JP2015535141A - ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体ベースのヘテロ構造、該ヘテロ構造を製造する方法、および該ヘテロ構造をベースとした発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

本発明は、半導体デバイスの分野に関し、詳細には逆ＰＮ接合を備えたＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体をベースとしたヘテロ構造、該ヘテロ構造を製造する方法、および該ヘテロ構造をベースとした発光ダイオードに関する。提供されるヘテロ構造は、ＧａＳｂを含む基板と、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、基板の上側に設けられた活性層と、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含有し、活性層の上側に設けられた、多数キャリアを局在化させるための閉じ込め層と、閉じ込め層の上側に設けられ、ＧａＳｂを含むコンタクト層とを備え、ヘテロ構造は、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、基板と活性層との間に設けられたバッファ層をさらに備え、該バッファ層は、活性層より少ないインジウム（Ｉｎ）を含有する。バッファ層の使用により、少数キャリアを活性領域に局在化させることが可能になり、これにより放射再結合の量が増加し、ヘテロ構造の量子効率が増加する。さらに、バッファ層の使用により、基板から活性領域の中に侵入する欠陥の影響を最小化し、これにより深いアクセプタレベルの減少をもたらし、よって非放射性ＳＲＨ（ショックレー・リード・ホール）再結合の量が減少し、ヘテロ構造の量子効率が増加する。提供されるヘテロ構造をベースとして製造された発光ダイオードは、１．８〜２．４μｍの中赤外スペクトル範囲で発光する。

Description

本発明は、半導体デバイスに関し、詳細には逆(reverse)ＰＮ接合を有するＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体をベースとしたヘテロ構造、これを製造する方法、および提供されるヘテロ構造をベースとした発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
提供されるヘテロ構造をベースとして製造した場合、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、１．８〜２．４μｍの中赤外（ｍｉｄ−ＩＲ）スペクトル範囲で発光する。提供されるヘテロ構造、該ヘテロ構造を製造する方法、および該ヘテロ構造をベースとしたＬＥＤは、ガス分析用途のために構成された検出器を製作するために使用した場合、かなりの利点を有する。特に、検出器は、環境を監視するため、技術プロセスを制御するため、例えば、生活空間および産業建造物内の二酸化炭素を検出するため、天然ガスを使用する建造物内、ガスパイプラインに沿って、そして鉱山内でのメタンを検出するために、有用となる。さらに、中赤外線検出器は、オイルおよび石油製品中の含水量を決定するため、紙、穀物製品などの水分含量を評価するために有用となる。さらに、中赤外線検出器は、医療診断の目的のため、例えば、呼気中に含まれる二酸化炭素、アセトン、および他の物質の濃度を分析するため、そして血液、リンパ液および組織中のグルコースおよび他の有機成分の含有量を非侵襲性で制御するために適用されるような光学分光の目的のために有用となる。こうした用途に言及すると、本発明は、提供される使用例に限定されることを意味しておらず、ヘテロ構造および該ヘテロ構造をベースとしたＬＥＤは、１．８〜２．４μｍの中赤外スペクトル範囲で観測される吸収帯を有する物質の存在及び／又は濃度を検出することを要する他の任意の分野において有用であることが判るであろう。
パーキン・エルマー社、テキサス・インスツルメンツ社、シティ・テクノロジー社および他の製造会社によって製造された、赤外放射の熱源をベースとした光学赤外検出器が先行技術から知られている。熱源は、広いスペクトル範囲で発光し、特殊な光学フィルタが付与されて、必要される波長スペクトルウインドウをカットしている。
先行技術の光学検出器で明らかとなった不具合が、光学フィルタの使用が不可欠な点である。さらに、既知の光学検出器は、他の欠点、例えば、大きな電力消費、貧弱な応答時間、大きな寸法、熱源の限られた寿命などを有する。既知の熱源ベースの光学ＩＲ検出器のこれらの不具合は、中赤外スペクトル範囲で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることによって対処できる。
［ロシア特許第２２８６６１８号，ＩＰＣ Ｈ０１Ｌ ３３／００，Ｈ０１Ｌ ３１／１２］には、赤外スペクトル範囲用の半導体ダイオードが開示されており、ｐｎ接合で分割された導電コンタクトを備えたｐ領域およびｎ領域と、ｐｎ接合と電気接続された活性領域と、光学化合物を経由して活性領域と光学接続された少なくとも１つの光学モジュールとを備える。
既知のダイオードで明らかとなった不具合が、波長１．２２〜１．２４μｍの限定された範囲であり、この範囲内でダイオードは発光できる。このダイオードの波長は、ダイオード構造によって決定され、ダイオードは、ｎ＋−ＩｎＰ基板を備え、活性層がその上に設けられ、ＩｎＧａＡｓＰ固溶体を含有する。先行技術の他の実施形態において、既知の半導体ダイオードは、ｎ＋−ＩｎＡｓ基板を備え、その上にｎ−ＩｎＡｓＳｂＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ／ｐ−ＩｎＡｓＳｂＰ ダブルヘテロ構造が成長している。このダイオードは、３．４μｍの波長で発光する。他の実施形態おいて、既知のダイオードは、ｎ−ＩｎＡｓ基板を備え、その上にｎ−ＩｎＡｓＳｂＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓＳｂ／ｐ−ＩｎＡｓＳｂＰ ダブルヘテロ構造が成長している。このダイオードは、３．９μｍの波長で発光する。こうして既知のヘテロ構造を使用しても、１．８〜２．４μｍのスペクトル範囲で発光することが可能なＬＥＤを得ることができない。よって、先行技術の半導体ダイオードは、１．８〜２．４μｍの範囲で観測される特性吸収帯を持つ物質の存在及び／又は濃度を検出することを目的として使用できない。
先行技術のダイオードでの他の不具合は、光学モジュールおよび光学化合物の使用であり、これはダイオード製造技術をより複雑にし、光学モジュールをＬＥＤチップと接続する工程で、欠陥を導入する確率を増加させる。
