
成長用基板の除去については図5を参照して説明する。支持基板280を接合した後、成長用基板205を除去する。成長用基板205がGaAs基板である場合、例えば、アンモニア過酸化水素混合液を用いて成長用基板205をウェットエッチングすることができる。エッチングストップ層を用いる場合は、成長用基板205の除去に引き続き、エッチングストップ層を順次除去してもよい。また、エッチングストップ層を一部残すことで、上部電極291に対するコンタクト抵抗を低減するn型コンタクト層として使用しても良い。
<Removal of Growth Substrate>
The removal of the growth substrate will be described with reference to FIG. 5. After bonding the support substrate 280, the growth substrate 205 is removed. When the growth substrate 205 is a GaAs substrate, the growth substrate 205 can be wet-etched using, for example, an ammonia-hydrogen peroxide mixture. When an etching stop layer is used, the etching stop layer may be sequentially removed following the removal of the growth substrate 205. In addition, by leaving a part of the etching stop layer, it may be used as an n-type contact layer that reduces the contact resistance with the upper electrode 291.

さらに、参照した図2に示すように、半導体積層体240上に上部電極291を形成し、支持基板280の裏面に裏面電極295を形成してもよい。上部電極291は、配線部およびパッド部を含んでも良い。上部電極291および裏面電極295の形成は公知手法を用いることができ、例えばスパッタ法、電子ビーム蒸着法(蒸着法とも記載する)、または抵抗加熱法などを用いることができる。電極のパターン形成には、金属マスクを用いる方法のほか、フォトリソグラフ法、リフトオフ法および金属のエッチングを組み合わせて用いる方法がある。 Furthermore, as shown in FIG. 2, an upper electrode 291 may be formed on the semiconductor laminate 240, and a back electrode 295 may be formed on the back surface of the support substrate 280. The upper electrode 291 may include a wiring portion and a pad portion. The upper electrode 291 and the back electrode 295 may be formed by a known method, such as a sputtering method, an electron beam evaporation method (also referred to as an evaporation method), or a resistance heating method. The electrode pattern may be formed by using a metal mask, or by combining a photolithography method, a lift-off method, and metal etching.

以上の製造方法により、図2に示す光半導体素子200を得ることができる。これらの実施形態は例示であり限定されるものではなく、メサエッチングにおいて素子の側面に傾斜を設けても良く、電極形状は上面二電極でもよく、フリップチップでもよく、適宜変更が可能である。 The above manufacturing method can provide the optical semiconductor element 200 shown in FIG. 2. These embodiments are examples and are not limiting. The side of the element may be inclined during mesa etching, the electrode shape may be two electrodes on the upper surface, or it may be a flip chip, and other appropriate modifications are possible.

(第3実施形態)
次に、図6を参照して、本発明の第3実施形態に従う光半導体素子300について説明する。第3実施形態は、第1実施形態の第2p型窓層上に、さらにトンネル接合層および活性層を成膜する実施形態である。図6の半導体発光素子は、具体的には、第2p型窓層上に、第2トンネル接合層352、第3活性層354、第3トンネル接合層357、第4活性層359を順次有する。以下、各構成の詳細を述べる。
Third Embodiment
Next, an optical semiconductor device 300 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 6. The third embodiment is an embodiment in which a tunnel junction layer and an active layer are further formed on the second p-type window layer of the first embodiment. Specifically, the semiconductor light emitting device in Fig. 6 has a second tunnel junction layer 352, a third active layer 354, a third tunnel junction layer 357, and a fourth active layer 359, successively formed on the second p-type window layer. Each component will be described in detail below.

第2トンネル接合層352は、第1実施形態のトンネル接合層147と同様にp型InAs層3521およびn型InAs層3522とを有する。また、p型InAs層3521は第2活性層に対峙し、n型InAs層3521は第3活性層354に対峙する。ここで第2トンネル接合層352は、第1トンネル接合層と同一の組成および膜厚を有していても良いし、異なっていても良い。 The second tunnel junction layer 352 has a p-type InAs layer 3521 and an n-type InAs layer 3522, similar to the tunnel junction layer 147 of the first embodiment. The p-type InAs layer 3521 faces the second active layer, and the n-type InAs layer 3521 faces the third active layer 354. Here, the second tunnel junction layer 352 may have the same composition and film thickness as the first tunnel junction layer, or may have different thicknesses.

第3活性層354は、第1活性層と同様に発光層となるInAsx3Sb1-x3層(0<x3<1)を含み、第1活性層と同一の発光波長を有する。また、第3活性層354は、第1活性層と同一の組成および膜厚を有していても良いし、異なっていても良い。 The third active layer 354 includes an InAs x3 Sb 1-x3 layer (0<x3<1) which is a light emitting layer like the first active layer, and has the same emission wavelength as the first active layer. The third active layer 354 may have the same composition and film thickness as the first active layer, or may have different composition and film thickness.

