JP2019009438A - 赤外線発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】基板の裏面から光を取り出す赤外線発光ダイオードとして、発光効率及び発光強度の向上が期待できるものを提供する。【解決手段】赤外線発光ダイオード１は、半導体基板２、半導体基板２の一面２１上に形成された半導体積層部３、金属層５を備える。半導体積層部３は、一面２１側から第一導電型半導体層、活性層、及び第二導電型半導体層をこの順に有し、各層はインジウムおよびアンチモンの少なくとも一方を含む。半導体積層部３は、一面２１から突出する第一メサ部３０１と第一メサ部から突出する第二メサ部３０２とを有し、第一メサ部３０１と第二メサ部３０２との境界が活性層よりも半導体基板２側に存在する。平面視における半導体基板２の外形面積に対する第二メサ部３０２の底面積の比率は０．２１以上０．８以下である。活性層で発生した光の金属層５での反射率は０．６０以上１．００以下である。半導体基板２の裏面２２が光取り出し面である。【選択図】図１

Description

本発明は赤外線発光ダイオードに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、可視光域の照明や近赤外域の通信用途など広く活用されている。一方で、近赤外域よりも長波長側の領域では、利用用途が限られることから、タングステンランプ光源等の既存光源が利用され、ＬＥＤ光源の開発は積極的には進められてこなかった。
しかしながら、近年、中赤外の波長領域、特に波長が２．０μｍから１２μｍ程度の波長領域が注目されている。つまり、この波長領域はＣＯ₂や炭化水素などの気体分子による光吸収が見られる波長域であるため、ＬＥＤ光源、赤外線センサ、及び所望の波長帯のみを透過する光学フィルタを組み合わせ、吸収量を検出することで気体分子の濃度を計測する、低消費電力の非分散型ガスセンサとしての応用が期待されている。

中でも発光ダイオードは、既存光源であるランプには不可能な、例えば1ミリ秒以下の高速駆動が可能であり、ガスセンサの低消費電力化への寄与が大きい。更に、これまでは、ガスセンサとしての高い精度を得るために発光強度の向上に主眼が置かれてきたが、近年、より消費電力を下げるために、低電流で動作する高効率の発光ダイオードが求められてきており、少しでも発光効率を上げることもまた重要な課題である。
このような発光ダイオードは、例えば導電性基板上に形成されたｐｎ接合を用いて、縦方向（基板の厚さ方向）に電流を注入することで使用される。また、パッケージには、可視光・近赤外光で利用されるような砲弾型のエポキシ樹脂に封入する方法や、缶パッケージ、或いはセラミックパッケージが用いられる。

この場合、ｐｎ接合部で発生した光を外部に効果的に取り出すためには、外部から見た発光表面を広くする必要がある。そのため、一般に、半導体チップを上面視した時の電極の被覆率を小さくし、更に活性層の面積の占める比率を大きくする設計が取られる。これにより、活性層で発生した光は、直接、或いは基板内での反射を繰り返した後に半導体表面から取り出される。
しかしながら、高い導電性を有する基板を用いた場合、中赤外光の波長域における自由キャリア吸収が大きいことにより、発光が効率的に取り出せない問題がある。これを避けるための一つの方法として半絶縁性の半導体基板（例えばＧａＡｓ）を用い、基板の裏面から光を取り出す方法がある。特許文献１には半絶縁性の半導体基板を用いた赤外線発光ダイオードが記載されている。

特開２０１６−１４３９２号公報

本発明の課題は、基板の裏面から光を取り出す赤外線発光ダイオードとして、発光効率及び発光強度の向上が期待できるものを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である赤外線発光ダイオードは、半導体基板と下記の半導体積層部および金属層とを備えている。
半導体積層部は、半導体基板の一面上に形成され、この一面側から第一導電型半導体層、活性層、および第二導電型半導体層をこの順に有し、第一導電型半導体層、活性層、および第二導電型半導体層はインジウムおよびアンチモンの少なくとも一方を含む。また、半導体基板の一面から突出する第一メサ部と第一メサ部から突出する第二メサ部とを有し、第一メサ部と第二メサ部との境界が活性層よりも半導体基板側に存在する。
第一導電型半導体層および第二導電型半導体層は互いに導電型が異なる半導体層である。第一導電型半導体層がｎ型半導体層で第二導電型半導体層がｐ型半導体層であってもよいし、第一導電型半導体層がｐ型半導体層で第二導電型半導体層がｎ型半導体層であってもよい。
金属層は、第一メサ部の第一導電型半導体層に接触する第一部分と、第一部分とは独立した部分であって、第二メサ部の第二導電型半導体層に接触する第二部分と、を有する。

