JP5526360B2 - 赤外線発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線発光素子に関する。
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、及びガスセンサ等に使用されている。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。上記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為、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為、特定の波長を分光する為には受光素子側にフィルタを設ける必要がある。前記フィルタは高価であり、また赤外線の強度を弱める為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。
上記の様な問題を解決する為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：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を使用することが有効である。ここで、上記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。上記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、前記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。この様なバンドギャップの小さな半導体では、熱励起キャリアの為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為である。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為に、一般にペルチェ素子等の冷却機構が従来使用される。しかしながら上記の様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為に、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為されている。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為の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。
下記非特許文献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為、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為に必要となる。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、室温において熱励起された正孔による拡散電流、及び暗電流を抑制した赤外線発光素子を提供することにある。
T. Ashley et al., "Uncooled InSb/In1-XAlXSb mid-infrared emitter," Applied Physics Letters, 64(18), 2 May 1994, pp. 2433-2435
このような赤外線発光素子を提供するために、本発明の第１の態様は、半導体基板と、前記半導体基板上の、膜厚が０．１μｍを超えるＩｎＳｂからなる第１のｎ型化合物半導体層と、前記第１のｎ型化合物半導体層上の、前記第１のｎ型化合物半導体層と同一組成である第２のｎ型化合物半導体層と、前記第２のｎ型化合物半導体層上の、ＡｌＩｎＳｂからなるｎ型ワイドバンドギャップ層と、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層上の、活性層となるｐ型ドーピングのπ層と、を備え、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層以外の層のバンドギャップは、０．４１ｅＶ以下であって、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層は、前記第１のｎ型化合物半導体層および前記π層よりもバンドギャップが大きく、さらに、前記第１のｎ型化合物半導体層と前記２のｎ型化合物半導体層との間に、前記第２のｎ型化合物半導体層とは別層として形成されかつ前記第１のｎ型化合物半導体層と同一組成を有する第１の繰り返し層と、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層と同一組成を有する第２の繰り返し層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ備え、前記第１の繰り返し層と前記第２の繰り返し層とは、交互に配置されており、前記第２の繰り返し層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする赤外線発光素子である。
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記π層は、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層上に直接に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記π層は、前記第１のｎ型化合物半導体層と同一組成であり、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする。
また、本発明の第４の態様は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層は、前記第１のｎ型化合物半導体層と同等の濃度にドーピングされていることを特徴とする。
また、本発明の第５の態様は、第１から第４の態様のいずれかにおいて、前記π層上に配置され、前記π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１のｎ型化合物半導体層または前記π層と同一組成であるｐ型化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明の第６の態様は、第１から第５の態様のいずれかにおいて、前記π層上に直接に配置され、前記π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１のｎ型化合物半導体層および前記π層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型ワイドバンドギャップ層をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記ｐ型ワイドバンドギャップ層は、それぞれＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第８の態様は、第６または第７の態様において、前記ｐ型ワイドバンドギャップ層は臨界膜厚以下であり、前記ｐ型ワイドバンドギャップ層上に、前記ｐ型ワイドバンドギャップ層と同等以上にｐ型ドーピングされたｐ型化合物半導体保護層をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記ｐ型ドーピングされたｐ型化合物半導体保護層は、ｎ型化合物半導体層またはπ層と同一組成であることを特徴とする。
