CN116053351A - 红外线光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高性能的红外线光设备，其具备能够在中红外区域广泛利用的反射层结构。红外线光设备具备在中心波长λ具有峰的光接收和发射特性，所述红外线光设备具备半导体基板和薄膜层叠部，所述薄膜层叠部依次具有形成在半导体基板上的第一反射层、具有第一导电型的下部半导体层、光接收和发射层、具有第二导电型的上部半导体层、以及第二反射层，第一反射层包含构成材料含有AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0)且杂质浓度不同的多个层，中心波长λ在室温下为2.5μm以上。

Description

红外线光设备
技术领域
本发明涉及红外线光设备。
背景技术
尤其是具有2～15μm左右的波长的短波长～中波长、长波长红外线的区域(也称为中红外区域)的红外线因显示出气体分子特有的吸收带而被用于非分散红外吸收式的气体浓度测定装置。其中，红外线光设备是较大程度地左右气体浓度测定器的检测分辨能力和耗电量之类的主要性能的重要构件，寻求具有期望波长处的高发光强度或光接收灵敏度的红外线光设备。此处，光设备是指发光元件或光接收元件。例如作为发光元件，使用发光二极管(LED)。另外，例如作为光接收元件，使用光电二极管(PD)。这种使用半导体的红外线光设备根据材料设计而能够实现期望波长带的光接收和发射，被用于气体浓度测定器。
作为使这种红外线光设备实现高性能化的方法，已知的是使用共振结构的方法。例如，对于近红外区域而言已知如下方法：通过利用使用GaAs/AlGaAs的反射镜对发光区域的上下进行夹持，从而借助共振效果来提高特定波长的发光效率(专利文献1)。该反射镜也被称为分布布拉格反射器(DBR：Distributed Bragg Reflector)，通过层叠具有期望波长的大致1/4膜厚的高折射率薄膜和低折射率薄膜，从而对期望波长显示出高反射率。对于中红外区域而言，公开了例如使用InAs/GaSb作为镜材料的方法(专利文献2)。关于光电二极管等的光接收元件，也已知通过使用同样的共振效果而实现高灵敏度化的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-103613号公报
专利文献2：日本特表2009-505420号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在由半导体薄膜形成的红外线光设备中，这些镜、包括光接收和发射层在内的半导体层需要将例如AlInAs、AlInSb、InAsSb之类的具有不同带隙的各种材料加以组合。这些材料系通常晶格常数互不相同，因此，自层叠体的界面产生位错，从而使光接收和发射特性发生劣化。因此，作为镜的材料，如前述GaAs/AlGaAs或InAs/GaSb那样地使用材料不同但晶格常数相近的材料，因而，可应用的材料和波长带有限。
本发明是鉴于这种情况而进行的，其目的在于，提供具备能够在中红外区域中广泛利用的反射层结构且高性能的红外线光设备。
用于解决问题的方案
(1)本发明的一个实施方式所述的红外线光设备具备在中心波长λ具有峰的光接收和发射特性，所述红外线光设备具备半导体基板和薄膜层叠部，
所述薄膜层叠部依次具有形成在前述半导体基板上的第一反射层、具有第一导电型的下部半导体层、光接收和发射层、具有第二导电型的上部半导体层、以及第二反射层，
前述第一反射层包含构成材料含有AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0)且杂质浓度不同的多个层，
前述中心波长λ在室温下为2.5μm以上。
(2)作为本申请的一个实施方式，在(1)中，
前述第一反射层为包含低折射率层和高折射率层，且前述低折射率层与前述高折射率层交替层叠而成的多层的层叠体，所述低折射率层由1.0×1018/cm3以上的N型半导体层形成，所述高折射率层由P型半导体层、本征半导体层和杂质浓度比前述低折射率层的N型半导体层低的N型半导体层中的至少任一者形成，且折射率高于前述低折射率层。
(3)作为本申请的一个实施方式，在(2)中，
前述低折射率层包含3.0×1018/cm3以上的N型半导体层。
(4)作为本申请的一个实施方式，在(2)或(3)中，
前述高折射率层包含P型半导体层、本征半导体层和小于8.0×1017/cm3的N型半导体层中的至少任一者。
(5)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(4)的任一项中，
前述光接收和发射层的材料包含AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0)，
前述中心波长λ在室温下为3.0μm以上。
(6)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(5)的任一项中，
前述第一反射层为2层以上且30层以下的层叠体，
前述中心波长λ在室温下为4.0μm以上。
(7)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(6)的任一项中，
前述第一反射层为2层以上且12层以下的层叠体，
前述中心波长λ在室温下为6.0μm以上。