さらに、スペクトル範囲１．６〜２.４μｍのＬＥＤが知られており、文献［Ｎ．Ｄ． Ｓｔｏｙａｎｏｖ， Ｂ． Ｅ． Ｚｈｕｒｔａｎｏｖ， Ａ．Ｐ． Ａｓｔａｋｈｏｖａ， Ａ．Ｎ， Ｉｍｅｎｋｏｖ， ａｎｄ Ｙｕ． Ｐ． Ｙａｋｏｖｌｅｖ． Ｖｙｓｏｋｏｅｆｆｅｋｔｉｖｎｙｅ ｓｖｅｔｏｄｉｏｄｙ ｓｐｅｋｔｒａｌ'ｎｏｇｏ ｄｉａｐａｚｏｎａ １．６ − ２．４ μｍ ｄｌｙａ ｍｅｄｉｔｓｉｎｓｋｏｉ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｋｉ ｉ ｅｋｏｌｏｇｉｃｈｅｓｋｏｇｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａ （Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｏｆ ａ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ １．６ − ２．４ μｍ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）． Ｆｉｚｉｋａ ｉ ｔｅｋｈｎｉｋａ ｐｏｌｕｐｒｏｖｏｄｎｉｋｏｖ （Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）， ２００３， ｖ． ３７， ｉｓｓｕｅ ８， ｐｐ． ９９６−１００９］に開示されている。これらのＬＥＤは、ＧａＳｂ基板と、ＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体を含有する活性層と、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含有する第１閉じ込め層と、ＧａＳｂを含有するコンタクト層とを備えたヘテロ構造に基づいて構成されている。さらに、該ヘテロ構造はまた、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含有する第２閉じ込め層を備える。
先行技術のＬＥＤは、基板から活性領域に侵入する欠陥の影響のため、そして、少数キャリア、即ち、正孔に対するバリアの欠如のため、その量子収率が制限されるという不具合を有する。活性領域からの正孔漏れが、放射再結合プロセスの高い確率を有することを阻害している。さらに、引用文献は、ｎ−ＧａＳｂバッファ層の使用を提案し、活性領域において最小含有量の欠陥を確保している。バッファ層は、基板の上に成長し、中性溶媒として鉛(lead)を用いている。
現在の最新ダイオードは、ｎ−ＧａＳｂバッファ層を備えたヘテロ構造に基づいて構成されており、基板から成長する欠陥の問題を解決している。しかしながら、活性領域内に閉じ込められる正孔の局在化問題が依然として存続している。さらに、ｎ−ＧａＳｂバッファ層を成長させるプロセスにおいて鉛(lead)を使用することは、技術を複雑にし、環境に対してダメージを引き起こし、関与した人々にとって有害である。
また、１．９５μｍの波長で最大放射を持つ、サイリスタ型のｎ−ＧａＳｂ／ｐ−ＧａＳｂ／ｎ−ＧａＩｎＡｓＳｂ／Ｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂの発光ダイオードヘテロ構造が先行技術から知られている（文献［Ｎ．Ｄ． Ｓｔｏｙａｎｏｖ， Ｂ． Ｅ． Ｚｈｕｒｔａｎｏｖ， Ａ．Ｎ， Ｉｍｅｎｋｏｖ， Ａ．Ｐ． Ａｓｔａｋｈｏｖａ， Ｍ．Ｐ． Ｍｉｋｈａｉｌｏｖａ， ａｎｄ Ｙｕ． Ｐ． Ｙａｋｏｖｌｅｖ， Ｖｙｓｏｋｏｅｆｆｅｋｔｉｖｎｙｅ ｓｖｅｔｏｄｉｏｄｙ ｎａ ｏｓｎｏｖｅ ｔｉｒｉｓｔｏｒｎｏｉ ｇｅｔｅｒｏｓｔｒｕｋｔｙｒｙ ＩＩ ｔｉｐａ ｎ−ＧａＳｂ／ｐ−ＧａＳｂ／ｎ−ＧａＩｎＡｓＳｂ／Ｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂ （Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｙｐｅ ＩＩ）． Ｆｉｚｉｋａ ｉ ｔｅｋｈｎｉｋａ ｐｏｌｕｐｒｏｖｏｄｎｉｋｏｖ （Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）， ２００７， ｖ． ４１， ｉｓｓｕｅ ７， ｐｐ． ８７８−８８２］）。このヘテロ構造は、本発明に対して最も近い先行技術と認められ、ＧａＳｂを含有する基板と、ＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、基板の上側に設けられた活性層と、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含有し、活性層の上側に設けられ、多数キャリアを局在化させるための閉じ込め層と、ＧａＳｂを含有し、閉じ込め層の上側に設けられたコンタクト層とを備える。さらに、該ヘテロ構造は、基板上に成長したｎ−ＧａＳｂを含有するバッファ層と、バッファ層と活性層との間に設けられ、ｐ−ＧａＳｂを含み、活性領域に正孔を閉じ込めるように構成されたビルトイン(built-in)層とを備える。
既知のヘテロ構造は、ＧａＳｂバッファ層が、中性溶媒として鉛(lead)を含有する溶解物から成長し、これを使用することは、技術を複雑にし、環境に対してダメージを引き起こし、関与した人々にとって有害であるという不具合を有する。さらに、前述のヘテロ構造の電流−電圧特性は、サイリスタ構造にとって典型的な形状であり、これは動作電圧を２．０〜２．５Ｖまで増加させ、よって、ダイオードヘテロ構造と比較して４．０〜４．５倍の消費電力の増加をもたらす。さらに、前述のヘテロ構造は、ヒステリシスの存在およびアバランシェ降伏の高い確率のため、大電流時に一貫性のない性能を有する。従って、種々のヘテロ構造および該ヘテロ構造ベースの中赤外スペクトル範囲を意図したＬＥＤが先行技術から知られていても、ヘテロ構造およびその上に製造されるＬＥＤにとって、より信頼性が高く、低い動作電圧を有し、広範囲の電流で動作可能である電流−電圧特性を有し、基板から活性領域に侵入する欠陥の影響を最小化し、正孔を活性領域に閉じ込め、同時に、バッファ層を成長するのにより簡単かつ環境に優しい技術を用いて製造できるという明らかなニーズが存在する。
本発明の目的は、正孔閉じ込めを確保し、欠陥が基板から成長するのを防止し、鉛フリー技術を用いて製造可能である、信頼性があって効率的なヘテロ構造を開発することである。
本発明の他の目的は、該ヘテロ構造を製造する方法を開発することである。
本発明のさらに他の目的は、該ヘテロ構造をベースとして発光ダイオード（ＬＥＤ）を開発することである。
本発明の更なる目的は、該ヘテロ構造をベースとしてＬＥＤを製造する方法を開発することである。
