JP6278423B2

JP6278423B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP6278423B2
Application number: JP2016129599A
Authority: JP
Inventors: 裕樹津田
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: JP2018006496A

Description

本発明は、シリコン半導体レーザに用いられる発光素子に関する。

間接遷移型半導体レーザに用いられる素子として、特許文献１に記載のものがある。この素子は、シリコン等の間接遷移型半導体からなり、ｎ型ドーパント濃度に対してｐ型ドーパント濃度の高いｐ型半導体層と、ｐ型ドーパント濃度に対してｎ型ドーパント濃度の高いｎ型半導体層と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との接合部に形成されるｐｎ接合層とを備えている。

このような間接遷移型半導体からなる素子を発光させるためには、素子のｐｎ接合層内に、ｐｎ接合層が発光するためのｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの配列を形成させる必要がある。特許文献１では、素子形成後、ｎ型半導体層側が正電圧、ｐ型半導体層側が負電圧となるように順方向に所定のバイアス電圧を印加してｐｎ接合層に電流を流している。これによって生じる熱によりｐｎ接合層内のｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントを拡散させてドーパント分布を繰り返し変化させるとともに、バイアス電圧によりｐｎ接合層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせている。そして、反転分布を形成している伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、ｐｎ接合層に流れる電流を減少させて素子の温度を低下させ、ｐｎ接合層内のｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの分布を固定している（以下、DPPアニールと称する）。

また、非特許文献１には、特許文献１に記載の素子と同様の構成を有するシリコン半導体素子が記載されている。また、そのシリコン半導体素子のｎ型半導体層の電気抵抗率と、ｐ型半導体層のｐ型ドーパント濃度分布について記載されている。より具体的には、ｎ型半導体層の電気抵抗率は、１０Ωｃｍであると記載されている。また、ｐ型半導体層のｐ型ドーパント濃度は、シリコン半導体素子の表面から約１．５μｍの深さでピークとなり、そのピーク濃度は約１×１０^１９個／ｃｍ^３となっている。また、ｐ型半導体層は、ｎ型ドーパントが均一に拡散された素子に対して、その表面近傍にｐ型ドーパントを打ち込むことによって形成されている。

非特許文献１に記載のシリコン半導体素子の深さとドーパント濃度との関係について図４に示す。なお、図４では、素子の深さに対するｐ型ドーパント濃度を一点鎖線、素子の深さに対するｎ型ドーパント濃度を実線で示す。また、素子の「深さ」は、ｐ型ドーパントが打ち込まれる一端面を基準とし、他端面に近づくにつれて大きくなっていくものとする。

図４に示すように、非特許文献１に記載の素子では、ｎ型ドーパント濃度が素子の深さに関わらず一定であって、低い値で抑えられている。また、素子の深さの小さい領域では、ｎ型ドーパント濃度に対してｐ型ドーパント濃度が高く、そのピーク値は約１×１０^１９個／ｃｍ^３となっている。

すなわち、図４において、素子の深さの小さい領域は、非特許文献１に記載の素子のｐ型半導体層のドーパント濃度分布を示している。また、深さの大きい領域は、ｎ型半導体層のドーパント濃度分布を示している。そして、ｐ型ドーパント濃度とｎ型ドーパント濃度との差の小さい領域は、ｐｎ接合層のドーパント濃度分布を示している。

特開２０１２−２４３８２４号公報

Tadashi Kawazoe1，Katsuhiro Nishioka，Motoichi Ohtsu著、「Polarization control of an infrared silicon light-emitting diode by dressed photons and analyses of the spatial distribution of doped boron atoms」、Applied Physics A、2015年6月25日発行、p.1409〜1415

現在までのところ、種々の方法で製造されているシリコン半導体の発光ダイオード素子またはレーザダイオード素子は、何れも実用上要求される発光強度を得ることができていないようである。

そこで、非特許文献１では、素子全域のｎ型ドーパント濃度を低く抑えることにより、DPPアニールを効果的に行っている。より具体的には、ｎ型半導体層を高抵抗化して電流を流した際に素子内に熱を効率的に伝達させることにより、ｐｎ接合層内のｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントを積極的に拡散させている。これにより、発光領域であるｐｎ接合層をより広範囲に形成させている。

