JP2019169601A - Infrared light emitting element - Google Patents

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Abstract

To provide an infrared light emitting element with improved light emission characteristics.SOLUTION: The infrared light emitting element according to the present invention includes a substrate 1, an n-type contact layer 2 formed on the substrate 1, a first barrier layer 3 having an n-type conductivity formed on the n-type contact layer including a compound semiconductor layer containing Al, In, As, and Sb, and an active layer 4 formed on the n-type barrier layer 3 containing a compound semiconductor layer including InAsSb(0≤x≤1), and a second barrier layer 5 formed on the active layer 4 including a compound semiconductor layer containing Al, Ga, As, and Sb.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は赤外線発光素子に関する。   The present invention relates to an infrared light emitting device.

赤外線発光素子(LED:Light Emitting Diode)は、特定波長の赤外線を発光可能なバンドギャップを有する半導体中に、いわゆるpn接合ダイオード構造を形成する。赤外線発光素子は、前記pn接合ダイオードに順方向電流を流して、接合部分における空乏層において、電子と正孔を再結合させることにより、赤外線の発光を行う。   An infrared light emitting element (LED: Light Emitting Diode) forms a so-called pn junction diode structure in a semiconductor having a band gap capable of emitting infrared light of a specific wavelength. The infrared light emitting element emits infrared light by flowing a forward current through the pn junction diode and recombining electrons and holes in a depletion layer at the junction.

特許文献1には、n型化合物半導体層とp型ドーピングのπ層とにより構成された赤外線発光素子において、n型化合物半導体層とπ層との間に、n型化合物半導体層及びπ層よりもバンドギャップが大きいn型ワイドバンドギャップ層を設けることが記載されている。これにより、n型化合物半導体層で室温において熱励起により発生した正孔のπ層方向への拡散を抑制し、正孔によるpnダイオードの暗電流を低減すると共に、π層側において熱励起によって発生した正孔のn型化合物半導体層への拡散も抑制する。特許文献1の技術は、pnダイオードの拡散電流も低減したダイオード抵抗の高い赤外線発光素子を実現している。   In Patent Document 1, in an infrared light emitting device including an n-type compound semiconductor layer and a p-type doped π layer, an n-type compound semiconductor layer and a π layer are provided between the n-type compound semiconductor layer and the π layer. Also, it is described that an n-type wide band gap layer having a large band gap is provided. This suppresses diffusion of holes generated by thermal excitation at room temperature in the n-type compound semiconductor layer in the direction of the π layer, reduces dark current of the pn diode due to holes, and generates by thermal excitation on the π layer side. The diffusion of the formed holes into the n-type compound semiconductor layer is also suppressed. The technique of Patent Document 1 realizes an infrared light emitting element with a high diode resistance in which the diffusion current of the pn diode is also reduced.

国際公開第2009/113685号International Publication No. 2009/113585

赤外線発光素子には、発光特性の向上が求められているが、特許文献1に記載された赤外線発光素子には、この点で改善の余地がある。   Infrared light emitting elements are required to have improved light emission characteristics, but the infrared light emitting elements described in Patent Document 1 have room for improvement in this respect.

本発明の課題は、発光特性が改善された赤外線発光素子を提供することである。   An object of the present invention is to provide an infrared light emitting device having improved light emitting characteristics.

本発明の赤外線発光素子は、基板と、前記基板上に形成され、In、AsおよびSbを少なくとも含むn型コンタクト層と、前記n型コンタクト層上に形成され、Al、In、AsおよびSbを少なくとも含み、n型導電型を有する第1バリア層と、前記第1バリア層上に形成され、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層と、前記活性層上に形成され、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む第2バリア層と、を備える。 The infrared light emitting device of the present invention includes a substrate, an n-type contact layer formed on the substrate and including at least In, As, and Sb, and formed on the n-type contact layer, and includes Al, In, As, and Sb. A first barrier layer including at least an n-type conductivity; an active layer formed on the first barrier layer and including InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1); and the active layer And a second barrier layer containing at least Al, Ga, As, and Sb.

また、本発明の赤外線発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたp型コンタクト層と、前記p型コンタクト層上に形成され、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む第2バリア層と、前記第2バリア層上に形成され、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層と、前記活性層上に形成され、Al、In、AsおよびSbを少なくとも含み、n型導電型を有する第1バリア層と、前記第1バリア層上に形成され、In、AsおよびSbを少なくとも含むn型コンタクト層と、を備える。 The infrared light emitting device of the present invention includes a substrate, a p-type contact layer formed on the substrate, and a second barrier layer formed on the p-type contact layer and including at least Al, Ga, As, and Sb. And an active layer formed on the second barrier layer and containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1), and formed on the active layer and containing at least Al, In, As, and Sb. And a first barrier layer having an n-type conductivity type and an n-type contact layer formed on the first barrier layer and including at least In, As, and Sb.

本発明の第一態様および第二態様の赤外線発光素子によれば、発光特性が改善された赤外線発光素子が得られる。   According to the infrared light emitting device of the first and second embodiments of the present invention, an infrared light emitting device having improved light emission characteristics can be obtained.

第一態様の赤外線発光素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the infrared rays light emitting element of a 1st aspect. 第二態様の赤外線発光素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the infrared rays light emitting element of a 2nd aspect. 第一実施形態の赤外線発光素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the infrared rays light emitting element of 1st embodiment. 第二実施形態の赤外線発光素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the infrared rays light emitting element of 2nd embodiment.

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。   In the following detailed description, numerous specific specific configurations are described to provide a thorough understanding of embodiments of the invention. However, it will be apparent that other embodiments may be practiced without limitation to such specific specific configurations. Further, the following embodiments do not limit the invention according to the claims, but include all combinations of characteristic configurations described in the embodiments.

[第一態様]
<構成>
図1に示すように、第一態様の赤外線発光素子は、基板1と、基板1の一方の面(基板上)に形成されたn型コンタクト層2と、n型コンタクト層2の基板とは反対側の面(n型コンタクト層上)に形成されたn型導電型を有する第1バリア層3と、第1バリア層3のn型コンタクト層2とは反対側の面(第1バリア層上)に形成された活性層4と、活性層4の第1バリア層3とは反対側の面(活性層上)に形成された第2バリア層5と、を備えている。n型導電型を有する第1バリア層3は、Al、In、AsおよびSbを含む化合物半導体層を含む。活性層4は、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む化合物半導体層を含む。第2バリア層5は、Al、Ga、AsおよびSbを含む化合物半導体層を含む。
[First aspect]
<Configuration>
As shown in FIG. 1, the infrared light emitting device of the first aspect includes a substrate 1, an n-type contact layer 2 formed on one surface (on the substrate) of the substrate 1, and a substrate of the n-type contact layer 2. The first barrier layer 3 having n-type conductivity formed on the opposite surface (on the n-type contact layer) and the surface of the first barrier layer 3 opposite to the n-type contact layer 2 (first barrier layer) And the second barrier layer 5 formed on the surface of the active layer 4 opposite to the first barrier layer 3 (on the active layer). The first barrier layer 3 having n-type conductivity includes a compound semiconductor layer containing Al, In, As, and Sb. The active layer 4 includes a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). The second barrier layer 5 includes a compound semiconductor layer containing Al, Ga, As, and Sb.

なおここで、「基板上に形成され、In、AsおよびSbを少なくとも含むn型コンタクト層」という表現における「上に」という文言は、基板の上にn型コンタクト層が形成されていることを意味するが、基板とn型コンタクト層の間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有するものとする。   Here, the term “on” in the expression “an n-type contact layer formed on a substrate and containing at least In, As, and Sb” means that an n-type contact layer is formed on the substrate. This means that the expression includes a case where another layer is further present between the substrate and the n-type contact layer. In the relationship between other layers, the word “upper” has the same meaning.

またここで、「InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層」という表現における「含む」という文言は、InとAsとSbを主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量(例えばAl、P、Ga、Nなどの元素を数%以下)加えるなどしてこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれることは当然である。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有するものとする。 In addition, here, the phrase “including” in the expression “active layer including InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1)” means that In, As, and Sb are mainly included in the layer. However, the expression includes other elements. Specifically, this expression also includes cases where minor changes are made to the composition of this layer by adding a small amount of other elements (for example, elements of Al, P, Ga, N, etc., several percent or less). Is natural. In the expression of the composition of other layers, the word “including” has the same meaning.

<作用、効果>
第一態様の赤外線発光素子によれば、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む第2バリア層と、Al、In、AsおよびSbを少なくとも含み、n型導電型を有する第1バリア層と、を備えることで、活性層(光吸収層)と第2バリア層との伝導体のバンドオフセット(ΔEc)、および、活性層とn型導電型を有する第1バリア層との価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)をそれぞれ十分大きくすることができる。
<Action, effect>
According to the infrared light emitting device of the first aspect, the second barrier layer containing at least Al, Ga, As and Sb, the first barrier layer containing at least Al, In, As and Sb and having n-type conductivity, The band offset (ΔEc) of the conductor between the active layer (light absorption layer) and the second barrier layer, and the band of the valence band between the active layer and the first barrier layer having the n-type conductivity type. Each offset (ΔEv) can be sufficiently increased.

これにより、第一態様の赤外線発光素子は、第1バリア層および第2バリア層によるバリア機能が向上している。つまり、本発明の第一態様によれば、発光特性が改善された赤外線発光素子が得られる。   Thereby, the barrier function by the 1st barrier layer and the 2nd barrier layer is improving the infrared light emitting element of the 1st mode. That is, according to the first aspect of the present invention, an infrared light emitting device with improved light emission characteristics can be obtained.

