(57)【要約】      （修正有）【課題】トンネル接合部での光吸収と価電子帯間吸収を抑制できる半導体光素子を提供する。【解決手段】第１面２０ａと、該第１面と反対側の面である第２面２０ｂとを有する活性層２０と、該第１面に形成されたｎ型の電子供給層３０と、該第２面に形成されたトンネル接合部１８と、を備え、該トンネル接合部は、該第２面に接し、ＡｌＧａＩｎＡｓで形成されたｐ型層１８ｂと、該ｐ型層を介して該第２面に接するｎ型層１８ａと、を備え、該ｐ型層のうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下であり、該ｎ型層のうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面と反対側の面である第２面とを有する活性層と、
前記第１面に形成されたｎ型の電子供給層と、
前記第２面に形成されたトンネル接合部と、を備え、
前記トンネル接合部は、
前記第２面に接し、ＡｌＧａＩｎＡｓで形成されたｐ型層と、
前記ｐ型層を介して前記第２面に接するｎ型層と、を備え、
前記ｐ型層のうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下であり、
前記ｎ型層のうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記ｐ型層は全体が空乏層であり、前記ｎ型層は全体が空乏層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記ｐ型層の格子定数は５．７８Å〜５．９５Åであり、前記ｎ型層は、格子定数が５．７８Å以上のＩｎＧａＡｓであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記活性層、前記電子供給層及び前記トンネル接合部の両側面を埋め込む電流ブロック層を備え、
前記電流ブロック層は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｎ又はＲｕがドープされたＡｌＩｎＡｓで形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記ｐ型層には、Ｃがドープされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記ｐ型層は、前記第２面に接し空乏層となっていない第１部分と、前記ｎ型層に接し空乏層となっている第２部分とを備え、
前記第１部分のアクセプタ濃度は前記第２部分のアクセプタ濃度より低いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信などに用いられる半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１にはトンネル接合部を備えた半導体光素子が開示されている。そして、トンネル接合層は、ＡｌＧａＩｎＡｓを材料とするｐ型層と、ＩｎＧａＡｓＰを材料とするｎ型層とで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０５９９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
トンネル接合部のｎ型層はバンドギャップが小さいので光吸収が起こる問題があった。また、トンネル接合部のｐ型層には高濃度のアクセプタがドープされているので、正孔の濃度が高い。そのため、価電子帯間吸収が起こる問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、トンネル接合部での光吸収と価電子帯間吸収を抑制できる半導体光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願の発明に係る半導体光素子は、第１面と、該第１面と反対側の面である第２面とを有する活性層と、該第１面に形成されたｎ型の電子供給層と、該第２面に形成されたトンネル接合部と、を備え、該トンネル接合部は、該第２面に接し、ＡｌＧａＩｎＡｓで形成されたｐ型層と、該ｐ型層を介して該第２面に接するｎ型層と、を備え、該ｐ型層のうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下であり、該ｎ型層のうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、トンネル接合部のほとんどを空乏化させたので、トンネル接合部での光吸収と価電子帯間吸収を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る半導体光素子の断面斜視図である。
【図２】エネルギーバンド図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体光素子の一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態に係る半導体光素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子１０の断面斜視図である。半導体光素子１０はｎ型ＩｎＰで形成された基板１２を備えている。基板１２の下面には電極１４が形成されている。基板１２の上面にはｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓで緩和層１６が形成されている。緩和層１６の上にはトンネル接合部１８が形成されている。トンネル接合部１８の上には多重量子井戸構造の活性層２０が形成されている。活性層２０の上面は第１面２０ａであり、下面は第１面２０ａと反対側の面である第２面２０ｂである。
