JP2014179427A

JP2014179427A - 赤外線発光素子及びガスセンサ

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Publication number: JP2014179427A
Application number: JP2013051919A
Authority: JP
Inventors: Masanori Masuda; 征典益田
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-25

Abstract

【課題】異なる波長の赤外線を選択的又は同時に取り出して、取り出し効率の改善を図るようにした赤外線発光素子及びガスセンサを提供すること。
【解決手段】半導体積層部２００は、半導体基板１００上に設けられた第１の第１導電型半導体層２１０と、第１の第１導電型半導体層上に設けられた第１の半導体発光層２２０と、第１の半導体発光層上に設けられた第２導電型半導体層２３０と、第２導電型半導体層上に設けられた第２の半導体発光層２４０と、第２の半導体発光層上に設けられた第２の第１導電型半導体層２５０とが順次積層されている。第１の第１導電型半導体層２１０と第２導電型半導体層２３０と第２の第１導電型半導体層２５０には電極３１０乃至３３０が設けられている。第２導電型半導体層２３０の層内には積層反射構造２３１がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線発光素子及びガスセンサに関し、より詳細には、２波長以上の赤外線を発光することが可能な赤外線発光素子及びガスセンサに関する。

一般に、波長が３μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ及びガスセンサなどに使用されている。これらの使用例の内、特に、ガスセンサは、大気環境の監視や保護、更には、火災の早期検知などにも使用可能であり、近年注目されている。
上述した赤外線を使用したガスセンサの原理は、以下のようなものである。まず、赤外線の光源と受光素子の間の空間に測定したいガスを注入する。特定のガスは特定の波長の赤外線を吸収するため、ガスの注入前と注入後の波長スペクトルを解析することでガスの種類や濃度を測定することが出来る。ここで、赤外線の光源としては、白熱球が使用されるが、白熱球から発せられる赤外線は白色光であるため、特定の波長を分光するためには受光素子側にフィルタを設ける必要がある。フィルタは高価であり、また、赤外線の強度を弱めるため、ガスセンサの感度を低下させる。更に、白熱球の寿命が短い為に頻繁に光源を交換する必要がある。

このような問題を解決するためには、光源として特定波長の赤外線を発する半導体の発光素子（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を使用することが有効である。ここで、このような発光素子を実現するためには、波長が３μｍ以上の長波長帯の赤外線を発光する素子が必要となるが、この波長領域では素子に対する周辺温度の影響が非常に大きく、室温で使用するには問題がある。上述した発光素子は、一般に、波長が３μｍ以上の赤外線を発光可能なバンドギャップを有する半導体中に、いわゆる、ｐｎ接合ダイオード構造を形成し、このｐｎ接合ダイオードに順方向電流を流して接合部分である空乏層において、電子と正孔を再結合させることにより赤外線の発光を行う。

しかしながら、波長が３μｍ以上の赤外線を発光できる半導体のバンドギャップは、０．４１ｅＶ以下と小さい。このようなバンドギャップの小さな半導体では、熱励起キャリアのために室温での真性キャリア密度が大きくなり、素子の抵抗が小さくなるので十分なｐｎダイオードの特性が得られない。これは真性キャリア密度が大きい場合、拡散電流や暗電流の様な素子の漏れ電流が大きくなるためである。

このため、これらの発光素子は、熱励起キャリアを抑制するために、一般に、ペルチェ素子などの冷却機構が従来使用される。しかしながら、上述したような冷却機構は、装置を大型かつ高価な物としてしまう問題がある。
上述した問題を解決するために、室温でも長波長帯の赤外線が発光可能である発光素子の研究開発がなされている。例えば、非特許文献１に記載の発光素子は、ｐ型のインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）基板上にＩｎＳｂによるｐ−π−ｎ構造のダイオードを作成し、ｐ層とπ層の間に電子の拡散を抑制するためのＡｌＩｎＳｂのバリア層を用いることで、波長５．５μｍ以上の赤外線発光を室温で実現している。

上述した非特許文献１のように、従来バンドギャップの小さな半導体材料では、一般的に、電子の移動度が正孔の移動度に比べてはるかに大きいため、電子の漏れ電流（拡散電流や暗電流）を抑制することに重点が置かれていた。しかしながら、電子と正孔を再結合させる発光素子に於いては電子だけでなく、正孔の暗電流や拡散電流も抑えることが更なる素子特性の向上のために必要となる。