第3トンネル接合層357は、第1実施形態のトンネル接合層と同様にp型InAs層3571およびn型InAs層3572とを有する。また、p型InAs層3571は第3活性層354に対峙し、n型InAs層3572は第4活性層359に対峙する。ここで第3トンネル接合層357は、第1トンネル接合層と同一の組成および膜厚を有していても良いし、異なっていても良い。 The third tunnel junction layer 357 has a p-type InAs layer 3571 and an n-type InAs layer 3572, similar to the tunnel junction layer of the first embodiment. The p-type InAs layer 3571 faces the third active layer 354, and the n-type InAs layer 3572 faces the fourth active layer 359. Here, the third tunnel junction layer 357 may have the same composition and film thickness as the first tunnel junction layer, or may have different thicknesses.

第4活性層359は、第1活性層と同様に発光層となるInAsx4Sb1-x4層(0<x4<1)を含み、第1活性層と同一の発光波長を有する。また、第4活性層359は、第1活性層と同一の組成および膜厚を有していても良いし、異なっていても良い。 The fourth active layer 359 includes an InAs x4 Sb 1-x4 layer (0<x4<1) that serves as a light emitting layer like the first active layer, and has the same emission wavelength as the first active layer. The fourth active layer 359 may have the same composition and film thickness as the first active layer, or may have different composition and film thickness.

第4活性層359より上の層は、第1実施形態における第2活性層より上の層と同じ構成である。 The layers above the fourth active layer 359 have the same configuration as the layers above the second active layer in the first embodiment.

上述した第3実施形態では、第2電子ブロック層上に第2トンネル接合層352、第3活性層354、第3トンネル接合層357、第4活性層359を成膜して、計3層のトンネル接合層および計4層の活性層を形成する実施形態について述べた。本実施形態では図6の態様に替えて、トンネル接合層を計N層(N3以上の整数である)形成し、かつ、活性層を計(N+1)層形成しても良い。例えば、トンネル接合層を計2層形成し、かつ、活性層を計3層形成しても良いし、トンネル接合層を計4層形成し、かつ、活性層を計5層形成しても良い。図6の態様は、Nが3である場合の具体例である。この場合でも、各トンネル接合層のドーパント濃度は1×1018atoms/cm以上1×1019atoms/cm以下であり、各活性層の波長は中心波長が3000nm以上かつ互いに同一である。 In the above-mentioned third embodiment, the second tunnel junction layer 352, the third active layer 354, the third tunnel junction layer 357, and the fourth active layer 359 are formed on the second electron blocking layer to form a total of three tunnel junction layers and a total of four active layers. In this embodiment, instead of the embodiment shown in FIG. 6, a total of N tunnel junction layers (N is an integer equal to or greater than 3) may be formed, and a total of (N+1) active layers may be formed. For example, a total of two tunnel junction layers may be formed, and a total of three active layers may be formed, or a total of four tunnel junction layers may be formed, and a total of five active layers may be formed. The embodiment shown in FIG. 6 is a specific example in which N is 3. Even in this case, the dopant concentration of each tunnel junction layer is 1×10 18 atoms/cm 3 or more and 1×10 19 atoms/cm 3 or less, and the wavelengths of each active layer are the same as each other and have a central wavelength of 3000 nm or more.

(第4実施形態:受光素子)
本発明の第4実施形態に従う光半導体受光素子について説明する。例えば、第1実施形態1における第1活性層および第2活性層を、InAsSb第1光吸収層およびInAsSb第2光吸収層に替えることで、本発明の光半導体素子は光半導体受光素子として利用することができる。そして、本発明に従う半導体受光素子はトンネル接合層を介して吸収層を2つ有するため、吸収層が1つだけの場合と比較して暗電流が低減し、シャント抵抗が大きく、特性のよい半導体受光素子が実現できる。
(Fourth embodiment: light receiving element)
A semiconductor photodetector according to a fourth embodiment of the present invention will be described. For example, by replacing the first active layer and the second active layer in the first embodiment with a first InAsSb light absorbing layer and a second InAsSb light absorbing layer, the semiconductor photodetector according to the present invention can be used as a semiconductor photodetector. Since the semiconductor photodetector according to the present invention has two absorbing layers via a tunnel junction layer, the dark current is reduced and the shunt resistance is large compared to the case where there is only one absorbing layer, and a semiconductor photodetector with good characteristics can be realized.