(8)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(7)的任一项中，
前述第一反射层为2层以上且6层以下的层叠体，
前述中心波长λ在室温下为8.0μm以上。
(9)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(8)的任一项中，
前述光接收和发射层包含双异质结构或者一个或多个量子阱结构。
(10)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(9)的任一项中，
前述光接收和发射层包含用隧道结进行了连接的多个光接收和发射区域。
(11)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(10)的任一项中，
还具备下部电极层，前述下部电极层与前述下部半导体层接触。
(12)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(11)的任一项中，
前述薄膜层叠部在前述半导体基板与前述第一反射层之间还具有第三反射层，所述第三反射层由与前述第一反射层不同的材料构成。
(13)作为本申请的一个实施方式，在(12)中，
前述半导体基板为GaAs基板，前述第三反射层的构成材料由AlGaAs(0≤Al≤1.0)形成。
(14)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(13)的任一项中，
前述半导体基板为半绝缘性，
在前述半导体基板上形成有多个前述薄膜层叠部，前述多个前述薄膜层叠部串联连接或并列连接。
(15)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(14)的任一项中，
前述第二反射层包含电极。
(16)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(14)的任一项中，
还具备上部电极层，前述上部电极层与上部半导体层接触。
(17)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(16)的任一项中，
从前述半导体基板侧射入光或射出光。
(18)作为本申请的一个实施方式，在(1)～(17)的任一项中，
前述第一反射层包含构成材料含有AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤0.5)且杂质浓度不同的多个层。
发明的效果
根据本发明，可提供具备能够在中红外区域中广泛利用的反射层结构且高性能的红外线光设备。根据本发明的一个方式，能够实现在中红外的波长区域具有强发光特性或光接收特性的红外线光设备。
附图说明
图1是一个实施方式所述的红外线光设备的构成图。
图2是一个实施方式所述的红外线光设备的构成图。
图3是一个实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成图。
图4是一个实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成图。
图5是一个实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成图。
图6是一个实施方式所述的红外线光设备的构成图。
图7是一个实施方式所述的红外线光设备的第一反射层的构成图。
图8是表示实施例1与比较例1的红外线发光元件的发光光谱的对比的图。
图9是表示实施例2与比较例2的红外线光接收元件的光接收光谱的对比的图。
图10是表示实施例3与比较例3的红外线发光元件的发光光谱的对比的图。
图11是表示实施例4与比较例4的红外线发光元件的发光光谱的对比的图。
图12是表示InSb层的折射率相对于n型杂质浓度的依赖性的图。
图13是表示相对于层叠数来试算层叠有杂质浓度不同的InSb层的层叠体的反射率而得到的结果的图。
图14是表示InAs层的折射率相对于n型杂质浓度的依赖性的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。其中，附图是示意图。例如，厚度、长度等与实际不同。本发明的技术思想可以在权利要求书中记载的权利要求所规定的技术范围内施加各种变更。以下的实施方式不限定权利要求书中记载的技术方案。另外，在实施方式中说明的全部特征的组合对于发明的解决手段而言不一定是必须的。
<红外线光设备>
本实施方式所述的红外线光设备具备在中心波长λ具有峰的光接收和发射特性。红外线光设备具备半导体基板和薄膜层叠部。
峰可以为一个，也可以具有多个。根据第一反射层和第二反射层的反射、透射特性、以及后述共振器的长度，其峰的数量、形状可能发生变化。
此处，红外线光设备为红外线发光元件或红外线光接收元件，是它们的统称。利用以下说明的红外线光设备的结构来实现红外线发光元件，另外，利用相同的结构来实现红外线光接收元件。另外，通过后述红外线光设备的制造方法来制造红外线发光元件，另外，通过相同的制造方法来制造红外线光接收元件。红外线光设备为红外线发光元件时，具体而言，可以是发光二极管。另外，红外线光设备可以是沿着薄膜面的垂直方向而放出光的垂直共振器型面发光激光。在沿着薄膜面的水平方向放出光的例如法布里-珀罗激光中，也可以用于与薄膜面垂直的方向的光封闭。另外，红外线光设备为红外线光接收元件时，具体而言，可以是光电二极管。另外，红外线光设备如后所述可以是nBn检测器或pBp检测器。进而，红外线光设备在中心波长λ特异性地显示高性能，因此，可用于使用了能量传送、热光电动势的废热发电等。
