JP6487232B2 - 赤外線発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は赤外線発光ダイオードに関する。

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できる。

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。この種のフィルタは高価であり、また赤外線の強度を弱める為にガスセンサの感度を低下させる。さら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。
特許文献１に開示された技術により、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が実現されている。

ＷＯ２００９−１１３６８５号

赤外線発光ダイオードは、ガスセンサ等の電子機器に搭載されることが多く、そのため小型化と高出力化の両立、すなわち発光効率（単位面積当たりの発光強度）がより優れた赤外線発光ダイオードが望まれている。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、発光効率がより優れた赤外線発光ダイオードを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る発光ダイオードは、基板と、前記基板上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなるメサ部を有し、互いに分離された複数の化合物半導体積層部と、前記複数の化合物半導体積層部上に形成され、前記メサ部の上部であるメサ上部を露出する第１開口部及び前記メサ部の下部であるメサ下部を露出する第２開口部を有する絶縁層と、前記複数の化合物半導体積層部のうちの一方の化合物半導体積層部の前記第１開口部と、前記複数の化合物半導体積層部のうちの他方の化合物半導体積層部の前記第２開口部とを介して、前記一方の化合物半導体積層部と前記他方の化合物半導体積層部とを電気的に接続する配線部と、を備え、前記化合物半導体積層部を平面視したときに、前記第１開口部の面積は前記メサ上部の面積の２０％以上であり、かつ、前記第１開口部と前記第２開口部との最短距離をなす第１の方向における前記メサ上部の長さＷ１は、前記第１の方向と平面視で直交する第２の方向における前記メサ上部の長さＬ１よりも短いことを特徴とする。

本発明の赤外線発光ダイオードによれば、発光効率（単位面積当たりの発光強度）がより優れた赤外線発光ダイオードを実現可能である。

本実施形態に係る赤外線発光ダイオード１００の構成例を示す模式図である。 化合物半導体積層部２０の構成例を示す模式図である。 赤外線発光ダイオード１００の製造方法を工程順に示す断面模式図である。 赤外線発光ダイオード１００の製造方法を工程順に示す断面模式図である。 赤外線発光ダイオード１００の製造方法を工程順に示す断面模式図である。 赤外線発光ダイオード１００の製造方法を工程順に示す断面模式図である。 実施例１に係る化合物半導体積層膜１２０を示す断面模式図である。 実施例１に係る赤外線発光ダイオード２００を示す平面模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態）について説明する。
＜赤外線発光ダイオード＞
（１）全体構成
本実施形態に係る赤外線発光ダイオードは、基板と、基板上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなるメサ部を有し、互いに分離された複数の化合物半導体積層部と、複数の化合物半導体積層部上に形成され、メサ部の上部であるメサ上部を露出する第１開口部及びメサ部の下部であるメサ下部を露出する第２開口部を有する絶縁層と、複数の化合物半導体積層部のうちの一方の化合物半導体積層部の第１開口部と、複数の化合物半導体積層部のうちの他方の化合物半導体積層部の第２開口部とを介して、一方の化合物半導体積層部と他方の化合物半導体積層部とを電気的に接続する配線部と、を備える。化合物半導体積層部を平面視したときに、第１開口部の面積はメサ上部の面積の２０％以上であり、かつ、第１開口部と第２開口部との最短距離をなす第１の方向におけるメサ上部の長さＷ１は、第１の方向と平面視で直交する第２の方向におけるメサ上部の長さＬ１よりも短い。これにより、本実施形態に係る赤外線発光ダイオードは発光効率（単位面積当たりの発光強度）が増大する。

この作用機序は完全には明らかになっていないが、化合物半導体積層部の内部に印加される電界集中が緩和されるためであると本発明者は推測している。このような化合物半導体積層部の内部に印加される電界集中は、Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなる化合物半導体積層部を用いた赤外線発光ダイオードにおいて顕著に発現する事象であり、先行して技術開発が進められている可視光の発光ダイオードでは特段問題となっていなかった事象である。Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなる化合物半導体積層部は、可視光の発光ダイオードで用いられる化合物半導体積層部よりもバンドギャップが狭く、また低抵抗な部材であることに起因して、顕著な電界集中が発生し、十分な発光効率が得られなかったものと本発明者は推察している。