<好ましい形態>
第一態様の赤外線発光素子は、基板がGaAs基板であり、InAs、AlGaSb、またはGaSbを含む化合物半導体層からなり基板とn型コンタクト層との間に形成されたバッファ層をさらに備えることが好ましい。
<Preferred form>
In the infrared light emitting device of the first aspect, it is preferable that the substrate is a GaAs substrate, and further includes a buffer layer formed of a compound semiconductor layer containing InAs, AlGaSb, or GaSb and formed between the substrate and the n-type contact layer. .

第一態様の赤外線発光素子は、活性層と同じ組成のInAsSb、GaSbまたはGaInSbを含む化合物半導体層からなり第2バリア層上に形成されたp型コンタクト層を、さらに備えることが好ましい。   The infrared light emitting device of the first aspect preferably further includes a p-type contact layer formed of a compound semiconductor layer containing InAsSb, GaSb, or GaInSb having the same composition as the active layer and formed on the second barrier layer.

[第二態様]
<構成>
図2に示すように、第二態様の赤外線発光素子は、基板1と、基板1の一方の面(基板上)に形成されたp型コンタクト層6と、p型コンタクト層6の基板とは反対側の面(p型コンタクト層上)に形成された第2バリア層5と、第2バリア層5のp型コンタクト層6とは反対側の面(第2バリア層上)に形成された活性層4と、活性層4の第2バリア層5とは反対側の面(活性層上)に形成されたn型導電型を有する第1バリア層3と、を備えている。n型導電型を有する第1バリア層3は、Al、In、AsおよびSbを含む化合物半導体層を含む。活性層4は、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む化合物半導体層を含む。第2バリア層5は、Al、Ga、AsおよびSbを含む化合物半導体層を含む。
[Second embodiment]
<Configuration>
As shown in FIG. 2, the infrared light emitting device of the second aspect includes a substrate 1, a p-type contact layer 6 formed on one surface (on the substrate) of the substrate 1, and a substrate of the p-type contact layer 6. The second barrier layer 5 formed on the opposite surface (on the p-type contact layer) and the surface opposite to the p-type contact layer 6 of the second barrier layer 5 (on the second barrier layer) The active layer 4 and the 1st barrier layer 3 which has the n-type conductivity type formed in the surface (on an active layer) on the opposite side to the 2nd barrier layer 5 of the active layer 4 are provided. The first barrier layer 3 having n-type conductivity includes a compound semiconductor layer containing Al, In, As, and Sb. The active layer 4 includes a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). The second barrier layer 5 includes a compound semiconductor layer containing Al, Ga, As, and Sb.

<作用、効果>
第二態様の赤外線発光素子によれば、Al、Ga、AsおよびSbを含む化合物半導体層を含む第2バリア層と、Al、In、AsおよびSbを含む化合物半導体層を含むn型導電型を有する第1バリア層と、を備えることで、活性層と第2バリア層との伝導体のバンドオフセット(ΔEc)、活性層とn型導電型を有する第1バリア層層との価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)を十分大きくすることができる。
<Action, effect>
According to the infrared light emitting device of the second aspect, the second barrier layer including the compound semiconductor layer including Al, Ga, As, and Sb, and the n-type conductivity type including the compound semiconductor layer including Al, In, As, and Sb. A first barrier layer having a band offset (ΔEc) of a conductor between the active layer and the second barrier layer, and a valence band between the active layer and the first barrier layer having the n-type conductivity type. The band offset (ΔEv) can be made sufficiently large.

これにより、第二態様の赤外線発光素子は、第1バリア層および第2バリア層によるバリア機能が向上している。つまり、本発明の第二態様によれば、発光特性が改善された赤外線発光素子が得られる。   Thereby, the infrared light emitting element of the 2nd aspect has improved the barrier function by the 1st barrier layer and the 2nd barrier layer. That is, according to the second aspect of the present invention, an infrared light emitting device with improved light emission characteristics can be obtained.

<好ましい形態>
第二態様の赤外線発光素子は、基板がGaAs基板であり、p型コンタクト層がGaSbを含む化合物半導体層を含むことが好ましい。
<Preferred form>
In the infrared light emitting device of the second aspect, the substrate is preferably a GaAs substrate, and the p-type contact layer preferably includes a compound semiconductor layer containing GaSb.

第二態様の赤外線発光素子は、InAsSbを含む化合物半導体層からなりn型導電型を有する第1バリア層上に形成されたn型コンタクト層を、さらに備えることが好ましい。   The infrared light emitting device of the second aspect preferably further includes an n-type contact layer formed on the first barrier layer made of a compound semiconductor layer containing InAsSb and having an n-type conductivity type.

[第一態様および第二態様に共通]
<知見に至る経緯>
良好な特性を有する赤外線発光素子を実現するためには、バリア層が重要な役割を果たす。バリア層は活性層に接して形成される層であり、拡散電流を防ぐ機能を有する。第2バリア層は、活性層との伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)が十分大きいことが好ましい。n型導電型を有する第1バリア層は、活性層との価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)が十分大きいことが好ましい。電子はホールに比べ拡散長も長いことから、特に第2バリア層においては、バリア層の膜厚も十分に厚いことが好ましい。
[Common to the first and second embodiments]
<Background to knowledge>
In order to realize an infrared light emitting element having good characteristics, the barrier layer plays an important role. The barrier layer is a layer formed in contact with the active layer and has a function of preventing diffusion current. The second barrier layer preferably has a sufficiently large band offset (ΔEc) in the conduction band with the active layer. The first barrier layer having n-type conductivity preferably has a sufficiently large band offset (ΔEv) in the valence band with the active layer. Since electrons have a longer diffusion length than holes, it is preferable that the barrier layer is sufficiently thick, particularly in the second barrier layer.

バリア層の材料としては、活性層よりもバンドギャップの大きいものを選択することが考えられるが、活性層の材料にAlまたはGaを一定量加えたものをバリア層の材料として、その混晶組成を大きくすることでバンドギャップ、伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)を大きく稼ぐ場合が多い。   It is conceivable to select a material having a larger band gap than the active layer as the material of the barrier layer, but the mixed crystal composition is obtained by adding a certain amount of Al or Ga to the material of the active layer as the material of the barrier layer. In many cases, the band gap, the conduction band offset (ΔEc), and the valence band offset (ΔEv) are greatly increased by increasing.

しかしながら、バリア層のAlまたはGaの混晶組成を大きくするほど、活性層との格子不整合は大きくなる傾向にある。その結果、バリア層の臨界膜厚は小さくなるので、十分な膜厚のバリア層を形成できなくなるという問題が生じる。すなわち、特に第2バリア層においては、活性層との格子定数も近く、且つ伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)を大きくとれる材料を選択することが重要である。   However, the lattice mismatch with the active layer tends to increase as the mixed crystal composition of Al or Ga in the barrier layer increases. As a result, the critical film thickness of the barrier layer becomes small, which causes a problem that a barrier layer having a sufficient film thickness cannot be formed. That is, particularly in the second barrier layer, it is important to select a material having a lattice constant close to that of the active layer and a large band offset (ΔEc) of the conduction band.

これに対して、第一態様および第二態様の赤外線発光素子では、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む材料を第2バリア層の材料としたことで、活性層との伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)を大きくとることができる。また、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む材料は、活性層の材料であるInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)との格子定数が近いため、第2バリア層の膜厚を大きくすることが可能となる。第2バリア層へは、伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)を更に大きくするためにp型ドープすることが多い。しかしながら、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む材料は、活性層であるInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)に対して伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)は大きくできる反面、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)は非常に小さいという特徴をもつ。第2バリア層にp型ドープした場合、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)が小さくなりすぎて、それに起因したリーク電流を生じるおそれがある。価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)を一定量以上保つために、第2バリア層はノンドープでも良いし、n型ドープしても良い。或いは、Inを一定量添加したAl、Ga、In、AsおよびSbを少なくとも含む材料を第2バリア層の材料として用いても良い。また、n型導電型を有する第1バリア層の材料としてAl、In、AsおよびSbを少なくとも含む材料を用いることで、活性層との価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)を大きくすることが可能となる。これにより、拡散電流を防ぐ機能を高め、赤外線発光素子の特性を向上させることが可能となる。 On the other hand, in the infrared light emitting device of the first aspect and the second aspect, the material including at least Al, Ga, As, and Sb is the material of the second barrier layer, so that the band offset of the conduction band with the active layer (ΔEc) can be increased. Further, since the material containing at least Al, Ga, As, and Sb has a lattice constant close to that of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) that is the material of the active layer, the film of the second barrier layer The thickness can be increased. The second barrier layer is often p-type doped to further increase the band offset (ΔEc) of the conduction band. However, the material including at least Al, Ga, As, and Sb can increase the band offset (ΔEc) of the conduction band with respect to InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) that is the active layer, The band offset (ΔEv) of the valence band is very small. When the second barrier layer is p-type doped, the band offset (ΔEv) of the valence band becomes too small, and there is a risk of causing a leakage current due to the band offset. In order to keep the band offset (ΔEv) of the valence band above a certain amount, the second barrier layer may be non-doped or n-type doped. Alternatively, a material containing at least Al, Ga, In, As, and Sb to which a certain amount of In is added may be used as the material of the second barrier layer. Further, by using a material containing at least Al, In, As, and Sb as the material of the first barrier layer having the n-type conductivity type, it is possible to increase the band offset (ΔEv) of the valence band with the active layer. It becomes. As a result, the function of preventing the diffusion current can be enhanced and the characteristics of the infrared light emitting element can be improved.

<製法>
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、基板上に各層を形成する工程を経て製造される。この工程は、例えば、分子線エピタキシー(MBE)法または有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法などで行うことができる。
<Production method>
The infrared light emitting device of the first embodiment and the second embodiment is manufactured through a process of forming each layer on a substrate. This step can be performed by, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method.

