JP6283324B2 - 赤外線発光素子 - Google Patents

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。これらの使用例のうち、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等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と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とにおいて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ているが、白熱球から発せられる赤外線は白色光である。その為、特定の波長を分光する為には受光素子側に光学フィルタを設ける必要がある。この光学フィルタは高価であり、また赤外線の強度を弱める為、ガスセンサとして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為には、光源として特定波長帯の赤外線を発する半導体からなる発光素子（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）（以下、半導体発光素子ともいう。）を使用することが有効である。このような半導体発光素子を実現する為には、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、この波長領域では半導体発光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温度の影響を考慮する必要がある。

上述の半導体発光素子は、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、半導体発光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、これらの半導体発光素子は、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。しかしながらこのような冷却機構を備えるということは、すなわち装置の大型化且つ高額化につながることになる。
このような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、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上にＩｎＡｌＳｂによるｎ−ν−ｐ構造のダイオードを作成し、ｐ層とν層（低濃度のｎ型ドーパントが注入された層）の間に電子の拡散を抑制する為のＩｎＡｌＳｂのバリア層を用いることで、赤外線発光を室温で実現している。

つまり、非特許文献１のように、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、すなわち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。
また、特許文献１には、赤外線発光素子において、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技術も開示されている。

Ｍ． Ｋ． Ｈａｉｇｈ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｉｄ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ " Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ９０，（２００７），ｐｐ．２３１１６

国際公開第２００９／１１３６８５号パンフレット

しかしながら、非特許文献１に記載されている、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。
また、特許文献１に記載された赤外線発光素子においては、赤外線を放出する半導体発光素子（ＬＥＤ）の実用化に向けては、さらに優れた発光効率とすることが望まれている。
本発明は、上記未解決の課題に着目してなされたものであり、発光効率のより優れた、赤外線発光素子を提供することを目的としている。

本発明の一態様による赤外線発光素子は、半導体基板と、当該半導体基板上に形成された、ｎ型化合物半導体層、当該ｎ型化合物半導体層よりバンドギャップの広いｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層、アンドープｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層、及びｐ型化合物半導体層が前記半導体基板側からこの順に積層された積層構造と、を有し、前記アンドープｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層のＡｌ組成ｘ、前記ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層のＡｌ組成ｙ、及び前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層のＡｌ組成ｚは、ｙ≧ｘ且つｚ≧ｘを満足することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、発光効率のより優れた赤外線発光素子を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る赤外線発光素子の断面模式図である。 赤外線発光素子のエネルギーバンドを示す図である。 ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層とｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層のＡｌ組成と発光強度との関係を示す特性図である。 ドーピング量と発光強度との関係を示す特性図である。 ドーピング量と障壁高さとの関係を示す特性図である。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
なお、以下の説明において例示される材料、寸法、形状等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、本発明の効果を損ねない範囲で以下に記載していない層を備えていてもよい。

＜赤外線発光素子＞
図１は、本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００の断面模式図である。
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００は、図１に示すように、半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に積層されたｎ型化合物半導体層１０２と、ｎ型化合物半導体層１０２上に積層され、ｎ型化合物半導体層１０２よりバンドギャップの大きいｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３と、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３上に積層されたアンドープのｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４と、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４上に積層されたｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５と、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５上に積層されたｐ型化合物半導体層１０６と、を備える。
ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３のＡｌ組成を表すｙ（以下、Ａｌ組成ｙともいう。）及びｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５のＡｌ組成を表すｚ（以下、Ａｌ組成ｚともいう。）は、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のＡｌ組成を表すｘ（以下、Ａｌ組成ｘともいう。）と比較して、ｙ≧ｘ且つｚ≧ｘを充足する。

発光層となるｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４をアンドープとすること、ｎ型化合物半導体層１０２と発光層となるｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４との間に、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４よりもＡｌ組成が大きいｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３を設けること、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４とｐ型化合物半導体層１０６との間にＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４よりもＡｌ組成の大きいｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５を設けることにより、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４に電子及び正孔を閉じ込めることができ、漏れ電流の発生を防ぎ、発光強度の高い赤外線発光素子を実現できる。

本発明の一実施形態の赤外線発光素子は、発光効率をより向上させる観点から、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のＡｌ組成ｘが、０≦ｘ≦０．１であり、Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３のＡｌ組成ｙが、０．１８≦ｙ≦０．２４であり、Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５のＡｌ組成ｚが、０．１８≦ｚ≦０．２４であり、０．１２≦ｙ−ｘ≦０．２、及び０．１２≦ｚ−ｘ≦０．２を充足する。つまり、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４は、具体的には、ＩｎＳｂ層（ｘ＝０）又はＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層（０＜ｘ≦０．１）である。なお、Ａｌ組成ｙとＡｌ組成ｚは、０．１８以上０．２４以下を満足すれば、同一値であってもよく、異なる値であってもよい。

