JPH1056201A - 基板構造、発光装置、基板構造の製造方法および発光装置の製造方法 - Google Patents
基板構造、発光装置、基板構造の製造方法および発光装置の製造方法Info
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Abstract
るいはLED形成する。 【解決手段】p型表面を備えた実質的にn型の基板構造
上に発光部分を形成する。この基板構造は、基板領域と
バッファ領域を備えている。基板領域は、n型化合物半
導体領域であり、縮退状態にnドープされた、第1の表
面に隣接する領域が含まれている。バッファ領域は、p
型ドーパントをドープした化合物半導体の領域で、第1
の表面上に配置され、基板構造のp型表面を形成する表
面を含んでいる。第1の表面隣接する部分は、縮退状態
になるようにpドープされる。縮退状態にnドープされ
た部分と縮退状態にpドープされた部分との間はトンネ
ル接合を形成する。
Description
するものであり、とりわけ、n型基板上に製作されるn
駆動・p共通発光装置に関するものである。
ッジから放出される光が、半導体ウェーハの表面と平行
をなすダイオード構造であった。しかし、このエッジ発
光レーザ構造は、低コストの2次元アレイをなすレーザ
・ダイオードの製作には向いていなかった。レーザ・ア
レイの製作にも適した第2のクラスのレーザ・ダイオー
ドは、レーザ構造が半導体ウェーハの表面に対して垂直
になり、光が該表面に対して垂直に放射されるように製
作される。このクラスのレーザにおけるこれらのレーザ
は、一般に、面発光レーザ(SEL)として知られてい
る。
グ及びn型ドーピングのいずれかによって、半絶縁性に
することも、あるいは、伝導性にすることも可能な基板
上に形成される。図1Aには、半絶縁基板102に形成
された従来のn駆動SEL100の断面図が示されてい
る。面発光レーザ100は、n型ミラー領域104、活
性領域106、及び、p型ミラー領域108から構成さ
れるn−i−pダイオードとみなすことが可能である。
n型ミラー領域104上に形成された電極110、及
び、p型ミラー領域108上に形成された電極112を
介して、電気的に接続される。
n型ミラー領域104と活性領域106の両方を通っ
て、p型領域108に達するエッチングが施される。p
型との接触エッチングを行うと、エピタキシャル層10
4、106、及び、108が露出し、酸化しやすくなる
問題がある。さらに、p型の接触エッチングを行うと、
非平面構造が形成され、このために、潜在的な信頼性の
問題が生じたり、製造の複雑さが増したりする。さら
に、半絶縁基板を絶縁するために付加される欠陥によっ
て、半導体レーザ・装置の信頼性が低下する可能性があ
る。
たn駆動面発光レーザ120の断面図が示されている。
このSELは、n型ミラー領域124、活性領域12
6、及び、p型ミラー領域128から構成される。n型
ミラー領域124上に形成された電極130、及び、p
型ミラー領域128から遠隔の、p型基板122の表面
上に形成された電極132を介して、電気的接続が行わ
れる。
しい方法は、分子線エピタキシ(MBE)である。一般
に利用可能なp型III−V族の基板だけに亜鉛のドー
ピングが施される。しかし、典型的なMBE成長温度に
おいて、亜鉛は、基板から拡散し、このため、ミラー領
域124及び128と活性領域126に許容できないバ
ックグラウンド濃度が生じる。さらに、基板から拡散す
る亜鉛によって、分子線エピタキシ室が汚染されるの
で、各亜鉛汚染後に、クリーニング・ステップを追加す
ることが必要になる。最後に、p型GaAs基板は、n
型GaAs基板に比べると、3〜4倍高価であり、エッ
チング・ピット密度が高く、入手が容易ではない。
面発光レーザの断面図が示されている。SELは、n型
ミラー領域144、活性領域146、及び、p型ミラー
領域148から構成される。図1Cに示すSEL140
は、p駆動SELである。図1A及び1Bに示すn駆動
電流で駆動されるSELとは異なり、p駆動SELは、
一般に電圧によって駆動される。p駆動SELのための
電流ドライバが存在するが、問題がある。例えば、利用
可能なシリコンpnpドライバは、一般に、現在の光通
信システムのデータ転送速度で動作するには速度が不十
分である。GaAs pnpドライバは、より高速であ
るが、高価である。
ある。SELアレイにおける電圧駆動によるp駆動SE
Lは、アレイ内の各レーザを同じVfにするために精密
な製造管理が必要になる。Vfが不均一であれば、アレ
イ内の各レーザに個別にあらかじめバイアスをかけてお
くことが必要になり、レーザ・ドライバのコストが増大
する。
p駆動SELを転倒させることによって、図1Cに示す
構造から形成することが可能である。しかし、この方法
は、SELアレイの製造には利用できない。
高強度の発光ダイオード(LED)を利用することが可
能である。発光ダイオードは、前記構造におけるn型ミ
ラー領域とp型ミラー領域を、それぞれ、n型半導体材
料の均質な層とp型半導体材料の均質な層とに置き換え
ることによって製造できる。上述のp駆動レーザに対す
るn駆動レーザの利点と同様に、n駆動LEDにはp駆
動LEDに対する利点がある。
外LEDは、一般に、GaAs基板上においてエピタキ
シャル成長し、格子整合させられたGaAs/AlGa
As二重ヘテロ接合構造から構成される。GaAsが、
LEDによって発生する光に対して不透明であるため、
LEDは、一般に、エッチングして基板に穴を作らなく
ても済むように、その上部表面から発光するように形成
される。LEDの上部表面からの発光には、透明な上部
電極または環状の上部電極によって、閉じ込めまたは電
流阻止のための埋め込み層によって形成される領域に電
流を集める必要がある。上部電極の構成には関係なく、