より発光効率を向上させる観点から、化合物半導体積層部を平面視したときに、第１開口部の面積は化合物半導体積層部のメサ上部の面積の２０％以上であり、４０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、８０％以上であることがより更に好ましい。
より発光効率を向上させる観点から、上記メサ上部の長さＷ１は、１００μｍ以下であることが好ましく、７５μｍ以下であることがより好ましい。
より発光効率を向上させる観点から、上記メサ上部の長さＷ１と、上記メサ上部の長さＬ１は、０．０５≦Ｗ１／Ｌ１≦０．４を満たすことが好ましく、０．０５≦Ｗ１／Ｌ１≦０．３を満たすことがより好ましく、０．０５≦Ｗ１／Ｌ１≦０．２を満たすことがより更に好ましい。

より発光効率を向上させる観点と、素子の静電耐圧性を向上させる観点から、複数の化合物半導体積層部の個数は２個以上４０個以下であり、これら２個以上４０個以下の化合物半導体積層部が配線部により直列接続されていることが好ましい。また、同観点から、複数の化合物半導体積層部の個数は４個以上２０個以下であり、これら４個以上２０個以下の化合物半導体積層部が配線部により直列接続されていることがより好ましい。
より発光効率を向上させる観点から、複数の化合物半導体積層部の各々は、平面視したときに、第２の方向における第１開口部の長さＬ２は、第２の方向における第２開口部の長さＬ４よりも短いことが好ましい。

以下、本実施形態に係る赤外線発光ダイオードの各構成部について、例を挙げて説明する。
（２）基板
本実施形態に係る赤外線発光ダイオードにおいて、基板は、Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなる化合物半導体積層部を形成可能なものであれば特に制限されない。具体的には、基板として、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＡｓ基板、ＩｎＰ基板上にバッファ層が形成された異種基板などが挙げられる。結晶性の高い化合物半導体積層部を形成する観点から、基板表面の格子定数が、基板と直接接する化合物半導体積層部の材料の格子定数と近いことが好ましい。この観点から、基板として、基板表面にバッファ層を設けた基板を用いることが好ましい場合もある。また、例えば分離溝により複数の化合物半導体積層部を各々分離する観点から、基板材料は、絶縁性又は半絶縁性の材料であることが好ましい。
基板の大きさは特に制限されないが、小型化の観点から１ｍｍ^２以下であることが好ましい。本実施形態に係る赤外線発光ダイオードは発光効率が優れているため、基板の大きさが１ｍｍ^２以下であっても十分な発光強度を実現することができる。

（３）化合物半導体積層部
本実施形態に係る赤外線発光ダイオードにおいて、化合物半導体積層部は、基板上に複数存在する。複数の化合物半導体積層部の各々は、Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなり、例えば分離溝により各々分離されている。複数の化合物半導体積層部の各々はメサ部を有する。メサ部とは、断面視したときに凸形状となる部であり、立体形状としては四角柱形状又は台形錐形状の領域である。メサ部の上部（すなわち、上面領域）がメサ上部、メサ部の下部（すなわち、下面領域）がメサ下部である。

基板上に複数存在する化合物半導体積層部は、配線部により直列接続される。直列接続された複数の化合物半導体積層部の群が複数存在してもよい。直列接続された複数の化合物半導体積層部の群が複数存在する場合、化合物半導体積層部の群がそれぞれ独立に存在してもよいし、化合物半導体積層部の群が直列接続されていてもよいし、化合物半導体積層部の群が並列接続されていてもよい。

化合物半導体積層部は、電力の印加により発光する。電力の印加により発光するために、化合物半導体積層部は内部にｐｎ接合又はｐｉｎ接合、ｐπｎ接合、ｐνｎ接合を有することが好ましい。ｐｎ接合の場合は接合領域近傍が発光領域となり、ｐｉｎ接合の場合はｉ層が発光領域となり、ｐπｎ接合の場合はπ層が発光領域となり、ｐνｎ接合の場合はν層が発光領域となる。ここで、ｉ層はドーピングされていない材料の層を意味し、π層は低濃度にｐ型ドーピングされた材料の層を意味し、ν層は低濃度にｎ型ドーピングされた材料の層を意味する。ｐｎ、ｐｉｎ、ｐπｎ、ｐνｎ接合を形成する材料は、各層が同じ材料であってもよいし、異なっていてもよいが、素子特製の向上の観点からは各層が同じ材料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。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。
また、化合物半導体積層部は、目的に応じてバンドギャップが相対的に大きいワイドバンドギャップ層や、高濃度にドーピングされたコンタクト層や保護層等を更に有していてもよい。