また、本発明の一態様である赤外線発光ダイオードは、平面視における半導体基板の外形面積に対する第二メサ部の底面積（第一メサ部との境界部の面積）の比率（以下、「第二メサ部の基板被覆率」と称する。）が０．２１以上０．８以下であり、活性層で発生した光の金属層での反射率が０．６０以上１．００以下であり、半導体基板の一面の反対面である裏面が光取り出し面である。
さらに、本発明の一態様である赤外線発光ダイオードは、半導体基板の側面及び半導体積層部を封止する封止部を備えている。さらに、本発明の一態様である赤外線発光ダイオードは、半導体基板上に半導体積層部を複数備え、複数の半導体積層部は互いに直列に接続されている。

本発明の赤外線発光ダイオードによれば、発光効率及び発光強度の向上が期待できる。

本発明の第一実施形態の赤外線発光ダイオードを示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 図１（ｂ）の部分拡大図である。 第一実施形態の赤外線発光ダイオードを構成する半導体積層部の形成方法を説明する断面図である。 第一実施形態の赤外線発光ダイオードを含む赤外線発光装置を示す断面図である。 第二実施形態の赤外線発光ダイオードを示す平面図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 比較例１の赤外線発光ダイオードを示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 比較例２の赤外線発光ダイオードを示す平面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 実施例１の赤外線発光ダイオードで金属層を構成するＴｉ層の厚さと、Ｔｉ層とｎ型半導体層との界面（Ｔｉ／ＩｎＳｂ界面）での反射率との関係を示すグラフである。 赤外線発光ダイオードの光出力と第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）との関係についてシミュレーションした結果を示すグラフである。 赤外線発光ダイオードの光取り出し効率と第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）との関係についてシミュレーションした結果を示すグラフである。 赤外線発光ダイオードの発光効率（相対値）と膜厚合計値（ｐ型半導体層の膜厚と活性層の膜厚との合計値）との関係について、金属層のＴｉ膜厚を変えてシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１２の一部を拡大して示したグラフである。

［本発明の一態様に関する詳細な説明］
本発明の一態様の赤外線発光ダイオードは、光取り出し面が半導体基板の裏面（半導体積層部が形成されている一面の反対面）であり、半導体積層部が第一メサ部と第二メサ部を有し、半導体積層部上に金属層を備えた赤外線発光ダイオードにおいて、平面視における半導体基板の外形面積（Ｓ１）に対する第二メサ部の底面積（第一メサ部との境界部の面積、Ｓ２）の比率Ｓ２／Ｓ１（第二メサ部の基板被覆率）が０．２１以上０．８以下であり、活性層で発生した光の金属層での反射率が０．６０以上１．００以下であることを特徴の一つとする。

なお、活性層で発生した光の金属層での反射率の測定方法としては、反射面に垂直に光が入射した場合の反射率が用いることができる。
半導体基板を用いた光の裏面取り出し構造を用いた場合、半導体積層部の表面の大部分を金属電極で覆う必要があり、この金属電極における吸収損失が発光ダイオードの発光効率を制限していることが、新たに分かった。この課題は、従来知られていた光の表面取り出し（半導体積層部側から光を取り出す）構造の赤外線発光ダイオード（この構造では半導体積層部を覆う金属層の被覆率が低い）には無い、新たな課題である。

更に、中赤外（２〜１０μｍ）の波長域の赤外線発光ダイオードにおいては、多数キャリアによる失活機構であるオージェ再結合の影響が大きく、発光効率がきわめて低くなる（数％以下）。そのため、活性層における発光再結合により生成された光が、外部に取り出される間に半導体基板内で多重反射を繰り返す際、活性層及びｐ型半導体層で再吸収されてしまい、生成されたキャリアの大部分が熱損失により失われ、発光効率を低下させるという課題も新たに見出した。これは、可視光のＬＥＤにおいて、発光効率が比較的高く、活性層で再吸収されたキャリアが、再度、発光に寄与するのとは対照的な現象である。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードは、上述の特徴を備えることで、半導体基板、半導体積層部を構成する各層、および金属層での光吸収損失が抑制されて、発光効率及び発光強度の向上が期待できる。
以下、本発明の一態様の赤外線発光ダイオードの各構成について説明する。