また、本発明の第１０の態様は、第１から第９の態様のいずれかにおいて、前記半導体基板は、半絶縁性の半導体基板、または前記半導体基板と該半導体基板に形成された前記第１のｎ型化合物半導体層とが絶縁分離可能な半導体基板であり、前記第１のｎ型化合物半導体層上のうち、前記π層が形成されていない領域に形成された第１電極と、前記π層上に形成された、第２電極とをさらに備えることを特徴とする。
また、本発明の第１１の態様は、第１０の態様において、前記半導体基板上には、前記赤外線発光素子に形成された第１の電極と、該第１の電極が形成された赤外線発光素子の隣の赤外線発光素子に形成された第２の電極とが直列接続するように、複数の赤外線発光素子が連続的に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、ｎ型化合物半導体層とｐ型ドーピングのπ層とにより構成された赤外線発光素子において、ｎ型化合物半導体層とπ層との間に、ｎ型化合物半導体層およびπ層よりもバンドギャップが大きいｎ型ワイドバンドギャップ層を設けることにより、ｎ型化合物半導体層で室温において熱励起により発生した正孔のπ層方向への拡散を抑制し、正孔によるｐｎダイオードの暗電流を低減すると共に、π層側において熱励起によって発生した正孔のｎ型化合物半導体層側への拡散も抑制することで、ｐｎダイオードの拡散電流も低減したダイオード抵抗の高い赤外線発光素子を提供することができる。
図１は実施形態１に係る赤外線発光素子の模式図である。 図２は実施形態１に係る赤外線発光素子バンド図である。 図３は第１のｎ型化合物半導体層中の転位を示す図である。 図４は実施形態１に係る赤外線発光素子の変形形態を示す図である。 図５は実施形態１に係る赤外線発光素子の変形形態を示す図である。 図６は実施形態２に係る赤外線発光素子の模式図である。 図７は実施形態３に係る赤外線発光素子の模式図である。 図８は実施形態３に係る赤外線発光素子バンド図である。 図９は実施形態４に係る赤外線発光素子の模式図である。 図１０は実施形態４に係る赤外線発光素子の変形形態を示す図である。 図１１は実施形態５に係る赤外線発光素子の模式図である。 図１２は第１のｎ型化合物半導体層の膜厚とエッチピット密度の関係を示す図である。 図１３Ａは比較例２−１の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察結果を示す図である。 図１３Ｂは実施例２−１の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察結果を示す図である。 図１３Ｃは実施例２−２の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察結果を示す図である。 図１４は比較例２−１および実施例２−１の構造を用いたＰＩＮダイオードの電流−電圧特性を示す図である。 図１５は比較例２−１および実施例２−１の構造を用いたＰＩＮダイオードの発光特性を示す図である。 図１６は実施例２−１および実施例２−２の構造を用いたＰＩＮダイオードの発光特性を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る赤外線発光素子の模式図である。赤外線発光素子１００は、半絶縁性の半導体基板１０１と、半導体基板１０１上の、第１のｎ型化合物半導体層１０２と、第１のｎ型化合物半導体層１０２上の、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３と、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３上の、第１のｎ型化合物半導体層１０２と同一組成である第２のｎ型化合物半導体層１０４と、第２のｎ型化合物半導体層１０４上の、ｐ型ドーピングのπ層１０５と、π層１０５上の電極１０６と、第２のｎ型化合物半導体層１０４上の電極１０７とを備える。
赤外線発光素子１００は、第２のｎ型化合物半導体層１０４とπ層１０５との間に空乏層が形成される、いわゆるＰＮ接合ダイオードである。ＰＮ接合部に順方向電流を流してキャリアを再結合させて赤外線を発生させる。
本実施形態に係る赤外線発光素子１００では、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３のバンドギャップが第１のｎ型化合物半導体層１０２およびπ層１０５のそれよりも大きく、ｎ型化合物半導体層で室温において熱励起により発生した正孔のπ層方向への拡散、すなわちダイオードの暗電流を抑制する。ここで、図２がその様子を示している。第１のｎ型化合物半導体層１０２において発生したマイノリティキャリアである正孔（ホール）はπ層１０５方向に拡散しようとするが、第１のｎ型化合物半導体層１０２および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、暗電流が低減される。ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３は、ｎ型ドーピングによりそのバンドギャップが相対的に価電子帯方向へシフトしており、正孔の拡散障壁としてより効果的に機能する。つまり、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３は、そのバンドギャップとｎ型ドーピングが、正孔の拡散を抑制するように調整されている。
また、π層１０５において熱励起によって発生した正孔は、通常はｐｎ接合により形成されている内部電界の為π層１０５方向へ移動するが、その一部は拡散によりｎ型化合物半導体層１０２方向へと移動し、ダイオードの拡散電流となる。前述のように、波長が３μｍ以上の赤外線を吸収できるバンドギャップの小さな半導体では、室温でも熱励起の為に真性キャリア密度が大きくなる。ここで拡散電流は真性キャリア密度の２乗に比例する関係が有り、すなわち真性キャリア密度が大きいほど拡散電流は大きくなる。大きな拡散電流は素子のダイオード抵抗を低下させる為これを抑制することは特に重要である。
ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３は、図２に示す様に正孔による拡散電流に対する障壁にもなる。従って拡散電流を抑制することができる。これは、化合物半導体層が窒化ガリウム（ＧａＮ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）の様な元来バンドギャップが大きく熱励起キャリアの影響が無視でき、拡散電流が元々小さいような化合物半導体である場合は意味を成さず、上記のようにバンドギャップが小さい半導体であるが故に得られる効果である。
更に、図２に示す様に赤外線発光素子１００を発光素子として使用する場合、π層１０５側から注入された正孔が、ｎ型化合物半導体層１０２中へ拡散することを抑制することが出来る為、ｐｎ接合により形成されている空乏層内において電子と正孔の再結合効率を向上させることもできる。