本実施形態に係る赤外線発光ダイオードをガスセンサへ適用する場合、赤外線発光ダイオードは波長が３μｍ以上の赤外線を発光するものであることが好ましい。３μｍ以上の赤外線を発光させるためには、動作環境温度における発光領域のバンドギャップが０．４１ｅＶ以下であればよく、このような赤外線を発光させる材料として、ＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮ等が挙げられるがこれに限定されない。ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ混晶（０＜ｘ＜１）のエネルギーバンドギャップＥ_ｇは、０．５８ｘ^２−０．４１ｘ＋０．１８＝Ｅ_ｇで表される。中赤外線を発光させる材料として、ＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮ等を用いる場合、ワイドバンドギャップ層としては、ＡｌＩｎＳｂ、 ＧａＩｎＳｂ、もしくはＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶が挙げられるが、これに限定されない。例えば、Ａｌ_０．１７Ｉｎ_０．８３Ｓｂ層の室温におけるバンドギャップは０．４６ｅＶである。ワイドバンドギャップ層は発光領域と接するように配置されることが好ましく、ｎ型ドーピングされたワイドバンドギャップ層を発光領域とｎ層との間に形成する形態や、ｐ型ドーピングされたワイドバンドギャップ層を発光領域とｐ層との間に形成する形態や、それらを両方形成する形態等が挙げられる。

化合物半導体積層部は、公知の方法で形成することが可能であり、一例としてはＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の製膜技術により形成することができる。また化合物半導体積層部のメサ部も、公知の方法で形成することが可能であり、一例としてはフォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材を用いたドライエッチングやウェットエッチングにより形成することができる。
また、化合物半導体積層部の各々を分離する分離溝も公知の方法により形成することが可能であり、一例としては、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材を用いたドライエッチングやウェットエッチングにより形成することができる。

（４）絶縁層
本実施形態に係る赤外線発光ダイオードにおける絶縁層は、複数の化合物半導体積層部上に形成されている。この絶縁層は、メサ上部を露出する第１開口部と、メサ下部を露出する第２開口部とを有する。すなわち、絶縁層において、化合物半導体積層部のメサ上部を覆う部分には第１開口部が形成され、メサ下部を覆う部分には第２開口部が形成されている。絶縁層の材料としては、化合物半導体積層部と配線部とを電気的に絶縁可能なものであれば特に限定されず、酸化ケイ素、窒化珪素等を用いることができる。
化合物半導体積層部に効率的に電力を供給し、発光効率を向上させる観点から、化合物半導体積層部を平面視したときの第１開口部の面積は、化合物半導体積層部のメサ上部の面積の２０％以上であり、４０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、８０％以上であることがより更に好ましい。

第１開口部及び第２開口部は、公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、絶縁層の材料を化合物半導体積層部の全面に蒸着法や成長法により形成し、次に、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材を用いて絶縁層をドライエッチングやウェットエッチングをすることにより形成することができる。第１開口部及び第２開口部の形状は特に制限されず、平面視で矩形状、多角形状、円状、楕円状等に例示されるいずれの形状であってもよい。プロセスを容易にするために、分離溝を形成するためのマスク部材として絶縁層の部材を用い、分離溝を形成する際には、このマスク部材として用いられた絶縁層を赤外線発光ダイオードにおける絶縁層として用いてもよい。この場合は、マスク部材として用いられる（マスク用）絶縁層の形成工程と、化合物半導体積層部と配線部とを電気的に絶縁するための（絶縁用）絶縁層の形成工程とを兼用することができ、（絶縁用）絶縁層の材料を化合物半導体積層部の全面に蒸着法や成長法により形成する必要がなくなるため好ましい。工程数の増大抑制に寄与することができる。