＜半導体基板＞
半導体基板の一面上に半導体積層部が形成されるため、半導体基板は、半導体積層部を構成する各層の結晶成長に適したものであればよい。また、活性層で発生する光の透過率が高いものであることが好ましいため、例えば、ＩｎＡｓ基板やＧａＳｂ基板など、吸収端波長が、活性層で発生する光の波長よりも短い材料からなる基板を用いることが好ましい。また、集積回路の技術と組み合わせるために、Ｓｉ基板を用いても良く、更に基板内の自由キャリアによる赤外吸収を抑制するために、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いても良い。
半導体基板の一面、つまり、半導体積層部が形成される面は、例えばＧａＡｓ基板であれば、［１００］面を使用することができる。
半導体基板の裏面は、半導体積層部が形成される面の反対側の面であり、例えばＧａＡｓ基板の［１００］面に半導体積層部を形成する場合、［−１００］面を使用することができる。

＜半導体積層部＞
半導体積層部は、半導体基板の一面上に形成され、この一面側から第一導電型半導体層、活性層、および第二導電型半導体層をこの順に有し、第一導電型半導体層、活性層、および第二導電型半導体層はインジウムおよびアンチモンの少なくとも一方を含む。また、半導体基板の一面から突出する第一メサ部と第一メサ部から突出する第二メサ部とを有し、第一メサ部と第二メサ部との境界が活性層よりも半導体基板側に存在する。さらに、半導体基板上に上記半導体積層部を複数備え、複数の半導体積層部が互いに直列に接続されている。これにより、一つの半導体基板上に複数の発光素子が形成され、これらが直列に接続されているため、一定の注入電流でこれらが同時に駆動できることにより、高い発光強度を得ることが可能となる。

半導体積層部は、第一導電型半導体層、活性層、および第二導電型半導体層以外の層を含んでいてもよい。具体的には、半導体基板と第一導電型半導体層との間に、バッファ層を有してもよい。バッファ層の導電型はｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれでもよい。また、この場合、上記境界はバッファ層内に存在してもよい。赤外線ダイオードにおける直列抵抗成分や接触抵抗の影響を避けるため、バッファ層には第一導電型半導体層と同じ導電型がしばしば用いられる。

半導体積層部は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板上にｎ型半導体層（ｐ型半導体層）、活性層、ｐ型半導体層（ｎ型半導体層）をこの順に成膜し、この積層体をウエットエッチング、或いはドライエッチングの手法を用いて、２段階の加工を行う事により形成される。成膜の方法としては、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、或いは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）が挙げられる。
第一導電型半導体層、活性層、および第二導電型半導体層はインジウムおよびアンチモンの少なくとも一方を含む層である。具体的な材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂおよびＩｎＡｓＳｂなどが挙げられる。

＜金属層＞
金属層は、第一メサ部の第一導電型半導体層に接触する第一部分と、第一部分とは独立した部分であって第二メサ部の第二導電型半導体層に接触する第二部分と、を有する。金属層の第一部分および第二部分は、通常、半導体積層部に絶縁層を介して形成され、この絶縁層に設けた開口部を介して第一導電型半導体層および第二導電型半導体層と接触する。また、金属層は、第一メサ側に形成された第一金属層（第一部分を含む）と、第二メサ側に形成された第二金属層（第二部分を含む）とに分かれていて、第一金属層と第二金属層がそれぞれ半導体基板の一面上に形成された第三部分を有する形態をとることができる。

金属層は、第一導電型半導体層と第二導電型半導体層との外部電源を介した電気的接続のための電極として用いられる。また、半導体基板上に複数の半導体積層部を設ける場合に、これらを直列接続するための配線として用いられる。また、金属層が半導体基板の一面上に形成されること（第三部分を有すること）で、活性層で発生した光の半導体基板の一面での反射率が高くなり、活性層で発生した光を光取り出し面（半導体基板の裏面）から効率よく取り出すことができる。
この金属層は、半導体積層部および半導体基板側から例えば、密着層、バリア層、低抵抗層の順に積層された積層構造を有することが好ましい。

積層構造の密着層は、ＴｉやＣｒやＮｉなど、絶縁層との密着性が良く、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層との接触抵抗の低い材料が用いられる。密着層の膜厚としては、赤外線の吸収を低減させるため、１００ｎｍ以下であることが好ましい。バリア層は、金属層材料と半導体層との相互拡散を抑制するために設けられ、例えばＰｔを用いることができる。低抵抗層は、金属層を介した外部との接続または複数の半導体積層部間の接続において、不要な電位差による電圧ロスを生じさせないために、低抵抗であることが望ましく、例えばＡｕを用いることができる。
また、金属層が積層構造である場合の密着層は、金属層の第三部分が活性層で発生した光を反射する役割を有することから、光の吸収損失が少ないことが望ましい。