[実験例1]
(実施例1)
MOCVD法を用いて、まず、Siドープのn型GaAs成長用基板(基板厚:350μm)の(100)面上に、高ドーパント濃度(Te濃度1.0×1019/cm)のn型InAsコンタクト層(膜厚:0.3μm)、Teドープのn型InAs窓層(膜厚:4.9μm、Te濃度3.0×1018/cm)、アンドープのInAsスペーサ層(膜厚:75nm)の順に形成した。次に、発光中心波長が4300nmとなる量子井戸構造の第1活性層(合計膜厚:430nm)を形成した。量子井戸構造の活性層は、アンドープのInAs0.900.10障壁層(膜厚:30nm)とInAs0.87Sb0.13井戸層(膜後:10nm)を順に10層ずつ交互に積層した後で、InAs0.900.10障壁層を成長し、最後の障壁層を含めて10.5組とした。第1活性層上にZnドープのp型Al0.32In0.68As電子ブロック層(膜厚:15nm、Zn濃度2.5×1018/cm)と、Znドープのp型InAs窓層(膜厚:50nm、Zn濃度2.5×1018/cm)を形成し、その上に、トンネル接合層を形成した。
[Experimental Example 1]
Example 1
Using MOCVD, first, an n-type InAs contact layer (film thickness: 0.3 μm) with a high dopant concentration (Te concentration 1.0×10 19 /cm 3 ), a Te-doped n-type InAs window layer (film thickness: 4.9 μm, Te concentration 3.0×10 18 /cm 3 ), and an undoped InAs spacer layer (film thickness: 75 nm) were formed in this order on the (100) surface of a Si-doped n-type GaAs growth substrate (substrate thickness: 350 μm). Next, a first active layer (total film thickness: 430 nm) with a quantum well structure having an emission central wavelength of 4300 nm was formed. The active layer of the quantum well structure was formed by alternately stacking 10 layers of undoped InAs0.90P0.10 barrier layers ( thickness: 30 nm) and InAs0.87Sb0.13 well layers (after film: 10 nm) in sequence, and then growing an InAs0.90P0.10 barrier layer, resulting in 10.5 sets including the last barrier layer. A Zn-doped p-type Al0.32In0.68As electron block layer (thickness: 15 nm, Zn concentration 2.5x1018 / cm3 ) and a Zn-doped p-type InAs window layer (thickness: 50 nm, Zn concentration 2.5x1018 / cm3 ) were formed on the first active layer, and a tunnel junction layer was formed thereon.

トンネル接合層は、ZnドープのInAs層(膜厚:50nm、成長時のZn濃度:8×1018/cm)の上に、TeドープのInAs層(膜厚:50nm、成長時のTe濃度:8×1018/cm)を形成することで、それらの界面におけるトンネル効果を得ることができた。トンネル接合層の成長は圧力50Torrとし、使用する原料ガスにおけるV族元素のIII族元素に対する比(VIII比)が50となるように実施した。 The tunnel junction layer was formed by forming a Te-doped InAs layer (thickness: 50 nm, Te concentration during growth: 8×10 18 /cm 3 ) on a Zn-doped InAs layer (thickness: 50 nm, Zn concentration during growth: 8×10 18 /cm 3 ), thereby obtaining a tunnel effect at the interface between them. The tunnel junction layer was grown under a pressure of 50 Torr, with the ratio of group V elements to group III elements (VIII ratio) in the source gas used being 50.

次に、トンネル接合層上に、アンドープのInAsスペーサ層(膜厚:75nm)を形成し、その上に、上記の第1活性層と同じ第2活性層(合計膜厚:430nm)を形成した。第2活性層の上に、Znドープのp型Al0.32In0.68As電子ブロック層(膜厚:15nm、Zn濃度2.5×1018/cm)を形成した。さらに、Znドープのp型InAs窓層(膜厚:900nm、Zn濃度2.5×1018/cm)を形成し、その上に、高ドーパント濃度(Zn濃度1.0×1019/cm)のp型InAsコンタクト層(膜厚:100nm)を形成した。
以下の表1に、各層の組成と厚さ、およびドーパントの種類と、成長時の(設計上の)ドーパント濃度と、すべてのエピタキシャル成長が終了してMOCVD装置から取り出した後のドーパントの拡散を含むSIMS分析によるドーパント濃度について記載する。各層の形成にあたり選択した原料ガスは、In源としてトリメチルインジウム(TMIn)、Ga源としてトリメチルガリウム(TMGa)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMAl)、As源としてアルシン(AsH)、Sb源としてトリエチルアンチモン(TESb)、P源としてホスフィン(PH)とした。また、ドーパントガスとして、DEZn(ジエチル亜鉛)およびDETe(ジエチルテルル)を使用した。
Next, an undoped InAs spacer layer (thickness: 75 nm) was formed on the tunnel junction layer, and a second active layer (total thickness: 430 nm) was formed thereon, which was the same as the first active layer. A Zn-doped p-type Al0.32In0.68As electron block layer (thickness: 15 nm, Zn concentration: 2.5x1018 / cm3 ) was formed on the second active layer. Furthermore, a Zn-doped p-type InAs window layer (thickness: 900 nm, Zn concentration: 2.5x1018 / cm3 ) was formed on top of the window layer, and a p-type InAs contact layer (thickness: 100 nm) with a high dopant concentration (Zn concentration: 1.0x1019 / cm3 ) was formed thereon.
Table 1 below shows the composition and thickness of each layer, the type of dopant, the (designed) dopant concentration during growth, and the dopant concentration by SIMS analysis including the diffusion of the dopant after all epitaxial growth was completed and the device was removed from the MOCVD device. The source gases selected for the formation of each layer were trimethylindium (TMIn) as the In source, trimethylgallium (TMGa) as the Ga source, trimethylaluminum (TMAl) as the Al source, arsine (AsH 3 ) as the As source, triethylantimony (TESb) as the Sb source, and phosphine (PH 3 ) as the P source. DEZn (diethylzinc) and DETe (diethyltellurium) were used as dopant gases.

