(57)【要約】  アクセプターの水素不動態を最小にしたトンネル接合デバイス(102)は、炭素を不純物添加された第1半導体材料のp型トンネル接合層(106)を含む。第1半導体材料は、アルミニウム、ガリウム、ヒ素及び、アンチモンを含む。第2半導体材料のn型トンネル接合層(104)は、インジウムと、ガリウムと、ヒ素を含み、かつ、アルミニウム及びヒ素の一方をも含む。p型層とn型層のトンネル接合層間の接合は、トンネル接合(110)を形成する。
2007538410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクセプタの水素不動態を最小にしたトンネル接合デバイスであって、
アルミニウム(Al)と、ガリウム(Ga)と、ヒ素(As)と、アンチモン(Sb)を含み、炭素が不純物添加された第1半導体材料のｐ型トンネル接合層と、
インジウム(In)と、ガリウム(Ga)と、ヒ素(As)を含み、かつ、アルミニウム(Al)及びリン(P)の一つをも含む第2半導体材料のn型トンネル接合層と、
上記トンネル接合層の間にトンネル接合とを、含むことを特徴とするトンネル接合デバイス。
【請求項２】
前記n型トンネル接合層の前記半導体材料は、実質的にIndium Gallium Aluminum Arsenide InxGayAl(1-x-y)Asから成り、0.83≧x≧0.24及びy≧0であることを特徴とする請求項1記載のトンネル接合デバイス。
【請求項３】
前記p型トンネル接合層の前記半導体材料は、実質的にAluminum Gallium Arsenide Antimonide AlyGa(1-y)As(1-x)Sbxから成り、0.752≧x≧0.22及びy≧0であることを特徴とする請求項2記載のトンネル接合デバイス。
【請求項４】
前記p型トンネル接合層の前記半導体材料が、実質的にAluminum Gallium Arsenide Antimonide AlyGa(1-y)As(1-x)Sbxから成り、0.752≧x≧0.22及びy≧0であることを特徴とする請求項1記載のトンネル接合デバイス。
【請求項５】
前記n型トンネル接合層の前記半導体材料が、実質的にIndium Gallium Arsenide Phosphide InyGa(1-y)As(1-x)Pxから成り、1≧x≧0及び1≧y≧0.24であることを特徴とする請求項1記載のトンネル接合デバイス。
【請求項６】
前記p型トンネル接合層の前記半導体材料が、実質的にAluminum Gallium Arsenide Antimonide AlyGa(1-y)As(1-x)Sbxから成り、0.752≧x≧0.22及びy≧0であることを特徴とする請求項5記載のトンネル接合デバイス。
【請求項７】
1000ナノメートルから1650ナノメートルの間の波長を有する光を生成するために構成されたことを特徴とする請求項1記載のトンネル接合デバイス。
【請求項８】
前記トンネル接合層の少なくとも1つは、厚さ≦3Onmであることを特徴とする請求項1記載のトンネル接合デバイス。
【請求項９】
前記トンネル接合層の各々の層は、厚さ≦3Onmであることを特徴とする請求項1記載のトンネル接合デバイス。
【請求項１０】
トンネル接合構造を作る方法であって、
上面と、前記上面の反対側に下面を有し、基板のバンドギャップと基板の格子定数により特徴づけられる、InP基板を設けるステップと、
注入された電荷に応じてレーザー光波長で光を生成するために構成される有効バンドギャップを有するアクティブ領域を前記基板を覆って形成するステップとを含み、
第1半導体材料は、アルミニウム（Al）と、ガリウム（Ga）と、ヒ素（As）と、アンチモン（Sb）から成り、前記方法は更に、レーザー光波長の光子エネルギーより少なくとも80ミリ電子ボルト大きい有効バンドギャップを室温において有する、第1半導体材料の第1トンネル接合層を前記アクティブ領域を覆って形成するステップと、
約1.5×1019cm-3から3×1020cm-3までの範囲の炭素濃度を有するp型トンネル接合層を形成するように前記第1半導体材料に不純物を添加するステップとを含み、
第2半導体材料は、インジウム（In）と、ガリウム（Ga）と、ヒ素（As）を含み、かつ、アルミニウム（Al）及びリン（P）の一つをも含み、少なくとも一つの前記トンネル層が、前記基板格子定数のプラスマイナス2%の範囲内の歪み適合を有し、前記方法は更に、トンネル接合構造を形成するように前記第1トンネル接合に対して並置される前記第2半導体材料の第2トンネル接合層を形成するステップとを、含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に面発光レーザー、特に長波長垂直キャビティ面発光レーザー（Vertical Cavity surface Emitting Lasers: VCSEL）のためのトンネル接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直キャビティ面発光レーザー（VCSEL）は、データ通信システムの重要な構成要素となっている。現在の商用のレーザーは、850nmで動作し、このレーザーは、GaAs基板上のAlAsGaAs/GaAs半導体層を使用して作られている。これらのレーザーにおいて、光学キャビティを形成しているミラーは、AlAs及びGaAsの層を交互に使用して形成され、アクティブ領域の少なくとも片方の側上のAlAs/AlGaAs鏡を伴っている。片側にあるn型スペーサ層はアクティブ領域に隣接しており、もう一方の側にp型層スペーサがある。そのことによって、電圧が上記レーザーに作用したときに、アクティブ領域にキャリアが注入される。遠距離通信に重要な1.3もしくは、1.5ミクロン波長のレーザー光線を出しているVCSELを達成する研究の1つは、InP基板に基づく材料からレーザーを作ることである。