本発明の第１態様によれば、該目的は、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体をベースとしたヘテロ構造を提供することによって達成される。該ヘテロ構造は、ＧａＳｂを含む基板と、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、基板の上側に設けられた活性層と、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含有し、活性層の上側に設けられた、多数キャリアを局在化させるための閉じ込め層と、閉じ込め層の上側に設けられ、ＧａＳｂを含むコンタクト層とを備え、ヘテロ構造は、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、基板と活性層との間に設けられたバッファ層をさらに備え、該バッファ層は、活性層より少ないインジウム（Ｉｎ）を含有する。
実施形態の１つにおいて、バッファ層中のＩＩＩ族元素のうちインジウム（Ｉｎ）のモル分率が、１．２〜１．６％である。
本発明の第２態様によれば、該目的は、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体をベースとしたヘテロ構造を製造する方法を提供することによって達成される。該方法は、液相エピタキシー手法によって、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有するｐ型バッファ層を、ｎ型ＧａＳｂ基板の上に成長させることと、液相エピタキシー手法によって、ＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体を含有するｎ型活性層を、バッファ層の上に成長させ、活性層がバッファ層より多いインジウム（Ｉｎ）を含有するようにすることと、液相エピタキシー手法によって、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含有する、多数キャリアを局在化させるためのｐ型閉じ込め層を、活性層の上に成長させることと、液相エピタキシー手法によって、ＧａＳｂを含むｐ型コンタクト層を、閉じ込め層の上に成長させることとを含む。
本発明の第３態様によれば、該目的は、中赤外スペクトル範囲用の発光ダイオードを提供することによって達成される。該発光ダイオードは、本発明の第１態様に係るヘテロ構造をベースとして構成され、活性層側に構成された第１コンタクトと、基板側に構成された第２コンタクトとを備える少なくとも１つのＬＥＤチップを備え、該ＬＥＤチップは、基板の上に設けられ、ＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体を含有するバッファ層を備える。
発光ダイオードの一実施形態において、第１コンタクトは、連続的に構成され、第２コンタクトは、部分的に覆われた表面を有するように構成される。
発光ダイオードの一実施形態において、第２コンタクトは、リング状に構成される。
発光ダイオードの一実施形態において、第１コンタクトは、Ｃｒ／（Ａｕ＋Ｚｎ）／Ｎｉ／Ａｕの４層系を含み、第２コンタクトは、Ｃｒ／（Ａｕ＋Ｔｅ）／Ｎｉ／Ａｕの４層系を含む。
さらに、本発明の第３態様によれば、該目的は、中赤外スペクトル範囲用の発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供することによって達成される。該ＬＥＤは、本発明の第１態様に係るヘテロ構造をベースとして構成され、コンタクト層と接続された少なくとも１つのコンタクトと、活性層側にある、基板と接続された少なくとも１つのコンタクトとを備える少なくとも１つのＬＥＤチップを備える。
本発明の第４態様によれば、該目的は、本発明の第３態様に係る発光ダイオードを製造する方法を提供することによって達成される。該方法は、本発明の第１態様に係るヘテロ構造を用意することと、基板の厚さを低減することと、ヘテロ構造の活性層側に、第１コンタクトを形成することと、ヘテロ構造の基板側に、第２コンタクトを形成することと、ヘテロ構造の上に形成されたコンタクトとともにヘテロ構造を分割して、ＬＥＤチップを形成することとを含む。
さらに、本発明の第４態様によれば、該目的は、本発明の第３態様に係る発光ダイオードを製造する方法を提供することによって達成される。該方法は、本発明の第１態様に係るヘテロ構造を用意することと、ヘテロ構造の活性層側に、コンタクト層と接続された第１コンタクトを形成することと、ヘテロ構造の活性層側に、基板と接続された第２コンタクトを形成することと、基板の厚さを低減することと、ヘテロ構造の上に形成されたコンタクトとともにヘテロ構造を分割して、ＬＥＤチップを形成することとを含む。
（技術的効果）
ヘテロ構造は、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、活性層より少ないインジウム（Ｉｎ）を有し、対応するドーピングレベルを有するバッファ層が導入されており、これにより活性層内に局在化された少数キャリアに起因して、放射再結合の量が増加し、本発明のようにヘテロ構造の量子効率が増加するという技術的効果を達成することが可能になる。さらに、バッファ層の使用は、基板から活性領域の中に侵入する欠陥の影響を最小化し、これにより深いアクセプタレベルの減少をもたらし、よって非放射性ＳＲＨ（ショックレー・リード・ホール）再結合の量が減少し、ヘテロ構造の量子効率が増加する。さらに、本発明に係る配置を有するヘテロ構造が、発光ダイオード（ＬＥＤ）が小さい電流で動作可能になる電流−電圧特性を有する。その理由は、既知のサイリスタ型構造とは異なって、ヒステリシスを示さないからである。さらに、その信頼性および一貫した性能のために、本発明のヘテロ構造は、大電流時の降伏に対して敏感ではない。更なる利点が、ヘテロ構造を成長させることは、ｎ−ＧａＳｂ含有のバッファ層を鉛含有の溶解物から成長させる必要がなく、従って、提供された成長手法はより簡単な技術を表し、これは環境に優しく、人々にとって安全である。
先行技術から知られているサイリスタ型発光ダイオード構造の概略的なエネルギー図である。 先行技術から知られているサイリスタ型発光ダイオード構造の電流−電圧特性である。 本発明に係る、キャリアの片側制限を有するヘテロ構造の概略的な実施形態である。 逆ＰＮ接合を有し、１．８５μｍの波長で発光するヘテロ構造の実施形態の概略的なエネルギー図である。 逆ＰＮ接合を有し、２．０５μｍの波長で発光する他のヘテロ構造の実施形態の概略的なエネルギー図である。 逆ＰＮ接合を有し、２．２μｍの波長で発光する他のヘテロ構造の実施形態の概略的なエネルギー図である。 図４〜図６に示すヘテロ構造をベースとした発光ダイオードの電流−電圧特性である。 液相エピタキシーのためのカートリッジの概略図である。 １．８〜２．４μｍのスペクトル範囲の発光ダイオード構造の概略図である。 １．８〜２．４μｍのスペクトル帯域の発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法のフローチャートである。