該構造は背面発光LEDの直接的な垂直電流注入の幾何
学的構成に比べると、直列抵抗が付加される。一般的
に、レーザに比べるとLEDの動作電流は大きいので、
この付加直列抵抗はLEDにおいて大きな問題になる。
この付加直列抵抗によって、LEDの駆動に必要な電圧
が増し、LED内での発熱が増し、LEDの電気光学効
率が低下する。
直列抵抗を減少させる既知アプローチの1つでは、有機
金属気相成長(OMVPE)を利用してp型GaAs基
板上にn型AlGaAs層を成長させてLEDを形成す
る。この構造は、n型AlGaAsにおいて得ることが
可能な面積抵抗率が、p型AlGaAsにおいて得るこ
とが可能な面積抵抗率よりかなり低いので、直列抵抗が
小さい。n型AlGaAsの面積抵抗率がp型AlGa
Asの面積抵抗率より低いのは、主として、電子の移動
度がホールの移動度よりもかなり大きいためである。し
かし、該構造は、上述の欠点を有するp型基板を必要と
するという犠牲を払うことによって、小抵抗の利点を得
るものである。
はp型基板の欠点を伴うことなく、駆動速度が速く、直
列抵抗が小さいというn駆動装置の利点を得るため、n
型基板上に面発光レーザあるいはLEDなどのn駆動半
導体発光装置を形成する方法を提供することにである。
克服するため、本発明によれば、p型半導体基板の代わ
りに半導体装置に用いられる、p型表面を備えた実質的
にn型の基板構造が用意される。この基板構造は、基板
領域とバッファ領域を備えている。基板領域は、n型化
合物半導体領域であり、第1の表面及び第2の表面と、
縮退状態になるようにnドープされた、第1の表面に隣
接する領域が含まれている。バッファ領域は、p型ドー
パントをドープした化合物半導体の領域である。バッフ
ァ領域は、基板領域の第1の表面上に配置され、基板構
造のp型表面を形成する、基板領域から遠い表面を含ん
でいる。バッファ領域は、基板領域の縮退状態になるよ
うにnドープされた部分に隣接する、縮退状態になるよ
うにpドープされた部分も含んでいる。最後に、基板構
造は、基板領域の縮退状態になるようにnドープされた
部分とバッファ領域の縮退状態になるようにpドープさ
れた部分との間にトンネル接合を含んでいる。
方の側における縮退状態になるようにドープされた歪み
仮像半導体材料の層が含まれている。歪み仮像半導体材
料は、基板領域及びバッファ領域の化合物半導体材料よ
りも狭い禁止帯幅を備えている。
的接続を有する発光装置も得られる。この発光装置は、
基板構造と発光構造から構成される。基板構造には、基
板領域、バッファ領域、及び、基板領域とバッファ領域
の間のトンネル接合、第1の電極、及び、第2の電極が
含まれている。
材料による領域である。バッファ領域は、第1の伝導型
とは逆の、第2の伝導型の化合物半導体材料による領域
である。バッファ領域は、基板領域の第1の表面上に配
置されており、基板領域から遠い表面を備えている。
体材料による上部領域、第2の伝導型の化合物半導体材
料による下部領域、及び、上部領域と下部領域の間の発
光領域が含まれている。上部領域には、下部領域から遠
い方の表面が含まれている。発光構造は、下部領域がバ
ッファ領域の表面に隣接するように、基板構造上に配置
されている。基板領域の第2の表面には、第1の電極が
配置され、上部領域の表面には、第2の電極が配置され
ている。
の代わりに半導体装置に用いられる、p型表面を備えた
実質的にn型基板構造を製造する方法が得られる。該方
法では、n型化合物半導体材料による基板領域が設けら
れる。基板領域には、第2の表面に対向する第1の表面
が含まれている。基板領域には、第1の表面に隣接し
て、縮退状態になるようにn型不純物のドーピングが施
される。最後に、基板領域の第1の表面に、p型の不純
物をドープした化合物半導体材料の層を被着させて、基
板領域から遠い方の表面を含むバッファ領域が形成され
る。化合物半導体材料を被着させて、バッファ領域を形
成する間に、化合物半導体材料の少なくとも基板領域に
隣接した部分に、縮退状態になるようにp型不純物をド
ープして、基板領域とバッファ領域の間にトンネル接合
が形成される。
域に対して電気的に接続された発光装置を製造する方法
が得られる。該方法では、基板構造は、第1の伝導型の
化合物半導体材料による基板領域を設けることによって
形成される。基板領域には、第2の表面に対向する第1
の表面が含まれている。基板領域には、第1の表面に隣
接して、縮退状態になるように第1の伝導型の不純物に
よるドーピングが施される。次に、基板領域の第1の表
面に、第1の伝導型とは逆の第2の伝導型の不純物をド
ープした化合物半導体材料の層を被着させて、基板領域
から遠い方の表面を含むバッファ領域が形成される。化
合物半導体材料を被着させて、バッファ領域を形成する
間に、化合物半導体材料の少なくとも基板領域に隣接し
た部分に、縮退状態になるように第2の伝導型の不純物
をドープして、基板領域とバッファ領域の間にトンネル
接合が形成される。
面に形成される。該発光構造には、第1の伝導型の化合
物半導体材料による上部領域、第2の伝導型の化合物半
導体材料による下部領域、及び、上部領域と下部領域の
間に挟まれた発光領域が含まれている。上部領域には、
下部領域から遠い方の表面が含まれている。下部領域
は、バッファ領域の表面と接触する。最後に、基板領域
の第2の表面に、第1の電極が形成され、上部領域の表
面に、第2の電極が形成される。
質的にn型の基板構造に形成された、本発明によるn駆
動発光装置の断面図である。図2Aには、底面発光のn
駆動面発光レーザ(SEL)が示されている。図2Bに
は、上部発光のn駆動SELが示されている。図3に
は、上部発光のn駆動発光ダイオードが示されている。
基板上に、図2A及び図2Bに示すn上部・p下部発光
構造203、及び、図3に示すn上部・p下部発光構造