各層の組成の測定にはBRUKER社製のJV-QC3 XRD装置を使用した。各層の組成は、解析ソフト(Jordan Valley RADS)を使用してフィッティングにより算出した。各層の厚さは、SEM(走査型電子顕微鏡)またはTEM(透過型電子顕微鏡)による成長層の断面観察から算出した。 A BRUKER JV-QC3 XRD device was used to measure the composition of each layer. The composition of each layer was calculated by fitting using analysis software (Jordan Valley RADS). The thickness of each layer was calculated from cross-sectional observation of the growth layer using a SEM (scanning electron microscope) or TEM (transmission electron microscope).

Figure 0007695975000001
Figure 0007695975000001

次に、プラズマCVD法によりp型InAsコンタクト層上の全面にSiOからなる透明絶縁層(膜厚:550nm)を形成した。その上に配電部パターンをレジストにより形成し、レジストに覆われない領域のSiOをエッチングで除去してZnドープのp型InAsコンタクト層を露出させた。次に、オーミック金属部としてTi(膜厚:10nm)、Au(膜厚:530nm)を蒸着法を用いて成膜し、配電部パターンのレジストをその上に成膜された金属とともに除去することで、露出したZnドープのp型InAsコンタクト層上に形成されたオーミック金属部のみを残し、オーミック金属部と透明絶縁膜とが並列して配設される配電部とした。次に、配電部状に金属反射層(Al(膜厚:10nm/Au(膜厚:650nm)/Pt(膜厚:100nm)/Au(膜厚:900nm)))を蒸着法により形成した。 Next, a transparent insulating layer (film thickness: 550 nm) made of SiO 2 was formed on the entire surface of the p-type InAs contact layer by the plasma CVD method. A power distribution part pattern was formed thereon by resist, and the SiO 2 in the area not covered by the resist was removed by etching to expose the Zn-doped p-type InAs contact layer. Next, Ti (film thickness: 10 nm) and Au (film thickness: 530 nm) were formed as ohmic metal parts by the deposition method, and the resist of the power distribution part pattern was removed together with the metal film formed thereon, leaving only the ohmic metal parts formed on the exposed Zn-doped p-type InAs contact layer, forming a power distribution part in which the ohmic metal parts and the transparent insulating film are arranged in parallel. Next, a metal reflective layer (Al (film thickness: 10 nm/Au (film thickness: 650 nm)/Pt (film thickness: 100 nm)/Au (film thickness: 900 nm))) was formed on the power distribution part by the deposition method.

次に、支持基板(Si基板)上に金属接合層(Ti(膜厚:650nm)/Pt(膜厚:20nm)/Au(膜厚:900nm))を蒸着法により形成した。次に、金属反射層と金属結合層を対向配置して、300℃で加熱圧縮接合を行った。次に、成長用基板をアンモニアー過酸化水素水混合液を用いてウェットエッチングして除去し、n型コンタクト層を露出させた。次に、n型コンタクト層上に、Ti(膜厚:150nm)/Au(膜厚:1250nm)を蒸着法を用いて形成し、n型オーミック電極とした。次に、n型オーミック電極上にPad電極(Ti(膜厚:150nm)/Pt(膜厚:100nm)/Au(膜厚:2500nm))を蒸着法を用いて形成し、n型オーミック電極とPad電極を合わせて上部電極とした。なお、電極のパターン形成には、レジストを用いたリフトオフ法を用いた。 Next, a metal bonding layer (Ti (film thickness: 650 nm)/Pt (film thickness: 20 nm)/Au (film thickness: 900 nm)) was formed on the support substrate (Si substrate) by deposition. Next, the metal reflective layer and the metal bonding layer were arranged facing each other and heated and compressed at 300°C. Next, the growth substrate was removed by wet etching using an ammonia-hydrogen peroxide mixture to expose the n-type contact layer. Next, Ti (film thickness: 150 nm)/Au (film thickness: 1250 nm) was formed on the n-type contact layer by deposition to form an n-type ohmic electrode. Next, a pad electrode (Ti (film thickness: 150 nm)/Pt (film thickness: 100 nm)/Au (film thickness: 2500 nm)) was formed on the n-type ohmic electrode by deposition, and the n-type ohmic electrode and the pad electrode were combined to form the upper electrode. Note that the lift-off method using a resist was used to form the electrode pattern.

次に、メサエッチングにより各素子間(幅:60μm)の半導体積層体を除去して、ダイシングラインを形成した。そして、支持基板の裏面側に裏面電極(Ti(膜厚:10nm)/Pt(膜厚:50nm)/Au(膜厚:200nm))を蒸着法により形成し、300℃で1分間熱処理することで合金化を行った。次に、8℃±1℃に保った硝酸溶液中にウエハ全体を5秒間浸し、上部電極が形成された領域以外の半導体積層体の表面の粗面化を行った。その後、アンモニア水中に1分間浸漬した後、純水で1分間洗浄を行った。最後に、ダイシングによるチップ個片化を行い、実施例1に係る光半導体素子を作製した。なお、チップサイズは500μm×500μmである。 Next, the semiconductor laminate between each element (width: 60 μm) was removed by mesa etching to form dicing lines. Then, a back electrode (Ti (film thickness: 10 nm)/Pt (film thickness: 50 nm)/Au (film thickness: 200 nm)) was formed on the back side of the support substrate by vapor deposition, and alloyed by heat treatment at 300°C for 1 minute. Next, the entire wafer was immersed in a nitric acid solution kept at 8°C ± 1°C for 5 seconds to roughen the surface of the semiconductor laminate except for the area where the upper electrode was formed. After that, it was immersed in ammonia water for 1 minute and washed with pure water for 1 minute. Finally, chips were separated by dicing to produce the optical semiconductor element according to Example 1. The chip size was 500 μm × 500 μm.

