CN113632248A

CN113632248A - 红外led元件

Info

Publication number: CN113632248A
Application number: CN202080020594.6A
Authority: CN
Inventors: 杉山徹; 喜根井聪文; 饭塚和幸; 中村薰; 佐佐木真二
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-11-09
Also published as: WO2020196735A1; JP6617218B1; TW202046515A; TWI721841B; JP2020167219A

Abstract

实现发光波长超过1000nm、将光的取出效率比以往提高的红外LED元件。一种红外LED元件，具有：基板，包含InP，n型掺杂剂浓度为1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³；第一半导体层，形成在基板的上层，呈现n型；活性层，形成在第一半导体层的上层；第二半导体层，形成在活性层的上层，呈现p型；第一电极，形成在基板的面中的与形成有第一半导体层的一侧相反侧的第一面上；以及第二电极，形成在第二半导体层的上层，当从与基板的面正交的第一方向观察时，仅形成在第二半导体层的面的一部分区域中；主要的发光波长呈现1000nm以上。

Description

红外LED元件

技术领域

本发明涉及红外LED元件，特别涉及发光波长为1000nm以上的红外LED元件。

背景技术

以往，作为以1000nm以上的红外域为发光波长的发光元件，作为通信/计测用的激光元件的开发被广泛地推进。另一方面，关于这样的波长域的LED元件，到此为止还没有什么用途，与激光元件相比开发进展不大。

例如，在下述专利文献1中，公开了如果是GaAs类的发光元件则能够生成0.7～0.8μm(700～800nm)的波长的光，但为了生成更长波长的1.3μm(1300nm)左右的光需要InP类的发光元件。特别是，根据专利文献1，公开了：将p型的InP基板作为成长基板，在使与InP结晶晶格匹配的p型包层、活性层、n型包层依次外延成长后，形成电极。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平4－282875号公报

专利文献2：日本特公平6－103759号公报

专利文献3：日本特许第3084364号公报

发明内容

发明要解决的课题

如上述那样，关于发光波长超过1000nm的LED元件，也有到此为止不怎么有产业用的用途的情况，开发进展不大。相对于此，近年来，关于这样的波长带的LED元件也显示来自市场的需求变高，要求光强度更高的LED元件。

本发明鉴于上述课题，目的是对于发光波长超过1000nm的红外LED元件使光的取出效率比以往提高。

用来解决课题的手段

作为发光波长超过1000nm的发光元件，如上述那样到目前为止主要推进了激光元件的开发的历史。从使发光效率提高的观点，为了提高活性层内的发光强度，到目前为止研究了用来注入较大的电流的方法。例如，在使用InP基板的半导体激光的领域中，也进行通过提高InP的掺杂剂浓度而使基板的电阻率下降、提高能够对于活性层注入的电流密度的处理。

鉴于到目前为止对半导体激光进行的开发，对于InP类的LED元件，也可以考虑为了通过InP基板对活性层供给较大的电流而对InP基板以高浓度注入掺杂剂。但是，根据本发明的发明人(们)的专门研究确认了，如果提高InP基板的掺杂剂浓度，则被取出的光的量下降。关于其理由，本发明的发明人(们)推断是因为：通过提高InP基板的掺杂剂浓度，在基板内流动的电流的向与基板面平行的方向(以下有称作“横向”的情况)的扩散被抑制，结果，电流集中在活性层内的有限的区域中，活性层中的贡献于发光的区域变少。

鉴于上述的本发明的发明人(们)的新的认识，本发明是一种红外LED元件，其特征在于，具有：基板，包含InP，n型掺杂剂浓度为1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³；第一半导体层，形成在上述基板的上层，呈现n型；活性层，形成在上述第一半导体层的上层；第二半导体层，形成在上述活性层的上层，呈现p型；第一电极，形成在上述基板的面中的与形成有上述第一半导体层的一侧相反侧的第一面上；以及第二电极，形成在上述第二半导体层的上层，当从与上述基板的面正交的第一方向观察时，仅形成在上述第二半导体层的面的一部分区域中；主要的发光波长呈现1000nm以上。

在n型的InP基板上使n型半导体层、活性层及p型半导体层外延成长的情况下，由于p型半导体层的吸收系数较大，所以p型半导体层需要尽可能以薄膜成长。因此，如果在p型半导体层的上表面设置p侧电极，在InP基板的与半导体层相反侧的面(背面)上设置n侧电极，对该两电极间施加电压，则电流容易集中在p侧电极的正下方。在此情况下，位于p侧电极的正下方的活性层中的发光变强，活性层内的贡献于发光的区域变小，而且发光的光容易被p侧电极吸收，结果光取出效率下降。