【００１１】
前述のトンネル接合部１８は第２面２０ｂに接している。トンネル接合部１８は、ｐ型層１８ｂとｎ型層１８ａを備えている。ｐ型層１８ｂは、第２面２０ｂに接し、Ｃ（炭素）がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓで形成されている。ｎ型層１８ａは、ｐ型層１８ｂを介して第２面２０ｂに接するＩｎＧａＡｓで形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は発光波長より短いのに対し、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップ波長は発光波長より長くなっている。従って、ｎ型層１８ａをＩｎＧａＡｓで形成することで光吸収を抑制できる。
【００１２】
ｐ型層１８ｂの層厚は４５ｎｍである。ｎ型層１８ａの層厚は５ｎｍである。ｐ型層１８ｂのアクセプタ濃度は１×１０１８[ｃｍ−３]とし、ｎ型層１８ａのドナー濃度を１×１０１９[ｃｍ−３]とした。ｐ型層１８ｂの空乏層厚さは３５ｎｍ程度となり、ｎ型層１８ａの空乏層厚さは３．５ｎｍ程度となっている。
【００１３】
活性層２０の第１面２０ａにはｎ型の電子供給層３０が接している。電子供給層３０は、第１面２０ａの上にＡｌＧａＩｎＡｓで形成された緩和層３０ａと、緩和層３０ａの上にＩｎＰで形成された本体部３０ｂを備えている。緩和層３０ａの電子親和力は、活性層２０（量子井戸）の障壁層の電子親和力より大きく、本体部３０ｂ（ＩｎＰ）の電子親和力より小さい。そのため、緩和層３０ａは伝導帯のバンド不連続を緩和する。本体部３０ｂの内部には半導体光素子１０をＤＦＢレーザ素子とするために屈折率の高い材料で回折格子３２が形成されている。電子供給層３０の上には電極３６が形成されている。
【００１４】
電子供給層３０（緩和層３０ａ）、活性層２０、トンネル接合部１８及び緩和層１６は、周知のマスク形成工程、転写工程及びエッチング工程を経て、リッジ形状になっている。リッジ形状になっている電子供給層３０、活性層２０、トンネル接合部１８及び緩和層１６の両側面は電流ブロック層３４で埋め込まれている。電流ブロック層３４は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｎ又はＲｕがドープされたＡｌＩｎＡｓで形成されている。半導体光素子１０は、動作時に電極１４−電極３６間に電圧を印加することで端面発光させる端面発光ＤＦＢレーザ素子である。
【００１５】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ´線に沿った部分のエネルギーバンド図である。緩和層１６は、伝導帯のバンド不連続を緩和するために設けられている。そのため、緩和層１６は、電子親和力が基板１２（ＩｎＰ）より大きくｎ型層１８ａより小さくなる材料であるＡｌＧａＩｎＡｓで形成することが好ましい。トンネル効果によりｐ型層１８ｂからｎ型層１８ａに電子が引き抜かれ、ｐ型層１８ｂに正孔が発生しｎ型層１８ａに電子が発生する。
【００１６】
トンネル接合部１８での光吸収と価電子帯間吸収を抑制するためには、トンネル接合部１８の大部分を空乏層にすることが好ましい。具体的には、ｐ型層１８ｂのうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下とし、ｎ型層１８ａのうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下とすることが好ましい。本発明の実施の形態１では４５ｎｍの層厚を有するｐ型層１８ｂに３５ｎｍ程度の厚さの空乏層が形成されているので、ｐ型層１８ｂのうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下となっている。また、５ｎｍの層厚を有するｎ型層１８ａに３．５ｎｍ程度の厚さの空乏層が形成されるので、ｎ型層１８ａのうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下となっている。
【００１７】
このように、トンネル接合部１８の大部分を空乏層にすることで、ｐ型層１８ｂのアクセプタ濃度が高いことによりトンネル接合の近傍に高濃度の正孔が生じて光損失が増加することも防止できる。
【００１８】
ｐ型層１８ｂ全体を空乏層とし、ｎ型層１８ａ全体を空乏層としてもよい。ｐ型層１８ｂとｎ型層１８ａの全体を空乏層とすることで、上記の効果を高めることができる。ｐ型層１８ｂとｎ型層１８ａを完全に空乏化させるためには、ｐ型層１８ｂの層厚を５．０Ｅ＋１０×(Ｅ/Ｎａ(１＋Ｎａ/Ｎｄ))０．５より小さくし、ｎ型層１８ａの層厚を５．０Ｅ＋１０×(Ｅ/Ｎｄ(１＋Ｎｄ/Ｎａ))０．５より小さくする。
ここで、Ｅ[ｅＶ]は、ｐ型層１８ｂの電子親和力とバンドギャップエネルギーの和からｎ型層１８ａの電子親和力を差し引いた差分値であり、Ｎａ[ｃｍ−３]はｐ型層１８ｂのドーピング濃度であり、Ｎｄ[ｃｍ−３]はｎ型層１８ａのドーピング濃度である。
【００１９】
次に、実施の形態１に係る半導体光素子はトンネル電流の発生効率が良好である点について説明する。トンネル電流の発生効率を高めるためには、トンネル接合部のｐ型層の電子親和力とバンドギャップエネルギーの和を小さくし、トンネル接合部のｎ型層の電子親和力は大きくするべきである。これにより、ｐ型層の価電子帯端部とｎ型層の伝導帯端部のエネルギ差を小さくして、トンネル電流の発生効率を高めることができる。