図7は、実施例1で作製した光半導体素子のTeイオンの拡散状態を、二次イオン質量分析(SIMS)によって測定した結果を示すグラフである。図7において、横軸は深さ(μm)であり、左側の縦軸はn型ドーパント(ここではTe、Si、C、H、O)の濃度(atoms/cm)、右側の縦軸はSbの二次イオン強度(counts/sec)である。実施例1の場合、半導体積層体140にドープしたn型ドーパントであるTeの濃度の最大値は、8.0×1018atoms/cm、であった。最大値となる位置はn型トンネル接合層に該当する位置であり、n型トンネル接合層からのアンドープのスペーサ層および最初の障壁層に向けてのTeの拡散が観察された。しかしながら、拡散によりスペーサ層および最初の障壁層のTe濃度が上昇しても4.0×1018atoms/cm以下であり、好ましい範囲内のTe濃度に留めることが出来ていた。 7 is a graph showing the results of measuring the diffusion state of Te ions in the optical semiconductor element produced in Example 1 by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In FIG. 7, the horizontal axis is depth (μm), the left vertical axis is the concentration (atoms/cm 3 ) of n-type dopant (here Te, Si, C, H, O), and the right vertical axis is the secondary ion intensity (counts/sec) of Sb. In the case of Example 1, the maximum value of the concentration of Te, which is the n-type dopant doped in the semiconductor laminate 140, was 8.0×10 18 atoms/cm 3 . The position where the maximum value was reached was the position corresponding to the n-type tunnel junction layer, and diffusion of Te from the n-type tunnel junction layer toward the undoped spacer layer and the first barrier layer was observed. However, even if the Te concentration in the spacer layer and the first barrier layer increased due to diffusion, it was not more than 4.0×10 18 atoms/cm 3 , and the Te concentration could be kept within the preferable range.

図8は、実施例1で作製した光半導体素子のZnイオンの拡散状態を、SIMSによって測定した結果を示すグラフである。図8において、横軸は深さ(μm)であり、左側の縦軸はp型ドーパント(ここではZn)の濃度(atoms/cm)、右側の縦軸は二次イオン強度(counts/sec)である。実施例1の場合、半導体積層体140にドープしたp型ドーパントであるZnの濃度の最大値は、6.0×1018atoms/cmであった。最大値となる位置はp型トンネル接合層に該当する位置であり、p型トンネル接合層からのp型窓層および電子ブロック層に向けてのZnの拡散が観察された。しかしながら、拡散によりp型窓層および電子ブロック層のZn濃度が上昇しても5.0×1018atoms/cm以下であり、好ましい範囲内のZn濃度に留めることが出来ていた。 8 is a graph showing the results of measuring the diffusion state of Zn ions in the optical semiconductor element produced in Example 1 by SIMS. In FIG. 8, the horizontal axis is depth (μm), the vertical axis on the left is the concentration (atoms/cm 3 ) of the p-type dopant (Zn here), and the vertical axis on the right is the secondary ion intensity (counts/sec). In the case of Example 1, the maximum value of the concentration of Zn, which is the p-type dopant doped in the semiconductor laminate 140, was 6.0×10 18 atoms/cm 3. The position where the maximum value was reached was the position corresponding to the p-type tunnel junction layer, and diffusion of Zn from the p-type tunnel junction layer toward the p-type window layer and the electron block layer was observed. However, even if the Zn concentration of the p-type window layer and the electron block layer increased due to diffusion, it was 5.0×10 18 atoms/cm 3 or less, and the Zn concentration could be kept within a preferable range.