<半导体基板>
本实施方式所述的红外线光设备具备半导体基板。例如，可以使用Si基板、InP基板、GaAs基板等。另外，InAs基板、GaSb基板、InSb基板等的晶格常数与后述光接收和发射层的材料相近，因此，优选作为用于形成低缺陷且高性能的光接收和发射层元件的基板。
尤其是中波长～长波长的红外线区域中，基于电子或空穴的自由电子吸收变得显著，因此，优选杂质浓度(载流子浓度)低的半导体基板。进而，通过使用半绝缘性的GaAs基板，从而能够在抑制上述自由电子吸收的同时，将形成在基板上的薄膜层叠部进行电绝缘分离。因此，通过使用电极布线而将多个薄膜层叠部串联连接或并列连接，从而能够得到具有期望的电特性、光学特性的红外线光设备。
<薄膜层叠部>
本实施方式所述的红外线光设备具备在半导体基板上形成的薄膜层叠部。薄膜层叠部从半导体基板侧起至少依次具有第一反射层、具有第一导电型的下部半导体层、光接收和发射层、具有第二导电型的上部半导体层和第二反射层。薄膜层叠部可以进一步在半导体基板与第一反射层之间具有第三反射层。
<第一反射层>
第一反射层由构成材料包含第13族元素之中的Al、Ga、In中的至少一者与第15族元素之中的As、Sb中的至少一者的组合、且杂质浓度不同的多层的层叠体构成。在构成材料之中，通过缩窄Al和Ga组成范围而能够实现更良好的晶体生长，能够提高红外线光设备的性能，因此，优选为AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0)。
此处，括弧内的记载表示混晶的组成比。(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0)表示：在AlxGayIn1-x-yAszSb1-z中，Al与Ga的组成比之和x+y为0以上且0.5以下，并且，As的组成比z为0以上且1.0以下。以下，利用同样的记载来表示组成比。本发明的发明人等本次率先发现：对于中红外区域而言，通过对上述材料进行杂质掺杂，控制杂质浓度(载流子浓度)，从而能够广泛地控制折射率。此处，载流子浓度根据杂质浓度和活化率来决定。
通过形成杂质浓度(即，杂质的掺杂浓度)不同的多层的层叠体，从而形成折射率不同的层叠结构。不同的多层可以是彼此不同的材料，也可以是仅杂质的掺杂浓度不同的相同材料。通过根据期望的波长来适当设计膜厚，从而能够构成层叠有低折射率层和高折射率层的分布布拉格反射器。高折射率层的折射率高于低折射率层的折射率。将各层的折射率记作n时，可通过例如各个层的膜厚使用λ/4n的膜厚而得到良好的反射特性。
第一反射层和后述第二反射层作为对于中红外光的镜而发挥功能，在层叠方向上配置在它们之间的下部半导体层、光接收和发射层以及上部半导体层作为共振器而发挥功能。通过这种构成，从而能够形成具备在期望的中心波长λ具有峰的光接收和发射特性的红外线光设备。此处，下部半导体层或上部半导体层可以有助于反射，该情况下，对于反射没有贡献的层作为共振器而发挥功能。峰不限定于一个，也可以具有多个峰。
尤其是作为低折射率层，通过制成具有1.0×1018/cm3以上的杂质浓度的N型半导体层，从而能够形成低折射率的薄膜。另外，作为高折射率层，通过使用P型半导体层、本征半导体层和杂质浓度比低折射率层的N型半导体层低的N型半导体层中的至少任一者，从而能够形成高折射率的薄膜。作为P型半导体层，可以使用例如具有1016/cm3～1019/cm3的杂质浓度的半导体层。通过使用将这些低折射率层和高折射率层交替层叠而成的多层层叠体，从而能够形成适合的第一反射层。
作为低折射率层，可以使用具有1.5×1018/cm3以上的杂质浓度的N型半导体层。进而，更优选低折射率层为3.0×1018/cm3以上的N型半导体层，通过设为4.0×1018/cm3以上，从而能够进一步降低折射率。作为由N型半导体形成的高折射率层，需要使杂质浓度小于低折射率层，更优选为1.5×1018/cm3以下的N型半导体层。另外，通过设为8.0×1017/cm3以下，从而能够进一步提高折射率。作为由N型半导体形成的高折射率层，经常使用1.0×1017/cm3以下的杂质浓度。低折射率层与高折射率层的杂质浓度之差越大，则作为第一反射层而越好地发挥功能。另外，在层叠有多层的第一反射层中，各层中的低折射率层和高折射率层的组成、杂质浓度可以不同。
此处，作为杂质，例如Sn、Te可用作n型掺杂的材料，Zn、Be、Ge可用作p型掺杂的材料。另外，Si根据母体的半导体而被用作n型或者p型的掺杂材料。然而，杂质的材料不限定于它们。关于杂质浓度，可通过例如二次离子质谱法(SIMS)进行评价。