<追加の構成>
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、n型コンタクト層およびp型コンタクト層上に形成される電極と、パッシベーション膜とをさらに備えることができる。
<Additional configuration>
The infrared light emitting device of the first aspect and the second aspect can further include an electrode formed on the n-type contact layer and the p-type contact layer, and a passivation film.

第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、基板上に複数形成して、電気的に直列接続する構造としてもよい。このような構造とすることで、単一の赤外線発光素子の出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。   A plurality of infrared light emitting elements of the first and second embodiments may be formed on a substrate and electrically connected in series. With such a structure, it becomes possible to add the outputs of a single infrared light emitting element, and the output can be dramatically improved.

また、第一態様または第二態様の赤外線発光素子と、この赤外線発光素子から出力される電気信号を処理する集積回路部とが、同一パッケージ内にハイブリッドに形成されても良い。赤外線発光素子と集積回路部との電気的な接続法は特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば特に制限はなく、中空パッケージなどを用いても良い。   In addition, the infrared light emitting element of the first aspect or the second aspect and the integrated circuit unit that processes an electric signal output from the infrared light emitting element may be formed in a hybrid in the same package. An electrical connection method between the infrared light emitting element and the integrated circuit portion is not particularly limited. The package is not particularly limited as long as it has a high infrared transmittance, and a hollow package or the like may be used.

<各構成についての詳述>
(基板)
基板は、その上に化合物半導体層を成長できるものであれば特に制限されず、GaAs基板、Si基板などの単結晶基板などが好ましい。また、それらの単結晶基板がドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、n型またはp型にドーピングされていても良い。
<Details about each configuration>
(substrate)
The substrate is not particularly limited as long as a compound semiconductor layer can be grown thereon, and a single crystal substrate such as a GaAs substrate or a Si substrate is preferable. Further, these single crystal substrates may be doped n-type or p-type with donor impurities or acceptor impurities.

単結晶基板の面方位は、特に制限されないが、(100)、(111)、(110)等が好ましい。また、これらの面方位に対して1°から5°傾けた面方位が用いられ得る。   The plane orientation of the single crystal substrate is not particularly limited, but (100), (111), (110) and the like are preferable. Further, a plane orientation inclined by 1 ° to 5 ° with respect to these plane orientations can be used.

基板の表面上に形成された複数個の赤外線発光素子を、電極で直列接続して用いる場合、各赤外線発光素子は電極以外の部分では絶縁分離されていることが好ましい。従って、基板としては、半絶縁性の基板か、基板上に形成する各層の積層体と基板とを絶縁分離可能な基板を用いることが好ましい。   When a plurality of infrared light emitting elements formed on the surface of the substrate are used connected in series with electrodes, it is preferable that each infrared light emitting element is insulated and separated at portions other than the electrodes. Therefore, as the substrate, it is preferable to use a semi-insulating substrate or a substrate capable of insulating and separating the stacked body of each layer formed on the substrate and the substrate.

さらに、基板として、赤外線を透過する材料を用いることにより、赤外線を基板の裏面側から取り出すことが可能となる。この場合、電極により赤外光が遮られることがないため、素子の受光面積をより広く取ることができる点で好ましい。このような基板の材料としては、半絶縁性のSiまたはGaAs等が好ましい。   Further, by using a material that transmits infrared rays as the substrate, infrared rays can be extracted from the back side of the substrate. In this case, the infrared light is not blocked by the electrode, which is preferable in that the light receiving area of the element can be increased. As a material for such a substrate, semi-insulating Si or GaAs is preferable.

通常行われるように、基板の表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体層を基板上に形成したものが、基板として使用され得る。GaAs基板上にGaAs層を形成したものを基板として使用することは、この最も代表的な例である。   As is usually done, a substrate in which a semiconductor layer made of the same material as that of the substrate is formed for the purpose of flattening and cleaning the surface of the substrate can be used as the substrate. The most representative example of this is that a GaAs layer formed on a GaAs substrate is used as the substrate.

(バッファ層)
第一態様の赤外線発光素子は、基板とn型コンタクト層との間にバッファ層をさらに備えることが好ましい。バッファ層は基板の表面上に形成される。バッファ層は、その上に形成される全ての結晶性を改善するための層として機能する。これにより、結晶性の良い(欠陥の少ない)活性層を得ることができる。
(Buffer layer)
The infrared light emitting device of the first aspect preferably further includes a buffer layer between the substrate and the n-type contact layer. The buffer layer is formed on the surface of the substrate. The buffer layer functions as a layer for improving all crystallinity formed thereon. Thereby, an active layer with good crystallinity (with few defects) can be obtained.

また、第二態様の赤外線発光素子において、基板とp型コンタクト層との間にバッファ層がさらに備えられてもよい。   In the infrared light emitting device of the second aspect, a buffer layer may be further provided between the substrate and the p-type contact layer.

バッファ層の材料としては、InSb、InAs、InAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AlInAsSb、GaInAsSb、AlGaInAsSb、AlSb、GaSb、AlGaSb、AlAsSb、GaAsSb、AlGaAsSbなどが挙げられる。バッファ層は、これらのうちの一つの材料の単層でも良いし、複数の層が積層された多層でも良い。また、材料の組成を連続的或いは階段状に変化させながら、格子定数をその上に形成する層(n型コンタクト層またはp型コンタクト層)の組成に近づけるように形成された、グレーデッドバッファ層が用いられても良い。   Examples of the material for the buffer layer include InSb, InAs, InAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AlInAsSb, GaInAsSb, AlGaInAsSb, AlSb, GaSb, AlGaSb, AlAsSb, GaAsSb, and AlGaAsSb. The buffer layer may be a single layer made of one of these materials or a multilayer in which a plurality of layers are stacked. In addition, a graded buffer layer formed so that the lattice constant is brought close to the composition of the layer (n-type contact layer or p-type contact layer) formed thereon while changing the composition of the material continuously or stepwise. May be used.

バッファ層の材料は、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)法により確認することが可能である。他の層の材料も同様の方法で確認可能である。   The material of the buffer layer can be confirmed by a secondary ion mass spectrometry (SIMS) method. The material of other layers can be confirmed by the same method.

InAs単層膜、GaSb単層膜およびAlGaSb単層膜は、(a)結晶性が良好な膜を成膜し易い、(b)InAsSbを含む活性層との格子不整合をゼロに近づけることが可能、(c)単層膜の方が、グレーデッド層などと比較して膜厚が薄くて済むので、形成時間が短くて済む、などの観点から、バッファ層の材料として好ましい。   InAs single-layer film, GaSb single-layer film, and AlGaSb single-layer film can be (a) easy to form a film with good crystallinity, and (b) lattice mismatch with an active layer containing InAsSb can be close to zero. (C) A single-layer film is preferable as a material for the buffer layer from the viewpoint that a film thickness is thinner than a graded layer and the like, and the formation time is short.

バッファ層がAlGaSb単層膜の場合、AlyGa(1-y)Sb(0≦y≦1)のAl組成比yが大きくなると電気抵抗は高くなる。しかし、結晶性は悪くなる傾向がある。そのためAl組成比yは所望の抵抗、結晶性に応じて適宜選択する。AlyGa(1-y)Sb(0≦y≦1)のAl組成比yが大きすぎると酸化腐食しやすくなるため、酸化、腐食のしやすさの観点からは、Al組成比yを0以上0.8以下とすることが好ましい。 When the buffer layer is an AlGaSb single layer film, the electrical resistance increases as the Al composition ratio y of Al y Ga (1-y) Sb (0 ≦ y ≦ 1) increases. However, crystallinity tends to deteriorate. Therefore, the Al composition ratio y is appropriately selected according to the desired resistance and crystallinity. If the Al composition ratio y of Al y Ga (1-y) Sb (0 ≦ y ≦ 1) is too large, oxidation corrosion tends to occur. Therefore, from the viewpoint of easy oxidation and corrosion, the Al composition ratio y is set to 0. It is preferable that it is 0.8 or more.

また、GaSb単層膜はAlGaSb単層膜よりも、結晶性が良好な膜に成膜できるため、良好な結晶性を得るという観点からは、GaSb単層膜を用いることがより好ましい。   Moreover, since the GaSb single layer film can be formed into a film having better crystallinity than the AlGaSb single layer film, it is more preferable to use the GaSb single layer film from the viewpoint of obtaining good crystallinity.

バッファ層の膜厚は、薄すぎると活性層の結晶性改善の効果がなくなり、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になるため、0.3μm以上2μm以下が好ましい。   If the buffer layer is too thin, the effect of improving the crystallinity of the active layer is lost. If it is too thick, it takes time to form and the mesa etching process for element isolation becomes difficult. Is preferred.

バッファ層の膜厚は断面TEM(TEM:Transmission Electron Spectroscopy)法により測定することが可能である。具体的には、試料作成を日立製FIB装置(FB−2100)を用いてFIB法により行い、日立製STEM装置(HD−2300A)を用いて断面観察を行い厚さを測定することができる。バッファ層以外の層の膜厚についても、同様の測定方法を用いることで測定可能である。   The thickness of the buffer layer can be measured by a cross-sectional TEM (TEM: Transmission Electron Spectroscopy) method. Specifically, sample preparation can be performed by the FIB method using a Hitachi FIB apparatus (FB-2100), and the thickness can be measured by cross-sectional observation using a Hitachi STEM apparatus (HD-2300A). The film thicknesses of layers other than the buffer layer can also be measured by using the same measurement method.

GaSb単層膜およびAlGaSb単層膜をバッファ層として用いる場合、バッファ層はノンドープでも良いし、n型或いはp型にドーピングしても良い。   When using a GaSb single layer film and an AlGaSb single layer film as a buffer layer, the buffer layer may be non-doped, or may be doped n-type or p-type.