(実施例2)
実施例1と同様にして、第2活性層まで各半導体層をエピタキシャル成長させた。次に、第2活性上に、第2トンネル接合層、第3活性層、第3トンネル接合層、第4活性層を順に形成した。第4活性層上には、実施例1の第2活性上と同様に、電子ブロック層、p型窓層およびp型コンタクト層を順に形成した。第3活性層および第4活性層は、第1活性層と同一の膜厚および組成を有し、第2トンネル接合層および第3トンネル接合層は、第1トンネル接合層と同一の膜厚および組成を有する。ここで、第2活性層と第2トンネル接合層の間、第3活性層と第3トンネル接合層の間には、第1活性層と第1トンネル接合層との間にある電子ブロック層と同じ膜厚および組成を有する電子ブロック層を形成した。また、第2トンネル接合層と第3活性層の間、第3トンネル接合層と第4活性層の間には、第1トンネル接合層と第2活性層との間にあるスペーサ層と同じ膜厚および組成を有するスペーサ層を形成した。以下の表2に、各層の組成と厚さ、およびドーパントの種類と成長時のドーパント濃度と、ドーパントの拡散を含むSIMS分析によるドーパント濃度について記載する。ドーパント濃度は、拡散によって実施例1と同様の拡散を起こしており、好ましい範囲内の拡散量に留めることが出来ていた。
Example 2
In the same manner as in Example 1, each semiconductor layer was epitaxially grown up to the second active layer. Next, the second tunnel junction layer, the third active layer, the third tunnel junction layer, and the fourth active layer were formed in order on the second active layer. On the fourth active layer, an electron block layer, a p-type window layer, and a p-type contact layer were formed in order, in the same manner as on the second active layer in Example 1. The third active layer and the fourth active layer have the same film thickness and composition as the first active layer, and the second tunnel junction layer and the third tunnel junction layer have the same film thickness and composition as the first tunnel junction layer. Here, between the second active layer and the second tunnel junction layer, and between the third active layer and the third tunnel junction layer, an electron block layer having the same film thickness and composition as the electron block layer between the first active layer and the first tunnel junction layer was formed. In addition, between the second tunnel junction layer and the third active layer, and between the third tunnel junction layer and the fourth active layer, a spacer layer having the same film thickness and composition as the spacer layer between the first tunnel junction layer and the second active layer was formed. The composition and thickness of each layer, the type of dopant, the dopant concentration during growth, and the dopant concentration by SIMS analysis including dopant diffusion are shown in Table 2. The dopant concentration was diffused in the same manner as in Example 1, and the diffusion amount was kept within a preferable range.

Figure 0007695975000002
Figure 0007695975000002

(比較例1)
第2活性層の膜厚を430nmから0nm、トンネル接合層上のスペーサ層の膜厚を75nmから0nm、トンネル接合層TeドープのInAs層の膜厚を50nmから0nm、トンネル接合層のZnドープのInAs層の膜厚を50nmから0nm、トンネル接合層下の電子ブロック層の膜厚を15nmから0nmにそれぞれ変更し、第1活性層の量子井戸構造の井戸層と障壁層を20.5組(合計膜厚:860nm)とした以外は、実施例1と同様にして比較例1に係る光半導体素子を得た。
(Comparative Example 1)
An optical semiconductor device according to Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the film thickness of the second active layer was changed from 430 nm to 0 nm, the film thickness of the spacer layer on the tunnel junction layer was changed from 75 nm to 0 nm, the film thickness of the Te-doped InAs layer in the tunnel junction layer was changed from 50 nm to 0 nm, the film thickness of the Zn-doped InAs layer in the tunnel junction layer was changed from 50 nm to 0 nm, and the film thickness of the electron blocking layer below the tunnel junction layer was changed from 15 nm to 0 nm, and the number of well layers and barrier layers in the quantum well structure of the first active layer was set to 20.5 pairs (total film thickness: 860 nm).

<評価:発光出力評価>
上記の実施例および比較例から得られた光半導体素子に、定電流電圧電源を用い100mAの電流を流した。このときの順方向電圧Vf(V)及び積分球による発光出力Po(W)を測定した。また、逆電圧―0.1Vを加えたときのリーク電流(A)を測定した。結果を表3に示す。
<Evaluation: Light output evaluation>
A current of 100 mA was applied to the optical semiconductor devices obtained from the above examples and comparative examples using a constant current voltage power supply. The forward voltage Vf (V) and the light output Po (W) using an integrating sphere were measured. In addition, the leakage current (A) was measured when a reverse voltage of -0.1 V was applied. The results are shown in Table 3.

Figure 0007695975000003
Figure 0007695975000003

以上の結果より、PN接合数(活性層数)とトンネル接合数を増やすことで、発光出力および順方向電圧が増大し、さらに、リーク電流が低減することが確認できた。 These results confirm that increasing the number of PN junctions (number of active layers) and tunnel junctions increases the light output and forward voltage, and also reduces the leakage current.

本発明によれば、InAsからなるトンネル接合層を介して、Sbを含む2つ以上の活性層からなる光半導体素子およびその製造方法を提供することができる。 The present invention provides an optical semiconductor device that is composed of two or more active layers containing Sb, with a tunnel junction layer made of InAs interposed therebetween, and a method for manufacturing the same.