通过将第一反射层的层数设为2层以上，从而能够在夹在与第二反射层之间的区域内形成共振器。随着层数的提高，反射率会提高，因此，通过将第一反射层设为3层以上，从而得到更高的反射率，故而优选。另一方面，在中心波长λ为6.0μm以上的情况下，由于所掺杂的半导体中的自由载流子吸收而导致第一反射层中的吸收损耗变得显著。因此，第一反射层的最佳层数设有上限，例如，在中心波长λ为6.0μm以上的情况下，第一反射层的层数优选设为12层以下，另外，在中心波长λ为8.0μm的情况下，优选设为6层以下。在吸收损耗显著的情况下，经常使用5层以下或4层以下的层数。即便在中心波长λ为6.0μm以下的情况下，出于元件的加工工艺的限制，也设有层数的上限，作为第一反射层，可使用30层以下的层数。作为一例，中心波长λ在室温下为3.0μm或4.0μm以上且6.0μm以下时，第一反射层由2层以上且30层以下的层叠体构成。
通过缩窄AlGaInAsSb混晶材料的As组成范围，从而能够实现更好的晶体生长，能够获得红外线光设备的性能提高，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤0.5)。进而，可以缩窄As组成范围，使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤0.3)。另外，通过缩窄Al和Ga组成范围而能够实现更好的晶体生长，能够获得红外线光设备的性能提高，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.3、0≤As≤0.3)。进而，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.2、0≤As≤0.2)。通过制成Ga组成为0的四元混晶，从而也能够制成更容易进行结构控制的简便结构。
同样地，通过缩窄AlGaInAsSb混晶材料的As组成范围，从而能够实现更好的晶体生长，能够获得红外线光设备的性能提高，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0.7≤As≤1.0)。另外，通过缩窄Al和Ga组成范围，从而能够实现更好的晶体生长，能够获得红外线光设备的性能提高，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.3、0.7≤As≤1.0)。进而，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.2、0.8≤As≤1.0)。通过制成Ga组成为0的四元混晶，从而也能够制成更容易进行结构控制的简便结构。
此处，出于降低薄膜的位错等目的，可以包含晶格常数大不相同的薄膜层。例如，如果层的厚度是中心波长λ除以该层的折射率n而得到的值的1/10以下，则可以包含超过前述Al和Ga组成范围、As组成范围的组成的半导体层(薄膜层)。在这种情况下，晶格常数大不相同的薄膜层不视作第一反射层，不计入第一反射层的层数。
尤其是，作为后述光接收和发射层的构成材料，以InAsSb(0≤As≤0.2)为主成分时，适合的是：使用AlGaInSb(0≤Al+Ga≤0.2)作为第一反射层的材料，并且，使用AlGaInSb(0≤Al+Ga≤0.5)作为出于降低位错等目的而包含的薄膜层的材料。通过制成Ga组成为0的三元混晶，从而也可制成更容易进行结构控制的简便结构。
同样地，尤其是作为后述光接收和发射层的构成材料而以InAsSb(0.8≤As≤1.0)为主成分时，适合的是：使用AlGaInAs(0≤Al+Ga≤0.2)作为第一反射层的材料，并且，使用AlGaInAs(0≤Al+Ga≤0.5)作为出于降低位错等目的而包含的薄膜层的材料。通过制成Ga组成为0的三元混晶，从而也可制成更容易进行结构控制的简便结构。
为了作为红外线光设备而发挥功能，可以通过第一反射层而流通电流。该情况下，第一反射层的串联电阻成为问题，但通过例如将杂质浓度不同的多个N型半导体层、或者N型半导体层与P型半导体层借助隧道结进行接合，从而能够降低串联电阻。
另外，通过将第一反射层的至少一部分设为高电阻，并在该高电阻的层进行元件分离，从而所制作的多个红外线光设备可以串联连接。该情况下，作为高电阻的层，可以使用例如非掺杂的AlInSb(0.05≤Al≤0.2)。
<光接收和发射层>
光接收和发射层为发光层或光接收层，是它们的统称。光接收和发射层构成被第一反射层和第二反射层夹持的共振器，释放或接收具有中心波长λ的光。作为光接收和发射层，可以使用例如包含AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0)的薄膜。光接收和发射层可以为由该材料形成的单一组成的薄膜，也可以层叠有不同的材料。另外，光接收和发射层可以制成使用具有多个带隙的半导体层且包含双异质结构或者一个或多个量子阱结构的层叠体。在发光元件中，通过制成双异质结构或量子阱结构，从而能够减薄发光区域的膜厚，能够降低所发出的光的自吸收导致的损耗。另外，在光接收元件中，能够减薄光接收区域的膜厚，能够提高电阻。为了促进载流子在前述双异质结构或量子阱结构中的注入或取出，可以向夹持该结构的区域内进行轻度掺杂(slight dope)。此处，轻度掺杂是指杂质浓度比n型半导体层和p形半导体层低的杂质掺杂，作为一例，是指形成杂质浓度为1.0×1017/cm3左右的层。另外，光接收和发射层可以具备用隧道结进行了连接的多个光接收和发射区域。