此外，如果如上述那样电流集中于特定的部位，则还存在焦耳热增大而活性层内的缺陷增加、通过因该缺陷将光吸收而光取出效率容易进一步下降的问题。

在化合物半导体发光元件中，对于电流路径集中的对策到目前为止已知有若干方法。例如，在专利文献2中，公开了在活性层的上层的位置处以厚膜形成对于所生成的光透明的半导体层的技术。此外，在专利文献3中，公开了在活性层与上部电极之间形成透明电极的方法。

但是，在发光波长超过1000nm的红外LED元件、即InP类(GaInAsP类)的红外LED元件中，存在通过厚膜化而结晶品质下降、缺陷密度上升的问题。此外，还有在p型半导体层中如上述那样吸收系数较大的情况。鉴于这一点，即使将专利文献2中记载的方法原样对发光波长超过1000nm的红外LED元件应用，也得不到使光取出效率提高的效果。此外，作为构成GaInAsP类的红外LED元件的半导体层的成分的In是产出地域偏重的稀有金属。因此，使半导体层厚膜化会引起原材料的稳定的确保及制造成本的上升等其他问题。

此外，如在专利文献3中记载那样，使用ITO等透明电极使电流在水平方向上分散的技术在发光波长呈现可视光区域的半导体发光元件中被广泛使用。但是，作为透明电极通常使用的ITO将发光波长超过1000nm的红外光吸收。因此，即使将专利文献3中记载的方法原样应用于发光波长超过1000nm的红外LED元件，则不能得到使光取出效率提高的效果。

本发明的发明人(们)专门研究的结果，发现了以下新的认识：在主要的发光波长呈现1000nm以上的红外LED元件中，如果使包含InP的基板的n型掺杂剂浓度比为了低电阻化而掺杂的以往的浓度降低，则能得到使电流在横向(与基板的面平行的方向)上分散的效果。即，根据上述的有关本发明的红外LED元件，由于基板的n型掺杂剂浓度被设定为1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³这样的稍低的值，所以基板的电阻率相对于呈现p型的第二半导体层相对地上升，结果，在基板内电子在横向上容易移动，能够在活性层内流动的电流在横向上扩散。

半导体层内的电阻率由载流子浓度决定，载流子浓度大致取决于掺杂剂浓度。这里，呈现p型的第二半导体层从作为对于活性层的包层发挥功能的观点，通常将掺杂剂浓度提高到能够注入的上限附近，例如，其浓度为5×10¹⁷/cm³以上、3×10¹⁸/cm³以下。相对于此，基板的n型掺杂剂浓度如上述那样为1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³，为第二半导体层的p型掺杂剂浓度的同等以下。由此，基板即n侧的电阻率与第二半导体层即p侧的电阻率相比被相对地提高。

也可以是，关于上述第一方向，上述基板的厚度相对于上述第二半导体层的厚度为10倍以上。

如上述那样，在发光波长超过1000nm的红外LED元件中，如果使呈现p型的半导体层(第二半导体层)的膜厚变厚，则由于吸收系数较大，所以光的取出效率下降，所以优选的是尽可能使膜厚较薄，通常设定为几μm左右。另一方面，InP由于解理性很高，所以从确保自立性的观点，需要至少将基板的厚度设为50μm以上，优选为150μm以上，更优选为200μm以上。

这样，在相对于第二半导体层的厚度而基板的厚度为10倍以上的情况下，由于基板的厚度较厚，所以通过有意地降低基板的n型掺杂剂浓度，电流在基板内流动时的向横向的扩散的效果变得显著。结果，进一步发挥将在活性层内流动的电流在横向上扩散的效果，光取出效率提高。

另外，从将红外LED元件包含在通常的封装中的观点，基板的厚度优选为700μm以下，更优选为400μm以下。

也可以是，上述第二电极仅形成在上述第二半导体层的面的一部分区域中；关于上述第一方向，没有形成上述第二电极的区域的至少一部分与形成有上述第一电极的区域的至少一部分对置。

根据上述结构，形成在基板的第一面侧的第一电极和形成在其相反侧的面(称作“第二面”)侧的第二电极被配置在相对于第一方向不完全对置的位置。结果，进一步提高了将在第一电极与第二电极之间流动的电流在横向上扩散的效果。

另外，通过将第二电极形成在第二半导体层的面的一部分区域中，不仅是基板的侧面，关于第二半导体层的面也能够做成光取出面，能提高光的取出效率。

在上述结构中，关于配置在基板的第一面侧的第一电极，也可以也仅形成在基板的第一面的一部分上。在此情况下，优选的是第一电极和第二电极的非形成区域关于第一方向对置，第二电极和第一电极的非形成区域关于第一方向对置。

