JP6278423B2 - Light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン半導体レーザに用いられる発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting device used for a silicon semiconductor laser.
間接遷移型半導体レーザに用いられる素子として、特許文献1に記載のものがある。この素子は、シリコン等の間接遷移型半導体からなり、n型ドーパント濃度に対してp型ドーパント濃度の高いp型半導体層と、p型ドーパント濃度に対してn型ドーパント濃度の高いn型半導体層と、p型半導体層とn型半導体層との接合部に形成されるpn接合層とを備えている。
As an element used for an indirect transition type semiconductor laser, there is one described in
このような間接遷移型半導体からなる素子を発光させるためには、素子のpn接合層内に、pn接合層が発光するためのp型ドーパントおよびn型ドーパントの配列を形成させる必要がある。特許文献1では、素子形成後、n型半導体層側が正電圧、p型半導体層側が負電圧となるように順方向に所定のバイアス電圧を印加してpn接合層に電流を流している。これによって生じる熱によりpn接合層内のp型ドーパントおよびn型ドーパントを拡散させてドーパント分布を繰り返し変化させるとともに、バイアス電圧によりpn接合層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせている。そして、反転分布を形成している伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、pn接合層に流れる電流を減少させて素子の温度を低下させ、pn接合層内のp型ドーパントおよびn型ドーパントの分布を固定している(以下、DPPアニールと称する)。
In order to emit light from an element made of such an indirect transition type semiconductor, it is necessary to form an array of p-type dopants and n-type dopants for the pn junction layer to emit light in the pn junction layer of the element. In
また、非特許文献1には、特許文献1に記載の素子と同様の構成を有するシリコン半導体素子が記載されている。また、そのシリコン半導体素子のn型半導体層の電気抵抗率と、p型半導体層のp型ドーパント濃度分布について記載されている。より具体的には、n型半導体層の電気抵抗率は、10Ωcmであると記載されている。また、p型半導体層のp型ドーパント濃度は、シリコン半導体素子の表面から約1.5μmの深さでピークとなり、そのピーク濃度は約1×1019個/cm3となっている。また、p型半導体層は、n型ドーパントが均一に拡散された素子に対して、その表面近傍にp型ドーパントを打ち込むことによって形成されている。
Non-Patent
非特許文献1に記載のシリコン半導体素子の深さとドーパント濃度との関係について図4に示す。なお、図4では、素子の深さに対するp型ドーパント濃度を一点鎖線、素子の深さに対するn型ドーパント濃度を実線で示す。また、素子の「深さ」は、p型ドーパントが打ち込まれる一端面を基準とし、他端面に近づくにつれて大きくなっていくものとする。
FIG. 4 shows the relationship between the depth of the silicon semiconductor element described in
図4に示すように、非特許文献1に記載の素子では、n型ドーパント濃度が素子の深さに関わらず一定であって、低い値で抑えられている。また、素子の深さの小さい領域では、n型ドーパント濃度に対してp型ドーパント濃度が高く、そのピーク値は約1×1019個/cm3となっている。
As shown in FIG. 4, in the device described in
すなわち、図4において、素子の深さの小さい領域は、非特許文献1に記載の素子のp型半導体層のドーパント濃度分布を示している。また、深さの大きい領域は、n型半導体層のドーパント濃度分布を示している。そして、p型ドーパント濃度とn型ドーパント濃度との差の小さい領域は、pn接合層のドーパント濃度分布を示している。
That is, in FIG. 4, the region where the depth of the element is small indicates the dopant concentration distribution of the p-type semiconductor layer of the element described in Non-Patent
現在までのところ、種々の方法で製造されているシリコン半導体の発光ダイオード素子またはレーザダイオード素子は、何れも実用上要求される発光強度を得ることができていないようである。 To date, none of the silicon semiconductor light-emitting diode elements or laser diode elements manufactured by various methods has been able to obtain the light emission intensity required for practical use.