作为光接收和发射层的构成材料，通过缩窄AlGaInAsSb混晶材料的As组成范围而能够实现更好的晶体生长，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤0.3)。另外，通过缩窄Al和Ga组成范围，从而能够实现更好的晶体生长，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.3、0≤As≤0.3)。进而，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.2、0≤As≤0.2)。例如，通过固定In组成并变更Al与Ga的比率，从而不会大幅变更晶格常数，能够控制材料的带隙，换言之，控制发光端波长、光接收端波长。通过制成Ga组成为0的四元混晶，从而还能够制成更容易进行结构控制的简便结构。
同样地，作为光接收和发射层的构成材料，通过缩窄AlGaInAsSb混晶材料的As组成范围，从而能够实现更好的晶体生长，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0.7≤As≤1.0)。另外，通过缩窄Al和Ga组成范围，从而能够实现更好的晶体生长，因此，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.3、0.7≤As≤1.0)。进而，可以使用AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.2、0.8≤As≤1.0)。例如，通过固定In组成并变更Al与Ga的比率，从而不会大幅变更晶格常数，能够控制材料的带隙，换言之，控制发光端波长、光接收端波长。通过制成Ga组成为0的四元混晶，从而也能够制成更容易进行结构控制的简便结构。
作为特别适合于短波长～中波长的红外线区域的光接收和发射层的材料，可以使用例如AlInSb。通过使Al组成在0～20％之间发生变化，从而能够将发光端波长、光接收端波长控制至在室温下为2.3μm～7.3μm。此处，室温为25℃。另外，发光端波长、光接收端波长是由光接收和发射层的材料的带隙和结构确定的波长，是指实现发光的最大波长或能够光接收的最大波长。作为一例，在光接收和发射层为InSb薄膜的情况下，与其带隙0.17eV相当的波长7.3μm成为发光端波长、光接收端波长。
作为特别适合于短波长～中波长的红外线区域的光接收和发射层的材料，可以使用例如InAsSb。通过使As组成在80～100％之间发生变化，从而能够将发光端波长、光接收端波长控制至在室温下为3.5μm～5.9μm。
另外，作为特别适合于长波长红外线区域的光接收和发射层的材料，可以使用例如InAsSb。通过使As的组成在0～20％之间发生变化，从而能够将发光端波长、光接收端波长控制至在室温下为7.3μm～12μm。
此处，光接收和发射层可以为本征半导体，也可以掺杂成N型或P型。尤其是带隙狭窄的情况下，进行轻度掺杂成P型的操作。作为轻度掺杂的一例，在由InAsSb形成的光接收和发射层中，进行1016/cm3～1018/cm3的杂质掺杂。另外，即便是下部半导体层、上部半导体层等除光接收和发射层之外的层，有时也可能进行光接收和发射。为了抑制这些除光接收和发射层之外的层的光接收和发射，期望中心波长λ与由除光接收和发射层之外的半导体层的带隙计算的带端波长相比位于长波长侧。
<下部半导体层、上部半导体层>
下部半导体层具有第一导电型。上部半导体层具有第二导电型。关于第一导电型与第二导电型的具体组合，如后所述。下部半导体层和上部半导体层中，作为构成材料，包含例如AlGaInAsSb(0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0)。这些层对于反射没有贡献。另外，第一反射层的最上层(距离半导体基板最远的层)为第一导电型时，也可以将该最上层用作下部半导体层。另外，第二反射层的最下层(距离半导体基板最近的层)为具有第二导电型的半导体层时，也可以将该最下层用作上部半导体层。
<第二反射层>
第二反射层形成在上部半导体层的上部。构成第二反射层的材料可以使用包含第一反射层的构成材料、GaAs/AlGaAs、SiO2/Ge的半导体、电介质等各种材料。第二反射层可以为由多个薄膜形成的层叠体，另外，也可以使用电极。作为电极的材料，可以与后述上部电极层、下部电极层同样地使用各种材料。另外，与上部电极层同样地，为了使红外线光设备发挥功能，可以注入电流或取出电流。
<第三反射层>
第三反射层配置在半导体基板与第一反射层之间，由与第一反射层不同的材料构成。第三反射层与第一反射层一同作为本发明中的反射镜而发挥功能。
例如，在半导体基板为InAs基板或GaSb基板的情况下，可以使用InAs/GaSb的层叠体。另外，在半导体基板为GaAs基板的情况下，通过使用Al组成不同的多个AlGaAs(0≤Al≤1.0)薄膜的层叠体，从而能够形成晶体缺陷少的第三反射层，是适合的。该情况下，通过将各层设为例如非掺杂，从而电阻变高，因此，通过在第三反射层的上部或第三反射层的内部进行元件分离，从而能够使包含在第三反射层上部形成的薄膜层叠部的红外线光设备串联连接。在第三反射层具有导电性的情况下，通过使用绝缘性的半导体基板，进行元件分离至半导体基板为止，从而能够形成串联连接的红外线光设备。
<上部电极层、下部电极层>