也可以是，上述第二电极具有呈在上述第二半导体层的面上向不同的方向延伸的栅格形状或梳子形状的多个部分电极；邻接的上述部分电极彼此的离开距离为100μm以下。

通过将基板的n型掺杂剂浓度设为1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³，能够使电流的分散长成为50μm以上。这里，“分散长”是指相对于第二电极的附近的亮度呈现1/2的亮度的部位与第二电极的横向的距离。

通过将部分电极彼此的离开距离设为100μm以下，从离开配置的多个部分电极流动的电流叠合，结果，能够遍及横向的较大的范围使电流流到活性层内。

上述基板的掺杂剂也可以包含Sn。在以上述那样的1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³的掺杂剂浓度对InP进行掺杂的情况下，通过使掺杂剂包含Sn，能够使结晶缺陷的密度下降。

也可以在上述基板的上述第一面中的没有形成上述第一电极的区域内，具有由对于由上述活性层生成的光的反射率比上述第一电极高的材料构成的反射层。

根据上述结构，特别在将基板的侧面或第二电极侧的面作为光取出面的红外LED元件中，当光在与取出面不同的方向上行进的情况下也能够送回到基板内，所以抑制了取出效率的下降。

上述反射层也可以包含在由Ag、Ag合金、Au及Al构成的组中包括的1种以上的材料。

上述红外LED元件也可以在上述基板的上述第一面中的没有形成上述第一电极的区域内，具有由折射率比上述基板小0.2以上的材料构成的电介体层。

根据该结构，在基板与特定区域的边界部分容易发生全反射。结果，特别是将基板的侧面及第二电极侧的面作为光取出面的红外LED元件，当光在与取出面不同的方向行进的情况下，也能够送回到基板内，所以抑制了取出效率的下降。

上述电介体层也可以包含在由SiO₂、SiN、Al₂O₃、ZnO及ITO构成的组中包括的1种以上的材料。

此外，上述基板也可以在上述第一面及与上述第一面相反侧的第二面以外的面即侧面具有凹凸部。由于InP的折射率为3.0以上，呈现很大的值，所以在基板与空气之间折射率差变大，光难以取出。因此，通过在基板的侧面设置凹凸部，不易发生侧面上的全反射，提高了光的取出效率。

另外，由于如果在第二半导体层的面上形成凹凸部，则存在第二半导体层的厚度变薄的区域，所以有使将电流在横向上扩散的作用下降的情况。根据该观点，优选的是在第二半导体层的面上不形成凹凸部。

特别是，在基板相对于半导体层的厚度具有10倍以上的厚度的情况下，由于侧面的表面积变大，所以在活性层中生成的光中的大半被从基板的侧面取出。因此，为了抑制侧面上的全反射，使光取出效率提高，优选的是在侧面上设置凹凸部。

发明效果

根据本发明的红外LED元件，在发光波长超过1000nm的区域中，与以往相比光取出效率提高。

附图说明

图1是示意地表示本发明的红外LED元件的第一实施方式的构造的剖视图。

图2是从+Z方向观察图1所示的红外LED元件时的示意性的平面图的一例。

图3A是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3B是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3C是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3D是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3E是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3F是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3G是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3H是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图3I是用来说明图1所示的红外LED元件的制造方法的一工序的剖视图。

图4A是在经过步骤SA1～SA11的工序制造的红外LED元件中、表示基板的掺杂剂浓度与发光强度的关系的曲线图。

图4B是在经过步骤SA1～SA11的工序制造的红外LED元件中、表示基板的掺杂剂浓度与分散长的关系的曲线图。

图5是示意地表示本发明的红外LED元件的第一实施方式的其他构造的平面图。

图6是示意地表示本发明的红外LED元件的其他实施方式的构造的剖视图。

图7是示意地表示本发明的红外LED元件的其他实施方式的构造的剖视图。

图8是示意地表示本发明的红外LED元件的其他实施方式的构的剖视图。

图9是示意地表示本发明的红外LED元件的其他实施方式的构造的剖视图。

图10是示意地表示本发明的红外LED元件的其他实施方式的构造的剖视图。

具体实施方式

参照附图对有关本发明的红外LED元件的实施方式进行说明。另外，以下的图是示意地表示的，图上的尺寸比与实际的尺寸比并不一定一致。此外，在图间也有尺寸比不一致的情况。

