JP6591758B2 - 赤外線発光素子及び赤外線発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は赤外線発光素子及び赤外線発光素子の製造方法に関する。

ＬＥＤ（発光素子：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いた分析機器は、それ以外の光源（例えば、電球等）を用いた分析機器と比較して小型化及び軽量化が可能であり、ポータブル、又は省スペース用途に効果的な光源である。
しかしながら、現在のところ、特に赤外領域においてはＬＥＤを光源とする分析機器は広く普及するに至っていない。

その理由の一つとして、公知の赤外線ＬＥＤでは十分な発光強度が得られないため、分析機器センサ部での信号強度（Ｓ／Ｎ比）が得られないというものがある。発光強度を大きくするほどＳ／Ｎ比は向上するため、広く応用されるためには、まず十分なＬＥＤの発光強度を得なければならない。
赤外領域の光を発光する赤外線ＬＥＤとしては、従来、非特許文献１に示すような構造のものが知られている。

Ｍ． Ｋ． Ｈａｉｇｈ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｉｄ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ " Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ９０（２３）， ２３１１６ （２００７）．

しかしながら、非特許文献１に示すような構造を有する赤外線ＬＥＤであっても、十分な発光強度を得ることは困難である。
本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、発光強度のより優れた赤外線発光素子及び赤外線発光素子の製造方法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る化合物半導体積層部とを備え、前記化合物半導体積層部は、前記半導体基板側から、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層、ノンドープであり前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる活性層、及びｐ型ドーピングされた前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる第３の化合物半導体層が、この順に積層されてなることを特徴とする。

本発明の他の態様による赤外線発光素子の製造方法は、半導体基板上に化合物半導体積層部を有する赤外線発光素子の製造方法であって、前記化合物半導体積層部を形成する工程は、前記半導体基板上に、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層を形成する工程と、前記第１の化合物半導体層の上に、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層を形成する工程と、前記第２の化合物半導体層の上に、ノンドープであり前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる活性層を形成する工程と、前記活性層の上に、ｐ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなるワイドバンドギャップ層を形成する工程と、前記ワイドバンドギャップ層の上に、ｐ型ドーピングされた前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる第３の化合物半導体層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、発光強度の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おける赤外線発光素子の化合物半導体積層部の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における赤外線発光素子の素子構造を示す模式図である。 赤外線発光素子の発光強度の一例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。
＜赤外線発光素子＞
本発明の一実施形態における赤外線発光素子は、図１に示すように、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された化合物半導体積層部２０と、を備える。化合物半導体積層部２０は、半導体基板１０側から、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層２１、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層２２、ノンドープであり、第２の化合物半導体層２２と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる活性層２３、ｐ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなるワイドバンドギャップ層２４、及びｐ型ドーピングされた第２の化合物半導体層２２と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる第３の化合物半導体層２５が、この順に積層された積層構造を有する。

半導体基板１０と活性層２３との間に、半導体基板１０側に形成された、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層２１と、第１の化合物半導体層２１の上に形成された、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層２２とを備えることにより、従来の赤外線発光素子よりも優れた発光強度を示す。
次に、本発明の一実施形態における赤外線発光素子の各構成要件について説明する。以下に記載される赤外線発光素子の各構成要件の特徴は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲でそれぞれ単独または組み合わせて適用可能である。

［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に含まれる半導体基板１０は、この半導体基板１０上に、半導体基板１０側から、第１の化合物半導体層２１、第２の化合物半導体層２２、活性層２３、ワイドバンドギャップ層２４、及び第３の化合物半導体層２５を、この順に積層することができれば特に制限されない。一例としては、半導体基板１０として、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板等が挙げられるがこの限りではない。
本発明の一態様における半導体基板１０は、一つの半導体基板１０上に独立した複数の活性層２３を直列又は並列に接続可能にする観点から、半絶縁性又は第１の化合物半導体層２１と絶縁分離可能な基板からなる。

［第１の化合物半導体層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子に含まれる第１の化合物半導体層２１は、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層であり、半導体基板１０上に積層される。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）等が挙げられる。
バーンシュタイン・モスシフトにより発光波長に対する透過性を高め、発光強度を向上させる観点から、ｎ型ドーピングの量は、本発明の一態様においては５×１０^１８［ｃｍ^−３］以上であり、また、一態様においては１×１０^１９［ｃｍ^−３］以上である。
活性層２３の結晶性を高め、発光強度を向上させるため、本発明の一態様では第１の化合物半導体層２１の膜厚は臨界膜厚以上であり、また、一態様では０．５μｍ以上である。