作为上部电极层、下部电极层的材料，优选在中红外区域内的反射率高的材料，可以使用例如Au、Al。另外，为了降低接触电阻、提高密合性、以及防止电极材料与半导体材料的相互扩散，上部电极层与下部电极层也可以层叠不同的电极材料。例如，也可以使用Ti、Pt、Ni、Cr等。以不损害上部电极层的反射率的方式设计各层的膜厚。电极的材料不限定于它们。上部电极层与下部电极层可以为不同的材料，也可以为相同的材料。上部电极层与下部电极层可通过一个工序而同时形成。
上部电极层是为了从上部半导体层侧注入电流或取出电流而设置的。可以与上部半导体层接触，也可以与第二反射层接触。尤其是，第二反射层为具有绝缘性的电介质时，可以与上部半导体层进行接触。此处，接触是指电极层与半导体层的电接合。下部电极层是为了从下部半导体层侧注入电流或取出电流而设置的。可以与下部半导体层接触，也可以与第一反射层接触。通过使其与下部半导体层接触，从而能够降低由电流在第一反射层等中流通而导致的串联电阻的影响。
<第一导电型、第二导电型>
作为第一导电型/第二导电型的组合，通过制成例如p型/n型或者n型/p型，从而能够构成发光二极管或光电二极管。另外，可以制成n型/n型、p型/p型，通过进一步具备阻隔层(B)，从而能够构成nBn检测器、pBp检测器。
[第一实施方式]
图1是用于说明本发明的第一实施方式所述的红外线光设备的构成图。如图1所示那样，第一实施方式所述的红外线光设备具备半导体基板和形成在半导体基板上的薄膜层叠部。作为薄膜层叠部，从半导体基板侧起具有第一反射层、下部半导体层、光接收和发射层、上部半导体层、以及第二反射层。
[第二实施方式]
图2是用于说明本发明的第二实施方式所述的红外线光设备的构成图。如图2所示那样，第二实施方式所述的红外线光设备具备包含GaAs的半导体基板和薄膜层叠部，所述薄膜层叠部在半导体基板上具有包含AlGaAs(0≤Al≤1.0)的第三反射层、第一反射层、下部半导体层、光接收和发射层、上部半导体层、以及第二反射层。
[第三实施方式]
图3是用于说明本发明的第三实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成图。如图3所示那样，在第三实施方式所述的红外线光设备中，光接收和发射层包含由i-AlInSb层与i-InSb层的层叠体形成的量子阱层。量子阱层可以为一层，也可以为由多层形成的多量子阱层。本实施方式所述的红外线光设备的除光接收和发射层之外的层的构成可以与第一实施方式或第二实施方式相同。
[第四实施方式]
图4是用于说明本发明的第四实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成图。如图4所示那样，在第四实施方式所述的红外线光设备中，光接收和发射层由i-AlInSb层与π-InAsSb层的双异质结构形成。在发光元件中，从上部半导体层和下部半导体层注入的载流子经由i-AlInSb层而被注入至π-InAsSb层中，通过发光再结合而放出光。在光接收元件中，在π-InAsSb层中通过光吸收而产生的载流子借助热电子放出而经由i-AlInSb，并从上部半导体层和下部半导体层取出。
此处，π-InAsSb层表示轻度掺杂成p型的InAsSb层。另外，如上所述，为了促进从有助于光吸收的π-InAsSb层中取出载流子，π-InAsSb层也进行了在前后的i-AlInSb层中轻度掺杂的操作。本实施方式所述的红外线光设备的除光接收和发射层之外的层的构成可以与第一实施方式或第二实施方式相同。
[第五实施方式]
图5是用于说明本发明的第五实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成图。如图5所示那样，在第五实施方式所述的红外线光设备中，光接收和发射层采取利用由p-AlInSb/p-InAsSb/n-InAsSb/n-AlInSb层形成的隧道结来连接两个π-InAsSb层而得到的结构。此处，各AlInSb层作为对于电子、空穴而言的阻隔层而发挥功能。通过将两个光接收和发射层串联连接，从而在发光元件中相对于一定的注入电流进行两个层中的发光再结合，由此，能够获得发光强度的提高。另外，在光接收元件中，二极管电阻会增加，因此，在与外部的信号处理电路的连接方面特别优选。光接收和发射层的数量不限定于两个，也可以利用多个隧道结来连接多个光接收和发射层。本实施方式所述的红外线光设备的除光接收和发射层之外的层的构成可以与第一实施方式或第二实施方式相同。
[第六实施方式]
图6是用于说明本发明的第六实施方式所述的红外线光设备的构成图。如图6所示那样，第六实施方式所述的红外线光设备具备半导体基板；在半导体基板上具有第一反射层、下部半导体层、光接收和发射层、上部半导体层和第二反射层的薄膜层叠部；以及下部电极层。下部电极层通过与下部半导体层接触而能够形成串联电阻少的红外线光设备。本实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成与第三实施方式、第四实施方式或第五实施方式相同。
[第七实施方式]
图7是用于说明本发明的第七实施方式所述的红外线光设备的第一反射层的构成图。如图7所示那样，在第七实施方式所述的红外线光设备中，第一反射层由低折射率层与高折射率层的层叠体构成。低折射率层和高折射率层可以分别由多个层构成。例如，高折射率层可以层叠有折射率不同的多个高折射率层a、b等。本实施方式所述的红外线光设备的除第一反射层之外的层的构成可以与第一实施方式、第二实施方式或第六实施方式相同。另外，本实施方式所述的红外线光设备的光接收和发射层的构成可以与第三实施方式、第四实施方式或第五实施方式相同。