在本说明书中，“GaInAsP”的记述，是指Ga、In、As和P的混晶，是单单将组成比的记述省略而记载的。“AlGaInAs”等其他的记载也是同样的。

在本说明书内，“在层A的上层形成有层B”的表现，是当然包括在层A的面上直接形成有层B的情况、还包括在层A的面上经由薄膜而形成有层B的情况的意思。另外，这里所述的“薄膜”，是指膜厚10nm以下的层，优选地也可以是指5nm以下的层。

[第一实施方式]

对有关本发明的红外LED元件的第一实施方式的结构进行说明。

<<构造>>

图1是示意地表示本实施方式的红外LED元件的构造的剖视图。图1所示的红外LED元件1包括基板3和在基板3的上层形成的半导体层10。此外，红外LED元件1具备用来注入电流的电极(21、22、23)。

另外，图1与将红外LED元件1在规定的位置沿着XZ平面切断时的示意性的剖视图对应。以下，适当参照图1中附带的XYZ坐标系。根据图1所示的坐标系，Z方向对应于“第一方向”。

此外，图2是将红外LED元件1从+Z方向观察时的示意性的平面图的一例。为了说明的方便，在图2中省略了电极23的图示。

(基板3)

在本实施方式中，基板3由掺杂有n型杂质的InP构成。在此情况下，n型对应于“第一导电型”。作为掺杂到基板3中的n型杂质材料，可以使用Sn、Si、S、Ge、Se等，特别优选的是Sn。

基板3的厚度(有关Z方向的长度)为50μm以上、700μm以下。InP由于解理性很高，所以从确保自立性的观点，至少需要使基板3的厚度为50μm以上。此外，从将红外LED元件1包含在通常的封装中的观点，基板3的厚度需要设为700μm以下。基板3的厚度优选的是150μm以上，更优选的是200μm以上。此外，基板3的厚度优选的是400μm以下。

基板3的n型杂质的掺杂剂浓度为1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³，更优选为3×10¹⁷/cm³以上、3×10¹⁸/cm³以下，特别优选为5×10¹⁷/cm³以上、3×10¹⁸/cm³以下。另外，在作为掺杂剂而使用Sn的情况下，能够一边以上述的数值范围的掺杂剂浓度将杂质注入，一边将构成基板3的InP结晶的品质维持为特别良好的状态。

上述的掺杂剂浓度与通常为了提高InP基板的导电性而进行掺杂的情况相比是稍低的值。因此，从抑制基板3自身的电阻变得过高的观点，也优选的是将基板3的厚度设为700μm以下。例如，如果将电流密度设为150A/cm²，则根据厚度为700μm以上的基板3，通过内部电阻而发生0.1V以上的电位差。如参照图4B后述那样，鉴于红外LED元件1的驱动电压例如为1.0V左右，成为在基板3内发生10％以上的电位差，不怎么好。相对于此，例如在厚度为400μm的基板3的情况下，起因于内部电阻的电位差为0.06V，被抑制为小于0.1V。

另外，假设基板3为在InP的结晶中掺杂上述n型杂质而构成，但也可以还微量(例如小于1％)混杂有其他杂质。

(半导体层10)

在本实施方式中，半导体层10形成在基板3的面3b上。面3b对应于“第二面”。

在图1所示的例子中，半导体层10包括第一半导体层11、活性层12及第二半导体层(13、14)，这些层被层叠。

第一半导体层11形成在基板3的第二面3b上。第一半导体层11是掺杂有n型杂质的InP层，构成红外LED元件1的n型包层。第一半导体层11的n型掺杂剂浓度优选为1×10¹⁷/cm³以上、5×10¹⁸/cm³以下，更优选为5×10¹⁷/cm³以上、4×10¹⁸/cm³以下。作为掺杂到第一半导体层11中的n型杂质材料，可以使用Sn、Si、S、Ge、Se等，特别优选为Si。

如后述那样，活性层12生成主要的发光波长为1000nm以上、小于1800nm的红外光。第一半导体层11从作为不吸收该波长带的光的材料、并且与由InP构成的基板3晶格匹配而能够外延成长的材料中适当选择。例如，作为第一半导体层11，除了InP以外，也可以使用GaInAsP、AlGaInAs等材料。

第一半导体层11的膜厚为0.1μm以上、10μm以下，优选为0.5μm以上、5μm以下。

活性层12形成在第一半导体层11的上层(+Z方向的位置)。活性层12由生成主要的发光波长为1000nm以上、小于1800nm的红外光的材料构成。活性层12从能够生成作为目标的波长的光、并且与由InP构成的基板3晶格匹配而能够外延成长的材料中适当选择。例如，活性层12既可以为GaInAsP、InGaAs或AlGaInAs的单层构造，也可以为包括由GaInAsP、InGaAs或AlGaInAs构成的阱层和带隙能量比阱层大的由GaInAsP、InGaAs、AlGaInAs或InP构成的势垒层的MQW(Multiple Quantum Well：多重量子阱)构造。