＜封止部＞
封止部は、半導体基板の側面及び半導体積層部を封止する。封止部は、半導体基板の裏面に存在していてもよいが、その場合は、半導体基板の裏面の少なくとも一部を露出した状態にする必要がある。後述の裏面絶縁膜を備える場合は、裏面絶縁膜の少なくとも一部を露出した状態にすることが好ましい。封止部の材料としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂などの樹脂製モールド材を用いることができる。その際、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃などのフィラーを含む樹脂製モールド材を用いてもよい。またポリイミド、ポリアミド、シリコーン樹脂などからなる応力緩和層（バッファ層）を、半導体積層部と封止部との間に設けてもよい。

［好ましい態様］
本発明の一態様の赤外線発光ダイオードは、第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）が０．２１以上０．５０以下であることが好ましい。これにより、半導体基板、半導体積層部を構成する各層、および金属層での光吸収損失の抑制効果がより高くなって、赤外線発光ダイオードの発光効率及び発光強度をさらに高くすることが可能になる。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードでは、平面視における半導体基板の外形面積（Ｓ１）に対する金属層の面積（Ｓ３）の割合（以下、「金属層の基板被覆率」または単に「Ｓ３／Ｓ１」と称する。）が０．６５以上１．０未満であることが好ましい。この場合、後述の実施例で説明するように、半導体基板の一面側（半導体基板の一面と半導体積層部の半導体基板とは反対側の面）での平均反射率を０．６０以上とすることができるため、発光効率の高い赤外線発光ダイオードが得られることが期待できる。
また、金属層の基板被覆率（Ｓ３／Ｓ１）を０．６５以上１．０未満と大きくすることで、金属層での反射量が多くなるため、半導体基板の裏面から効率よく光を取り出すことが可能となる。Ｓ３／Ｓ１が１．０に近い値の場合、金属層は、半導体基板の一面に接触する第三部分を有する。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードでは、半導体基板の裏面（光取り出し面）の二乗平均平方根粗さは、第一メサ部の第二メサ部で覆われていない上面の二乗平均平方根粗さより大きく、且つ半導体基板の一面（半導体積層部が形成されている面）の半導体積層部が形成されていない領域の二乗平均平方根粗さより大きく設計されることが好ましい。
活性層で発生した光は、各半導体層内及び半導体基板内での反射を繰り返しながら半導体基板の裏面から取り出されるため、このように設計されることによって、半導体基板の一面での光吸収損失を抑制し、光取り出し面からの光取り出し効率を向上できる。これにより、赤外線発光ダイオードの発光強度をさらに高くすることが可能になる。

半導体基板の裏面の二乗平均平方根粗さは３０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、第一メサ部の第二メサ部で覆われていない上面の二乗平均平方根粗さおよび半導体基板の一面の半導体積層部が形成されていない領域の二乗平均平方根粗さは１５ｎｍ未満であることがより好ましい。
なお、二乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）は、接触式段差計または原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い、対応する面に対して、数μｍから数ｍｍの範囲のラインスキャン、或いは２次元スキャンを行って測定された高さから算出される。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードは、半導体基板の裏面に形成された絶縁膜（以下、「裏面絶縁膜」と称する。）を備え、裏面絶縁膜の膜厚は、２０ｎｍ以上、且つ、活性層で発生する光のピーク波長を裏面絶縁膜の屈折率で割った値の１／４以下であることが好ましい。この裏面絶縁膜を２０ｎｍ以上の膜厚で備えることで、半導体基板の裏面が保護され、半導体基板の裏面からの裏面絶縁膜の剥離を抑制することができるとともに、半導体基板の裏面での光の反射が抑制されることで、赤外線発光ダイオードの発光効率が向上する。
裏面絶縁膜の材料としては、例えばＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ、ＴｉＯ₂が挙げられる。裏面絶縁膜は一層で形成されていてもよいし、積層構造であってもよい。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードでは、金属層の第一部分および第二部分の少なくともいずれかは、第一導電型半導体層および第二導電型半導体層にそれぞれ接触する密着層を含み、密着層はＴｉ、Ｃｒ、およびＮｉの少なくともいずれかの材料を含み、密着層の膜厚は５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉは半導体層との密着性が高いが、中赤外域の光吸収が大きいため、上記膜厚とすることで、金属層の反射効率をより高くすることができる。この中でも特に、密着層としてＴｉを含み、膜厚が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることがより好ましい。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードでは、第一導電型がｎ型であり、第二導電型がｐ型であり、活性層の膜厚と、第二導電型半導体層のうち活性層とのバンドギャップエネルギーの差が０．０７５ｅＶ以下である部分の膜厚と、の合計値が、０．５μｍ以上２．１μｍ以下であることが好ましい。これにより、さらなる発光効率の向上が可能となる。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードでは、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層が、活性層とのバンドギャップエネルギーの差が０．０７５ｅＶ以下の材料で形成された層を０．２μｍ以上の膜厚でそれぞれ含むことが好ましい。このように、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層に含まれる材料のバンドギャップエネルギーが活性層と近い（室温３００Ｋの熱エネルギーの３倍以下）ことで、活性層で発生した光の一部のみがｎ型半導体層およびｐ型半導体層で吸収されるため、半導体内部での吸収を抑制する効果がより顕著となり、発光効率が大きく向上することが期待できる。