【０００３】
この方法の1つの問題は、レーザーのp型不純物を添加（ドープされた）された層における高率の自由キャリア吸収である。自由キャリア吸収は、低エネルギーレベルから空の高エネルギーレベルまで移ることによる輻射を、バンド内の電子またはホールが吸収する現象である。レーザー光線波長が長波長であり1.3もしくは、1.55ミクロンへ増加するにしたがい、この問題はより悪くなる。しかし、自由キャリア吸収は、850nmの VCSELの様な短波長VCSELでは、重大な問題とならない。
【０００４】
さらに悪いことには、p型層の弱い可動性は、非均一な電流の注入を生じる。したがって、均一な電流の注入をするために厚いp型層が必要である。厚さの増加したp型層は、自由キャリア吸収によって全体の光学吸収を増加させる。
【０００５】
最近、いくつかのグループによってなされたように、これらの長波長VSCEL問題は、p型不純物を添加された層のほとんどを、n型不純物を添加された層と取り替えるためにトンネル接合を使用することで解決され得る。n型不純物を添加された層が、p型不純物を添加された層より低い自由キャリア吸収と、より高い可動性キャリアを有するので、全体の光学吸収は、トンネル接合を有するp型不純物を添加された層の置き換えによって減少でき、均一な電流の注入を得ることができる。トンネル接合もしくは、エサキ接合がよく知られており、長波長VCSELも使えるが、それ以外にも太陽電池のような多くのほかの応用に使うことができる。
【０００６】
トンネル接合のない従来のVCSELは、1つのp-n接合を有し、p-n接合はアクティブ領域を形成する。キャリア注入は、キャリアがp-n接合を通って注入されるプロセスである。それは、外部電源が接合に接続されると、電子はn型層からp型層に注入され、ホールはp型層からn型層へ注入されるというプロセスである。
【０００７】
他方、トンネル接合を有するVCSELは、n-p-n接合を必要とする。第一に、n-p接合はトンネル接合であり、n型及びp型不純物を多量に添加された層を有している。第２に、p-n接合は、従来のVCSELと同じようにアクティブ層によって形成される。電気バイアスが、アクティブ層のp-n接合に順方向で供給されると、同じ電気バイアスは、トンネル接合に対する逆バイアスとして現れる。その結果、VCSELにおいて使われる逆にバイアスされたトンネル接合は、p型不純物を添加された層のホールの流れを、n型不純物を添加された層の電子の流れに変える。
【０００８】
できるだけ理想的に近いトンネル接合をつくり、VCSELの直列抵抗を最小にするために、非常に高率のn型及びp型不純物添加を、トンネル接合を形成している複数の層の中に得ることが必要である。
【０００９】
低い光学吸収がVCSELのためのトンネル接合において望まれていることもまた知られている。VCSELにおいて光学吸収が低い場合、傾斜効率が増加する間に閾値電流は減少する。傾斜効率が増加するにつれて、VCSELの最大出力パワーは増加する。
【００１０】
VCSELの光学吸収は光学吸収、散乱損失から成る。光学吸収は、自由キャリア吸収及びバンドギャップ吸収から成る。波長の光子エネルギーがバンドギャップエネルギーより大きいとき、バンドギャップ吸収は、典型的には>4000cm-1であり、自由キャリア吸収と比較して支配的であり、自由キャリア吸収は、おおよそ<100cm-1の範囲である。
【００１１】
アクティブ層または領域は、光学ゲインを得るために、半導体注入型レーザーもしくは、発光ダイオード層もしくは領域中の層もしくは領域である。アクティブ領域は実際に単一の層ではなく複数の層であり、それぞれの層が自身の格子定数を有することができる。一般的に、アクティブ領域は、圧縮的に歪んだ量子井戸層と、しばしば、張力により歪んだバリア層を備えた複数の量子井戸から成る。トンネル接合は、到来する電子をアクティブ領域に注入されるホールに変える。電子は、アクティブ領域にn型側からアクティブ領域に注入され、ホールはp型側からアクティブ領域に注入される。アクティブ領域における電子及びホールの再結合は光子をつくる。そして、そのことがレーザー動作を可能にしている。
【００１２】
層の数ほど多くの格子定数があり得て、それらは全て異なり得る。通常、格子定数を揃えようとするが（基板に適合した格子）、設計自由度を増やすための歪みを導入するために格子定数を変更することもある。例えば、アクティブ領域の量子井戸は、レーザー発光中では、より低閾値、かつ、よりハイゲインなように、一定の利点を得るために意図して歪まされる。しかし、歪み層の厚みは、それが一定の厚さレベルを越えて結晶の欠陥をつくるので制限され、性能の低いデバイスと低い信頼性が発生している。したがって、アクティブ領域の量子井戸のように、それが実際に必要でない限り歪み層は使われてはならない。光学キャビティを形成するためにスペーサ層を含んだフィードバック共鳴器は、VCSELにおいてレーザー光を得るために一般に使われる。
【００１３】