（５）配線部
本実施形態に係る赤外線発光ダイオードにおける配線部は、絶縁層に形成された第１開口部と、絶縁層に形成された第２開口部とを介して、分離溝により分離された一方の化合物半導体積層部と他方の化合物半導体積層部とを電気的に接続する。
配線部の材料としては、上述の通り、一方の化合物半導体積層部と他方の化合物半導体積層部とを電気的に接続することが可能な導電性の材料であれば特に制限されない。また、配線部は単一の材料からなってもよいし、複数の材料の混合又は積層であってもよい。配線部は公知の方法で形成することが可能であり、一例としては、フォトリソグラフィー法で形成されたマスク部材、及び、化合物半導体積層部の全面に、蒸着法やスパッタリング法により導電性材料を形成し、さらに剥離液を用いてマスク部材を剥離すること（すなわち、リフトオフ法）により形成することができる。

効率的に化合物半導体積層部に電力を供給する観点から、配線部は、化合物半導体積層部と直接接する部材としてコンタクト抵抗を低減可能な材料（例えばＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ等）からなる第１層を形成し、その上に抵抗の小さな材料（例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ等）からなる第２層を形成した積層構造であることが好ましい。さらに、配線部は、第１層と第２層との間に、物質の拡散を抑制するような材料（例えばＰｔ等）からなる第３層をさらに備えることも好ましい。

配線部の数は基本的に「化合物半導体積層部の数−１」となる。すなわち、３つの化合物半導体積層部が直列接続された赤外線発光ダイオードにおいては、２つの配線部が必要となる。赤外線発光ダイオードの両端（一方はメサ上部、他方はメサ下部）には、外部からの電力を効率的に注入するための端部電極を備えていることが好ましい。端部電極としては、配線部形成と同じプロセス中に、同じ材料で形成することができる。端部電極も、第１開口部又は第２開口部を覆うように形成されることが好ましい。

（６）その他
本実施形態に係る赤外線発光ダイオードは、外部から電力を供給するための外部接続配線をさらに備えていてもよい。外部接続配線は、外部端子と、接続部により直列接続された複数の化合物半導体積層部の各両端とを電気的に接続する部材であり、例えば金属細線（ボンディングワイヤー）や、金属バンプ等を用いることができる。
発光効率を上げる目的で、基板を研磨して薄く、且つ、裏面を粗く加工しても良い。基板の研磨は公知の方法で行うことができる。ＧａＡｓ基板の場合、３００μｍ以下の厚みにすることが好ましい。
発光効率を上げる目的で、裏面に基板よりも屈折率の低い材料の薄膜が形成されていても良い。薄膜の材料としては、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどが挙げられるがこの限りではない。赤外線の発光強度増加の観点から、薄膜の厚みは０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

＜具体例＞
以下、本実施形態をより詳細に説明するために、図面を用いて具体例を示す。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（１）構成の一例
図１は、本実施形態に係る赤外線発光ダイオード１００の構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ１−Ｘ´１間の断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、赤外線発光ダイオード１００は、基板１０と、基板１０上に形成された複数の化合物半導体積層部２０（２０_ｉ、２０_ｉ＋１、２０_ｉ＋２、…）と、複数の化合物半導体積層部２０上に形成された絶縁層３０と、複数の化合物半導体積層部２０を直列接続する配線部４０と、分離溝５０と、外部接続配線６０と、を備える。
なお、図１（ａ）と後述の図６（ａ）では、絶縁層３０の図示を省略している。また、符号２０に続く下付きの符号ｉ、ｉ＋１、ｉ＋２、…は、化合物半導体積層部２０を個々に識別するための符号である。

複数の化合物半導体積層部２０の各々は、Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなるメサ部２１を有し、分離溝５０によって互いに分離されている。例えば、これら複数の化合物半導体積層部２０（２０_ｉ、２０_ｉ＋１、２０_ｉ＋２、…）の各々の形状と大きさ及び組成は、互いに同一である（すなわち、同一の形状で同一の大きさを有し、同一の組成を有する。）。また、絶縁層３０には、複数の第１開口部３１と、複数の第２開口部３２とが形成されている。第１開口部３１は、メサ部２１の上部であるメサ上部２２の上に位置し、その底部にメサ上部２２を露出させている。第２開口部３２は、メサ部２１の下部であるメサ下部２３の上に位置し、その底部にメサ下部２３を露出させている。