上述した熱励起された正孔の拡散による暗電流、及び拡散電流を抑制するために、必要なｎ型ワイドバンドギャップ層１０３と価電子帯とのエネルギー差ΔＥの大きさは、正孔の持つエネルギーよりも大きい必要がある。ここで正孔に与えられるエネルギーとしては、熱エネルギーがあり、室温の場合約２５ｍｅＶである。従って、この場合のΔＥの大きさは少なくとも熱エネルギー以上、室温の場合は２５ｍｅＶ以上であることが好ましい。
更に、発光素子の場合はダイオードへの順バイアスによって注入される正孔が、ｎ型化合物半導体層１０２中へ拡散することを抑制する為に、少なくともＰＮ接合の電位差よりもΔＥが大きいことが好ましい。通常ＰＮ接合の電位差はトンネルリーク電流を防ぐ為にバンドギャップよりも小さくなることから、ΔＥは、少なくとも第１および第２のｎ型化合物半導体層１０２および１０４、ならびにπ層１０５のエネルギーバンドギャップの大きさの５０％以上が好ましく、より好ましくは８０％以上であり、更に好ましくは同等以上である。例えば第１および第２のｎ型化合物半導体層１０２および１０４、ならびにπ層１０５にＩｎＳｂを使用した場合、室温でΔＥは０．０９ｅＶ以上が好ましく、より好ましくは０．１４ｅＶ以上であり、更に好ましくは０．１８ｅＶ以上である。前記の様なΔＥを得る為に、適したｎ型ワイドバンドギャップ層１０３のバンドギャップの大きさは、第１および第２のｎ型化合物半導体層１０２および１０４、ならびにπ層１０５のエネルギーバンドギャップの大きさの１．５倍以上が好ましく、より好ましくは２倍以上、更に好ましくは２．３倍以上である。ただし、上記のΔＥの大きさは、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３のバンドギャップの大きさに加えて、材料の電子親和力や、ｎ型ワイドバンドギャップ層へのドーピング濃度によっても調整可能である。
次に、本実施形態に係る赤外線発光素子１００の各構成要素について以下に詳説する。
まず、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３以外の層を構成する化合物半導体はナローバンドであり、特に、波長が３μｍ以上の長波長帯の赤外線を吸収および発生可能な、バンドギャップが０．４１ｅＶ以下の化合物半導体であることが好ましい。素子は室温での使用を想定しているため、室温においてバンドギャップが０．４１ｅＶ以下であることがより好ましいが、素子の使用温度が室温ではない場合は、それらの使用温度においてバンドギャップが０．４１ｅＶ以下であればよい。また、波長３．６μｍ以上の赤外線を発光が可能な０．３６ｅＶ以下であれば好ましく、更に波長５μｍ以上の赤外線を発光が可能な０．２５ｅＶ以下であればより好ましい。これは上述のようにｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の暗電流、拡散電流、を抑制する効果は、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３以外の層を構成する化合物半導体のバンドギャップが小さいほど効果を増す為である。
室温でエネルギーバンドギャップが０．４１ｅＶ以下であるナローバンドギャップの化合物半導体としては、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、又はＩｎＳｂＮのいずれかを用いることができる。ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂの室温でのエネルギーバンドギャップは、それぞれ０．３６ｅＶ、０．１８ｅＶである。ＩｎＡｓxＳｂ1-x混晶（０＜ｘ＜１）のエネルギーバンドギャップＥgは、０．５８ｘ2−０．４１ｘ＋０．１８＝Ｅgで表され、非常に大きな非線形因子がある。したがって、ＩｎＡｓＳｂの室温でのエネルギーバンドギャップは、ＩｎＡｓの室温でのエネルギーバンドギャップよりも低く、０．３６ｅＶ以下である。また、ＩｎＳｂ1-yＮy混晶（０＜ｙ＜０．０１）のバンドギャップは更に大きな非線形因子があり、窒素Ｎの組成ｙが僅か０．０１でバンドギャップがほぼ０に近くなることが知られている。
また、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３としては、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかを用いることができる。各ｎ型ワイドバンドギャップ層の室温でのエネルギーバンドギャップは、組成比により決まり、例えば、Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層の室温におけるバンドギャップは０．４６ｅＶである。上記の材料はＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）の様なＨｇの蒸気圧が高く結晶成長時の組成制御や再現性が難しい材料に比べて、安定した化合物や混晶半導体を作成可能な材料であり、より好ましい。
本実施形態に係る赤外線発光素子１００の素子特性をさらに向上するために、π層１０５を第１のｎ型化合物半導体層１０２と同一組成とし、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の膜厚を臨界膜厚以下とすることができる。以下でｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の膜厚が臨界膜厚以下である場合について述べる。赤外線発光素子１００の備えるｎ型ワイドバンドギャップ層１０３は第１のｎ型化合物半導体層１０２よりもバンドギャップが大きく、第１のｎ型化合物半導体層１０２と組成が異なる。このような層を第１のｎ型化合物半導体層１０２上に形成すると、半導体基板１０１と第１のｎ型化合物半導体層１０２との界面で発生したミスフィット転位が、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３と第１のｎ型化合物半導体層１０２との界面において図３に示すように界面と平行な方向に伝播の向きが変えられることが実験的に分かった。向きの変わった転位は転位同士が対消滅するか、あるいは転位ループを作り半導体基板１０１との界面に再び戻ることになる。すなわち、転位を第１のｎ型化合物半導体層１０２中に閉じ込めることができる。実施例は後述する。これによりＰＮ接合部分への転位の伝播を大幅に減らすことが可能となり、赤外線発光素子１００の素子特性に対する結晶欠陥の影響を低減することができる。化合物半導体層中の結晶欠陥は、キャリアのリークパスとしてダイオード特性を、また再結合中心として発光特性を劣化させる可能性がある。なお上述した様に、上記のｎ型ワイドバンドギャップ層１０３による基板界面からの貫通転位の低減効果は、臨界膜厚以上の膜を成長し、膜中に新たに発生した転位と、基板界面からの貫通転位とを対消滅させる方法や、基板から徐々に組成を変えた格子整合層を基板と活性層の間に設ける等の方法とは異なる効果であり、量産に適した簡易な構造で、活性層となるπ層の結晶性を向上出来ると共に暗電流、拡散電流を低減することも出来るものである。
ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３は、第１のｎ型化合物半導体層１０２、第２のｎ型化合物半導体層１０４およびπ層１０５よりもバンドギャップが大きく、第１のｎ型化合物半導体層１０２と組成の異なる材料である。組成が異なると一般に格子定数も異なり、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３はその格子全体を歪ませて、下地である第１のｎ型化合物半導体層１０２に格子整合して成長していく。ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の膜厚が、そのように格子整合した状態で成長できる膜厚が、いわゆる「臨界膜厚」である。一方で膜厚が増大し、膜中の歪エネルギーが大きくなると、格子定数の違いを調節する為に膜と下地との界面に転位（ミスフィット転位）を導入した方が膜のエネルギー的に低くなる為、界面から膜中にミスフィット転位が導入される。すなわち、「臨界膜厚」とはミスフィット転位が入らず格子整合が格子歪で吸収される最大膜厚である。ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の膜厚を臨界膜厚以下とし、更に第１のｎ型化合物半導体層１０２と第２のｎ型化合物半導体層１０４の組成が同じであることによって、第１のｎ型化合物半導体層１０２とｎ型ワイドバンドギャップ層１０３と第２のｎ型化合物半導体層１０４の格子定数は一致することになる。この為ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３と第１のｎ型化合物半導体層１０２および第２のｎ型化合物半導体層１０４との界面から新たにミスフィット転位が発生することを抑制できる。これにより、結晶性の高いｎ型ワイドバンドギャップ層１０３を得ることが出来、前述した暗電流、及び拡散電流の抑制効果を高めることが出来る。更に前述した界面からの貫通転位を減少させる効果と合わせて、活性層となるπ層の結晶性も向上させることが出来る為、発光効率を高めることが可能となる。なお、本明細書において使用する「同一組成」という用語は、完全に組成が同一の場合を意味する。
半導体基板１０１としては、ＳｉやＧａＡｓ等を用いることができる。結晶面は、（１００）、（１１１）、（１１０）方向等がある。半絶縁性の半導体基板１０１は、一般にそのバンドギャップが０．４１ｅＶよりも大きい為長波長帯の赤外線に対して透明であるので、発生した赤外線の基板側からの取り出しを妨げない。基板側には電極が無い為に発生した赤外線が電極により遮られることが無く好ましい。一方、本実施形態では半絶縁性の基板を用いたが、図４に示すようにｎ型半導体基板を用いてもよい。この場合、一方の電極４０７は図４に示すように基板の裏面に作製することも可能である。
第１のｎ型化合物半導体層１０２は、ｎ型ドーピングされたナローバンドギャップの化合物半導体である。ナローバンドギャップの化合物半導体は正孔に比べて電子の移動度が非常に大きいため、ｐ型ドーピングよりもｎ型ドーピングの方が半導体層のシート抵抗を容易に下げることができる。したがって、素子構造において大きな面積を占めている第１のｎ型化合物半導体層１０２にｎ型ドーピングすることで、赤外線発光素子１００のシート抵抗を容易に低減することができる。シート抵抗が増加すると、ダイオードの等価回路上ダイオードに対して直列に接続されたシリーズ抵抗が増加することになる。このシリーズ抵抗は素子に注入した電力を消費する為になるべく小さい方が望ましい。ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ等を用いることができる。
第１のｎ型化合物半導体１０２と同様の理由で、所望のシート抵抗が得られるようにｎ型ワイドバンドギャップ層１０３のｎ型ドーピングを調整することができる。なお前述のようにｎ型ワイドバンドギャップ層１０３のｎ型ドーピングはそのバンドギャップを相対的に価電子帯方向へシフトさせる効果も持つ。
ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の組成は、必要なバンドギャップの大きさ及び薄膜成長の容易さ等を考慮して適切な値に設計される。一例として、第１および第２のｎ型化合物半導体層１０１および１０４がＩｎＳｂであり、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３がＩｎ1-xＡｌxＳｂである場合、Ａｌの組成は０．０６≦ｘ≦０．７、より好ましくは０．１≦ｘ≦０．５、更に好ましくは０．１５≦ｘ≦０．３である。膜厚は各組成における臨界膜厚以下とすることができるが、それは概ね１０ｎｍから３０ｎｍ程度である。
第２のｎ型化合物半導体層１０４も、第１のｎ型化合物半導体層１０２と同様にｎ型ドーピングされたナローバンドギャップの化合物半導体である。ｎ型ドーピングの濃度は第１のｎ型化合物半導体層１０２やｎ型ワイドバンドギャップ層１０３と同一である必要はないが、素子のシート抵抗を上げない程度にドーピングされていることが好ましく、第１のｎ型化合物半導体層１０２やｎ型ワイドバンドギャップ層１０３と同一であっても良い。
π層１０５は、ｐ型ドーピングのπ層である。ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３を臨界膜厚とした場合、第２のｎ型化合物半導体層１０４について説明したのと同じ理由により、第１のｎ型化合物半導体層１０２と同一組成とする。ｐ型ドーピングする場合のドーピング濃度は１×１０16原子／ｃｍ3以上１×１０18原子／ｃｍ3未満が好ましく、更に好ましくは１×１０16原子／ｃｍ3以上１×１０17原子／ｃｍ3未満である。またπ層１０５の膜厚は、０．１μｍ以上３μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上２μｍ以下である。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｒ等を用いることができる。
半導体基板１０１の上に順次、層を形成し、化学エッチングによる素子分離とπ層１０５の部分除去を行い、そして電極１０６および１０７を形成することで赤外線発光素子１００を得る。本実施形態に係る赤外線発光素子１００を構成する各化合物半導体層は、各種の成膜方法を用いて形成できる。たとえば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などが好ましい。また、素子の加工方法としては、たとえば、まず酸またはイオンミリングなどを用いてｎ型ドーピング層とコンタクトを取るための段差形成を行い、次に素子分離のためのメサエッチングを行い、その後ＳｉＮやＳｉＯ2などのパッシベーション膜で覆った後、電極部分のみを窓開けし、Ｔｉ／ＡｕやＣｒ／Ａｕ等の電極をリフトオフ法などで形成する方法が使用される。また、専用のマスクセットを使用することで素子を複数個直列接続した構造を作製できる。
なお、第２のｎ型化合物半導体層１０４は、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３との界面において第１のｎ型化合物半導体層１０２と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜しているものを用いることができる。π層１０５の組成を第２のｎ型化合物半導体層１０４の上面と同一にし、第１のｎ型化合物半導体層１０２とは異なるようにすることで、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３を臨界膜厚とした場合に赤外線の発光波長の調整が可能となる。