1つの技術的な課題は、トンネル接合においてトンネリングの高い確率が必要であるということである。トンネリングは、バリアを通過するある原子粒子の能力の観測された結果である。そのバリアは必要とされるエネルギーのために粒子が通り過ぎることができない。それは、量子力学の法則に基づいており、粒子の量子的機構の性質によれば、粒子がトンネリングに関する有限の確率を有すると予測している。トンネリングの確率が増加する場合、電気抵抗は減少する。電気抵抗が減少するにつれて、デバイス内部のジュール熱は減少する。熱が減少するにつれて、全体的なデバイスの温度性能及び最大出力パワーは増加する。
【００１４】
トンネリングの確率を上げるために、1つの重要な方法は、不純物添加がトンネル接合を形成しているn型及びp型の各層の中で不純物添加レベルを可能な限り高くすることを確実にすることである。同時に、低拡散性不純物（ドーパント）が、トンネル接合に不純物を添加するために必要である。
【００１５】
位置制御するために低拡散性不純物が必要である。一般的に、トンネル接合は、光学キャビティ中の光学フィールドの定常波の節にある。光学吸収が光学フィールドの強度と比例しているので、定常波の節では吸収はより少ない。したがって、トンネル接合が節の位置と適合する場合、吸収はより少ない。低拡散性不純物は、トンネル接合の位置を定義をするために必要である。しかし、不純物が至る所に散っている場合、トンネル接合は定常波の節と、もはや一致せず光学吸収は増加する。
【００１６】
炭素は非常に低い拡散係数を有するので、分散を防ぎながら非常に高率のp型不純物添加を得るのにp型不純物として炭素(C)を使用することが必要である。あいにく、有機金属化学気相成長法（Organometallic Chemical vapor deposition: OMCVD）によって成長する多くの材料の炭素アクセプタの非常に多くが、ホールが高濃度であることを防いでいる水素（H）原子により補償される。この問題は、材料を成長させることによる分子線エピタクシ法（Molecular Beam Epitaxy: MBE）によって回避することが可能であるが、量産するための好適な方法はOMCVD法である。したがって、好適な量産成長技術であるOMCVD法によって高率のp型不純物添加を得ることは、水素によるアクセプタの不動態のために難しい。
【００１７】
トンネリングの確率を上げる他の方法は、トンネル接合が望ましい小さな違いを維持するようにすることであることもまた知られている。その違いは、p型トンネル接合層材料の価電子バンドエネルギー（EV）とn型トンネル接合層材料の伝導バンドエネルギー（EC）間の違いである。これを達成するために、トンネル接合を形成している材料のバンドギャップが最小にされなければならないことが知られている。しかし、個々のトンネル接合層のバンドギャップがレーザー光波長に対して小さすぎる場合、バンドギャップによる光学吸収は増加する。長波長VCSBL研究の長期的な問題は、他の技術的や製作試行を鑑みて、これらの条件を満たすために、どのようにトンネル接合層の材料の最適な構成を公式化するかということと、どのように光学吸収を最小するかということが残っている。
【００１８】
特定の実施において、他の未知の性質としては、水素(H)不動態を最小にする一方で、炭素を使用する高レベルのp型不純物添加を有するAlGaInAsのような代用材料に不純物を添加することの難しさを挙げられる。最近、炭素が不純物添加されたGaAsSbにおいて、水素による不動態の問題が、ほとんど存在しないことが示された。しかし、他の技術的と製作の課題も解決しなければならない。GaAsSbのバンドギャップは、1.55ミクロン波長の長波長VCSELでさえ、使用するには小さすぎるとわかった。張力歪みがあるGaAsSbでさえ、1.3ミクロンのような長波長VCSELを満たすには、バンドギャップが小さすぎるかもしれない、と我々は信じている。小さすぎるバンドギャップであることは、多量のp型不純物を添加された半導体中に形成されたバンドテイルのために生じている。このようなバンドテイルは、固有（内在的な）バンドギャップ未満のエネルギーで過度の吸収を生じさせている。バンドギャップが小さいという問題に加えて、歪み層も避けられるべきである。
【００１９】
GaAsSbのようなある特定の材料システムの長波長VCSEL中における炭素が不純物添加されたトンネル接合の方法において、歪みとバンドギャップは相互接続される。バンドギャップが歪みから独立していないとき、トンネル接合の望まれていない特性を克服するための柔軟性がない。歪みをバンドギャップから分離することは、ある半導体デバイスではよく知られている。しかし、特定の材料システムと特定のデバイス実装で分離することの必要性または実現は知られていない。分離するために、最適なバンドギャップ値があらかじめ決定される必要があり、その結果、製作資源及び時間が無駄にならない。
【００２０】
AlGaAsSbは、1.3もしくは、1.55ミクロンのレーザー光波長より大きいバンドギャップを有することができる。GaAsSbのバンドギャップは狭すぎて、結果として、GaAsSbがトンネル接合の一部として使われる場合、大きな光学吸収もしくは損失を有する。Agilentの特許出願US 2004/0051113の図4で分かるように、“InP”が共通の基板材料として右側の垂直軸で使われる。InP上に層を成長させるために、上記層の格子定数は、InPの格子定数に適合させる必要がある。GaAsSbでは、Sbの約半分（0.5の割合）でInPに適合する。しかし、この場合、GaAsSbのバンドギャップが約1.55 μm であり、そのことは、1.55もしくは、1.31μmのレーザー光波長のVCSELにおいて使われるトンネル接合の過度の吸収を防ぐためには十分でない。