しかしながら、ｐｎ接合層の発光の強さは、DPPアニール後にｐｎ接合層内に形成される、ｐｎ接合層が発光するためのｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの配列の数に比例する。この配列の数はｐｎ接合層内のｐ型ドーパント濃度およびｎ型ドーパント濃度の両方に依存するため、非特許文献１のように素子全域のｎ型ドーパント濃度を低く抑えた場合、ｐｎ接合層内が発光するためのｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの配列の数は少なくなる。以上により、非特許文献１に記載の素子では、ｐｎ接合層の発光効率が低くなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、DPPアニールを効果的に実行可能、且つ、高い発光効率を有するｐｎ接合部が形成された発光素子を提供することである。

第１の発明の発光素子は、１×１０ ^１４個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^１６個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でヒ素およびアンチモンのうちの１以上からなるｎ型ドーパントが均一に拡散された単結晶シリコンからなる基板の１つの表面側の一部またはすべての部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲で前記ｎ型ドーパントが拡散された高濃度ｎ型半導体部と、前記高濃度ｎ型半導体部の表面に設けられた単結晶シリコンからなる薄膜の前記高濃度ｎ型半導部に対応する部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でホウ素からなるｐ型ドーパントを打ち込むことによって拡散された高濃度ｐ型半導体部と、前記高濃度ｎ型半導体部と前記高濃度ｐ型半導体部との接合部に形成され、前記ｎ型ドーパントおよび前記ｐ型ドーパントが、前記高濃度ｎ型半導体部を除く前記単結晶シリコン基板の前記ｎ型ドーパント濃度よりも高い濃度範囲で拡散されたｐｎ接合部と、からなる発光素子であって、前記高濃度ｎ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであって、前記高濃度ｎ型半導体部を除く前記基板の厚みは、１００〜７００μｍであって、前記高濃度ｐ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであることを特徴とするものである。

第２の発明の発光素子は、１×１０ ^１４個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^１６個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でホウ素からなるｐ型ドーパントが均一に拡散された単結晶シリコンからなる基板の１つの表面側の一部またはすべての部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲で前記ｐ型ドーパントを打ち込むことによって拡散された高濃度ｐ型半導体部と、前記高濃度ｐ型半導体部の表面に設けられた単結晶シリコンからなる薄膜の前記高濃度ｐ型半導部に対応する部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でヒ素およびアンチモンのうちの１以上からなるｎ型ドーパントが拡散された高濃度ｎ型半導体部と、前記高濃度ｐ型半導体部と前記高濃度ｎ型半導体部との接合部に形成され、前記ｐ型ドーパントおよび前記ｎ型ドーパントが、前記高濃度ｐ型半導体部を除く前記単結晶シリコン基板の前記ｐ型ドーパント濃度よりも高い濃度範囲で拡散されたｐｎ接合部と、からなる発光素子であって、前記高濃度ｐ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであって、前記高濃度ｐ型半導体部を除く前記基板の厚みは、１００〜７００μｍであって、前記高濃度ｎ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであることを特徴とするものである。

本発明によれば、DPPアニールを効果的に実行可能、且つ、ｐｎ接合部の発光効率を高くすることができる。

本実施形態に係る発光素子の斜視図である。（ａ）は、図１に示す発光素子の長手方向からみた図であって、（ｂ）は、発光素子の深さとｐ型ドーパント濃度およびｎ型ドーパント濃度との関係を示すグラフである。本実施形態の変形例に係る発光素子の斜視図である。非特許文献１に記載の発光素子の深さとｐ型ドーパント濃度およびｎ型ドーパント濃度の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、発光素子１００は、所定厚みを有する直方体形状である。発光素子１００は、単結晶シリコンからなる基板１と基板１の上面に形成された単結晶シリコンからなる薄膜２とを有している。なお、以下では、図１の手前側を前側、奥側を後側、左側を左側、右側を右側、上側を上側、下側を下側と定義して、適宜、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」の方向語を使用して説明する。