また、π層１０５は、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の上に直接に配置してもよい。この構成においてｎ型ワイドバンドギャップ層１０３を臨界膜厚とした場合にπ層１０５の組成を第１のｎ型化合物半導体層１０２とは異なるようにするために、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３との界面において第１のｎ型化合物半導体層１０２と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜しているｐ型ドーピングの組成遷移層を、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３とπ層１０５との間に設けてもよい。
また、図５に示すようにｎ型ワイドバンドギャップ層を複数層積層させることで、転位を止め得る界面を複数に増やし、ＰＮ接合部分への転位の伝播を抑制する効果を更に高めることができる。ここでｎ型ワイドバンドギャップ層の膜厚はすべて臨界膜厚以下であるが、その間のｎ型化合物半導体層の膜厚は、ｎ型にドーピングされた層（以下、「ｎ型ドーピング層」という。）全体の膜厚を考慮して任意に決めることができる。また、何層繰り返し積層するかも、ｎ型ドーピング層全体の膜厚を考慮して任意に決めることができる。
また、第１および第２のｎ型化合物半導体層１０２および１０４を高濃度にドーピングをすることで、バーシュタイン・モス・シフトにより、ドーピング濃度が高くなければ吸収してしまう赤外線に対して透明にすることができる。半導体基板１０１側から赤外線を抽出する場合、半導体基板１０１は赤外線に対して透明であり、またｎ型ワイドバンドギャップ層１０３もそのバンドギャップの大きさから透明であるので、π層１０５に存在するＰＮ接合の空乏層部分で発生した赤外線を効率的に取り出すことができ、素子の外部量子効率を向上できる。ドーピング濃度としては、１×１０18原子／ｃｍ3以上が好ましく、より好ましくは１×１０19原子／ｃｍ3以上である。
また、半導体基板１０１上に成長する第１のｎ型化合物半導体層１０１の結晶性を上げるために、半導体基板１０１と第１のｎ型化合物半導体層１０２との間に、格子定数が半導体基板１０１と第１のｎ型化合物半導体層１０２の中間程度であり、格子不整合を緩和させるバッファ層を用いる場合もある。この場合バッファ層は赤外線の光を吸収しないような材料が選択される。
本実施形態では、π層１０５にｐ型、π層１０５以外にｎ型の層を使用したが、ｎ型とｐ型を入れ替えた構造においてはワイドバンドギャップ層により電子の暗電流や拡散電流の抑制や結晶欠陥による素子特性の劣化低減という効果が得られる。ただし、第１のｎ型化合物半導体層１０２に関して説明したように、ｐ型ドーピングにすると素子のシート抵抗が増大してしまう。また、ｐ型の化合物半導体は長波長帯の赤外線を吸収し易いため基板側からの赤外線の取り出しが難しくなる。
また、図１に示した赤外線発光素子１００は、第２のｎ型化合物半導体層１０４上に電極１０７を設けたが、ｎ型ワイドバンドギャップ層１０３または第１のｎ型化合物半導体層１０２に接続する形に設けてもよい。ただし、ｎ型ドーピング層のシート抵抗を下げるためにはそれらの膜厚が厚い方がよいので、電極１０７を設ける位置としては図１のように第２のｎ型化合物半導体層の直上（あるいはｎ型ドーピング層の上面）が好ましい。
（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る赤外線発光素子６００を示している。半導体基板１０１からπ層１０５までは実施形態１と同一であり、また同様の変形形態が考えられる。赤外線発光素子６００は、π層１０５上に配置され、π層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１のｎ型化合物半導体層または前記π層と同一組成であるｐ型化合物半導体層６０１をさらに備える。この構造はいわゆるＰＩＮダイオードの構造である。
ｐ型化合物半導体層６０１はπ層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされている為にｎ型ドーピング層（１０１〜１０４）側から注入された電子を実施形態１の例よりも効率的にπ層中に留め、キャリアの再結合発光効率を上げることが出来る。さらに高濃度にｐ型ドーピングされている為に電極１０６とのコンタクト抵抗を下げることができる。ｐ型化合物半導体層６０１のｐ型ドーピング濃度は７×１０17原子／ｃｍ3以上が好ましく、より好ましく１×１０18原子／ｃｍ3以上である。
（実施形態３）
図７は、実施形態３に係る赤外線発光素子７００を示している。半導体基板１０１からπ層１０５までは実施形態１と同一であり、また同様の変形形態が考えられる。赤外線発光素子７００は、π層１０５上に直接に配置され、π層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ第１のｎ型化合物半導体層１０２およびπ層１０５よりも大きなバンドギャップを有するｐ型ワイドバンドギャップ層７０１をさらに備える。この構造もいわゆるＰＩＮダイオードの構造である。
図８は、実施形態３に係る赤外線発光素子におけるエネルギーバンドギャップの模式図である。ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１のバンドギャップを第１のｎ型化合物半導体層１０２およびπ層１０５よりも大きくすることで、ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１中における、マイノリティキャリアである電子の熱励起による発生を効果的に抑制することができる。これにより、ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１よりπ層１０５側へ流れる電子による暗電流を抑制すると共に、π層１０５において熱励起により発生し、ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１側へ流れる電子の拡散電流を抑制し、ダイオード抵抗が下がることを効果的に抑制がすることが可能である。
ここで、ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１は長波長帯の赤外線を発生することができない程度のワイドバンドギャップであるが、赤外線の発生はπ層１０５で行われるため問題とならない。また、ｎ型ドーピング層（１０１〜１０４）側から注入された電子が、ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１中へ拡散することを、実施形態２の場合よりも更に抑制することが出来る為、π層１０５内において電子と正孔の再結合発光効率を更に向上させることもできる。
ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１の組成は必要なバンドギャップの大きさ及び薄膜成長の容易さ等を考慮して適切な値に設計される。一例として、ナローバンドギャップの化合物半導体がＩｎＳｂであり、ｐ型ワイドバンドギャップ層がＩｎ1-xＡｌxＳｂである場合、Ａｌの組成は０．０６≦ｘ≦０．７、より好ましくは０．１≦ｘ≦０．５、更に好ましくは０．１５≦ｘ≦０．３である。また、ｐ型ワイドバンドギャップ層７０１のｐ型ドーピング濃度は７×１０17原子／ｃｍ3以上が好ましく、より好ましく１×１０18原子／ｃｍ3以上である。