バッファ層上にn型コンタクト層を形成する場合、ノンドープのGaSb、AlGaSbの単層膜上にn型コンタクト層が形成されても良い。またn型にドープしたGaSb、AlGaSbの単層膜がそのままn型コンタクト層として兼用されても良い。   When an n-type contact layer is formed on the buffer layer, the n-type contact layer may be formed on a single layer film of non-doped GaSb or AlGaSb. Also, a single layer film of GaSb or AlGaSb doped in n-type may be used as an n-type contact layer as it is.

一方、バッファ層上にp型コンタクト層を形成する場合には、p型にドープしたGaSb、AlGaSbの単層膜をそのままp型コンタクト層として兼用しても良い。GaSb、AlGaSbの単層膜のp型化に関しては、蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるSiをドーパントとして用いることができるので好ましい。   On the other hand, when a p-type contact layer is formed on the buffer layer, a p-type doped GaSb or AlGaSb single layer film may be used as a p-type contact layer as it is. Regarding the p-type conversion of GaSb and AlGaSb single-layer films, it is preferable because the vapor pressure is low and Si, which is the most commonly used group IV element, can be used as a dopant.

(n型コンタクト層)
n型コンタクト層は、電極とのコンタクト層として機能する。n型コンタクト層の材料としては、InSb、InAs、InAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AlInAsSb、GaInAsSb、AlGaInAsSb、AlSb、GaSb、AlGaSb、AlAsSb、GaAsSb、AlGaAsSbなどが挙げられる。
(N-type contact layer)
The n-type contact layer functions as a contact layer with the electrode. Examples of the material of the n-type contact layer include InSb, InAs, InAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AlInAsSb, GaInAsSb, AlGaInAsSb, AlSb, GaSb, AlGaSb, AlAsSb, GaAsSb, and AlGaAsSb.

n型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となる。そのため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。n型コンタクト層には、コンタクト抵抗を下げるために十分なドーピングがされることが必要である。そのため、ドーピング濃度としては、1×1018/cm3以上が好ましい。n型ドーパントとしてはSi、Sn、S、Se、Te、Geなどが挙げられる。 The sheet resistance of the n-type contact layer causes Johnson noise that is thermal noise. Therefore, the sheet resistance should be as small as possible. The n-type contact layer needs to be sufficiently doped to reduce contact resistance. Therefore, the doping concentration is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more. Examples of the n-type dopant include Si, Sn, S, Se, Te, and Ge.

n型コンタクト層の材料としては、(d)活性層をなすInAsSbと格子定数が近い、(e)蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるSiをドーパントとして用いることができる、(f)シート抵抗を小さくできる、という観点から、InAsまたはInAsSbであることが特に好ましい。活性層と同じ材料であるInAsSbを用いると格子定数を完全に一致させることができるため、さらに好ましい。   As a material of the n-type contact layer, (d) InAsSb forming an active layer is close to a lattice constant, (e) a vapor pressure is low, and Si, which is the most commonly used group IV element, can be used as a dopant. (F) InAs or InAsSb is particularly preferable from the viewpoint that sheet resistance can be reduced. The use of InAsSb, which is the same material as the active layer, is more preferable because the lattice constant can be made to coincide completely.

n型コンタクト層の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、n型コンタクト層の膜厚としては、0.1μm以上1μm以下が好ましい範囲として挙げられる。   The thickness of the n-type contact layer is preferably as thick as possible in order to reduce the sheet resistance. However, if it is too thick, it takes time to form and a mesa etching process for element isolation becomes difficult. For this reason, as a film thickness of an n-type contact layer, 0.1 to 1 micrometer is mentioned as a preferable range.

(n型導電型を有する第1バリア層)
第一態様および第二態様赤外線発光素子のn型導電型を有する第1バリア層は、Al、In、AsおよびSbを含む化合物半導体層からなり、活性層からの拡散電流を防ぐ機能を有する。InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層に対してバンドギャップの大きいAl、In、AsおよびSbを含む材料を第1バリア層として用いることで、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)が大きくなる。
(First barrier layer having n-type conductivity)
1st aspect and 2nd aspect The 1st barrier layer which has the n-type conductivity type of infrared light emitting element consists of a compound semiconductor layer containing Al, In, As, and Sb, and has a function which prevents the diffusion current from an active layer. By using a material containing Al, In, As, and Sb having a large band gap as a first barrier layer with respect to the active layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1), The band offset (ΔEv) increases.

活性層と第1バリア層の格子定数が異なる場合、第1バリア層の膜厚が臨界膜厚を超えると、第1バリア層の結晶性が劣化するため、材料選択の際には、伝導帯或いは価電子帯のバンドオフセットおよび結晶性劣化の両方を考慮する必要がある。第1バリア層の膜厚を厚くするという観点からは、活性層と第1バリア層の格子定数の差はなるべく小さい方が好ましい。   When the lattice constants of the active layer and the first barrier layer are different, the crystallinity of the first barrier layer deteriorates when the film thickness of the first barrier layer exceeds the critical film thickness. Alternatively, it is necessary to consider both the band offset of the valence band and the deterioration of crystallinity. From the viewpoint of increasing the thickness of the first barrier layer, the difference in lattice constant between the active layer and the first barrier layer is preferably as small as possible.

また、第1バリア層は、n型ドーピングにより価電子帯の上端を下げることができ、熱励起された正孔の拡散障壁としてより効果的に機能する。そのため、第1バリア層は十分なドーピングがなされている必要がある。ドーピング濃度は1×1018/cm3以上であることが好ましい。n型ドーパントとしてはSi、Sn、S、Se、Te、Geなどが挙げられる。 Also, the first barrier layer can lower the upper end of the valence band by n-type doping, and functions more effectively as a diffusion barrier for thermally excited holes. Therefore, the first barrier layer needs to be sufficiently doped. The doping concentration is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more. Examples of the n-type dopant include Si, Sn, S, Se, Te, and Ge.

第1バリア層の材料をAlInAsSbとする場合、AlInAsSbのAl組成比が小さすぎると十分な価電子帯のバンドオフセットを確保できず、また、AlInAsSbのAl組成比が大きすぎるとInAsSbを含む活性層との格子定数の差が大きくなり、第1バリア層の臨界膜厚が小さくなるため、n型バリア層として十分な膜厚を確保できなくなる。そのため、AlInAsSbのAl組成比は0.1以上、かつ、0.5以下が好ましい。   When the material of the first barrier layer is AlInAsSb, if the Al composition ratio of AlInAsSb is too small, a sufficient band offset of the valence band cannot be secured, and if the Al composition ratio of AlInAsSb is too large, the active layer containing InAsSb And the critical thickness of the first barrier layer becomes small, so that a sufficient thickness as the n-type barrier layer cannot be secured. Therefore, the Al composition ratio of AlInAsSb is preferably 0.1 or more and 0.5 or less.

第1バリア層の膜厚は、赤外線発光素子の抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良い。しかし、電極と活性層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚は必要となる。このため、第1バリア層の膜厚は0.01μm以上が好ましく、より好ましくは0.02μm以上である。なお、第1バリア層の膜厚の上限については、活性層と第1バリア層との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。   The film thickness of the first barrier layer is preferably as thin as possible in order to reduce the resistance of the infrared light emitting element. However, a film thickness that does not cause a tunnel leak between the electrode and the active layer is required. For this reason, the film thickness of the first barrier layer is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.02 μm or more. The upper limit of the film thickness of the first barrier layer is limited by the critical film thickness determined by the difference between the lattice constants of the active layer and the first barrier layer.

(活性層)
第一態様および第二態様の赤外線発光素子の活性層はInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む。活性層のAs組成比xは、特に限定されないが、As組成比xを所望の値に設定することで、赤外線発光のピーク波長を、3μmから10μmの広範囲にわたり制御することが可能である。バッファ層としてInAs、AlGaSb、GaSbを用いた場合には、活性層のInAsSbの格子定数がバッファ層の格子定数に近い方が良好な結晶が得られるため、As組成比xは0.7以上1以下が好ましい。
(Active layer)
The active layer of the infrared light emitting device of the first embodiment and the second embodiment includes InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). The As composition ratio x of the active layer is not particularly limited, but by setting the As composition ratio x to a desired value, the peak wavelength of infrared light emission can be controlled over a wide range of 3 μm to 10 μm. When InAs, AlGaSb, or GaSb is used as the buffer layer, a better crystal can be obtained when the lattice constant of InAsSb in the active layer is closer to the lattice constant of the buffer layer. Therefore, the As composition ratio x is 0.7 or more and 1 The following is preferred.

活性層の膜厚は、光吸収量を増やすためには厚い方が好ましいが、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になるため、0.5μm以上3μm以下が好ましい。   The thickness of the active layer is preferably thick in order to increase the amount of light absorption, but if it is too thick, it takes time to form and the mesa etching process for element isolation becomes difficult, so 0.5 μm or more and 3 μm or less Is preferred.

活性層はノンドープのものでも良いし、n型またはp型にドーピングされたものでもよい。InAsSbはバンドギャップが非常に小さいため、真性キャリア密度が非常に大きい。このことは、拡散電流の増大およびオージェ再結合過程の促進をもたらす。活性層をp型にドーピングすることで、これらの影響を低減することができる。ドーピング量は適宜設定される。   The active layer may be non-doped or may be doped n-type or p-type. Since InAsSb has a very small band gap, the intrinsic carrier density is very large. This results in increased diffusion current and promotion of the Auger recombination process. These effects can be reduced by doping the active layer p-type. The doping amount is set as appropriate.

InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層のp型ドーパントとしては、一般的にはBe、Zn、Cd、C、Mg、Geなどが好ましく用いられるが、Znは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。 In general, Be, Zn, Cd, C, Mg, Ge, or the like is preferably used as the p-type dopant of the active layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). Since activation rate is high and toxicity is low, it is more preferably used.