活性层12既可以被掺杂为n型或p型，也可以是无掺杂。在被掺杂为n型的情况下，作为掺杂剂例如可以使用Si。

活性层12的膜厚在活性层12是单层构造的情况下为100nm以上、2000nm以下，优选为500nm以上、1500nm以下。此外，在活性层12为MQW构造的情况下，将膜厚5nm以上20nm以下的阱层及势垒层在2周期以上50周期以下的范围中层叠而构成。

第二半导体层(13、14)被形成在活性层12的上层(+Z方向的位置)。第二半导体层(13、14)都掺杂有p型杂质。第二半导体层13构成红外LED元件1的p型包层，第二半导体层14构成红外LED元件1的p型接触层。第二半导体层14是为了在与后述的第二电极21之间确保电连接而被高浓度地掺杂的层。但是，在能够充分确保电连接的情况下，也可以将第二半导体层14省略，使第二电极21对于构成p型包层的第二半导体层13直接接触。

作为一例，构成p型包层的第二半导体层13由掺杂有Zn的InP形成，构成p型接触层的第二半导体层14由掺杂有Zn的GaInAsP形成。

构成p型包层的第二半导体层13的p型掺杂剂浓度优选为8×10¹⁷/cm³以上、3×10¹⁸/cm³以下，更优选为1×10¹⁸/cm³以上、3×10¹⁸/cm³以下。此外，构成p型接触层的第二半导体层14的p型掺杂剂浓度优选为5×10¹⁷/cm³以上、3×10¹⁸/cm³以下，更优选为1×10¹⁸/cm³以上、3×10¹⁸/cm³以下。另外，作为掺杂到第二半导体层(13、14)中的Zn的扩散防止层，也可以在活性层12与第二半导体层(13、14)之间夹着p型掺杂剂浓度较低的层。

作为掺杂到第二半导体层(13、14)中的p型杂质材料，可以使用Zn、Mg、Be等，优选为Zn或Mg，特别优选为Zn。另外，构成p型包层的第二半导体层13的p型掺杂剂和构成p型接触层的第二半导体层14的p型掺杂剂的材料既可以相同也可以不同。

(电极21、22、23)

红外LED元件1具有电极(21、22、23)。

在基板3的第一面3a上形成有第一电极22。第一电极22对于基板3的第一面3a实现了欧姆接触。第一电极22作为一例，也可以由AuGe/Ni/Au、Pt/Ti、Ge/Pt等材料构成，具备多种这些材料。另外，在本说明书内，在记载材料时使用的“X1/X2”的表述，是指层叠有由X1形成的层和由X2形成的层。

在第二半导体层14的面上，形成有第二电极21。第二电极21对于第二半导体层14的面实现了欧姆接触。第二电极21作为一例，也可以由Au/Zn/Au、AuZn、AuBe等材料构成，具备多种这些材料。

在第二电极21的面上，形成有焊盘电极23。该焊盘电极23形成用来连接接合线的区域。焊盘电极23例如由Ti/Au、Ti/Pt/Au等构成。

在图2所示的例子中，第二电极21具有配置焊盘电极23的电极区域21b和从电极区域21b以线状延伸的电极区域21a。电极区域21a以将电流在与XY平面平行的方向上扩展的目的设置。

(凹凸部41)

在本实施方式中，在基板3的侧面上形成有凹凸部41。这里，所述的基板3的侧面，如图1所示，是指基板3的面中的与XY平面平行的两面(3a、3b)以外的面。在基板3大致呈长方体形状的情况下，基板3具有4个侧面，在这些侧面上都形成凹凸部41。

凹凸部41构成，高低差的最大值为发光波长的0.5倍以上，凸彼此及凹彼此的间隔为发光波长的0.7倍以上。作为一例，凹凸部的高低差的最大值优选为0.5μm以上、3μm以下，更优选为0.8μm以上、2μm以下。此外，凸彼此及凹彼此的间隔、即凹凸部41的间距优选为0.8μm以上、4μm以下，更优选为1.4μm以上、3μm以下。

<<制造方法>>

参照图3A～图3I的各图对上述的红外LED元件1的制造方法的一例进行说明。图3A～图3I都是制造工艺内的一工序的剖视图。

(步骤S1)

如图3A所示，准备由以1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³的掺杂剂浓度掺杂有n型杂质的InP形成的基板3。