そこで、非特許文献1では、素子全域のn型ドーパント濃度を低く抑えることにより、DPPアニールを効果的に行っている。より具体的には、n型半導体層を高抵抗化して電流を流した際に素子内に熱を効率的に伝達させることにより、pn接合層内のp型ドーパントおよびn型ドーパントを積極的に拡散させている。これにより、発光領域であるpn接合層をより広範囲に形成させている。
Therefore, in
しかしながら、pn接合層の発光の強さは、DPPアニール後にpn接合層内に形成される、pn接合層が発光するためのp型ドーパントおよびn型ドーパントの配列の数に比例する。この配列の数はpn接合層内のp型ドーパント濃度およびn型ドーパント濃度の両方に依存するため、非特許文献1のように素子全域のn型ドーパント濃度を低く抑えた場合、pn接合層内が発光するためのn型ドーパントおよびp型ドーパントの配列の数は少なくなる。以上により、非特許文献1に記載の素子では、pn接合層の発光効率が低くなる。
However, the intensity of light emission of the pn junction layer is proportional to the number of p-type dopants and the arrangement of n-type dopants formed in the pn junction layer after DPP annealing so that the pn junction layer emits light. Since the number of this arrangement depends on both the p-type dopant concentration and the n-type dopant concentration in the pn junction layer, when the n-type dopant concentration in the entire device is kept low as in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、DPPアニールを効果的に実行可能、且つ、高い発光効率を有するpn接合部が形成された発光素子を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a light emitting device in which a DPN annealing can be effectively performed and a pn junction portion having high light emission efficiency is formed. is there.
第1の発明の発光素子は、1×10 14 個/cm 3 以上1×10 16 個/cm 3 以下の濃度範囲でヒ素およびアンチモンのうちの1以上からなるn型ドーパントが均一に拡散された単結晶シリコンからなる基板の1つの表面側の一部またはすべての部分に形成され、ピーク値が1×10 19 個/cm 3 以上1×10 21 個/cm 3 以下の濃度範囲で前記n型ドーパントが拡散された高濃度n型半導体部と、前記高濃度n型半導体部の表面に設けられた単結晶シリコンからなる薄膜の前記高濃度n型半導部に対応する部分に形成され、ピーク値が1×10 19 個/cm 3 以上1×10 21 個/cm 3 以下の濃度範囲でホウ素からなるp型ドーパントを打ち込むことによって拡散された高濃度p型半導体部と、前記高濃度n型半導体部と前記高濃度p型半導体部との接合部に形成され、前記n型ドーパントおよび前記p型ドーパントが、前記高濃度n型半導体部を除く前記単結晶シリコン基板の前記n型ドーパント濃度よりも高い濃度範囲で拡散されたpn接合部と、からなる発光素子であって、前記高濃度n型半導体部の厚みは、1〜2μmであって、前記高濃度n型半導体部を除く前記基板の厚みは、100〜700μmであって、前記高濃度p型半導体部の厚みは、1〜2μmであることを特徴とするものである。 In the light-emitting element according to the first aspect of the invention, an n-type dopant composed of one or more of arsenic and antimony is uniformly diffused in a concentration range of 1 × 10 14 pieces / cm 3 or more and 1 × 10 16 pieces / cm 3 or less . The n-type is formed in a part or all of one surface side of a substrate made of single crystal silicon and has a peak value in a concentration range of 1 × 10 19 pieces / cm 3 or more and 1 × 10 21 pieces / cm 3 or less. A high-concentration n-type semiconductor portion in which a dopant is diffused and a peak corresponding to the high-concentration n-type semiconductor portion of a thin film made of single crystal silicon provided on the surface of the high-concentration n-type semiconductor portion. A high-concentration p-type semiconductor portion diffused by implanting a p-type dopant made of boron in a concentration range of 1 × 10 19 / cm 3 or more and 1 × 10 21 / cm 3 or less, and the high-concentration n-type Semiconductor part and the above A concentration range formed at a junction with a high-concentration p-type semiconductor portion, wherein the n-type dopant and the p-type dopant are higher than the n-type dopant concentration of the single crystal silicon substrate excluding the high-concentration n-type semiconductor portion. And a pn junction part diffused in step (b) , wherein the high-concentration n-type semiconductor part has a thickness of 1 to 2 μm, and the thickness of the substrate excluding the high-concentration n-type semiconductor part is a 100~700Myuemu, the thickness of the high-concentration p-type semiconductor portion is a feature and be shall to be a 1 to 2 [mu] m.