配線部４０は、複数の化合物半導体積層部２０のうちの一方の化合物半導体積層部（例えば、化合物半導体積層部２０_ｉ＋２）の第１開口部３１と、複数の化合物半導体積層部２０のうちの他方の化合物半導体積層部（例えば、化合物半導体積層部２０_ｉ＋１）の第２開口部３２とを介して、一方の化合物半導体積層部と他方の化合物半導体積層部とを電気的に接続している。

図２は、分離溝５０により分離された１つの化合物半導体積層部２０の構成例を示す模式図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＸ２−Ｘ´２間の断面図である。図２では、第１開口部３１と第２開口部３２との最短距離Ｄをなす第１の方向をＸ軸方向で示し、第１の方向と平面視で直交する第２の方向をＹ軸方向で示している。また、第１の方向及び第２の方向とそれぞれ直交する第３の方向（すなわち、厚さ方向）をＺ軸方向で示している。

図２に示すように、化合物半導体積層部２０を平面視したときに、メサ上部２２のＸ軸方向の長さＷ１は、メサ上部２２のＹ軸方向の長さＬ１よりも短い（Ｗ１＜Ｌ１）。図２（ａ）においては、Ｗ１／Ｌ１＝１／３となっている。また、化合物半導積層部２０を平面視したときに、第１開口部３１の面積はメサ上部の面積の２０％以上（図２の模式図では約８０％）となっている。さらに、化合物半導体積層部２０を平面視したときに、第１開口部３１のＹ軸方向の長さＬ２は、第２開口部３２のＹ軸方向の長さＬ４よりも短い（Ｌ２＜Ｌ４）。

（２）製造方法の一例
図３〜図６は、本実施形態に係る赤外線発光ダイオード１００の製造方法を工程順に示す断面模式図である。
まず、基板１０上にＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ装置等の公知の方法で、化合物半導体積層膜を製膜する。次に、この化合物半導体積層膜上にフォトリソグラフィー法等によりマスク部材７０を形成する。マスク部材７０は、化合物半導体積層膜上に所望の箇所に所望の形状で形成してよい。

次に、このマスク部材７０をマスクに、ドライエッチングやウェットエッチング等の公知の方法で化合物半導体積層膜をエッチングする。これにより、メサ部２１を有する複数の化合物半導体積層部２０を基板１０上に形成する（図３参照）。その後、マスク部材７０を除去する。
次に、フォトリソグラフィー法等により、複数の化合物半導体積層部２０の各々を分離するためのマスク部材７１を形成する。そして、このマスク部材７１をマスクに、ドライエッチングやウェットエッチング等の公知の方法で、メサ下部２３の一部とその下方の基板１０とをエッチングする。これにより、複数の化合物半導体積層部２０の各々を分離する分離溝５０を形成する（図４参照）。

次に、複数の化合物半導体積層部２０上の全面に絶縁層を形成する。次に、フォトリソグラフィー法等により、メサ上部２２の一部とメサ下部２３の一部とを露出し、それ以外の領域を覆うマスク部材を絶縁層上に形成する。そして、このマスク部材をマスクに、ドライエッチングやウェットエッチング等の公知の方法で絶縁層をエッチングする。これにより、第１開口部３１及び第２開口部３２を有する絶縁層３０を形成する（図５参照）。

次に、フォトリソグラフィー法等により、配線部が形成される領域及び端部電極が形成される領域とを露出し、それ以外の領域を覆うマスク部材を絶縁層３０上に形成する。そして、このマスク部材をマスクに配線部及び端部電極の材料となる膜（例えば、金属膜）を基板１０の上方に蒸着する。その後、リフトオフ法等の公知の方法により、配線部４０及び端部電極を形成する（図６参照）。
その後、基板１０を研磨して薄く、且つ、基板１０の裏面を粗く加工した後、光の取り出し効率を上げる目的で、基板１０の裏面に、基板１０よりも屈折率の低い材料の薄膜を（例えば、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなど）を形成してもよい。以上の工程により、本実施形態に係る赤外線発光ダイオード１００を得ることができる。

＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態によれば、化合物半導体積層部２０を平面視したときに、第１開口部３１の面積はメサ上部２２の面積の２０％以上であり、かつ、第１開口部３１と第２開口部３２との最短距離Ｄをなす第１の方向（例えば、Ｘ軸方向）におけるメサ上部２２の長さＷ１は、第１の方向と平面視で直交する第２の方向（例えば、Ｙ軸方向）におけるメサ上部２２の長さＬ１よりも短い。これにより、赤外線発光ダイオードの発光効率（単位面積当たりの発光強度）を増大させることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。この実施例では、１つの化合物半導体積層部の形状の違いによる、発光強度の変化について検討した。また、１つの化合物半導体積層部のメサ上部に形成された、第１開口部の形状の違いによる、発光強度の変化について検討した。

