JP6908367B2 - Infrared light emitting element - Google Patents

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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し、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。
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ことで、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。
An infrared light emitting diode (LED: Light Emitting Diode) forms a so-called pn junction diode structure in a semiconductor having a band gap capable of emitting infrared rays of a specific wavelength, and a forward current is passed through the pn junction diode to join the junction. In the depleted layer in the part, infrared rays are emitted by recombining electrons and holes.
Patent Document 1 states that in an infrared light emitting device composed of an n-type compound semiconductor layer and a p-type doped π layer, an n-type compound semiconductor layer and a π layer are formed between the n-type compound semiconductor layer and the π layer. It is also described that an n-type wide bandgap layer having a large bandgap is provided. As a result, the diffusion of holes generated by thermal excitation at room temperature in the n-type compound semiconductor layer in the π layer direction is suppressed, the dark current of the pn diode due to holes is reduced, and the holes are generated by thermal excitation on the π layer side. By suppressing the diffusion of the holes into the n-type compound semiconductor layer, an infrared light emitting device having a high diode resistance is realized in which the diffusion current of the pn diode is also reduced.

国際公開第2009/113685号パンフレットInternational Publication No. 2009/113685 Pamphlet

赤外線発光素子には、発光特性の向上と量産性の向上の両方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。
本発明の課題は、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子を提供することである。
The infrared light emitting device is required to have both improved light emitting characteristics and mass productivity, but the infrared light emitting device described in Patent Document 1 has room for improvement in this respect.
An object of the present invention is to provide an infrared light emitting device having improved both light emitting characteristics and mass productivity.

上記課題を解決するために、本発明の第一態様の赤外線発光素子は、基板と、基板上に形成されたn型コンタクト層と、AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなりn型コンタクト層上に形成されたn型バリア層と、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を主成分とする化合物半導体層からなりn型バリア層上に形成された活性層と、AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなり活性層上に形成されたp型バリア層と、を備える。 In order to solve the above problems, the infrared light emitting device of the first aspect of the present invention is composed of a substrate, an n-type contact layer formed on the substrate, and a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component, and is an n-type contact layer. An active layer formed on the n-type barrier layer composed of an n-type barrier layer formed above and a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) as a main component, and AlGaSb. It is provided with a p-type barrier layer formed on the active layer, which is composed of a compound semiconductor layer containing the above as a main component.

上記課題を解決するために、本発明の第二態様の赤外線発光素子は、基板と、基板上に形成されたp型コンタクト層と、AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなりp型コンタクト層上に形成されたp型バリア層と、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を主成分とする化合物半導体層からなりp型バリア層上に形成された活性層と、AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなり活性層上に形成されたn型バリア層と、を備える。 In order to solve the above problems, the infrared light emitting device of the second aspect of the present invention is composed of a substrate, a p-type contact layer formed on the substrate, and a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component, and is a p-type contact layer. An active layer formed on the p-type barrier layer composed of a p-type barrier layer formed above and a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) as a main component, and AlInAsSb. It is provided with an n-type barrier layer formed on the active layer, which is composed of a compound semiconductor layer containing the above as a main component.

なお、「○○を主成分とする化合物半導体層」とは「ドーパントおよび成膜時に不可避的に混在する不純物以外には、実質的に○○からなる化合物半導体層」を意味する。 The "compound semiconductor layer containing XX as a main component" means "a compound semiconductor layer substantially composed of XX, except for dopants and impurities inevitably mixed during film formation".

本発明の第一態様および第二態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。 According to the first aspect and the second aspect of the present invention, an infrared light emitting device having improved both light emitting characteristics and mass productivity 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 light emitting element of the 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 light emitting element of the 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 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 light emitting element of 2nd Embodiment.

〔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型バリア層3と、n型バリア層3のn型コンタクト層2とは反対側の面(n型バリア層上)に形成された活性層4と、活性層4のn型バリア層3とは反対側の面(活性層上)に形成されたp型バリア層5と、を備えている。n型バリア層3は、AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなる。活性層4は、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を主成分とする化合物半導体層からなる。p型バリア層5は、AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなる。
[First aspect]
<Structure>
As shown in FIG. 1, the infrared light emitting element of the first aspect includes the substrate 1, the n-type contact layer 2 formed on one surface (on the substrate) of the substrate 1, and the substrate of the n-type contact layer 2. The n-type barrier layer 3 formed on the opposite surface (on the n-type contact layer) and the n-type barrier layer 3 formed on the opposite surface (on the n-type barrier layer) to the n-type contact layer 2. It includes an active layer 4 and a p-type barrier layer 5 formed on a surface (on the active layer) opposite to the n-type barrier layer 3 of the active layer 4. The n-type barrier layer 3 is composed of a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component. The active layer 4 is composed of a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) as a main component. The p-type barrier layer 5 is composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component.

<作用、効果>
第一態様の赤外線発光素子によれば、AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなるp型バリア層と、AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなるn型バリア層と、を備えることで、活性層とp型バリア層との伝導体のバンドオフセット、活性層とn型バリア層との価電子帯のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
さらに、p型バリア層の材料としてAlGaSbを主成分とする化合物半導体を、n型バリア層の材料としてAlInAsSbを主成分とする化合物半導体を用いることで、n型ドーパントおよびp型ドーパントの両方としてSiが使用可能となる。Siは、蒸気圧が低いため制御性が容易であるとともに、毒性のないIV族元素である。
これにより、第一態様の赤外線発光素子は、バリア層によるバリア機能が向上しているとともに、各層を形成する際のドーパント制御性に優れている。つまり、本発明の第一態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。
<Action, effect>
According to the infrared light emitting device of the first aspect, the p-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component and the n-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component are provided. The band offset of the conductor between the active layer and the p-type barrier layer and the band offset of the valence band between the active layer and the n-type barrier layer can be sufficiently increased.
Further, by using a compound semiconductor containing AlGaSb as a main component as the material of the p-type barrier layer and a compound semiconductor containing AlInAsSb as the main component as the material of the n-type barrier layer, Si is used as both the n-type dopant and the p-type dopant. Becomes available. Si is a non-toxic Group IV element that is easy to control due to its low vapor pressure.
As a result, the infrared light emitting device of the first aspect has an improved barrier function due to the barrier layer and is excellent in dopant controllability when forming each layer. That is, according to the first aspect of the present invention, an infrared light emitting device having improved both light emitting characteristics and mass productivity can be obtained.

<好ましい形態>
第一態様の赤外線発光素子において、n型コンタクト層が含むn型ドーパント、n型バリア層が含むn型ドーパント、およびp型バリア層が含むp型ドーパントは、Siであることが好ましい。
第一態様の赤外線発光素子は、基板がGaAs基板であり、AlGaSbを主成分とする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。
第一態様の赤外線発光素子は、GaSbまたはGaInSbを主成分とする化合物半導体層からなりp型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。p型コンタクト層が含むp型ドーパントはSiであることが好ましい。
<Preferable form>
In the infrared light emitting device of the first aspect, the n-type dopant contained in the n-type contact layer, the n-type dopant contained in the n-type barrier layer, and the p-type dopant contained in the p-type barrier layer are preferably Si.
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 made of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component and formed between the substrate and the n-type contact layer.
The infrared light emitting device of the first aspect preferably further includes a p-type contact layer formed on a p-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing GaSb or GaInSb as a main component. The p-type dopant contained in the p-type contact layer is preferably Si.

〔第二態様〕
<構成>
図2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p型バリア層5と、p型バリア層5のp型コンタクト層6とは反対側の面(p型バリア層上)に形成された活性層4と、活性層4のp型バリア層5とは反対側の面(活性層上)に形成されたn型バリア層3と、を備えている。n型バリア層3は、AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなる。活性層4は、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を主成分とする化合物半導体層からなる。p型バリア層5は、AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなる。
[Second aspect]
<Structure>
As shown in FIG. 2, the infrared light emitting element of the first aspect includes the substrate 1, the p-type contact layer 6 formed on one surface (on the substrate) of the substrate 1, and the substrate of the p-type contact layer 6. The p-type barrier layer 5 formed on the opposite surface (on the p-type contact layer) and the p-type barrier layer 5 formed on the opposite surface (on the p-type barrier layer) to the p-type contact layer 6. It includes an active layer 4 and an n-type barrier layer 3 formed on a surface (on the active layer) opposite to the p-type barrier layer 5 of the active layer 4. The n-type barrier layer 3 is composed of a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component. The active layer 4 is composed of a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) as a main component. The p-type barrier layer 5 is composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component.