(步骤S2)

如图3A所示，将基板3向MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置内输送，使包括第一半导体层11、活性层12、第二半导体层(13、14)的半导体层10依次向基板3的第二面3b侧外延成长。在本步骤S2中，根据成长的层的材料及膜厚，适当调整原料气体的种类及流量、处理时间、环境温度等。

各半导体层10的材料例是上述那样的。作为一例，通过该外延成长工序，形成包括由掺杂有Si的InP形成的第一半导体层11、由GaInAsP形成的活性层12、由掺杂有Zn的InP形成的第二半导体层13和由掺杂有Zn的GaInAsP形成的第二半导体层14的半导体层10。通过该工序，得到在基板3的面上形成半导体层10而得到的外延晶片。

(步骤S3)

将外延晶片从MOCVD装置取出，在第二半导体层14的表面形成通过光刻法布图的抗蚀剂掩模。然后，在使用真空蒸镀装置将第二电极21的形成材料(例如Au/Zn/Au)成膜后，通过剥离法将抗蚀剂掩模剥离。然后，例如通过450℃、10分钟的加热处理施以合金处理(退火处理)，如图3B所示，在第二半导体层14的上表面形成第二电极21。

(步骤S4)

在基板3的面中的形成有半导体层10的一侧的面上涂布抗蚀剂而进行保护后，对于与该面相反的面即第一面3a，进行通过磨削研磨处理及由盐酸类蚀刻剂的湿式蚀刻处理。由此，调整基板3的厚度(参照图3C)。基板3的厚度如上述那样被设定为50μm以上、700μm以下，作为一例被设定为250μm。然后，将作为保护膜的抗蚀剂通过有机溶剂除去。

(步骤S5)

如图3D所示，在基板3的第一面3a侧使用真空蒸镀装置将第一电极22的形成材料(例如AuGe/Ni/Au)成膜后，例如通过用450℃、10分钟的加热处理施以合金处理(退火处理)，形成第一电极22。

(步骤S6)

如图3E所示，在第二电极21的上表面，使用光刻法、真空蒸镀法及剥离法，形成例如由Ti/Au构成的焊盘电极23。

(步骤S7)

如图3F所示，施以用来按照元件分离的台面蚀刻。具体而言，在将第二半导体层14的面中的非蚀刻区域用由光刻法布图的抗蚀剂掩蔽的状态下，用溴与甲醇的混合液进行湿式蚀刻处理。由此，将位于没有被掩蔽的区域内的第二半导体层(13、14)、活性层12及第一半导体层11的一部分除去。

(步骤S8)

如图3G所示，将被施以台面蚀刻处理后的晶片粘贴到切块片31上之后，使用刀片切块装置沿着切块线进行元件分割。进而，使用扩展装置，将粘贴有红外LED元件1的切块片31扩展，在邻接的红外LED元件1间设置间隙。

(步骤S9)

如图3H所示，按照粘贴有红外LED元件1的切块片31，对包括盐酸的酸性的蚀刻液进行浸渍处理，在红外LED元件1的侧面上形成凹凸形状。通过该步骤S9，在基板3的侧面上形成凹凸部41，在半导体层10的侧面上形成凹凸部42。

另外，虽然在图3H中没有图示，但也可以通过该步骤S9在第二半导体层14的上表面也形成凹凸部。

(步骤S10)

从切块片31将红外LED元件1拆下。由此，成为图1所示的状态。

(步骤S11)

如图3I所示，例如将红外LED元件1的第一电极22侧经由银膏34管芯接合在TO－18型的管座35上，在热硬化后，将焊盘电极23与线36接合而电连接。另外，在本步骤S11中，也可以代替银膏34而使用钎焊。作为钎焊，可以采用AuSn或SnAgSu等材料。

<<作用>>

如果对经过步骤S1～S11的工序制造的红外LED元件1具有的第一电极22与第二电极21之间施加电压，则电流流到活性层12内而发光。在该光中，向+Z方向行进的光被从第二半导体层14的面向外部取出。此外，向－Z方向行进的光穿过基板3被从侧面向外部取出。

这里，由于在基板3的侧面上形成有凹凸部41，所以抑制了被基板3的侧面全反射并再次被送回到基板3的内侧的光量。

此外，基板3的掺杂剂浓度是1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³，与在半导体激光的领域中以使基板的电阻率下降的目的掺杂的浓度相比是低浓度。通过将掺杂剂浓度设为这样的范围内的值，在基板3内流动的电流在横向(与XY平面平行的方向)上被扩散，结果，通过电流在活性层12内的较大的范围内流动，发光区域扩大，光取出效率被提高。