そこで、例えば、特許文献１では、第１のｎ型化合物半導体層（１０２）及びπ層（１０５）よりもバンドギャップが大きく、その拡散を抑制するｎ型ワイドバンドギャップ層（１０３）を第１のｎ型化合物半導体層（１０２）とπ層（１０５）との間に設けることで、正孔による暗電流を低減することが開示されている。
また、異なる波長の赤外線を発光可能な発光素子として、例えば、特許文献２では、２つの電極間に第１発光層及び第２発光層を設けることが開示されている。

国際公開ＷＯ２００９／１１３６８５号（Ａ１）特開２００８−１５９６２８号公報

Ｔ．Ａｓｈｌｅｙｅｔａｌ．， "ＵｎｃｏｏｌｅｄＩｎＳｂ／Ｉｎ１−ＸＡｌＸＳｂｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄｅｍｉｔｔｅｒ，" ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，６４（１８），２Ｍａｙ１９９４，ｐｐ．２４３３−２４３５

赤外線発光素子は、赤外線通信や食品分析、紙厚・ガラス厚測定、ガスセンサなどへの応用が考えられる。例えば、ガスセンサに搭載する発光素子として、赤外線発光素子を使用する事を考えた場合、測定対象ガスが赤外線吸収を生じる波長帯の赤外線と、赤外線吸収が生じない波長帯の赤外線の両方を発光する発光素子が必要となる。
上述した特許文献２に記載された発明は、異なる波長の赤外線を同時に、または選択的に発光する発光素子であるため、ガスセンサへの応用に適している。

しかしながら、特許文献２に記載された発明では、発光層の組成を適切に設計しても、第１の発光層で発生した光のうちの約半分が第２の発光層で吸収されてしまうため、取り出し効率の面で課題が残る。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、異なる波長の赤外線を選択的又は同時に取り出して、取り出し効率の改善を図るようにした赤外線発光素子及びガスセンサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、２波長以上の赤外線を発光することが可能な赤外線発光素子（１）において、半導体基板（１００）と、該半導体基板（１００）上に設けられた第１の第１導電型半導体層（２１０）と、該第１の第１導電型半導体層（２１０）上に設けられた第１の半導体発光層（２２０）と、該第１の半導体発光層（２２０）上に設けられた第２導電型半導体層（２３０）と、該第２導電型半導体層（２３０）上に設けられた第２の半導体発光層（２４０）と、該第２の半導体発光層（２４０）上に設けられた第２の第１導電型半導体層（２５０）とが順次積層されてなる半導体積層部（２００）と、該半導体積層部（２００）を覆う絶縁層（４００）と、前記第１の第１導電型半導体層（２１０）上に接続して設けられた第１の電極（３１０）と、前記第２導電型半導体層（２３０）上に接続して設けられた第２の電極（３２０）と、前記第２の第１導電型半導体層（２５０）上に接続して設けられた第３の電極（３３０）と、前記第２導電型半導体層（２３０）の層内に、屈折率の異なる材料が交互に積層された積層反射構造（２３１）を備えていることを特徴とする。（図１；実施例１）

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の第１導電型半導体層（２１０）と前記第１の半導体発光層（２２０）との間に、第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５１０）を設け、前記第１の半導体発光層（２２０）と前記第２導電型半導体層（２３０）との間に、第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５２０）を設け、前記第２導電型半導体層（２３０）と前記第２の半導体発光層（２４０）との間に、第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５３０）を設け、前記第２の半導体発光層（２４０）と前記第２の第１導電型半導体層（２５０）との間に、第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５４０）を設けていることを特徴とする。（図２；実施例２）

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第３の電極（３３０）が、前記絶縁層（４００）で覆われた開口部（３４０ａ）を有する電極（３４０）であることを特徴とする。（図３；実施例３）
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１の第１導電型半導体層（２１０）と前記第１の半導体発光層（２２０）との間に、第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５１０）を設け、前記第１の半導体発光層（２２０）と前記第２導電型半導体層（２３０）との間に、第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５２０）を設け、前記第２導電型半導体層（２３０）と前記第２の半導体発光層（２４０）との間に、第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５３０）を設け、前記第２の半導体発光層（２４０）と前記第２の第１導電型半導体層（２５０）との間に、第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層（５４０）を設けていることを特徴とする。（図４；実施例４）