(第2バリア層)
第一態様および第二態様の赤外線発光素子の第2バリア層は、Al、Ga、AsおよびSbを含む化合物半導体層からなり、活性層からの拡散電流を防ぐ機能を有する。InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層に対してバンドギャップの大きいAl、Ga、AsおよびSbを含む材料を第2バリア層の材料として用いることで、伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)が大きくなる。
(Second barrier layer)
The 2nd barrier layer of the infrared light emitting element of the 1st aspect and the 2nd aspect consists of a compound semiconductor layer containing Al, Ga, As, and Sb, and has a function which prevents the diffused current from an active layer. By using a material containing Al, Ga, As and Sb having a large band gap as a material of the second barrier layer with respect to the active layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1), the conduction band Band offset (ΔEc) increases.

また、第2バリア層は、p型ドーピングにより伝導帯の下端を上げることができ、熱励起された電子の拡散障壁としてより効果的に機能する。そのため第2バリア層へは、ドーピング濃度は1×1018/cm3以上のp型ドープすることが多い。しかしながら、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む材料は、活性層であるInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)に対して伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)は大きくできる反面、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)は非常に小さいという特徴をもつ。第2バリア層にp型ドープした場合、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)が小さくなりすぎて、それに起因したリーク電流を生じるおそれがある。価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)を一定量以上保つために、第2バリア層はノンドープでも良いし、n型ドープしても良い。或いは、Inを一定量添加したAl、Ga、In、AsおよびSbを少なくとも含む材料を第2バリア層の材料として用いても良い。 In addition, the second barrier layer can raise the lower end of the conduction band by p-type doping and functions more effectively as a diffusion barrier for thermally excited electrons. For this reason, the second barrier layer is often p-type doped with a doping concentration of 1 × 10 18 / cm 3 or more. However, the material including at least Al, Ga, As, and Sb can increase the band offset (ΔEc) of the conduction band with respect to InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) that is the active layer, The band offset (ΔEv) of the valence band is very small. When the second barrier layer is p-type doped, the band offset (ΔEv) of the valence band becomes too small, and there is a risk of causing a leakage current due to the band offset. In order to keep the band offset (ΔEv) of the valence band above a certain amount, the second barrier layer may be non-doped or n-type doped. Alternatively, a material containing at least Al, Ga, In, As, and Sb to which a certain amount of In is added may be used as the material of the second barrier layer.

活性層に含まれるInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)との格子定数の差が十分小さいため、第2バリア層のAl組成比は臨界膜厚によって制約されない。しかし、Al組成比が大きすぎると酸化、腐食などの懸念があるため、Al組成比は0以上、かつ、0.8以下が好ましい。また、As組成比は小さ過ぎると、活性層InAsSbとの価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)が小さくなりすぎる懸念がある。一方、As組成が大き過ぎると活性層InAsSbとの格子定数の差が大きくなり、臨界膜厚による制約を受けるため、As組成は0.01以上0.3以下が好ましい。 Since the difference in lattice constant from InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) contained in the active layer is sufficiently small, the Al composition ratio of the second barrier layer is not limited by the critical film thickness. However, if the Al composition ratio is too large, there is a concern of oxidation, corrosion, and the like. Therefore, the Al composition ratio is preferably 0 or more and 0.8 or less. Further, if the As composition ratio is too small, there is a concern that the band offset (ΔEv) of the valence band with the active layer InAsSb becomes too small. On the other hand, if the As composition is too large, the difference in lattice constant from the active layer InAsSb increases and is restricted by the critical film thickness, so the As composition is preferably 0.01 or more and 0.3 or less.

第2バリア層の膜厚は、発光素子の素子抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と活性層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、第2バリア層の膜厚は0.01μm以上が好ましく、より好ましくは0.02μm以上である。なお、第2バリア層の膜厚の上限については、活性層と第2バリア層との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。   The film thickness of the second barrier layer is preferably as thin as possible in order to reduce the element resistance of the light emitting element, but it is necessary to have a film thickness that does not cause a tunnel leak between the electrode and the active layer. For this reason, the film thickness of the second barrier layer is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.02 μm or more. Note that the upper limit of the thickness of the second barrier layer is limited by the critical thickness determined by the difference between the lattice constants of the active layer and the second barrier layer.

(p型コンタクト層)
p型コンタクト層は、電極とのコンタクト層として機能する。p型コンタクト層の材料としては、InSb、InAs、InAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AlInAsSb、GaInAsSb、AlGaInAsSb、AlSb、GaSb、AlGaSb、AlAsSb、GaAsSb、AlGaAsSbなどが挙げられる。
(P-type contact layer)
The p-type contact layer functions as a contact layer with the electrode. Examples of the material of the p-type contact layer include InSb, InAs, InAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AlInAsSb, GaInAsSb, AlGaInAsSb, AlSb, GaSb, AlGaSb, AlAsSb, GaAsSb, and AlGaAsSb.

p型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となる。そのため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。p型コンタクト層には、コンタクト抵抗を下げるために十分なドーピングがされることが必要である。そのため、ドーピング濃度としては、1×1018/cm3以上が好ましい。p型ドーパントとしては、Be、Zn、Cd、C、Mg、Geなどが挙げられる。 The sheet resistance of the p-type contact layer causes Johnson noise that is thermal noise. Therefore, the sheet resistance should be as small as possible. The p-type contact layer needs to be sufficiently doped to reduce the contact resistance. Therefore, the doping concentration is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more. Examples of the p-type dopant include Be, Zn, Cd, C, Mg, and Ge.

p型コンタクト層の材料としては、(d)活性層に含まれるInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)と格子定数が近い、(e)蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるSiをドーパントとして用いることができる、(f)シート抵抗を小さくできる、という観点から、AlGaSb、GaSbが好ましい。p型コンタクト層の材料がGaSbであると、AlGaSbである場合よりもシート抵抗を小さくできるため、好ましい。 As the material of the p-type contact layer, (d) the lattice constant is close to InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) contained in the active layer, (e) the vapor pressure is low, and most commonly AlGaSb and GaSb are preferable from the viewpoint that Si, which is a group IV element used, can be used as a dopant, and (f) sheet resistance can be reduced. It is preferable that the material of the p-type contact layer is GaSb because sheet resistance can be reduced as compared with the case of AlGaSb.

また、In組成を制御することでInAsSbと格子整合が可能であるため、GaInSbをp型コンタクト層の材料として用いることも好ましい。   In addition, since lattice matching with InAsSb is possible by controlling the In composition, it is also preferable to use GaInSb as the material of the p-type contact layer.

もちろん、活性層と同じ組成のInAsSbがp型コンタクト層として用いられても良い。この場合、p型ドーパントとしては、Be、Zn、Cd、C、Mg、Geなどが挙げられる。   Of course, InAsSb having the same composition as the active layer may be used as the p-type contact layer. In this case, examples of the p-type dopant include Be, Zn, Cd, C, Mg, and Ge.

p型コンタクト層の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、p型コンタクト層の膜厚は0.1μm以上1μm以下が好ましい範囲として挙げられる。   The p-type contact layer is preferably as thick as possible in order to reduce the sheet resistance. However, if it is too thick, it takes time to form and a mesa etching process for element isolation becomes difficult. For this reason, the preferable thickness of the p-type contact layer is 0.1 μm or more and 1 μm or less.

(パッシベーション膜)
パッシベーション膜は、絶縁性の膜であれば特に限定されない。パッシベーション膜の材料として、シリコン窒化膜(Si34)、シリコン酸化膜(SiO2)またはシリコン酸化窒化膜(SiON)などが挙げられる。
(Passivation film)
The passivation film is not particularly limited as long as it is an insulating film. Examples of the material for the passivation film include a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon oxide film (SiO 2 ), and a silicon oxynitride film (SiON).

(電極)
電極としては、p型コンタクト層に電気的に接続するp型電極と、n型コンタクト層に電気的に接続するn型電極がある。電極は、導電性の膜で構成されていれば特に限定されず、上層/下層がAu/TiまたはAu/Cr等の積層膜が挙げられる。
(electrode)
The electrodes include a p-type electrode that is electrically connected to the p-type contact layer and an n-type electrode that is electrically connected to the n-type contact layer. The electrode is not particularly limited as long as it is composed of a conductive film, and examples thereof include a laminated film in which the upper layer / lower layer is Au / Ti or Au / Cr.

[実施形態]
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
[Embodiment]
Hereinafter, although embodiment of this invention is described, this invention is not limited to embodiment shown below. In the embodiment described below, a technically preferable limitation is made for carrying out the present invention, but this limitation is not an essential requirement of the present invention.

なお、以下の説明で使用する図において、図示されている各部の寸法関係は、実際の寸法関係と異なる場合がある。   Note that in the drawings used in the following description, the dimensional relationships of the respective parts illustrated may be different from the actual dimensional relationships.

<第一実施形態>
(構成)
第一実施形態の赤外線発光素子は、図3に示すように、基板1と、バッファ層7と、n型コンタクト層2と、n型導電型を有する第1バリア層3と、活性層4と、第2バリア層5と、p型コンタクト層6と、n型電極8と、p型電極9と、パッシベーション膜10とを備えている。
<First embodiment>
(Constitution)
As shown in FIG. 3, the infrared light emitting device of the first embodiment includes a substrate 1, a buffer layer 7, an n-type contact layer 2, an n-type conductivity first barrier layer 3, and an active layer 4. The second barrier layer 5, the p-type contact layer 6, the n-type electrode 8, the p-type electrode 9, and the passivation film 10 are provided.

