TWI427824B - 紅外線發光元件 - Google Patents

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Description

紅外線發光元件
本發明係關於一種紅外線發光元件。
一般而言，波長在3μm以上之長波長帶之紅外線，因其熱效應或由氣體導致之紅外線吸收效應，而使用在偵測人體之人感感測器或非接觸溫度感測器、及氣體感測器等。此等使用例之中，尤其氣體感測器亦可使用在大氣環境之監視或保護、甚至火災之早期偵測等，故在近年受到矚目。使用上述紅外線之氣體感測器之原理係如下所述。首先，在紅外線光源與受光元件之間之空間注入欲測量之氣體。由於特定之氣體會吸收特定波長之紅外線，故藉由解析氣體注入前與注入後之波長頻譜(spectra)，即可測量氣體之種類或濃度。在此，雖係使用白熾燈作為紅外線光源，惟由於從白熾燈所發出之紅外線係為白色光，因此為了將特定之波長進行分光，需在受光元件側設置濾光片。前述濾光片價格高昂，而且會減弱紅外線之強度，故使氣體感測器之靈敏度降低。再者，由於白熾燈之壽命較短，因此需頻繁地更換光源。
為了解決上述問題，係以使用發出特定波長之紅外線之半導體發光元件(LED：Light Emitting Diode，發光二極體)較為有效。在此，為了實現上述發光元件，雖需發出波長為3μm以上之長波長帶之紅外線元件，惟在此波長範圍中，周邊溫度對於元件之影響非常大，在室溫下使用有其問題。上述發光元件一般係在具有可發出波長為3μm以上紅外線之帶隙(band gap)之半導體中，形成所謂之pn接合二極體結構，且在使順向電流流通於前述pn接合二極體而屬於接合部分之空乏層中，藉由使電子與電洞再結合而進行紅外線之發光。
然而，可發出波長3μm以上紅外線之半導體之帶隙係小至0.41eV以下。在此種帶隙較小之半導體中，由於熱激勵載子(carrier)之故，在室溫下之本質載子密度變大，且元件之電阻變小，因此無法獲得充分之pn二極體之特性。此係由於本質載子密度較大時，擴散電流及暗電流之元件之洩漏電流會變大之故。因此，為了抑制熱激勵載子，此等發光元件習知一般係使用珀爾帖(Peltier)元件等冷卻機構。然而上述之冷卻機構會有裝置大型化且價格高昂之問題。
為了解決上述之問題，乃進行在室溫下亦可發出長波長帶紅外線之發光元件之研究開發。例如非專利文獻1所記載之發光元件，係在p型銦銻(InSb)基板上作成由InSb而成之p-π-n結構之二極體，且藉由在p層與π層之間使用用以抑制電子之擴散之AlInSb之阻障(barrier)層，而實現在室溫下發出波長5.5μm以上之紅外線。
如上述非專利文獻1所示，在習知帶隙較小之半導體材料中，一般而言由於電子之移動度遠較電洞之移動度大，因此乃將重點放在抑制電子之洩漏電流(擴散電流或暗電流)方面。然而，在使電子與電洞再結合之發光元件中，為了更進一步提升元件特性，不僅需要抑制電子，也需要抑制電洞之暗電流或擴散電流。
本發明係有鑑於此點而研創者，其目的在提供一種抑制在室溫下被熱激勵之電洞所導致之擴散電流、及暗電流之紅外線發光元件。
非專利文獻1：T. Ashley et al.,“Uncooled InSb/In1-x Alx Sb mid-infrared emitter,”Applied Physics Letters,64(18),2 May 1994,pp. 2433-2435
為了提供此種紅外線發光元件，本發明之第1態樣係一種紅外線發光元件，其具備：半導體基板；第1n型化合物半導體層，在前述半導體基板上；n型寬帶隙層，在前述第1n型化合物半導體層上；及p型摻雜之π層，在前述n型寬帶隙層上；前述n型寬帶隙層以外之層之帶隙係為0.41eV以下；前述n型寬帶隙層係帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層為大。
此外，本發明之第2態樣係在第1態樣中，前述π層係直接配置在前述n型寬帶隙層上。
此外，本發明之第3態樣係在第1態樣中，在前述n型寬帶隙層與前述π層之間，復具備與前述第1n型化合物半導體層為相同組成之第2n型化合物半導體層。
此外，本發明之第4態樣係在第1至第3態樣中之任一態樣中，前述π層係與前述第1n型化合物半導體層為相同組成；前述n型寬帶隙層之膜厚係為臨界膜厚以下。
此外，本發明之第5態樣係一種紅外線發光元件，其具備：半導體基板；第1n型化合物半導體層，在前述半導體基板上；臨界膜厚以下之n型寬帶隙層，在前述第1n型化合物半導體層上；第2n型化合物半導體層，在前述n型寬帶隙層上，且在與前述n型寬帶隙層之界面係與前述第1n型化合物半導體層為相同組成，而組成在膜厚方向傾斜；及π層，在前述第2n型化合物半導體層上，且為p型摻雜之π層，且在與前述第2n型化合物半導體層之界面係與前述第2n型化合物半導體層為相同組成；前述n型寬帶隙層以外之層之帶隙係為0.41eV以下；前述n型寬帶隙層係帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層為大。
此外，本發明之第6態樣係一種紅外線發光元件，其具備：半導體基板；第1n型化合物半導體層，在前述半導體基板上；臨界膜厚以下之n型寬帶隙層，在前述第1n型化合物半導體層上；p型摻雜之組成遷移層，在前述n型寬帶隙層上，且在與前述n型寬帶隙層之界面係為與前述第1n型化合物半導體層相同組成，而組成在膜厚方向傾斜；及π層，在前述組成遷移層上，且為p型摻雜之π層，且在與前述組成遷移層之界面係為與前述組成遷移層相同組成；前述n型寬帶隙層以外之層之帶隙係為0.41eV以下；前述n型寬帶隙層係帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層為大。
此外，本發明之第7態樣係在第4至第6態樣中之任一態樣中，在前述第1n型化合物半導體層與前述n型寬帶隙層之間，係分別各具備至少1層下述之層：第1重複層，與前述第1n型化合物半導體層相同組成；及第2重複層，與前述n型寬帶隙層相同組成；前述第1重複層與前述第2重複層係交替配置；前述第2重複層之膜厚係為臨界膜厚以下。
此外，本發明之第8態樣係在第1至第7態樣中之任一態樣中，前述第1n型化合物半導體層及π層，係為InAs、InSb、InAsSb、或InSbN之任一者，前述n型寬帶隙層係為AlInSb、GaInSb、或AlAs、GaAs、AlSb、GaSb、或該等之混晶之任一者。
此外，本發明之第9態樣係在第1至第8態樣中之任一態樣中，前述n型寬帶隙層係摻雜成與前述第1n型化合物半導體層同等濃度。
此外，本發明之第10態樣係在第1至第9態樣中之任一態樣中，復具備p型化合物半導體層，係配置在前述π層上，且p型摻雜成較前述π層更高濃度，而且與前述第1n型化合物半導體層或前述π層為相同組成。
此外，本發明之第11態樣係在第1至第9態樣中之任一態樣中，復具備p型寬帶隙層，係直接配置在前述π層上，且p型摻雜成較前述π層更高濃度，而且具有帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層更大之帶隙。
