JP6908367B2 - 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。
赤外線発光素子（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、特定波長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、接合部分における空乏層において、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。
特許文献１には、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型化合物半導体層及び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が記載されている。これにより、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実現している。
特許文献１には、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型化合物半導体層及び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が記載されている。これにより、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実現している。
赤外線発光素子には、発光特性の向上と量産性の向上の両方が求められているが、特許文献１に記載された赤外線発光素子には、この点で改善の余地がある。
本発明の課題は、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子を提供することである。
本発明の課題は、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の第一態様の赤外線発光素子は、基板と、基板上に形成されたｎ型コンタクト層と、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなりｎ型コンタクト層上に形成されたｎ型バリア層と、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなりｎ型バリア層上に形成された活性層と、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり活性層上に形成されたｐ型バリア層と、を備える。
上記課題を解決するために、本発明の第二態様の赤外線発光素子は、基板と、基板上に形成されたｐ型コンタクト層と、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなりｐ型コンタクト層上に形成されたｐ型バリア層と、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなりｐ型バリア層上に形成された活性層と、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり活性層上に形成されたｎ型バリア層と、を備える。
なお、「○○を主成分とする化合物半導体層」とは「ドーパントおよび成膜時に不可避的に混在する不純物以外には、実質的に○○からなる化合物半導体層」を意味する。
本発明の第一態様および第二態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。
〔第一態様〕
＜構成＞
図１に示すように、第一態様の赤外線発光素子は、基板１と、基板１の一方の面（基板上）に形成されたｎ型コンタクト層２と、ｎ型コンタクト層２の基板とは反対側の面（ｎ型コンタクト層上）に形成されたｎ型バリア層３と、ｎ型バリア層３のｎ型コンタクト層２とは反対側の面（ｎ型バリア層上）に形成された活性層４と、活性層４のｎ型バリア層３とは反対側の面（活性層上）に形成されたｐ型バリア層５と、を備えている。ｎ型バリア層３は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。活性層４は、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなる。ｐ型バリア層５は、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。
＜構成＞
図１に示すように、第一態様の赤外線発光素子は、基板１と、基板１の一方の面（基板上）に形成されたｎ型コンタクト層２と、ｎ型コンタクト層２の基板とは反対側の面（ｎ型コンタクト層上）に形成されたｎ型バリア層３と、ｎ型バリア層３のｎ型コンタクト層２とは反対側の面（ｎ型バリア層上）に形成された活性層４と、活性層４のｎ型バリア層３とは反対側の面（活性層上）に形成されたｐ型バリア層５と、を備えている。ｎ型バリア層３は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。活性層４は、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなる。ｐ型バリア層５は、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。
＜作用、効果＞
第一態様の赤外線発光素子によれば、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｐ型バリア層と、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｎ型バリア層と、を備えることで、活性層とｐ型バリア層との伝導体のバンドオフセット、活性層とｎ型バリア層との価電子帯のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
さらに、ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体を、ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体を用いることで、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方としてＳｉが使用可能となる。Ｓｉは、蒸気圧が低いため制御性が容易であるとともに、毒性のないIV族元素である。
これにより、第一態様の赤外線発光素子は、バリア層によるバリア機能が向上しているとともに、各層を形成する際のドーパント制御性に優れている。つまり、本発明の第一態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。
第一態様の赤外線発光素子によれば、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｐ型バリア層と、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｎ型バリア層と、を備えることで、活性層とｐ型バリア層との伝導体のバンドオフセット、活性層とｎ型バリア層との価電子帯のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
さらに、ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体を、ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体を用いることで、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方としてＳｉが使用可能となる。Ｓｉは、蒸気圧が低いため制御性が容易であるとともに、毒性のないIV族元素である。
これにより、第一態様の赤外線発光素子は、バリア層によるバリア機能が向上しているとともに、各層を形成する際のドーパント制御性に優れている。つまり、本発明の第一態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。
＜好ましい形態＞
第一態様の赤外線発光素子において、ｎ型コンタクト層が含むｎ型ドーパント、ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパント、およびｐ型バリア層が含むｐ型ドーパントは、Ｓｉであることが好ましい。
第一態様の赤外線発光素子は、基板がＧａＡｓ基板であり、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり基板とｎ型コンタクト層との間に形成されたバッファ層をさらに備えることが好ましい。
第一態様の赤外線発光素子は、ＧａＳｂまたはＧａＩｎＳｂを主成分とする化合物半導体層からなりｐ型バリア層上に形成されたｐ型コンタクト層を、さらに備えることが好ましい。ｐ型コンタクト層が含むｐ型ドーパントはＳｉであることが好ましい。
第一態様の赤外線発光素子において、ｎ型コンタクト層が含むｎ型ドーパント、ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパント、およびｐ型バリア層が含むｐ型ドーパントは、Ｓｉであることが好ましい。
第一態様の赤外線発光素子は、基板がＧａＡｓ基板であり、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり基板とｎ型コンタクト層との間に形成されたバッファ層をさらに備えることが好ましい。
第一態様の赤外線発光素子は、ＧａＳｂまたはＧａＩｎＳｂを主成分とする化合物半導体層からなりｐ型バリア層上に形成されたｐ型コンタクト層を、さらに備えることが好ましい。ｐ型コンタクト層が含むｐ型ドーパントはＳｉであることが好ましい。
〔第二態様〕
＜構成＞
図２に示すように、第一態様の赤外線発光素子は、基板１と、基板１の一方の面（基板上）に形成されたｐ型コンタクト層６と、ｐ型コンタクト層６の基板とは反対側の面（ｐ型コンタクト層上）に形成されたｐ型バリア層５と、ｐ型バリア層５のｐ型コンタクト層６とは反対側の面（ｐ型バリア層上）に形成された活性層４と、活性層４のｐ型バリア層５とは反対側の面（活性層上）に形成されたｎ型バリア層３と、を備えている。ｎ型バリア層３は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。活性層４は、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなる。ｐ型バリア層５は、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。
＜構成＞
図２に示すように、第一態様の赤外線発光素子は、基板１と、基板１の一方の面（基板上）に形成されたｐ型コンタクト層６と、ｐ型コンタクト層６の基板とは反対側の面（ｐ型コンタクト層上）に形成されたｐ型バリア層５と、ｐ型バリア層５のｐ型コンタクト層６とは反対側の面（ｐ型バリア層上）に形成された活性層４と、活性層４のｐ型バリア層５とは反対側の面（活性層上）に形成されたｎ型バリア層３と、を備えている。ｎ型バリア層３は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。活性層４は、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなる。ｐ型バリア層５は、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる。
＜作用、効果＞