本発明の実施形態について、添付図面を参照して以下に説明する。提示した実施形態は、本発明の説明のための例であるが、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。本発明の範囲は、請求項において定義され限定される。
１．８〜２．４μｍのスペクトル範囲内の波長での放射を持つ、ＧａＳｂベースのヘテロ構造の内部量子収率を制限する主な要因が、少数キャリアに対するバリアの欠如であり、基板から成長する欠陥と関連した深いアクセプタレベルの存在である。３０％超のアルミニウムを含有するワイドバンドのＡｌＧａＡｓＳｂ閉じ込め層が、活性領域内での電子の極めて良好な局在化を提供する。しかしながら、こうした層が正孔閉じ込めを提供しない。理由は、ｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓＳｂのヘテロ境界（インジウム（Ｉｎ）の百分率が５〜２０％）では、価電子帯での不連続性が存在しない。活性領域からの正孔の漏れが、放射再結合プロセスの高い確率を有するのを阻止する。
図１は、サイリスタ型の既知の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造のエネルギー図を示す。この既知のヘテロ構造は、ｎ−ＧａＳｂ含有のバッファ層と、前記バッファ層と活性層との間に設けられたビルトインｐ−ＧａＳｂ含有層とを備える。このヘテロ構造でのバッファ層は、欠陥が基板から侵入するのを防止し、ビルトイン層は、ｐ−ＧａＳｂ／ｎ−ＧａＩｎＡｓＳｂヘテロ境界の近傍において活性領域内での正孔の閉じ込めを提供する。
充分な厚さ（１．５μｍ超）で、高い構造完全性および低いキャリア濃度を有する、ＧａＳｂ含有のバッファ層を成長させることは、相当の技術的困難をもたらす。この困難は、ガリウム・アンチモンの冶金学的特徴と主に関連している。А３В５の他の半導体化合物、例えば、ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓなどは異なって、ＧａＳｂ二元化合物およびＧａＳｂベースの固溶体からなる、規則的に成長した結晶および層は、アンドープ層において高い真性キャリア濃度を生じさせる高濃度の固有欠陥で特徴付けられ、さらに、バンドギャップ内で高い濃度の深いアクセプタレベルで特徴付けられる。既知のヘテロ構造のｎ−ＧａＳｂ含有バッファ層は、中性溶媒として鉛を含有する溶解物から成長すると報告されている。このプロセスは、バッファ層において構造欠陥の濃度を低減する。しかしながら、上述のように、鉛の使用は、プロセスの環境適合性を損ない、プロセスの複雑さを決定し、さらにヘテロ構造のサイリスタ型の電流−電圧特性、仕様が、その適用可能性を制限する。
さらに、ヘテロ構造のエピタキシャル成長の際、その結晶格子には、その層を構成する材料の化学成分の差異によって生ずる欠陥が導入されることがある。層から層に行くエピタキシャル成長の途中で、一方の元素の原子が他方の元素の原子と置換されることがあり、そして構成元素の１つが材料組成から除外され、あるいは組成に含まれることがあり、結晶格子定数間の不整合に起因して、機械的歪みを生じさせることがある。これらの歪みは、ＬＥＤヘテロ構造に生ずる種々の欠陥、例えば、点欠陥、転位、微小クラックなどの原因である。これらの欠陥は、ヘテロ構造での放射効率に対して負の影響を有する。
０．５％を超えない格子定数の不整合が、ＬＥＤ動作にとって許容される。ＬＥＤが１．８〜２．４μｍのスペクトル範囲で機能するためには、０．７〜０．５５ｅＶのバンドギャップ幅Ｅｇを有する半導体材料を使用する必要がある。化合物А３В５のうち、この範囲で機能する１つの二元化合物：ＧａＳｂ（Ｅｇ＝０．７２ｅＶ，Т＝３００Ｋ）と、種々の三元およびＩｎＡｓ−ＧａＳｂ四元固溶体が存在する。整合する格子定数のため、二元化合物ベースのヘテロ構造は、層／基板の境界でミスフィット転位を有していない。これらは構造的に完全であるが、スペクトル範囲の離散したセグメントをカバーするのに適しているに過ぎない。さらに、ＧａＳｂ化合物を使用した場合、上述した技術的困難が現れる傾向がある。三元固溶体への切換えは、より広いスペクトル範囲をカバーすることが可能になる。四元固溶体は、基板との格子定数の整合を得ることが可能になり、充分に大きい範囲のバンドギャップ変動を有する。
本発明に係る発光ダイオードヘテロ構造が、可変組成の半導体材料からなる複数の層を備え、複数の層は、ＧａＳｂ二元化合物から基板上に成長する。放射は活性領域で発生し、必要とされる波長は、使用する材料の組成および活性層成長条件によって決定される。
ＧａＩｎＡｓＳｂ四元固溶体は、ＧａＳｂ基板と格子整合する多くの組成についての整合を形成する。組成の範囲全体に渡って、これらの材料が直接バンド半導体であり、組成に応じて、タイプＩＩのスタッガード(staggered)型およびストラッドリング(straddling)型の両方のヘテロ接合を生成するのに適している。
本発明は、ＧａＳｂに接近した組成を持つ低ドープのバッファ層ｐ０を備えたヘテロ構造を開示しており、これにより逆ｐ−ｎ接合のｐ０−ＧａＩｎＡｓＳｂ／ｎ−ＧａＩｎＡｓＳｂが、バッファ層と活性層との間のヘテロ境界の近傍において活性層内の正孔閉じ込めを確保することが可能になる。さらに、最小濃度の不純物および欠陥を有する、ｐ０−ＧａＩｎＡｓＳｂからなる構造的に完全な層を成長させることは、基板から活性層へ侵入する欠陥からの悪影響を最小化し、これにより深いアクセプタレベルの減少をもたらし、ＳＲＨ（ショックレー・リード・ホール）非放射性再結合が減少する。さらに、本発明のヘテロ構造は、バッファ層ｐ０を、低いドーピングレベル、即ち、真性密度に近いドーピングレベルで成長されるため、ヘテロ構造の量子効率の相当な増加が得られ、ヘテロ構造の順方向電圧は、僅かな増加を示し、サイリスタ型の構造で観測されるような何倍も大きいものではない。 さらに、本発明に従ってこうしたバッファ層を成長させるプロセスは、鉛を中性溶媒として使用することを含んでいない。
図２は、図１から知られているサイリスタ型発光ダイオード（ＬＥＤ）構造の電流−電圧特性を示す。Ｓ字状の電流−電圧特性は、サイリスタ構造にとって典型的な形状を有する。既知のヘテロ構造のブレークオーバー電圧ＶＳが１．９Ｖに達し、７．５ｍＡのターンオン電流ＩＳである。ターンオン条件では、電圧が０．４５Ｖに急激に降下する。