【００２１】
他の現象は、より先んじて所定の最適なバンドギャップを決める際に考慮される必要がある。バンドテイルが知られているが、VCSELや他のデバイスにおいて使用されるトンネル接合層中のバンドテイルの存在はまだ教示されていない。例えば、多量のp型不純物添加はバンドテイルを引き起こす。そして、そのことは半導体固有のバンドギャップエネルギーより低いエネルギーにおいて吸収として現れる。p型層では、有効バンドギャップを定義でき、それは固有のバンドギャップより低く、それは吸収が無視されることができるバンドギャップより下である。それ故、バンドテイルの大きさ及び有効バンドギャップは、不純物添加レベルに依存する。p型層での吸収を最小にするために、レーザー光波長の光子エネルギーと有効バンドギャップ間で十分な分離が維持されなければならない。トンネル接合のp型層の光子エネルギーの固有バンドギャップ間の同様な分離は、レーザー光の高すぎる吸収を引き起こす。
【００２２】
長波長VCSELのトンネル接合中の特定の材料システムで、どのようなp型不純物添加及びn型不純物添加が使われるというかという詳細な性質は大きな問題である。なぜなら、結果として生じる構造が含む複数の機能を実行しなければならないからである。複数の機能は、低い連続抵抗を提供することと、キャリアがアクティブな領域に集中することと、自由なキャリア吸収の影響を最小にすることを含んでいる。
【００２３】
p型材料に関して、バンドテイルは、大きな吸収が起こるエネルギーにおいて、エネルギーのが減少を引き起こす（有効バンドギャップが減少する）。n型材料において、Moss-Burstein効果（バンド充填による）が、吸収がより高いエネルギーにシフトを引き起こす（有効バンドギャップが増加する）。n型材料を満たしている大きいバンドのため、バンドテイルは有効バンドギャップを減らすことに対して役にたたない。n型トンネル接合層に関して、Moss-Bursteinシフトがない場合より小さな固有バンドギャップを有する材料を使用できる。
【００２４】
Moss-Burstein効果は、p型材料中にも存在し得るが、バンドの充填は、ホールが電子と比較して大きな質量であるため最小である。したがって、非常に大きな吸収がp型材料中で生じるエネルギーでのエネルギーの増加は本質的にない（バンドテイルによる影響に反する）。
【００２５】
もう一つのこれまでに説明されていない効果は次のような現象である。それは、多量の不純物添加は、バンドテイルが形成され、固有バンドギャップより低いエネルギーで起こる現象である。これらのバンドテイルは避けられない望ましくない特徴であり、レーザー光波長において結果として生じる吸収の増加は、p型トンネル接合層の固有バンドギャップを増やすことで克服されなければならない。
【００２６】
したがって、長波長VCSELとともに使用可能なシンプルな働きをするトンネル接合は、性能制限と製作制限の特性を克服することが要求されている。OMCVD反応子中にアクセプタの水素不動態が最小であることが製作の条件である。製作資源と時間の浪費することなく、トンネリングの確率を上げる長波長VCSELトンネル接合層の歪みとバンドギャップの分離に関して、所定の最適なバンドギャップ値を決定することが望ましい。
【発明の開示】
【００２７】
本発明は、p型トンネル接合層としての炭素が不純物添加されたAlGaAsSbの使用を教示して、P++ -AlGaAsSb/N++ -AlGaInAsの組み合わせが優れたトンネル接合であることを実証した。Alの導入によって、AlGaAsSbのバンドギャップから歪みを分離することができて、トンネル接合の設計において自由度を増やすことができる。Alの導入によってさらに、多量のp型不純物添加された半導体において形成されるバンドテイルの有害な影響を克服できる。
【００２８】
本発明の一つの態様は、アクセプタの最小水素不動態を有するトンネル接合デバイスである。このトンネル接合デバイスは、炭素が不純物添加された第1半導体材料のp型トンネル接合層を含む。第1の半導体材料は、アルミニウム（Al）、ガリウム（Ga）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）を含む。第2の半導体材料のｎ型トンネル接合層は、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、ヒ素（As）、そして、アルミニウム（Al）とリン（P）の一方を含む。p型とn型トンネル接合層間の接合は、トンネル接合を形成する。
【００２９】
他の態様において、本発明は、p型トンネル接合層を形成するために第1半導体材料を不純物添加することを含み、このp型トンネル接合層は約1.5×1019cm-3から3×1020cm-3まで炭素濃度を有する。
【００３０】
本発明の更なる特徴及び利点は、以下の詳細な説明に記載される。当該特徴及び利点は部分的には、その説明から当業者に明らかであるか、詳細な説明、特許請求の範囲及び添付の図面を含む本願で説明されている発明を実施することによって認識されるであろう。
【００３１】