（実施形態４）
図９は、実施形態４に係る赤外線発光素子９００を示している。半導体基板１０１からπ層１０５までは実施形態１と同一であり、また同様の変形形態が考えられる。π層１０５の上にπ層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、第１のｎ型化合物半導体層１０２およびπ層１０５よりも大きなバンドギャップを有するｐ型ワイドバンドギャップ層をさらに備える点は実施形態３と共通するが、本実施形態では、ｐ型ワイドバンドギャップ層９０１を臨界膜厚以下（概ね１０ｎｍから３０ｎｍ程度）とする。このようにすることで、π層１０５との界面においてミスフィット転位等の格子欠陥が発生することを防ぎ、ｐ型ワイドバンドギャップ層９０１の結晶性を高めることができ、格子欠陥起因のリーク電流を抑制することが出来る。さらに本実施形態では、ｐ型ワイドバンドギャップ層９０１上に、π層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされたｐ型化合物半導体保護層９０２を備える。ｐ型ワイドバンドギャップ層９０１は臨界膜厚以下であり非常に薄い。したがってｐ型ワイドバンドギャップ層９０１に電極を直接に形成すると電極形成のプロセス中に何らかの損傷を受ける可能性がある。ｐ型化合物半導体保護層９０２は、このような損傷からｐ型ワイドバンドギャップ層９０１を保護する約割がある。
なお、ｐ型化合物半導体保護層９０２は、電極１０６とのコンタクト層となる。電極とのコンタクト抵抗は等価回路上のシリーズ抵抗となり、発光素子の電力を消費する。したがって、ｐ型化合物半導体保護層９０２と電極１０６とのコンタクト抵抗を下げる為にｐ型化合物半導体保護層９０２にはｐ型ワイドバンドギャップ層９０１と同等またはそれ以上のｐ型ドーピングがなされていることが好ましい。特にｐ型ドーピング濃度は７×１０17原子／ｃｍ3以上が好ましく、より好ましく１×１０18原子／ｃｍ3以上である。またｐ型化合物半導体保護層９０２の膜厚は０．０５μ以上１μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上０．７μｍ以下である。
また、前記のようにｐ型化合物半導体保護層９０２は電極１０６とのコンタクト層となる為、その膜シート抵抗はなるべく小さい方が好ましい。従ってｐ型化合物半導体保護層９０２のバンドギャップはｐ型ワイドバンドギャップ層８０１よりも小さい方が好ましい。これはバンドギャップの小さい半導体は膜シート抵抗も小さい為である。ここで、ｐ型化合物半導体保護層９０２の組成を、第１のｎ型化合物半導体層１０２、またはπ層１０５と同じ組成にすると、バンドギャップが小さい為その膜シート抵抗も小さく出来る。さらに、格子定数が臨界膜厚以下のｐ型ワイドバンドギャップ層９０１と近い為にｐ型ワイドバンドギャップ層９０１に対して応力を与えることが無く、その結晶性を更に高めることが出来る。特にπ層１０５と同じ組成の場合、π層１０５とｐ型ワイドバンドギャップ層９０１とｐ型化合物半導体保護層９０２の格子定数が一致する為、高い結晶性の膜成長を行うことが出来る為、好ましい。
図１０は、赤外線発光素子９００の変形形態１１０を示している。赤外線発光素子１１０は、実施形態１において説明したように、π層１０５をｎ型ワイドバンドギャップ層１０３の上に直接に配置した構造である。この構造を特に発光素子として用いると、光の発光層であるπ層１０５をｎ型ワイドバンドギャップ層１０３とｐ型ワイドバンドギャップ層９０１とによって挟み込むことになり、キャリアをπ層１０５内に効果的に閉じ込めることができる。したがって、素子の再結合発光効率を高めることができて望ましい。
（実施形態５）
図１１は、半導体基板上に複数の赤外線発光素子設けた構造を示している。各赤外線発光素子は電極により直列に接続されている。図１０の構造は、化学エッチングによる素子分離と層の部分除去の後、全体に絶縁性の保護膜を積層し、素子とのコンタクト部分に窓開けした後、各素子が直列に繋がるように電極を形成することで得ることができる。この様な構造は基板がＩｎＳｂ基板の様な導電性の基板では実現することが出来ない。
発光素子の場合、上記のように複数の素子を直列に接続することで、接続素子数に比例した、より多くの発光量を得ることができる。この場合でも、素子のダイオード抵抗以外の直列抵抗成分、すなわちｎ型ドーピング層の膜シート抵抗や、電極とのコンタクト抵抗等の抵抗が大きいと不必要な入力電力を必要とし、更に素子の発熱も大きくなるので、ダイオード抵抗以外の直列抵抗成分はなるべく小さい方が好ましい。
ｎ型ワイドバンドギャップ層による結晶欠陥の伝播抑制という効果を得るために適切な第１のｎ型化合物半導体層の膜厚を検討した。
半導体基板上に最初に成長する第１のｎ型化合物半導体層は、基板材料と格子不整合の大きいヘテロ成長となるために、最初は島状に成長し、成長した島が互いに接触し結合することで連続膜となる成長過程をとる。したがって、その膜厚が非常に薄い場合、連続膜を形成できないか、あるいは連続膜であっても十分な結晶性が得られない場合がある。このような結晶性の第１のｎ型化合物半導体層上にｎ型ワイドバンドギャップ層を成長しても、下層の第１のｎ型化合物半導体層の結晶性が影響し、ｎ型ワイドバンドギャップ層も十分な結晶性が得られず十分な結晶欠陥の伝播抑制効果を発揮できない。
ここで、ＧａＡｓ基板上に合計１μｍのＩｎＳｂ膜を成長する際、膜厚２０ｎｍのｎ型ワイドバンドギャップ層Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂを、基板から０．１μｍ、０．２μｍ、および０．３μｍの位置にそれぞれ挿入した。このＩｎＳｂ膜をＨＦ（フッ酸）：ＨＮＯ3（硝酸）：Ｈ2Ｏ（水）＝１：１：３のエッチャントでエッチングすると、表面に達した転位部分、いわゆる貫通転位がエッチピットとして得られた。エッチピットの数を数えることで、膜の表面に達した転位の数が得られる。
図１２は、このようにして得られたエッチピットの数とｎ型ワイドバンドギャップ層Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂの挿入位置の関係を示すグラフである。この図から分かるように、ｎ型ワイドバンドギャップ層Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂの挿入位置が基板から０．２μｍ及び０．３μｍの位置ではｎ型ワイドバンドギャップ層Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂのない膜に比べて貫通転位の数が２０％以上も減少している。すなわちｎ型ワイドバンドギャップ層Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂが結晶欠陥の伝播を効果的に抑制している。一方でｎ型ワイドバンドギャップ層Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂの挿入位置が基板から０．１μｍの位置ではエッチングによりＩｎＳｂの膜自体が溶解してしまった。すなわち膜の結晶性を逆に悪化させてしまうことを示している。従って、ｎ型ワイドバンドギャップ層の挿入位置は、基板から０．１μｍより離れた位置であることが好ましい。換言すれば、第１のｎ型化合物半導体層の膜厚は０．１μｍを超えることが好ましい。