図３は、本発明に係るキャリアの片側制限を有する、本発明のヘテロ構造ｎ−ＧａＳｂ／ｐ０−ＧａＩｎＡｓＳｂ／ｎ−ＧａＩｎＡｓＳｂ／ｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂ／ｐ−ＧａＳｂの概略的な実施形態を示す。各層の厚さが軸ｘに沿って概略的に示され、軸Ｅｇに沿ってバンドギャップ幅が概略的にプロットされている。ヘテロ構造１００が、ｎ−ＧａＳｂ含有の基板３と、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、基板の上側に設けられたバッファ層３１と、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含有し、バッファ層の上に設けられた活性層３２と、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含有し、活性層の上に設けられた閉じ込め層３３と、閉じ込め層の上に設けられ、ＧａＳｂを含むコンタクト層３４とを備える。
厚さ１５０〜２８０μｍの基板３は、テルルを含有し、３〜５×１０１７ｃｍ−３の自由キャリア濃度を有する。バッファ層３１は、１．２〜１．６％の範囲のインジウム（Ｉｎ）含量で構成され、高い構造完全性および１０１６ｃｍ−３未満の真性正孔密度を備え、０．５〜１５μｍの厚さを有する。
活性層は、４〜２５％の範囲のインジウム（Ｉｎ）含量で構成され、テルルがドープされて少なくとも１０１７ｃｍ−３の真性電子密度に到達し、１〜１５μｍの厚さを有する。ワイドバンドの閉じ込め層３３は、３０〜６５％の範囲のアルミニウムを有するように構成され、ゲルマニウムがドープされて少なくとも１０１８ｃｍ−３の正孔濃度に到達し、０．５〜１０μｍの厚さを有する。コンタクト層３４は、ＬＥＤ製造プロセスにおいてより低い接点での接続および相互作用を提供するように構成され、０．５〜８μｍの厚さを有する。
バッファ層３１のパラメータは、後続の活性層３２の特性に応じて選択される。バッファ層は、低い正孔濃度（ｐ＜１０１６ｃｍ−３）を有し、バッファ層／活性領域のヘテロ境界において正孔へのポテンシャルバリアを提供し、ダイオード性質の電流−電圧特性が維持される。
図４は、逆ＰＮ接合を有し、１．８５μｍの波長で発光するヘテロ構造の一実施形態のエネルギー図を示す。本発明に係るヘテロ構造をベースとしたＬＥＤのスペクトルでの最大値は、活性層３２でのＧａＩｎＡｓＳｂ四元固溶体の組成でのインジウム（Ｉｎ）の百分率によって決定される。従って、活性層３２が、５．５％のインジウム（Ｉｎ）を含むように構成された場合、ヘテロ構造１００は、１．８５μｍの波長で発光する。
図５は、逆ＰＮ接合を有し、２．０５μｍの波長で発光するヘテロ構造の他の実施形態のエネルギー図を示す。ヘテロ構造１００の活性層３２は、１１．９％のインジウム（Ｉｎ）を含むように構成される。
図６は、逆ＰＮ接合を有し、２．２μｍの波長で発光するヘテロ構造のさらに他の実施形態のエネルギー図を示す。ヘテロ構造１００の活性層３２は、１８．８５％のインジウム（Ｉｎ）を含むように構成される。
従って、本発明によれば、活性層３２でのインジウム（Ｉｎ）含量に依存して、１．８〜２．４μｍの範囲内で任意の必要な波長で発光するヘテロ構造が得られる。
さらに、本発明に係るヘテロ構造が、ドーパントとして提示した物質の使用に限定されず、層内での必要なキャリア濃度を提供できる任意の他のドーパントが適用できる。
図７は、図４〜図６に示すヘテロ構造の電流−電圧特性を示す。（Ｉ）逆ＰＮ接合を有し、１．８５μｍの波長で発光するヘテロ構造をベースとしたダイオードについてプロットした電流−電圧カーブを示す。（ＩＩ）は、２．０５μｍの波長についての電流−電圧カーブを示す。（ＩＩＩ）は、２．２μｍの波長についての電流−電圧カーブを示す。図７から判るように、電流−電圧カーブは、ダイオード特性の形状を有し、図２に示す既知のヘテロ構造の電流−電圧特性とは異なる。従って、本発明に係るヘテロ構造は、サイリスタ型の既知のヘテロ構造の上記短所を回避することになる。
本発明によれば、ヘテロ構造が、液相エピタキシーを用いたプロセスによって製造される。さらに、当業者が、液相エピタキシーに適した任意の設備を用いて、提供されたヘテロ構造を製造できる。提供されたプロセスは液相エピタキシーに限定されないことに留意すべきであり、提供されたヘテロ構造は、分子線エピタキシー、気相エピタキシー、特に、塩素ハイドライド気相エピタキシー、塩素気相エピタキシー、または本発明に係る構造を有するヘテロ構造を得るのに適した任意の他のプロセスの技術を用いて製造できる。
図８は、液相エピタキシー用のためのカートリッジ５０の概略図を示す。カートリッジ５０は、ピストン２と、成長チャンバ６と、融液(melt)１をフィルリングするためのチャネル５と、基板３を移動するためのスライド４とを備える。
液相エピタキシーを用いてヘテロ構造を製造するためのプロセスは、予備工程と、層成長工程とを含む。予備工程では、基板および層を成長させるために使用する材料が、材料の各々について特別に調整されたエッチャントを用いてエッチング浄化され、洗浄され、乾燥する。こうして処理した混合材料は、黒鉛カートリッジ５０に投入され、ピストンでカバーされ、投入されたカートリッジは、液相エピタキシー炉の反応容器の中に配置される。処理した基板３は、スライド４の上に配置される。そして、反応容器は、１×１０−２ｍｍＨｇ以下の残留圧力に減圧する。そして、反応容器は、水素で充填され、そして吹き出される。吹き出しの際、システムは、ヒータを用いて均一化温度まで加熱され、この温度で保持される。そして、システムは冷却され、エピタキシー温度にいったん到達すると、融液１がピストン２で押されて、狭いチャネル５を通って、成長チャンバ６の中に入り、その下方で基板は移動して、１つの層のエピタキシャル成長を実施する。さらに、スライド４を用いて、基板は、成長チャンバ６から取り出され、ヒータは反応容器からシフトし、システムは室温まで冷却される。そして、スライド４を用いて、基板３は、次の成長チャンバ６に移動して、次の層を成長させる。
ＧａＩｎＡｓＳｂ含有のバッファ層および活性層を成長させるために、材料混合は、ＩｎＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂの二元化合物、そして、元素インジウム（Ｉｎ）および純度９９．９９９重量％のアンチモンと、ドーピング元素を含有してもよい。