此外，本發明之第12態樣係在第11態樣中，前述第1n型化合物半導體層及π層，係為InAs、InSb、InAsSb、或InSbN之任一者，前述n型寬帶隙層及前述p型寬帶隙層係分別為AlInSb、GaInSb、或AlAs、GaAs、AlSb、GaSb、或該等之混晶之任一者。
此外，本發明之第13態樣係在第11或第12態樣中，前述p型寬帶隙層係為臨界膜厚以下；在前述p型寬帶隙層上，復具備p型摻雜成與前述p型寬帶隙層同等以上之p型化合物半導體保護層。
此外，本發明之第14態樣係在第13態樣中，前述p型摻雜之p型化合物半導體保護層，係與第1n型化合物半導體層或π層相同組成。
此外，本發明之第15態樣係在第1至第14態樣中之任一態樣中，前述第1n型化合物半導體層之膜厚係超過0.1μm。
此外，本發明之第16態樣係在第1至第15態樣中之任一態樣中，前述半導體基板係為半絕緣性之半導體基板、或前述半導體基板與形成在該半導體基板之前述第1n型化合物半導體層為可絕緣分離之半導體基板；且復具備：第1電極，形成在前述第1n型化合物半導體層上之中的未形成有前述π層之區域；及第2電極，形成在前述π層上。
此外，本發明之第17態樣係在第16態樣中，在前述半導體基板上，以將形成在前述紅外線發光元件之第1電極、及形成在形成有該第1電極之紅外線發光元件之相鄰紅外線發光元件之第2電極予以串聯連接之方式，連續地形成有複數個紅外線發光元件。
依據本發明，藉由在由n型化合物半導體層與p型摻雜之π層所構成之紅外線發光元件中，於n型化合物半導體層與π層之間，設置帶隙較n型化合物半導體層及π層更大之n型寬帶隙層，即可抑制在n型化合物半導體層於室溫下因熱激勵所產生之電洞往π層方向之擴散，且減低因電洞所致之pn二極體之暗電流，並且抑制在π層側因為熱激勵所產生之電洞往n型化合物半導體層側之擴散，藉此即可提供一種pn二極體之擴散電流經減低且二極體電阻較高之紅外線發光元件。
以下參照圖式詳細說明本發明之實施形態。
(實施形態1)
第1圖係為實施形態1之紅外線發光元件之示意圖。紅外線發光元件100係具備：半絕緣性之半導體基板101；第1n型化合物半導體層102，在半導體基板101上；n型寬帶隙層103，在第1n型化合物半導體層102上；第2n型化合物半導體層104，在n型寬帶隙層103上，且與第1n型化合物半導體層102為相同組成；p型摻雜之π層105，在第2n型化合物半導體層104上；電極106，在π層105上；及電極107，在第2n型化合物半導體層104上。
紅外線發光元件100係為在第2n型化合物半導體層104與π層105之間形成空乏層之所謂PN接合二極體。使順向電流在PN接合部流通而將載子再結合而產生紅外線。
在本實施形態之紅外線發光元件100中，係n型寬帶隙層103之帶隙較第1n型化合物半導體層102及π層105之帶隙大，用以抑制在n型化合物半導體層於室溫下因為熱激勵所產生之電洞往π層方向之擴散，亦即抑制二極體之暗電流。在此，第2圖係顯示其情形。在第1n型化合物半導體層102中所產生之少數載子(minority carrier)之電洞(hole)雖欲往π層105方向擴散，惟由於帶隙較第1n型化合物半導體層102及π層105大，且將用以抑制該擴散之n型寬帶隙層103設置在第1n型化合物半導體層102與π層105之間，而使暗電流減低。n型寬帶隙層103係藉由n型摻雜而使該帶隙相對地往價電子帶方向位移，而更有效發揮作為電洞之擴散障壁功能。換言之，n型寬帶隙層103之帶隙與n型摻雜，係以抑制電洞之擴散之方式調整。
此外，在π層105中因熱激勵所產生之電洞，通常會因由pn接合所形成之內部電場而往π層105方向移動，惟其一部分會因為擴散而往第1n型化合物半導體層102方向移動，成為二極體之擴散電流。如前所述，在可吸收波長3μm以上之紅外線之帶隙較小之半導體中，室溫下本質載子密度亦會因熱激勵而變大。在此擴散電流具有與本質載子密度之2乘方成比例之關係，亦即本質載子密度愈大則擴散電流愈大。較大之擴散電流將使元件之二極體電阻降低，因此抑制擴散電流尤其重要。
如第2圖所示，n型寬帶隙層103亦成為對於電洞所致之擴散電流之障壁。因此可抑制擴散電流。此係化合物半導體層為氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)等之原本帶隙即大而可忽視熱激勵載子之影響，且擴散電流原本即較小之化合物半導體時並不具意義，而如上所述正因為是帶隙較小之半導體才可獲得之效果。
再者，如第2圖所示，使用紅外線發光元件100作為發光元件時，可抑制從π層105側注入之電洞往第1n型化合物半導體層102中擴散，因此在由pn接合所形成之空乏層內，亦可使電子與電洞之再結合效率提升。
為了抑制上述被熱激勵之電洞之擴散所致之暗電流、及擴散電流所需之n型寬帶隙層103與價電子帶之能量差△E之大小，需較電洞所具有之能量大。在此，以賦予電洞之能量而言，係有熱能量，室溫下約25meV。因此，此時△E之大小至少為熱能量以上，而室溫時係以25meV以上為較佳。
再者，發光元件之情形中，為了抑制因順偏壓而注入於二極體之電洞往n型化合物半導體層102中擴散，係以△E至少較PN接合之電位差大為較佳。通常為了防止隧道洩漏電流，PN接合之電位差係較帶隙更小，由此觀之，△E係以至少第1及第2n型化合物半導體層102及104、以及π層105之能帶隙之大小之50%以上為較佳，更佳為80%以上，尤佳為同等以上。例如使用InSb在第1及第2n型化合物半導體層120及104、以及π層105時，室溫下，△E係以0.09eV以上為較佳，更佳為0.14eV以上，尤佳為0.18eV以上。為了獲得如前所述之△E，較佳之n型寬帶隙層103之帶隙之大小，係以第1及第2n型化合物半導體層102及104、以及π層105之能帶隙之大小之1.5倍以上為較佳，更佳為2倍以上，尤佳為2.3倍以上。然而，上述之△E之大小，除n型寬帶隙層103之帶隙之大小以外，亦可藉由材料之電子親合力、對於n型寬帶隙層之摻雜濃度來調整。
接著在以下詳細說明本實施形態之紅外線發光元件100之各構成要素。
首先，構成n型寬帶隙層103以外之層之化合物半導體係為窄帶(narrow band)，尤其以可吸收及產生波長3μm以上長波長帶之紅外線，帶隙在0.41eV以下之化合物半導體為較佳。由於元件係假設在室溫下使用，因此在室溫下帶隙雖以0.41eV以下為尤佳，惟元件之使用溫度非為室溫時，在該等使用溫度中，只要帶隙為0.41eV以下即可。此外，較佳為可發出波長3.6μm以上之紅外線之0.36eV以下，尤佳為可發出波長5μm以上之紅外線之0.25eV以下。如上所述，此係為了抑制n型寬帶隙層103之暗電流、擴散電流之效果，係構成n型寬帶隙層103以外之層之化合物半導體之帶隙愈小則愈增加效果。