第二態様の赤外線発光素子によれば、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｐ型バリア層と、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｎ型バリア層と、を備えることで、活性層とｐ型バリア層との伝導体のバンドオフセット、活性層とｎ型バリア層との価電子帯のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
さらに、ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体を、ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体を用いることで、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方としてＳｉが使用可能となる。Ｓｉは、蒸気圧が低いため制御性が容易であるとともに、毒性のないIV族元素である。
これにより、第二態様の赤外線発光素子は、バリア層によるバリア機能が向上しているとともに、各層を形成する際のドーパント制御性に優れている。つまり、本発明の第二態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。
第二態様の赤外線発光素子によれば、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｐ型バリア層と、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるｎ型バリア層と、を備えることで、活性層とｐ型バリア層との伝導体のバンドオフセット、活性層とｎ型バリア層との価電子帯のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
さらに、ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体を、ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体を用いることで、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方としてＳｉが使用可能となる。Ｓｉは、蒸気圧が低いため制御性が容易であるとともに、毒性のないIV族元素である。
これにより、第二態様の赤外線発光素子は、バリア層によるバリア機能が向上しているとともに、各層を形成する際のドーパント制御性に優れている。つまり、本発明の第二態様によれば、発光特性と量産性の両方が改善された赤外線発光素子が得られる。
＜好ましい形態＞
第二態様の赤外線発光素子において、ｐ型コンタクト層が含むｐ型ドーパント、ｐ型バリア層が含むｐ型ドーパント、ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパントは、Ｓｉであることが好ましい。
第二態様の赤外線発光素子は、基板がＧａＡｓ基板であり、ｐ型コンタクト層がＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなることが好ましい。
第二態様の赤外線発光素子は、ＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなりｎ型バリア層上に形成されたｎ型コンタクト層を、さらに備えることが好ましい。ｎ型コンタクト層のｎ型ドーパントはＳｉであることが好ましい。
第二態様の赤外線発光素子において、ｐ型コンタクト層が含むｐ型ドーパント、ｐ型バリア層が含むｐ型ドーパント、ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパントは、Ｓｉであることが好ましい。
第二態様の赤外線発光素子は、基板がＧａＡｓ基板であり、ｐ型コンタクト層がＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなることが好ましい。
第二態様の赤外線発光素子は、ＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなりｎ型バリア層上に形成されたｎ型コンタクト層を、さらに備えることが好ましい。ｎ型コンタクト層のｎ型ドーパントはＳｉであることが好ましい。
〔第一態様および第二態様に共通〕
＜知見に至る経緯＞
良好な特性を有する赤外線発光素子を実現するためには、バリア層が重要な役割を果たす。バリア層は活性層に接して形成される層であり、拡散電流を防ぐ機能を有する。ｐ型バリア層は、活性層との伝導帯のバンドオフセットが十分大きいことが好ましい。ｎ型バリア層は、活性層との価電子帯のバンドオフセットが十分大きいことが好ましい。電子はホールに比べ拡散長も長いことから、特にｐ型バリア層においては、バリア層の膜厚も十分に厚いことが好ましい。
＜知見に至る経緯＞
良好な特性を有する赤外線発光素子を実現するためには、バリア層が重要な役割を果たす。バリア層は活性層に接して形成される層であり、拡散電流を防ぐ機能を有する。ｐ型バリア層は、活性層との伝導帯のバンドオフセットが十分大きいことが好ましい。ｎ型バリア層は、活性層との価電子帯のバンドオフセットが十分大きいことが好ましい。電子はホールに比べ拡散長も長いことから、特にｐ型バリア層においては、バリア層の膜厚も十分に厚いことが好ましい。
バリア層の材料としては、活性層よりもバンドギャップの大きいものを選択することが考えられるが、活性層の材料にＡｌやＧａを一定量加え、その混晶組成を大きくすることでバンドギャップ、伝導帯のバンドオフセット、価電子帯のバンドオフセットを大きく稼ぐ場合が多い。
しかしながら、バリア層のＡｌやＧａの混晶組成を大きくするほど、活性層との格子不整合は大きくなる傾向にあり、その結果、バリア層の臨界膜厚は小さくなるので、十分な膜厚のバリア層を形成できなくなるという問題が生じる。すなわち、特にｐ型バリア層においては、活性層との格子定数も近く、且つ伝導帯のバンドオフセットを大きくとれる材料を選択することが重要である。
しかしながら、バリア層のＡｌやＧａの混晶組成を大きくするほど、活性層との格子不整合は大きくなる傾向にあり、その結果、バリア層の臨界膜厚は小さくなるので、十分な膜厚のバリア層を形成できなくなるという問題が生じる。すなわち、特にｐ型バリア層においては、活性層との格子定数も近く、且つ伝導帯のバンドオフセットを大きくとれる材料を選択することが重要である。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子では、ＡｌＧａＳｂをｐ型バリア層の材料としたことで、活性層との伝導帯のバンドオフセットを大きくとることができる。また、ＡｌＧａＳｂは活性層の材料であるＩｎＡｓＳｂとの格子定数が近いため、ｐ型バリア層の膜厚を大きくすることが可能となる。また、ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを用いることで、活性層との価電子帯のバンドオフセットを大きくすることが可能となる。これにより、拡散電流を防ぐ機能を高め、赤外線発光素子の特性を向上させることが可能となる。
ｐ型バリア層の形成時に使用されるｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが一般的である。特に、Ｚｎは、活性化率が高く、毒性も低いため、好んで用いられる。しかし、Ｚｎは、蒸気圧が高く制御が困難であることや、チャンバ内に残留するなどの懸念がある。また、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを同じにできれば、量産性の向上にもつながる。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子では、ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを用い、ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを用いたことにより、ｎ型バリア層とｐ型バリア層の両方において、ドーパントとしてＳｉを用いることができる。Ｓｉは制御性の良いドーパントであるため、各化合物半導体層を所望のドーピング濃度で形成することが容易になる。さらに、単一のドーパントでｎ型バリア層およびｐ型バリア層の両方のドーピングが可能となるため、量産性にも優れる。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子では、ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを用い、ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを用いたことにより、ｎ型バリア層とｐ型バリア層の両方において、ドーパントとしてＳｉを用いることができる。Ｓｉは制御性の良いドーパントであるため、各化合物半導体層を所望のドーピング濃度で形成することが容易になる。さらに、単一のドーパントでｎ型バリア層およびｐ型バリア層の両方のドーピングが可能となるため、量産性にも優れる。
＜製法＞
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、基板上に各層を形成する工程を経て製造されるが、この工程は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などで行うことができる。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、基板上に各層を形成する工程を経て製造されるが、この工程は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などで行うことができる。
＜追加の構成＞
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、ｎ型バリア層及びｐ型コンタクト層上に形成される電極と、パッシベーション膜とをさらに備えることができる。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、基板上に複数形成して、電気的に直列接続する構造としてもよい。このような構造とすることで、単一の赤外線発光素子の出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。
また、第一態様または第二態様の赤外線発光素子と、この赤外線発光素子を駆動するための集積回路部とを、同一パッケージ内にハイブリッドに形成しても良い。赤外線発光素子と集積回路部との電気的な接続法は特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば特に制限はなく、中空パッケージなどを用いても良い。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、ｎ型バリア層及びｐ型コンタクト層上に形成される電極と、パッシベーション膜とをさらに備えることができる。
第一態様および第二態様の赤外線発光素子は、基板上に複数形成して、電気的に直列接続する構造としてもよい。このような構造とすることで、単一の赤外線発光素子の出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。
また、第一態様または第二態様の赤外線発光素子と、この赤外線発光素子を駆動するための集積回路部とを、同一パッケージ内にハイブリッドに形成しても良い。赤外線発光素子と集積回路部との電気的な接続法は特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば特に制限はなく、中空パッケージなどを用いても良い。