303を形成することが可能になる。基板構造201に
ついては、図2A、図2B及び図3に関連して説明す
る。留意すべきは、図2A、図2B及び図3に示す発光
ダイオードは、一定の拡大率で描かれていないという点
である。とりわけ、基板構造上の上部領域及び下部領域
206、208、306及び308、活性領域204及
び304、及び、層222、224及び218は、図面
の明瞭性が得られるように、拡大されている。実際の装
置の場合、基板221の厚さは、約500μmであり、
一方、他の領域及び層の厚さは、約0.2〜2μmであ
る。電極212、214、312及び314は、直径が
約10μmである。最後に、「上部」及び「下部」とい
う用語は、それぞれ、本明細書において、基板221に
対する個々の構成要素の遠隔性または近接性を表すため
に用いられるものであって、特定の空間配向を表すため
のものではない。
ッファ領域210及び基板領域とバッファ領域との間の
トンネル接合216が含まれている。基板領域は、nド
ープされた化合物半導体材料の領域である。基板領域
は、第2の表面228に対向する第1の表面226を備
えており、第1の表面に隣接した、縮退状態になるよう
にnドープされた層223を含んでいる。バッファ領域
210は、化合物半導体の層であり、基板領域の第1の
表面に配置されている。バッファ領域の化合物半導体
は、n型のドーパントがドープされており、基板領域か
ら遠い方の表面232を含んでいる。表面232によっ
て、基板構造のp型表面が形成される。バッファ領域に
は、基板領域の縮退状態になるようにnドープされた部
分223に隣接した、縮退状態になるようにpドープさ
れた層218も含まれている。トンネル接合216は、
基板領域の縮退状態になるようにnドープされた部分2
23とバッファ領域の縮退状態になるようにpドープさ
れた部分218との間の接合である。
てさらに詳細に述べることにする。この基板構造は、基
板領域202とバッファ領域210から構成される。基
板領域は、基板221と層222から構成される。基板
は、基板構造の材料の(及び、発光装置200または3
00の)大部分を構成する。基板は、n型ドーパントが
適度にドープされたGaAsのウェーハである。層22
3は、縮退状態になるようにn型ドーパントがドープさ
れたGaAsの層である。層223は、基板の一方の表
面に配置されている。基板から遠隔の層223の表面に
よって、基板領域の第1の表面が形成される。
って、実用的な基板構造を形成することが可能である
が、トンネル接合216の両端間における電圧降下、従
って、基板構造の両端間における電圧降下は、層222
及び層224から構成される層223を用いることによ
って低減する。層222は、縮退状態になるようにnド
ープされたGaAsの層であり、層224は、層222
のGaAsよりも禁止帯幅が狭い、縮退状態になるよう
にnドープされた、薄い、歪み仮像半導体材料である。
層222は、基板221の表面に配置されており、層2
24は、基板から遠隔の層222の表面に配置されてい
る。
さらに詳細に述べることにする。基板202は、厚さ約
500μmのGaAsウェーハが望ましい。該基板は、
1×1018〜3×1018原子/cm3の範囲の濃度で、
n型ドーパント、できれば、シリコンによるドーピング
が施される。
nmの範囲のGaAs層である。層222のGaAsに
は、縮退状態になるように、できるだけ高いドーピング
濃度で、n型ドーパント、できれば、シリコンによるド
ーピングが施される。現在利用可能な技術によれば、層
222のドーピング濃度は、3×1018〜5×1018原
子/cm3の範囲である。
止帯幅が狭い半導体材料による、薄い、歪み仮像層であ
る。例えば、層224は、インジウムの割合xが0.1
〜0.3の範囲で、厚さが25〜10nmの範囲のIn
xGa(1-x)Asの層とすることが可能である。層224
の材料の禁止帯の幅が狭いことと、層224が被る歪み
によって、トンネル接合216の両端間、従って、基板
構造の両端間における電圧降下が低減する。層224の
歪みは、InGaAsにおけるインジウムの割合と層の
厚さの間における非線形反比例関係によって決まる。満
足のゆく結果は、これらのパラメータが上述の範囲内で
ある場合に得られる。望ましい実施例の場合、層224
のインジウムの割合は0.2で、厚さは15nmであっ
た。
るように、できるだけ高いドーピング濃度で、n型ドー
パント、できれば、シリコンによるドーピングが施され
る。現在利用可能な技術の場合、層224のドーピング
濃度は、5×1018〜1×1019原子/cm3の範囲で
ある。
すなわち、基板221から遠隔の層224の表面には、
バッファ領域210が配置されている。バッファ領域に
は、基板領域の層224に隣接した層218と、基板領
域から遠隔の層220が含まれている。縮退状態になる
ようにpドープされた層218と縮退状態になるように
nドープされた層224との間の接合は、トンネル接合
216である。
囲のGaAsの薄層である。層218のGaAsは、縮
退状態になるように、できるだけ高い濃度で、p型ドー
パント、できれば、炭素のドーピングが施される。現在
利用可能な技術によれば、層218のドーピング濃度
は、約1×1020原子/cm3である。このように高い
ドーピング濃度の場合、層218の厚さは約20nmほ
どしか必要とされない。
る層220は、望ましい実施例の場合、厚さ約800n
mのGaAsの層である。層220のGaAsには、層
218よりもかなり低い、1×1019〜3×1019原子
/cm3の範囲のドーピング濃度で、高レベルのp型ド
ーパント、できれば、炭素のドーピングが施される。
p型表面232は、基板構造201のp型表面の働きを
する。n上部・p下部・n駆動発光構造203及び30
3は、従来のpドーピングを施した基板上におけるn上