［第２の化合物半導体層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子に含まれる第２の化合物半導体層２２は、ｎ型ドーピングされたＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層（０≦ｘ≦１）であり、第１の化合物半導体層２１上に形成される。このＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層のＡｌ組成ｘ（０≦ｘ≦１）は、必要なバンドギャップの大きさや薄膜成長の容易さ等を考慮して設計されるが、本発明の一態様ではＡｌ組成ｘは０以上０．１以下であり、また、一態様では０．０２以上０．０６以下である。

第２の化合物半導体層２２としては、具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層（０＜ｘ＜１）、ＩｎＳｂ層、ＡｌＳｂ層を適用することができる。
ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ等が挙げられる。バーンシュタイン・モスシフトによる発光波長に対する透過性を高め、発光強度を向上させる観点から、ｎ型ドーピングの量は、本発明の一態様では、５×１０^１８［ｃｍ^−３］以上であり、また、一態様では、１×１０^１９［ｃｍ^−３］以上である。

活性層２３の結晶性を高め、発光強度を向上させる観点から、第２の化合物半導体層２２の膜厚は、本発明の一態様では０．１μｍ以上２μｍ以下である。
また、半導体基板１０上に素子を複数個直列に接続した構造を作製する観点から、本発明の一態様では第１の化合物半導体層２１と第２の化合物半導体層２２との膜厚の合計は３μｍ以下である。

［活性層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子に含まれる活性層２３は、ノンドープであり第２の化合物半導体層２２と同一組成のＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層（０≦ｘ≦１）であり、第２の化合物半導体層２２上に形成される。
ここで、「第２の化合物半導体層と同一組成」とは、ＩＩＩ族元素であるＡｌ及びＩｎの比率が完全に同一である場合に加え、その差が０．５％以下であることまでを意味する。活性層２３としては、具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層（０＜ｘ＜１）、ＩｎＳｂ層、ＡｌＳｂ層を適用することができる。
発光強度を向上させる観点から、本発明の一態様では、活性層２３の膜厚は０．１μｍ以上３μｍ以下であり、また、一態様では１μｍ以上２μｍ以下である。

［ワイドバンドギャップ層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子に含まれるワイドバンドギャップ層２４は、ｐ型ドーピングされたＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＳｂ層であり、活性層２３上に形成される。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）等が挙げられる。ｐ型ドーパントのドーピング量は、本発明の一態様では７×１０^１７［ｃｍ^−３］以上であり、また、一態様では１×１０^１８［ｃｍ^−３］以上である。
注入されたキャリアを効率よく活性層２３内に留め、キャリアの発光再結合確率を増加させるため、本発明の一態様では、ワイドバンドギャップ層２４のバンドギャップは、ｎ型ドーピングされたＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層からなる第２の化合物半導体層２２よりもバンドギャップが大きい。

ワイドバンドギャップ層２４のバンドギャップを大きくする手段としては、ＩＩＩ族元素であるアルミニウム（Ａｌ）とインジウム（Ｉｎ）との比率を調整する方法が挙げられる。具体的にはワイドバンドギャップ層２４におけるＩｎに対するＡｌの比率を第２の化合物半導体層２２におけるＩｎに対するＡｌの比率に比べて大きくすることで、ワイドバンドギャップ層２４のバンドギャップを大きくすることが可能である。ワイドバンドギャップ層２４のＡｌ組成ｙは、本発明の一態様では、０．１５以上０．３以下であり、また、一態様では、０．１８以上０．２５以下である。
また、活性層２３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、ワイドバンドギャップ層２４の結晶性を高めるため、ワイドバンドギャップ層２４の膜厚は本発明の一態様では臨界膜厚以下である。

［第３の化合物半導体層］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子に含まれる第３の化合物半導体層２５は、ｐ型ドーピングされた第２の化合物半導体層２２と同一組成のＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層（０≦ｘ≦１）であり、ワイドバンドギャップ層２４上に形成される。
ここで、「第２の化合物半導体層と同一組成」とは、ＩＩＩ族元素であるＡｌ及びＩｎの比率が完全に同一である場合に加え、その差が０．５％以下であることまでを意味する。第３の化合物半導体層２５としては、具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層（０＜ｘ＜１）、ＩｎＳｂ層、ＡｌＳｂ層を適用することができる。

ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｒ等が挙げられる。
化合物半導体積層部２０に電極を形成する場合、第３の化合物半導体層２５は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、コンタクト抵抗を下げるため、ｐ型ドーパントのドーピング量は、本発明の一態様では７×１０^１７［ｃｍ^−３］以上であり、また、一態様では１×１０^１８［ｃｍ^−３］以上である。

［その他］
本発明の一実施形態における赤外線発光素子は、活性層２３に電力を供給するための電極部をさらに有していてもよい。一例としては第３の化合物半導体層２５に接続されるｐ型電極部と、第１の化合物半導体層２１及び／又は第２の化合物半導体層２２に接続されるｎ型電極部を有する形態が挙げられる。
また、本発明の一実施形態における赤外線発光素子は、第１の化合物半導体層２１、第２の化合物半導体層２２、活性層２３、ワイドバンドギャップ層２４、及び第３の化合物半導体層２５がこの順に積層されてなる化合物半導体積層部２０は、その一部がメサ構造になっていてもよい。

化合物半導体積層部２０にメサ構造を設けることによって、基板平面方向に複数の発光層を形成することが可能であり、該複数の発光層を直列又は並列に接続することが容易となる。メサ構造にする方法は特に制限されないが、ウェットエッチング法やドライエッチング法を適用することができる。化合物半導体積層部２０にメサ構造を設け、複数の発光層を直列または並列に接続する場合は、化合物半導体積層部２０の一部に絶縁層を形成することで容易且つ効率的に赤外線発光素子を形成することができる。絶縁層としては酸化ケイ素や窒化珪素等が挙げられる。
また、化合物半導体積層部２０が大気と直接接することを防止するために、保護層を更に備えていてもよい。保護層としては光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等が挙げられる。

＜赤外線発光素子の製造方法＞
次に、本発明の一実施形態における赤外線発光素子の製造方法の一例を説明する。
本発明の一実施形態における赤外線発光素子は、半導体基板１０上に分子線エピタキシー法（MBE; Molecular Beam Epitaxy法）や、有機金属気相成長法（MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition法）によって化合物半導体積層部２０を形成することにより製造することができる。活性層２３及び第３の化合物半導体層２５を第２の化合物半導体層２２と同一組成にするためには、各層の製膜条件、すなわち、半導体基板１０の温度や供給原料の条件等を同一にすることにより実現可能である。また、ワイドバンドギャップ層２４のバンドギャップを第２の化合物半導体層２２のバンドギャップよりも大きくするためには、Ａｌ原料の供給量を増やすことで実現可能である。

＜実施形態の効果＞
このように、本実施形態では、活性層２３と半導体基板１０との間に、半導体基板１０側から順に、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層２１と、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層２２とを設けたため、発光強度のより大きい赤外線発光素子を実現することができる。
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に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いてＳｎを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層（第１の化合物半導体層２１）を０．５μｍと、Ｓｎを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層（第２の化合物半導体層２２）を０．５μｍと、ノンドープのＡｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層（活性層２３）を２μｍと、Ｚｎを１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層２４）を２０ｎｍと、Ｚｎを１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層（第３の化合物半導体層２５）を０．５μｍと、を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体積層部２０を形成した。

次いで、第３の化合物半導体層２５上にレジストパターンを形成し、ウェットエッチングを施すことで、図２に示すように、メサ構造２０ａを作製した。さらに各発光素子が電気的に独立となるように、メサ構造２０ａどうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝３０を形成し、メサ構造２０ａ及び絶縁溝３０を含む化合物半導体積層部２０全面に、絶縁層４０として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層４０の一部にコンタクトホール４１を形成し、コンタクトホール４１を覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部５０を形成し、図２（ただし図２（ａ）では絶縁層４０は省略している）に示すパターンが複数個直列接続された赤外線発光素子を得た。

［比較例１］
比較例１における赤外線発光素子は、実施例１における赤外線発光素子において、Ｓｎを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層（第１の化合物半導体層２１）とＳｎを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層（第２の化合物半導体層２２）とに替えて、Ｓｎを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層を用いたものである。このＳｎを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層の膜厚は、１μｍとした。第１の化合物半導体層２１及び第２の化合物半導体層２２を、Ｓｎを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層に代えたこと以外は、実施例１と同様の方法で赤外線発光素子を得た。