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線発光素子（６００）と、該赤外線発光素子（６００）が一端内部に配置され、多端内部に赤外線受光素子（７００）が配置され、外部からガスの導入が可能な筐体（８００）とを備え、前記赤外線発光素子（６００）から得られる赤外光が、前記ガスの導入された前記筐体（８００）中を通って前記赤外線受光素子（７００）で検出されることを特徴とするガスセンサである。（図５）

本発明によれば、異なる波長の赤外線を選択的または同時に取り出すことのできる赤外線発光素子の取り出し効率の改善が可能になる。

本発明に係る赤外線発光素子の実施例１を説明するための断面構成図である。本発明に係る赤外線発光素子の実施例２を説明するための断面構成図である。本発明に係る赤外線発光素子の実施例３を説明するための断面構成図である。本発明に係る赤外線発光素子の実施例４を説明するための断面構成図である。本発明の赤外線発光素子を用いたガスセンサの構成図である。

以下、本発明の赤外線発光素子の実施形態について説明する。
本発明の赤外線発光素子は、半導体基板と、第１の第１導電型半導体層と、第１の半導体発光層と、第２導電型半導体層と、第２の半導体発光層及び第２の第１導電型半導体層とがこの順で積層された半導体積層部を備える赤外線発光素子である。第１の第１導電型半導体層に第１の電極を接続され、第２導電型半導体層に第２の電極が接続され、第２の第１導電型半導体層に第３の電極が接続され、第２導電型半導体層の層内に、屈折率の異なる２つの材料が交互に積層された、積層反射構造を備えている。

また、本発明の赤外線発光素子は、半導体積層部にナローバンドギャップ材料を用いる場合は、半導体発光層からの電子の拡散を防ぎ、発光再結合を増加させるという観点から、第１の第１導電型半導体層と第１の半導体発光層との間に、第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層を備えていてもよい。また、第２導電型半導体層と第１の半導体発光層との間に、第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層を備えていてもよい。また、第２導電型半導体層と第２の半導体発光層との間に、第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層を備えていてもよい。また、第２の半導体発光層と第２の第１導電型半導体層との間に、第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層を備えていてもよい。

これらワイドバンドギャップ半導体層による電子拡散防止及び発光再結合の増加の効果は、半導体発光層と半導体発光層の上下に積層される導電型半導体層のバンドギャップ差が小さく、かつ構成材料が、ＩｎＳｂやＩｎＡｓなどの電子移動度が高くバンドギャップの小さな半導体の場合、特に顕著になる。
以下、本発明の赤外線発光素子の構成要素について説明する。

＜半導体基板＞
本発明の赤外線発光素子において、半導体基板は、その上に所望の半導体積層部を形成することが可能なものであれば特に制限されない。一例としては、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ基板への結晶成長が挙げられるがこの限りではない。半導体積層部の材料としてＩｎＳｂを用いる場合、半導体基板としてはＧａＡｓが好ましい。

＜半導体積層部＞
本発明の赤外線発光素子において、半導体基板上に、第１の第１導電型半導体層と、第１の半導体発光層と、第２導電型半導体層と、第２の半導体発光層及び第２の第１導電型半導体層がこの順で積層され、かつ、第２導電型半導体層中に積層反射構造を備えたものであれば特に制限されない。
また、第１の第１導電型半導体層と、第１の半導体発光層と、第２導電型半導体層と、第２の半導体発光層及び第２の第１導電型半導体層以外の層を各層の間や上層、下層に設けてもよい。

＜第１の第１導電型半導体層及び第２の第１導電型半導体層＞
第１の第１導電型半導体層及び第２の第１導電型半導体層は、赤外線発光素子に適したものであれば特に制限されない。一例としては、ＩｎＳｂ，ＡｌＩｎＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどが挙げられるがこの限りではない。
第１導電型半導体層をｐ型半導体層とする場合、所望の半導体層にドープしたときにｐ型半導体となるようなドーパントを注入とすればよい。また、第１導電型半導体層をｎ型半導体層とする場合、所望の半導体層にドープしたときにｎ型半導体となるようなドーパントを注入とすればよい。半導体層としてＩｎＳｂを用いる場合、ｐ型ドーパントとしてはＺｎが挙げられ、ｎ型ドーパントとしてはＳｎが挙げられる。