部・p下部・n駆動発光構造の形成に用いられているも
のと同様の従来の技法を用いて、基板構造の表面232
上に形成することが可能である。
領域210との間の接合216は、トンネル接合であ
る。発光構造203または303のp−i−nダイオー
ド構造を順方向に流れる電流は、量子力学的トンネル効
果によって、トンネル接合216を横切って流れる。
は、発光装置200または300の効率全体を損なう電
圧降下を生じやすい。トンネル接合の両端間における電
圧降下を低減すると、この効率低下が軽減される。トン
ネル接合の両端間における電圧降下は、接合と境界を接
する層223及び218におけるドーピング・レベル及
びこれらの層の材料の禁止帯幅によって決まる。層22
3及び218においてできるだけ高いドーピング・レベ
ルを用いることによって、トンネル接合の両端間におけ
る電圧降下が最小限にとどまる。トンネル接合両端間に
おける電圧降下は、層223に層224を含めることに
よって、さらに低減する。やはり、縮退状態になるよう
にドープされた層224のInGaAsは、それが被着
させられている層222のGaAsよりも禁止帯幅が狭
い。禁止帯幅は、層224が被る歪みによってさらに狭
められる。層224の禁止帯幅が狭くなると、トンネル
接合216の両端間における電圧降下がさらに低減し、
この結果、発光装置200または300の効率が高くな
る。
接合216と境界を接する、縮退状態になるようにドー
プされた層223及び218の被着が済んだ後で、基板
構造201のp型表面232上に形成されるので、トン
ネル接合と境界を接する、縮退状態になるようにドープ
された層223及び218中のドーパントは、不動性が
高くなければならない。さもなければ、発光構造203
または303を形成するプロセスにおいて、基板構造を
加熱すると、ドーパントが基板構造から発光構造内に拡
散して、発光構造を汚染する可能性がある。III−V
属半導体において、ドーパントとして用いられるIV属
元素の移動度は、ドーパントとして用いられるII属ま
たはVI属の元素に比べるとかなり低い。従って、層2
23及び218が、上述の基板構造の望ましい実施例に
おけるように、III−V属半導体から形成される場
合、縮退状態になるようにドープされた層にとって望ま
しいドーパントは、IV属の元素である。層222及び
224にとって望ましいn型ドーパントは、シリコンで
あり、層218にとって望ましいp型ドーパントは、炭
素である。
Asから形成される。基板構造の望ましい実施例を利用
して形成された発光装置200または300における電
極212と214の間の電圧降下は、約1.8Vであ
り、そのうちの約0.3〜0.5Vは、基板構造の両端
間における電圧降下に起因するものであった。全電圧降
下は、従来のpドープされたGaAs基板に形成される
同様の発光装置によって得られるものに匹敵する。
−V属の半導体またはII−VI属の半導体といった他
の化合物半導体を用いて製造することも可能である。半
導体基板に用いられる半導体の適合性は、トンネル接合
216の両端間における電圧降下によって決まる。所定
の温度におけるトンネル接合の両端間における電圧降下
は、接合と境界を接する材料の禁止帯幅によって決まる
接合の高さ、及び、接合と境界を接する材料のドーピン
グ・レベルによって決まる接合の幅によって決まる。現
在実際に実現可能なドーピング・レベルによれば、半導
体材料の禁止帯幅が約1.5eVを超える場合、トンネ
ル接合の両端間における電圧降下は約0.5Vを超える
ことになる。トンネル接合の両端間におけるより大きい
電圧降下を許容することが可能であり、かつ、ドーピン
グ・レベルを増すことが可能であるか、あるいは、その
いずれかである場合、基板構造は、禁止帯幅が約1.5
eVを超える半導体材料を用いて形成することが可能で
ある。
EDの製作にとってとりわけ有効であるため、上記説明
はp型表面を備えたn型基板に関してなされている。し
かし、本発明による基板構造を利用して、p型基板上に
n型表面を備える基板構造を形成することも可能であ
る。こうした基板構造は、性能に欠点があるか、あるい
は、そのn型の形態による製造が困難な半導体材料によ
るn型基板に不足する点を満たすものである。
ELのようなn駆動発光装置、または、p型基板上に従
来のやり方で製作される他の装置の形成時に、従来のp
ドープ基板の代わりに用いることが可能である。従来の
pドープ基板と同様、基板構造201は、p型表面、す
なわち、例えば、発光構造203のp型下部領域208
を成長させることが可能な表面232を備えている。し
かし、基板構造の材料のほぼ全てを構成するnドープ基
板221は、従来のpドープ基板に比べると、コストが
低く、より広範囲に利用可能であり、抵抗率が低い。さ
らに、基板構造201は、従来のpドープ基板より欠陥
が少なくなるように製造することができる。最後に、該
基板構造に用いられるドーパントは、pドープ基板に用
いられる亜鉛ドーパントに比べると、濃度が高いにもか
かわらず、はるかに拡散しにくい。結果として、従来の
pドープ基板とは異なり、ドーパントが、基板構造から
拡散して、基板構造上に形成される発光構造203また
は303と発光構造を成長させるために用いられる装置
の両方を汚染するということはない。
従い、第1の伝導型の半導体材料による基板領域202
を設けることによって製作される。この基板領域には、
第1の表面226と第2の表面228が含まれている。
第1の表面226に隣接した基板領域は、縮退状態にな
るように第1の伝導型の不純物がドープされる。基板領
域の第1の表面226上に、第1の伝導型とは逆の、第
2の伝導型の不純物がドープされた半導体材料の層を被
着させることによって、バッファ領域210が形成され
る。バッファ領域210には、基板領域から遠い方の表