一方、この膜厚が厚過ぎると膜の成長に長い時間が必要となる。このため好ましい第１のｎ型化合物半導体層の膜厚としては０．１μｍ＜ｘ≦３．０μｍであり、より好ましくは０．２μｍ≦ｘ≦２．０μｍであり、更に好ましくは０．３μｍ≦ｘ≦１．０μｍである。
第１および第２のｎ型化合物半導体層を合わせた全体のｎ型化合物半導体層の膜厚は０．１μｍより厚ければよいが、好ましくは０．１μｍより厚く３μｍ以下であり、より好ましくは０．７μｍ以上２μｍ以下である。
実施例２−１
図１０に示した素子構造をＭＢＥ法により作製した。まず、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（第１のｎ型化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上に、同じくＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｎ型ワイドバンドギャップ層）を０．０２μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を６．０×１０16原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（π層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｐ型ワイドバンドギャップ層）を０．０２μｍ成長し、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｐ型化合物半導体保護層）を０．５μｍ成長した。ここで、各ＩｎＳｂ層の室温におけるバンドギャップは０．１８ｅＶであり、各Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層の室温におけるバンドギャップは０．４６ｅＶである。これは、他の実施例及び比較例についても同様である。
このようにして作製した赤外線発光素子について断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を行った。まず、イオンミリング法により薄片化し、続いて、ＨＩＴＡＣＨＩ Ｈ−９０００ＮＡＲの電子顕微鏡を用いて加速電圧３００ｋＶの条件で観察した。
図１３Ｂに、倍率１２５００倍の観察結果を示す。図中に見られる斜めの線が転位である。写真から分かるようにｎ型ＩｎＳｂ層とπ層との間にあるｎ型のＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｎ型ワイドバンドギャップ層）によって、基板との界面から発生した転位が曲げられており、π層への転位の伝播が大幅に抑制されている効果がはっきりと分かる。
なお、膜厚０．０２μｍのＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層はＩｎＳｂの下地に対して臨界膜厚以下であり、膜表面に平行な方向に関してＩｎＳｂ層とＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層は完全に格子整合していることを、断面ＴＥＭの写真と、Ｘ線回折による（１１５）面の逆格子マッピングの結果から確認した。
比較例２−１
実施例２−１からＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｎ型ワイドバンドギャップ層）を抜いた構造を作製した。この素子について、実施例２−１と同一条件で断面ＴＥＭ観察を行った結果が図１３Ａである。図１３Ａから分かるように界面で発生した転位はπ層を貫通している。
実施例２−２
図１０に示した素子構造において第１のｎ型化合物半導体層中に図５のようにｎ型ワイドバンドギャップ層を５層挿入した構造をＭＢＥ法により作製した。まず、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ成長し、この上に、同じくＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｎ型ワイドバンドギャップ層）を０．０２μｍ成長し、この上にＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．０２μｍ成長する。この後、上記と同じ０．０２μｍのＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｎ型ワイドバンドギャップ層）と０．０２μｍのＩｎＳｂ層を交互に積層し、Ａｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｎ型ワイドバンドギャップ層）が合計５層になるまで繰り返し積層する。５層目のＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｎ型ワイドバンドギャップ層）上にはＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．３μｍ成長する。この上に更にＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層を０．０２μｍ成長する。ここまでのｎ型ドーピング層（Ｓｎドーピング層）は合計で１μｍの膜厚となっている。この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を６．０×１０16原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（π層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層（ｐ型ワイドバンドギャップ層）を０．０２μｍ成長し、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｐ型化合物半導体保護層）を０．２μｍ成長した。
このようにして作製した赤外線発光素子について実施例２−１と同一の条件で断面ＴＥＭ観察を行った結果が図１３Ｃである。図１３Ｃから分かるように界面で発生した転位が、挿入された５層のＡｌ0.17Ｉｎ0.83Ｓｂ層によって更に効果的に伝播抑制されていることがわかる。
実施例２−３
実施例２−１の構造を用いて、次の手順でＰＩＮダイオードを作製した。まず、ｎ型ドーピング層とのコンタクトを取るための段差形成エッチングを酸により行い、次いで段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後プラズマＣＶＤを用いて、全面（ＧａＡｓ基板およびこの基板に形成された化合物半導体構造）をＳｉＮ保護膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／Ｔｉ（Ｔｉが膜側）をＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。ＰＮ接合部分は８角形の形状をしており、面積は１２０．７μｍ2となるように設計した。また、比較例２−１の構造を用いてもＰＩＮダイオードを作製した。
図１４は、このようにして作製したＰＩＮダイオードの電流−電圧特性を示している。実施例２−１の構造を用いたＰＩＮダイオードは、比較例２−１の構造を用いたものと比べて、逆バイアス時の電流すなわちダイオードの暗電流が減少している。また、正バイアス時の電流の立ち上がりがバイアスの大きい側へシフトしている。これはダイオードの拡散電流が抑制された効果である。