ＧａＳｂに対して等周期(isoperiodic)であるＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体を得るために利用できる多くの手法がある。これらの手法は、構造内およびＧａＡｓ基板での格子定数を整合させるための条件を考慮して、相図に従って正確に計量されたある量のＩｎＡｓまたはＧａＡｓから、あるいは、融液と接触しているＧａＡｓ単結晶基板から、ヒ素が融液に導入され方法で相違する。本発明に係るヘテロ構造を製造するプロセスは、ヒ素を導入する上記方法に限定されず、エピタキシー分野で知られている任意の他の適切なプロセスを用いて、ヒ素を融液中に導入してもよい。
一例として、二相プロセスがある。好都合には、このプロセスは、高い再現性で特徴付けられる。融液をヒ素で飽和させるために、ヒ素がＧａＡｓ飽和基板から導入される。飽和基板のサイズは、１×１ｃｍ２として選択できる。こうした飽和基板は、カートリッジ５０のセル内の材料混合物をカバーするために使用される。こうしたシステムの熱力学的性質は、別個に採られた液相の性質とはかなり相違する。ＧａＡｓ基板と接触している融液中のヒ素含量は、アンチモン含量とは事実上独立しており、液相組成安定化効果のため、所定の温度での最大可能濃度に接近する。この方法を使用することにより、ＧａＳｂに対して等周期であるＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体のエピタキシャル層を再現性よく得ることが可能になる。
バッファ層３１を基板３上に成長した後、バッファ層３１を備えた基板３は、次の成長チャンバ６に移動され、そこでは活性層３２がバッファ層３１の上に成長される。
特定の厚さの層を得るのに要する成長時間は、実験的に決定できる。液相エピタキシー設備が、任意の既知の手段を用いて、層の厚さ、よって成長時間を制御することが可能である場合、実験的に決定した成長時間は、予備的基準として採用してもよい。
活性層３２を成長した後、閉じ込め層３３がその上に成長され、これはＡｌＧａＡｓＳｂを含有しており、多数キャリアを局在化させるために、ダイオードの閉じ込めワイドバンド領域として意図される。
ＧａＳｂ基板に対して等周期であるＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を得るためには、下記が実行される。Ａｌ，ＧａＳｂおよびドーピング混合物を含有する出発材料混合物が、カートリッジ５０のピストンチャンバ内に配置される。そして、材料混合物の上部に、ある量の液体ガリウムが注がれ、その上にエッチングしたＧａＡｓ基板が配置される。材料混合物およびその上に配置したエッチングした基板は、ピストン２で覆われる。バッファ層およびその上に成長した活性層を備えた基板３が、スライド４の上に配置される。そして、システムは、水素雰囲気で加熱され、均質化のために数時間保持される。そして、冷却が行われる。
ＧａＡｓ基板は、融液中に常時保持されるため、ピストンチャンバ内の融液層が薄く、冷却レートが低い場合、冷却の際に、過剰なヒ素が基板上に固溶体の薄い層の形態で全て堆積される。その組成はＡｌ−Ａｓに接近し、融液中のその含量は、所定の温度での最大可能濃度に常に近い。いったんエピタキシー温度に到達すると、融液は、ピストン２で加圧され、狭いチャネル５を通って成長チャンバ６内に入り、その下方で基板は移動して、閉じ込め層３３のエピタキシャル成長を実施する。融液は、酸化物を除去するために、フィルリングにかけられる。
さらに、ＧａＳｂ含有のコンタクト層３４が、閉じ込め層３３の上に成長される。コンタクト層３４を成長させるために用いた材料混合物は、ＧａＳｂおよびドーピング物質を含有しているであろう。
本発明に係るヘテロ構造では、成長した層が、それぞれヘテロ構造の設計に従って決定された厚さを有する。
図９は、本発明に係る実施形態の任意のヘテロ構造に基づいて構成された、１．８〜２．４μｍのスペクトル範囲を意図した発光ダイオード（ＬＥＤ）４０の構造を示す。
ＬＥＤ４０は、図９中に破線で示す活性層３２と、基板３の側に構成された上部コンタクト１１と、活性層３２の側に構成された下部コンタクト１２とを備えたヘテロ構造１００を含む。下部コンタクト１２の側で、ＬＥＤ４０がハウジング１０に取り付けられる。本実施形態において、上部コンタクト１１は、リング形状をとるように構成される。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、計測学での応用を見つけることができ、これはＬＥＤ動作の信頼性および一貫性に対して特に厳しい要求を課している。提示したＬＥＤの構造は、流れる電流に起因した、活性層でのジュール熱を低減する。提供した構造は、ｐ−ｎ接合のエリア全体に渡って電流の均等な広がりを提供し、極めて低い熱抵抗を生成する。理由は、活性層３２が、ＬＥＤ４０のハウジング１０から１〜５μｍ、好ましくは２μｍの距離に配置されるためである。
ＬＥＤ４０の例では、上部コンタクト１１はリング形状に構成されているが、上部コンタクトは、本発明の範囲を超えることなく、矩形、長円形、または任意の他の形状のフレームとして、ドット、十字または任意の立体幾何学形態として製作してもよい。
さらに、本発明の他のＬＥＤ実施形態では、上部コンタクトは活性層の側に構成してもよく、下部コンタクトは基板側に構成してもよい。さらに、本発明に係るヘテロ構造をベースとして、ＬＥＤがフリップチップ接合用のコンタクトを有するように製造してもよい。
図１０は、１．８〜２．４μｍのスペクトル帯域のＬＥＤを製造するプロセスのための工程のシーケンスを表示するフローチャートの一例である。これとは別に、特定の発光ダイオードの製造のために、先行技術から知られている他のプロセスを適用してもよい。
１．８〜２．４μｍのスペクトル範囲のディスクリートＬＥＤを製造するための技術プロセスは、下記の工程を含む。
第１工程では、研削または化学研磨を用いて、必要な厚さ、例えば、２００μｍまでヘテロ構造基板を薄くする。第１工程は、図１０（ａ）に示し、活性層３２は破線として示す。
図１０（ｂ）に示す第２工程では、活性層の側に、下部コンタクト１２の連続堆積をコンタクト層３４の上で行う。ｐ−コンタクト層３４の上に、連続コンタクトを堆積し、これはＣｒ／（Ａｕ＋Ｚｎ）／Ｎｉ／Ａｕの４層系を含む。Ｃｒの接着層を２００Åの厚さに堆積し、基板との接着を改善する。下部コンタクトのコンタクト層は、金と亜鉛の合金であり、例えば、４．４％の亜鉛含量で０．１μｍの厚さであり、後続のコンタクト焼成の際、基板材料との共晶(eutectic)混合物が形成され、これはコンタクトの低いオーミック抵抗を提供する。そして、ニッケル層を堆積して、厚さ０．１μｍのバリア層を形成する。ニッケル層の上部には、純度９９．９９％、０．１５μｍ厚の金層を堆積する。バリア層が無ければ、焼成の際、金層全体が基板材料との共晶を形成し、コンタクトへの半田付けまたは溶接を妨害する。ニッケルは、上部層からの金の拡散を防止し、良質の金コーティングを維持するのに役立つ。金属全ての続く堆積は、単一プロセスで実行され、堆積チャンバでの真空が少なくとも１０−６ｍｍＨｇに維持される。いったん、熱真空堆積に必要とされる１０−６ｍｍＨｇの真空に到達すると、その上にヘテロ構造が配置されているテーブルが加熱される。