图4A及图4B对于在使基板3的掺杂剂浓度不同的状态下经过步骤S1～S11的工序制造的多个红外LED元件1所呈现的发光强度和分散长各自的值将与掺杂剂浓度的关系曲线图化。图4A是表示掺杂剂浓度与发光强度的关系的曲线图。图4B是表示掺杂剂浓度与分散长的关系的曲线图。

更详细地讲，图4A将通过积分球系统评价对于使基板3的掺杂剂浓度不同而制造出的红外LED元件1注入50mA的电流时的发光强度的结果按照掺杂剂浓度进行了曲线图化。

此外，图4B将在使使基板3的掺杂剂浓度不同而制造的红外LED元件1分别发光的状态下、测量由亮度最高的部位与亮度下降为1/2的部位的距离定义的“分散长”的结果按照掺杂剂浓度进行了曲线图化。分散长采用在实际使各红外LED元件1发光的状态下将红外LED元件1的表面摄像、基于摄像结果将与表面位置对应的明亮度变换为数值、根据与位置对应的数值的比较结果导出的值。

根据图4A确认，在基板3的掺杂剂浓度为1×10¹⁷/cm³以上、1×10¹⁹/cm³以下的范围内，随着基板3的掺杂剂浓度被降低而发光强度上升。此外，根据图4B确认，随着基板3的掺杂剂浓度被降低，分散长上升。根据以上的结果，如在“用来解决课题的手段”项中上述那样，通过将基板3的掺杂剂浓度设定在1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³的范围内，在基板3内流动的电流在横向上被扩散，随之在活性层12中流动的电流也在横向上被扩散，可以想到发光效率提高了。

根据图4B的结果，能够使分散长成为50μm以上。因此，为了使电流在活性层12内的较大的范围中流动，在对第二电极21设置离开距离d1(参照图2)的情况下，优选的是将它们的离开距离设定为100μm以下。

另外，图2所示的第二电极21的形状只不过是一例，在本实施方式中，红外LED元件1具备的第二电极21的形状是任意的。例如，如图5所示，第二电极21也可以具有配置焊盘电极23的电极区域21b和与电极区域21b连接并以线状延伸的电极区域21a，电极区域21a呈栅格形状。在此情况下，优选的是将构成栅格的各电极区域21a彼此的离开距离d1例如设为100μm以下。

[其他实施方式]

以下，对红外LED元件1的其他实施方式进行说明。

<1>如图6所示，第一电极22也可以形成在基板3的第一面3a的一部分区域中。在此情况下，第一电极22的至少一部分优选的是关于Z方向以与没有形成第二电极21的区域对置的方式配置。即，优选的是以形成有第一电极22的区域B1的至少一部分相对于没有形成第二电极21的区域A2在Z方向上对置的方式配置各电极(21、22)。由此，电流在横向(与XY平面平行的方向)上被扩展，电流在活性层12内的较大的范围中流动，提高了发光强度。

此外，通过将没有形成第一电极22的区域B2作为空隙，在基板3与区域B2的边界面，折射率差变得很大。结果，在基板3内向－Z方向行进的光容易在基板3的－Z侧的面(第一面3a)上全反射，使被从基板3的侧面等光取出面取出的光量增加。

在制造图6所示的红外LED元件1时，只要在上述步骤S5的执行时将第一电极22布图即可。更详细地讲，在形成通过光刻法布图的抗蚀剂掩模后，使用真空蒸镀装置将第一电极22的形成材料(例如AuGe/Ni/Au)成膜，通过剥离而将抗蚀剂掩模剥离。然后，通过用450℃、10分钟的加热处理施以合金处理(退火处理)，形成第一电极22。以后的步骤与上述实施方式是共通的，所以省去说明。

对于图6所示的红外LED元件1，在与图3I同样经由银膏34管芯接合在管座35上的情况下，银膏34进入到图6中图示的空隙B2内。结果，不再能得到上述那样的基板3与空隙B2之间的较大的折射率差。但是，由于进入到空隙B2内的银膏34中包含的银粒子对于红外光具有较高的反射率，所以还是能够实现使在基板3内向－Z方向行进的光向+Z方向反射的功能。

此外，在图6所示的红外LED元件1中，由于在基板3的第一面3a侧形成台阶，所以在安装时也可以将第一电极22与封装基板进行钎焊连接。作为钎焊，可以采用AuSn或SnAgSu等材料。在此情况下，由于空隙B2依然残留，所以如上述那样，能够在基板3与空隙B2之间设置较大的折射率差，所以容易使在基板3内向－Z方向行进的光在第一面3a上全反射。