［半導体基板］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００において、半導体基板１０１は、その上にｎ型化合物半導体層１０２を形成可能なものであれば特に制限されず、例えばシリコン（Ｓｉ）基板やガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板等を用いることができる。半導体基板１０１の結晶面は、（１００）、（１１１）、（１１０）方向等がある。
ＧａＡｓ基板等の半絶縁性の半導体基板は、一般にそのバンドギャップが発光層となるＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ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。基板側から取り出す形態の場合、基板側には電極を形成する必要が無い為、発生した赤外線が電極により遮られること無く外部に取り出されるため好ましい。半絶縁性の半導体基板以外（例えば、ｎ型半導体基板等）を用いる場合、一方の電極は基板の裏面に作製することも可能である。

＜ｎ型化合物半導体層＞
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００において、ｎ型化合物半導体層１０２は、ｎ型ドーピングされた化合物半導体層であれば特に制限されないが、本発明の一実施形態では、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。
ここで、シート抵抗が増加すると、ダイオードの等価回路上、この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。

また、ｎ型化合物半導体層１０２を高濃度にｎ型ドーピングすることで、バーシュタイン・モス・シフトにより、赤外線に対する透過率を向上させることができ、光の外部取り出し効率を大きく高めることができる。ｎ型ドーパントとしては、シリコン（Ｓｉ）、テルル（Ｔｅ）、スズ（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）等を用いることができるがこれに制限されない。

また、半導体基板１０１上に成長するｎ型化合物半導体層１０２の結晶性を上げるために、半導体基板１０１とｎ型化合物半導体層１０２との間に、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。具体的には、インジウムアンチモンやインジウムアルミアンチモン、インジウムガリウムアンチモン等があげられる。また、バッファ層としては連続的に又は段階的に格子定数が増減するグレーデットバッファ層であってもよい。また、バッファ層を設ける代わりに、ｎ型化合物半導体層１０２として、インジウムアンチモン又はインジウムアルミアンチモンのいずれかを含むｎ型化合物半導体を用いても良い。
ｎ型化合物半導体層１０２は、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４の結晶性を高めること、及びｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３で格子緩和を発生させないため、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４との格子定数差が小さい材料であることが望ましい。

［ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００において、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４よりもＡｌ組成が大きく、バンドギャップが広くなるため、正孔による暗電流や拡散電流に対する障壁になる。
図２はその様子を示したものであり、図１に示す赤外線発光素子１００のエネルギーバンドを示す図である。図２中の、ΔＥｖは価電子帯の障壁高さを表し、ΔＥｃは伝導帯の障壁高さを表す。

図２に示すように、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３は、価電子帯の障壁高さΔＥｖが高く、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４よりもバンドギャップが広くなる。そのため、例えばｐ型化合物半導体層１０６から注入された正孔がｎ型化合物半導体層１０２方向に拡散しようとしても、バンドギャップの広いｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３により拡散が抑制され、暗電流や拡散電流等の漏れ電流が低減される。

これは、活性層が、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あまり意味を成さないが、活性層がｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のようにバンドギャップが比較的小さい半導体層であるが故に得られる効果である。ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３のＡｌ組成ｙは正孔による漏れ（暗電流や拡散電流等）を抑制するために大きいほうがよいが、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のＡｌ組成ｘとの差が大きいと格子緩和により、電子の漏れが発生するため、本発明の一実施形態では、０．１８≦ｙ≦０．２４且つ、０．１２≦ｙ−ｘ≦０．２０であることが好ましい。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。ドーピング濃度としては、本発明の一実施形態では、１×１０^１８原子／ｃｍ^３以上であり、また一実施形態では、１×１０^１９原子／ｃｍ^３以上である。

［ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００において、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のＡｌ組成ｘは、赤外線発光素子１００の用途に応じて適宜選択するのがよい。本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００をガスセンサとして用いる場合には、検出するガスの吸収波長に対応した発光波長となるようにＡｌ組成ｘを調整することが好ましい。例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスセンサに応用する場合にはＡｌ組成ｘは、赤外線発光素子１００の発光波長が４．３μｍとなるようにし、一酸化炭素（ＣＯ）ガスセンサに応用する場合にはＡｌ組成ｘは、赤外線発光素子１００の発光波長が４．０μｍとなるようにすればよい。

［ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００において、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５は、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４よりもＡｌ組成が大きく、バンドギャップが広くなるため、電子による暗電流や拡散電流に対する障壁になる。
つまり、図２に示すように、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５は伝導帯の障壁高さΔＥｃが高く、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４よりもバンドギャップが広くなる。そのため、例えば、ｎ型化合物半導体層１０２から注入された電子が、ｐ型化合物半導体層１０６方向に拡散しようとしても、バンドギャップの広いｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５により拡散が抑制され、暗電流や拡散電流が低減される。
これは、活性層が窒化ガリウム（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ないが、活性層がｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のようにバンドギャップが小さい半導体層であるが故に得られる効果である。

ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５のＡｌ組成ｚは電子による漏れ、すなわち暗電流や拡散電流等を抑制するために大きいほうがよいが、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のＡｌ組成ｘとの差が大きいと格子緩和により、電子の漏れが発生するために、本発明の一実施形態では、０．１８≦ｚ≦０．２４且つ、０．１２≦ｚ−ｘ≦０．２０である。
ｐ型ドーパントとしては、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、炭素（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、クロム（Ｃｒ）等を用いることができる。ドーピング濃度は、本発明の一実施形態では、７×１０^１７原子／ｃｍ^３以上であり、また、一実施形態では、１×１０^１８原子／ｃｍ^３以上である。

［ｐ型化合物半導体層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００において、ｐ型化合物半導体層１０６は、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４と比べて、ｐ型ドーピングされている為にｎ型化合物半導体層１０２側から注入された電子を効率的にｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４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。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。ドーピング濃度は、本発明の一実施形態では、７×１０^１７原子／ｃｍ^３以上であり、また、一実施形態では、１×１０^１８原子／ｃｍ^３以上である。

＜実施形態＞
以下、図面を参酌しながら本発明を実施するためのより具体的な形態を説明する。なお、実施形態における各構成要件については上述の説明が参酌される。
本発明の一実施形態における赤外線発光素子１００は、図１に示すように、半導体基板１０１と、この半導体基板１０１の上に形成される化合物半導体積層部１１０とを備えている。化合物半導体積層部１１０は、ｎ型化合物半導体層１０２と、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３と、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３よりもＡｌ組成の小さいアンドープのｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４と、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４よりもＡｌ組成の大きいｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５と、ｐ型化合物半導体層１０６とが、半導体基板１０１側からこの順に積層されて形成されている。

この化合物半導体積層部１１０は、図１に示すように、ｎ型化合物半導体層１０２が露出するまでエッチングすること等により形成されたメサ構造１１０ａを備えている。
そして、ｐ型化合物半導体層１０６上に第１の電極１０７が接続され、エッチング等により露出されたｎ型化合物半導体層１０２上に第２の電極１０８が接続される。
電極１０７から電極１０８に電流を流すことで、ｉ型ＩｎＡｌＳｂ層１０４で電子と正孔が再結合し、発光する。発光した光は半導体基板１０１側から取り出される。

ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３のＡｌ組成ｙとｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５のＡｌ組成ｚは、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のＡｌ組成ｘよりも大きいため、バンドギャップも大きくなる。このとき、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３は正孔の漏れを抑制し、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５は電子の漏れを抑制することで、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４での再結合を促進している。

漏れ電流抑制のために、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３のＡｌ組成ｙと、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４のＡｌ組成ｘと、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５のＡｌ組成ｚとは、本発明の一実施形態ではＡｌ組成差（ｙ−ｘ）及びＡｌ組成差（ｚ−ｘ）は、ｙ−ｘ≧０．１２且つ、ｚ−ｘ≧０．１２とする。また、Ａｌ組成差が大きくなると、格子緩和により電子および正孔の漏れを防ぐ効果が小さくなってしまうため、ｙ−ｘ≦０．２、ｚ−ｘ≦０．２とする。

このような構成とすることによって、図２に示すように、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４の上層及び下層にバンドギャップのより大きい、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３とｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５とを設けることによって、ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４に電子及び正孔を閉じ込めることができる。そのため、漏れ電流の発生を防ぐことが可能となり、結果的にｉ型ＩｎＡｌＳｂ層１０４での再結合を促進することができ、発光効率の向上を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

以下、本発明の一実施形態における赤外線発光素子を、実施例を用いて詳細に説明する。
［実施例１］
図１に示した素子構造を、分子線エピタキシー法（以下、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法ともいう。）により作製した。