<作用、効果>
第二態様の赤外線発光素子によれば、AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなるp型バリア層と、AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなるn型バリア層と、を備えることで、活性層とp型バリア層との伝導体のバンドオフセット、活性層とn型バリア層との価電子帯のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
さらに、p型バリア層の材料としてAlGaSbを主成分とする化合物半導体を、n型バリア層の材料としてAlInAsSbを主成分とする化合物半導体を用いることで、n型ドーパントおよびp型ドーパントの両方としてSiが使用可能となる。Siは、蒸気圧が低いため制御性が容易であるとともに、毒性のないIV族元素である。
これにより、第二態様の赤外線発光素子は、バリア層によるバリア機能が向上しているとともに、各層を形成する際のドーパント制御性に優れている。つまり、本発明の第二態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。
<Action, effect>
According to the infrared light emitting device of the second aspect, a p-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component and an n-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component are provided. The band offset of the conductor between the active layer and the p-type barrier layer and the band offset of the valence band between the active layer and the n-type barrier layer can be sufficiently increased.
Further, by using a compound semiconductor containing AlGaSb as a main component as the material of the p-type barrier layer and a compound semiconductor containing AlInAsSb as the main component as the material of the n-type barrier layer, Si is used as both the n-type dopant and the p-type dopant. Becomes available. Si is a non-toxic Group IV element that is easy to control due to its low vapor pressure.
As a result, the infrared light emitting device of the second aspect has an improved barrier function due to the barrier layer and is excellent in dopant controllability when forming each layer. That is, according to the second aspect of the present invention, an infrared light emitting device having improved both light emitting characteristics and mass productivity can be obtained.

<好ましい形態>
第二態様の赤外線発光素子において、p型コンタクト層が含むp型ドーパント、p型バリア層が含むp型ドーパント、n型バリア層が含むn型ドーパントは、Siであることが好ましい。
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を主成分とする化合物半導体層からなることが好ましい。
第二態様の赤外線発光素子は、InAsSbを主成分とする化合物半導体層からなりn型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。n型コンタクト層のn型ドーパントはSiであることが好ましい。
<Preferable form>
In the infrared light emitting device of the second aspect, the p-type dopant contained in the p-type contact layer, the p-type dopant contained in the p-type barrier layer, and the n-type dopant contained in the n-type barrier layer are preferably Si.
In the infrared light emitting device of the second aspect, it is preferable that the substrate is a GaAs substrate and the p-type contact layer is a compound semiconductor layer containing GaSb as a main component.
The infrared light emitting device of the second aspect preferably further includes an n-type contact layer formed on an n-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing InAsSb as a main component. The n-type dopant in the n-type contact layer is preferably Si.

〔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。p型バリア層は、活性層との伝導帯のバンドオフセットが十分大きいことが好ましい。n型バリア層は、活性層との価電子帯のバンドオフセット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p型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 aspects]
<Background to knowledge>
The barrier layer plays an important role in realizing an infrared light emitting device having good characteristics. The barrier layer is a layer formed in contact with the active layer and has a function of preventing diffusion current. The p-type barrier layer preferably has a sufficiently large band offset of the conduction band with the active layer. The n-type barrier layer preferably has a sufficiently large band offset of the valence band from the active layer. Since the diffusion length of electrons is longer than that of holes, it is preferable that the thickness of the barrier layer is sufficiently thick, especially in the p-type 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やGaを一定量加え、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、価電子帯のバンドオフセットを大きく稼ぐ場合が多い。
しかしながら、バリア層のAlや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り、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p型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を大きくとれる材料を選択することが重要である。
As the material of the barrier layer, it is conceivable to select a material having a bandgap larger than that of the active layer. However, by adding a certain amount of Al or Ga to the material of the active layer and increasing the mixed crystal composition, the bandgap, In many cases, the band offset of the conduction band and the band offset of the valence band are greatly earned.
However, the larger the mixed crystal composition of Al and Ga in the barrier layer, the larger the lattice mismatch with the active layer tends to be, and as a result, the critical film thickness of the barrier layer becomes smaller. The problem arises that the barrier layer cannot be formed. That is, especially in the p-type 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 of the conduction band.

第一態様および第二態様の赤外線発光素子では、AlGaSbをp型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を大きくとることができる。また、AlGaSbは活性層の材料であるInAsSbとの格子定数が近いため、p型バリア層の膜厚を大きくすることが可能となる。また、n型バリア層の材料としてAlInAsSb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。 In the infrared light emitting devices of the first aspect and the second aspect, by using AlGaSb as the material of the p-type barrier layer, the band offset of the conduction band with the active layer can be made large. Further, since AlGaSb has a lattice constant close to that of InAsSb, which is the material of the active layer, it is possible to increase the film thickness of the p-type barrier layer. Further, by using AlInAsSb as the material of the n-type barrier layer, it is possible to increase the band offset of the valence band with the active layer. This makes it possible to enhance the function of preventing the diffusion current and improve the characteristics of the infrared light emitting element.

p型バリア層の形成時に使用されるp型ドーパントとしては、Be、Zn、Cd、C、Mg、Geなどが一般的である。特に、Znは、活性化率が高く、毒性も低いため、好んで用いられる。しかし、Znは、蒸気圧が高く制御が困難であることや、チャンバ内に残留するなどの懸念がある。また、n型ドーパントとp型ドーパントを同じにできれば、量産性の向上にもつながる。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子では、n型バリア層の材料としてAlInAsSbを用い、p型バリア層の材料としてAlGaSbを用いたことにより、n型バリア層とp型バリア層の両方において、ドーパントとしてSiを用いることができる。Siは制御性の良いドーパントであるため、各化合物半導体層を所望のドーピング濃度で形成することが容易になる。さらに、単一のドーパントでn型バリア層およびp型バリア層の両方のドーピングが可能となるため、量産性にも優れる。
As the p-type dopant used when forming the p-type barrier layer, Be, Zn, Cd, C, Mg, Ge and the like are generally used. In particular, Zn is preferably used because it has a high activation rate and low toxicity. However, there are concerns that Zn has a high vapor pressure and is difficult to control, and remains in the chamber. Further, if the n-type dopant and the p-type dopant can be made the same, the mass productivity will be improved.
In the infrared light emitting device of the first aspect and the second aspect, AlInAsSb was used as the material of the n-type barrier layer, and AlGaSb was used as the material of the p-type barrier layer. , Si can be used as the dopant. Since Si is a highly controllable dopant, it becomes easy to form each compound semiconductor layer at a desired doping concentration. Further, since both the n-type barrier layer and the p-type barrier layer can be doped with a single dopant, the mass productivity is also excellent.

<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が、この工程は、例えば、分子線エピタキシー(MBE)法や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。
<Manufacturing method>
The infrared light emitting devices of the first aspect and the second aspect are manufactured through a step of forming each layer on a substrate, and this step is, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method or an organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE). It can be done by law.

<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型バリア層及び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。
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。
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を駆動するための集積回路部とを、同一パッケージ内にハイブリッドに形成しても良い。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。
<Additional configuration>
The infrared light emitting device of the first aspect and the second aspect may further include an electrode formed on the n-type barrier layer and the p-type contact layer, and a passivation film.
A plurality of infrared light emitting elements of the first aspect and the second aspect may be formed on a substrate and electrically connected in series. With such a structure, it is possible to add the outputs of a single infrared light emitting element, and the output can be dramatically improved.
Further, the infrared light emitting element of the first aspect or the second aspect and the integrated circuit unit for driving the infrared light emitting element may be formed in a hybrid manner in the same package. The electrical connection method between the infrared light emitting element and the integrated circuit unit is not particularly limited. The package is not particularly limited as long as it is a material having 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やアクセプタ不純物によって、n型やp型にドーピングされていても良い。
単結晶基板の面方位は、特に制限はないが、(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°傾けた面方位を用いることもできる。
<Details of each configuration>
(substrate)
The substrate is not particularly limited as long as it can grow a compound semiconductor layer on it, and a GaAs substrate, a single crystal substrate such as a Si substrate, or the like is preferable. Further, those single crystal substrates may be doped into n-type or p-type by donor impurities or acceptor impurities.
The plane orientation of the single crystal substrate is not particularly limited, but (100), (111), (110) and the like are preferable. It is also possible to use a plane orientation tilted by 1 ° to 5 ° with respect to these plane orientations.