＜各構成についての詳述＞
（基板）
基板は、その上に化合物半導体層を成長できるものであれば特に制限されず、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板などの単結晶基板などが好ましい。また、それらの単結晶基板がドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。
単結晶基板の面方位は、特に制限はないが、（１００）、（１１１）、（１１０）等が好ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°傾けた面方位を用いることもできる。
（基板）
基板は、その上に化合物半導体層を成長できるものであれば特に制限されず、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板などの単結晶基板などが好ましい。また、それらの単結晶基板がドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。
単結晶基板の面方位は、特に制限はないが、（１００）、（１１１）、（１１０）等が好ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°傾けた面方位を用いることもできる。
基板の表面上に形成された複数個の赤外線発光素子を、電極で直列接続して用いる場合、各赤外線発光素子は電極以外の部分では絶縁分離されていることが好ましい。従って、基板としては、半絶縁性の基板か、基板上に形成する各層の積層体と基板とを絶縁分離可能な基板を用いることが好ましい。
さらに、基板として、赤外線を透過する材料を用いることにより、赤外線を基板の裏面側から取り出すことが可能となる。この場合、電極により赤外光が遮られることがないため好ましい。このような基板の材料としては、半絶縁性のＳｉやＧａＡｓ等が好ましい。
通常行われるように、基板の表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体層を基板上に形成したものを、基板として使用しても良い。ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成したものを基板として使用することは、この最も代表的な例である。
さらに、基板として、赤外線を透過する材料を用いることにより、赤外線を基板の裏面側から取り出すことが可能となる。この場合、電極により赤外光が遮られることがないため好ましい。このような基板の材料としては、半絶縁性のＳｉやＧａＡｓ等が好ましい。
通常行われるように、基板の表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体層を基板上に形成したものを、基板として使用しても良い。ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成したものを基板として使用することは、この最も代表的な例である。
（バッファ層）
第一態様の赤外線発光素子は、基板とｎ型コンタクト層との間にバッファ層をさらに備えることが好ましい。バッファ層は基板の表面上に形成される。バッファ層は、その上に形成される全ての結晶性を改善するための層として機能する。これにより、結晶性の良い（欠陥の少ない）活性層を得ることができる。
また、第二態様の赤外線発光素子において、基板とｐ型コンタクト層との間にバッファ層をさらに備えてもよい。
第一態様の赤外線発光素子は、基板とｎ型コンタクト層との間にバッファ層をさらに備えることが好ましい。バッファ層は基板の表面上に形成される。バッファ層は、その上に形成される全ての結晶性を改善するための層として機能する。これにより、結晶性の良い（欠陥の少ない）活性層を得ることができる。
また、第二態様の赤外線発光素子において、基板とｐ型コンタクト層との間にバッファ層をさらに備えてもよい。
バッファ層の材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどが挙げられる。バッファ層は、これらのうちの一つの材料からなる単層でも良いし、複数の層が積層された多層でも良い。また、材料の組成を連続的或いは階段状に変化させながら、格子定数をその上に形成する層（ｎ型コンタクト層やｐ型コンタクト層）の組成に近づけるように形成された、グレーデッドバッファ層を用いても良い。
ＧａＳｂ単層膜及びＡｌＧａＳｂ単層膜は、(a)結晶性が良好な膜を成膜し易い、(b)ＩｎＡｓＳｂを含む活性層との格子不整合をゼロに近づけることが可能、(c)単層膜の方が、グレーデッド層などと比較して膜厚が薄くて済むので、形成時間が短くて済む、などの観点から、バッファ層の材料として好ましい。
バッファ層がＡｌＧａＳｂ単層膜の場合、ＡｌyＧａ(1-y)Ｓｂ（０≦ｙ≦１）のＡｌ組成比ｙが大きくなると電気抵抗は高くなるが、結晶性は悪くなる傾向がある。そのためＡｌ組成比ｙは所望の抵抗、結晶性に応じて適宜選択する。ＡｌyＧａ(1-y)Ｓｂ（０≦ｙ≦１）のＡｌ組成比ｙが大きすぎると酸化腐食しやすくなるため、酸化、腐食のしやすさの観点からは、Ａｌ組成比ｙを０以上０．８以下とすることが好ましい。
バッファ層がＡｌＧａＳｂ単層膜の場合、ＡｌyＧａ(1-y)Ｓｂ（０≦ｙ≦１）のＡｌ組成比ｙが大きくなると電気抵抗は高くなるが、結晶性は悪くなる傾向がある。そのためＡｌ組成比ｙは所望の抵抗、結晶性に応じて適宜選択する。ＡｌyＧａ(1-y)Ｓｂ（０≦ｙ≦１）のＡｌ組成比ｙが大きすぎると酸化腐食しやすくなるため、酸化、腐食のしやすさの観点からは、Ａｌ組成比ｙを０以上０．８以下とすることが好ましい。
また、ＧａＳｂ単層膜はＡｌＧａＳｂ単層膜よりも、結晶性が良好な膜に成膜できるため、良好な結晶性を得るという観点からは、ＧａＳｂ単層膜を用いることがより好ましい。
第一態様の赤外線発光素子の好ましい形態である「基板がＧａＡｓ基板であり、基板とｎ型コンタクト層の間に、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるバッファ層をさらに備える構成」では、ＡｌＧａＳｂをバッファ層の材料として用い、上述のようにＡｌ組成比を大きくしてバッファ層の電気抵抗を高くすることで、バッファ層がノンドープで絶縁層として機能する。これにより、バッファ層はＰＩＮ構造に寄与しない層とすることができるため好ましい。
第一態様の赤外線発光素子の好ましい形態である「基板がＧａＡｓ基板であり、基板とｎ型コンタクト層の間に、ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなるバッファ層をさらに備える構成」では、ＡｌＧａＳｂをバッファ層の材料として用い、上述のようにＡｌ組成比を大きくしてバッファ層の電気抵抗を高くすることで、バッファ層がノンドープで絶縁層として機能する。これにより、バッファ層はＰＩＮ構造に寄与しない層とすることができるため好ましい。
バッファ層の膜厚は、薄すぎると活性層の結晶性改善の効果がなくなり、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になるため、０．３μｍ以上２μｍ以下が好ましい。
ＧａＳｂ単層膜及びＡｌＧａＳｂ単層膜をバッファ層として用いる場合、ノンドープでも良いし、ｎ型或いはｐ型にドーピングしても良い。
バッファ層上にｎ型コンタクト層を形成する場合、ノンドープのＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜上にｎ型コンタクト層を形成しても良いし、ｎ型にドープしたＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜をそのままｎ型コンタクト層として兼用しても良い。
ＧａＳｂ単層膜及びＡｌＧａＳｂ単層膜をバッファ層として用いる場合、ノンドープでも良いし、ｎ型或いはｐ型にドーピングしても良い。
バッファ層上にｎ型コンタクト層を形成する場合、ノンドープのＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜上にｎ型コンタクト層を形成しても良いし、ｎ型にドープしたＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜をそのままｎ型コンタクト層として兼用しても良い。
但し、ＧａＳｂやＡｌＧａＳｂの単層膜をｎ型化するためには、蒸気圧が低いＳｉやＳｎなどのIV族元素は、ｐ型ドーパントとして働くため用いることはできず、蒸気圧が高く、毒性もあるVI族元素であるＴｅなどを用いなければならない。Ｔｅなどを用いる場合には、蒸気圧が高いためその制御が難しい、或いは成膜装置のチャンバ汚染などの懸念がある。
すなわち、バッファ層上にｎ型コンタクト層を形成する場合には、ノンドープのＧａＳｂやＡｌＧａＳｂの単層膜をバッファ層として用いることが好ましい。
一方、バッファ層上にｐ型コンタクト層を形成する場合には、ｐ型にドープしたＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜をそのままｐ型コンタクト層として兼用しても良い。ＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜のｐ型化に関しては、蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをドーパントとして用いることができるので好ましい。
すなわち、バッファ層上にｎ型コンタクト層を形成する場合には、ノンドープのＧａＳｂやＡｌＧａＳｂの単層膜をバッファ層として用いることが好ましい。
一方、バッファ層上にｐ型コンタクト層を形成する場合には、ｐ型にドープしたＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜をそのままｐ型コンタクト層として兼用しても良い。ＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂの単層膜のｐ型化に関しては、蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをドーパントとして用いることができるので好ましい。
（ｎ型コンタクト層）
ｎ型コンタクト層は、電極とのコンタクト層として機能する。ｎ型コンタクト層の材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ 、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどが挙げられる。
ｎ型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。ｎ型コンタクト層には、コンタクト抵抗を下げるために十分なドーピングがされることが必要である。そのため、ドーピング濃度としては、１×１０18／ｃｍ3以上が好ましい。ｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅなどが挙げられる。
ｎ型コンタクト層は、電極とのコンタクト層として機能する。ｎ型コンタクト層の材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ 、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどが挙げられる。
ｎ型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。ｎ型コンタクト層には、コンタクト抵抗を下げるために十分なドーピングがされることが必要である。そのため、ドーピング濃度としては、１×１０18／ｃｍ3以上が好ましい。ｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅなどが挙げられる。