100 光半導体素子
105 成長用基板
140 半導体積層体
141 n型コンタクト層
142 n型窓層
143 第1スペーサ層
144 第1活性層
144b 第1活性層の障壁層
144w 第1活性層の井戸層
145 第1p型電子ブロック層
146 第1p型窓層
147 トンネル接合層
1471 p型トンネル接合層
1472 n型トンネル接合層
148 第2スペーサ層
149 第2活性層
149b 第2活性層の障壁層
149w 第2活性層の井戸層
150 第2p型電子ブロック層
151 第2p型窓層
152 p型コンタクト層
191 上部電極
195 下部電極
200 光半導体素子
205 成長用基板
240 半導体積層体
241 n型コンタクト層
242 n型窓層
243 第1スペーサ層
244 第1活性層
245 第1p型電子ブロック層
246 第1p型窓層
247 トンネル接合層
248 第2スペーサ層
249 第2活性層
250 第2p型電子ブロック層
251 p型窓層
252 p型コンタクト層
260 配電部
261 透明絶縁層
265 オーミック電極部
271 金属反射層
279 金属接合層
280 支持基板
291 上部電極
295 裏面電極
300 光半導体素子
352 第2トンネル接合層
3521 第2トンネル接合層のp型InAs層
3522 第2トンネル接合層のn型InAs層
354 第3活性層
357 第3トンネル接合層
3571 第3トンネル接合層のp型InAs層
3572 第3トンネル接合層のn型InAs層
359 第4活性層
100 Optical semiconductor element 105 Growth substrate 140 Semiconductor laminate 141 n-type contact layer 142 n-type window layer 143 First spacer layer 144 First active layer 144b Barrier layer of first active layer 144w Well layer of first active layer 145 First p-type electron block layer 146 First p-type window layer 147 Tunnel junction layer 1471 p-type tunnel junction layer 1472 n-type tunnel junction layer 148 Second spacer layer 149 Second active layer 149b Barrier layer of second active layer 149w Well layer of second active layer 150 Second p-type electron block layer 151 Second p-type window layer 152 p-type contact layer 191 Upper electrode 195 Lower electrode 200 Optical semiconductor element 205 Growth substrate 240 Semiconductor laminate 241 n-type contact layer 242 n-type window layer 243 first spacer layer 244 first active layer 245 first p-type electron blocking layer 246 first p-type window layer 247 tunnel junction layer 248 second spacer layer 249 second active layer 250 second p-type electron blocking layer 251 p-type window layer 252 p-type contact layer 260 power distribution section 261 transparent insulating layer 265 ohmic electrode section 271 metal reflective layer 279 metal junction layer 280 support substrate 291 upper electrode 295 back electrode 300 optical semiconductor element 352 second tunnel junction layer 3521 p-type InAs layer of second tunnel junction layer 3522 n-type InAs layer of second tunnel junction layer 354 third active layer 357 third tunnel junction layer 3571 p-type InAs layer of third tunnel junction layer 3572 n-type InAs layer of third tunnel junction layer 359 Fourth active layer

Claims (9)