＜実施例１＞
［赤外線発光ダイオードの形成］
分子線エピタキシャル成長装置を用いて、図７に示すように、ＧａＡｓ基板１１０上に、第１導電型の化合物半導体層１２１と、バリア層１２２と、活性層１２３と、バリア層１２４と、第２導電型の化合物半導体層１２５と、をこの順に積層することで、化合物半導体積層膜１２０を形成した。

この実施例１及び、後述の実施例２〜４と、比較例１、２では、第１導電型の化合物半導体層１２１として、Ｓｎを１×１０^１９ｃｍ^−３ドープしたｎ型ＩｎＳｂを形成した。また、バリア層１２２として、Ｓｎを１×１０^１９ｃｍ^−３ドープしたｎ型Ａｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂを形成した。また、活性層１２３として、ノンドープのＡｌ_０．０３Ｉｎ_０．９７Ｓｂを形成した。また、バリア層１２４として、Ｚｎを１×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたｐ型Ａｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂを形成した。また、第２導電型の化合物半導体層１２５として、Ｚｎを１×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたｐ型Ａｌ_０．０３Ｉｎ_０．９７Ｓｂを形成した。

次に、フォトリソグラフィー法を用いて、化合物半導体積層膜１２０上にポジ型フォトレジストによるマスク部材を形成し、露出部分をウェットエッチングして、メサ部を有する化合物半導体積層部を形成した。ウェットエッチングは、一定温度に保った塩酸−過酸化水素水溶液を用いた。次に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、複数の化合物半導体積層部上にＳｉＯ_２を形成した。そして、フォトリソグラフィー法を用いてマスク部材を形成し、露出部分をＲＩＥ装置を用いてドライエッチングして、ＳｉＯ_２からなるハードマスクを形成した。さらに、このハードマスクを用いて、Ａｒイオンミリングによるドライエッチングを行うことで、化合物半導体積層部の分離溝を形成した。次に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、化合物半導体積層部に絶縁層としてＳｉＮを形成した。

次に、フォトリソグラフィー法を用いてマスク部材を形成した。そして、このマスク部材をマスクに、絶縁層のうちのメサ上部を覆う部分と、メサ下部を覆う部分とをＲＩＥ装置を用いてドライエッチングして、メサ上部の第１開口部と、メサ下部の第２開口部とを形成した。さらに、マグネトロンスパッタ装置を用いて金属膜を形成し、リフトオフ法により配線部及び端部電極を形成した。これにより、図８に示す赤外線発光ダイオード２００を形成した。

［化合物半導体積層部の形状］
図８に示すように、実施例１では、１０個の化合物半導体積層部２０（２０_ｉ、２０_ｉ＋１、…、２０_ｉ＋９）を１列に並ぶように配線部４０で直列接続すると共に、この直列接続の両端に第１端部電極４２、第２端部電極４３をそれぞれ配置した。
実施例１では、１０個の化合物半導体積層部２０をそれぞれ、以下の寸法となるように作製した。すなわち、メサ上部２２のＸ軸方向の長さＷ１が３７μｍとなり、メサ上部２２のＹ軸方向の長さＬ１が２９２μｍとなり、メサ下部２３のＹ軸方向の長さＬ３が３００μｍとなるように作製した。また、第１開口部３１のＸ軸方向の長さＷ２は２５μｍ、第１開口部３１のＹ軸方向の長さＬ２は２８０μｍとなるように作製した。第２開口部３２のＸ軸方向の長さＷ３は６μｍ、第２開口部３２のＹ軸方向の長さＬ４は３００μｍとなるように作製した（Ｗ１〜Ｗ３、Ｌ１〜Ｌ４について、それぞれ図２（ａ）を参照）。