基板1上に、バッファ層7、n型コンタクト層2、n型導電型を有する第1バリア層3、活性層4、第2バリア層5、およびp型コンタクト層6が、この順に形成されている。つまり、バッファ層7、n型コンタクト層2、n型導電型を有する第1バリア層3、活性層4、第2バリア層5、およびp型コンタクト層6を備える化合物半導体積層体が、基板1上に形成されている。   A buffer layer 7, an n-type contact layer 2, a first barrier layer 3 having an n-type conductivity, an active layer 4, a second barrier layer 5, and a p-type contact layer 6 are formed in this order on the substrate 1. Yes. That is, the compound semiconductor stack including the buffer layer 7, the n-type contact layer 2, the first barrier layer 3 having the n-type conductivity, the active layer 4, the second barrier layer 5, and the p-type contact layer 6 is formed on the substrate 1. Formed on top.

バッファ層7およびn型コンタクト層2の幅は、n型導電型を有する第1バリア層3、活性層4、第2バリア層5、およびp型コンタクト層6の幅より大きい。つまり、n型コンタクト層2とn型導電型を有する第1バリア層3との間に段差がある。この段差により生じたn型コンタクト層2の上面にn型電極8が形成され、p型コンタクト層6の上面にp型電極9が形成されている。   The widths of the buffer layer 7 and the n-type contact layer 2 are larger than the widths of the first barrier layer 3, the active layer 4, the second barrier layer 5, and the p-type contact layer 6 having n-type conductivity. That is, there is a step between the n-type contact layer 2 and the first barrier layer 3 having n-type conductivity. An n-type electrode 8 is formed on the upper surface of the n-type contact layer 2 generated by this step, and a p-type electrode 9 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 6.

パッシベーション膜10により、基板1の上面、化合物半導体積層体の側面および上面が覆われている。n型電極8とp型電極9の上部はパッシベーション膜10から露出している。   The passivation film 10 covers the upper surface of the substrate 1, the side surfaces and the upper surface of the compound semiconductor stacked body. Upper portions of the n-type electrode 8 and the p-type electrode 9 are exposed from the passivation film 10.

基板1はGaAsを含む。バッファ層7はInAs、AlGaSb或いはGaSbを含む。n型コンタクト層2はSi(n型ドーパント)を含むInAsSbを含む。n型導電型を有する第1バリア層3はSi(n型ドーパント)を含むAlInAsSbを含む。活性層4はInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む。第2バリア層5はAlGaAsSbを含む。p型コンタクト層6はSi(p型ドーパント)を含むGaSbまたはGaInSb、或いはZn(p型ドーパント)を含むInAsSbを含む。n型電極8はAu/Tiを含む。p型電極9はAu/Tiを含む。パッシベーション膜10はシリコン窒化物を含む。 The substrate 1 contains GaAs. The buffer layer 7 contains InAs, AlGaSb, or GaSb. The n-type contact layer 2 contains InAsSb containing Si (n-type dopant). The first barrier layer 3 having n-type conductivity includes AlInAsSb containing Si (n-type dopant). The active layer 4 includes InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). The second barrier layer 5 includes AlGaAsSb. The p-type contact layer 6 contains GaSb or GaInSb containing Si (p-type dopant) or InAsSb containing Zn (p-type dopant). The n-type electrode 8 contains Au / Ti. The p-type electrode 9 contains Au / Ti. The passivation film 10 includes silicon nitride.

(作用、効果)
第一実施形態の赤外線発光素子によれば、AlGaAsSbを含む第2バリア層5を備えることで、活性層4と第2バリア層5との伝導体のバンドオフセット(ΔEc)を十分大きくすることができる。また、InAs、AlGaSb或いはGaSbを含むバッファ層7を有することで、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層4の結晶性が改善される。また、n型コンタクト層2が活性層4と同じInAsSbを含むため、n型コンタクト層2と活性層4の格子定数が一致する。
(Function, effect)
According to the infrared light emitting device of the first embodiment, by providing the second barrier layer 5 containing AlGaAsSb, the band offset (ΔEc) of the conductor between the active layer 4 and the second barrier layer 5 can be sufficiently increased. it can. Moreover, by having the buffer layer 7 containing InAs, AlGaSb, or GaSb, the crystallinity of the active layer 4 containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) is improved. Further, since the n-type contact layer 2 contains the same InAsSb as the active layer 4, the lattice constants of the n-type contact layer 2 and the active layer 4 are the same.

また、n型導電型を有する第1バリア層3が、活性層4をなすInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)に対するバンドギャップエネルギーが大きいAlInAsSbを含むため、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)が大きく取れる。また、p型コンタクト層6が、活性層4をなすInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)と格子定数が近いGaSbまたはGaInSb或いはInAsSbを含む。 In addition, since the first barrier layer 3 having the n-type conductivity includes AlInAsSb having a large band gap energy with respect to InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4, A large band offset (ΔEv) can be obtained. The p-type contact layer 6 includes GaSb, GaInSb, or InAsSb having a lattice constant close to that of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4.

以上のことから、第一実施形態の赤外線発光素子によれば、良好な発光特性が得られる。   From the above, according to the infrared light emitting device of the first embodiment, good light emission characteristics can be obtained.

(製造方法)
先ず、GaAsウエハ(基板1)の上面に、MBE(分子線エピタキシー)法を用いて、バッファ層7、n型コンタクト層2、n型導電型を有する第1バリア層3、活性層4、第2バリア層5、およびp型コンタクト層6が形成される。次に、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより、素子毎に、n型導電型を有する第1バリア層3、活性層4、第2バリア層5、およびp型コンタクト層6を、部分的に除去して、n型コンタクト層2とn型電極8とのコンタクトを取るための段差形成が行われる。これにより、GaAsウエハ上に、段差を有する複数の化合物半導体積層体が形成される。
(Production method)
First, an MBE (molecular beam epitaxy) method is used on the upper surface of a GaAs wafer (substrate 1) to form a buffer layer 7, an n-type contact layer 2, an n-type conductivity first barrier layer 3, an active layer 4, 2 barrier layer 5 and p-type contact layer 6 are formed. Next, the first barrier layer 3, the active layer 4, the second barrier layer 5, and the p-type contact layer 6 having n-type conductivity are partially formed on each element by wet etching using acid or ion milling. Then, a step for forming a contact between the n-type contact layer 2 and the n-type electrode 8 is formed. As a result, a plurality of compound semiconductor stacks having steps are formed on the GaAs wafer.

次に、段差を有する複数の化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングが行われる。ここでは、段差の底部に現れているn型コンタクト層とバッファ層を順次、部分的に除去する。これにより、素子分離領域には基板1の上面が露出する。   Next, mesa etching for element isolation is performed on the plurality of compound semiconductor stacks having steps. Here, the n-type contact layer and the buffer layer appearing at the bottom of the step are partially removed sequentially. Thereby, the upper surface of the substrate 1 is exposed in the element isolation region.

次に、シリコン窒化物を含むパッシベーション膜10により、基板1の上面および素子分離された化合物半導体積層体の上面および側面が覆われる。   Next, a passivation film 10 containing silicon nitride covers the upper surface of the substrate 1 and the upper surface and side surfaces of the compound semiconductor stacked body from which elements have been separated.

次に、パッシベーション膜10のうちn型電極8およびp型電極9を形成する部分をエッチングして貫通穴が形成される。次に、リフトオフ法などでこの貫通穴を埋めるようにAu/Ti電極が形成される。   Next, a portion of the passivation film 10 where the n-type electrode 8 and the p-type electrode 9 are formed is etched to form a through hole. Next, an Au / Ti electrode is formed so as to fill the through hole by a lift-off method or the like.

<第二実施形態>
(構成)
第二実施形態の赤外線発光素子は、図4に示すように、基板1と、p型コンタクト層6と、第2バリア層5と、活性層4と、n型導電型を有する第1バリア層3と、n型コンタクト層2と、n型電極8と、p型電極9と、パッシベーション膜10とを備えている。
<Second embodiment>
(Constitution)
As shown in FIG. 4, the infrared light emitting device of the second embodiment includes a substrate 1, a p-type contact layer 6, a second barrier layer 5, an active layer 4, and a first barrier layer having an n-type conductivity type. 3, an n-type contact layer 2, an n-type electrode 8, a p-type electrode 9, and a passivation film 10.

基板1上に、p型コンタクト層6と、第2バリア層5と、活性層4と、n型導電型を有する第1バリア層3と、n型コンタクト層2が、この順に形成されている。つまり、p型コンタクト層6と、第2バリア層5と、活性層4と、n型導電型を有する第1バリア層3と、およびn型コンタクト層2を備える化合物半導体積層体が、基板1上に形成されている。   A p-type contact layer 6, a second barrier layer 5, an active layer 4, a first barrier layer 3 having n-type conductivity, and an n-type contact layer 2 are formed on the substrate 1 in this order. . That is, the compound semiconductor stack including the p-type contact layer 6, the second barrier layer 5, the active layer 4, the first barrier layer 3 having n-type conductivity, and the n-type contact layer 2 is formed on the substrate 1. Formed on top.

p型コンタクト層6の幅は、第2バリア層5と、活性層4と、n型導電型を有する第1バリア層3と、n型コンタクト層2の幅より大きい。つまり、p型コンタクト層6と第2バリア層5との間に段差がある。この段差により生じたp型コンタクト層6の上面にp型電極9が形成され、n型コンタクト層2の上面にn型電極8が形成されている。   The width of the p-type contact layer 6 is larger than the width of the second barrier layer 5, the active layer 4, the first barrier layer 3 having n-type conductivity, and the n-type contact layer 2. That is, there is a step between the p-type contact layer 6 and the second barrier layer 5. A p-type electrode 9 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 6 generated by this step, and an n-type electrode 8 is formed on the upper surface of the n-type contact layer 2.