ｎ型コンタクト層の材料としては、(d)活性層をなすＩｎＡｓＳｂと格子定数が近い、(e)蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをドーパントとして用いることができる、(f)シート抵抗を小さくできる、という観点から、ＩｎＡｓまたはＩｎＡｓＳｂであることが特に好ましい。活性層と同じ材料であるＩｎＡｓＳｂを用いると格子定数を完全に一致させることができるため、さらに好ましい。
ｎ型コンタクト層の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、ｎ型コンタクト層の膜厚としては、０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましい範囲として挙げられる。
ｎ型コンタクト層の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、ｎ型コンタクト層の膜厚としては、０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましい範囲として挙げられる。
（ｎ型バリア層）
第一態様および第二態様赤外線発光素子のｎ型バリア層は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり、活性層からの拡散電流を防ぐ機能を有する。ＩｎＡｓＳｂからなる活性層に対してバンドギャップの大きいＡｌＩｎＡｓＳｂをｎ型バリア層として用いることで、価電子帯のバンドオフセットが大きく取れる。
活性層とｎ型バリア層の格子定数が異なる場合、ｎ型バリア層の膜厚が臨界膜厚を超えると、ｎ型バリア層の結晶性が劣化するため、材料選択の際には、伝導帯或いは価電子帯のバンドオフセットおよび結晶性劣化の両方を考慮する必要がある。ｎ型バリア層の膜厚を厚くするという観点からは、活性層とｎ型バリア層の格子定数の差はなるべく小さい方が好ましい。
第一態様および第二態様赤外線発光素子のｎ型バリア層は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり、活性層からの拡散電流を防ぐ機能を有する。ＩｎＡｓＳｂからなる活性層に対してバンドギャップの大きいＡｌＩｎＡｓＳｂをｎ型バリア層として用いることで、価電子帯のバンドオフセットが大きく取れる。
活性層とｎ型バリア層の格子定数が異なる場合、ｎ型バリア層の膜厚が臨界膜厚を超えると、ｎ型バリア層の結晶性が劣化するため、材料選択の際には、伝導帯或いは価電子帯のバンドオフセットおよび結晶性劣化の両方を考慮する必要がある。ｎ型バリア層の膜厚を厚くするという観点からは、活性層とｎ型バリア層の格子定数の差はなるべく小さい方が好ましい。
また、ｎ型バリア層は、ｎ型ドーピングにより価電子帯の上端を下げることができ、熱励起された正孔の拡散障壁としてより効果的に機能する。そのため、ｎ型バリア層は十分なドーピングがなされている必要があり、ドーピング濃度は１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。ｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅなどが挙げられる。
ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを用いることで、ＩｎＡｓＳｂからなる活性層とｎ型バリア層との格子定数が近くなるとともに、蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをｎ型ドーパントとして用いることができる。
ｎ型バリア層の材料としてＡｌＩｎＡｓＳｂを用いることで、ＩｎＡｓＳｂからなる活性層とｎ型バリア層との格子定数が近くなるとともに、蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをｎ型ドーパントとして用いることができる。
この場合、ＡｌＩｎＡｓＳｂのＡｌ組成比が小さすぎると十分な価電子帯のバンドオフセットを確保できず、また、ＡｌＩｎＡｓＳｂのＡｌ組成比が大きすぎるとＩｎＡｓＳｂを含む活性層との格子定数の差が大きくなり、ｎ型バリア層の臨界膜厚が小さくなるため、ｎ型バリア層として十分な膜厚を確保できなくなる。そのため、ＡｌＩｎＡｓＳｂのＡｌ組成比は０．１以上０．５以下が好ましい。
ｎ型バリア層の膜厚は、赤外線発光素子の抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と活性層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚は必要となる。このため、ｎ型バリア層の膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、ｎ型バリア層の膜厚の上限については、活性層とｎ型バリア層との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。
ｎ型バリア層の膜厚は、赤外線発光素子の抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と活性層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚は必要となる。このため、ｎ型バリア層の膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、ｎ型バリア層の膜厚の上限については、活性層とｎ型バリア層との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。
（活性層）
第一態様および第二態様赤外線発光素子の活性層はＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる。活性層のＡｓ組成比ｘは、特に限定されないが、Ａｓ組成比ｘを所望の値に設定することで、赤外線発光のピーク波長を、３μｍから１０μｍの広範囲にわたり制御することが可能である。バッファ層としてＡｌＧａＳｂ、ＧａＳｂを用いた場合には、活性層のＩｎＡｓＳｂの格子定数がバッファ層の格子定数に近い方が良好な結晶が得られるため、Ａｓ組成比ｘは０．７以上１以下が好ましい。
活性層の膜厚は、発光量を増やすためには厚い方が好ましいが、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になるため、０．５μｍ以上３μｍ以下が好ましい。
第一態様および第二態様赤外線発光素子の活性層はＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる。活性層のＡｓ組成比ｘは、特に限定されないが、Ａｓ組成比ｘを所望の値に設定することで、赤外線発光のピーク波長を、３μｍから１０μｍの広範囲にわたり制御することが可能である。バッファ層としてＡｌＧａＳｂ、ＧａＳｂを用いた場合には、活性層のＩｎＡｓＳｂの格子定数がバッファ層の格子定数に近い方が良好な結晶が得られるため、Ａｓ組成比ｘは０．７以上１以下が好ましい。
活性層の膜厚は、発光量を増やすためには厚い方が好ましいが、厚すぎると形成に時間がかかるとともに素子分離のためのメサエッチング工程が困難になるため、０．５μｍ以上３μｍ以下が好ましい。
活性層はノンドープのものでも良いし、ｎ型やｐ型にドーピングされたものでもよい。ＩｎＡｓＳｂはバンドギャップが非常に小さいため、真性キャリア密度が非常に大きい。このことは、拡散電流の増大や、オージェ再結合過程の促進をもたらす。活性層をｐ型にドーピングすることで、これらの影響を低減することができる。ドーピング量は適宜設定される。
ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる活性層のｐ型ドーパントとしては、一般的にはＢｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられるが、Ｚｎは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。
ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる活性層のｐ型ドーパントとしては、一般的にはＢｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられるが、Ｚｎは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。
（ｐ型バリア層）
第一態様および第二態様赤外線発光素子のｐ型バリア層は、ＡｌＧａＳｂ主成分とする化合物半導体層からなり、活性層からの拡散電流を防ぐ機能を有する。ＩｎＡｓＳｂからなる活性層に対してバンドギャップの大きいＡｌＧａＳｂをｐ型バリア層の材料として用いることで、伝導帯のバンドオフセットが大きく取れる。
また、ｐ型バリア層は、ｐ型ドーピングにより伝導帯の下端を上げることができ、熱励起された電子の拡散障壁としてより効果的に機能する。そのため、ｐ型バリア層は十分なドーピングがなされている必要があり、ドーピング濃度は１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。
第一態様および第二態様赤外線発光素子のｐ型バリア層は、ＡｌＧａＳｂ主成分とする化合物半導体層からなり、活性層からの拡散電流を防ぐ機能を有する。ＩｎＡｓＳｂからなる活性層に対してバンドギャップの大きいＡｌＧａＳｂをｐ型バリア層の材料として用いることで、伝導帯のバンドオフセットが大きく取れる。
また、ｐ型バリア層は、ｐ型ドーピングにより伝導帯の下端を上げることができ、熱励起された電子の拡散障壁としてより効果的に機能する。そのため、ｐ型バリア層は十分なドーピングがなされている必要があり、ドーピング濃度は１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。
ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが挙げられる。Ｓｉは、一般的にはｎ型ドーパントとして知られているが、ＡｌＧａＳｂに対してはｐ型ドーパントとして用いることができる。
ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを用いることで、ＩｎＡｓＳｂからなる活性層とｐ型バリア層との格子定数が近くなるとともに、蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをｐ型ドーパントとして用いることができ、さらに、伝導帯のバンドオフセットを大きくできる。
ｐ型バリア層の材料としてＡｌＧａＳｂを用いることで、ＩｎＡｓＳｂからなる活性層とｐ型バリア層との格子定数が近くなるとともに、蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをｐ型ドーパントとして用いることができ、さらに、伝導帯のバンドオフセットを大きくできる。
活性層をなすＩｎＡｓＳｂとの格子定数の差が十分小さいため、ｐ型バリア層のＡｌＧａＳｂのＡｌ組成比は臨界膜厚によって制約されないが、Ａｌ組成比が大きすぎると酸化、腐食などの懸念があるため、Ａｌ組成比は０以上０．８以下が好ましい。