面232が含まれている。該層の少なくとも基板領域に
隣接した部分218に対して、縮退するように第2の伝
導型の不純物をドープすることによって、基板領域とバ
ッファ領域の間にトンネル接合216が形成される。
方法について、さらに詳述することにする。基板221
は、厚さ約500μmのGaAsウェーハが望ましく、
1×1018〜3×1018原子/cm3の範囲のドーピン
グ濃度で、n型ドーパント、できれば、シリコンによる
ドーピングが施される。層222は、基板221の表面
上にGaAsの層をエピタキシャル成長させることによ
って形成される。望ましい実施例の場合、層222、2
24、及び、218は、全て、ガスソース分子線エピタ
キシ(GSMBE)によって成長させた。代替案とし
て、層222、224、及び、218は、有機金属気相
成長(OMVPE)を利用して成長させることも可能で
ある。これは、発光構造203または303が、後で、
OMVPEを利用して基板構造201上に形成される場
合には、とりわけ好都合である。
ント、できれば、シリコンを導入することによって、層
222が形成される。ドーパントの濃度は、できるだけ
高くする。現在利用可能な技術によれば、この結果、3
×1018〜5×1018原子/cm3の範囲のドーパント
濃度が得られる。層222の成長は、層が100〜15
0nmの範囲の厚さに達するまで続行される。
たはOMVPEによって、層222の表面上にInGa
Asの層をエピタキシャル成長させることによって形成
される。InGaAsにおけるインジウムの割合は、
0.1〜0.3の範囲内である。被着させたInGaA
sに高濃度のn型ドーパント、できれば、シリコンを導
入することによって、層224が形成される。ドーパン
トの濃度は、できるだけ高くする。現在利用可能な技術
によれば、この結果、5×1018〜1×1019原子/c
m3の範囲のドーパント濃度が得られる。層224の成
長は、層が10〜25nmの範囲の厚さに達するまで続
行されるが、実際の厚さは、InGaAsにおけるイン
ジウムの割合によって決まる。
SMBEまたはOMVPEによって、層224の表面上
にGaAsの層を成長させることによって形成される。
被着させたGaAsに高濃度のp型ドーパント、できれ
ば、炭素を導入することによって、層218が形成され
る。層218におけるドーパントの濃度は、できるだけ
高くする。現在利用可能な技術によれば、約1×1020
原子/cm3のドーパント濃度が可能である。層218
が20〜30nmの範囲内の厚さに達すると、ドーパン
ト濃度は、1×1019〜3×1019原子/cm3の範囲
内の濃度に低下し、バッファ領域210の残りの部分を
構成する層220は、厚さがほぼ800nm程度になる
まで成長させられる。
了する。次に、図2A及び図2Bに関連して、本発明に
よる発光装置の一例として、n駆動SEL200の説明
を行うことにする。SEL200は、基板構造201、
発光構造203、及び、電極212及び214から構成
される。基板構造には、上述のように、基板202、バ
ッファ領域210、及び、基板領域とバッファ領域の間
におけるトンネル接合216が含まれている。発光構造
203は、従来のpドープ基板上に形成される、従来の
SEL構造である。この例の場合には表面発光レーザで
ある、発光構造203には、上部領域206、下部領域
208、及び、上部領域と下部領域の間に挟まれた活性
領域204が含まれている。上部領域は、第1の伝導型
の半導体材料による層であり、下部領域から遠い方の表
面234を含んでいる。下部領域208は、第2の伝導
型の半導体材料による層である。該発光構造は、第2の
伝導型下部領域208がバッファ領域の第2の伝導型表
面232に隣接するように、基板201上に配置され
る。基板領域の第2の表面228には、第1の電極21
4が配置され、上部領域206の表面234には、第2
の電極212が配置される。望ましい実施例の場合、第
1の伝導型はn型である。従って、本発明によれば、実
質的にn型の基板構造201を利用して形成されるn上
部・p下部・n駆動半導体レーザ200が得られる。
2A及び2Bに示す、本発明による発光装置の実施例の
場合、上部領域206及び下部領域208は、既知の技
法を用いて、屈折率の異なる半導体材料の交互層から形
成されるミラー領域である。各層の厚さは、第1の領域
と第2の領域の間に挟まれた発光領域209において発
生する光の波長の1/4になるように選択されている。
交互層は、分布ブラッグ・ミラーを形成する。交互層
は、一般に、AlAs及びGaAsまたはAlAs及び
AlGaAsの層である。
領域206、活性領域204、及び、下部領域208に
よって構成されるn−i−pダイオードに順バイアスを
かけることによって発生する電子とホールの再結合を介
して、自然放出及び誘導放出によって光を発生する。発
光領域209には、一般に、InGaAs、GaAs、
AlGaAS、または、InAlGaAsの1つ以上の
量子井戸が含まれている。発光領域209は、クラッデ
ィング領域211a及び211bによって上部領域20
6及び下部領域208から分離されている。クラッディ
ング領域の材料の選択及び厚さは、発光領域において発
生する光の波長によって決まる。
って、SEL200が発光する。この電流は、上部領域
206、活性領域204、及び、下部領域208によっ
て構成されるn−i−pダイオードを順方向に流れる。
バッファ領域210と基板領域202との間の接合21
6の両側における極めて高いドーピング・レベルによっ
て、該接合がトンネル接合になる。電極212と214
の間に流れる電流は、トンネル接合216に逆バイアス
をかけ、比較的電圧降下の少ない量子力学的トンネル効
果によって、接合を横切って流れる。一般に、トンネル
接合には、電極212に負電圧を印加し、電極214を