以在室溫下能帶隙為0.41eV以下之窄帶之化合物半導體而言，係可使用InAs、InSb、InAsSb或InSbN之任一者。InAs、InSb在室溫下之能帶隙，分別為0.36eV、0.18eV。InAsx Sb1-x 混晶(0＜x＜1)之能帶隙Eg ，係以0.58x2 -0.41x＋0.18=Eg 來表示，具有極大之非線性因數。因此，InAsSb在室溫下之能帶隙，係較InAs在室溫下之能帶隙低，而為0.36eV以下。此外，InSb1-y Ny 混晶(0＜y＜0.01)之帶隙係具有更大之非線性因數，已知氮N之組成y僅0.01，而帶隙接近幾乎0。
此外，以n型寬帶隙層103而言，係可使用AlInSb、GaInSb、或AlAs、GaAs、AlSb、GaSb、或該等之混晶之任一者。各n型寬帶隙層在室溫下之能帶隙，係由組成比來決定，例如Al0.17 In0.83 Sb層在室溫下之帶隙，係為0.46eV。相較於如HgCdTe(MCT)之Hg之蒸氣壓較高且結晶成長時之組成控制及再現性較難之材料，上述材料係為可製作成穩定之化合物或混晶半導體之材料，故較佳。
為了進一步提升本實施形態之紅外線發光元件100之元件特性，π層105可採用與第1n型化合物半導體層102相同之組成，且將n型寬帶隙層103之膜厚設為臨界膜厚以下。以下說明n型寬帶隙層103之膜厚為臨界膜厚以下之情形。紅外線發光元件100所具備之n型寬帶隙層103，係帶隙較第1n型化合物半導體層102大，且組成與第1n型化合物半導體層102不同。當將此種層形成在第1n型化合物半導體層102上時，在半導體基板101與第1n型化合物半導體層102之界面所產生之錯配差排(misfit dislocation)，從實驗中可明瞭，在n型寬帶隙層103與第1n型化合物半導體層102之界面中，如第3圖所示，傳播方向會在與界面平行之方向改變。方向改變之差排，係差排彼此成對毀滅，或是作成差排循環(loop)並再度返回至與半導體基板101之界面。亦即，可將差排封入第1n型化合物半導體層102中。其實施例容後陳述。藉此即可大幅減低差排傳播至PN接合部分，而可減低結晶缺陷對於紅外線發光元件100之元件特性之影響。化合物半導體層中之結晶缺陷，係有可能使作為載子之洩漏路徑(Leak Path)之二極體特性劣化，而且使作為再結合中心之發光特性劣化。另外，如上所述，由上述之n型寬帶隙層103所致的來自基板界面之貫通差排之減低效果係與：使臨界膜厚以上之膜成長，且將膜中新產生之差排、與來自基板界面之貫通電位予以成對毀滅之方法、及將從基板逐漸改變組成之晶格匹配層設置在基板與活性層之間等之方法之效果不同，而可藉由適於量產之簡單結構，而提升作為活性層之π層之結晶性，並且可減低暗電流、擴散電流。
n型寬帶隙層103係帶隙較第1n型化合物半導體層102、第2n型化合物半導體層104及π層105大，且為與第1n型化合物半導體層102組成不同之材料。當組成不同時，晶格常數一般亦不同，而n型寬帶隙層103係使該晶格整體歪斜，而與作為基底之第1n型化合物半導體層102晶格匹配而成長。n型寬帶隙層103之膜厚係為可在如此晶格匹配之狀態下成長之膜厚，即所謂之「臨界膜厚」。另一方面，當膜厚增大、且膜中之歪斜能量變大時，為了調節晶格常數之差異，乃以將差排(錯配差排)導入於膜與基底之界面，膜在能量上才會較低，因此從界面使錯配差排導入於膜中。亦即，所謂「臨界膜厚」係為未導入錯配差排之晶格匹配由晶格歪斜所吸收之最大膜厚。藉由將n型寬帶隙層103之膜厚設為臨界膜厚以下，且進一步將第1n型化合物半導體層102與第2n型化合物半導體層104之組成設為相同，第1n型化合物半導體層102與n型寬帶隙層103與第2n型化合物半導體層104之晶格常數即成為一致。因此，可抑制從n型寬帶隙層103與第1n型化合物半導體層102及第2n型化合物半導體層104之界面新產生錯配差排。藉此，即可獲得結晶性高之n型寬帶隙層103，且可提高前述之暗電流、及擴散電流之抑制效果。再者，配合前述來自界面之貫通差排之減少效應，亦可提升作為活性層之π層之結晶性，因此可提高發光效率。另外，本說明書中所使用之「相同組成」之用語，係除組成完全為相同之情形外，尚包含晶格不匹配所致之應力在與臨界膜厚以下之n型寬帶隙層之界面中不致產生缺陷之程度相同之情形。
以半導體基板101而言，係可使用Si或GaAs等。結晶面係有(100)、(111)、(110)方向等。半絕緣性之半導體基板101，由於其帶隙一般較0.41eV大，因此相對於長波長帶之紅外線為透明，故不會妨礙從基板側取出所產生之紅外線。由於在基板側無電極，因此所產生之紅外線不會被電極所遮蔽，故較佳。另一方面，在本實施形態中雖係使用半絕緣性之基板，然亦可如第4圖所示使用n型半導體基板。此時，一方之電極407係可如第4圖所示製作在基板之背面。
第1n型化合物半導體層102係為經n型摻雜之窄帶隙之化合物半導體。窄帶隙之化合物半導體，由於電子之移動度遠較電洞大，因此以n型摻雜相較於p型摻雜可更容易降低半導體層之薄膜(sheet)電阻。因此，藉由對於在元件結構中佔有較大面積之第1n型化合物半導體層102進行n型摻雜，即可容易減低紅外線發光元件100之薄膜電阻。當薄膜電阻增加時，在二極體之等效電路上相對於二極體串聯連接之串聯(series)電阻就會增加。此串聯電阻會消耗注入於元件之電力，故以儘量小為較佳。以n型摻雜而言，係可使用Si、Te、Sn、S、Se等。
與第1n型化合物半導體層102同樣之理由，能以獲得所期望之薄膜電阻之方式調整n型寬帶隙層103之n型摻雜。另外，如前所述，n型寬帶隙層103之n型摻雜亦具有使該帶隙相對往價電子帶方向位移之效果。
n型寬帶隙層103之組成，係考慮所需之帶隙之大小及薄膜成長之容易性等而設計為適當之值。舉例而言，當第1及第2n型化合物半導體層101及104為InSb、n型寬帶隙層103為In1-x Alx Sb時，Al之組成係為0.06≦x≦0.7，較佳為0.1≦x≦0.5，尤佳為0.15≦x≦0.3。膜厚係可設為各組成中之臨界膜厚以下，惟其大致為10nm至30nm左右。
第2n型化合物半導體層104亦與第1n型化合物半導體層102同樣為經n型摻雜之窄帶隙之化合物半導體。n型摻雜之濃度雖無須與第1n型化合物半導體層102或n型寬帶隙層103相同，惟以摻雜為不致提高元件之薄膜電阻程度為較佳，或亦可與第1n型化合物半導體層102或n型寬帶隙層103相同。
π層105係為p型摻雜之π層。在將n型寬帶隙層103設為臨界膜厚時，依據針對第2n型化合物半導體層104所說明者相同之理由，設為與第1n型化合物半導體層102相同組成。P型摻雜時之摻雜濃度係以1×1016 原子/cm3 以上未達1×1018 原子/cm3 為較佳，更佳為1×1016 原子/cm3 以上未達1×1017 原子/cm3 。此外，π層105膜厚係以0.1μm以上3μm以下為較佳，更佳為0.5μm以上2μm以下。以p型摻雜劑而言，係可使用Be、Zn、Cd、C、Mg、Ge、Cr等。