ｐ型バリア層の膜厚は、発光素子の素子抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と活性層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、ｐ型バリア層の膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、ｐ型バリア層の膜厚の上限については、活性層とｎ型バリア層との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。
ｐ型バリア層の膜厚は、発光素子の素子抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と活性層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、ｐ型バリア層の膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、ｐ型バリア層の膜厚の上限については、活性層とｎ型バリア層との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。
（ｐ型コンタクト層）
ｐ型コンタクト層は、電極とのコンタクト層として機能する。ｐ型コンタクト層の材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどが挙げられる。
ｐ型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。ｐ型コンタクト層には、コンタクト抵抗を下げるために十分なドーピングがされることが必要である。そのため、ドーピング濃度としては、１×１０18／ｃｍ3以上が好ましい。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが挙げられる。
ｐ型コンタクト層は、電極とのコンタクト層として機能する。ｐ型コンタクト層の材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどが挙げられる。
ｐ型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。ｐ型コンタクト層には、コンタクト抵抗を下げるために十分なドーピングがされることが必要である。そのため、ドーピング濃度としては、１×１０18／ｃｍ3以上が好ましい。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが挙げられる。
ｐ型コンタクト層の材料としては、(d)活性層をなすＩｎＡｓＳｂと格子定数が近い、(e)蒸気圧が低く、最も一般的に用いられるIV族元素であるＳｉをドーパントとして用いることができる、(f)シート抵抗を小さくできる、という観点から、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＳｂが好ましい。ｐ型コンタクト層の材料がＧａＳｂであると、ＡｌＧａＳｂである場合よりもシート抵抗を小さくできるため、好ましい。
また、Ｉｎ組成を制御することでＩｎＡｓＳｂと格子整合が可能であるため、ＧａＩｎＳｂをｐ型コンタクト層の材料として用いることも好ましい。
ｐ型コンタクト層の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、ｐ型コンタクト層の膜厚は０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましい範囲として挙げられる。
また、Ｉｎ組成を制御することでＩｎＡｓＳｂと格子整合が可能であるため、ＧａＩｎＳｂをｐ型コンタクト層の材料として用いることも好ましい。
ｐ型コンタクト層の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、ｐ型コンタクト層の膜厚は０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましい範囲として挙げられる。
（パッシベーション膜）
パッシベーション膜は、絶縁性の膜であれば特に限定されない。パッシベーション膜の材料として、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）又はシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などが挙げられる。
（電極）
電極としては、ｐ型コンタクト層に電気的に接続するｐ型電極と、ｎ型コンタクト層に電気的に接続するｎ型電極がある。電極は、導電性の膜で構成されていれば特に限定されず、Ａｕ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の積層膜（上層／下層）などが挙げられる。
パッシベーション膜は、絶縁性の膜であれば特に限定されない。パッシベーション膜の材料として、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）又はシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などが挙げられる。
（電極）
電極としては、ｐ型コンタクト層に電気的に接続するｐ型電極と、ｎ型コンタクト層に電気的に接続するｎ型電極がある。電極は、導電性の膜で構成されていれば特に限定されず、Ａｕ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の積層膜（上層／下層）などが挙げられる。
〔実施形態〕
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
なお、以下の説明で使用する図において、図示されている各部の寸法関係は、実際の寸法関係と異なる場合がある。
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
なお、以下の説明で使用する図において、図示されている各部の寸法関係は、実際の寸法関係と異なる場合がある。
＜第一実施形態＞
（構成）
第一実施形態の赤外線発光素子は、図３に示すように、基板１と、バッファ層７と、ｎ型コンタクト層２と、ｎ型バリア層３と、活性層４と、ｐ型バリア層５と、ｐ型コンタクト層６と、ｎ型電極８と、ｐ型電極９と、パッシベーション膜１０とを備えている。
基板１上に、バッファ層７、ｎ型コンタクト層２、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６が、この順に形成されている。つまり、バッファ層７、ｎ型コンタクト層２、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６からなる化合物半導体積層体が、基板１上に形成されている。
（構成）
第一実施形態の赤外線発光素子は、図３に示すように、基板１と、バッファ層７と、ｎ型コンタクト層２と、ｎ型バリア層３と、活性層４と、ｐ型バリア層５と、ｐ型コンタクト層６と、ｎ型電極８と、ｐ型電極９と、パッシベーション膜１０とを備えている。
基板１上に、バッファ層７、ｎ型コンタクト層２、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６が、この順に形成されている。つまり、バッファ層７、ｎ型コンタクト層２、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６からなる化合物半導体積層体が、基板１上に形成されている。
バッファ層７およびｎ型コンタクト層２の幅は、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６の幅より大きい。つまり、ｎ型コンタクト層２とｎ型バリア層３との間に段差を有する。この段差により生じたｎ型コンタクト層２の上面にｎ型電極８が形成され、ｐ型コンタクト層６の上面にｐ型電極９が形成されている。
パッシベーション膜１０により、基板１の上面、化合物半導体積層体の側面および上面が覆われている。ｎ型電極８とｐ型電極９の上部はパッシベーション膜１０から露出している。
パッシベーション膜１０により、基板１の上面、化合物半導体積層体の側面および上面が覆われている。ｎ型電極８とｐ型電極９の上部はパッシベーション膜１０から露出している。
基板１はＧａＡｓからなる。バッファ層７はＡｌＧａＳｂからなる。ｎ型コンタクト層２はＳｉ（ｎ型ドーパント）を含むＩｎＡｓＳｂからなる。ｎ型バリア層３はＳｉ（ｎ型ドーパント）を含むＡｌＩｎＡｓＳｂからなる。活性層４はＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる。ｐ型バリア層５はＳｉ（ｐ型ドーパント）を含むＡｌＧａＳｂからなる。ｐ型コンタクト層６はＳｉ（ｐ型ドーパント）を含むＧａＳｂまたはＧａＩｎＳｂからなる。ｎ型電極８はＡｕ／Ｔｉからなる。ｐ型電極９はＡｕ／Ｔｉからなる。パッシベーション膜１０はシリコン窒化物からなる。
（作用、効果）
第一実施形態の赤外線発光素子によれば、Ｓｉを含むＡｌＧａＳｂからなるｐ型バリア層５を備えることで、活性層４とｐ型バリア層５との伝導体のバンドオフセットを十分大きくすることができる。また、ＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を有することで、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる活性層４の結晶性が改善される。また、ｎ型コンタクト層２が活性層４と同じＩｎＡｓＳｂからなるため、ｎ型コンタクト層２と活性層４の格子定数が一致する。
第一実施形態の赤外線発光素子によれば、Ｓｉを含むＡｌＧａＳｂからなるｐ型バリア層５を備えることで、活性層４とｐ型バリア層５との伝導体のバンドオフセットを十分大きくすることができる。また、ＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を有することで、ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる活性層４の結晶性が改善される。また、ｎ型コンタクト層２が活性層４と同じＩｎＡｓＳｂからなるため、ｎ型コンタクト層２と活性層４の格子定数が一致する。
また、ｎ型バリア層３が、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）に対するバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＩｎＡｓＳｂからなるため、価電子帯のバンドオフセットが大きく取れる。また、ｐ型コンタクト層６が、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）と格子定数が近いＧａＳｂからなる。
以上のことから、第一実施形態の赤外線発光素子によれば、良好な発光特性が得られる。
また、第一実施形態の赤外線発光素子は、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方として制御性なＳｉを使用しているため、量産性にも優れている。
以上のことから、第一実施形態の赤外線発光素子によれば、良好な発光特性が得られる。
また、第一実施形態の赤外線発光素子は、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方として制御性なＳｉを使用しているため、量産性にも優れている。
（製造方法）