アースに接続することによって逆バイアスがかけられ
る。
201を形成し、次に、基板構造のp型表面232上に
層208を被着させることによってSEL発光構造20
3を形成し、その後、層204及び206を形成するこ
とによって、共通のn型基板221上に製作することが
可能である。下部領域208は、屈折率の異なるp型半
導体材料の交互層から構成される。各層の厚さは、発光
領域209において発生する光の波長の1/4になるよ
うに選択される。例えば、発光領域において発生する光
の波長が980nmの場合、下部領域における交互層
は、それぞれ、厚さが980/4n(nm)になるが、
ここで、nは層の屈折率である。
が形成される。活性領域204の全厚さは、発光領域2
09において発生する光の活性領域における波長、また
は、この波長の整数倍に等しくなるようにする。一般
に、活性領域204は、下部クラッディング領域211
aと上部クラッディング領域211bの間に配置された
発光領域209から構成される。望ましい実施例の場
合、下部クラッディング領域211aは、厚さが約10
0nmで、望ましいドーパント濃度が5×1017原子/
cm3のpドープAlGaAsである。発光領域209
は、量子井戸構造を形成する交互になったAlGaAs
バリヤ層とGaAs層(不図示)から構成される。発光
領域の形成後、上部クラッディング領域211bが形成
される。上部クラッディング領域は、一般に、厚さが約
100nmで、n型ドーパント濃度が5×1017原子/
cm3のnドープAlGaAsである。
が形成される。上部領域206は、屈折率が異なり、厚
さが発光領域209において発生する光の波長の1/4
に等しい、n型半導体材料の交互層から構成される。望
ましい実施例の場合、15対の交互層が設けられる。例
えば、交互層には、ドーパント濃度が1×1018原子/
cm3のシリコンをドープしたAlAs、及び、ドーパ
ント濃度が1×1018原子/cm3のシリコンをドープ
したGaAsとすることが可能である。上部領域206
のゾーン230は、注入ステップによって抵抗率の高い
ゾーンに変換することが可能である。一般に、これは、
水素原子の注入によって実施される。
及び214が形成される。図2Aには、n型基板領域2
02とp型バッファ領域210の間に形成されたトンネ
ル接合216を含む、底面発光SELが示されている。
従って、図2Aに示す装置構造の場合、基板221の第
2の表面228に対して、n接点214が形成され、n
型ミラー領域206の上部表面234に対して、n接点
212が形成される。図2Bには、上面発光SELが示
されている。上面発光SELは、底面発光SELには、
一般に、n型上部領域206の上部表面と電極212の
間に位相整合層236が含まれているという点を除け
ば、図2Aに示す底面発光SELと同様である。位相整
合層は、一般に、図2Bに示す上面発光SELでは用い
られない。
例として、発光ダイオード(LED)の望ましい実施例
が示されている。LED300の場合、電極312及び
314は、同じ伝導型の材料に被着させられる。従っ
て、LED300は、実質的にn型の基板構造201を
用いて形成される、n上部・p下部・n駆動LEDとす
ることが可能である。LED300は、基板構造20
1、発光構造303、及び、電極312及び314から
構成される。基板構造には、基板202、バッファ領域
210、及び、基板領域とバッファ領域の間におけるト
ンネル接合216とが含まれている。基板領域は、第1
の伝導型の半導体材料による領域であり、第2の表面2
28に対向する第1の表面226を含んでいる。バッフ
ァ領域は、第1の伝導型とは逆の、第2の伝導型の半導
体材料による層である。バッファ領域は、基板領域の第
1の表面上に配置され、基板領域から遠隔の、p型表面
232を含んでいる。
部領域308、及び、上部領域と下部領域の間に挟まれ
た活性領域304が含まれている。上部領域は、第1の
伝導型の半導体材料による層であり、下部領域から遠い
方の表面334を含んでいる。下部領域は、第2の伝導
型の半導体材料による層である。該発光構造は、下部領
域308がバッファ領域210のp型表面232に隣接
するように、基板201上に配置される。基板領域20
1の第2の表面228には、第1の電極314が配置さ
れ、上部領域306の表面334には、第2の電極31
2が配置される。
る。LED300は、基板構造201のp型表面232
に配置されたn駆動LED発光構造303から構成され
る。基板構造の構造は、図2A及び図2Bに示す基板構
造と同じであり、ここでは説明を繰り返さない。
光構造303は、基板構造201のバッファ領域210
のp型表面232上に形成される。下部領域308は、
基板領域202から遠隔の、バッファ領域210のp型
表面232に配置される。下部領域は、厚さが1μm〜
2μmの範囲のAlGaAsによるほぼ均質な層であ
る。下部領域のAlGaAsには、1×1018〜3×1
018原子/cm3の範囲のドーピング濃度で、適合する
p型ドーパントによるドーピングが施される。
して配置される。上部領域は、厚さが1μm〜2μmの
範囲のAlGaAsによるほぼ均質な層である。上部領
域のAlGaAsには、1×1018〜3×1018原子/
cm3の範囲のドーピング濃度で、適合するn型ドーパ
ントによるドーピングが施される。
領域308の間に挟まれている。電流が活性領域を通っ
て上部領域から下部領域に流れることによって、活性領
域に光が発生する。活性領域は、n型上部領域とp型下
部領域の間の単なる接合とすることも可能である。しか
し、活性領域は、上部領域と下部領域の間に挟まれた厚
さが約0.5μmのGaAsまたはAlGaASによる
層が望ましい。活性領域には、オプションにより、1つ
以上の量子井戸を含むことが可能である。