<2>在图6中，也可以在没有形成第一电极22的区域B2内形成反射层25(参照图7)。

反射层25只要是对于1000nm以上、小于1800nm的红外光呈现较高的反射率的材料即可，例如由Ag、Ag合金、Au、Al等材料构成。这些材料都与第一电极22的材料相比对于红外光的反射率较高。另外，反射层25对于红外光的反射率优选为50％以上，更优选为70％以上。

在制造图7所示的红外LED元件1时，只要在上述步骤S5的执行时分别形成被布图的第一电极22及被布图的反射层25即可。

<3>在图6中，也可以在没有形成第一电极22的区域B2内形成电介体层26(参照图8)。

电介体层26只要是折射率比由InP构成的基板3低的材料即可，例如由SiO₂、SiN、Al₂O₃、ITO、ZnO等材料构成。由于这些材料都呈现比InP的折射率小0.2以上的折射率，所以实现了在基板3与电介体层26的界面容易发生全反射的折射率差。

在制造图8所示的红外LED元件1时，只要在上述步骤S5的执行时分别形成被布图的第一电极22及被布图的电介体层26即可。例如在通过等离子CVD法将由SiO₂构成的电介体层26成膜在整面上之后，使用通过光刻法被布图的抗蚀剂掩模，进行借助BHF溶液的湿式蚀刻处理，进行电介体层26的布图处理。然后，在电介体层26的开口区域中形成第一电极22。

另外，在图8所示的红外LED元件1中，如上述那样能够通过步骤S11的方法来安装。在此情况下，由于银膏34夹在电介体层26的下层，所以银膏34中包含的Ag粒子作为反射部件发挥功能。

进而，也可以如图9所示那样，以将电介体层26及第一电极22的面覆盖的方式形成反射层25。

<4>在上述实施方式中，假设在红外LED元件1具备的基板3的侧面上形成有凹凸部41而进行了说明。但是，基板3也可以并不一定在侧面上具备凹凸部41(参照图10)。在此情况下，也可以如图10所示那样在半导体层10的侧面上也不形成凹凸部42。

<5>在由上述实施方式说明的红外LED元件1中，关于半导体层10的面中的与XY平面平行的光取出面即第二半导体层14的表面，也可以也形成有凹凸部。

<6>在上述实施方式中，对在作为p型包层的第二半导体层13的上表面形成作为p型接触层的第二半导体层14、在该第二半导体层14的面上形成第二电极21的情况进行了说明。但是，只要与第二电极21取得接触，接触层的导电型也可以是n型。在此情况下，在第二半导体层13的上层经由薄膜的n型触头形成第二电极21。

标号说明

1：红外LED元件

3：基板

3a：基板的第一面

3b：基板的第二面

10：半导体层

11：第一半导体层

12：活性层

13、14：第二半导体层

21：第二电极

22：第一电极

23：焊盘电极

24：焊盘电极

25：反射层

26：电介体层

28：钝化膜

31：切块片

34：银膏

35：管座

41：凹凸部

42：凹凸部

Claims

1.一种红外LED元件，其特征在于，

具有：

基板，包含InP，n型掺杂剂浓度为1×10¹⁷/cm³以上、小于3×10¹⁸/cm³；

第一半导体层，形成在上述基板的上层，呈现n型；

活性层，形成在上述第一半导体层的上层；

第二半导体层，形成在上述活性层的上层，呈现p型；

第一电极，形成在上述基板的面中的与形成有上述第一半导体层的一侧相反侧的第一面上；以及

第二电极，形成在上述第二半导体层的上层，当从与上述基板的面正交的第一方向观察时，仅形成在上述第二半导体层的面的一部分区域中；

主要的发光波长呈现1000nm以上。

2.如权利要求1所述的红外LED元件，其特征在于，

关于上述第一方向，上述基板的厚度相对于上述第二半导体层的厚度为10倍以上。

3.如权利要求1或2所述的红外LED元件，其特征在于，

上述基板的厚度为150μm以上、400μm以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的红外LED元件，其特征在于，

上述第二电极仅形成在上述第二半导体层的面的一部分区域中；

关于上述第一方向，没有形成上述第二电极的区域的至少一部分与形成有上述第一电极的区域的至少一部分对置。

5.如权利要求1～4中任一项所述的红外LED元件，其特征在于，

上述第二电极具有呈在上述第二半导体层的面上向不同的方向延伸的栅格形状或梳子形状的多个部分电极；

邻接的上述部分电极彼此的离开距离为100μm以下。

6.如权利要求1～5中任一项所述的红外LED元件，其特征在于，

上述基板的掺杂剂包含Sn。