前述の概略及び以下の詳細な説明は、ともに本発明の実施例を示し、特許請求の範囲にあるように、本発明の本質及び特徴を理解するための概要または枠組みを与えることを意図している、ということが理解されるべきである。添付図面は、本発明の更なる理解のために含まれており、本明細書に取り込まれかつ、本明細書の一部を構成するものである。図面は本発明の様々な実施例を示しており、説明とともに本発明の詳細な説明する働きをしている。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の好適な実施例に詳細に説明される好適な実施例のいくつかが添付図面に示される。可能なときはいつでも、同じ参照番号が図面の全体にわたって同じもの、もしくは同様のものに使われる。本発明の半導体装置の一実施例は、図1に示されて、本願において全体を通して参照番号100番号が付けられる。
【００３３】
図1を参照すると、アクセプタの最小水素不動態を有するトンネル接合装置102は、炭素（C）が不純物添加された第1半導体材料のp型トンネル接合層106を含む。新しい材料システムの組合せの部分として、第1の半導体材料は、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)を含む。本発明では、トンネル接合のためのp型材料として炭素（C）が不純物添加されたAlGaAsSbを使用している。それは炭素アクセプタの水素補償がAlGaInAsのような材料よりかなり少ないからであり、そして、水素補償がp型トンネル接合層を形成するために予め使われている。
【００３４】
p型トンネル接合層106に対して並置された第2半導体材料のn型トンネル接合層104は、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、ヒ素(As)を含み、アルミニウム（Al）とリン酸塩(P)の一方を含む。p型とn型トンネル接合層間の接合は、トンネル接合110を形成する。
【００３５】
トンネル接合層104もしくは、106の少なくとも1方は、3Onm以下の厚さである。好ましくは、トンネル接合層104と106の各々の厚さが30nm以下である。
【００３６】
図2を参照すると、図1の半導体デバイス100は、発光デバイスとして図1に記載されているトンネル接合構造102を取り込んで、より詳細に示されている。InP基板240は、上側及び、上側の反対である下側を有し、基板のバンドギャップと基板の格子定数により特徴づけられている。トンネル層104及び106は十分薄く成長するので、上記２つのトンネル層の少なくとも一方は、基板の格子定数とプラスマイナス2%内で歪み適合する。
【００３７】
結晶の成長後、InP基板240は選択的に除去されうる。しかし、InP基板が結晶の成長のために必要とされるので、トンネル接合はまだ格子の適合条件を満たす必要がある。第1干渉反射器230、例えばGaAs/AlAsミラーから成っている分布ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector: DBR)は、InPに基づくトンネル接合102及びアクティブ領域212に、InP基板240の除去の後に成長もしくは、結合されることができる。
【００３８】
アクティブ領域212は、InP基板240の上側を覆って成長する。アクティブ領域212は、トンネル接合構造102から注入されている電価に応答してレーザー光波長の光をだす有効バンドギャップを有する。設計によって、アクティブ領域212は、1000ナノメートルから1650ナノメートル間の波長を有する光を生成するように構成される。
【００３９】
第1干渉反射器230は、レーザー光波長で強く光を反射し、InP基板240の近くで、かつ、トンネル接合構造102から離れたところに形成される。第2干渉反射器232は、第1干渉反射器230から離れて配置され、かつ、トンネル接合構造102の近くに配置される。第2干渉反射器232は、第１と第２干渉反射器230と232の間に配置されるアクティブ領域212によって発生するレーザー波長光のほとんどを反射する。
【００４０】
第１と第２反射器230と232の対向する面同士の光学的距離がレーザー波長との所定の関係を有するので、上記光学的距離は、垂直キャビティ面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL）に対する垂直光学キャビティ250を形成する。要求される光学距離を提供するために、一つまたは複数のスペーサが、第１及び第２干渉反射器230と232の間に配置される。例えば、基板側スペーサ層216及び離れた側のスペーサ層218が、トンネル接合スペーサ層246がトンネル接合構造102を囲む一方、アクティブ領域212を挟み込む。設計によって、光学キャビティ250は、アクティブ領域212において発光したレーザー光波長で共振する。
【００４１】
好ましくは、トンネル接合構造102は、OMCVDチャンバー内で摂氏約400-700度の範囲の温度設定でエピタキシャル成長する。第1トンネル接合層の第1半導体材料は、n型トンネル接合層104とアクティブ領域212との間でエピタキシャル成長して、第1トンネル接合層の第1半導体材料は、p型トンネル接合層106を形成するために、約1.5×1019cm-3から3×1020cm-3の範囲の炭素濃度による不純物添加がなされる。
【００４２】