先ず、ＧａＡｓウエハ（基板１）の上面に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いて、バッファ層７、ｎ型コンタクト層２、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６を形成する。次に、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより、素子毎に、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６を、部分的に除去して、ｎ型コンタクト層２とｎ型電極８とのコンタクトを取るための段差形成を行う。これにより、ＧａＡｓウエハ上に、段差を有する複数の化合物半導体積層体が形成される。
先ず、ＧａＡｓウエハ（基板１）の上面に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いて、バッファ層７、ｎ型コンタクト層２、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６を形成する。次に、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより、素子毎に、ｎ型バリア層３、活性層４、ｐ型バリア層５、およびｐ型コンタクト層６を、部分的に除去して、ｎ型コンタクト層２とｎ型電極８とのコンタクトを取るための段差形成を行う。これにより、ＧａＡｓウエハ上に、段差を有する複数の化合物半導体積層体が形成される。
次に、段差を有する複数の化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行う。ここでは、段差の底部に現れているｎ型コンタクト層とバッファ層を順次、部分的に除去する。これにより、素子分離領域には基板１の上面が露出する。
次に、シリコン窒化物からなるパッシベーション膜１０により、基板１の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆う。
次に、パッシベーション膜１０のうちｎ型電極８およびｐ型電極９を形成する部分をエッチングして貫通穴を形成する。次に、リフトオフ法などでこの貫通穴を埋めるようにＡｕ／Ｔｉ電極を形成する。
次に、シリコン窒化物からなるパッシベーション膜１０により、基板１の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆う。
次に、パッシベーション膜１０のうちｎ型電極８およびｐ型電極９を形成する部分をエッチングして貫通穴を形成する。次に、リフトオフ法などでこの貫通穴を埋めるようにＡｕ／Ｔｉ電極を形成する。
＜第二実施形態＞
（構成）
第二実施形態の赤外線発光素子は、図４に示すように、基板１と、ｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、ｎ型コンタクト層２と、ｎ型電極８と、ｐ型電極９と、パッシベーション膜１０とを備えている。
基板１上に、ｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、ｎ型コンタクト層２が、この順に形成されている。つまり、ｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、およびｎ型コンタクト層２からなる化合物半導体積層体が、基板１上に形成されている。
（構成）
第二実施形態の赤外線発光素子は、図４に示すように、基板１と、ｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、ｎ型コンタクト層２と、ｎ型電極８と、ｐ型電極９と、パッシベーション膜１０とを備えている。
基板１上に、ｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、ｎ型コンタクト層２が、この順に形成されている。つまり、ｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、およびｎ型コンタクト層２からなる化合物半導体積層体が、基板１上に形成されている。
ｐ型コンタクト層６の幅は、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、ｎ型コンタクト層２の幅より大きい。つまり、ｐ型コンタクト層６とｐ型バリア層５との間に段差を有する。この段差により生じたｐ型コンタクト層６の上面にｐ型電極９が形成され、ｎ型コンタクト層２の上面にｎ型電極８が形成されている。
パッシベーション膜１０により、基板１の上面、化合物半導体積層体の側面および上面が覆われている。ｎ型電極８とｐ型電極９の上部はパッシベーション膜１０から露出している。
パッシベーション膜１０により、基板１の上面、化合物半導体積層体の側面および上面が覆われている。ｎ型電極８とｐ型電極９の上部はパッシベーション膜１０から露出している。
基板１はＧａＡｓからなる。ｎ型コンタクト層２はＳｉ（ｎ型ドーパント）を含むＩｎＡｓＳｂまたはＩｎＡｓからなる。ｎ型バリア層３はＳｉ（ｎ型ドーパント）を含むＡｌＩｎＡｓＳｂまたはＩｎＡｓからなる。活性層４はＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）からなる。ｐ型バリア層５はＳｉ（ｐ型ドーパント）を含むＡｌＧａＳｂからなる。ｐ型コンタクト層６はＳｉ（ｐ型ドーパント）を含むＧａＳｂからなる。ｎ型電極８はＡｕ／Ｔｉからなる。ｐ型電極９はＡｕ／Ｔｉからなる。パッシベーション膜１０はシリコン窒化物からなる。
（作用、効果）
第二実施形態の赤外線発光素子によれば、Ｓｉを含むＡｌＧａＳｂからなるｐ型バリア層５を備えることで、活性層４とｐ型バリア層５との伝導体のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
また、ｎ型コンタクト層２が活性層４と同じＩｎＡｓＳｂまたはＩｎＡｓからなるため、ｎ型コンタクト層２と活性層４の格子定数が一致する。また、ｎ型バリア層３が、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）に対するバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＩｎＡｓＳｂまたはＡｌＩｎＡｓからなるため、価電子帯のバンドオフセットが大きく取れる。また、ｐ型コンタクト層６が、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）と格子定数が近いＧａＳｂからなることで、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）の結晶性を良好にすることができる。
以上のことから、第二実施形態の赤外線発光素子によれば、良好な発光特性が得られる。
また、第二実施形態の赤外線発光素子は、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方として制御性なＳｉを使用しているため、量産性にも優れている。
第二実施形態の赤外線発光素子によれば、Ｓｉを含むＡｌＧａＳｂからなるｐ型バリア層５を備えることで、活性層４とｐ型バリア層５との伝導体のバンドオフセットを十分大きくすることができる。
また、ｎ型コンタクト層２が活性層４と同じＩｎＡｓＳｂまたはＩｎＡｓからなるため、ｎ型コンタクト層２と活性層４の格子定数が一致する。また、ｎ型バリア層３が、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）に対するバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＩｎＡｓＳｂまたはＡｌＩｎＡｓからなるため、価電子帯のバンドオフセットが大きく取れる。また、ｐ型コンタクト層６が、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）と格子定数が近いＧａＳｂからなることで、活性層４をなすＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）の結晶性を良好にすることができる。
以上のことから、第二実施形態の赤外線発光素子によれば、良好な発光特性が得られる。
また、第二実施形態の赤外線発光素子は、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの両方として制御性なＳｉを使用しているため、量産性にも優れている。
（製造方法）
第二実施形態の赤外線発光素子は第一実施形態の赤外線発光素子と化合物半導体積層体の構成が異なるため、各層の形成順が異なるが、基本的には第一実施形態に記載された方法で製造できる。
第二実施形態の赤外線発光素子は第一実施形態の赤外線発光素子と化合物半導体積層体の構成が異なるため、各層の形成順が異なるが、基本的には第一実施形態に記載された方法で製造できる。
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図３に示す構造の赤外線発光素子を以下のようにして作製した。
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶からなる基板１上に、バッファ層７と、ｎ型コンタクト層２と、ｎ型バリア層３と、活性層４と、ｐ型バリア層５と、ｐ型コンタクト層６を順次積層することにより、ＰＩＮ構造の化合物半導体積層体を形成した。
この積層工程では、バッファ層７としてノンドープのＡｌ0.55Ｇａ0.45Ｓｂ層を０．５μｍ形成した。ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．７μｍ形成した。ｎ型バリア層３としてＳｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．０２μｍ形成した。活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を２μｍ形成した。ｐ型バリア層５として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。ｐ型コンタクト層６として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＧａＳｂ層を０．５μｍ形成した。
［実施例１］
図３に示す構造の赤外線発光素子を以下のようにして作製した。
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶からなる基板１上に、バッファ層７と、ｎ型コンタクト層２と、ｎ型バリア層３と、活性層４と、ｐ型バリア層５と、ｐ型コンタクト層６を順次積層することにより、ＰＩＮ構造の化合物半導体積層体を形成した。
この積層工程では、バッファ層７としてノンドープのＡｌ0.55Ｇａ0.45Ｓｂ層を０．５μｍ形成した。ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．７μｍ形成した。ｎ型バリア層３としてＳｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．０２μｍ形成した。活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を２μｍ形成した。ｐ型バリア層５として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。ｐ型コンタクト層６として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＧａＳｂ層を０．５μｍ形成した。