第2の発明の発光素子は、1×10The light emitting device of the second invention is 1 × 10
1414
個/cmPiece /
本発明によれば、DPPアニールを効果的に実行可能、且つ、pn接合部の発光効率を高くすることができる。 According to the present invention, DPP annealing can be effectively performed, and the luminous efficiency of the pn junction can be increased.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に示すように、発光素子100は、所定厚みを有する直方体形状である。発光素子100は、単結晶シリコンからなる基板1と基板1の上面に形成された単結晶シリコンからなる薄膜2とを有している。なお、以下では、図1の手前側を前側、奥側を後側、左側を左側、右側を右側、上側を上側、下側を下側と定義して、適宜、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」の方向語を使用して説明する。
As shown in FIG. 1, the
基板1は、n型ドーパントが高濃度で拡散された高濃度n型半導体部1bとn型ドーパントが低濃度で拡散された低濃度n型半導体部1aとを有している。高濃度n型半導体部1bは、基板1の上面近傍全域に形成されている。低濃度n型半導体部1aは、基板1の高濃度n型半導体部1bから下側全域に形成されている。高濃度n型半導体部1bの厚みは、低濃度n型半導体部1aの厚みと比較して非常に小さい。より具体的には、高濃度n型半導体部1bの厚みは1〜2μmであって、低濃度n型半導体部1aの厚みは100〜700μmである。高濃度n型半導体部1bおよび低濃度n型半導体部1aに拡散されたn型ドーパントは、ヒ素もしくはアンチモンである。
The
薄膜2は、p型ドーパントが高濃度で拡散された高濃度p型半導体部2aを有している。高濃度p型半導体部2aは、薄膜2の全域に形成されている。高濃度p型半導体部2aの厚みは、1〜2μmである。高濃度p型半導体部2aに拡散されたp型ドーパントは、ホウ素である。
The
また、高濃度n型半導体部1bと高濃度p型半導体部2aとの境界部分である基板1と薄膜2との接合部には、pn接合部3が形成されている。
A
次に、図2(a),(b)により、発光素子100の深さとp型ドーパント濃度およびn型ドーパント濃度との関係について説明する。なお、図2(b)では、発光素子100の深さに対するp型ドーパント濃度を一点鎖線、発光素子100の深さに対するn型ドーパント濃度を実線で示す。また、発光素子100の「深さ」は、薄膜2の上面を基準とし、基板1の下面に近づくにつれて大きくなっていくものとする。
Next, the relationship between the depth of the
基準面である薄膜2の上面から薄膜2と基板1との接合面の深さd1近傍までの領域では、n型ドーパント濃度に対してp型ドーパント濃度が高くなっている。この領域が発光素子100の高濃度p型半導体部2aに対応している。高濃度p型半導体部2aのp型ドーパント濃度のピーク値c1は、1×1019個/cm3である。
The p-type dopant concentration is higher than the n-type dopant concentration in the region from the upper surface of the
また、薄膜2と基板1との接合面の深さd1近傍から基板1に形成された高濃度n型半導体部1bと低濃度n型半導体部1aとの境界の深さd2までの領域では、p型ドーパント濃度に対してn型ドーパント濃度が高くなっている。この領域が発光素子100の高濃度n型半導体部1bに対応している。高濃度n型半導体部1bのn型ドーパント濃度のピーク値c2は、1×1019個/cm3である。
In the region from the vicinity of the depth d1 of the bonding surface between the
また、薄膜2と基板1との接合面の深さd1では、高濃度p型半導体部2aのp型ドーパント濃度と高濃度n型半導体部1bのn型ドーパント濃度との高さが等しくなっている。この深さd1近傍のn型ドーパント濃度とp型ドーパント濃度との差が小さくなった領域が発光素子100のpn接合部3に対応している。
Further, at the depth d1 of the junction surface between the
また、基板1に形成された高濃度n型半導体部1bと低濃度n型半導体部1aとの境界の深さd2から基板1の下面の深さd3までの領域では、p型ドーパント濃度に対してn型ドーパント濃度が高くなっている。この領域が発光素子100の低濃度n型半導体部1aに対応している。低濃度n型半導体部1aのn型ドーパント濃度c3は、1×1014個/cm3である。
Further, in the region from the depth d2 of the boundary between the high-concentration n-
また、pn接合部3のn型ドーパント濃度およびp型ドーパント濃度は、低濃度n型半導体部1aのn型ドーパント濃度c3よりも高くなっている。
Further, the n-type dopant concentration and the p-type dopant concentration of the
(作用・効果)
本実施形態では、図2(b)に示すように、高濃度p型半導体部2aのp型ドーパント濃度のピーク値c1は1×1019個/cm3であって、高濃度n型半導体部1bのn型ドーパント濃度のピーク値c2は、1×1019個/cm3である。このとき、pn接合部3のn型ドーパント濃度およびp型ドーパント濃度は、低濃度n型半導体部1aのn型ドーパント濃度c3である1×1014個/cm3よりも高くなっている。従って、基板1全域のn型ドーパント濃度が1×1014個/cm3である場合と比較して、pn接合部3のp型ドーパント濃度およびn型ドーパント濃度を高くすることができる。これにより、pn接合部3内のn型ドーパントおよびp型ドーパントの配列の組み合わせの数を多くすることができるため、DPPアニール後にpn接合部3内に形成される、pn接合部3が発光するためのp型ドーパントおよびn型ドーパントの配列を数多く形成することができる。従って、pn接合部3の発光効率を高くすることができる。
(Action / Effect)
In the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the peak value c1 of the p-type dopant concentration of the high-concentration p-