また、この場合、複数の半導体積層部において、半導体積層部と金属層との間に絶縁層を設け、この絶縁層の第一メサ部上および第二メサ部上に開口部を設け、これらの開口部を介して、隣り合う二つの半導体積層部の一方の第一メサ部と他方の第二メサ部とを金属層で電気的に接続する。この金属層は、これらの半導体積層部間の半導体基板の一面にも形成される。
この絶縁層の材料としては、例えばＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ、ＴｉＯ₂が挙げられる。この絶縁層は一層で形成されていてもよいし、積層構造であってもよい。また、この絶縁層の膜厚を適切に設計することにより、半導体基板の一面側（半導体基板の一面と半導体積層部の半導体基板とは反対側の面）での反射率を向上させることもできる。

本発明の一態様の赤外線発光ダイオードでは、半導体基板が半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、活性層がＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さく、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＡｓ_zＳｂ_1-z（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含み、発光波長のピークを２〜１０μｍに有することが好ましい。これにより、活性層で発生した光を、半導体基板での損失が無い状態で、外部に取り出すことが可能となる。

［実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本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、本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、この限定は本発明の必須要件ではない。

＜第一実施形態＞
図１に示すように、この実施形態の赤外線発光ダイオード１は、ＧａＡｓ基板（半導体基板）２、半導体積層部３、絶縁層４、金属層５、および裏面絶縁膜６を備えている。
ＧａＡｓ基板２の一面２１は［１００］面であり、裏面２２は［−１００］面である。ＧａＡｓ基板２の一面２１に半導体積層部３が形成されている。裏面２２に裏面絶縁膜６が形成されている。
半導体積層部３は、ＧａＡｓ基板２の一面２１から突出する第一メサ部３０１と第一メサ部３０１から突出する第二メサ部３０２とからなる二段メサ構造を有する。
ＧａＡｓ基板２の裏面２２の二乗平均平方根粗さは３０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。第一メサ部３０１の第二メサ部３０２で覆われていない上面３０１１の二乗平均平方根粗さは１５ｎｍ未満である。ＧａＡｓ基板２の一面２１の半導体積層部３が形成されていない領域２１１の二乗平均平方根粗さは１５ｎｍ未満である。

半導体積層部３は、図２に示すように、ＧａＡｓ基板２側から、ＳｎドープＡｌＩｎＳｂ層（ｎ型半導体層）３１、ＳｎドープＡｌＩｎＳｂ層（ｎ型バリア層）３２、ノンドープのＡｌＩｎＳｂ層（活性層）３３、ＺｎドープＡｌＩｎＳｂ層（ｐ型バリア層）３４、およびＺｎドープＡｌＩｎＳｂ層（ｐ型半導体層）３５をこの順に有する。図１および図２に示すように、第一メサ部３０１と第二メサ部３０２との境界がＳｎドープＡｌＩｎＳｂ層（ｎ型半導体層）３１内に存在する。
半導体積層部３は、図３に示すように、ＧａＡｓ基板２上に、ｎ型半導体層３１、ｎ型バリア層３２、活性層３３、ｐ型バリア層３４、ｐ型半導体層４５、からなる半導体積層体３０を形成した後に、一点鎖線に沿ったメサエッチングと、その後の二点鎖線に沿ったメサエッチングを行うことで形成される。

絶縁層４は、半導体積層部３の第一メサ部３０１および第二メサ部３０２の上面と側面、およびＧａＡｓ基板２の一面２１上の第一メサ部３０１の周囲に形成されている。絶縁層４は、第一メサ部３０１のｎ型半導体層３１上に第一開口部４１を有する。第二メサ部３０２のｐ型半導体層３５上に第二開口部４２を有する。
金属層５は、第一メサ部３０１側に形成された第一金属層５１０と、第二メサ部３０２側に形成された第二金属層５２０とに分かれている。第一金属層５１０は、第一開口部４１を塞ぎ第一メサ部３０１のｎ型半導体層３１に接触する部分（第一部分）５１１と、絶縁層４上に形成されている部分５１２と、ＧａＡｓ基板２の一面２１上に形成された部分（第三部分、電極）５１３とからなる。第二金属層５２０は、第二開口部４２を塞ぎ第二メサ部３０２のｐ型半導体層３５に接触する部分（第二部分）５２１と、絶縁層４上に形成されている部分５２２と、ＧａＡｓ基板２の一面２１上に形成された部分（第三部分、電極）５２３とからなる。