【００２０】
具体的には、トンネル接合部のｐ型層の電子親和力とバンドギャップエネルギーの和は５．７[ｅＶ]より小さくし、トンネル接合部のｎ型層の電子親和力は４．４[ｅＶ]より大きくすることが好ましい。実施の形態１では、ｐ型層１８ｂをＡｌＧａＩｎＡｓで形成したので、電子親和力とバンドギャップエネルギーの和は、５．５[ｅＶ]程度になる。また、ｎ型層１８ａはＩｎＧａＡｓで形成したので、電子親和力は５．０[ｅＶ]程度である。よって、トンネル電流の発生効率を高めることができる。
【００２１】
ｐ型層の電子親和力とバンドギャップエネルギーの和を５．７[ｅＶ]より小さくし、ｎ型層の電子親和力を４．４[ｅＶ]より大きくするためには、ＡｌＧａＩｎＡｓで形成されたｐ型層１８ｂの格子定数は５．７８Å〜５．９５Åとし、ＩｎＧａＡｓで形成されたｎ型層１８ａの格子定数は５．７８Å以上とすることが好ましい。
【００２２】
さらに、ｎ型層１８ａの伝導帯端とｐ型層１８ｂの価電子帯端とのエネルギ差は０．９５[ｅＶ]程度と低いので低抵抗のトンネル接合部を提供できる。また、Ｐ型層１８ｂの電子親和力はＩｎＰより０．２[ｅＶ]程度小さい。そのため、Ｐ型層１８ｂは、電子が緩和層３０ａから活性層２０を経てトンネル接合部１８へ浸入するオーバーフローを抑制する障壁としても有効に機能する。
【００２３】
電流ブロック層３４にドープされたＦｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｎ又はＲｕは電子トラップ準位を持つ元素である。そのため電流ブロック層３４は正孔に対しては絶縁性を示さず、電流ブロック層３４に正孔が注入され得る。電流ブロック層３４に正孔が注入されると、電流ブロック層３４とｎ型層１８ａとの接合界面に順方向バイアスが印加されて、電流ブロック層３４全体が導通するおそれがある。
【００２４】
しかし、トンネル接合部を構成するＰ型層１８ｂは非常に薄いので、電流ブロック層３４とＰ型層１８ｂの接触面積はごくわずかである。そのため、Ｐ型層１８ｂの正孔は殆ど活性層２０へ注入され、電流ブロック層３４に注入される正孔はごくわずかである。よって、電流ブロック層３４全体が導通することを防ぐことができる。しかも電流ブロック層３４をＡｌＩｎＡｓで形成したので、半絶縁性のドーパントをドープしたＩｎＰで電流ブロック層を形成した場合と比較して、電子トラップ準位の深さが０．７[ｅＶ]程度まで深くなり、電子リークを抑制する効果を高めることができる。
【００２５】
ＡｌＧａＩｎＡｓで形成されたｐ型層１８ｂにアクセプタとしてドープされたＣは拡散係数が小さい。したがって、数十ｎｍ程度の層厚のｐ型層１８ｂにアクセプタを集中させることができる。
【００２６】
本発明の実施の形態１に係る半導体光素子は様々な変形が可能である。例えば、ｐ型層１８ｂのうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下としｎ型層１８ａのうち空乏層となっていない部分の厚さは１０ｎｍ以下とすることができれば、ｐ型層とｎ型層の層厚は特に限定されない。トンネル接合部は、活性層の上（第１面２０ａ）に設けてもよい。また、緩和層３０ａ、１６は省略しても良い。ｐ型層１８ｂの材料はＡｌＧａＩｎＡｓとしたが、この材料のＧａ組成比を０としてもよい。その場合ｐ型層１８ｂはＡｌＩｎＡｓで形成される。
【００２７】
これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体光素子にも適宜応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体光素子は、実施の形態１に係る半導体光素子との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００２８】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体光素子の一部断面図である。ｐ型層１８ｂは、第１部分１８ｃと第２部分１８ｄを備えている。第１部分１８ｃは、第２面２０ｂに接し空乏層となっていない部分である。第２部分１８ｄは、ｎ型層１８ａに接し空乏層となっている部分である。第１部分１８ｃのアクセプタ濃度は第２部分１８ｄのアクセプタ濃度より低くなっている。第１部分１８ｃのアクセプタ濃度は、例えば１×１０１８[ｃｍ−３]未満となっている。これにより光損失を抑制できる。
【００２９】
ところで、第１部分１８ｃは電子親和力が小さい材料で形成し、電子がｐ型層１８ｂへ侵入するオーバーフローを抑制することが望ましい。そこで、例えば、第２部分１８ｄをＡｌＧａＩｎＡｓで形成し、第１部分１８ｃをＡｌＧａＩｎＡｓよりも電子親和力が小さい材料で形成する。この場合、第１部分１８ｃが正孔の注入障壁となりうるので、正孔の注入効率を著しく阻害しないように第１部分１８ｃの材料を選択する。
【符号の説明】
【００３０】
１０  半導体光素子、  １２  基板、  １４  電極、  １６  緩和層、  １８  トンネル接合部、  １８ａ  ｎ型層、  １８ｂ  ｐ型層、  １８ｃ  第１部分、  １８ｄ  第２部分、  ２０  活性層、  ２０ａ  第１面、  ２０ｂ  第２面、  ３０  電子供給層、  ３０ａ  緩和層、  ３０ｂ  本体部、  ３２  回折格子、  ３４  電流ブロック層、  ３６  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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