また、低濃度n型半導体部1aのn型ドーパント濃度が1×1014個/cm3に抑えられている。従って、低濃度n型半導体部1aは、高抵抗となっている。これにより、高濃度n型半導体部1bを介して、低濃度n型半導体部1aからpn接合部3へと熱を効率的に伝達させることができる。従って、pn接合部3内のn型ドーパントおよびp型ドーパントを積極的に拡散させ、DPPアニールを効果的に行うことができる。
Further, the n-type dopant concentration of the low-concentration n-
また、高濃度n型半導体部1bの厚みは1〜2μmであって、低濃度n型半導体部1aの厚みは100〜700μmである。また、上下方向から見て、両者ともに基板1の全域に形成されているため、低濃度n型半導体部1aの体積は、高濃度n型半導体部1bの体積よりも十分に大きい。さらに、低濃度n型半導体部1aは、上述したドーパント濃度であることから、高抵抗値を有している。そのため、DPPアニール時、低濃度n型半導体部1aでは、低濃度n型半導体部1aの体積が高濃度n型半導体部1bの体積と同等もしくは小さい場合と比較して、大きな発熱量を得ることができる。これにより、高濃度n型半導体部1bを介して、その上側の高濃度n型半導体部1bおよびpn接合部3を効率的に加熱し、DPPアニールを効果的に行うことができる。
The high concentration n-
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various design changes can be made as long as they are described in the claims. is there.
本実施形態では、高濃度n型半導体部1bおよび低濃度n型半導体部1aのn型ドーパントは、ヒ素もしくはアンチモンであると記載したが、高濃度n型半導体部1bおよび低濃度n型半導体部1aのn型ドーパントは、ヒ素およびアンチモンの両方で構成されていても構わない。
In the present embodiment, the n-type dopant of the high-concentration n-
また、本実施形態では、高濃度p型半導体部2aのp型ドーパント濃度のピーク値c1は、1×1019個/cm3であると記載したが、高濃度p型半導体部2aのp型ドーパント濃度のピーク値は、1×1019個/cm3以上1×1021個/cm3以下の範囲内であれば構わない。また、低濃度n型半導体部1aのn型ドーパント濃度のピーク値c1は、1×1014個/cm3であると記載したが、高濃度n型半導体部1aのn型ドーパント濃度のピーク値は、1×1014個/cm3以上1×1016個/cm3以下の範囲内であれば構わない。また、高濃度n型半導体部1bのn型ドーパント濃度c3は、1×1019個/cm3であると記載したが、高濃度n型半導体部1bのn型ドーパント濃度は、1×1019個/cm3以上1×1021個/cm3以下の範囲内であれば構わない。以上のドーパント範囲によれば、pn接合部3のn型ドーパント濃度およびp型ドーパント濃度を低濃度n型半導体部1aのn型ドーパント濃度c3よりも高くすることができる。
In the present embodiment, the peak value c1 of the p-type dopant concentration of the high-concentration p-
また、本実施形態では、高濃度n型半導体部1bが基板1の上面近傍の全域に形成され、高濃度p型半導体部2aが薄膜2の全域に形成されている場合について記載したが、高濃度n型半導体部1bと高濃度p型半導体部2aとは、発光素子の厚み方向に対して少なくとも一部が対向していればよく、基板1および薄膜2の一部のみに形成されていても構わない。より具体的には、発光素子200は、図3に示すように、前後方向から見て、高濃度n型半導体部1bが基板1の上面近傍中央部に形成され、高濃度p型半導体部2aが薄膜2の左右方向中央部全域に形成され、上下方向に対して、高濃度n型半導体部1bと高濃度p型半導体部2aとが対向するように形成されていても構わない。
In the present embodiment, the case where the high-concentration n-
また、本実施形態では、基板1にn型ドーパント濃度の高い高濃度n型半導体部1bとn型ドーパント濃度の低い低濃度n型半導体部1aとを有し、薄膜2に高濃度p型半導体部2aを有する場合について記載したが、n型ドーパントとp型ドーパントとが逆の構成であっても構わない。すなわち、発光素子は、基板にp型ドーパント濃度の高い高濃度p型半導体部とp型ドーパント濃度の低い低濃度p型半導体部とを有し、薄膜に高濃度n型半導体部を有する構成であっても構わない。
In the present embodiment, the
1 基板
1a 低濃度n型半導体部
1b 高濃度n型半導体部
2 薄膜
2a 高濃度p型半導体部
3 pn接合部
100 発光素子
200 発光素子
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記高濃度n型半導体部の表面に設けられた単結晶シリコンからなる薄膜の前記高濃度n型半導部に対応する部分に形成され、ピーク値が1×10 19 個/cm 3 以上1×10 21 個/cm 3 以下の濃度範囲でホウ素からなるp型ドーパントを打ち込むことによって拡散された高濃度p型半導体部と、
前記高濃度n型半導体部と前記高濃度p型半導体部との接合部に形成され、前記n型ドーパントおよび前記p型ドーパントが、前記高濃度n型半導体部を除く前記単結晶シリコン基板の前記n型ドーパント濃度よりも高い濃度範囲で拡散されたpn接合部と、
からなる発光素子であって、
前記高濃度n型半導体部の厚みは、1〜2μmであって、
前記高濃度n型半導体部を除く前記基板の厚みは、100〜700μmであって、
前記高濃度p型半導体部の厚みは、1〜2μmであることを特徴とする発光素子。 One substrate of single crystal silicon in which an n-type dopant consisting of one or more of arsenic and antimony is uniformly diffused in a concentration range of 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 16 / cm 3 or less High-concentration n-type formed in part or all of the surface side and having the n-type dopant diffused in a concentration range where the peak value is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 21 atoms / cm 3 or less A semiconductor part;