在半導體基板101之上依序形成層，並藉由化學蝕刻進行元件分離與π層105之部分去除，然後形成電極106及107而獲得紅外線發光元件100。構成本實施形態之紅外線發光元件100之各化合物半導體層，係可使用各種成膜方法來形成。例如，以分子束磊晶(epitaxy)(MBE)法、有機金屬氣相磊晶(MOVPE)法等為較佳。此外，以元件之加工方法而言，係使用：例如首先使用酸或離子銑磨(ion milling)等而形成用以取得與n型摻雜層接觸之段差，接著進行元件分離用之台面蝕刻(mesa etching)，其後再以SiN或SiO2 等之鈍化(passivation)膜覆蓋之後，僅對電極部分進行開口，且以剝離(lift off)法等形成Ti/Au或Cr/Au等電極之方法。此外，藉由使用專用之遮罩組(mask set)即可製造將複數個元件串聯連接之結構。
另外，第2n型化合物半導體層104係可使用在與n型寬帶隙層103之界面與第1n型化合物半導體層102相同組成，而其組成在膜厚方向傾斜者。藉由將π層105之組成設為與第2n型化合物半導體層104之上面相同，且與第1n型化合物半導體層102不同，在將n型寬帶隙層103設為臨界膜厚時即可進行紅外線之發光波長之調整。
此外，π層105亦可直接配置在n型寬帶隙層103之上。在此構成中，為了在將n型寬帶隙層103設為臨界膜厚時，使π層105之組成與第1n型化合物半導體層102不同，亦可將在與n型寬帶隙層103之界面係與第1n型化合物半導體層102相同組成，而組成在膜厚方向傾斜之p型摻雜之組成遷移層，設在n型寬帶隙層103與π層105之間。
此外，如第5圖所示，藉由疊層複數層n型寬帶隙層，即可將可阻止差排之界面增加為複數層，而更加提高抑制差排傳播至PN接合部分之效果。在此n型寬帶隙層之膜厚雖均為臨界膜厚以下，惟其間之n型化合物半導體層之膜厚，係可在考慮摻雜為n型之層(以下稱「n型摻雜層」)整體之膜厚後任意決定之。此外，要重複疊層幾層，亦可在考慮n型摻雜整體之膜厚後而任意決定。
此外，藉由將第1及第2n型化合物半導體層102及104摻雜為高濃度，即可藉由柏斯坦-摩斯-位移(Burstein-Moss shitt)，對於摻雜濃度若不高則會被吸收之紅外線形成為透明。從半導體基板101側抽出紅外線時，半導體基板101係相對於紅外線為透明，此外，從其帶隙之大小而言，n型寬帶隙層103亦為透明，因此可將在π層105所存在之PN接合之空乏層部分所產生之紅外線有效率地取出，而可提升元件之外部量子效率。以摻雜濃度而言，係以1×1018 原子/cm3 以上為較佳，更佳為1×1019 原子/cm3 以上。
此外，為了將成長在半導體基板101上之第1n型化合物半導體層102之結晶性提高，亦有在半導體基板101與第1n型化合物半導體層102之間，使用緩衝層之情形，而該緩衝層係晶格常數為半導體基板101與第1n型化合物半導體層102之中間程度，而得以緩和晶格不匹配。此時，緩衝層係選擇不吸收紅外線光之材料。
在本實施形態中，雖係在π層105使用p型，且於π層105以外使用n型之層，惟在將n型與p型對調之結構中，係可藉由寬帶隙層而獲得抑制電子之暗電流及擴散電流、及減低因為結晶缺陷所致元件特性劣化之效果。然而，關於第1n型化合物半導體層102，如前所述，若設為p型摻雜，則元件之薄膜電阻就會增大。此外，p型化合物半導體容易吸收長波長帶之紅外線，因此難以取出來自基板側之紅外線。
此外，第1圖所示之紅外線發光元件100，雖係在第2n型化合物半導體層104上設置電極107，惟設為與n型寬帶隙層103或第1n型化合物半導體層102連接之形態亦可。然而，為了要將n型摻雜層之薄膜電阻降低，該等膜厚係以較厚為佳，因此，以設置電極107之位置而言，如第1圖所示，係以第2n型化合物半導體層之正上方(或n型摻雜層之上面)為較佳。
(實施形態2)
第6圖係為顯示實施形態2之紅外線發光元件600。從半導體基板101至π層105係與實施形態1相同，此外可考慮成同樣之變形形態。紅外線發光元件600復具備p型化合物半導體層601，其係配置在π層105上，且p型摻雜成較π層105更高濃度，而且與前述第1n型化合物半導體層或前述π層為相同組成。此結構係所謂PIN二極體之結構。
由於p型化合物半導體層601係p型摻雜成較π層105更高濃度，因此可較實施形態1之例子更有效率地將從n型摻雜層(101至104)側所注入之電子駐留在π層中，而可提升載子之再結合發光效率。再者，由於p型摻雜為高濃度，因此可降低與電極106之接觸電阻。p型化合物半導體層601之p型摻雜濃度係以7×1017 原子/cm3 以上為較佳，更佳為1×1018 原子/cm3 以上。
(實施形態3)
第7圖係顯示實施形態3之紅外線發光元件700。從半導體基板101至π層105係與實施形態1相同，此外可考慮成同樣之變形形態。紅外線發光元件700復具備p型寬帶隙層701，其係直接配置在π層105上，且p型摻雜成較π層105更高濃度，而且具有較前述第1n型化合物半導體層102及π層105更大之帶隙。此結構亦為所謂PIN二極體之結構。
第8圖係為實施形態3之紅外線發光元件中之能帶隙之示意圖。藉由將p型寬帶隙層701之帶隙設為較第1n型化合物半導體層102及π層105大，即可有效抑制因被熱激勵而產生p型寬帶隙層701中之屬於少數載子之電子。藉此，即可抑制從p型寬帶隙層701往π層105側流通之電子所致之暗電流，並且抑制在π層105因為被熱激勵而產生往p型寬帶隙層701側流通之電子之擴散電流，且有效抑制二極體電阻下降的情形。
在此，p型寬帶隙層701雖係為不致產生長波長帶紅外線之程度之寬帶隙，惟由於紅外線之產生係在π層105進行，因此不成為問題。此外，由於較諸實施形態2之情形，可更加抑制從n型摻雜層(101至104)側注入之電子往p型寬帶隙層701中擴散之情形，因此在π層105內亦可更加提升電子與電洞之再結合發光效率。
p型寬帶隙層701之組成係可考慮所需之帶隙之大小及薄膜成長之容易性等而設計為適當之值。舉例而言，窄帶隙之化合物半導體為InSb，且p型寬帶隙層為In1-x Alx Sb時，A1之組成係為0.06≦x≦0.7，更佳為0.1≦x≦0.5，尤佳為0.15≦x≦0.3。此外，p型寬帶隙層701之p型摻雜濃度係為7×1017 原子/cm3 以上較佳，更佳為1×1018 原子/cm3 以上。
(實施形態4)
第9圖係顯示實施形態4之紅外線發光元件900。從半導體基板101至π層105係與實施形態1相同，此外，可考慮為同樣之變形形態。另具備在π層105上p型摻雜為較π層105更高濃度，且具有較第1n型化合物半導體層102及π層105更大帶隙之p型寬帶隙層方面，雖係與實施形態3共通，惟在本實施形態中，係將p型寬帶隙層901設為臨界膜厚以下(大致從10nm至30nm左右)。藉此，即可防止在與π層105之界面中產生錯配差排等之晶格缺陷，且可提高p型寬帶隙層901之結晶性，而可抑制因晶格缺陷所致之洩漏電流。再者，在本實施形態中，係在p型寬帶隙層901上，具備p型摻雜成較π層105更高濃度之p型化合物半導體保護層902。p型寬帶隙層901係為臨界膜厚以下，厚度極薄。因此當在p型寬帶隙層901直接形成電極時，在電極形成之過程中，會有可能遭受某種損害。p型化合物半導體保護層902係具有保護p型寬帶隙層901不致遭受該種損害之功能。