この積層工程では、蒸気圧が低いため制御が簡単で、毒性もなく一般的に用いられるＳｉのみをドーパントとして用いている。つまり、この方法は、ＰＩＮ構造の化合物半導体積層体の作製方法として、量産性に優れた方法である。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、３０４ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体に対して以下の工程を行うことにより、実施例１の赤外線発光素子を作製した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、３０４ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体に対して以下の工程を行うことにより、実施例１の赤外線発光素子を作製した。
まず、ｎ型コンタクト層２とのコンタクトをとるための段差形成を、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、ＳｉＮからなるパッシベーション膜１０により、基板１の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆った。次いで、パッシベーション膜１０の電極形成部分に貫通穴を形成した。次いで、ｎ型コンタクト層２の段差部分上及びｐ型コンタクト層６上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ（電子ビーム）蒸着し、リフトオフ法により各貫通穴にｎ型電極８およびｐ型電極９をそれぞれ形成した。
このようにして、図３に示す構造の赤外線発光素子を得た。
このようにして、図３に示す構造の赤外線発光素子を得た。
［実施例２］
ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたn型のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．７μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３としてＳｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．０２μｍ形成した。また、活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を２μｍ形成した。また、ｐ型コンタクト層６として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＧａ0.96Ｉｎ0.04Ｓｂ層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例１と同じ方法でＰＩＮ構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、３０６ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体に対して実施例１と同じ工程を行うことにより、実施例２の赤外線発光素子を作製した。
ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたn型のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．７μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３としてＳｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．０２μｍ形成した。また、活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を２μｍ形成した。また、ｐ型コンタクト層６として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＧａ0.96Ｉｎ0.04Ｓｂ層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例１と同じ方法でＰＩＮ構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、３０６ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体に対して実施例１と同じ工程を行うことにより、実施例２の赤外線発光素子を作製した。
［実施例３］
図４に示す構造の赤外線発光素子を以下のようにして作製した。
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶からなる基板１上に、バッファ層を兼ねたｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、ｎ型コンタクト層２を順次積層することにより、ＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
この積層工程では、バッファ層を兼ねたｐ型コンタクト層６として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＧａＳｂ層を１．０μｍ形成した。また、ｐ型バリア層５として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。また、活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．５μｍ形成した。
図４に示す構造の赤外線発光素子を以下のようにして作製した。
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶からなる基板１上に、バッファ層を兼ねたｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、活性層４と、ｎ型バリア層３と、ｎ型コンタクト層２を順次積層することにより、ＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
この積層工程では、バッファ層を兼ねたｐ型コンタクト層６として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＧａＳｂ層を１．０μｍ形成した。また、ｐ型バリア層５として、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｐ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。また、活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13層を０．５μｍ形成した。
この積層工程では、蒸気圧が低いため制御が簡単で、毒性もなく一般的に用いられるＳｉのみをドーパントとして用いている。つまり、この方法は、ＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体の作製方法として、量産性に優れた方法である。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１８４ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例３で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
この効果が得られた理由は、実施例１および２ではＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を厚さ０．５μｍで基板１上に形成しているのに対して、実施例３ではバッファ層を兼ねたＧａＳｂからなるｐ型コンタクト層６を厚さ１．０μｍで形成していることによるものと推測される。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.87Ｓｂ0.13からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１８４ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例３で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
この効果が得られた理由は、実施例１および２ではＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を厚さ０．５μｍで基板１上に形成しているのに対して、実施例３ではバッファ層を兼ねたＧａＳｂからなるｐ型コンタクト層６を厚さ１．０μｍで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して以下の工程を行うことにより、実施例４の赤外線発光素子を作製した。
まず、ｐ型コンタクト層６とのコンタクトをとるための段差形成を、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、ＳｉＮからなるパッシベーション膜１０により、基板１の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆った。次いで、パッシベーション膜１０の電極形成部分に貫通穴を形成した。次いで、ｐ型コンタクト層６の段差部分上及びｎ型コンタクト層２上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ（電子ビーム）蒸着し、リフトオフ法により各貫通穴にｐ型電極９およびｎ型電極８をそれぞれ形成した。
このようにして、図４に示す構造の赤外線発光素子を得た。
まず、ｐ型コンタクト層６とのコンタクトをとるための段差形成を、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などにより行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、ＳｉＮからなるパッシベーション膜１０により、基板１の上面及び素子分離された化合物半導体積層体の上面及び側面を覆った。次いで、パッシベーション膜１０の電極形成部分に貫通穴を形成した。次いで、ｐ型コンタクト層６の段差部分上及びｎ型コンタクト層２上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ（電子ビーム）蒸着し、リフトオフ法により各貫通穴にｐ型電極９およびｎ型電極８をそれぞれ形成した。
このようにして、図４に示す構造の赤外線発光素子を得た。
［実施例４］
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１９９ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例４で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたｎ型のＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１９９ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例４で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
この効果が得られた理由は、実施例１および２ではＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を厚さ０．５μｍで基板１上に形成しているのに対して、実施例４ではバッファ層を兼ねたＧａＳｂからなるｐ型コンタクト層６を厚さ１．０μｍで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例４の赤外線発光素子を作製した。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例４の赤外線発光素子を作製した。