［発光強度の測定］
作製した赤外線発光ダイオード２００の第１端部電極４２を＋側、第２端部電極４３を−側としてプローブ針を当て、ヒューレットパッカード社製パルスジェネレータ「ＨＰ８１１０Ａ」を用いてパルス電流を注入し、直列接続された１０個の化合物半導体積層部２０を発光させ、基板１０を介して赤外線を取り出した。パルス条件は、電流５０ｍＡ〜２００ｍＡ、パルス幅ｄｕｔｙ２０％とした。この時、半導体ウェハ（基板）上に作製した赤外線発光ダイオード２００に直接プローブ針を当てているため、基板サイズは４インチであるが、実際に発光している面積は、おおよそ、直列接続された１０個の化合物半導体積層部２０のメサ下部の合計面積に相当する。

取り出した赤外線の発光強度の測定は、旭化成エレクトロニクス社製の赤外線センサ「ＩＲ１０１１」上に、４．３μｍバンドパスフィルタを組み合わせたものを検出器として用い、ＩＶ変換アンプ、ロックインアンプを用いて信号増幅及びノイズ除去を行ったうえで出力を得た。また、パルスジェネレータの各電流値での電圧値を取得した。

＜実施例２＞
次に、実施例２について説明する。実施例２では、メサ上部のＸ軸方向の長さＷ１が５２μｍとなり、メサ上部のＹ軸方向の長さＬ１が２９２μｍとなり、メサ下部のＹ軸方向の長さＬ３が３００μｍとなり、第１開口部のＸ軸方向の長さＷ２が４０μｍとなり、第１開口部のＹ軸方向の長さＬ２が２８０μｍとなるように、赤外線発光ダイオードを作製した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、赤外線発光ダイオードの作製と、発光強度の測定とを行った。

＜実施例３＞
次に、実施例３について説明する。実施例３では、メサ上部のＸ軸方向の長さＷ１が８２μｍとなり、メサ上部のＹ軸方向の長さＬ１が２９２μｍとなり、メサ下部のＹ軸方向の長さＬ３が３００μｍとなり、第１開口部のＸ軸方向の長さがＷ２が７０μｍとなり、第１開口部のＹ軸方向の長さＬ２が２８０μｍとなるように、赤外線発光ダイオードを作製した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、赤外線発光ダイオードの作製と、発光強度の測定とを行った。

＜実施例４＞
次に、実施例４について説明する。実施例４では、メサ上部のＸ軸方向の長さＷ１が５２μｍとなり、メサ上部のＹ軸方向の長さＬ１が１２７μｍとなり、メサ下部のＹ軸方向の長さＬ３が１３５μｍとなり、第１開口部のＸ軸方向の長さＷ２が４０μｍとなり、第１開口部のＹ軸方向の長さＬ２が１１５μｍとなるように、赤外線発光ダイオードを作製した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、赤外線発光ダイオードの作製と、発光強度の測定とを行った。

＜比較例１＞
次に、比較例１について説明する。比較例１では、メサ上部のＸ軸方向の長さＷ１が１２７μｍとなり、メサ上部のＹ軸方向の長さＬ１が１２７μｍとなり、メサ下部のＹ軸方向の長さＬ３が１３５μｍとなり、第１開口部のＸ軸方向の長さＷ２が１１５μｍとなり、第１開口部のＹ軸方向の長さＬ２が１１５μｍとなるように、赤外線発光ダイオードを作製した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、赤外線発光ダイオードの作製と、発光強度の測定とを行った。

＜比較例２＞
次に、比較例２について説明する。比較例２では、メサ上部のＸ軸方向の長さＷ１が１２７μｍとなり、メサ上部のＹ軸方向の長さＬ１が６０μｍとなり、メサ下部のＹ軸方向の長さＬ３が６０μｍとなり、第１開口部のＸ軸方向の長さＷ２が１１５μｍとなり、第１開口部のＹ軸方向の長さＬ２が４０μｍとなるように、赤外線発光ダイオードを作製した。これ以外は、実施例１と同様の方法で、赤外線発光ダイオードの作製と、発光強度の測定とを行った。