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。
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好ましい。このような基板の材料としては、半絶縁性のSiやGaAs等が好ましい。
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を、基板として使用しても良い。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。
When a plurality of infrared light emitting elements formed on the surface of the substrate are connected in series by electrodes, it is preferable that each infrared light emitting element is insulated and separated in a portion other than the electrodes. Therefore, as the substrate, it is preferable to use a semi-insulating substrate or a substrate capable of insulatingly separating the laminate of each layer formed on the substrate and the substrate.
Further, by using a material that transmits infrared rays as the substrate, infrared rays can be taken out from the back surface side of the substrate. In this case, infrared light is not blocked by the electrodes, which is preferable. As the material of such a substrate, semi-insulating Si, GaAs, or the like is preferable.
For the purpose of flattening and cleaning the surface of the substrate as is usually performed, a semiconductor layer made of the same material as the substrate may be formed on the substrate and used as the substrate. The use of a GaAs layer formed on a GaAs substrate as a substrate is the most typical example of this.

(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。
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をさらに備えてもよい。
(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 the crystallinity formed on the buffer layer. Thereby, an active layer having good crystallinity (less defects) can be obtained.
Further, 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からなる単層でも良いし、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型コンタクト層や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を用いても良い。 Examples of the buffer layer material 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 may be a multilayer in which a plurality of layers are laminated. Further, a graded buffer layer formed so as to bring the lattice constant closer to the composition of the layer (n-type contact layer or p-type contact layer) formed on the lattice constant while continuously or stepwise changing the composition of the material. May be used.

GaSb単層膜及び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。
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が、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。
The GaSb monolayer film and the AlGaSb monolayer film can (a) easily form a film having good crystallinity, (b) can bring the lattice mismatch with the active layer containing InAsSb close to zero, (c). A single-layer film is preferable as a material for a buffer layer from the viewpoint that the film thickness can be thinner than that of a graded layer or the like and the formation time can be shortened.
When the buffer layer is an AlGaSb monolayer film, the electrical resistance tends to increase but the crystallinity tends to deteriorate as the Al composition ratio y of Al y Ga (1-y) Sb (0 ≦ y ≦ 1) increases. 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, oxidative corrosion is likely to occur. Therefore, from the viewpoint of easiness of oxidation and corrosion, the Al composition ratio y is set to 0. It is preferably 0.8 or more and 0.8 or less.

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。
第一態様の赤外線発光素子の好ましい形態である「基板がGaAs基板であり、基板とn型コンタクト層の間に、AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなるバッファ層をさらに備える構成」では、AlGaSbをバッファ層の材料として用い、上述のようにAl組成比を大きくしてバッファ層の電気抵抗を高くすることで、バッファ層がノンドープで絶縁層として機能する。これにより、バッファ層はPIN構造に寄与しない層とすることができるため好ましい。
Further, since the GaSb monolayer film can be formed into a film having better crystallinity than the AlGaSb monolayer film, it is more preferable to use the GaSb monolayer film from the viewpoint of obtaining good crystallinity.
In the preferred embodiment of the infrared light emitting device of the first aspect, "a configuration in which the substrate is a GaAs substrate and a buffer layer composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component is further provided between the substrate and the n-type contact layer". By using AlGaSb as a material for the buffer layer and increasing the Al composition ratio as described above to increase the electrical resistance of the buffer layer, the buffer layer functions as a non-doped insulating layer. This is preferable because the buffer layer can be a layer that does not contribute to the PIN structure.

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。
GaSb単層膜及びAlGaSb単層膜をバッファ層として用いる場合、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。
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型コンタクト層を形成しても良いし、n型にドープしたGaSb、AlGaSbの単層膜をそのままn型コンタクト層として兼用しても良い。
If the film thickness of the buffer layer is too thin, the effect of improving the crystallinity of the active layer will be lost, and if it is too thick, it will take time to form and the mesa etching process for element separation will be difficult. Is preferable.
When the GaSb monolayer film and the AlGaSb monolayer film are used as the buffer layer, they may be non-doped, or may be doped into n-type or p-type.
When the n-type contact layer is formed on the buffer layer, the n-type contact layer may be formed on the non-doped GaSb or AlGaSb monolayer film, or the n-type doped GaSb or AlGaSb monolayer film may be formed as it is. It may also be used as an n-type contact layer.

但し、GaSbやAlGaSbの単層膜をn型化するためには、蒸気圧が低いSiやSnなどのIV族元素は、p型ドーパントとして働くため用いることはできず、蒸気圧が高く、毒性もあるVI族元素であるTeなどを用いなければならない。Teなどを用いる場合には、蒸気圧が高いためその制御が難しい、或いは成膜装置のチャンバ汚染などの懸念がある。
すなわち、バッファ層上にn型コンタクト層を形成する場合には、ノンドープのGaSbやAlGaSbの単層膜をバッファ層として用いることが好ましい。
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。
However, in order to form an n-type monolayer film of GaSb or AlGaSb, Group IV elements such as Si and Sn, which have a low vapor pressure, cannot be used because they act as p-type dopants, and have a high vapor pressure and are toxic. Some VI elements such as Te must be used. When Te or the like is used, it is difficult to control it because the vapor pressure is high, or there is a concern that the chamber of the film forming apparatus may be contaminated.
That is, when forming an n-type contact layer on the buffer layer, it is preferable to use a non-doped GaSb or AlGaSb monolayer film as the buffer layer.
On the other hand, when the p-type contact layer is formed on the buffer layer, the p-type doped GaSb and AlGaSb monolayer films may be used as they are as the p-type contact layer. Regarding the p-type formation of the monolayer film of GaSb and AlGaSb, 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。
(N-type contact layer)
The n-type contact layer functions as a contact layer with an 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.
Since the sheet resistance of the n-type contact layer causes Johnson noise, which is thermal noise, the sheet resistance should be as small as possible. The n-type contact layer needs to be adequately 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。
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。
As the material of the n-type contact layer, (d) Si, which has a lattice constant close to that of InAsSb forming the active layer, (e) has a low vapor pressure, and 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 the sheet resistance can be reduced. It is more preferable to use InAsSb, which is the same material as the active layer, because the lattice constants can be completely matched.
The film 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 the mesa etching process for element separation becomes difficult. Therefore, the film thickness of the n-type contact layer is preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less as a preferable range.

(n型バリア層)
第一態様および第二態様赤外線発光素子のn型バリア層は、AlInAsSbを主成分とする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。InAsSbからなる活性層に対してバンドギャップの大きいAlInAsSbをn型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が大きく取れる。
活性層とn型バリア層の格子定数が異なる場合、n型バリア層の膜厚が臨界膜厚を超えると、n型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。n型バリア層の膜厚を厚くするという観点からは、活性層とn型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。
(N-type barrier layer)
The n-type barrier layer of the first aspect and the second aspect infrared light emitting device is composed of a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component, and has a function of preventing a diffusion current from the active layer. By using AlInAsSb, which has a large band gap with respect to the active layer made of InAsSb, as the n-type barrier layer, a large band offset of the valence band can be obtained.
When the lattice constants of the active layer and the n-type barrier layer are different, if the film thickness of the n-type barrier layer exceeds the critical film thickness, the crystallinity of the n-type barrier layer deteriorates. 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 film thickness of the n-type barrier layer, it is preferable that the difference between the lattice constants of the active layer and the n-type barrier layer is as small as possible.