A thin film made of single crystal silicon provided on the surface of the high-concentration n-type semiconductor portion is formed in a portion corresponding to the high-concentration n-type semiconductor portion, and has a peak value of 1 × 10 19 pieces / cm 3 or more and 1 ×. A high-concentration p-type semiconductor portion diffused by implanting a p-type dopant made of boron at a concentration range of 10 21 / cm 3 or less ;
The n-type dopant and the p-type dopant are formed at a junction between the high-concentration n-type semiconductor portion and the high-concentration p-type semiconductor portion. a pn junction diffused in a concentration range higher than the n-type dopant concentration;
A light emitting device comprising :
The high-concentration n-type semiconductor part has a thickness of 1 to 2 μm,
The thickness of the substrate excluding the high-concentration n-type semiconductor portion is 100 to 700 μm,
The high-concentration p-type semiconductor part has a thickness of 1 to 2 μm .
前記高濃度p型半導体部の表面に設けられた単結晶シリコンからなる薄膜の前記高濃度p型半導部に対応する部分に形成され、ピーク値が1×10 19 個/cm 3 以上1×10 21 個/cm 3 以下の濃度範囲でヒ素およびアンチモンのうちの1以上からなるn型ドーパントが拡散された高濃度n型半導体部と、
前記高濃度p型半導体部と前記高濃度n型半導体部との接合部に形成され、前記p型ドーパントおよび前記n型ドーパントが、前記高濃度p型半導体部を除く前記単結晶シリコン基板の前記p型ドーパント濃度よりも高い濃度範囲で拡散されたpn接合部と、
からなる発光素子であって、
前記高濃度p型半導体部の厚みは、1〜2μmであって、
前記高濃度p型半導体部を除く前記基板の厚みは、100〜700μmであって、
前記高濃度n型半導体部の厚みは、1〜2μmであることを特徴とする発光素子。 Part or all of one surface side of a substrate made of single crystal silicon in which p-type dopants made of boron are uniformly diffused in a concentration range of 1 × 10 14 pieces / cm 3 or more and 1 × 10 16 pieces / cm 3 or less A high-concentration p-type semiconductor part formed by implanting the p-type dopant in a concentration range of 1 × 10 19 pieces / cm 3 to 1 × 10 21 pieces / cm 3 ,
A thin film made of single crystal silicon provided on the surface of the high-concentration p-type semiconductor portion is formed at a portion corresponding to the high-concentration p-type semiconductor portion, and has a peak value of 1 × 10 19 pieces / cm 3 or more and 1 ×. A high-concentration n-type semiconductor portion in which an n-type dopant composed of one or more of arsenic and antimony is diffused in a concentration range of 10 21 / cm 3 or less;
The p-type dopant and the n-type dopant are formed at a junction between the high-concentration p-type semiconductor portion and the high-concentration n-type semiconductor portion, and the single-crystal silicon substrate except the high-concentration p-type semiconductor portion a pn junction diffused in a concentration range higher than the p-type dopant concentration;
A light emitting device comprising:
The high-concentration p-type semiconductor part has a thickness of 1 to 2 μm,
The thickness of the substrate excluding the high-concentration p-type semiconductor portion is 100 to 700 μm,
The high-concentration n-type semiconductor part has a thickness of 1 to 2 μm .
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