(实施例1)
以下的实施例是中心波长λ为约9.5μm的发光元件的情况的例子。表1中示出比较例1和实施例1的薄膜结构。在实施例1中，第一反射层是由层编号5～6的低折射率层、层编号7的高折射率层、层编号8的低折射率层形成的三层结构的层叠体。另外，层编号4为发光层。层编号2～3为上部半导体层。层编号1为第二反射层。此处，第一反射层最上部的n-InSb层和n-AlInSb层(层编号5～6)还作为下部半导体层而发挥功能。
红外线发光元件按照以下的步骤来制作。首先，在半绝缘性的GaAs基板上，利用MBE法来形成表1的(实施例1)所示的除Au/Pt/Ti层(第二反射层)之外的薄膜层。通过干式蚀刻法，蚀刻至上部的n-InSb层为止，由此形成台面结构，在形成由SiO2和SiN形成的保护层后，针对电极与半导体的接触部进行了开窗。接着，以覆盖该开窗部的方式形成由Au/Pt/Ti层形成的电极层。此处，p-InSb层的上部的电极层作为上部电极层和第二反射层而发挥功能。n-InSb层的上部的电极层作为下部电极层而发挥功能。红外光从GaAs基板侧射出。另外，如表1所示那样，比较例1的红外线发光元件仅包含层编号5～7的低折射率层，不具备实施例1那样的由杂质浓度不同的多层构成的第一反射层。
图8中示出实施例1与比较例1的红外线发光元件的发光强度的对比。本实施例的发光元件显示出在约9.5μm具有峰的发光强度光谱。9.5μm的波长处的实施例1的发光强度与比较例1相比提高至约1.5倍。
[表1]
Figure BDA0003912424430000181
(实施例2)
以下的实施例是中心波长λ为约9.5μm的光接收元件的情况的例子。薄膜的结构和设备制作方法与前述实施例1、比较例1相同。图9中示出实施例2与比较例2的红外线光接收元件的光接收灵敏度的对比。红外光从GaAs基板侧入射。本实施例的光接收元件显示出在约9.5μm具有峰的光接收灵敏度光谱。9.5μm的波长下的实施例2的光接收灵敏度与比较例2相比提高至约1.7倍。实施例2的光接收元件显示出与根据活性层膜厚之比而设想的1.17倍(＝2.8μm/2.4μm)的预测相比更大的灵敏度提高。
(实施例3)
以下的实施例是中心波长λ为约5.8μm的发光元件的情况的例子。表2中示出比较例3和实施例3所述的薄膜结构。在实施例3中，层编号9为第一反射层。层编号7～8为下部半导体层。层编号4～6为发光层。层编号2～3为上部半导体层。第一反射层为7对的高折射率层与低折射率层的层叠体，由合计14层的层叠体形成。另外，发光层由i-AlInSb/i-InSb/i-AlInSb的双异质结构形成，在带隙小的InSb层中发生发光再结合。图10中示出实施例3与比较例3的红外线发光元件的发光强度的对比。本实施例的发光元件显示出在约5.8μm具有峰的发光强度光谱。如表2所示那样，比较例3的红外线发光元件不具备第一反射层。5.8μm的波长下的实施例3的发光强度与比较例3相比提高至约2.3倍。
[表2]
Figure BDA0003912424430000201
(实施例4)
以下的实施例是中心波长λ为约4.3μm的发光元件的情况的例子。表3中示出比较例4和实施例4的薄膜结构。在实施例4中，层编号9为第一反射层。层编号7～8为下部半导体层。层编号4～6为发光层。层编号2～3为上部半导体层。第一反射层为12对的高折射率层与低折射率层的层叠体，由合计24层的层叠体形成。另外，发光层是由i-AlInSb/i-InSb/i-AlInSb形成的多量子阱层。图11中示出实施例4和比较例4的红外线发光元件的发光强度的对比。本实施例的发光元件显示出在约4.3μm具有峰的发光强度光谱。如表3所示那样，比较例4的红外线发光元件具有倾斜组成的层，不具备实施例4那样的由杂质浓度不同的多层构成的第一反射层。4.3μm的波长下的实施例4的发光强度与比较例4相比提高至约1.6倍。
[表3]
Figure BDA0003912424430000221
(实施例5)
以下的实施例为红外线光设备中的第一反射层的例子。图12中示出InSb层的折射率相对于n型杂质浓度的依赖性。掺杂使用Sn来进行。根据附图可以明确：在n型杂质浓度、换言之n型载流子浓度增加的同时，折射率大幅降低。该倾向随着从短波长变为长波长而愈加显著。另一方面，对于p型的杂质而言，与n型相比未观察到显著的折射率的浓度依赖性。另外，针对相对于InSb而混晶有Al、Ga、As的材料，也可观察到同样的倾向。此处，n型杂质浓度为0的图12的左端的点表示未掺杂的i-InSb的值。
同样地，图14中示出InAs层的折射率相对于n型杂质浓度的依赖性。掺杂使用Sn来进行。根据附图可以明确：在n型杂质浓度、换言之、n型载流子浓度增加的同时，折射率大幅降低。该倾向随着从短波长变为长波长而愈加显著。另一方面，对于p型的杂质而言，与n型相比未观察到显著的折射率的浓度依赖性。另外，针对相对于InAs而混晶有Al、Ga、As的材料，也可观察到同样的倾向。此处，n型杂质浓度为0的图14的左端的点表示未掺杂的i-InAs的值。