また、n型バリア層は、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、n型バリア層は十分なドーピングがなされている必要があり、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。
n型バリア層の材料としてAlInAsSbを用いることで、InAsSbからなる活性層とn型バリア層との格子定数が近くなるとともに、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n型ドーパントとして用いることができる。
In addition, the n-type 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 n-type barrier layer needs to be sufficiently doped, and 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.
By using AlInAsSb as the material of the n-type barrier layer, the lattice constants of the active layer made of InAsSb and the n-type barrier layer become close to each other, the vapor pressure is low, and Si, which is the most commonly used Group IV element, can be obtained. It can be used as an n-type dopant.

この場合、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、n型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0.5以下が好ましい。
n型バリア層の膜厚は、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は必要となる。このため、n型バリア層の膜厚は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、n型バリア層の膜厚の上限については、活性層とn型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。
In this case, 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 difference in lattice constant from the active layer containing InAsSb becomes large. Since the critical film thickness of the n-type barrier layer becomes small, it becomes impossible to secure a sufficient film thickness as the n-type barrier layer. Therefore, the Al composition ratio of AlInAsSb is preferably 0.1 or more and 0.5 or less.
The film thickness of the n-type barrier layer should be as thin as possible in order to reduce the resistance of the infrared light emitting element, but the film thickness must be such that tunnel leakage does not occur between the electrode and the active layer. Therefore, the film thickness of the n-type 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 n-type barrier layer is limited by the critical film thickness determined by the difference between the lattice constants of the active layer and the n-type barrier layer.

(活性層)
第一態様および第二態様赤外線発光素子の活性層はInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)からなる。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。
活性層の膜厚は、発光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。
(Active layer)
The active layer of the first aspect and the second aspect infrared light emitting device is composed of 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, it is possible to control the peak wavelength of infrared emission over a wide range of 3 μm to 10 μm. When AlGaSb and GaSb are used as the buffer layer, better crystals 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 or less. preferable.
The thickness of the active layer is preferably thick in order to increase the amount of light emission, but if it is too thick, it takes time to form and the mesa etching process for element separation becomes difficult. Therefore, the film thickness is 0.5 μm or more and 3 μm or less. preferable.

活性層はノンドープのものでも良いし、n型や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、拡散電流の増大や、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。
InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)からなる活性層の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。
The active layer may be non-doped, or may be n-type or p-type doped. Since InAsSb has a very small bandgap, the intrinsic carrier density is very large. This leads to an increase in diffusion current and a facilitation of the Auger recombination process. These effects can be reduced by doping the active layer to p-type. The amount of doping is set as appropriate.
As the p-type dopant of the active layer composed of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1), Be, Zn, Cd, C, Mg, Ge and the like are generally preferably used, but Zn is preferably used. It is more preferably used because it has a high activation rate and low toxicity.

(p型バリア層)
第一態様および第二態様赤外線発光素子のp型バリア層は、AlGaSb主成分とする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。InAsSbからなる活性層に対してバンドギャップの大きいAlGaSbをp型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が大きく取れる。
また、p型バリア層は、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、p型バリア層は十分なドーピングがなされている必要があり、ドーピング濃度は1×1018/cm3以上であることが好ましい。
(P-type barrier layer)
The p-type barrier layer of the first aspect and the second aspect infrared light emitting device is composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component, and has a function of preventing diffusion current from the active layer. By using AlGaSb, which has a large band gap with respect to the active layer made of InAsSb, as the material of the p-type barrier layer, a large band offset of the conduction band can be obtained.
In addition, the p-type 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. Therefore, the p-type barrier layer needs to be sufficiently doped, and the doping concentration is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more.

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。Siは、一般的にはn型ドーパントとして知られているが、AlGaSbに対してはp型ドーパントとして用いることができる。
p型バリア層の材料としてAlGaSbを用いることで、InAsSbからなる活性層とp型バリア層との格子定数が近くなるとともに、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p型ドーパントとして用いることができ、さらに、伝導帯のバンドオフセットを大きくできる。
Examples of the p-type dopant include Be, Zn, Cd, C, Mg, and Ge. Si is generally known as an n-type dopant, but can be used as a p-type dopant for AlGaSb.
By using AlGaSb as the material of the p-type barrier layer, the lattice constants of the active layer made of InAsSb and the p-type barrier layer become close to each other, the vapor pressure is low, and Si, which is the most commonly used Group IV element, can be obtained. It can be used as a p-type dopant, and the band offset of the conduction band can be increased.

活性層をなすInAsSbとの格子定数の差が十分小さいため、p型バリア層のAlGaSbのAl組成比は臨界膜厚によって制約されないが、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0.8以下が好ましい。
p型バリア層の膜厚は、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、p型バリア層の膜厚は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、p型バリア層の膜厚の上限については、活性層とn型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。
Since the difference in lattice constant from InAsSb forming the active layer is sufficiently small, the Al composition ratio of AlGaSb in the p-type barrier layer is not restricted by the critical film thickness, but if the Al composition ratio is too large, there is a concern about oxidation and corrosion. Therefore, the Al composition ratio is preferably 0 or more and 0.8 or less.
The film thickness of the p-type barrier layer should be as thin as possible in order to reduce the element resistance of the light emitting element, but the film thickness must be such that tunnel leakage does not occur between the electrode and the active layer. Therefore, the film thickness of the p-type 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 p-type barrier layer is limited by the critical film thickness determined by the difference between the lattice constants of the active layer and the n-type 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。
(P-type contact layer)
The p-type contact layer functions as a contact layer with an 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.
Since the sheet resistance of the p-type contact layer causes Johnson noise, which is thermal noise, the sheet resistance should be as small as possible. The p-type contact layer needs to be adequately doped to reduce 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、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。
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。
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。
As a material for the p-type contact layer, (d) Si, which has a lattice constant close to that of InAsSb forming the active layer, (e) has a low vapor pressure, and is the most commonly used Group IV element, can be used as a dopant. , (F) AlGaSb and GaSb are preferable from the viewpoint that the sheet resistance can be reduced. It is preferable that the material of the p-type contact layer is GaSb because the sheet resistance can be made smaller than that of AlGaSb.
Further, since lattice matching with InAsSb is possible by controlling the In composition, it is also preferable to use GaInSb as a material for the p-type contact layer.
The film thickness of 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 the mesa etching process for element separation becomes difficult. Therefore, the film thickness of the p-type contact layer is preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less as a preferable range.

(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)又はシリコン酸化窒化膜(SiON)などが挙げられる。
(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、Au/TiやAu/Cr等の積層膜(上層/下層)などが挙げられる。
(Passivation membrane)
The passivation film is not particularly limited as long as it is an insulating film. Examples of the material of the passivation film include a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon oxide film (SiO 2 ), and a silicon oxide nitride film (SiO N).
(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 (upper layer / lower layer) such as Au / Ti and 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。
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。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the embodiments shown below. In the embodiments shown below, technically preferable limitations are made for carrying out the present invention, but this limitation is not an essential requirement of the present invention.
In the drawings used in the following description, the dimensional relationship of each part shown may differ from the actual dimensional relationship.

<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型バリア層3と、活性層4と、p型バリア層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。
基板1上に、バッファ層7、n型コンタクト層2、n型バリア層3、活性層4、p型バリア層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型バリア層3、活性層4、p型バリア層5、およびp型コンタクト層6からなる化合物半導体積層体が、基板1上に形成されている。
<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 barrier layer 3, an active layer 4, and a p-type barrier layer 5. A p-type contact layer 6, an n-type electrode 8, a p-type electrode 9, and a passivation film 10 are provided.
A buffer layer 7, an n-type contact layer 2, an n-type barrier layer 3, an active layer 4, a p-type barrier layer 5, and a p-type contact layer 6 are formed on the substrate 1 in this order. That is, a compound semiconductor laminate composed of a buffer layer 7, an n-type contact layer 2, an n-type barrier layer 3, an active layer 4, a p-type barrier layer 5, and a p-type contact layer 6 is formed on the substrate 1. ..