312及び314によって施される。電極312は、活
性領域304から遠隔の、上部領域の表面334に配置
され、電極314は、バッファ領域210から遠隔の、
基板領域202の第2の表面に配置されている。
ドープ基板のp型表面にこうした構造を形成するために
用いられるのと同様の従来のプロセスを利用して、基板
構造201のp型表面上に形成される。第2の領域30
8は、基板構造のp型表面232上に、できればOMV
PEによって、AlGaAsの厚い層をエピタキシャル
成長させることによって形成される。被着したAlGa
Asに、適度な濃度の任意の適合するp型ドーパント、
できれば、炭素を導入することによって、下部領域が形
成される。ドーパントの濃度は、1×1018〜3×10
18原子/cm3の範囲内が望ましい。下部領域の成長
は、下部領域の厚さが1μm〜2μmの範囲になるまで
続行される。
領域は、下部領域308上に上部領域306をエピタキ
シャル成長させて、活性領域を構成するp−n接合を形
成することによって、形成することが可能である。しか
し、活性領域は、下部領域の表面に厚さ約0.5μmの
GaAsの層をエピタキシャル成長させることによって
形成するのが望ましい。活性領域の成長プロセスにおい
て、量子井戸を形成することも可能である。
きればOMVPEによって、AlGaAsの厚い層をエ
ピタキシャル成長させることによって形成される。被着
したAlGaAsに、適度な濃度の任意のn型ドーパン
ト、できれば、シリコンを導入することによって、上部
領域が形成される。ドーパントの濃度は、1×1018〜
3×1018原子/cm3の範囲内が望ましい。上部領域
の成長は、上部領域の厚さが1μm〜2μmの範囲にな
るまで続行される。最後に、LED300を完成するた
め、活性領域304から遠隔の上部領域306の表面、
及び、基板構造201の第2の表面に対して、金属層の
被着が施される。次に、金属層にマスキング及びエッチ
ングを施して、電極314及び312が形成される。
ついて詳述されているが、言うまでもなく、本発明は、
解説の実施例そのままに制限されるものではなく、付属
の請求項に規定された本発明の範囲内において、さまざ
まな修正を加えることが可能である。
光電子装置に用いられる、p型表面を備えた実質的にn
型の基板構造において、第1の表面及び第2の表面と、
第1の表面に隣接し縮退状態にnドープされた部分とを
含むn型化合物半導体からなる基板領域と、基板構造の
p型表面を形成する基板領域から遠い方の表面と、基板
領域の縮退状態になるようにnドープされた部分に隣接
した、縮退状態になるようにpドープされた部分とを含
む基板領域の第1の表面上に配置されたp型化合物半導
体からなるバッファ領域と、基板領域の縮退状態になる
ようにnドープされた部分とバッファ領域の縮退状態に
なるようにpドープされた部分との間におけるトンネル
接合とが含まれていることを特徴とする、基板構造。
方の側に、縮退状態になるようにドープされた、歪み仮
像半導体材料の層が含まれ、歪み仮像半導体材料が、基
板領域及びバッファ領域の化合物半導体材料よりも狭い
禁止帯幅を備えていることを特徴とする実施態様1に記
載の基板構造。 (実施態様3)基板領域をなすn型化合物半導体材料が
GaAsであり、バッファ領域をなすp型化合物半導体
材料がGaAsであり、歪み仮像半導体材料がInGa
Asであることを特徴とする、実施態様2に記載の基板
構造。
接続を有する発光装置において、互いに対向する第1、
第2の表面を備えた第1の伝導型の化合物半導体材料に
よる基板領域と、第1の表面に配置され、基板領域から
遠い方の表面を含む、第1の伝導型とは逆の、第2の伝
導型の化合物半導体材料によるバッファ領域と、基板領
域とバッファ領域との間におけるトンネル接合とが含ま
れている基板構造と、第1の伝導型の化合物半導体材料
による上部領域、第2の伝導型の化合物半導体材料によ
る下部領域、及び、上部領域と下部領域の間の発光領域
が含まれており、上部領域に、下部領域から遠い方の表
面が含まれていて、下部領域がバッファ領域の表面に隣
接するように、基板構造上に配置されている発光構造
と、基板領域の第2の表面に配置された第1の電極と、
上部領域の表面に配置された第2の電極とが含まれてい
る、発光装置。
電流によって、発光構造が光を発生し、トンネル接合に
逆バイアスをかけることを特徴とする、実施態様4に記
載の発光装置。 (実施態様6)バッファ領域及び基板領域が、少なくと
も、トンネル接合に隣接したそれぞれの部分において縮
退状態になるようにドープされることを特徴とする、実
施態様4に記載の発光装置。 (実施態様7)基板領域の化合物半導体材料が、シリコ
ンをドープされたIII−V族半導体であることと、バ
ッファ領域の化合物半導体材料が、炭素をドープされた
III−V族半導体であることを特徴とする、実施態様
6に記載の発光装置。
GaAsであり、第1の伝導型がn型であることを特徴
とする、実施態様4に記載の発光装置。 (実施態様9)基板構造が、さらに、トンネル接合の一
方の側に、縮退状態になるようにドープされた、歪み仮
像半導体材料の層を含んでいることと、歪み仮像半導体
材料が、基板領域及びバッファ領域の化合物半導体材料
よりも狭い禁止帯幅を備えていることを特徴とする、実
施態様4に記載の発光装置。 (実施態様10)基板領域の化合物半導体材料がGaA
sであることと、バッファ領域の化合物半導体材料がG
aAsであることと、歪み仮像半導体材料が、InGa
Asであることを特徴とする、実施態様4に記載の発光
装置。 (実施態様11)発光構造が面発光レーザであることを
特徴とする、実施態様4に記載の発光装置。
ドであることを特徴とする、実施態様4に記載の発光装
置。 (実施態様13)p型半導体基板の代わりに半導体装置
に用いられる、p型表面を備えた実質的にn型の基板構