受発光波長が第1波長である第1活性層と、前記第1活性層上の第1電子ブロック層と、前記第1電子ブロック層上のトンネル接合層と、前記トンネル接合層上の、受発光波長が第2波長である第2活性層と、前記第2活性層上の第2電子ブロック層と、を有する光半導体素子であって、
前記第1活性層及び前記第2活性層はSbを含み、
前記トンネル接合層は、p型InAs層及びn型InAs層を有し、
前記トンネル接合層の前記第2活性層側に前記n型InAs層があり、
前記トンネル接合層の前記第2活性層との間にスペーサ層を有し、
前記トンネル接合層の前記第2活性層との間の膜厚が100nm以下であり、
前記第1電子ブロック層の組成は、Alz1In1-z1As(z1は0.05以上0.40以下)であることを特徴とする、
光半導体素子。
An optical semiconductor device having a first active layer having an emission wavelength of a first wavelength, a first electron blocking layer on the first active layer, a tunnel junction layer on the first electron blocking layer, a second active layer on the tunnel junction layer having an emission wavelength of a second wavelength, and a second electron blocking layer on the second active layer,
the first active layer and the second active layer contain Sb;
the tunnel junction layer includes a p-type InAs layer and an n-type InAs layer;
the n-type InAs layer is located on the second active layer side of the tunnel junction layer;
a spacer layer between the tunnel junction layer and the second active layer;
a thickness between the tunnel junction layer and the second active layer is 100 nm or less;
The composition of the first electron blocking layer is Al z1 In 1-z1 As (z1 is 0.05 or more and 0.40 or less).
Optical semiconductor element.
受発光波長が第1波長である第1活性層と、前記第1活性層上の第1電子ブロック層と、前記第1電子ブロック層上のトンネル接合層と、前記トンネル接合層上の、受発光波長が第2波長である第2活性層と、前記第2活性層上の第2電子ブロック層と、を有する光半導体素子であって、
前記第1活性層及び前記第2活性層はSbを含み、
前記トンネル接合層は、p型InAs層及びn型InAs層を有し、
前記トンネル接合層の前記第2活性層側に前記n型InAs層があり、
前記トンネル接合層の前記第2活性層との間にスペーサ層を有し、
前記トンネル接合層の前記第2活性層との間の膜厚が100nm以下であり、
前記第2電子ブロック層の組成は、Alz2In1-z2As(z2は0.05以上0.4以下)であることを特徴とする、
光半導体素子。
An optical semiconductor device having a first active layer having an emission wavelength of a first wavelength, a first electron blocking layer on the first active layer, a tunnel junction layer on the first electron blocking layer, a second active layer on the tunnel junction layer having an emission wavelength of a second wavelength, and a second electron blocking layer on the second active layer,
the first active layer and the second active layer contain Sb;
the tunnel junction layer includes a p-type InAs layer and an n-type InAs layer;
the n-type InAs layer is located on the second active layer side of the tunnel junction layer;
a spacer layer between the tunnel junction layer and the second active layer;
a thickness between the tunnel junction layer and the second active layer is 100 nm or less;
The composition of the second electron blocking layer is Alz2In1 -z2As (z2 is 0.05 or more and 0.4 or less).
Optical semiconductor element.
前記トンネル接合層は、ドーパント濃度が1.0×1018atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm未満である、
請求項1又は2に記載の光半導体素子。
The tunnel junction layer has a dopant concentration of 1.0×10 18 atoms/cm 3 or more and less than 1.0×10 19 atoms/cm 3 .
The optical semiconductor element according to claim 1 .
前記第1活性層及び前記第2活性層は、量子井戸構造を有し、
前記第1波長及び前記第2波長は、3000nm以上である、
請求項1又は2に記載の光半導体素子。
the first active layer and the second active layer have a quantum well structure,
The first wavelength and the second wavelength are 3000 nm or longer.
The optical semiconductor element according to claim 1 .
前記第1波長と前記第2波長とは、互いに同一である、
請求項1又は2に記載の光半導体素子。
The first wavelength and the second wavelength are the same.
The optical semiconductor element according to claim 1 .
前記トンネル接合層の前記第1活性層側に前記p型InAs層があり、
前記第1活性層と前記トンネル接合層との間にp型の前記第1電子ブロック層を有し、
前記第1活性層と前記トンネル接合層との間の膜厚が100nm以下である、
請求項1又は2に記載の光半導体素子。
the p-type InAs layer is located on the first active layer side of the tunnel junction layer;
the first electron blocking layer having a p-type structure is disposed between the first active layer and the tunnel junction layer;
a thickness between the first active layer and the tunnel junction layer is 100 nm or less;
The optical semiconductor element according to claim 1 .
基板上に受発光波長が第1波長である第1活性層を形成する工程と、
前記第1活性層上に第1電子ブロック層を形成する工程と、
前記第1電子ブロック層上にトンネル接合層を形成する工程と、
前記トンネル接合層上に受発光波長が第2波長である第2活性層を形成する工程と、
前記第2活性層上に第2電子ブロック層を形成する工程と、
を含み、
前記第1活性層及び前記第2活性層はSbを含み、
前記トンネル接合層を形成する工程は、前記第2活性層側にn型InAs層を形成する工程と、前記n型InAs層上にp型InAs層を形成する工程と、前記トンネル接合層と前記第2活性層との間に膜厚が100nm以下のスペーサ層を形成する工程と、を含み、
前記第1電子ブロック層は、Alz1In1-z1As(z1は0.05以上0.40以下)を含む、
光半導体素子の製造方法。
forming a first active layer on a substrate, the first active layer having a first wavelength for receiving and emitting light;
forming a first electron blocking layer on the first active layer;
forming a tunnel junction layer on the first electron blocking layer;
forming a second active layer on the tunnel junction layer, the second active layer having a second wavelength for receiving and emitting light;
forming a second electron blocking layer on the second active layer;
Including,
the first active layer and the second active layer contain Sb;
the step of forming the tunnel junction layer includes the steps of: forming an n-type InAs layer on the second active layer side; forming a p-type InAs layer on the n-type InAs layer; and forming a spacer layer having a thickness of 100 nm or less between the tunnel junction layer and the second active layer;
the first electron blocking layer contains Al z1 In 1-z1 As (z1 is 0.05 or more and 0.40 or less);
A method for manufacturing an optical semiconductor element.
基板上に受発光波長が第1波長である第1活性層を形成する工程と、
前記第1活性層上に第1電子ブロック層を形成する工程と、
前記第1電子ブロック層上にトンネル接合層を形成する工程と、
前記トンネル接合層上に受発光波長が第2波長である第2活性層を形成する工程と、
前記第2活性層上に第2電子ブロック層を形成する工程と、
を含み、
前記第1活性層及び前記第2活性層はSbを含み、
前記トンネル接合層を形成する工程は、前記第2活性層側にn型InAs層を形成する工程と、前記n型InAs層上にp型InAs層を形成する工程と、前記トンネル接合層と前記第2活性層との間に膜厚が100nm以下のスペーサ層を形成する工程と、を含み、
前記第2電子ブロック層は、Alz2In1-z2As(z2は0.05以上0.4以下)を含む、
光半導体素子の製造方法。
forming a first active layer on a substrate, the first active layer having a first wavelength for receiving and emitting light;
forming a first electron blocking layer on the first active layer;
forming a tunnel junction layer on the first electron blocking layer;
forming a second active layer on the tunnel junction layer, the second active layer having a second wavelength for receiving and emitting light;
forming a second electron blocking layer on the second active layer;
Including,
the first active layer and the second active layer contain Sb;
the step of forming the tunnel junction layer includes the steps of: forming an n-type InAs layer on the second active layer side; forming a p-type InAs layer on the n-type InAs layer; and forming a spacer layer having a thickness of 100 nm or less between the tunnel junction layer and the second active layer;
the second electron blocking layer contains Alz2In1 -z2As (z2 is 0.05 or more and 0.4 or less);
A method for manufacturing an optical semiconductor element.
前記トンネル接合層は、ドーパント濃度が1.0×1018atoms/cm以上1.0×1019atoms/cm未満である、請求項7又は8に記載の光半導体素子の製造方法。
9. The method for producing an optical semiconductor element according to claim 7, wherein the tunnel junction layer has a dopant concentration of not less than 1.0× 1018 atoms/ cm3 and less than 1.0× 1019 atoms/ cm3 .
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