バッファ層7およびn型コンタクト層2の幅は、n型バリア層3、活性層4、p型バリア層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型バリア層3との間に段差を有する。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。
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 width of the buffer layer 7 and the n-type contact layer 2 is larger than the width of the n-type barrier layer 3, the active layer 4, the p-type barrier layer 5, and the p-type contact layer 6. That is, there is a step between the n-type contact layer 2 and the n-type barrier layer 3. The n-type electrode 8 is formed on the upper surface of the n-type contact layer 2 generated by this step, and the p-type electrode 9 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 6.
The passivation film 10 covers the upper surface of the substrate 1, the side surfaces and the upper surface of the compound semiconductor laminate. The 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からなる。バッファ層7はAlGaSbからなる。n型コンタクト層2はSi(n型ドーパント)を含むInAsSbからなる。n型バリア層3はSi(n型ドーパント)を含むAlInAsSbからなる。活性層4はInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)からなる。p型バリア層5はSi(p型ドーパント)を含むAlGaSbからなる。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からなる。n型電極8はAu/Tiからなる。p型電極9はAu/Tiからなる。パッシベーション膜10はシリコン窒化物からなる。 The substrate 1 is made of GaAs. The buffer layer 7 is made of AlGaSb. The n-type contact layer 2 is made of InAsSb containing Si (n-type dopant). The n-type barrier layer 3 is made of AlInAsSb containing Si (n-type dopant). The active layer 4 is composed of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). The p-type barrier layer 5 is made of AlGaSb containing Si (p-type dopant). The p-type contact layer 6 is made of GaSb or GaInSb containing Si (p-type dopant). The n-type electrode 8 is made of Au / Ti. The p-type electrode 9 is made of Au / Ti. The passivation film 10 is made of silicon nitride.

(作用、効果)
第一実施形態の赤外線発光素子によれば、Siを含むAlGaSbからなるp型バリア層5を備えることで、活性層4とp型バリア層5との伝導体のバンドオフセットを十分大きくすることができる。また、AlGaSbからなるバッファ層7を有することで、InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)からなる活性層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からなるため、n型コンタクト層2と活性層4の格子定数が一致する。
(Action, effect)
According to the infrared light emitting device of the first embodiment, by providing the p-type barrier layer 5 made of AlGaSb containing Si, the band offset of the conductor between the active layer 4 and the p-type barrier layer 5 can be sufficiently increased. can. Further, by having the buffer layer 7 made of AlGaSb, the crystallinity of the active layer 4 made of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) is improved. Further, since the n-type contact layer 2 is made of 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からなるため、価電子帯のバンドオフセットが大きく取れる。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からなる。
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。
また、第一実施形態の赤外線発光素子は、n型ドーパントおよびp型ドーパントの両方として制御性なSiを使用しているため、量産性にも優れている。
Further, since the n-type barrier layer 3 is composed of AlInAsSb having a large bandgap energy with respect to InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4, a large band offset of the valence band can be obtained. Further, the p-type contact layer 6 is composed of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4 and GaSb having a lattice constant close to that of the active layer 4.
From the above, according to the infrared light emitting device of the first embodiment, good light emitting characteristics can be obtained.
Further, since the infrared light emitting device of the first embodiment uses controllable Si as both the n-type dopant and the p-type dopant, it is also excellent in mass productivity.

(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型バリア層3、活性層4、p型バリア層5、およびp型コンタクト層6を形成する。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型バリア層3、活性層4、p型バリア層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を行う。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, a buffer layer 7, an n-type contact layer 2, an n-type barrier layer 3, an active layer 4, a p-type barrier layer 5, and an MBE (molecular beam epitaxy) method are used on the upper surface of a GaAs wafer (base 1). The p-type contact layer 6 is formed. Next, the n-type barrier layer 3, the active layer 4, the p-type barrier layer 5, and the p-type contact layer 6 are partially removed for each element by wet etching with an acid or an ion milling method, and n A step is formed to make contact between the mold contact layer 2 and the n-type electrode 8. As a result, a plurality of compound semiconductor laminates 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を行う。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。
次に、シリコン窒化物からなるパッシベーション膜10により、基板1の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆う。
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を形成する。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電極を形成する。
Next, mesa etching for element separation is performed on a plurality of compound semiconductor laminates having steps. Here, the n-type contact layer and the buffer layer appearing at the bottom of the step are sequentially and partially removed. As a result, the upper surface of the substrate 1 is exposed in the element separation region.
Next, the passivation film 10 made of silicon nitride covers the upper surface of the substrate 1 and the upper surface and side surfaces of the element-separated compound semiconductor laminate.
Next, the portion of the passivation film 10 that forms the n-type electrode 8 and the p-type electrode 9 is etched to form a through hole. Next, the 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、p型バリア層5と、活性層4と、n型バリア層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。
基板1上に、p型コンタクト層6と、p型バリア層5と、活性層4と、n型バリア層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、p型バリア層5と、活性層4と、n型バリア層3と、およびn型コンタクト層2からなる化合物半導体積層体が、基板1上に形成されている。
<Second embodiment>
(Constitution)
As shown in FIG. 4, the infrared light emitting element of the second embodiment includes a substrate 1, a p-type contact layer 6, a p-type barrier layer 5, an active layer 4, an n-type barrier layer 3, and an n-type contact. It includes a layer 2, an n-type electrode 8, a p-type electrode 9, and a passivation film 10.
A p-type contact layer 6, a p-type barrier layer 5, an active layer 4, an n-type barrier layer 3, and an n-type contact layer 2 are formed on the substrate 1 in this order. That is, a compound semiconductor laminate composed of a p-type contact layer 6, a p-type barrier layer 5, an active layer 4, an n-type barrier layer 3, and an n-type contact layer 2 is formed on the substrate 1. ..

p型コンタクト層6の幅は、p型バリア層5と、活性層4と、n型バリア層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p型バリア層5との間に段差を有する。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。
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 width of the p-type contact layer 6 is larger than the width of the p-type barrier layer 5, the active layer 4, the n-type barrier layer 3, and the n-type contact layer 2. That is, there is a step between the p-type contact layer 6 and the p-type barrier layer 5. The p-type electrode 9 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 6 generated by this step, and the n-type electrode 8 is formed on the upper surface of the n-type contact layer 2.
The passivation film 10 covers the upper surface of the substrate 1, the side surfaces and the upper surface of the compound semiconductor laminate. The 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からなる。n型コンタクト層2はSi(n型ドーパント)を含むInAsSbまたはInAsからなる。n型バリア層3はSi(n型ドーパント)を含むAlInAsSbまたはInAsからなる。活性層4はInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)からなる。p型バリア層5はSi(p型ドーパント)を含むAlGaSbからなる。p型コンタクト層6はSi(p型ドーパント)を含むGaSbからなる。n型電極8はAu/Tiからなる。p型電極9はAu/Tiからなる。パッシベーション膜10はシリコン窒化物からなる。 The substrate 1 is made of GaAs. The n-type contact layer 2 is made of InAsSb or InAs containing Si (n-type dopant). The n-type barrier layer 3 is made of AlInAsSb or InAs containing Si (n-type dopant). The active layer 4 is composed of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1). The p-type barrier layer 5 is made of AlGaSb containing Si (p-type dopant). The p-type contact layer 6 is made of GaSb containing Si (p-type dopant). The n-type electrode 8 is made of Au / Ti. The p-type electrode 9 is made of Au / Ti. The passivation film 10 is made of silicon nitride.

(作用、効果)
第二実施形態の赤外線発光素子によれば、Siを含むAlGaSbからなるp型バリア層5を備えることで、活性層4とp型バリア層5との伝導体のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
また、n型コンタクト層2が活性層4と同じInAsSbまたはInAsからなるため、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またはAlInAsからなるため、価電子帯のバンドオフセットが大きく取れる。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からなることで、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。
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。
また、第二実施形態の赤外線発光素子は、n型ドーパントおよびp型ドーパントの両方として制御性なSiを使用しているため、量産性にも優れている。
(Action, effect)
According to the infrared light emitting device of the second embodiment, by providing the p-type barrier layer 5 made of AlGaSb containing Si, the band offset of the conductor between the active layer 4 and the p-type barrier layer 5 can be sufficiently increased. can.
Further, since the n-type contact layer 2 is composed of the same InAsSb or InAs as the active layer 4, the lattice constants of the n-type contact layer 2 and the active layer 4 match. Further, since the n-type barrier layer 3 is composed of AlInAsSb or AlInAs having a large bandgap energy with respect to InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4, the band offset of the valence band is large. I can take it. Further, the p-type contact layer 6 is composed of InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) forming the active layer 4 and GaSb having a lattice constant close to each other, so that the InAs x Sb (1) forming the active layer 4 is formed. -x) The crystallinity of (0 ≦ x ≦ 1) can be improved.
From the above, according to the infrared light emitting device of the second embodiment, good light emitting characteristics can be obtained.
Further, since the infrared light emitting device of the second embodiment uses controllable Si as both the n-type dopant and the p-type dopant, it is also excellent in mass productivity.