パッシベーション膜10により、基板1の上面、化合物半導体積層体の側面および上面が覆われている。n型電極8とp型電極9の上部はパッシベーション膜10から露出している。   The passivation film 10 covers the upper surface of the substrate 1, the side surfaces and the upper surface of the compound semiconductor stacked body. Upper portions of the n-type electrode 8 and the p-type electrode 9 are exposed from the passivation film 10.

基板1はGaAsを含む。n型コンタクト層2はSi(n型ドーパント)を含むInAsSbを含む。n型導電型を有する第1バリア層3はSi(n型ドーパント)を含むAlInAsSbを含む。活性層4はInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む。第2バリア層5はAlGaAsSbを含む。p型コンタクト層6はSi(p型ドーパント)を含むGaSbを含む。n型電極8はAu/Tiを含む。p型電極9はAu/Tiを含む。パッシベーション膜10はシリコン窒化物を含む。 The substrate 1 contains GaAs. The n-type contact layer 2 contains InAsSb containing Si (n-type dopant). The first barrier layer 3 having n-type conductivity includes AlInAsSb containing Si (n-type dopant). The active layer 4 includes InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). The second barrier layer 5 includes AlGaAsSb. The p-type contact layer 6 contains GaSb containing Si (p-type dopant). The n-type electrode 8 contains Au / Ti. The p-type electrode 9 contains Au / Ti. The passivation film 10 includes silicon nitride.

(作用、効果)
第二実施形態の赤外線発光素子によれば、AlGaAsSbを含む第2バリア層5を備えることで、活性層4と第2バリア層5との伝導体のバンドオフセット(ΔEc)を十分大きくすることができる。
(Function, effect)
According to the infrared light emitting device of the second embodiment, by providing the second barrier layer 5 containing AlGaAsSb, the band offset (ΔEc) of the conductor between the active layer 4 and the second barrier layer 5 can be sufficiently increased. it can.

また、n型コンタクト層2が活性層4と同じInAsSbを含むため、n型コンタクト層2と活性層4の格子定数が一致する。また、n型導電型を有する第1バリア層3が、活性層4をなすInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)に対するバンドギャップエネルギーが大きいAlInAsSbを含むため、価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)が大きく取れる。また、p型コンタクト層6が、活性層4をなすInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)と格子定数が近いGaSbを含むことで、活性層4をなすInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)の結晶性を良好にすることができる。 Further, since the n-type contact layer 2 contains the same InAsSb as the active layer 4, the lattice constants of the n-type contact layer 2 and the active layer 4 are the same. In addition, since the first barrier layer 3 having the n-type conductivity includes AlInAsSb having a large band gap energy with respect to InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4, A large band offset (ΔEv) can be obtained. The p-type contact layer 6 contains GaSb having a lattice constant close to that of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4, so that InAs x Sb (1 -x) The crystallinity of (0 ≦ x ≦ 1) can be improved.

以上のことから、第二実施形態の赤外線発光素子によれば、良好な発光特性が得られる。   From the above, according to the infrared light emitting device of the second embodiment, good light emission characteristics can be obtained.

(製造方法)
第二実施形態の赤外線発光素子は第一実施形態の赤外線発光素子と化合物半導体積層体の構成が異なるため、各層の形成順が異なるが、基本的には第一実施形態に記載された方法で製造できる。
(Production method)
The infrared light emitting device of the second embodiment differs from the infrared light emitting device of the first embodiment in the configuration of the compound semiconductor laminate, so the formation order of each layer is different, but basically the method described in the first embodiment. Can be manufactured.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

[実施例1]
図3に示す構造の赤外線発光素子を以下のようにして作製した。
[Example 1]
An infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 3 was produced as follows.

MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶を含む基板1上に、バッファ層7と、n型コンタクト層2と、n型導電型を有する第1バリア層3と、活性層4と、第2バリア層5と、p型コンタクト層6を順次積層することにより、PIN構造の化合物半導体積層体が形成された。   By the MBE method, a buffer layer 7, an n-type contact layer 2, a first barrier layer 3 having an n-type conductivity, an active layer 4, and a second layer are formed on a substrate 1 containing a semi-insulating GaAs single crystal. By sequentially laminating the barrier layer 5 and the p-type contact layer 6, a compound semiconductor multilayer body having a PIN structure was formed.

この積層工程において、バッファ層7として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs層が0.5μmの厚さで形成された。n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.7μmの厚さで形成された。n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。第2バリア層5として、ノンドープのAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。p型コンタクト層6として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたp型のInAs0.87Sb0.13層が0.5μmの厚さで形成された。 In this stacking step, an n-type InAs layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed as the buffer layer 7 to a thickness of 0.5 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si of 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.7 μm. As the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.02 μm. As the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. As the second barrier layer 5, a non-doped Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer was formed with a thickness of 0.02 μm. As the p-type contact layer 6, a p-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Zn at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、380arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor laminated body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 380 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して以下の工程を行うことにより、実施例1の赤外線発光素子を作製した。   The infrared light emitting element of Example 1 was produced by performing the following steps on this compound semiconductor laminate.

まず、n型コンタクト層2とのコンタクトをとるための段差形成が、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより行われた。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングが行われた。その後、SiNを含むパッシベーション膜10により、基板1の上面および素子分離された化合物半導体積層体の上面および側面が覆われた。次いで、パッシベーション膜10の電極形成部分に貫通穴が形成された。次いで、n型コンタクト層2の段差部分上およびp型コンタクト層6上の2箇所に、Au/TiをEB(電子ビーム)蒸着し、リフトオフ法により各貫通穴にn型電極8およびp型電極9がそれぞれ形成された。   First, step formation for making contact with the n-type contact layer 2 was performed by wet etching using an acid or ion milling. Next, mesa etching for element isolation was performed on the compound semiconductor stacked body on which the step was formed. Thereafter, the upper surface of the substrate 1 and the upper surface and side surfaces of the compound semiconductor stacked body from which the elements were separated were covered with a passivation film 10 containing SiN. Next, a through hole was formed in the electrode formation portion of the passivation film 10. Next, Au / Ti is deposited by EB (electron beam) deposition on the step portion of the n-type contact layer 2 and on the p-type contact layer 6, and the n-type electrode 8 and the p-type electrode are formed in each through hole by a lift-off method. 9 was formed respectively.

このようにして、図3に示す構造の赤外線発光素子を得た。   In this way, an infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 3 was obtained.

[実施例2]
上記のPIN構造の積層工程において、バッファ層7として、ノンドープのAl0.55Ga0.45Sb層が0.5μmの厚さで形成された。n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.7μmの厚さで形成された。n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。第2バリア層5として、ノンドープのAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。p型コンタクト層6として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたp型のInAs0.87Sb0.13層が0.5μmの厚さで形成された。
[Example 2]
In the lamination process of the PIN structure, a non-doped Al 0.55 Ga 0.45 Sb layer was formed as the buffer layer 7 with a thickness of 0.5 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si of 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.7 μm. As the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.02 μm. As the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. As the second barrier layer 5, a non-doped Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer was formed with a thickness of 0.02 μm. As the p-type contact layer 6, a p-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Zn at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、306arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor laminated body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 306 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して実施例1と同じ工程を行うことにより、実施例2の赤外線発光素子を作製した。   By performing the same process as Example 1 with respect to this compound semiconductor laminated body, the infrared light emitting element of Example 2 was produced.

[実施例3]
上記のPIN構造の積層工程において、バッファ層7として、ノンドープのGaSb層が0.5μmの厚さで形成された。n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.7μmの厚さで形成された。n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。第2バリア層5として、ノンドープのAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。p型コンタクト層6として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたp型のInAs0.87Sb0.13層が0.5μmの厚さで形成された。
[Example 3]
In the lamination process of the PIN structure, a non-doped GaSb layer was formed as the buffer layer 7 with a thickness of 0.5 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si of 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.7 μm. As the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.02 μm. As the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. As the second barrier layer 5, a non-doped Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer was formed with a thickness of 0.02 μm. As the p-type contact layer 6, a p-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Zn at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、185arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor laminated body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 185 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して実施例1と同じ工程を行うことにより、実施例3の赤外線発光素子を作製した。   By performing the same process as Example 1 with respect to this compound semiconductor laminated body, the infrared light emitting element of Example 3 was produced.

[実施例4]
上記のPIN構造の積層工程において、バッファ層7として、ノンドープのGaSb層が0.5μmの厚さで形成された。n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.7μmの厚さで形成された。n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。第2バリア層5として、ノンドープのAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。p型コンタクト層6として、Siを3×1018/cm3ドーピングしたp型のGaSb層が0.5μmの厚さで形成された。
[Example 4]
In the lamination process of the PIN structure, a non-doped GaSb layer was formed as the buffer layer 7 with a thickness of 0.5 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si of 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.7 μm. As the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.02 μm. As the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. As the second barrier layer 5, a non-doped Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer was formed with a thickness of 0.02 μm. As the p-type contact layer 6, a p-type GaSb layer doped with Si at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、185arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor laminated body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 185 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して実施例1と同じ工程を行うことにより、実施例4の赤外線発光素子を作製した。   By performing the same process as Example 1 with respect to this compound semiconductor laminated body, the infrared light emitting element of Example 4 was produced.

[実施例5]
上記のPIN構造の積層工程において、バッファ層7として、ノンドープのGaSb層が0.5μmの厚さで形成された。n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.7μmの厚さで形成された。n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。第2バリア層5として、ノンドープのAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。p型コンタクト層6として、Siを3×1018/cm3ドーピングしたp型のGa0.96In0.04Sb層が0.5μmの厚さで形成された。
[Example 5]
In the lamination process of the PIN structure, a non-doped GaSb layer was formed as the buffer layer 7 with a thickness of 0.5 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si of 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.7 μm. As the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.02 μm. As the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. As the second barrier layer 5, a non-doped Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer was formed with a thickness of 0.02 μm. As the p-type contact layer 6, a p-type Ga 0.96 In 0.04 Sb layer doped with Si at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、185arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor laminated body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 185 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して実施例1と同じ工程を行うことにより、実施例5の赤外線発光素子を作製した。   By performing the same process as Example 1 with respect to this compound semiconductor laminated body, the infrared light emitting element of Example 5 was produced.