第2の半導体材料も同様な成長して、第2の半導体材料は、n型トンネル接合層104を形成するために、約1.5×1019cm-3から5×l019cm-3の範囲のシリコン（Si）濃度の不純物添加がなされる。しかし、Snのような他のn型不純物も使うことができる。
【００４３】
図3A及び3Bを参照すると、図2のInP基板240上に大量のp型不純物を添加されたAlGaAsSb層106に関して、吸収対エネルギーのグラフ及びフォトルミネセンス（PL）強度対エネルギーのグラフがそれぞれ示されている。本発明によれば、p型トンネル接合層104は、有効バンドギャップ414を有するように設計され、この有効バンドギャップは、室温312におけるレーザー光波長のエネルギーよ少なくとも80ミリ電子ボルト（meV）大きい。
【００４４】
PLピークが起こるエネルギーは、材料の有効バンドギャップ4l4にほぼ相当する。図3Aから分かるように、このエネルギーでの吸収は大きい（高い）。図3Aから、PLのピークエネルギーの下の80meVのエネルギーで、吸収が約2桁減少することが分かる。レーザー光の吸収を最小にするために、この材料のPLピークエネルギー（おおよそ有効バンドギャップエネルギーである）が、レーザー光波長312の光子エネルギーより上の80meVとなるようなp型不純物を添加されたAlGaAsSb層106の構成を選択する必要がある。この80meVの分離は、トンネル接合層の有効バンドギャップ414とレーザー光波長312の光子エネルギーの間で必要であるが、トンネル接合層の固有バンドギャップとレーザー光波長の光子エネルギーの間では必要ない。先んじて最適なバンドギャップ値を決定することは、製作資源及び時間をむだに使わないで済む。それ故に、炭素が不純物添加されたAlGaAsSb のp型トンネル接合層106（及び、n型不純物を添加されたトンネル接合層104）の有効バンドギャップは、各々の有効バンドギャップ414がレーザー光波長312の光子エネルギーに関付けられた以下の式を満たさなければならない：
有効バンドギャップ(meV)≧室温でのレーザー光波長のエネルギー(meV)+80meV（式1）
式1を使用すると、 n型トンネル接合層の有効バンドギャップ414が、レーザー光波長312の光子エネルギーにも関係付けられる。本発明の教示によると、p型層で使ったのと同じ式をn型層にも使うことが実際によりよい。このことによって、より小さい固有バンドギャップを有する材料を使用することができ、トンネル接合性能を強化するためのトンネリングの確率を上げるためによりよい。n型層の場合、有効バンドギャップは、図4Bで分かるように、固有バンドギャップより大きい。
【００４５】
図4A及び4Bを参照すると、p型及びn型の不純物を添加されたGaAsの吸収対エネルギーのグラフがそれぞれ示されている。曲線がより低いエネルギー値へ移行することは除き、AlGaInAsのp型トンネル接合層106及び n型トンネル接合であるAlGaAsSbのグラフは類似している。たとえGaAsがAlGaAsSbの代わりに示されるとしても、p型層とn型層の曲線の間に同じ傾向が存在する。
【００４６】
不純物濃度が増加すると、曲線の番号が増加する。例えば、曲線400は、図4Aのp型不純物添加のグラフと、4B のn型不純物添加のグラフの両方のグラフにおいて高純度GaAsサンプルが参照開始基準線として用いられた場合を表している。ここで図4Aの自由ホール濃度が約1.6×l016 cm-3であり、4Bの自由電子濃度が5×l013cm-3である。不純物添加の濃度が増加して、曲線422は、図4Aのp型不純物添加のグラフと、4B のn型不純物添加のグラフの両方のグラフにおいて次に高い濃度の場合をそれぞれ表している。ここで図4Aの自由ホール濃度が約2.2×l017 cm-3であり、4Bの自由電子濃度が5.9×l017cm-3である。曲線の進行は同様な一連のカーブ424、426、428及び430（図4Aにのみ掲載）でも続く。
【００４７】
グラフを比較すると、不純物濃度の増加に伴って曲線の番号が増えるように曲線を見ていくと、p型不純物の増加に伴いp型層の吸収端402はより小さいエネルギーに変わる傾向がある。
【００４８】
他方、不純物濃度が増加するに伴い、n型層の吸収端402は曲線の番号が増えるように曲線を見ていくと、より高いエネルギーに移り変わる。したがって、有効バンドギャップ414は、n型半導体のMoss-Burstein効果のために固有バンドギャップ412より大きく見える。したがって、n型トンネル接合層104のバンドギャップを設計するために、固有バンドギャップ値を使用すること（Agilentの特許出願US2004/005 1113に記載されている固有バンドギャップ値）は、問題ではない。
【００４９】
Agilentの特許出願US2004/005 1113の第52段落では、n型層の固有バンドギャップは、p型材料と異なることが教示されている。このp型材料は、アクティブ領域において発生する光の吸収を避けるために十分高い固有バンドギャップを有する。n型層及びp型層のバンドギャップは、トンネリングの確率を上げ、より良いトンネル接合を作るためにできるだけ低くなければならない。さらに、Agilentの特許出願US2004/005 1113は、p型トンネル接合層の材料の価電子バンドエネルギーと、n型トンネル接合層の材料の伝導バンドエネルギーの差も小さくなければならないことを教示している。
【００５０】