(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)
Since the infrared light emitting device of the second embodiment has a different configuration of the compound semiconductor laminate from the infrared light emitting device of the first embodiment, the formation order of each layer is different, but basically the method described in the first embodiment is used. Can be manufactured.

以下、本発明の実施例について説明する。
[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。
MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶からなる基板1上に、バッファ層7と、n型コンタクト層2と、n型バリア層3と、活性層4と、p型バリア層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を形成した。
この積層工程では、バッファ層7としてノンドープのAl0.55Ga0.45Sb層を0.5μm形成した。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InAs0.91Sb0.09層を0.7μm形成した。n型バリア層3としてSiを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.91Sb0.09層を0.02μm形成した。活性層4として、ノンドープのInAs0.91Sb0.09層を2μm形成した。p型バリア層5として、Siを3×1018/cm3ドーピングしたp型のAl0.4Ga0.6Sb層を0.02μm形成した。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層を0.5μm形成した。
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
[Example 1]
An infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 3 was manufactured as follows.
By the MBE method, a buffer layer 7, an n-type contact layer 2, an n-type barrier layer 3, an active layer 4, a p-type barrier layer 5, and p are placed on a substrate 1 made of a semi-insulating GaAs single crystal. By sequentially laminating the mold contact layers 6, a compound semiconductor laminate having a PIN structure was formed.
In this laminating step, a non-doped Al 0.55 Ga 0.45 Sb layer of 0.5 μm was formed as the buffer layer 7. As the n-type contact layer 2, 0.7 μm of an n-type InAs 0.91 Sb 0.09 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed. As the n-type barrier layer 3, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.91 Sb 0.09 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed by 0.02 μm. As the active layer 4, a non-doped InAs 0.91 Sb 0.09 layer was formed in an amount of 2 μm. As the p-type barrier layer 5, a p-type Al 0.4 Ga 0.6 Sb layer doped with 3 × 10 18 / cm 3 of Si was formed at 0.02 μm. As the p-type contact layer 6, 0.5 μm of a p-type GaSb layer doped with 3 × 10 18 / cm 3 of Si was formed.

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。
得られた化合物半導体積層体のInAs0.91Sb0.09からなる活性層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)を評価したところ、304arcsecであった。
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。
In this laminating step, since the vapor pressure is low, it is easy to control, and only Si, which is generally used without toxicity, is used as a dopant. That is, this method is a method excellent in mass productivity as a method for producing a compound semiconductor laminate having a PIN structure.
The full width at half maximum (FWHM value) of the locking curve of the X-ray diffraction peak of the active layer 4 made of InAs 0.91 Sb 0.09 of the obtained compound semiconductor laminate was evaluated to be 304 arcsec.
The infrared light emitting device 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を、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った。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を行った。その後、SiNからなるパッシベーション膜10により、基板1の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆った。次いで、パッシベーション膜10の電極形成部分に貫通穴を形成した。次いで、n型コンタクト層2の段差部分上及び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をそれぞれ形成した。
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。
First, a step was formed for making contact with the n-type contact layer 2 by wet etching with an acid, an ion milling method, or the like. Next, the compound semiconductor laminate having the steps formed was subjected to mesa etching for element separation. Then, the passivation film 10 made of SiN covered the upper surface of the substrate 1 and the upper surface and the side surface of the element-separated compound semiconductor laminate. Next, a through hole was formed in the electrode-forming portion of the passivation film 10. Next, Au / Ti was vapor-deposited on the stepped portion of the n-type contact layer 2 and on the p-type contact layer 6 by EB (electron beam), and the n-type electrode 8 and the p-type electrode were formed in each through hole by the lift-off method. 9 were formed respectively.
In this way, an infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 3 was obtained.

[実施例2]
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層を0.7μm形成した。また、n型バリア層3としてSiを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層を0.02μm形成した。また、活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層を2μm形成した。また、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層を0.5μm形成した。これ以外は実施例1と同じ方法でPIN構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13からなる活性層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)を評価したところ、306arcsecであった。
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。
[Example 2]
As the n-type contact layer 2, 0.7 μm of n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed. Further, as the n-type barrier layer 3, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed by 0.02 μm. Further, as the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed in an amount of 2 μm. Further, as the p-type contact layer 6, a p-type Ga 0.96 In 0.04 Sb layer doped with 3 × 10 18 / cm 3 of Si was formed in an amount of 0.5 μm. A compound semiconductor laminate having a PIN structure was formed by the same method as in Example 1 except for this.
The full width at half maximum (FWHM value) of the locking curve of the X-ray diffraction peak of the active layer 4 made of InAs 0.87 Sb 0.13 of the obtained compound semiconductor laminate was evaluated to be 306 arcsec.
The infrared light emitting device of Example 2 was produced by performing the same steps as in Example 1 on this compound semiconductor laminate.

[実施例3]
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。
MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶からなる基板1上に、バッファ層を兼ねたp型コンタクト層6と、p型バリア層5と、活性層4と、n型バリア層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を形成した。
この積層工程では、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層を1.0μm形成した。また、p型バリア層5として、Siを3×1018/cm3ドーピングしたp型のAl0.4Ga0.6Sb層を0.02μm形成した。また、活性層4として、ノンドープのInAs0.87Sb0.13層を2μm形成した。また、n型バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.87Sb0.13層を0.02μm形成した。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層を0.5μm形成した。
[Example 3]
An infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 4 was manufactured as follows.
By the MBE method, a p-type contact layer 6 also serving as a buffer layer, a p-type barrier layer 5, an active layer 4, an n-type barrier layer 3, and n on a substrate 1 made of a semi-insulating GaAs single crystal. By sequentially laminating the mold contact layers 2, a compound semiconductor laminate having a PIN reverse structure was formed.
In this laminating step, 1.0 μm of a p-type GaSb layer doped with 3 × 10 18 / cm 3 of Si was formed as the p-type contact layer 6 also serving as a buffer layer. Further, as the p-type barrier layer 5, a p-type Al 0.4 Ga 0.6 Sb layer doped with 3 × 10 18 / cm 3 of Si was formed by 0.02 μm. Further, as the active layer 4, a non-doped InAs 0.87 Sb 0.13 layer was formed in an amount of 2 μm. Further, as the n-type barrier layer 3, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed by 0.02 μm. Further, as the n-type contact layer 2, 0.5 μm of an n-type InAs 0.87 Sb 0.13 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed.

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。
得られた化合物半導体積層体のInAs0.87Sb0.13からなる活性層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)を評価したところ、184arcsecであった。この値は、実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例3で得られた化合物半導体積層体の活性層4は実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の活性層4よりも結晶性が良好であった。
この効果が得られた理由は、実施例1および2ではAlGaSbからなるバッファ層7を厚さ0.5μmで基板1上に形成しているのに対して、実施例3ではバッファ層を兼ねたGaSbからなるp型コンタクト層6を厚さ1.0μmで形成していることによるものと推測される。
In this laminating step, since the vapor pressure is low, it is easy to control, and only Si, which is generally used without toxicity, is used as a dopant. That is, this method is a method excellent in mass productivity as a method for producing a compound semiconductor laminate having a PIN inverse structure.
The full width at half maximum (FWHM value) of the locking curve of the X-ray diffraction peak of the active layer 4 made of InAs 0.87 Sb 0.13 of the obtained compound semiconductor laminate was evaluated to be 184 arcsec. This value is smaller than the value of the compound semiconductor laminates obtained in Examples 1 and 2. That is, the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Example 3 had better crystallinity than the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Examples 1 and 2.
The reason why this effect was obtained is that in Examples 1 and 2, the buffer layer 7 made of AlGaSb was formed on the substrate 1 with a thickness of 0.5 μm, whereas in Example 3, it also served as a buffer layer. It is presumed that this is because the p-type contact layer 6 made of GaSb is formed with a thickness of 1.0 μm.