基板１は、ｎ型ドーパントが高濃度で拡散された高濃度ｎ型半導体部１ｂとｎ型ドーパントが低濃度で拡散された低濃度ｎ型半導体部１ａとを有している。高濃度ｎ型半導体部１ｂは、基板１の上面近傍全域に形成されている。低濃度ｎ型半導体部１ａは、基板１の高濃度ｎ型半導体部１ｂから下側全域に形成されている。高濃度ｎ型半導体部１ｂの厚みは、低濃度ｎ型半導体部１ａの厚みと比較して非常に小さい。より具体的には、高濃度ｎ型半導体部１ｂの厚みは１〜２μｍであって、低濃度ｎ型半導体部１ａの厚みは１００〜７００μｍである。高濃度ｎ型半導体部１ｂおよび低濃度ｎ型半導体部１ａに拡散されたｎ型ドーパントは、ヒ素もしくはアンチモンである。

薄膜２は、ｐ型ドーパントが高濃度で拡散された高濃度ｐ型半導体部２ａを有している。高濃度ｐ型半導体部２ａは、薄膜２の全域に形成されている。高濃度ｐ型半導体部２ａの厚みは、１〜２μｍである。高濃度ｐ型半導体部２ａに拡散されたｐ型ドーパントは、ホウ素である。

また、高濃度ｎ型半導体部１ｂと高濃度ｐ型半導体部２ａとの境界部分である基板１と薄膜２との接合部には、ｐｎ接合部３が形成されている。

次に、図２（ａ），（ｂ）により、発光素子１００の深さとｐ型ドーパント濃度およびｎ型ドーパント濃度との関係について説明する。なお、図２（ｂ）では、発光素子１００の深さに対するｐ型ドーパント濃度を一点鎖線、発光素子１００の深さに対するｎ型ドーパント濃度を実線で示す。また、発光素子１００の「深さ」は、薄膜２の上面を基準とし、基板１の下面に近づくにつれて大きくなっていくものとする。

基準面である薄膜２の上面から薄膜２と基板１との接合面の深さｄ１近傍までの領域では、ｎ型ドーパント濃度に対してｐ型ドーパント濃度が高くなっている。この領域が発光素子１００の高濃度ｐ型半導体部２ａに対応している。高濃度ｐ型半導体部２ａのｐ型ドーパント濃度のピーク値ｃ１は、１×１０^１９個／ｃｍ^３である。

また、薄膜２と基板１との接合面の深さｄ１近傍から基板１に形成された高濃度ｎ型半導体部１ｂと低濃度ｎ型半導体部１ａとの境界の深さｄ２までの領域では、ｐ型ドーパント濃度に対してｎ型ドーパント濃度が高くなっている。この領域が発光素子１００の高濃度ｎ型半導体部１ｂに対応している。高濃度ｎ型半導体部１ｂのｎ型ドーパント濃度のピーク値ｃ２は、１×１０^１９個／ｃｍ^３である。

また、薄膜２と基板１との接合面の深さｄ１では、高濃度ｐ型半導体部２ａのｐ型ドーパント濃度と高濃度ｎ型半導体部１ｂのｎ型ドーパント濃度との高さが等しくなっている。この深さｄ１近傍のｎ型ドーパント濃度とｐ型ドーパント濃度との差が小さくなった領域が発光素子１００のｐｎ接合部３に対応している。

また、基板１に形成された高濃度ｎ型半導体部１ｂと低濃度ｎ型半導体部１ａとの境界の深さｄ２から基板１の下面の深さｄ３までの領域では、ｐ型ドーパント濃度に対してｎ型ドーパント濃度が高くなっている。この領域が発光素子１００の低濃度ｎ型半導体部１ａに対応している。低濃度ｎ型半導体部１ａのｎ型ドーパント濃度ｃ３は、１×１０^１４個／ｃｍ^３である。