また、第１導電型半導体層の厚みは特に制限されないが、電極を接続するための面を作製することと、成膜の所要時間の観点から０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましい。
また、本発明の赤外線発光素子において、第１の第１導電型半導体層と第２の第１導電型半導体層は、同じ導電型の半導体層であれば特に制限されない。

＜第２導電型半導体層＞
本発明の赤外線発光素子に用いられる第２導電型半導体層は、第１導電型半導体層と異なる導電型の半導体からなるものであり、第２導電型半導体中に積層反射構造を備える。第１導電型半導体層がｎ型半導体層である場合、第２導電型半導体層はｐ型半導体層となり、第１導電型半導体層がｐ型半導体層である場合、第２導電型半導体層はｎ型半導体層となる。

＜積層反射構造＞
積層反射構造は、屈折率の異なる材料が交互に積層された構造である。この積層反射構造を備えることにより、構造部に入射された赤外線が高い反射率で反射される。
積層反射構造を備えない場合は、第１の半導体発光層から第２の半導体発光層側に発光した光は、第２の半導体発光層に入射に、吸収されてしまうため、光取り出し効率が低減してしまう。
本発明の赤外線発光素子は、第１の半導体発光層と第２の半導体発光層の間の第２導電型半導体層内に前記積層反射構造を備えることにより、第１の半導体発光層から第２の半導体発光層側に発光した光が、第２の半導体発光層に入射することなく、積層反射構造にて反射されるため、高い取り出し効率の赤外線発光素子を実現することができる。

積層反射構造は、屈折率の異なる材料が交互に積層された構造であれば特に制限されないが、例えば、第２導電型半導体層に用いられる材料と、第２導電型半導体層の材料とは異なる屈折率の材料（第２導電型半導体層の材料から組成比や組成元素を変えた材料）の積層体で構成することができる。
ただし、発光した光が吸収されないようにするという観点から、半導体発光層から得られる波長の光が吸収されないバンドギャップを持つ材料である必要がある。

屈折率の異なる材料を交互に積層した構造により、発光効率を高めるためには、以下の式を満たす必要があることが知られている。
屈折率の異なる層を、それぞれが光の１／４波長をもつように積層すると、２つの界面で反射波が強め合う干渉を起こす。層厚と波長の関係は以下の式であらわされる。
ここで、λ_０は光の真空中でのブラッグ波長、ｔ_ｌ，ｈは低い屈折率（ｌ）を持つ物質と高い屈折率（ｈ）を持つ物質の厚み、ｎ_ｌ，ｈは、低い屈折率（ｌ）を持つ物質と高い屈折率（ｈ）を持つ物質の屈折率である。厚みは上の式の奇数倍であっても良い。
また、高い反射率を持つ波長領域は、以下の式であらわされることが知られている。

屈折率の異なる材料を交互に積層した構造は、以上の式によって膜厚と材料が決定されることが望ましい。積層数は特に制限されない。
なお、第２導電型半導体層内以外に、第１及び／又は第２の第１導電型半導体層中に、積層反射構造を含ませてもよい。

＜第１の半導体発光層及び第２の半導体発光層＞
第１の半導体発光層及び第２の半導体発光層は、赤外線を発光するバンドギャップを持つ半導体層であれば特に制限されない。また、第１の半導体発光層及び第２の半導体発光層は、バンドギャップが異なっていれば材料は特に制限されない。一例としては、ＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどが挙げられるがこの限りではない。電流が流れ、電圧降下が起きると発光するという観点から、フェルミ準位がバンドギャップの中央付近に来るようドープされていることが望ましい。