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4の赤外線発光素子を作製した。
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を、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った。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を行った。その後、SiNからなるパッシベーション膜10により、基板1の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆った。次いで、パッシベーション膜10の電極形成部分に貫通穴を形成した。次いで、p型コンタクト層6の段差部分上及び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をそれぞれ形成した。
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。
The infrared light emitting device of Example 4 was produced by performing the following steps on this compound semiconductor laminate.
First, a step was formed for making contact with the p-type contact layer 6 by wet etching with an acid, an ion milling method, or the like. Next, the compound semiconductor laminate having the steps formed was subjected to mesa etching for element separation. Then, the passivation film 10 made of SiN covered the upper surface of the substrate 1 and the upper surface and the side surface of the element-separated compound semiconductor laminate. Next, a through hole was formed in the electrode-forming portion of the passivation film 10. Next, Au / Ti was vapor-deposited on the stepped portion of the p-type contact layer 6 and on the n-type contact layer 2 by EB (electron beam), and the p-type electrode 9 and the n-type electrode were formed in each through hole by the lift-off method. 8 were formed respectively.
In this way, an infrared light emitting device having the structure shown in FIG. 4 was obtained.

[実施例4]
活性層4として、ノンドープのInAs0.91Sb0.09層を2μm形成した。また、n型バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたn型のAl0.3In0.7As0.91Sb0.09層を0.02μm形成した。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InAs0.91Sb0.09層を0.5μm形成した。これ以外は実施例3と同じ方法でPIN逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のInAs0.91Sb0.09からなる活性層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)を評価したところ、199arcsecであった。この値は、実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例4で得られた化合物半導体積層体の活性層4は実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の活性層4よりも結晶性が良好であった。
[Example 4]
As the active layer 4, a non-doped InAs 0.91 Sb 0.09 layer was formed in an amount of 2 μm. Further, as the n-type barrier layer 3, an n-type Al 0.3 In 0.7 As 0.91 Sb 0.09 layer 0.02 μm was formed by doping Si with 7 × 10 18 / cm 3. Further, as the n-type contact layer 2, 0.5 μm of an InAs 0.91 Sb 0.09 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed. A compound semiconductor laminate having a PIN inverse structure was formed by the same method as in Example 3 except for this.
The full width at half maximum (FWHM value) of the locking curve of the X-ray diffraction peak was evaluated for the active layer 4 made of InAs 0.91 Sb 0.09 of the obtained compound semiconductor laminate, and it was 199 arcsec. This value is smaller than the value of the compound semiconductor laminates obtained in Examples 1 and 2. That is, the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Example 4 had better crystallinity than the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Examples 1 and 2.

この効果が得られた理由は、実施例1および2ではAlGaSbからなるバッファ層7を厚さ0.5μmで基板1上に形成しているのに対して、実施例4ではバッファ層を兼ねたGaSbからなるp型コンタクト層6を厚さ1.0μmで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例3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。
The reason why this effect was obtained is that in Examples 1 and 2, the buffer layer 7 made of AlGaSb was formed on the substrate 1 with a thickness of 0.5 μm, whereas in Example 4, it also served as a buffer layer. It is presumed that this is because the p-type contact layer 6 made of GaSb is formed with a thickness of 1.0 μm.
The infrared light emitting device of Example 4 was produced by performing the same steps as in Example 3 on this compound semiconductor laminate.

[実施例5]
活性層4として、ノンドープのInAs0.96Sb0.04層を2μm形成した。また、n型バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたAl0.3In0.7As0.96Sb0.04層を0.02μm形成した。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InAs0.96Sb0.04層を0.5μm形成した。これ以外は実施例3と同じ方法でPIN逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のInAs0.96Sb0.04からなる活性層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)を評価したところ、203arcsecであった。この値は、実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例5で得られた化合物半導体積層体の活性層4は実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の活性層4よりも結晶性が良好であった。
[Example 5]
As the active layer 4, a non-doped InAs 0.96 Sb 0.04 layer of 2 μm was formed. Further, as the n-type barrier layer 3, an Al 0.3 In 0.7 As 0.96 Sb 0.04 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed by 0.02 μm. Further, as the n-type contact layer 2, 0.5 μm of an InAs 0.96 Sb 0.04 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed. A compound semiconductor laminate having a PIN inverse structure was formed by the same method as in Example 3 except for this.
The full width at half maximum (FWHM value) of the locking curve of the X-ray diffraction peak was evaluated for the active layer 4 composed of InAs 0.96 Sb 0.04 of the obtained compound semiconductor laminate, and it was 203 arcsec. This value is smaller than the value of the compound semiconductor laminates obtained in Examples 1 and 2. That is, the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Example 5 had better crystallinity than the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Examples 1 and 2.

この効果が得られた理由は、実施例1および2ではAlGaSbからなるバッファ層7を厚さ0.5μmで基板1上に形成しているのに対して、実施例5ではバッファ層を兼ねたGaSbからなるp型コンタクト層6を厚さ1.0μmで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例3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得た。
The reason why this effect was obtained is that in Examples 1 and 2, the buffer layer 7 made of AlGaSb was formed on the substrate 1 with a thickness of 0.5 μm, whereas in Example 5, it also served as a buffer layer. It is presumed that this is because the p-type contact layer 6 made of GaSb is formed with a thickness of 1.0 μm.
By performing the same steps as in Example 3 on this compound semiconductor laminate, an infrared light emitting device of Example 5 was obtained.

[実施例6]
活性層4として、ノンドープのInAs0.98Sb0.02層を2μm形成した。また、n型バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたAl0.3In0.7As0.98Sb0.02層を0.02μm形成した。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InAs0.98Sb0.02層を0.5μm形成した。これ以外は実施例3と同じ方法でPIN逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のInAs0.98Sb0.02からなる活性層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)を評価したところ、248arcsecであった。この値は、実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例6で得られた化合物半導体積層体の活性層4は実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の活性層4よりも結晶性が良好であった。
[Example 6]
As the active layer 4, a non-doped InAs 0.98 Sb 0.02 layer of 2 μm was formed. Further, as the n-type barrier layer 3, an Al 0.3 In 0.7 As 0.98 Sb 0.02 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed by 0.02 μm. Further, as the n-type contact layer 2, 0.5 μm of an InAs 0.98 Sb 0.02 layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed. A compound semiconductor laminate having a PIN inverse structure was formed by the same method as in Example 3 except for this.
The full width at half maximum (FWHM value) of the locking curve of the X-ray diffraction peak was evaluated for the active layer 4 composed of InAs 0.98 Sb 0.02 of the obtained compound semiconductor laminate, and it was 248 arcsec. This value is smaller than the value of the compound semiconductor laminates obtained in Examples 1 and 2. That is, the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Example 6 had better crystallinity than the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Examples 1 and 2.

この効果が得られた理由は、実施例1および2ではAlGaSbからなるバッファ層7を厚さ0.5μmで基板1上に形成しているのに対して、実施例6ではバッファ層を兼ねたGaSbからなるp型コンタクト層6を厚さ1.0μmで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例3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得た。
The reason why this effect was obtained is that in Examples 1 and 2, the buffer layer 7 made of AlGaSb was formed on the substrate 1 with a thickness of 0.5 μm, whereas in Example 6, it also served as a buffer layer. It is presumed that this is because the p-type contact layer 6 made of GaSb is formed with a thickness of 1.0 μm.
By performing the same steps as in Example 3 on this compound semiconductor laminate, an infrared light emitting device of Example 6 was obtained.