また、ｐｎ接合部３のｎ型ドーパント濃度およびｐ型ドーパント濃度は、低濃度ｎ型半導体部１ａのｎ型ドーパント濃度ｃ３よりも高くなっている。

（作用・効果）
本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、高濃度ｐ型半導体部２ａのｐ型ドーパント濃度のピーク値ｃ１は１×１０^１９個／ｃｍ^３であって、高濃度ｎ型半導体部１ｂのｎ型ドーパント濃度のピーク値ｃ２は、１×１０^１９個／ｃｍ^３である。このとき、ｐｎ接合部３のｎ型ドーパント濃度およびｐ型ドーパント濃度は、低濃度ｎ型半導体部１ａのｎ型ドーパント濃度ｃ３である１×１０^１４個／ｃｍ^３よりも高くなっている。従って、基板１全域のｎ型ドーパント濃度が１×１０^１４個／ｃｍ^３である場合と比較して、ｐｎ接合部３のｐ型ドーパント濃度およびｎ型ドーパント濃度を高くすることができる。これにより、ｐｎ接合部３内のｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの配列の組み合わせの数を多くすることができるため、DPPアニール後にｐｎ接合部３内に形成される、ｐｎ接合部３が発光するためのｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの配列を数多く形成することができる。従って、ｐｎ接合部３の発光効率を高くすることができる。

また、低濃度ｎ型半導体部１ａのｎ型ドーパント濃度が１×１０^１４個／ｃｍ^３に抑えられている。従って、低濃度ｎ型半導体部１ａは、高抵抗となっている。これにより、高濃度ｎ型半導体部１ｂを介して、低濃度ｎ型半導体部１ａからｐｎ接合部３へと熱を効率的に伝達させることができる。従って、ｐｎ接合部３内のｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントを積極的に拡散させ、DPPアニールを効果的に行うことができる。

また、高濃度ｎ型半導体部１ｂの厚みは１〜２μｍであって、低濃度ｎ型半導体部１ａの厚みは１００〜７００μｍである。また、上下方向から見て、両者ともに基板１の全域に形成されているため、低濃度ｎ型半導体部１ａの体積は、高濃度ｎ型半導体部１ｂの体積よりも十分に大きい。さらに、低濃度ｎ型半導体部１ａは、上述したドーパント濃度であることから、高抵抗値を有している。そのため、DPPアニール時、低濃度ｎ型半導体部１ａでは、低濃度ｎ型半導体部１ａの体積が高濃度ｎ型半導体部１ｂの体積と同等もしくは小さい場合と比較して、大きな発熱量を得ることができる。これにより、高濃度ｎ型半導体部１ｂを介して、その上側の高濃度ｎ型半導体部１ｂおよびｐｎ接合部３を効率的に加熱し、DPPアニールを効果的に行うことができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

本実施形態では、高濃度ｎ型半導体部１ｂおよび低濃度ｎ型半導体部１ａのｎ型ドーパントは、ヒ素もしくはアンチモンであると記載したが、高濃度ｎ型半導体部１ｂおよび低濃度ｎ型半導体部１ａのｎ型ドーパントは、ヒ素およびアンチモンの両方で構成されていても構わない。

また、本実施形態では、高濃度ｐ型半導体部２ａのｐ型ドーパント濃度のピーク値ｃ１は、１×１０^１９個／ｃｍ^３であると記載したが、高濃度ｐ型半導体部２ａのｐ型ドーパント濃度のピーク値は、１×１０^１９個／ｃｍ^３以上１×１０^２１個／ｃｍ^３以下の範囲内であれば構わない。また、低濃度ｎ型半導体部１aのｎ型ドーパント濃度のピーク値ｃ１は、１×１０^１４個／ｃｍ^３であると記載したが、高濃度ｎ型半導体部１aのｎ型ドーパント濃度のピーク値は、１×１０^１４個／ｃｍ^３以上１×１０^１６個／ｃｍ^３以下の範囲内であれば構わない。また、高濃度ｎ型半導体部１ｂのｎ型ドーパント濃度ｃ３は、１×１０^１９個／ｃｍ^３であると記載したが、高濃度ｎ型半導体部１ｂのｎ型ドーパント濃度は、１×１０^１９個／ｃｍ^３以上１×１０^２１個／ｃｍ^３以下の範囲内であれば構わない。以上のドーパント範囲によれば、ｐｎ接合部３のｎ型ドーパント濃度およびｐ型ドーパント濃度を低濃度ｎ型半導体部１ａのｎ型ドーパント濃度ｃ３よりも高くすることができる。