另外，p型化合物半導體保護層902係成為與電極106接觸之層。與電極之接觸電阻會成為等效電路上之串聯電阻，會消耗發光元件之電力。因此，為了降低p型化合物半導體保護層902與電極106之接觸電阻，係以在p型化合物半導體保護層902施以與p型寬帶隙層901同等或其上之p型摻雜為較佳。尤其p型摻雜濃度係以7×1017 原子/cm3 以上為較佳，更佳為1×1018 原子/cm3 以上。此外，p型化合物半導體保護層902之膜厚係以0.05μm以上1μm以下為較佳，更佳為0.1μm以上0.7μm以下。
此外，如上所述，由於p型化合物半導體保護層902係成為與電極106接觸之層，因此其膜之薄膜電阻係以儘量小為較佳。因此，p型化合物半導體保護層902之帶隙係以較p型寬帶隙層801更小為較佳。此係由於帶隙較小之半導體，其膜之薄膜電阻亦較小之故。在此，當將p型化合物半導體保護層902之組成設為與第1n型化合物半導體層102、或π層105相同組成時，由於帶隙較小，因此該膜之薄膜電阻亦可較小。再者，由於與晶格常數為臨界膜厚以下之p型寬帶隙層901接近，因此不會對p型寬帶隙層901施加應力，而可更加提高其結晶性。尤其與π層105相同組成時，由於π層105與p型寬帶隙層901與p型化合物半導體保護層902之晶格常數一致，因此可獲得較高結晶性之膜成長，故較佳。
第10圖係顯示紅外線發光元件900之變形形態110。變形形態110係如在實施形態1中所說明，係為將π層105直接配置在n型寬帶隙層103上之結構。當特別使用此結構作為發光元件時，藉由n型寬帶隙層103與p型寬帶隙層901將屬於發光層之π層105夾入，即可將載子有效封入在π層105內。因此，可提高元件之再結合發光效率，故較理想。
(實施形態5)
第11圖係顯示在半導體基板上設置複數個紅外線發光元件之結構。各紅外線發光元件係藉由電極串聯連接。第10圖之結構，係在藉由化學蝕刻進行元件分離與層之部分去除之後，在全體疊層絕緣性之保護膜，且在與元件之接觸部位形成開口之後，藉由使各元件串聯連接之方式形成電極即可獲得。此種結構在基板為InSb基板那種之導電性基板中無法實現。
發光元件之情形中，如上所述，藉由將複數個元件串聯連接，即可獲得與連接元件數成比例之更多發光量。此時，當元件之二極體電阻以外之串聯電阻成分、亦即n型摻雜層之膜薄膜電阻、或與電極之接觸電阻等之電阻較大時亦需要不必要之輸入電力，再者元件之發熱亦變大，因此二極體電阻以外之串聯電阻成分係以儘量小為較佳。
(實施例1)
為了可獲得藉由n型寬帶隙層而抑制結晶缺陷傳播之效果，乃檢討適當之第1n型化合物半導體層之膜厚。
在半導體基板上最初成長之第1n型化合物半導體層，由於成為晶格與基板材料不匹配之較大之異質性(hetero)成長，因此採取最初成長為島狀，而使成長之島彼此接觸結合而成為連續膜之成長過程。因此，該膜厚非常薄時，會有無法形成連續膜，或即使是連續膜亦無法獲得充分之結晶性之情形。在此種結晶性之第1n型化合物半導體層上即使成長n型寬帶隙層，下層之第1n型化合物半導體層之結晶性亦會產生影響，n型寬帶隙層亦無法獲得充分之結晶性，而無法發揮充分之抑制結晶缺陷傳播之效果。
在此，在將合計1μm之InSb膜成長在GaAs基板上之際，係將膜厚20nm之n型寬帶隙層Al0.17 In0.83 Sb，分別從基板插入於0.1μm、0.2μm、及0.3μm之位置。當以HF(氟酸)：HNO3 (硝酸)H2 O(水)=1：1：3之蝕刻劑將此InSb膜進行蝕刻時，可獲得達到表面之差排部分，即所謂貫通差排作為蝕刻凹坑(etch pit)。藉由計算蝕刻凹坑之數量，即可獲得到達膜之表面之差排之數量。
第12圖係為顯示以此方式所獲得之蝕刻凹坑之數量與n型寬帶隙層Al0.17 In0.83 Sb之插入位置之關係之曲線圖。從此圖可明瞭，n型寬帶隙層Al0.17 In0.83 Sb之插入位置在距基板0.2μm及0.3μm之位置，相較於無n型寬帶隙層Al0.17 In0.83 Sb之膜，貫通差排之數量減少20%以上。亦即n型寬帶隙層Al0.17 In0.83 Sb可有效抑制結晶缺陷之傳播。另一方面，n型寬帶隙層Al0.17 In0.83 Sb之插入位置在距基板0.1μm之位置，InSb之膜本身會因為蝕刻而溶解。亦即顯示出反而使膜之結晶性惡化之情形。因此，n型寬帶隙層之插入位置，係以從基板離開0.1μm之位置為較佳。換言之，第1n型化合物半導體層之膜厚係以超過0.1μm為較佳。
另一方面，當此膜厚過厚時，膜之成長需要較長時間。因此以較佳之第1n型化合物半導體層之膜厚而言，係為0.1μm≦x≦3.0μm，更佳為0.2μm≦x≦2.0μm，尤佳為0.3μm≦x≦1.0μm。
將第1及第2n型化合物半導體層加總之整體之n型化合物半導體層之膜厚只要較0.1μm厚即可，惟較佳為較0.1μm為厚且在3μm以下，更佳為0.7μm以上2μm以下。
(實施例2) (實施例2-1)
藉由MBE法製作第10圖所示之元件結構。首先，在半絕緣性之GaAs單結晶基板(001)面上，成長摻雜Sn(n型摻雜劑)為1.0×1019 原子/cm3 之InSb層(第1n型化合物半導體層)1.0μm，且在此層上，同樣成長摻雜Sn(n型摻雜劑)為1.0×1019 原子/cm3 之Al0.17 In0.83 Sb層(n型寬帶隙層)0.02μm，且在層上，成長摻雜Zn(p型摻雜劑)為6.0×1016 原子/cm3 之InSb層(π層)1.0μm，且在此層上，成長摻雜Zn(p型摻雜劑)為2.0×1018 原子/cm3 之Al0.17 In0.83 Sb層(p型寬帶隙層)0.02μm，最後，在此層上，成長摻雜Zn(p型摻雜劑)為2.0×I018 原子/cm3 之InSb層(p型化合物半導體保護層)0.5μm。在此，各InSb層之室溫下之帶隙係為0.18eV，而各Al0.17 In0.83 Sb層之室溫下之帶隙係為0.46eV。此在其他實施例及比較例均相同。
對於以此方式所製作之紅外線發光元件進行剖面TEM(穿透型電子顯微鏡)觀察。首先，藉由離子銑磨法進行薄片化，接下來，使用HITACHI H-9000NAR之電子顯微鏡在加速電壓300kV之條件下進行觀察。
第13B圖係顯示倍率12500倍之觀察結果。圖中所見之傾斜之線係為差排。從相片可明瞭，由於位在n型InSb層與π層之間之n型Al0.17 In0.83 Sb層(n型寬帶隙層)，而使從與基板之界面所產生之差排被彎曲，而更清楚明瞭差排往π層之傳播被大幅抑制之效果。
另外，膜厚0.02μm之Al0.17 In0.83 Sb層相對於InSb之基底係為臨界膜厚以下，而在與膜表面平行之方向方面，InSb層係與Al0.17 In0.83 Sb層係完全晶格匹配，此從剖面TEM之相片、及利用X線繞射之(115)面之逆晶格映射(mapping)之結果可獲得確認。
(比較例2-1)
茲製作從實施例2-1去除Al0.17 In0.83 Sb層(n型寬帶隙層)之結構。針對此元件，在與實施例2-1相同條件下進行剖面TEM觀察之結果，係顯示於第13A圖。從第13A圖可明瞭，在界面所產生之差排，係貫通π層。