図１０（с）に示す第３工程では、フォトリソグラフィを実施し、基板側の上部コンタクトのためのウインドウを作成する。フォトレジスト２０を塗布する。コンタクト構成を備え、例えば、２００μｍのリングとして３５０μｍの段差で構成されたフォトマスクを、半導体ウエハと整列させる。露光が実験で決定され、露光時間は、コンポーネントのサイズおよびフォトレジスト２０の厚さに依存して、例えば、２０〜９０秒に達する。フォトレジスト２０の露光部分の除去を水酸化カリウムＫＯＨの１％溶液中で行う。構造に残ったフォトレジストは、硬化処理、即ち、６０分間、８０℃〜１２０℃の熱処理が施される。硬化処理の後、サンプルは、異方性エッチング液を用いてエッチングされる。特定のフォトレジストを用いた使用に適した、ヘテロ構造の層に影響を与えない任意の他の物質が、ＫＯＨ現像液の代わりに使用できる。
図１０（ｄ）に示す第４工程では、金属系１３の堆積を実行して、上部コンタクト１１を得る。オーミックコンタクト１１を形成するには、次の４層系Ｃｒ／（Ａｕ＋Ｔｅ）／Ｎｉ／Ａｕを、フォトレジスト２０が部分的にコートされた基板３の上に堆積する。下部コンタクトと同様に、上部コンタクトは、Ｃｒ含有の接着層と、コンタクト層と、Ｎｉ含有のバリア層と、金層とを含む。上部コンタクトのコンタクト層は、金とテルルの合金であり、５％のテルル含量で０．１μｍの厚さであり、後続のコンタクト焼成の際、基板材料との共晶混合物が形成され、これはコンタクトの低いオーミック抵抗を提供する。図１０（ｂ）に示した第２工程の堆積と同様に、堆積を行う。相違点は、金の上部層が、ガルバニック（電解）手法を用いて１．５μｍの厚さに追加的に成長されることである。金層のこうした厚さが、熱圧着、超音波溶接またはビード溶接などを用いて、ワイヤを発光ダイオード（ＬＥＤ）チップに溶接するのに必要になる。堆積の直前に、サンプルは、フッ化水素酸の２３％溶液中に数秒間浸漬し、表面の特殊クリーニングの目的で、陽極酸化物を堆積スポットから除去し、そして、脱イオン水で洗浄する。
金属全ての続く堆積は、単一プロセスとして実行され、堆積チャンバでは真空が少なくとも１０−６ｍｍＨｇのレベルに維持される。いったん、熱真空堆積に必要とされる１０−６ｍｍＨｇの真空に到達すると、その上にヘテロ構造が配置されているテーブルが、１５０℃を超えない温度に加熱される。理由は、ポジ型フォトレジストの大部分は、低いガラス転移点（Ｔｇは５０〜１２５℃に達する）で特徴付けられる熱可塑性ポリマーであるからである。テーブルの加熱は３０分間続く。その際、高い真空（１０−６ｍｍＨｇ）が維持され、残留ガスを除去し、フォトレジスト膜の追加の脱ガス処理を実行する。テーブルの加熱をスイッチオフした後、作業チャンバは、真空引きされ、テーブルが完全に冷却されるまで高い真空を維持する。
図１０（ｅ）に示す第５工程では、フォトレジスト２０を除去する。フォトレジスト２０は、爆発性剥離手法を用いて、例えば、モノエタノールアミンの中に浸漬することによって、構造の表面から除去され、その後、構造は蒸留水の中で完全に洗浄される。基板３の側の表面では、フォトレジスト２０の除去後、予め定めた直径のバンプの形態で堆積した金属であるコンタクト１１だけが残る。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、フォトレジストは、先行技術から知られている他の剥離手法を用いて、例えば、特別なフォトリソグラフィを使用したドライエッチングを用いて除去してもよい。
第６工程（図１０には不図示）では、コンタクトの焼成が、低いオーミック抵抗を得るために実施される。堆積および爆発性フォトリソグラフィの後、サンプルを焼いて、オーミックコンタクトを溶融する。焼くのは、石英チャンバ内の水素フラックス中で、半導体材料に依存して、２５０℃〜４００℃の温度で１〜２分間、実行する。
図１０（ｆ）に示す第７工程では、フォトリソグラフィを実行して、分離グリッドを形成する。こうしてパターンが表面上に作成され、これは、構造を、分離したチップに分割するのに役立つ。フォトレジスト２１が、基板側から基板上に塗布され、コンタクト１１がその上に配置されている。アライメントマスクを使用して、マスク上のパターンが、第１フォトリソグラフィの際に得られた構造上のパターンと整列される。レジスト露光を実行し、そして、露光されたフォトレジストを除去し、フォトレジスト２１の残留部分は、第３工程でのフォトリソグラフィと同様に硬化される。
図１０（ｇ）に示す第８工程では、分離グリッド２２のエッチングを実行する。ウエハをチップに分割するために、マスクエッチングを適用し、このマスクは、フォトリソグラフィを用いて結晶上に付与される。分離グリッドを作成するために、液体エッチングを実施する。カートリッジがサンプルとともに、研磨エッチングの中に浸漬される。そして、ある一定の期間後、カートリッジは、サンプルとともに研磨エッチングから取り出される。エッチングの際、規則的間隔でカートリッジの安定した回転によって、混合を行う。エッチングの後、サンプルは、蒸留水を用いて洗浄する。そして、残留するフォトレジストを剥離する。フォトレジスト剥離工程での洗浄は、脱イオン水の中で実行してもよいことに留意すべきである。さらに、エッチングを液体エッチングによって実行してもよいだけでなく、既知のドライエッチング方法、例えば、プラズマエッチングまたは他の方法なども適用できる。
図１０（ｈ）に示す第９工程では、分離グリッド２２をエッチングする際、ダイヤモンドカットまたは劈開を用いて、ＬＥＤウエハがディスクリートチップ４０に分割される。一例として、図１０（ｈ）は、チップ４０を示しており、これは３００μｍの長手方向寸法を有してもよい。
ディスクリートチップ４０を製造した後、アセンブリ工程が実行される。発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ４０が、鉛ベースの半田を用いて、ハウジング、例えば、ＴＯ−１８の表面に半田付けされる。ハウジングは、ボンダの加熱テーブルの上に搭載される。半田は、ハウジング表面上に薄い層として付与される。マニピュレータを用いて、ＬＥＤチップ２０がハウジングの中央に搭載され、連続コンタクト１２は下向きに戴置される。加熱をスイッチオンにする。チップ４０は下向きに押圧され、そして加熱温度は室温まで降下させる。さらに、上部コンタクト１１は、ＬＥＤチップ４０に溶接または半田付けされる。ＬＥＤチップの上部コンタクト１１は、直径２０〜３０μｍの金ワイヤを用いて、ＴＯ−１８ハウジングの絶縁されたステムと接続される。ワイヤをチップコンタクトと接続することは、下記のうち少なくとも１つを用いて実行できる。鉛含有半田を用いた低温半田付け、超音波溶接、またはビード溶接。さらに、アセンブリ作業を、先行技術から知られている他の手法を用いて実行できる。