また、発光再結合が容易に行われるような設計にするという観点から、第１の半導体発光層と、第２の半導体発光層とともに、第１の第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、第２の第１導電型半導体層のいずれのバンドギャップよりも小さいバンドギャップにすることが望ましい。
また、裏面から赤外光を取り出す場合、第２の半導体発光層から得られる波長の光が、第１の半導体発光層で吸収されないようにするという観点から、第１の半導体発光層のバンドギャップは、第２の半導体発光層のバンドギャップよりも大きい必要がある。但し、表面から赤外光が取り出される場合、第１の半導体発光層から得られる波長の光が、第２の半導体発光層で吸収されないようにするという観点から、第２の半導体発光層のバンドギャップは、第１の半導体発光層のバンドギャップよりも大きい必要があるので、２つの半導体発光層のバンドギャップの大小は特に制限されない。

＜ワイドバンドギャップ半導体層＞
ワイドバンドギャップ半導体層は、第１の第１導電型半導体層と、第１の半導体発光層と、第２導電型半導体層と、第２の半導体発光層及び第２の第１導電型半導体層のいずれよりもバンドギャップの広い材料であるならば特に制限されない。
また、第１導電型のワイドギャップ半導体層は、第１導電型の半導体層及び第２の発光層上に、第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層は、第１の半導体発光層及び第２導電型の半導体層上にそれぞれ積層されている。
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。

図１は、本発明に係る赤外線発光素子の実施例１を説明するための断面構成図である。本実施例１の赤外線発光素子は、２波長以上の赤外線を発光することが可能な赤外線発光素子１である。本実施例１の赤外線発光素子１は、半導体基板１００と、この半導体基板（１００）上に設けられた半導体積層部２００と絶縁層４００と第１の電極３１０乃至第３の電極３３０とから構成されている。

半導体積層部２００は、半導体基板１００上に設けられた第１の第１導電型半導体層２１０と、この第１の第１導電型半導体層２１０上に設けられた第１の半導体発光層２２０と、この第１の半導体発光層２２０上に設けられた第２導電型半導体層２３０と、この第２導電型半導体層２３０上に設けられた第２の半導体発光層２４０と、この第２の半導体発光層２４０上に設けられた第２の第１導電型半導体層２５０とが順次積層されて構成されている。

また、絶縁層４００は、半導体積層部２００を覆っている。また、第１の電極３１０は、第１の第１導電型半導体層２１０上に接続して設けられ、第２の電極３２０は、第２導電型半導体層２３０上に接続して設けられ、第３の電極３３０は、第２の第１導電型半導体層２５０上に接続して設けられている。
また、第２導電型半導体層２３０の層内に、屈折率の異なる材料が交互に積層された積層反射構造２３１が設けられている。

つまり、本実施例１の赤外線発光素子１は、半導体基板１００と、この半導体基板（１００）上に設けられた第１の第１導電型半導体層２１０と、第１の半導体発光層２２０と、第２導電型半導体層２３０と、第２導電型半導体層内の積層反射構造２３１と、第２の半導体発光層２４０及び第２の第１導電型半導体層２５０がこの順で積層された半導体積層部２００とを備えている。

また、第１の第１導電型半導体層２１０に第１の電極３１０を接続され、第２導電型半導体層２３０に第２の電極３２０が接続され、第２の第１導電型半導体層２５０に第３の電極３３０が接続されている。また、半導体積層部２００は、第１〜第３の電極と接触している領域以外は絶縁層４００で覆われている。
本実施例１の赤外線発光素子1においては、電極３１０から電極３２０に電流が流れることで第１の半導体発光層が、電極３３０から電極３２０に電流が流れることで第２の半導体発光層が発光し、２つのピーク波長を持つ光が得られる。

２つの波長の光は、半導体基板１００側から取り出される。積層反射構造は、第１の半導体発光層のピーク波長付近の光は反射され、第２の半導体発光層のピーク波長付近の光は透過するように設計される。
また、第２の半導体発光層からの光が、第１の半導体発光層で吸収されないように、第１の半導体発光層に比べて第２の半導体発光層のほうがバンドギャップが小さいように設計される。

第１の半導体発光層から得られる光で積層反射構造に届いた光は、積層反射構造で反射され、第２の半導体発光層から得られる光で積層反射構造に届いた光は、積層反射構造を透過することで、２つのピーク波長を持つ光が得られる。