実施例２−４
実施例２−１の構造を用いて、実施例２−３と同じ手順でＰＩＮダイオードを作製した。ただし、ＰＮ接合部分が直径５００μｍの円形となるように設計した。実施例２−３と比べて非常に大きな素子である。
このように作製したＰＩＮダイオードの発光特性を次の手順で評価した。まず、ＰＩＮダイオードを、光を取り出すための穴を開けたガラスエポキシ基板上に貼り付け、ワイヤーボンディングにより電極とガラスエポキシ基板上の端子を接続した。この端子から素子に対してパルスジェネレータ（Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を用いて、周波数１ｋＨｚ、デューティサイクル（Ｄｕｔｙ Ｃｙｃｌｅ）５０％、電流値１００ｍＡ（ピークトウピーク値）のパルス電流を入れ、発光素子として駆動させた。発光特性の測定はガラスエポキシ基板の穴から取り出した赤外光をＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）によって測定することで行った。使用したＦＴＩＲはＮｉｃｏｌｅｔ社製のＮｅｘｕｓ８７０ＦＴＩＲである。なお測定は室温（２５℃）で行っており、測定中素子の冷却等は行っていない。また、比較例２−１の構造を用いて同様のＰＩＮダイオード構造を作製し、発光特性を測定した。
図１５は、測定によって得られた赤外線の発光強度をバイアス電圧×バイアス電流（１００ｍＡ）の値で割って規格化した結果を、分光した各波長に対して示している。ｎ型ワイドバンドギャップ層の存在しない比較例２−１の構造を用いたＰＩＮダイオードと比較して実施例２−１の構造を用いたＰＩＮダイオードは、ピークを示す波長６．３μｍにおいて発光強度が約２．３倍と著しく強くなることが確認できた。
実施例２−５
実施例２−２の構造を用いて、実施例２−４と同様のＰＩＮダイオード構造を作製し、その発光特性を測定した。図１６は、実施例２−１の構造を用いた実施例２−４のＰＩＮダイオードと本実施例のＰＩＮダイオードの、波長５μｍから６μｍの範囲における発光強度を示している。この波長範囲は２つのＰＩＮダイオードで最も明確に差が得られた範囲である。本実施例のＰＩＮダイオードでは実施例２−４よりも更に強い発光強度が得られている。

Claims (11)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上の、膜厚が０．１μｍを超えるＩｎＳｂからなる第１のｎ型化合物半導体層と、
    前記第１のｎ型化合物半導体層上の、前記第１のｎ型化合物半導体層と同一組成である第２のｎ型化合物半導体層と、
    前記第２のｎ型化合物半導体層上の、ＡｌＩｎＳｂからなるｎ型ワイドバンドギャップ層と、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層上の、活性層となるｐ型ドーピングのπ層と、
    を備え、
    前記ｎ型ワイドバンドギャップ層以外の層のバンドギャップは、０．４１ｅＶ以下であって、
    前記ｎ型ワイドバンドギャップ層は、前記第１のｎ型化合物半導体層および前記π層よりもバンドギャップが大きく、
    さらに、前記第１のｎ型化合物半導体層と前記２のｎ型化合物半導体層との間に、前記第２のｎ型化合物半導体層とは別層として形成されかつ前記第１のｎ型化合物半導体層と同一組成を有する第１の繰り返し層と、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層と同一組成を有する第２の繰り返し層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ備え、
    前記第１の繰り返し層と前記第２の繰り返し層とは、交互に配置されており、
    前記第２の繰り返し層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする赤外線発光素子。
  2. 前記π層は、前記ｎ型ワイドバンドギャップ層上に直接に配置され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。
  3. 前記π層は、前記第１のｎ型化合物半導体層と同一組成であり、
    前記ｎ型ワイドバンドギャップ層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線発光素子。
  4. 前記ｎ型ワイドバンドギャップ層は、前記第１のｎ型化合物半導体層と同等の濃度にドーピングされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の赤外線発光素子。
  5. 前記π層上に配置され、前記π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１のｎ型化合物半導体層または前記π層と同一組成であるｐ型化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の赤外線発光素子。
  6. 前記π層上に直接に配置され、前記π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１のｎ型化合物半導体層および前記π層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型ワイドバンドギャップ層をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の赤外線発光素子。
  7. 前記ｐ型ワイドバンドギャップ層は、それぞれＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の赤外線発光素子。
  8. 前記ｐ型ワイドバンドギャップ層は臨界膜厚以下であり、
    前記ｐ型ワイドバンドギャップ層上に、前記ｐ型ワイドバンドギャップ層と同等以上にｐ型ドーピングされたｐ型化合物半導体保護層をさらに備えることを特徴とする請求項６または７に記載の赤外線発光素子。
  9. 前記ｐ型ドーピングされたｐ型化合物半導体保護層は、第１のｎ型化合物半導体層またはπ層と同一組成であることを特徴とする請求項８に記載の赤外線発光素子。
  10. 前記半導体基板は、半絶縁性の半導体基板、または前記半導体基板と該半導体基板に形成された前記第１のｎ型化合物半導体層とが絶縁分離可能な半導体基板であり、
    前記第１のｎ型化合物半導体層上のうち、前記π層が形成されていない領域に形成された第１電極と、
    前記π層上に形成された、第２電極と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の赤外線発光素子。
  11. 前記半導体基板上には、前記赤外線発光素子に形成された第１の電極と、該第１の電極が形成された赤外線発光素子の隣の赤外線発光素子に形成された第２の電極とが直列接続するように、複数の赤外線発光素子が連続的に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の赤外線発光素子。
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