また、第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）が０．２１以上０．８以下である。活性層３３で発生した光の金属層５での反射率が０．６０以上１．００以下である。金属層５の基板被覆率（Ｓ３／Ｓ１）は０．６５以上１．０未満である。
実施形態の赤外線発光ダイオード１によれば、活性層から発光した光の内部での光吸収損失が抑制されて、発光効率及び発光強度が向上する。

＜赤外線発光装置＞
第一実施形態の赤外線発光ダイオード１を用いて、図４に示す赤外線発光装置１０を製造することができる。赤外線発光装置１０は、赤外線発光ダイオード１と、リード端子７１，７２と、金属細線８１，８２と、封止部９を有する。
リード端子７１，７２は、赤外線発光ダイオード１の周囲に配置されている。金属細線８１は、赤外線発光ダイオード１の第一金属層５１０の第三部分（第一電極）５１３とリード端子７１とを接続する。金属細線８２は、赤外線発光ダイオード１の第二金属層５２０の第三部分（第二電極）５２３とリード端子７２とを接続する。封止部９は、赤外線発光ダイオード１の裏面絶縁膜６の半導体基板２とは反対の面を除いた部分に配置され、赤外線発光ダイオード１とリード端子７１，７２との間を封止している。つまり、赤外線発光ダイオード１の半導体積層部３が封止されている。
つまり、この赤外線発光装置１０は、半導体積層部３を封止する封止部９を備える赤外線発光ダイオード１の一例である。

＜第二実施形態＞
図５および図６に示すように、この実施形態の赤外線発光ダイオード１は、半導体基板２上に半導体積層部３を複数備え、これらが直列に接続されている。具体的には、隣り合う二つの半導体積層部３の一方の第一メサ部３０１と他方の第二メサ部３０２とが、第一開口部４１および第二開口部４２を介して金属層５３０で電気的に接続されている。
金属層５３０は、隣り合う二つの半導体積層部３の一方の第一メサ部３０１のｎ型半導体層に接触する部分５１１と、他方の第二メサ部３０２のｐ型半導体層に接触する部分５２１と、これらの半導体積層部３間の半導体基板２の一面２１上に接触する部分５３３を有する。直列の一端に配置された半導体積層部３は、第一金属層５１０の半導体基板２の一面２１上に形成された部分５１３が、外部配線との接続用電極として使用される。直列の他端に配置された半導体積層部３は、第二金属層５２０の半導体基板２の一面２１上に形成された部分５２３が、外部配線との接続用電極として使用される。

なお、上記各実施形態の赤外線発光ダイオード１では、第一金属層５１０、第二金属層５２０、および金属層５３０が、半導体基板２の一面２１上に接触する部分５１３，５２３，５３３を有するが、半導体基板２の一面２１とこれらの部分との間に絶縁膜が介装されていてもよい。
また、上記各実施形態の赤外線発光ダイオード１は、半導体基板２の側面および半導体積層部３を封止する封止部を有する。また、第一実施形態の赤外線発光ダイオード１は、複数の半導体積層部３備えているが、図１ではその一部のみを示している。

以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１に示す構造の赤外線発光ダイオード１を以下の方法で作製した。
分子線エピタキシャル成長装置により、半絶縁性の[１００]方位を持つＧａＡｓ基板２上に、Ｓｎを１×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたＩｎＳｂ層およびＡｌ_0.05Ｉｎ_0.95Ｓｂ層（ｎ型半導体層）３１をそれぞれ０．５μｍの厚さで、Ｓｎを１×１０¹⁹ｃｍ^-3ドープしたＡｌ_0.22Ｉｎ_0.78Ｓｂ層（ｎ型バリア層）３２を０．０２μｍの厚さで、ノンドープのＡｌ_0.05Ｉｎ_0.95Ｓｂ層（活性層）３３を２μｍの厚さで、Ｚｎを１×１０¹⁸ｃｍ^-3ドープしたＡｌ_0.22Ｉｎ_0.78Ｓｂ層（ｐ型バリア層）３４を０．０２μｍの厚さで、およびＺｎを１×１０¹⁸ｃｍ^-3ドープしたＡｌ_0.05Ｉｎ_0.95Ｓｂ層（ｐ型半導体層）３５を０．５μｍの厚さで、この順に形成した。