つまり、実施例１における赤外線発光素子は、活性層２３と半導体基板１０との間に、半導体基板１０側から、ｎ型ＩｎＳｂ層からなる第１の化合物半導体層２１とｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層からなる第２の化合物半導体層２２とをこの順に設けていたのに対し、比較例１における赤外線発光素子は、活性層２３と半導体基板１０との間に、ｎ型ＩｎＳｂ層（第１の化合物半導体層２１）は設けずに、ｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層（第２の化合物半導体層２２）のみを設けた。

［発光強度の比較］
このようにして形成した実施例１及び比較例１における赤外線発光素子について、発光強度を測定した。
発光強度は、旭化成エレクトロニクス社製の赤外線センサＩＲ１０１１と、４．３μｍバンドパスフィルタとを組み合わせたものを検出器として用い、ＩＶ変換アンプ及び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上で出力を得た。
実施例１及び比較例１における赤外線発光素子それぞれについて、印加電流を変化させた場合の、発光強度を測定した。図３にその結果を示す。なお、図３において、横軸は印加電流〔ｍＡ〕、縦軸は発光強度〔ａ．ｕ．〕である。また、記号「○」は実施例１における赤外線発光素子による測定結果を表し、記号「△」は比較例１における赤外線発光素子による測定結果を表す。

図３に示すように、実施例１及び比較例１における赤外線発光素子共に、印加電流が大きいときほど発光強度は大きいが、いずれの印加電流を印加した場合であっても、実施例１における赤外線発光素子の方が、比較例１における赤外線発光素子に比較して約２倍の発光強度が得られることが確認された。つまり、活性層２３と半導体基板１０との間に、単一なｎ型Ａｌ_{０．０３４}Ｉｎ_{０．９６６}Ｓｂ層だけでなく、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層２１と、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層２２とを備えることにより、より大き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、赤外領域の波長の光を発光する赤外線発光素子として好適である。この赤外線発光素子は、例えば赤外線受光素子等と組み合わせた機器（ガスセンサ、人感センサ等）に好適である。

１０ 半導体基板
２０ 化合物半導体積層部
２０ａ メサ構造
２１ 第１の化合物半導体層
２２ 第２の化合物半導体層
２３ 活性層
２４ ワイドバンドギャップ層
２５ 第３の化合物半導体層
４１ コンタクトホール
５０ 電極部

Claims (7)

1. 半導体基板と、当該半導体基板上に形成される化合物半導体積層部とを備え、
   前記化合物半導体積層部は、前記半導体基板側から、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層、ノンドープであり前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる活性層、及びｐ型ドーピングされた前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる第３の化合物半導体層が、この順に積層されてなる赤外線発光素子。
2. 前記活性層と前記第３の化合物半導体層との間に、ｐ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなるワイドバンドギャップ層を備える請求項１記載の赤外線発光素子。
3. 前記ワイドバンドギャップ層は、前記第２の化合物半導体層よりもバンドギャップが大きい請求項２に記載の赤外線発光素子。
4. 前記ワイドバンドギャップ層の膜厚は、臨界膜厚以下である請求項２又は請求項３に記載の赤外線発光素子。
5. 前記第１の化合物半導体層の膜厚は、臨界膜厚以上である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
6. 前記半導体基板は、半絶縁性の半導体基板、又は前記半導体基板と当該半導体基板上に形成された前記第１の化合物半導体層とが絶縁分離可能な半導体基板である請求項５に記載の赤外線発光素子。
7. 半導体基板上に化合物半導体積層部を有する赤外線発光素子の製造方法であって、
   前記化合物半導体積層部を形成する工程は、
   前記半導体基板上に、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる第１の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記第１の化合物半導体層の上に、ｎ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなる第２の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記第２の化合物半導体層の上に、ノンドープであり前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる活性層を形成する工程と、
   前記活性層の上に、ｐ型ドーピングされたＡｌＩｎＳｂからなるワイドバンドギャップ層を形成する工程と、
   前記ワイドバンドギャップ層の上に、ｐ型ドーピングされた前記第２の化合物半導体層と同一組成のＡｌＩｎＳｂからなる第３の化合物半導体層を形成する工程と、
   を備える赤外線発光素子の製造方法。

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