[実施例6]
上記のPIN構造の積層工程において、バッファ層7として、ノンドープのGaSb層が0.5μmの厚さで形成された。n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.7μmの厚さで形成された。n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。第2バリア層5として、Snを1×1017/cm3ドーピングしたn型のAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。p型コンタクト層6として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたp型のInAs0.87Sb0.13層が0.5μmの厚さで形成された。
[Example 6]
In the lamination process of the PIN structure, a non-doped GaSb layer was formed as the buffer layer 7 with a thickness of 0.5 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si of 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.7 μm. As the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.02 μm. As the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. As the second barrier layer 5, an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer doped with Sn at 1 × 10 17 / cm 3 was formed to a thickness of 0.02 μm. As the p-type contact layer 6, a p-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Zn at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、185arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor laminated body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 185 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して実施例1と同じ工程を行うことにより、実施例6の赤外線発光素子を作製した。   By performing the same process as Example 1 with respect to this compound semiconductor laminated body, the infrared light emitting element of Example 6 was produced.

表1は、実施例1から実施例6をまとめたものである。   Table 1 summarizes Examples 1 to 6.

Figure 2019169601
Figure 2019169601

[実施例7]
図4に示す構造の赤外線発光素子を以下のようにして作製した。
[Example 7]
An infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 4 was produced as follows.

MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶を含む基板1上に、バッファ層を兼ねたp型コンタクト層6と、第2バリア層5と、活性層4と、n型導電型を有する第1バリア層3と、n型コンタクト層2を順次積層することにより、PIN逆構造の化合物半導体積層体が形成された。   By the MBE method, a p-type contact layer 6 also serving as a buffer layer, a second barrier layer 5, an active layer 4, and a first n-type conductivity type are formed on a substrate 1 containing a semi-insulating GaAs single crystal. By sequentially laminating the barrier layer 3 and the n-type contact layer 2, a compound semiconductor multilayer body having a PIN inverse structure was formed.

この積層工程において、バッファ層を兼ねたp型コンタクト層6として、Siを3×1018/cm3ドーピングしたp型のGaSb層が1.0μmの厚さで形成された。また、第2バリア層5として、ノンドープのAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。また、活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。また、n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。また、n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.5μmの厚さで形成された。 In this lamination step, a p-type GaSb layer doped with Si at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 1.0 μm as the p-type contact layer 6 that also served as a buffer layer. Further, as the second barrier layer 5, a non-doped Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer was formed with a thickness of 0.02 μm. Further, as the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. Further, as the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.02 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

この積層工程では、蒸気圧が低いため制御が簡単で、毒性もなく一般的に用いられるSiのみをドーパントとして用いている。つまり、この方法は、PIN逆構造の化合物半導体積層体の作製方法として、量産性に優れた方法である。   In this lamination process, since the vapor pressure is low, the control is simple, and only Si that is generally used without toxicity is used as a dopant. That is, this method is excellent in mass productivity as a method for manufacturing a compound semiconductor stacked body having a PIN inverse structure.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、184arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor stacked body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 184 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して以下の工程を行うことにより、実施例7の赤外線発光素子を作製した。   The infrared light emitting element of Example 7 was produced by performing the following steps on this compound semiconductor laminate.

まず、p型コンタクト層6とのコンタクトをとるための段差形成が、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより行われた。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングが行われた。その後、SiNを含むパッシベーション膜10により、基板1の上面および素子分離された化合物半導体積層体の上面および側面が覆われた。次いで、パッシベーション膜10の電極形成部分に貫通穴が形成された。次いで、p型コンタクト層6の段差部分上およびn型コンタクト層2上の2箇所に、Au/TiをEB(電子ビーム)蒸着し、リフトオフ法により各貫通穴にp型電極9およびn型電極8がそれぞれ形成された。   First, step formation for making contact with the p-type contact layer 6 was performed by wet etching using an acid or ion milling. Next, mesa etching for element isolation was performed on the compound semiconductor stacked body on which the step was formed. Thereafter, the upper surface of the substrate 1 and the upper surface and side surfaces of the compound semiconductor stacked body from which the elements were separated were covered with a passivation film 10 containing SiN. Next, a through hole was formed in the electrode formation portion of the passivation film 10. Next, Au / Ti is deposited by EB (electron beam) deposition on the step portion of the p-type contact layer 6 and on the n-type contact layer 2, and the p-type electrode 9 and the n-type electrode are placed in each through hole by a lift-off method. 8 were formed respectively.

このようにして、図4に示す構造の赤外線発光素子を得た。   In this way, an infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 4 was obtained.

[実施例8]
上記のPIN逆構造の積層工程において、バッファ層を兼ねたp型コンタクト層6として、Siを3×1018/cm3ドーピングしたp型のGaSb層が1.0μmの厚さで形成された。また、第2バリア層5として、Snを1×1017/cm3ドーピングしたn型のAl0.4Ga0.6As0.15Sb0.85層が0.02μmの厚さで形成された。また、活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層が2μmの厚さで形成された。また、n型導電型を有する第1バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層が0.02μmの厚さで形成された。また、n型コンタクト層2として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のInAs0.87Sb0.13層が0.5μmの厚さで形成された。
[Example 8]
In the stacking process of the reverse PIN structure described above, a p-type GaSb layer doped with Si at 3 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 1.0 μm as the p-type contact layer 6 also serving as a buffer layer. Further, as the second barrier layer 5, an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As 0.15 Sb 0.85 layer doped with Sn at 1 × 10 17 / cm 3 was formed with a thickness of 0.02 μm. Further, as the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed with a thickness of 2 μm. Further, as the first barrier layer 3 having n-type conductivity, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed with a thickness of 0.02 μm. As the n-type contact layer 2, an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si at 7 × 10 18 / cm 3 was formed to a thickness of 0.5 μm.

得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13を含む活性層4について、X線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)は、184arcsecであった。 With respect to the active layer 4 containing InAs 0.87 Sb 0.13 in the obtained compound semiconductor stacked body, the half width (FWHM value) of the rocking curve of the X-ray diffraction peak was 184 arcsec.

この化合物半導体積層体に対して実施例7と同じ工程を行うことにより、実施例8の赤外線発光素子を作製した。   By performing the same process as Example 7 with respect to this compound semiconductor laminated body, the infrared light emitting element of Example 8 was produced.

表2は、実施例7および実施例8をまとめたものである。   Table 2 summarizes Example 7 and Example 8.

Figure 2019169601
Figure 2019169601

1 基板
2 n型コンタクト層
3 n型導電型を有する第1バリア層
4 活性層
5 第2バリア層
6 p型コンタクト層
7 バッファ層
8 n型電極
9 p型電極
10 パッシベーション膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 n-type contact layer 3 First barrier layer 4 having n-type conductivity type Active layer 5 Second barrier layer 6 p-type contact layer 7 Buffer layer 8 n-type electrode 9 p-type electrode 10 Passivation film

Claims (5)

基板と、
前記基板上に形成され、In、AsおよびSbを少なくとも含むn型コンタクト層と、
前記n型コンタクト層上に形成され、Al、In、AsおよびSbを少なくとも含み、n型導電型を有する第1バリア層と、
前記第1バリア層上に形成され、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層と、
前記活性層上に形成され、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む第2バリア層と、
を備える赤外線発光素子。
A substrate,
An n-type contact layer formed on the substrate and containing at least In, As and Sb;
A first barrier layer formed on the n-type contact layer and including at least Al, In, As, and Sb and having an n-type conductivity type;
An active layer formed on the first barrier layer and containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1);
A second barrier layer formed on the active layer and including at least Al, Ga, As, and Sb;
An infrared light emitting device comprising:
前記基板はGaAs基板であり、
前記GaAs基板と前記n型コンタクト層との間に、GaおよびSbを少なくとも含むバッファ層をさらに備える、請求項1に記載の赤外線発光素子。
The substrate is a GaAs substrate;
The infrared light emitting element according to claim 1, further comprising a buffer layer containing at least Ga and Sb between the GaAs substrate and the n-type contact layer.
基板と、
前記基板上に形成されたp型コンタクト層と、
前記p型コンタクト層上に形成され、Al、Ga、AsおよびSbを少なくとも含む第2バリア層と、
前記第2バリア層上に形成され、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を含む活性層と、
前記活性層上に形成され、Al、In、AsおよびSbを少なくとも含み、n型導電型を有する第1バリア層と、
前記第1バリア層上に形成され、In、AsおよびSbを少なくとも含むn型コンタクト層と、
を備える赤外線発光素子。
A substrate,
A p-type contact layer formed on the substrate;
A second barrier layer formed on the p-type contact layer and including at least Al, Ga, As, and Sb;
An active layer formed on the second barrier layer and containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1);
A first barrier layer formed on the active layer and including at least Al, In, As, and Sb and having an n-type conductivity;
An n-type contact layer formed on the first barrier layer and including at least In, As and Sb;
An infrared light emitting device comprising:
前記基板はGaAs基板であり、
前記p型コンタクト層は、GaおよびSbを少なくとも含む、請求項3に記載の赤外線発光素子。
The substrate is a GaAs substrate;
The infrared light emitting element according to claim 3, wherein the p-type contact layer includes at least Ga and Sb.
前記第2バリア層は、n型ドーパントを含む、または、ノンドープである、請求項1から4のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。   The infrared light emitting element according to any one of claims 1 to 4, wherein the second barrier layer includes an n-type dopant or is non-doped.
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