レーザー光波長の光子エネルギーとして、同じ固有バンドギャップを有するn型層が使われる場合、この層の有効バンドギャップ414（固有バンドギャップ412より非常に高い）はほとんど式1を満たしている。他の会社は、トンネル接合を有するVCSELを既に実証しており、それは、レーザー光波長の光子エネルギーより狭い固有バンドギャップのn型層を有している。
【００５１】
しかし、Agilentの特許出願US2004/005 l113に従って設計される場合、p型接合層106は問題を有する。当該問題に対処するために、有効バンドギャップとレーザー光波長の光子エネルギーの間の80meVの分離がp型材料に関して示されているのである。本発明の教示に従うと、炭素濃度を備えたp型トンネル接合を形成するための固有バンドギャップを有する第1半導体材料の不純物添加は非常に高いので、望ましくないバンドテイルが形成される。このバンドテイルは、有効バンドギャップ414に対するp型層の固有バンドギャップ412を事実上減ずる。
【００５２】
バンドテイル（結果404を生ずる）は、不純物が添加されていない、もしくは固有値412から、有効にp型層のバンドギャップ414を減少させる−それが有効バンドギャップ414を有する理由であり、それは実際の（もしくは固有の）バンドギャップ412と異なる。p型層の中で不純物添加が増加するに伴い、より大きい固有バンドギャップが必要である。なぜなら、バンドテイル（結果404を引き起こすこと）が有効バンドギャップ414を増減させるからである。
【００５３】
トンネル接合層104及び106による吸収は、VCSEL内のレーザー光によって定常波パターンが形成される際のゼロ点にそれらを置くことによって、更に小さくする。
【００５４】
光学吸収が妨げられたところよりアルミニウムの割合が極めて多いということは避けられるべきである。それは、p型トンネル接合層の材料の価電子バンドエネルギーと、n型トンネル接合層の材料の伝導バンドエネルギーとの間の望ましい小さな違いを維持するためであり、できるだけ小さいバンドギャップを維持するためでもある。
【００５５】
本発明の教示によれば、バンドギャップは、トンネル接合層の望まれていない吸収を克服するためにより多くの柔軟性を提供して、歪みから独立して変えられる。本発明の教示に従うと、歪みとバンドギャップの分離ができる。第1半導体材料がp型トンネル接合層にアルミニウム（Al）を含む理由は、p型トンネル接合層106の格子定数を維持すること、かつ、トンネル接合構造102のp型トンネル接合層106の有効バンドギャップが吸収を避けるためにレーザー光波長の光子エネルギーより高いことを許容することにより、バンドギャップから格子歪みを分離するためである。
【００５６】
Alをp型トンネル接合層に含むことは、トンネル接合のn型層に影響しない。また、Alを含むことは、p型トンネル接合層の格子定数を維持し、バンドギャップを維持する一方、p型トンネル接合層の歪み調整することができることである。歪み層中で転位を導くことのない30 nmのp型トンネル接合層（n型トンネル接合層も同様に）中では、歪みは2%まであり得る。
【００５７】
Alを加えることによって、同じ格子定数は維持され得るが、バンドギャップは増加できる。GaAsSb中のAs/Sb比率を変えるときにバンドギャップが変化し、格子定数が変化するので、歪みが変化する。AlGaAsSb（もしくは、AlGaInAs、AlGaAsなど）中のAl/Ga比率を変えるときに格子定数はほとんど一定であり、バンドギャップだけが変化する。
【００５８】
本発明によれば、p型のAlGaAsSb層で吸収が起こる波長は、望ましくないバンドテイルの結果を補正するために減少する。減少ステップは、p型AlGaAsSb層の構成を調整することを含む。それは、十分低い吸収を得るためにAl/Ga及びAs/Sbの比率を適宜調整することによってなされる。その結果、p型AlGaAsSb層は、室温におけるレーザー光波長の光子エネルギーより少なくとも80ミリ電子ボルト大きい有効バンドギャップを有する。歪みが一定の場合、Al/Ga比率だけが調整される。
【００５９】
実験的に、歪みを制御するためにAs/Sb比率を一定の不純物添加レベルで調整するとともに、有効バンドギャップ（80meVより上、もしくは、レーザー光波長の光子エネルギーと同等のエネルギー）を制御するためにAl/Ga比率を調整する。歪み変化の計算結果によれば、5×1019cm-3までの不純物添加を伴う歪み変化は非常に小さく、無視できることを示唆するようである。いずれにせよ、不純物ガス（CBr4もしくは、CCl4）の導入は成長作用を変えて、As/Sb比率（及び場合によってはAl/Ga比率）の変化を導く。そして、そのことは、歪みを変化させる。不純物添加に伴って有効バンドギャップが変わるので、AlGaAsSbの構成が何であるかを決定するのが困難であるが、それは所望の有効バンドギャップと歪みを得るために調整されることができる。
【００６０】
InxGayAl(1-x-y)AsとInPの間のプラスマイナス2%で歪みを維持するために、xが0.83≧x≧0.24を満たすべきであり、yの値は所望のバンドギャップを得るために調整される。材料システムの最適な選択のための本発明の教示によると、n型トンネル接合層104の半導体材料は、実質的にIndium Gallium Aluminum Arsenide InxGayAl(1-x-y)As から成る。ここで0.83≧x≧0.24であり、y≧0である。n型トンネル接合層104の材料構成の場合は、p型トンネル接合層106の半導体材料は、実質的にAluminum Gallium Arsenide Antimonide AlyGa(1-y)As(1-x)SbXから成る。ここで、0.752≧x≧0.22であり、y≧0である。