[実施例7]
活性層4として、ノンドープのInAs層を2μm形成した。また、n型バリア層3として、Siを7×1018/cm3ドーピングしたAl0.3In0.7As層を0.02μm形成した。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InAs層を0.5μm形成した。これ以外は実施例3と同じ方法でPIN逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のInAsからなる活性層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)を評価したところ、265arcsecであった。この値は、実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例7で得られた化合物半導体積層体の活性層4は実施例1および2で得られた化合物半導体積層体の活性層4よりも結晶性が良好であった。
[Example 7]
As the active layer 4, a non-doped InAs layer of 2 μm was formed. Further, as the n-type barrier layer 3, an Al 0.3 In 0.7 As layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed in an amount of 0.02 μm. Further, as the n-type contact layer 2, an InAs layer doped with Si 7 × 10 18 / cm 3 was formed in an amount of 0.5 μm. A compound semiconductor laminate having a PIN inverse structure was formed by the same method as in Example 3 except for this.
The full width at half maximum (FWHM value) of the locking curve of the X-ray diffraction peak was evaluated for the active layer 4 made of InAs of the obtained compound semiconductor laminate, and it was 265 arcsec. This value is smaller than the value of the compound semiconductor laminates obtained in Examples 1 and 2. That is, the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Example 7 had better crystallinity than the active layer 4 of the compound semiconductor laminate obtained in Examples 1 and 2.

この効果が得られた理由は、実施例1および2ではAlGaSbからなるバッファ層7を厚さ0.5μmで基板1上に形成しているのに対して、実施例7ではバッファ層を兼ねたGaSbからなるp型コンタクト層6を厚さ1.0μmで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例3と同じ工程を行うことにより、実施例7の赤外線発光素子を得た。
The reason why this effect was obtained is that in Examples 1 and 2, the buffer layer 7 made of AlGaSb was formed on the substrate 1 with a thickness of 0.5 μm, whereas in Example 7, it also served as a buffer layer. It is presumed that this is because the p-type contact layer 6 made of GaSb is formed with a thickness of 1.0 μm.
By performing the same steps as in Example 3 on this compound semiconductor laminate, an infrared light emitting device of Example 7 was obtained.

実施例1〜2の赤外線発光素子の基板以外の各層の構成と、得られた活性層のFWHM値を表1に、実施例3〜7の赤外線発光素子の基板以外の各層の構成と、得られた活性層のFWHM値を表2にそれぞれまとめて示す。 Table 1 shows the configurations of each layer other than the substrate of the infrared light emitting element of Examples 1 and 2 and the FWHM value of the obtained active layer. The FWHM values of the active layers obtained are summarized in Table 2.

Figure 0006908367
Figure 0006908367

Figure 0006908367
Figure 0006908367

1 基板
2 n型コンタクト層
3 n型バリア層
4 活性層
5 p型バリア層
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
1 Substrate 2 n-type contact layer 3 n-type barrier layer 4 Active layer 5 p-type barrier layer 6 p-type contact layer 7 Buffer layer 8 n-type electrode 9 p-type electrode 10 Passivation film

Claims (10)

基板と、
前記基板上に形成されたn型コンタクト層と、
AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなり、前記n型コンタクト層上に形成されたn型バリア層と、
InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を主成分とする化合物半導体層からなり、前記n型バリア層上に形成された活性層と、
AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなり、前記活性層上に形成されたp型バリア層と、
前記p型バリア層上に形成されたp型コンタクト層と、
前記n型コンタクト層に電気的に接続されたn型電極と、
前記p型コンタクト層に電気的に接続されたp型電極と、
を備え
前記n型コンタクト層が含むn型ドーパント、前記n型バリア層が含むn型ドーパント、および前記p型バリア層が含むp型ドーパントは、同じである赤外線発光素子。
With the board
The n-type contact layer formed on the substrate and
An n-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component and formed on the n-type contact layer, and an n-type barrier layer.
An active layer composed of a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) as a main component and formed on the n-type barrier layer, and an active layer.
A p-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component and formed on the active layer, and a p-type barrier layer.
The p-type contact layer formed on the p-type barrier layer and
An n-type electrode electrically connected to the n-type contact layer and
A p-type electrode electrically connected to the p-type contact layer and
Equipped with a,
N-type dopant, wherein the n-type contact layer comprises, n-type dopant the n-type barrier layer comprises, and the p-type p-type dopant barrier layer comprises the same der Ru infrared light emitting element.
前記n型コンタクト層が含むn型ドーパント、前記n型バリア層が含むn型ドーパント、および前記p型バリア層が含む型ドーパントは、Siである請求項1に記載の赤外線発光素子。 The infrared light emitting device according to claim 1, wherein the n-type dopant contained in the n-type contact layer, the n-type dopant contained in the n-type barrier layer, and the p-type dopant contained in the p-type barrier layer are Si. 前記基板はGaAs基板であり、
AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなり、前記基板と前記n型コンタクト層との間に形成されたバッファ層を、さらに備える請求項1または請求項2に記載の赤外線発光素子。
The substrate is a GaAs substrate
The infrared light emitting device according to claim 1 or 2, further comprising a buffer layer formed between the substrate and the n-type contact layer, which is composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component.
前記p型コンタクト層は、GaSbまたはGaInSbを主成分とする化合物半導体層からなる請求項1から請求項3の何れか一項に記載の赤外線発光素子。 The p-type contact layer, an infrared light emitting device according to any one of claims 1 to 3 comprising a compound semiconductor layer mainly composed of GaSb or GaInSb. 前記p型コンタクト層が含むp型ドーパントはSiである請求項4に記載の赤外線発光素子。 The infrared light emitting device according to claim 4, wherein the p-type dopant contained in the p-type contact layer is Si. 基板と、
前記基板上に形成されたp型コンタクト層と、
AlGaSbを主成分とする化合物半導体層からなり、前記p型コンタクト層上に形成されたp型バリア層と、
InAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を主成分とする化合物半導体層からなり、前記p型バリア層上に形成された活性層と、
AlInAsSbを主成分とする化合物半導体層からなり、前記活性層上に形成されたn型バリア層と、
前記n型バリア層上に形成されたn型コンタクト層と、
前記p型コンタクト層に電気的に接続されたp型電極と、
前記n型コンタクト層に電気的に接続されたn型電極と、
を備え
前記p型コンタクト層が含むp型ドーパント、前記p型バリア層が含むp型ドーパント、および前記n型バリア層が含むn型ドーパントは、同じである赤外線発光素子。
With the board
The p-type contact layer formed on the substrate and
A p-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlGaSb as a main component and formed on the p-type contact layer, and a p-type barrier layer.
An active layer composed of a compound semiconductor layer containing InAs x Sb (1-x) (0 ≦ x ≦ 1) as a main component and formed on the p-type barrier layer, and an active layer.
An n-type barrier layer composed of a compound semiconductor layer containing AlInAsSb as a main component and formed on the active layer, and an n-type barrier layer.
The n-type contact layer formed on the n-type barrier layer and
A p-type electrode electrically connected to the p-type contact layer and
An n-type electrode electrically connected to the n-type contact layer and
Equipped with a,
P-type dopant, wherein the p-type contact layer comprises, p-type dopant, and the n-type barrier layer n-type dopant included in the p-type barrier layer contains the same der Ru infrared light emitting element.
前記p型コンタクト層が含むp型ドーパント、前記p型バリア層が含むp型ドーパント、および前記n型バリア層が含むn型ドーパントは、Siである請求項6に記載の赤外線発光素子。 The infrared light emitting element according to claim 6, wherein the p-type dopant contained in the p-type contact layer, the p-type dopant contained in the p-type barrier layer, and the n-type dopant contained in the n-type barrier layer are Si. 前記基板はGaAs基板であり、
前記p型コンタクト層が、GaSbを主成分とする化合物半導体層からなる請求項6または請求項7に記載の赤外線発光素子。
The substrate is a GaAs substrate
The infrared light emitting device according to claim 6 or 7, wherein the p-type contact layer is made of a compound semiconductor layer containing GaSb as a main component.
前記n型コンタクト層は、InAsSbを主成分とする化合物半導体層からなる請求項6から請求項8の何れか一項に記載の赤外線発光素子。 The n-type contact layer, an infrared light emitting device according to any one of claims 8 claims 6 made of a compound semiconductor layer mainly composed of InAsSb. 前記n型コンタクト層が含むn型ドーパントはSiである請求項9に記載の赤外線発光素子。 The infrared light emitting device according to claim 9, wherein the n-type dopant contained in the n-type contact layer is Si.
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