(實施例2-2)
在第10圖所示之元件結構，如第5圖所示，藉由MBE法製作在第1n型化合物半導體層中插入5層n型寬帶隙層之結構。首先，在半絕緣性之GaAs單結晶基板(001)面上，成長摻雜Sn(n型摻雜劑)為1.0×1019 原子/cm3 之InSb層0.5μm，且在此層上，同樣成長摻雜Sn(n型摻雜劑)為1.0×1019 原子/cm3 之Al0.17 In0.83 Sb層(n型寬帶隙層)0.02μm，且在此層上，成長摻雜Sn(n型摻雜劑)為1.0×1019 原子/cm3 之InSb層0.02μm。其後，將與上述相同之0.02μm之Al0.17 In0.83 Sb層(n型寬帶隙層)與0.02μm之InSb層交替疊層，且重複疊層Al0.17 In0.83 Sb層(n型寬帶隙層)總計5層。在第5層之Al0.17 In0.83 Sb層(n型寬帶隙層)上成長摻雜Sn(n型摻雜劑)為1.0×1019 原子/cm3 之InSb層0.3μm。在此層上，進一步成長摻雜Sn(n型摻雜劑)為1.0×1019 原子/cm3 之Al0.17 In0.83 Sb層0.02μm。至此為止，n型摻雜層(Sn摻雜層)合計成為1μm之膜厚。在此層上，成長摻雜Zn(p型摻雜劑)為6.0×1016 原子/cm3 之InSb層(π層)1.0μm，且在此層上，成長摻雜Zn(p型摻雜劑)為2.0×1018 原子/cm3 之Al0.17 In0.83 Sb層(p型寬帶隙層)0.02μm，最後，在此層上成長摻雜Zn(p型摻雜劑)為2.0×1018 原子/cm3 之InSb層(p型化合物半導體保護層)0.2μm。
針對以此方式所製作之紅外線發光元件，在與實施例2-1相同條件下進行剖面TEM觀察之結果，顯示在第13C圖。從第13C圖可明瞭，藉由所插入之5層Al0.17 In0.83 Sb層更可有效抑制在界面所產生之差排之傳播。
(實施例2-3)
使用實施例2-1之結構，依以下順序製作PIN二極體。首先，藉由酸進行段差形成蝕刻用以取得與n型摻雜層之接觸，接著對於形成有段差之化合物半導體薄膜，進行元件分離用之台面蝕刻。其後使用電漿CVD，以SiN保護膜將全面(GaAs基板及形成在此基板之化合物半導體結構)予以覆蓋。接著，在所形成之SiN保護膜上，僅在電極部位形成開口，且將Au/Ti(Ti為膜側)進行EB蒸鍍，藉由剝離法形成電極。PN接合部分係形成8角形形狀，且設計成面積達120.7um2 。此外，亦使用比較例2-1之結構製作PIN二極體。
第14圖係顯示以此方式製作之PIN二極體之電流-電壓特性。使用實施例2-1之結構之PIN二極體，相較於使用比較例2-1之結構者，逆偏壓時之電流(亦即二極體之暗電流)顯然減少。此外，正偏壓時之電流之上升係往偏壓較大側位移。此係為二極體之擴散電流被抑制之效果。
(實施例2-4)
使用實施例2-1之結構，以與實施例2-3相同順序製作PIN二極體。然而，PN接合部分係以成為直徑500μm之圓形之方式設計。相較於實施例2-3係為極大之元件。
依以下順序評估以此方式製作之PIN二極體之發光特性。首先，將PIN二極體黏附在開設有用以取出光之孔之玻璃環氧基板上，且藉由打線接合(wire bonding)將電極與玻璃環氧基板上之端子連接。使用脈衝產生器(pulse generator)從此端子對於元件，施加頻率1kHz、工作週期(duty cycle)50%、電流值100mA(峰值對峰值(peak to peak))之脈衝電流，而使之驅動成為發光元件。發光特性之測量係藉由FTIR(傅立葉(Fourier)轉換紅外線分光光度計)測量從玻璃環氧基板之孔所取出之紅外線來進行。所使用之FTIR係為Nicolet公司製之Nexus870FTIR。另外，測量係在室溫(25℃)下進行，且測量中並未進行元件之冷卻等。此外，使用比較例2-1之結構製作同樣之PIN二極體結構，並測量發光特性。
第15圖係對於經分光之各波長顯示由測量所獲得之紅外線之發光強度除以偏壓電壓×偏壓電流(100mA)之值之規格化結果。與使用不存在n型寬帶隙層之比較例2-1結構之PIN二極體相比較，使用實施例2-1結構之PIN二極體，可確認在顯示峰值之波長6.3μm中，發光強度為2.3倍，明顯較強。
(實施例2-5)
使用實施例2-5之結構製作與實施例2-4同樣之PIN二極體結構，並測量其發光特性。第16圖係顯示使用實施例2-1之結構之實施例2-4之PIN二極體與本實施例之PIN二極體，在波長5μm至6μm之範圍中之發光強度。此波長範圍係為在2個PIN二極體中可獲得差異最明確之範圍。在本實施例之PIN二極體中，係可獲得較實施例2-4更強之發光強度。
100、600、700、900．．．紅外線發光元件
101．．．半導體基板
102．．．第1n型化合物半導體層
103．．．n型寬帶隙層
104．．．第2n型化合物半導體層
105．．．π層
106、107、407．．．電極
110．．．變形形態
601．．．p型化合物半導體層
701、801、901．．．p型寬帶隙層
902．．．p型化合物半導體保護層
第1圖係為實施形態1之紅外線發光元件之示意圖。
第2圖係為實施形態1之紅外線發光元件能帶圖。
第3圖係為顯示第1n型化合物半導體層中之差排之圖。
第4圖係為顯示實施形態1之紅外線發光元件之變形形態圖。
第5圖係為顯示實施形態1之紅外線發光元件之變形形態圖。
第6圖係為實施形態2之紅外線發光元件之示意圖。
第7圖係為實施形態3之紅外線發光元件之示意圖。
第8圖係為實施形態3之紅外線發光元件能帶圖。
第9圖係為實施形態4之紅外線發光元件之示意圖。
第10圖係為顯示實施形態4之紅外線發光元件之變形形態圖。
第11圖係為實施形態5之紅外線發光元件之示意圖。
第12圖係為顯示第1n型化合物半導體層之膜厚與蝕刻凹坑密度之關係圖。
第13A圖係為顯示比較例2-1之剖面TEM(穿透型電子顯微鏡)觀察結果圖。
第13B圖係為顯示實施例2-1之剖面TEM(穿透型電子顯微鏡)觀察結果圖。
第13C圖係為顯示實施例2-2之剖面TEM(穿透型電子顯微鏡)觀察結果圖。
第14圖係為顯示使用比較例2-1及實施例2-1之結構之PIN二極體之電流-電壓特性圖。
第15圖係為顯示使用比較例2-1及實施例2-1之結構之PIN二極體之發光特性圖。
第16圖係為顯示使用實施例2-1及實施例2-2之結構之PIN二極體之發光特性圖。
102．．．第1n型化合物半導體層
103．．．n型寬帶隙層
104．．．第2n型化合物半導體層
105．．．π層

Claims (17)

  1. 一種紅外線發光元件，其特徵為具備：半導體基板；第1n型化合物半導體層，在前述半導體基板上；n型寬帶隙層，在前述第1n型化合物半導體層上；及成為活性層之p型摻雜之π層，在前述n型寬帶隙層上；前述n型寬帶隙層以外之層之帶隙係為0.41eV以下；前述n型寬帶隙層係帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層為大。