図２は、本発明に係る赤外線発光素子の実施例２を説明するための断面構成図である。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例２の赤外線発光素子２は、上述した実施例１の赤外線発光素子が、さらに、第１の第１導電型半導体層２１０と第１の半導体発光層２２０との間に、第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層５１０を設け、第１の半導体発光層２２０と第２導電型半導体層２３０との間に、第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層５２０を設け、第２導電型半導体層２３０と第２の半導体発光層２４０との間に、第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層５３０を設け、第２の半導体発光層２４０と第２の第１導電型半導体層２５０との間に、第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層５４０を設けている。

ＩｎＳｂ材料系においては、電子移動度が高く、半導体発光層からの電子の拡散が大きくなる。ワイドバンドギャップ層を備えることで電子の拡散を防ぎ、発光再結合を増加させることができる。

図３は、本発明に係る赤外線発光素子の実施例３を説明するための断面構成図である。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
第３の電極３３０が、絶縁層４００で覆われた開口部３４０ａを有する電極３４０である。
つまり、本実施例３の赤外線発光素子３と、上述した実施例１と異なる点は、第３の電極３４０である。電極３３０と異なる点は、光を取り出すための開口部を備えている点であり、開口部は、絶縁層４００で覆われている。

本実施例３の赤外線発光素子において、電極３１０から電極３２０に電流を流すことで第１の半導体発光層が、電極３４０から電極３２０に電流を流すことで第２の半導体発光層が発光し、２つのピーク波長を持つ光が得られる。
２つのピーク波長を持つ光は、第２の第１導電型半導体層２５０側の開口部３４０ａから取り出される。積層反射構造は、第１の半導体発光層のピーク波長付近の光は透過、第２の半導体発光層のピーク波長付近の光は反射されるように設計される。

また、第１の半導体発光層からの光が、第２の半導体発光層で吸収されないように、第１の半導体発光層に比べて第２の半導体発光層のほうがバンドギャップが大きくなるように設計される。
第１の半導体発光層から得られる光で積層反射構造に届いた光は、積層反射構造で透過し、第２の半導体発光層から得られる光で積層反射構造に届いた光は、積層反射構造で反射されることで、必要な波長を得ることができる。

また、本実施例３の応用例として、積層反射構造が２つの波長のピークがともに反射するように設計すると、第１の半導体発光層から得られる波長の光は基板１００側から取り出され、第２の半導体発光層から得られる波長の光は第２の第１導電型半導体層２５０側の開口部３４０aから取り出される両面発光の半導体発光素子を得ることができる。

図４は、本発明に係る赤外線発光素子の実施例４を説明するための断面構成図である。なお、図３と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例４の赤外線発光素子４は、第１の第１導電型半導体層２１０と第１の半導体発光層２２０との間に、第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層５１０を設け、第１の半導体発光層２２０と第２導電型半導体層２３０との間に、第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層５２０を設け、第２導電型半導体層２３０と第２の半導体発光層２４０との間に、第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層５３０を設け、第２の半導体発光層２４０と第２の第１導電型半導体層２５０との間に、第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層５４０を設けている。
ＩｎＳｂ材料系においては、電子移動度が高く、半導体発光層からの電子の拡散が大きくなる。前記ワイドバンドギャップ層を備えることで電子の拡散を防ぎ、発光再結合を増加させることができる。

次に、本発明の赤外線発光素子を用いたガスセンサについて説明する。
＜ガスセンサ＞
本発明のガスセンサは、上述した実施例の赤外線発光素子と、赤外線受光素子と、外部からガス導入が可能な筐体とを備え、筐体内に半導体発光素子及び赤外線受光素子が配置されている。
筐体中での本実施形態の赤外線発光素子と、赤外線受光素子は、発光素子からの赤外光が受光素子に効率的に届くように配置される。発光素子からの光が受光素子に効率的に届く構造であれば、発光素子、受光素子の配置、向きは特に制限されない。
筐体に用いる素材は、発光した光のピーク波長の反射率が高い素材を用いる。一例として、金、アルミニウムなどが挙げられるが、この限りではない。

筐体に導入されるガスは、発光素子から受光素子まで赤外光が届く際に、その光路上にガスが導入される機構となっていればどのような形態でもよい。
図５は、本発明の赤外線発光素子を用いたガスセンサの構成図である。
上述した各実施例の赤外線発光素子６００と、この赤外線発光素子６００が一端内部に配置され、多端内部に赤外線受光素子７００が配置され、外部からガスの導入が可能な筐体８００とを備え、赤外線発光素子６００から得られる赤外光が、ガスの導入された前記筐体８００中を通って前記赤外線受光素子７００で検出されるように構成されている。