まず、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（半導体基板１０１）の（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｎ型化合物半導体層１０２）を１．０μｍ成長させ、この上に、同じくＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層（ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３）を０．０２μｍ成長させ、この上にアンドープのＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４）を２．０μｍ成長させ、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を１．０×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層（ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５）を０．０２μｍ成長させ、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を１．０×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｐ型化合物半導体層１０６）を０．５μｍ成長させた、半導体ウエハを作製した。

この半導体ウエハに次の手順でＰＩＮダイオードを作製した。まず、Ｉｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｎ型化合物半導体層１０２）と、Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層（ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３）と、Ｉｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４）と、Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層（ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５）と、Ｉｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｐ型化合物半導体層１０６）とからなる化合物半導体積層部１１０に対し、ｎ型化合物半導体層１０２とのコンタクトを取るためのメサ構造１１０ａを形成するためのエッチングを酸により行い、次いでメサ構造１１０ａが形成された化合物半導体積層部１１０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、ＧａＡｓ基板（半導体基板１０１）及びこの基板上に形成された化合物半導体積層部１１０を含む全面を、ＳｉＮ保護膜で覆った。

次いで、形成されたＳｉＮ保護膜において電極となる部分にのみ窓開けを行い、窓開けを行った部分に、電子ビーム（ＥＢ）蒸着及びリフトオフ法を用いて、チタンが化合物半導体積層部１１０側となるように順に積層した、金（Ａｕ）／プラチナ（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層構造からなる電極を形成した。
これにより、図１の素子構造を有する赤外線発光素子としてのＰＩＮダイオードが形成された。なお、図１の素子構造を有する赤外線発光素子としてのＰＩＮダイオードの作製手順は、以下の実施例及び参考例についても同様である。

このようにして作製した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とを接続した。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）２０％、入力電力が１６０ｍＷとなるようにパルス電流を供給し、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。

図３はこのようにして作製及び評価した実施例１におけるＰＩＮダイオードのｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３及びｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５のＡｌ組成をｙ＝ｚとしたときの、Ａｌ組成ｙ（＝ｚ）（横軸）と、波長が４．３μｍの赤外線の発光強度（縦軸）との関係を示すグラフである。
図３から、Ａｌ組成ｙ（＝ｚ）が０．１８〜０．２４である場合に、発光強度が１１［ａ．ｕ．］程度以上、３６程度［ａ．ｕ．］以下となり、良好な発光強度を得られることが確認できた。

また、図３から、Ａｌ組成ｙ（＝ｚ）が変化するに応じて、発光強度は大きく変化することがわかる。具体的には、Ａｌ組成ｙが０．１８程度から０．２２程度までの間は、Ａｌ組成ｙが増加するに応じて発光強度は増加しており、アンドープのＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層１０４での発光効率が向上する傾向にある。これは、Ａｌ組成ｙが０．１８程度から０．２２程度までの範囲においては、暗電流が抑制されたことにより、発光効率が向上したものと考えられる。しかし、Ａｌ組成ｙが０．２２程度を超えると発光強度が減少する傾向にあり、アンドープのＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層での発光効率が減少する傾向にある。これはｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３とアンドープのＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層１０４間の格子緩和によって、暗電流が増加したものと考えられる。

［実施例２］
半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（半導体基板１０１）の（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｎ型化合物半導体層１０２）を１．０μｍ成長させ、この上に、同じくＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．７８Ａｌ_０．２２Ｓｂ層（ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１０３）を０．０２μｍ成長させ、この上にアンドープのＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４）を２．０μｍ成長させ、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を１．０×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．７８Ａｌ_０．２２Ｓｂ層（ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層１０５）を０．０２μｍ成長させ、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を１．０×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｐ型化合物半導体層１０６）を０．５μｍ成長させた、半導体ウエハを作製した。実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例１］
半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板の（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を１．０μｍ成長させ、この上に、同じくＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を０．０２μｍ成長させ、この上にＳｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３をドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を２．０μｍ成長させ、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を１．０×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を０．０２μｍ成長させ、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を１．０×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を０．５μｍ成長させた、半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例２］
参考例１において、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層に替えて、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を５×１０^１６原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用したこと以外は参考例１と同様の手順で半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例３］
参考例１において、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層に替えて、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を２×１０^１６原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用したこと以外は参考例１と同様の手順で半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例４］
参考例１において、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層に替えて、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１６原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用したこと以外は参考例１と同様の手順で半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例５］
参考例１において、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層に替えて、Ｚｎ（ｐ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用したこと以外は参考例１と同様の手順で半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例６］
参考例１において、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層に替えて、Ｚｎ（ｐ型ドーパント）を５×１０^１６原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用したこと以外は参考例１と同様の手順で半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例７］
参考例１において、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層に替えて、Ｚｎ（ｐ型ドーパント）を２×１０^１６原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用したこと以外は参考例１と同様の手順で半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