また、本実施形態では、高濃度ｎ型半導体部１ｂが基板１の上面近傍の全域に形成され、高濃度ｐ型半導体部２ａが薄膜２の全域に形成されている場合について記載したが、高濃度ｎ型半導体部１ｂと高濃度ｐ型半導体部２ａとは、発光素子の厚み方向に対して少なくとも一部が対向していればよく、基板１および薄膜２の一部のみに形成されていても構わない。より具体的には、発光素子２００は、図３に示すように、前後方向から見て、高濃度ｎ型半導体部１ｂが基板１の上面近傍中央部に形成され、高濃度ｐ型半導体部２ａが薄膜２の左右方向中央部全域に形成され、上下方向に対して、高濃度ｎ型半導体部１ｂと高濃度ｐ型半導体部２ａとが対向するように形成されていても構わない。

また、本実施形態では、基板１にｎ型ドーパント濃度の高い高濃度ｎ型半導体部１ｂとｎ型ドーパント濃度の低い低濃度ｎ型半導体部１ａとを有し、薄膜２に高濃度ｐ型半導体部２ａを有する場合について記載したが、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとが逆の構成であっても構わない。すなわち、発光素子は、基板にｐ型ドーパント濃度の高い高濃度ｐ型半導体部とｐ型ドーパント濃度の低い低濃度ｐ型半導体部とを有し、薄膜に高濃度ｎ型半導体部を有する構成であっても構わない。

１基板
１ａ低濃度ｎ型半導体部
１ｂ高濃度ｎ型半導体部
２薄膜
２ａ高濃度ｐ型半導体部
３ｐｎ接合部
１００発光素子
２００発光素子

Claims

１×１０ ^１４個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^１６個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でヒ素およびアンチモンのうちの１以上からなるｎ型ドーパントが均一に拡散された単結晶シリコンからなる基板の１つの表面側の一部またはすべての部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲で前記ｎ型ドーパントが拡散された高濃度ｎ型半導体部と、
前記高濃度ｎ型半導体部の表面に設けられた単結晶シリコンからなる薄膜の前記高濃度ｎ型半導部に対応する部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でホウ素からなるｐ型ドーパントを打ち込むことによって拡散された高濃度ｐ型半導体部と、
前記高濃度ｎ型半導体部と前記高濃度ｐ型半導体部との接合部に形成され、前記ｎ型ドーパントおよび前記ｐ型ドーパントが、前記高濃度ｎ型半導体部を除く前記単結晶シリコン基板の前記ｎ型ドーパント濃度よりも高い濃度範囲で拡散されたｐｎ接合部と、
からなる発光素子であって、
前記高濃度ｎ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであって、
前記高濃度ｎ型半導体部を除く前記基板の厚みは、１００〜７００μｍであって、
前記高濃度ｐ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであることを特徴とする発光素子。
１×１０ ^１４個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^１６個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でホウ素からなるｐ型ドーパントが均一に拡散された単結晶シリコンからなる基板の１つの表面側の一部またはすべての部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲で前記ｐ型ドーパントを打ち込むことによって拡散された高濃度ｐ型半導体部と、
前記高濃度ｐ型半導体部の表面に設けられた単結晶シリコンからなる薄膜の前記高濃度ｐ型半導部に対応する部分に形成され、ピーク値が１×１０ ^１９個／ｃｍ ^３以上１×１０ ^２１個／ｃｍ ^３以下の濃度範囲でヒ素およびアンチモンのうちの１以上からなるｎ型ドーパントが拡散された高濃度ｎ型半導体部と、
前記高濃度ｐ型半導体部と前記高濃度ｎ型半導体部との接合部に形成され、前記ｐ型ドーパントおよび前記ｎ型ドーパントが、前記高濃度ｐ型半導体部を除く前記単結晶シリコン基板の前記ｐ型ドーパント濃度よりも高い濃度範囲で拡散されたｐｎ接合部と、
からなる発光素子であって、
前記高濃度ｐ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであって、
前記高濃度ｐ型半導体部を除く前記基板の厚みは、１００〜７００μｍであって、
前記高濃度ｎ型半導体部の厚みは、１〜２μｍであることを特徴とする発光素子。