つまり、本発明のガスセンサは、２つの波長を発光する赤外線発光素子６００と赤外線受光素子７００、ガス導入機構８１０を備えた筐体８００によって構成されている。赤外線発光素子６００から得られる赤外光は、ガスの導入された筐体８００中を通って赤外線受光素子７００で検出される。赤外線発光素子６００から得られる２つの波長の光のうち１つは、対象とするガスによる吸収がないものになるように第１の半導体発光層を設計し、リファレンス光として利用する。もう一方の光は対象とするガスにより吸収されるものになるように第２の半導体発光層を設計し、検出される信号の大きさによって、対象ガスの濃度がどの程度かを知ることができる。従来のガスセンサでは１つの光源と、それぞれ異なる波長帯域の赤外線を透過する光学フィルタを適用した２つの赤外線受光素子を用いなければガスセンサとして機能しなかったが、本発明のガスセンサによれば、１つの赤外線発光素子と、１つの赤外線受光素子のみ（光学フィルタ不要）で対象ガスの濃度を測定することが可能になる。すなわち、第１の半導体発光層を発光させたときに得られる赤外線受光素子の出力と、第２の半導体発光層を発光させたときに得られる赤外線受光素子の出力の差または比に基づいて、対象ガスの濃度を測定することが可能になる。

１，２，３，４赤外線発光素子
１００半導体基板
２００半導体積層部
２１０第１の第１導電型半導体層
２２０第１の半導体発光層
２３０第２導電型半導体層
２３１積層反射構造
２４０第２の半導体発光層
２５０第２の第１導電型半導体層
３１０第１の電極
３２０第２の電極
３３０第３の電極
３４０電極
３４０ａ開口部
４００絶縁層
５１０第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層
５２０第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層
５３０第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層
５４０第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層
６００赤外線発光素子
７００赤外線受光素子
８００筐体
８１０ガス導入機構

Claims

２波長以上の赤外線を発光することが可能な赤外線発光素子において、
半導体基板と、該半導体基板上に設けられた第１の第１導電型半導体層と、該第１の第１導電型半導体層上に設けられた第１の半導体発光層と、該第１の半導体発光層上に設けられた第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層上に設けられた第２の半導体発光層と、該第２の半導体発光層上に設けられた第２の第１導電型半導体層とが順次積層されてなる半導体積層部と、
該半導体積層部を覆う絶縁層と、
前記第１の第１導電型半導体層上に接続して設けられた第１の電極と、
前記第２導電型半導体層上に接続して設けられた第２の電極と、
前記第２の第１導電型半導体層上に接続して設けられた第３の電極と、
前記第２導電型半導体層の層内に、屈折率の異なる材料が交互に積層された積層反射構造を備えていることを特徴とする赤外線発光素子。
前記第１の第１導電型半導体層と前記第１の半導体発光層との間に、第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設け、
前記第１の半導体発光層と前記第２導電型半導体層との間に、第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設け、
前記第２導電型半導体層と前記第２の半導体発光層との間に、第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設け、
前記第２の半導体発光層と前記第２の第１導電型半導体層との間に、第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設けていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線発光素子。
前記第３の電極が、前記絶縁層で覆われた開口部を有する電極であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線発光素子。
前記第１の第１導電型半導体層と前記第１の半導体発光層との間に、第１の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設け、
前記第１の半導体発光層と前記第２導電型半導体層との間に、第１の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設け、
前記第２導電型半導体層と前記第２の半導体発光層との間に、第２の第２導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設け、
前記第２の半導体発光層と前記第２の第１導電型半導体層との間に、第２の第１導電型のワイドバンドギャップ半導体層を設けていることを特徴とする請求項３に記載の赤外線発光素子。
請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線発光素子と、該赤外線発光素子が一端内部に配置され、多端内部に赤外線受光素子が配置され、外部からガスの導入が可能な筐体とを備え、前記赤外線発光素子から得られる赤外光が、前記ガスの導入された前記筐体中を通って前記赤外線受光素子で検出されることを特徴とするガスセンサ。