  2. 如申請專利範圍第1項之紅外線發光元件，其中，前述π層係直接配置在前述n型寬帶隙層上。
  3. 如申請專利範圍第1項之紅外線發光元件，其中，在前述n型寬帶隙層與前述π層之間，復具備與前述第1n型化合物半導體層為相同組成之第2n型化合物半導體層。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之紅外線發光元件，其中，前述π層係與前述第1n型化合物半導體層相同組成；前述n型寬帶隙層之膜厚係為臨界膜厚以下。
  5. 一種紅外線發光元件，其特徵為具備：半導體基板； 第1n型化合物半導體層，在前述半導體基板上；臨界膜厚以下之n型寬帶隙層，在前述第1n型化合物半導體層上；第2n型化合物半導體層，在前述n型寬帶隙層上，且在與前述n型寬帶隙層之界面係與前述第1n型化合物半導體層為相同組成，而組成在膜厚方向傾斜；及π層，在前述第2n型化合物半導體層上，且為p型摻雜之π層，且在與前述第2n型化合物半導體層之界面係與前述第2n型化合物半導體層為相同組成；前述n型寬帶隙層以外之層之帶隙係為0.41eV以下；前述n型寬帶隙層係帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層為大。
  6. 一種紅外線發光元件，其特徵為具備：半導體基板；第1n型化合物半導體層，在前述半導體基板上；臨界膜厚以下之n型寬帶隙層，在前述第1n型化合物半導體層上；p型摻雜之組成遷移層，在前述n型寬帶隙層上，且在與前述n型寬帶隙層之界面係與前述第1n型化合物半導體層為相同組成，而組成在膜厚方向傾斜；及π層，在前述組成遷移層上，且為p型摻雜之π層，且在與前述組成遷移層之界面中與前述組成遷移層相同組成； 前述n型寬帶隙層以外之層之帶隙係為0.41eV以下；前述n型寬帶隙層係帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層為大。
  7. 如申請專利範圍第4至6項中任一項之紅外線發光元件，其中，在前述第1n型化合物半導體層與前述n型寬帶隙層之間，係分別各具備至少1層下述之層：第1重複層，與前述第1n型化合物半導體層相同組成；及第2重複層，與前述n型寬帶隙層相同組成；前述第1重複層與前述第2重複層係交替配置；前述第2重複層之膜厚係為臨界膜厚以下。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之紅外線發光元件，其中，前述第1n型化合物半導體層及π層，係為InAs、InSb、InAsSb、或InSbN之任一者，前述n型寬帶隙層係為AlInSb、GaInSb、或AlAs、GaAs、AlSb、GaSb、或該等之混晶之任一者。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之紅外線發光元件，其中，前述n型寬帶隙層係摻雜成與前述第1n型化合物半導體層同等濃度。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之紅外線發光元件，其中，復具備p型化合物半導體層，係配置在前述π層上，且p型摻雜成較前述π層更高濃度，而且與前述第1n型化合物半導體層或前述π層為相同組成。
  11. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之紅外線發光元 件，其中，復具備p型寬帶隙層，係直接配置在前述π層上，且p型摻雜成較前述π層更高濃度，而且具有帶隙較前述第1n型化合物半導體層及前述π層更大之帶隙。
  12. 如申請專利範圍第11項之紅外線發光元件，其中，前述第1n型化合物半導體層及π層，係為InAs、InSb、InAsSb、或InSbN之任一者，前述n型寬帶隙層及前述p型寬帶隙層係分別為AlInSb、GaInSb、或AlAs、GaAs、AlSb、GaSb、或該等之混晶之任一者。
  13. 如申請專利範圍第11或12項之紅外線發光元件，其中，前述p型寬帶隙層係為臨界膜厚以下；在前述p型寬帶隙層上，復具備p型摻雜成與前述p型寬帶隙層同等以上之p型化合物半導體保護層。
  14. 如申請專利範圍第13項之紅外線發光元件，其中，前述p型摻雜之p型化合物半導體保護層，係與第1n型化合物半導體層或π層相同組成。
  15. 如申請專利範圍第1至14項中任一項之紅外線發光元件，其中，前述第1n型化合物半導體層之膜厚係超過0.1μm。
  16. 如申請專利範圍第1至15項中任一項之紅外線發光元件，其中，前述半導體基板係半絕緣性半導體基板、或前述半導體基板與形成在該半導體基板之前述第1n型化合物半導體層為可予以絕緣分離之半導體基板；且復具備：第1電極，形成在前述第1n型化合物 半導體層上之中的未形成有前述π層之區域；及第2電極，形成在前述π層上。
  17. 如申請專利範圍第16項之紅外線發光元件，其中，在前述半導體基板上，以將形成在前述紅外線發光元件之第1電極、及形成在形成有該第1電極之紅外線發光元件之相鄰紅外線發光元件之第2電極予以串聯連接之方式，連續地形成有複數個紅外線發光元件。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8471329B2 (en) * 2011-11-16 2013-06-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Tunnel FET and methods for forming the same
JP6132746B2 (ja) 2013-11-05 2017-05-24 浜松ホトニクス株式会社 赤外線検出素子
JP6294674B2 (ja) * 2014-01-10 2018-03-14 旭化成エレクトロニクス株式会社 発光素子
JP6487232B2 (ja) * 2015-02-10 2019-03-20 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光ダイオード
JP6591758B2 (ja) * 2015-02-16 2019-10-16 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光素子及び赤外線発光素子の製造方法
JP6283324B2 (ja) * 2015-03-05 2018-02-21 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光素子
KR102356696B1 (ko) * 2015-07-03 2022-01-26 삼성전자주식회사 유기 광전 소자 및 이미지 센서
JP6908367B2 (ja) * 2016-10-19 2021-07-28 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光素子