［実施例５］
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.96Ｓｂ0.04層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.96Ｓｂ0.04層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ0.96Ｓｂ0.04層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.96Ｓｂ0.04からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、２０３ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例５で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.96Ｓｂ0.04層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.96Ｓｂ0.04層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ0.96Ｓｂ0.04層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.96Ｓｂ0.04からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、２０３ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例５で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
この効果が得られた理由は、実施例１および２ではＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を厚さ０．５μｍで基板１上に形成しているのに対して、実施例５ではバッファ層を兼ねたＧａＳｂからなるｐ型コンタクト層６を厚さ１．０μｍで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例５の赤外線発光素子を得た。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例５の赤外線発光素子を得た。
［実施例６］
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.98Ｓｂ0.02層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.98Ｓｂ0.02層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ0.98Ｓｂ0.02層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.98Ｓｂ0.02からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、２４８ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例６で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ0.98Ｓｂ0.02層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ0.98Ｓｂ0.02層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ0.98Ｓｂ0.02層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓ0.98Ｓｂ0.02からなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、２４８ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例６で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
この効果が得られた理由は、実施例１および２ではＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を厚さ０．５μｍで基板１上に形成しているのに対して、実施例６ではバッファ層を兼ねたＧａＳｂからなるｐ型コンタクト層６を厚さ１．０μｍで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例６の赤外線発光素子を得た。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例６の赤外線発光素子を得た。
［実施例７］
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓからなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、２６５ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例７で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
活性層４として、ノンドープのＩｎＡｓ層を２μｍ形成した。また、ｎ型バリア層３として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ａｓ層を０．０２μｍ形成した。また、ｎ型コンタクト層２として、Ｓｉを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ層を０．５μｍ形成した。これ以外は実施例３と同じ方法でＰＩＮ逆構造の化合物半導体積層体を形成した。
得られた化合物半導体積層体のＩｎＡｓからなる活性層４について、Ｘ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、２６５ａｒｃｓｅｃであった。この値は、実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の値と比較して小さい。つまり、実施例７で得られた化合物半導体積層体の活性層４は実施例１および２で得られた化合物半導体積層体の活性層４よりも結晶性が良好であった。
この効果が得られた理由は、実施例１および２ではＡｌＧａＳｂからなるバッファ層７を厚さ０．５μｍで基板１上に形成しているのに対して、実施例７ではバッファ層を兼ねたＧａＳｂからなるｐ型コンタクト層６を厚さ１．０μｍで形成していることによるものと推測される。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例７の赤外線発光素子を得た。
この化合物半導体積層体に対して実施例３と同じ工程を行うことにより、実施例７の赤外線発光素子を得た。
実施例１〜２の赤外線発光素子の基板以外の各層の構成と、得られた活性層のＦＷＨＭ値を表１に、実施例３〜７の赤外線発光素子の基板以外の各層の構成と、得られた活性層のＦＷＨＭ値を表２にそれぞれまとめて示す。
１ 基板
２ ｎ型コンタクト層
３ ｎ型バリア層
４ 活性層
５ ｐ型バリア層
６ ｐ型コンタクト層
７ バッファ層
８ ｎ型電極
９ ｐ型電極
１０ パッシベーション膜
２ ｎ型コンタクト層
３ ｎ型バリア層
４ 活性層
５ ｐ型バリア層
６ ｐ型コンタクト層
７ バッファ層
８ ｎ型電極
９ ｐ型電極
１０ パッシベーション膜
Claims (10)
- 基板と、
前記基板上に形成されたｎ型コンタクト層と、
ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり、前記ｎ型コンタクト層上に形成されたｎ型バリア層と、
ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなり、前記ｎ型バリア層上に形成された活性層と、
ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり、前記活性層上に形成されたｐ型バリア層と、
前記ｐ型バリア層上に形成されたｐ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層に電気的に接続されたｎ型電極と、
前記ｐ型コンタクト層に電気的に接続されたｐ型電極と、
を備え、
前記ｎ型コンタクト層が含むｎ型ドーパント、前記ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパント、および前記ｐ型バリア層が含むｐ型ドーパントは、同じである赤外線発光素子。 - 前記ｎ型コンタクト層が含むｎ型ドーパント、前記ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパント、および前記ｐ型バリア層が含むｐ型ドーパントは、Ｓｉである請求項１に記載の赤外線発光素子。
- 前記基板はＧａＡｓ基板であり、
ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり、前記基板と前記ｎ型コンタクト層との間に形成されたバッファ層を、さらに備える請求項１または請求項２に記載の赤外線発光素子。 - 前記ｐ型コンタクト層は、ＧａＳｂまたはＧａＩｎＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる請求項１から請求項３の何れか一項に記載の赤外線発光素子。
- 前記ｐ型コンタクト層が含むｐ型ドーパントはＳｉである請求項４に記載の赤外線発光素子。
- 基板と、
前記基板上に形成されたｐ型コンタクト層と、
ＡｌＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり、前記ｐ型コンタクト層上に形成されたｐ型バリア層と、
ＩｎＡｓxＳｂ(1-x)（０≦ｘ≦１）を主成分とする化合物半導体層からなり、前記ｐ型バリア層上に形成された活性層と、
ＡｌＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなり、前記活性層上に形成されたｎ型バリア層と、
前記ｎ型バリア層上に形成されたｎ型コンタクト層と、
前記ｐ型コンタクト層に電気的に接続されたｐ型電極と、
前記ｎ型コンタクト層に電気的に接続されたｎ型電極と、
を備え、
前記ｐ型コンタクト層が含むｐ型ドーパント、前記ｐ型バリア層が含むｐ型ドーパント、および前記ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパントは、同じである赤外線発光素子。 - 前記ｐ型コンタクト層が含むｐ型ドーパント、前記ｐ型バリア層が含むｐ型ドーパント、および前記ｎ型バリア層が含むｎ型ドーパントは、Ｓｉである請求項６に記載の赤外線発光素子。
- 前記基板はＧａＡｓ基板であり、
前記ｐ型コンタクト層が、ＧａＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる請求項６または請求項７に記載の赤外線発光素子。 - 前記ｎ型コンタクト層は、ＩｎＡｓＳｂを主成分とする化合物半導体層からなる請求項６から請求項８の何れか一項に記載の赤外線発光素子。
- 前記ｎ型コンタクト層が含むｎ型ドーパントはＳｉである請求項９に記載の赤外線発光素子。
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