图13是在若干个波长下相对于层叠数试算层叠有杂质浓度不同的InSb层的层叠体的反射率而得到的结果。此处，作为高折射率层，使用未掺杂的InSb层，作为低折射率层，使用7.0×1018/cm3的InSb层。可知：在各波长下均是反射率随着层数增加而提高。该倾向对于AlInSb和InAsSb也是相同的。此处，在图12、图13和图14中，针对中心波长λ为3.3μm、4.3μm、5.8μm、9.5μm的红外线光设备分别进行计算，并进行标绘。另外，载流子浓度根据杂质浓度和活化率来决定。例如，作为n型杂质的Sn的活化率大致为1。另外，例如，作为p形杂质的Zn的活化率大致为2。
以上，针对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的技术范围不限定于上述实施方式的技术范围。也可以对上述实施方式施加多种变更或改良，根据权利要求书的记载可以明确：这种施加变更或改良后的形态也包括在本发明的技术范围内。

Claims (18)

1.一种红外线光设备，其具备在中心波长λ具有峰的光接收和发射特性，所述红外线光设备具备半导体基板和薄膜层叠部，
所述薄膜层叠部依次具有形成在所述半导体基板上的第一反射层、具有第一导电型的下部半导体层、光接收和发射层、具有第二导电型的上部半导体层、以及第二反射层，
所述第一反射层包含构成材料含有AlGaInAsSb且杂质浓度不同的多个层，式中，0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0，
所述中心波长λ在室温下为2.5μm以上。
2.根据权利要求1所述的红外线光设备，其中，所述第一反射层为包含低折射率层和高折射率层，且所述低折射率层与所述高折射率层交替层叠而成的多层的层叠体，所述低折射率层由1.0×1018/cm3以上的N型半导体层形成，所述高折射率层由P型半导体层、本征半导体层和杂质浓度比所述低折射率层的N型半导体层低的N型半导体层中的至少任一者形成，且折射率高于所述低折射率层。
3.根据权利要求2所述的红外线光设备，其中，所述低折射率层包含3.0×1018/cm3以上的N型半导体层。
4.根据权利要求2或3所述的红外线光设备，其中，所述高折射率层包含P型半导体层、本征半导体层和小于8.0×1017/cm3的N型半导体层中的至少任一者。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述光接收和发射层的材料包含AlGaInAsSb，式中，0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤1.0，
所述中心波长λ在室温下为3.0μm以上。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述第一反射层为2层以上且30层以下的层叠体，
所述中心波长λ在室温下为4.0μm以上。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述第一反射层为2层以上且12层以下的层叠体，
所述中心波长λ在室温下为6.0μm以上。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述第一反射层为2层以上且6层以下的层叠体，
所述中心波长λ在室温下为8.0μm以上。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述光接收和发射层包含双异质结构或者一个或多个量子阱结构。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述光接收和发射层包含用隧道结进行了连接的多个光接收和发射区域。
11.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其还具备下部电极层，所述下部电极层与所述下部半导体层接触。
12.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述薄膜层叠部在所述半导体基板与所述第一反射层之间还具有第三反射层，所述第三反射层由与所述第一反射层不同的材料构成。
13.根据权利要求12所述的红外线光设备，其中，所述半导体基板为GaAs基板，所述第三反射层的构成材料包含AlGaAs，式中，0≤Al≤1.0。
14.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述半导体基板为半绝缘性，
在所述半导体基板上形成有多个所述薄膜层叠部，所述多个所述薄膜层叠部串联连接或并列连接。
15.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述第二反射层包含电极。
16.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其还具备上部电极层，所述上部电极层与上部半导体层接触。
17.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，从所述半导体基板侧射入光或射出光。
18.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线光设备，其中，所述第一反射层包含构成材料含有AlGaInAsSb且杂质浓度不同的多个层，式中，0≤Al+Ga≤0.5、0≤As≤0.5。
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