ＬＥＤをフリップチップ構成用のコンタクトで製造した場合、活性領域とのコンタクトおよび基板とのコンタクトは下方から構成され、ヘテロ構造の上表面はクリアな状態である。本発明に係るＬＥＤを製造するには、フリップチップ技術で既知の他のプロセスが適用できる。本発明に係るＬＥＤは、室温で動作可能である。さらに、予め定めた温度が室温より高くまたは低く維持すべきである場合、ＬＥＤは、少なくとも１つのペルチェ素子を備える。
こうしたＬＥＤは、下記のように作動する。いったん順方向電圧が印加されると（コンタクト層に接続された正の端部およびｎ型基板に接続された負の端部に）、電流がヘテロ構造を通って流れる。基板からの電子が、バッファ層を通って活性領域に注入される。ＡｌＧａＡｓＳｂ閉じ込め層からの高いポテンシャルバリアが、正のコンタクトへのこれらの流れを制限する。ｐ型閉じ込め層からの正孔が活性領域に注入される。負のコンタクトに向かうこれらの漏れが、バッファ層／活性領域の境界でのポテンシャルバリアによって制限される。活性領域内に閉じ込められると、電子および正孔は効率的に再結合し、赤外放射線が、活性領域のバンドギャップ幅に対応した波長で放出される。ＩＲ放射線は、基板を最小損失で通過する。理由は、基板材料が、１．８〜２．４μｍのスペクトル帯域にある放射線を吸収しないからであり、コンタクト１１で覆われていない領域で基板側に出てくる。
明細書に記載された本発明の実施形態は、説明用の例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものとみなすべきでないことに留意すべきである。本発明の範囲は、下記請求項にそのまま定義される。

Claims (10)

  1. ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体をベースとしたヘテロ構造であって、
    ＧａＳｂを含む基板と、
    ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含み、基板の上側に設けられた活性層と、
    ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含み、活性層の上側に設けられた、多数キャリアを局在化させるための閉じ込め層と、
    閉じ込め層の上側に設けられ、ＧａＳｂを含むコンタクト層とを備え、
    ヘテロ構造は、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含み、基板と活性層との間に設けられたバッファ層をさらに備え、
    該バッファ層は、活性層より少ないインジウム（Ｉｎ）を含有することを特徴とする、ヘテロ構造。
  2. バッファ層中のＩＩＩ族元素のうちインジウム（Ｉｎ）のモル分率が、１．２〜１．６％である請求項１記載のヘテロ構造。
  3. ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体をベースとしたヘテロ構造を製造する方法であって、
    液相エピタキシー手法によって、ＧａｌｎＡｓＳｂ固溶体を含むｐ型バッファ層を、ｎ型ＧａＳｂ基板の上に成長させることと、
    液相エピタキシー手法によって、ＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体を含むｎ型活性層を、バッファ層の上に成長させ、活性層がバッファ層より多いインジウム（Ｉｎ）を含有するようにすることと、
    液相エピタキシー手法によって、ＡｌＧａＡｓＳｂ固溶体を含み、多数キャリアを局在化させるためのｐ型閉じ込め層を、活性層の上に成長させることと、
    液相エピタキシー手法によって、ＧａＳｂを含むｐ型コンタクト層を、閉じ込め層の上に成長させることとを含む、方法。
  4. 中赤外スペクトル範囲用の発光ダイオードであって、
    請求項１〜２のいずれかに記載のヘテロ構造をベースとして構成され、活性層側に構成された第１コンタクトと、基板側に構成された第２コンタクトとを備える少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを備え、
    該ＬＥＤチップは、基板の上に設けられ、ＧａＩｎＡｓＳｂ固溶体を含有するバッファ層を備えることを特徴とする、発光ダイオード。
  5. 第１コンタクトは、連続的に構成され、第２コンタクトは、部分的に覆われた表面を有するように構成される、請求項４記載の発光ダイオード。
  6. 第２コンタクトは、リング状に構成される、請求項４または５記載の発光ダイオード。
  7. 第１コンタクトは、Ｃｒ／（Ａｕ＋Ｚｎ）／Ｎｉ／Ａｕの４層系を含み、第２コンタクトは、Ｃｒ／（Ａｕ＋Ｔｅ）／Ｎｉ／Ａｕの４層系を含む、請求項４〜６のいずれかに記載の発光ダイオード。
  8. 請求項４〜７のいずれかに記載の発光ダイオードを製造する方法であって、
    請求項１〜２のいずれかに記載のヘテロ構造を用意することと、
    基板の厚さを低減することと、
    ヘテロ構造の活性層側に、第１コンタクトを形成することと、
    ヘテロ構造の基板側に、第２コンタクトを形成することと、
    ヘテロ構造の上に形成されたコンタクトとともにヘテロ構造を分割して、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを形成することとを含む、方法。
  9. 中赤外スペクトル範囲用の発光ダイオードであって、
    請求項１〜２のいずれかに記載のヘテロ構造をベースとして構成され、活性層側に、コンタクト層と接続された少なくとも１つのコンタクト、および基板と接続された少なくとも１つのコンタクトとを備える、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを含む、発光ダイオード。
  10. 請求項９記載の発光ダイオードを製造する方法であって、
    請求項１〜２のいずれかに記載のヘテロ構造を用意することと、
    ヘテロ構造の活性層側に、コンタクト層と接続された第１コンタクトを形成することと、
    ヘテロ構造の活性層側に、基板と接続された第２コンタクトを形成することと、
    基板の厚さを低減することと、
    ヘテロ構造の上に形成されたコンタクトとともにヘテロ構造を分割して、ＬＥＤチップを形成することとを含む、方法。
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