【００６１】
あるいはまた、n型トンネル接合層104の構成に関係なく、p型トンネル接合層の半導体材料は、実質的にAluminum Gallium Arsenide Antimonide AlyGa(1-y)As(1-x)SbXから成る。ここで、0.752≧x≧0.22であり、y≧0 である。
【００６２】
n型トンネル接合層104の半導体材料が実質的にIndium Gallium Arsenide Phosphide InGa(1-y)As(1-x)Pxから成る（1≧x≧0であり、1≧y≧0.24）場合、実質的にAluminum Gallium Arsenide Antimonide AlyGa(1-y)As(1-x)SbXから成るp型トンネル接合層の半導体材料は（0.752≧x≧0.22であり、y≧0）、トンネル接合のために炭素が不純物添加されたp型材料として使われる。
【００６３】
InGa(1-y)As(1-x)Pxが格子としてInPに適合するならば、
y =（0.2154 + 0.2021x）/（0.405l + 0.0125x）（式 2）
となる。しかし、InGa(1-y)As(1-x)Px層は、プラスマイナス 2%の歪みを有するように設計され得る。AlGaAsSbは好適なp型トンネル接合層であり、それは、炭素アクセプタの水素補償がAlGaInAsのような材料と比べた場合かなり少ないことから分かった。AlGaInAsはトンネル接合を形成するために共通して使われる。
【００６４】
例
本発明は、以下の例によって、更に明確にされる。
【００６５】
例1
p型AlGaAsSbトンネル接合層106のバンドギャップは、Al/Ga比率を調整することによって、適切な値に調整される得る。p型AlGaAsSb層106及びAlGaInAs層104は歪んでもよい。1.3ミクロン垂直キャビティ面発光レーザー（VCSEL）に関して、AlGaAsSb及びAlGaInAsの有効バンドギャップ波長が1.2ミクロンであるように選択されるが、他の適切な値もまた式1を満たす限り使用される。炭素が不純物添加されたAlGaAsSbは、適切な先行核、例えば、トリメチルアルミニウム（trimethylaluminum）、トリエチルガリム（triethylgallium）、ヒ素（arsine）、トリメチルアンチモン（trimethylantimony）及び四臭化炭素（carbon tetrabromide）を使用したOMCVD法によって成長する。しかし、他のどの成長方法も使用されてもよい。~3×1020cm-3のホール濃度は、AlGaAsSb中で達成される。キャリアガスは水素であり、成長温度は摂氏~550度であった。炭素アクセプタの水素補償を最小にするために、より高い成長温度が好ましい。反応剤（添加剤）は、トリメチルアルミニウム（trimethylaluminum）、トリエチルガリウム（triethylgallium）、トリメチルインジウム（trimethylindium）、ヒ素（arsine）、ホスフィン（phosphine）、トリメチルアンチモン(trimethylantimony)、ジシラン（disilane）及び四臭化炭素（carbon tetrabromide）であった。反応剤（添加剤）の流れは、InP基板に格子適合をする一方で、AlGaAsSb及びAlGaInAsの両方に対する1.2ミクロンの有効バンドギャップ波長を達成するように調整された。p型不純物添加は四臭化炭素（carbon tetrabromide）を使用して行われた。n型不純物添加は、ジシラン（disilane）を使用して行われた。
【００６６】
多様な変更及変形が、本発明の精神と範囲から逸脱することなく本発明になされることが可能であることが、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の変更及び変形が、添付の請求項の範囲内及びそれらの等価物の範囲にあるならば、本発明がその変更及び変形を包含するものである、ということが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施例におけるトンネル接合構造の概略側面図である。
【図２】本発明の一実施例における図1のトンネル接合構造を取り入れた垂直キャビティ面発光の概略側面図である。
【図３Ａ】本発明による図2のInP基板240上の大量のp型不純物を添加されたAlGaAsSb層106の吸収とエネルギーのグラフである。
【図３Ｂ】本発明による図2のInP基板240上の大量のp型不純物を添加されたAlGaAsSb層106のフォトルミネセンス(PL)強度とエネルギーのグラフである。
【図４Ａ】p型不純物が添加されたGaAs層の吸収とエネルギーのグラフである。
【図４Ｂ】n型不純物が添加されたGaAs層の吸収とエネルギーのグラフである。
【図１】
2007538410.tif 000003
【図２】
2007538410.tif 000004
【図３Ａ】
2007538410.tif 000005
【図３Ｂ】
2007538410.tif 000006
【図４Ａ】
2007538410.tif 000007
【図４Ｂ】
2007538410.tif 000008
【国際調査報告】
2007538410.tif 000009