次に、フォトリソグラフィーによるフォトレジストのパターニングとドライエッチングにより、図３に示すように、半導体積層体３０の一点鎖線Ｅ１より外側の部分を除去した。つまり、このエッチングは、半導体積層体３０のＳｎドープＡｌ_0.05Ｉｎ_0.95Ｓｂ層（ｎ型半導体層）３１を少し除去する位置まで行った。この状態で、一点鎖線Ｅ１に沿う面（図１（ｂ）の上面３０１１となる面を含む面）の二乗平均平方根粗さは１５ｎｍ未満であった。
次に、この状態の半導体基板２上に、プラズマＣＶＤ装置によりＳｉＯ₂膜を形成し、これをパターニングしたものをハードマスクとして、ドライエッチングを行うことで、半導体積層体３０の二点鎖線Ｅ２より外側の部分を除去した。
この半導体積層体３０に対する二段階のエッチングにより、半導体基板２の一面２１から突出する第一メサ部３０１と、第一メサ部３０１から突出する第二メサ部３０２と、からなる二段メサ構造の半導体積層部３を得た。

次に、この状態の半導体基板２上に、絶縁層４として、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を形成した後、ＳｉＮ膜にドライエッチングを行うことで、第一メサ部３０１上に第一開口部４１を第二メサ部３０２上に第二開口部４２を形成した。
次に、この状態の半導体基板２上に、リフトオフ法によりスパッタリング装置を用いて、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの積層構造からなる第一金属層５１０および第二金属層５２０を形成した。金属層５１０，５２０において、Ｔｉ層の膜厚を２０ｎｍ、Ｐｔ層の膜厚を２０ｎｍ、Ａｕ層の膜厚を３００ｎｍとした。

次に、ＧａＡｓ基板２の裏面２２を、公知技術による粗面研磨を行い、高さの二乗平均平方根粗さが約２００ｎｍにまで粗面化した後、裏面絶縁膜６としてＴｉＯ₂膜を１５０ｎｍの厚さで形成した。
このようにして赤外線発光ダイオード１を得た。
この実施例の赤外線発光ダイオード１によれば、第一金属層５１０の電極５１３と第二金属層５２０の電極５２３との間に電圧をかけ、電流を注入することで、活性層に発生した赤外光を半導体基板２の裏面２２から取り出すことができる。

［比較例１］
図７の赤外線発光ダイオード１００は、第一メサ部３０１と第二メサ部３０２とからなる二段メサ構造の半導体積層部３を有するが、半導体積層部３上に絶縁層４を介して形成された金属層５００は、第一メサ部３０１に接触する部分を有さない。また、金属層５００は、第二メサ部３０２に接触する部分５２１を含む一対の第二金属層５２０と、これらを半導体基板２の周縁部で結合する電極部５４０とからなる。また、半導体基板２として導電性基板が用いられ、半導体基板２の裏面に電極層５０が形成されている。

赤外線発光ダイオード１００は、電極部５４０と電極層５０との間に電圧をかけ、半導体基板２を通して電流を注入することで、活性層に発生した赤外光を半導体積層部３の半導体基板２とは反対側の面から取り出すことができる。しかし、この赤外線発光ダイオード１００は、導電性の半導体基板２内での自由キャリア吸収により光吸収損失が大きくなる。
実施例１の赤外線発光ダイオード１は、半導体基板２として半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることから、基板内での損失が抑制され、比較例１の赤外線発光ダイオード１００と比較して、効率よく赤外光を取り出すことができる。

［比較例２］
図８の赤外線発光ダイオード１０１は、半導体基板２の外形面積Ｓ１は実施例１の赤外線発光ダイオード１と同じであるが、第二メサ部３０２の底面積Ｓ２は赤外線発光ダイオード１より大きい。つまり、赤外線発光ダイオード１０１の第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）は０．８より大きい。また、金属層の基板被覆率（Ｓ３／Ｓ１）は０．６５より小さい。また、赤外線発光ダイオード１０１は裏面絶縁膜６を有さない。これら以外の点は実施例１の赤外線発光ダイオード１と同じである。
このように半絶縁性の半導体基板を用いた場合でも、半導体基板の外形面積に対する第二メサ部３０２の底面積Ｓ２、つまり、活性層、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層が占める面積が大きいと、半導体基板及び半導体積層部での多重反射を繰り返すうちに、光が吸収されて損失が大きくなる。実施例１の赤外線発光ダイオード１では、このような光の吸収が抑制されるため、比較例２の赤外線発光ダイオード１０１と比較して、効率よく赤外光を取り出すことができる。