造を製造する方法において、互いに対向する第1、第2
の表面含むn型化合物半導体材料による基板領域を設け
るステップと、第1の表面に隣接した基板領域に、縮退
状態になるようにn型不純物をドープするステップと、
基板領域の第1の表面に、p型化合物半導体材料の層を
被着させて、基板領域から遠い方の表面を含むバッファ
領域を形成するステップとが含まれており、p型化合物
半導体材料を被着させて、バッファ領域を形成するステ
ップにおいて、p型化合物半導体材料の少なくとも基板
領域に隣接した部分に、縮退状態になるようにp型不純
物をドープして、基板領域とバッファ領域の間にトンネ
ル接合を形成するステップが含まれることを特徴とす
る、方法。
一方の側に、縮退状態になるようにドープされた、歪み
仮像半導体材料の層を被着させるステップが含まれるこ
とと、歪み仮像半導体材料が、基板領域の化合物半導体
材料、及び、被着させられて、バッファ領域を形成する
化合物半導体材料より狭い禁止帯幅を備えることを特徴
とする、実施態様13に記載の方法。 (実施態様15)n型化合物半導体材料による基板領域
を設けるステップにおいて、化合物半導体材料にGaA
sが含まれることと、p型化合物半導体材料の層を被着
させて、バッファ領域を形成するステップにおいて、G
aAsを含む層が被着させられることと、トンネル接合
の一方の側に、縮退状態にドープされた歪み仮像半導体
材料の層を被着させるステップにおいて、被着させられ
る歪み仮像半導体材料にInGaAsが含まれることを
特徴とする、実施態様14に記載の方法。
て電気的接続を有する発光装置を製造する方法におい
て、対向する第1、第2の表面を含む、第1の伝導型の
化合物半導体材料による基板領域を設けるステップ、第
1の表面に隣接した基板領域に、縮退状態になるように
第1の伝導型の不純物をドープするステップ、及び、基
板領域の第1の表面に、第1の伝導型とは逆の第2の伝
導型の不純物をドープした化合物半導体材料の層を被着
させて、基板領域から遠い方の表面を含むバッファ領域
を形成するステップが含まれており、化合物半導体材料
を被着させて、バッファ領域を形成するステップに、化
合物半導体材料の少なくとも基板領域に隣接した部分
に、縮退状態になるように第2の伝導型の不純物をドー
プして、基板領域とバッファ領域の間にトンネル接合を
形成するステップとが含まれる基板構造を形成するステ
ップと、第1の伝導型の化合物半導体材料による上部領
域、第2の伝導型の化合物半導体材料による下部領域、
及び、上部領域と下部領域の間に挟まれた発光領域が含
まれており、上部領域に、下部領域から遠い方の表面が
含まれていて、下部領域がバッファ領域の表面と接触す
るようになっている発光構造を、基板構造のバッファ領
域の表面上に形成するステップと、基板領域の第2の表
面に第1の電極を形成するステップと、上部領域の表面
に第2の電極を形成するステップが含まれている、方
法。
プにおいて、III−V族半導体を含む基板領域が設け
られることと、第1の表面に隣接した基板領域に、縮退
状態になるように第1の伝導型の不純物をドープするス
テップにおいて、第1の表面に隣接した基板領域にシリ
コンがドープされることと、第2の伝導型の不純物をド
ープした化合物半導体材料の層を被着させて、バッファ
領域を形成するステップにおいて、炭素をドープしたI
II−V族半導体の層が被着させられることを特徴とす
る、実施態様16に記載の方法。 (実施態様18)第1の伝導型の化合物半導体材料の基
板領域を設けるステップにおいて、化合物半導体材料
に、GaAsが含まれることと、第1の伝導型がn型で
あることを特徴とする、実施態様16に記載の方法。
一方の側に、縮退状態にドープされた、歪み仮像半導体
材料の層を被着させるステップが含まれることと、歪み
仮像半導体材料が、縮小された禁止帯幅を有することを
特徴とする、実施態様16に記載の方法。 (実施態様20)第1の伝導型の化合物半導体材料によ
る基板領域を設けるステップにおいて、半導体材料にG
aAsが含まれることと、第2の伝導型の不純物をドー
プした化合物半導体材料の層を被着させて、バッファ領
域を形成するステップにおいて、GaAsを含む層が被
着させられることと、トンネル接合の一方の側に、縮退
状態にドープされた歪み仮像半導体材料の層を被着させ
るステップにおいて、被着させられる歪み仮像半導体材
料にInGaAsが含まれることを特徴とする、実施態
様19に記載の方法。
光レーザ(SEL)の断面図である。
レーザの断面図である。
の断面図である。
て、本発明による実質的にn型の基板構造上に製作され
た、底面発光n駆動SELの望ましい実施例に関する断
面図である。
て、本発明による実質的にn型の基板構造上に製作され
た、上部発光n駆動SELの望ましい実施例に関する断
面図である。
明による実質的にn型の基板構造上に製作された、n駆
動LEDの望ましい実施例に関する断面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】p型表面を備えた実質的にn型の基板構造
において、 第1の表面及び第2の表面と、第1の表面に隣接し縮退
状態にnドープされた部分とを含むn型化合物半導体か
らなる基板領域と、 基板構造のp型表面を形成する基板領域から遠い方の表
面と、基板領域の縮退状態になるようにnドープされた
部分に隣接した、縮退状態になるようにpドープされた
部分とを含む基板領域の第1の表面上に配置されたp型
化合物半導体からなるバッファ領域と、 基板領域の縮退状態になるようにnドープされた部分と
バッファ領域の縮退状態になるようにpドープされた部
分との間におけるトンネル接合とが含まれていることを
特徴とする、 基板構造。
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