CN108258096B (zh) * 2016-12-28 2021-03-02 英属开曼群岛商錼创科技股份有限公司 发光二极体晶片
JP7233859B2 (ja) * 2017-06-20 2023-03-07 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光ダイオード
US10573782B2 (en) * 2017-12-21 2020-02-25 Asahi Kasei Microdevices Corporation Infrared light emitting device
JP2019114772A (ja) * 2017-12-21 2019-07-11 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光素子
US11935973B2 (en) * 2018-02-28 2024-03-19 Asahi Kasei Microdevices Corporation Infrared detecting device
JP7060530B2 (ja) 2019-02-06 2022-04-26 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光素子

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62291985A (ja) * 1986-06-12 1987-12-18 Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> 半導体レ−ザ
US20070090337A1 (en) * 2003-09-09 2007-04-26 Koichiro Ueno Infrared sensor ic, and infrared sensor and manufacturing method thereof

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63306687A (ja) * 1987-06-08 1988-12-14 Fujitsu Ltd 半導体発光装置の製造方法
JP2724827B2 (ja) * 1987-07-02 1998-03-09 国際電信電話株式会社 赤外発光素子
JPH01264287A (ja) * 1988-04-14 1989-10-20 Fujitsu Ltd 半導体発光装置
JPH0653602A (ja) * 1992-07-31 1994-02-25 Hitachi Ltd 半導体レーザ素子
JPH0653615A (ja) * 1992-08-03 1994-02-25 Seiko Epson Corp 光センシング装置および光センシング装置用半導体レーザ
JP2699805B2 (ja) * 1993-05-14 1998-01-19 日本電気株式会社 光検出器および光発信器
JPH0779047A (ja) * 1993-09-08 1995-03-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 赤外半導体発光素子
GB2298735A (en) 1995-03-08 1996-09-11 Sharp Kk Semiconductor device having a miniband
GB9524414D0 (en) 1995-11-29 1996-01-31 Secr Defence Low resistance contact semiconductor device
JP2877107B2 (ja) 1996-12-02 1999-03-31 日本電気株式会社 多重量子井戸型半導体レーザ
GB9814462D0 (en) * 1998-07-04 1998-09-02 Secr Defence Infrared light emitting diodes
JP2001284737A (ja) * 2000-03-31 2001-10-12 Ricoh Co Ltd レーザ半導体装置
JP2002125982A (ja) * 2000-10-24 2002-05-08 Mitsunobu Miyagi レーザー医療装置
JP2004031635A (ja) * 2002-06-26 2004-01-29 Sumitomo Electric Ind Ltd 白色発光ｌｅｄ
JP4148764B2 (ja) * 2002-12-03 2008-09-10 株式会社沖データ 半導体発光装置用半導体エピタキシャル構造および半導体発光装置
JP2004361502A (ja) * 2003-06-02 2004-12-24 Sumitomo Electric Ind Ltd 光送受信モジュール

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62291985A (ja) * 1986-06-12 1987-12-18 Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> 半導体レ−ザ
US20070090337A1 (en) * 2003-09-09 2007-04-26 Koichiro Ueno Infrared sensor ic, and infrared sensor and manufacturing method thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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Also Published As

Publication number Publication date
US20110018010A1 (en) 2011-01-27
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US8309980B2 (en) 2012-11-13
WO2009113685A1 (ja) 2009-09-17
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JP2014013944A (ja) 2014-01-23
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TW201003992A (en) 2010-01-16
JPWO2009113685A1 (ja) 2011-07-21
JP5526360B2 (ja) 2014-06-18

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