＜実施例、比較例の比較＞
上述の実施例１〜４及び比較例１、２の各パラメータを表１に示す。

表１に、メサ上部のＸ軸方向の長さＷ１とメサ上部のＹ軸方向の長さＬ１との比（Ｗ１／Ｌ１）、メサ下部のＹ軸方向の長さＬ３、メサ上部のＸ軸方向の長さＷ１、メサ上部のＹ軸方向の長さＬ１、第１開口部のＸ軸方向の長さＷ２、第１開口部のＹ軸方向の長さＬ２、メサ上部の平面視による面積Ａ、電圧２．２Ｖを印加した時の発光強度であって実施例１で規格化した値（すなわち、実施例１の値を１としたときの相対値）φ、単位面積当たりの発光強度であって実施例１で規格した値（すなわち、実施例１の値を１としたときの相対値）φ／Ａ、をそれぞれ示す。

表１に示すように、本発明の実施例１〜４はいずれも、比較例１、２よりも発光効率が高いことが分かる。また、実施例２と比較例１は、メサ上部の面積が近くなるように設計されている。この２つを比較すると、実施例２のほうが明らかに発光効率が高いことが分かり、本発明の効果があることが分かる。
また、実施例４と比較例２も同様にメサ上部の面積が近くなるように設計されている。比較例２は、実施例４のＷ１の長さとＬ１の長さとを入れ替えたものである。この２つを比較しても、実施例４のほうが明らかに発光効率が高いことが分かり、本発明の効果があることが分かる。

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１０ 基板
２０ 化合物半導体積層部
２１ メサ部
２２ メサ上部
２３ メサ下部
３０ 絶縁層
３１ 第１開口部
３２ 第２開口部
４０ 配線部
４２ 第１端部電極
４３ 第２端部電極
５０ 分離溝
６０ 外部接続配線
７０、７１ マスク部材
１００、２００ 赤外線発光ダイオード
１１０ ＧａＡｓ基板
１２０ 化合物半導体積層膜
１２１ 第１導電型の化合物半導体層
１２２、１２４ バリア層
１２３ 活性層
１２５ 第２導電型の化合物半導体層

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを含む材料からなるメサ部を有し、互いに分離された複数の化合物半導体積層部と、
   前記複数の化合物半導体積層部上に形成され、前記メサ部の上部であるメサ上部を露出する第１開口部及び前記メサ部の下部であるメサ下部を露出する第２開口部を有する絶縁層と、
   前記複数の化合物半導体積層部のうちの一方の化合物半導体積層部の前記第１開口部と、前記複数の化合物半導体積層部のうちの他方の化合物半導体積層部の前記第２開口部とを介して、前記一方の化合物半導体積層部と前記他方の化合物半導体積層部とを電気的に接続する配線部と、を備え、
   前記化合物半導体積層部を平面視したときに、前記第１開口部の面積は前記メサ上部の面積の２０％以上であり、かつ、前記第１開口部と前記第２開口部との最短距離をなす第１の方向における前記メサ上部の長さＷ１は、前記第１の方向と平面視で直交する第２の方向における前記メサ上部の長さＬ１よりも短く、
   前記メサ上部の長さＷ１は５２μｍ以下であり、
   前記メサ上部の長さＷ１と、前記メサ上部の長さＬ１は、０．０５≦Ｗ１／Ｌ１≦０．１８を満たす
   赤外線発光ダイオード。
2. 前記第１開口部の前記第１の方向の長さＷ２は４０μｍ以下である
   請求項１に記載の赤外線発光ダイオード。
3. 前記化合物半導体積層部は、
   ＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮのいずれかを含む発光層と、
   ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、もしくはＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶を含むワイドバンドギャップ層と、を有する
   請求項１または２に記載の赤外線発光ダイオード。
4. 前記複数の化合物半導体積層部の個数は２個以上４０個以下であり、該２個以上４０個以下の化合物半導体積層部が前記配線部により直列接続されている請求項１から３の何れか一項に記載の赤外線発光ダイオード。
5. 前記化合物半導体積層部を平面視したときに、
   前記第１の方向における前記第１開口部の長さＷ２は、前記第２の方向における前記第１開口部の長さＬ２よりも短く、
   前記第１の方向における前記第２開口部の長さＷ３は、前記第２の方向における前記第２開口部の長さＬ４よりも短く、かつ、
   前記第１開口部の長さＬ２は、前記第２開口部の長さＬ４よりも短い、請求項１から４の何れか一項に記載の赤外線発光ダイオード。
6. 前記複数の化合物半導体積層部の各々の形状と大きさ及び組成は、互いに同一である請求項１から５の何れか一項に記載の赤外線発光ダイオード。

Images