［参考例８］
参考例１において、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１×１０^１７原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層に替えて、Ｚｎ（ｐ型ドーパント）を１×１０^１６原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用したこと以外は参考例１と同様の手順で半導体ウエハを作製し、実施例１と同じ手順でＰＩＮダイオードの作製及び発光特性評価を行った。

図４に、実施例２及び参考例１〜８で得られたＰＩＮダイオードの波長が４．３μｍである赤外線の発光強度を示す。図４から、Ｉｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層１０３にｐ型ドーピングするとドーピング量が多いほど発光強度が大きく低下し（参考例５〜８）、ｎ型ドーピングするとドーピング量が多いほど緩やかではあるが発光強度が低下していることがわかる（参考例１〜４）。この原因としては、電子と正孔の暗電流抑制を抑制するための障壁の高さが、アンドープの際に最も適しているためと考えられる。

図５に、実施例２及び参考例１〜４、６〜８で得られたＰＩＮダイオードにおける、図２に示すエネルギーバンド図で示した価電子帯の障壁高さΔＥｃ及び伝導帯の障壁高さΔＥｖと、ドーピングと、の関係を示す。なお、図５において、横軸はドーピング領、縦軸は、価電子帯の障壁高さΔＥｃ及び伝導帯の障壁高さΔＥｖである。
図５から、ｐ型ドープすると伝導帯の障壁高さΔＥｖが増加するのに対し、価電子帯の障壁高さΔＥｃは減少することがわかる（参考例６〜８）。一方、ｎ型ドープすると価電子帯の障壁高さΔＥｃが増加するのに対し、伝導帯の障壁高さΔＥｖは減少することがわかる（参考例１〜４）。アンドープでは、価電子帯の障壁高さΔＥｃと伝導帯の障壁高さΔＥｖとの差が少なく、バランスがよいために発光強度が高くなったものと考えられる（実施例２）。

また、実施例２の方法で作製された、異なる半導体ウエハ上に作製されたＰＩＮダイオード２５個について発光強度のばらつき（３σ／平均）を測定したところ、３．０％以内に収まっていることが確認された。一方、参考例１〜４および参考例５〜８の方法で作製された、異なる半導体ウエハ上に作製されたＰＩＮダイオード２５個について、発光強度のばらつきを測定したところ、５．８％〜２２．４％であった。このことから、アンドープのＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層（ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１０４）を採用した実施例２の赤外線発光素子は、ｎ型ドーピングまたはｐ型ドーピングしたＩｎ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｓｂ層を採用した参考例１〜８の赤外線発光素子と比較して、ばらつきの少ない良好な発光強度を得ることができることが確認された。

本発明は、高い発光強度をもつ赤外線発光素子、として好適である。

１００ 赤外線発光素子
１０１ 半導体基板
１０２ ｎ型化合物半導体層
１０３ ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層
１０４ ｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層
１０５ ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層
１０６ ｐ型化合物半導体層

Claims (3)

1. 半導体基板と、
   当該半導体基板上に形成された、ｎ型化合物半導体層、当該ｎ型化合物半導体層よりバンドギャップの広いｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層、アンドープｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層、及びｐ型化合物半導体層が前記半導体基板側からこの順に積層された積層構造と、を有し、
   前記アンドープｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層のＡｌ組成ｘ、前記ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層のＡｌ組成ｙ、及び前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層のＡｌ組成ｚは、ｙ≧ｘ且つｚ≧ｘを満足する赤外線発光素子。
2. 前記アンドープｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層のＡｌ組成ｘ、前記ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層のＡｌ組成ｙ、及び前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂ層のＡｌ組成ｚは、０≦ｘ≦０．１、０．１８≦ｙ≦０．２４、０．１８≦ｚ≦０．２４、０．１２≦ｙ−ｘ≦０．２、及び０．１２≦ｚ−ｘ≦０．２を満足する請求項１に記載の赤外線発光素子。
3. 前記ｎ型化合物半導体層及び前記ｐ型化合物半導体層は、インジウムアンチモン及びインジウムアルミアンチモンのいずれかを含む請求項１又は請求項２に記載の赤外線発光素子。

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