［シミュレーションによる考察］
実施例１の赤外線発光ダイオード１で、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの積層構造からなる金属層５１０，５２０のＴｉの膜厚を０〜２００ｎｍの範囲で変えた場合に、活性層３３で発生してｎ型半導体層（ＳｎドープＩｎＳｂ層）３１に入射された光（波長４．３μｍ）の金属層５１０（５１１）での反射率Ｒ５がどのように変化するかについて、シミュレーションした。その結果を図９にグラフで示す。

図９に示すように、Ｔｉの厚さが２００ｎｍと厚い場合には、反射率Ｒ５は０．４５であり、金属層５１０が無い場合、つまり屈折率が１．０である空間での反射率（０．３７）と比べて大きくはない。これはＴｉ電極での赤外吸収が顕著であるためである。また、Ｔｉ厚を６０ｎｍ以下とすることで０．６以上の高い反射率を得ることができる。更にＴｉ厚を３０ｎｍ以下とすることで、０．７５以上の高い反射率を得ることができる。なお、Ｔｉ層の厚さが５ｎｍ未満であると、下地との密着性を確保するという点で好ましくない。

次に、赤外線発光ダイオードの光出力と第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）との関係についてシミュレーションした。その結果を図１０にグラフで示す。また、赤外線発光ダイオードの取り出し効率と第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）との関係についてシミュレーションした。その結果を、図１１にグラフで示す。
半導体基板２の裏面２２から光を取り出す構造の赤外線発光ダイオードは、半導体基板２の一面２１、つまり、半導体積層部３が形成されている側における光の吸収或いは透過による損失を抑制することにより、高い発光強度で赤外光を取り出すことができる。

図１０および図１１には、実施例１の赤外線発光ダイオード１において、第一メサ部３０１および第二メサ部３０２内の光が金属層５（金属層がない場合は大気からなる空間）で反射して半導体基板２の一面２１に向かう光の、金属層５（金属層がない場合は大気からなる空間）での反射率が、０．３７、０．４５、０．６０、０．７５、０．８７、１．００である場合をシミュレーションした結果が示されている。
反射率０．３７は、金属層５が無い場合の屈折率が１．０の空間での反射率である。
反射率０．４５は、金属層５を構成するＴｉ層の厚さが２００ｎｍである場合の反射率であって、半導体基板２の一面２１での反射の効果を積極的に考慮しない場合（従来技術）である。
反射率０．６０は、金属層５を構成するＴｉ層の厚さが６０ｎｍである場合の反射率である。
反射率０．７５は、金属層５を構成するＴｉ層の厚さが３０ｎｍである場合の反射率である。
反射率０．８７は、金属層５を構成するＴｉ層の厚さが５ｎｍである場合の反射率である。
反射率１．００は理想状態の反射率である。

半導体基板２の一面２１での反射の効果を積極的に考慮しない場合（従来技術）には、第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）が高いほど光出力が増加し、図１０に示すように、反射率０．４５（従来技術）ではＳ２／Ｓ１が１．０で最大の出力が得られる。図１０のグラフの縦軸は、反射率が０．４５で、Ｓ２／Ｓ１が１．０の場合の光出力を「１」とした、光出力の相対値である。
一方で、第二メサ部の基板被覆率（Ｓ２／Ｓ１）が低いほど、半導体基板内で多重反射を繰り返した際の第二メサ部における光吸収損失が低減するために、光取り出し効率が向上する。図１１のグラフの縦軸は、反射率が０．４５（従来技術）で、被覆率（Ｓ２／Ｓ１）が０の場合の光取り出し効率を「１」とした、光取り出し効率の相対値である。

従って、図１１から分かるように、反射率が０．７５以上となる金属層を用いた上で、被覆率（Ｓ２／Ｓ１）を０．８以下にすることにより、従来技術（金属層での反射率０．４５）で到達可能な最大の光取り出し効率（相対値１．０）を得ることができる。また、反射率が０．６０以上となる金属層を用いた上で、被覆率（Ｓ２／Ｓ１）を０．５以下にすることにより、従来技術で到達可能な最大の光取り出し効率（相対値１．０）を得ることが出来る。

また、被覆率（Ｓ２／Ｓ１）を０．２１以上０．８以下とすることにより、反射率が０．８７となる厚さ５ｎｍのＴｉ層を設けることで、図１０に示すように、従来技術（反射率０．４５）と同等の光出力（相対値１．０）を確保しながら、図１１に示すように、高い取り出し効率（相対値１．２以上）を得ることが出来る。更に、被覆率（Ｓ２／Ｓ１）を０．２１以上０．５以下とすればより高い光取り出し効率（相対値１．７以上）が、被覆率（Ｓ２／Ｓ１）を０．２１以上０．４以下とすれば特に高い光取り出し効率（相対値２．０以上）が実現できる。
一方、金属層の基板被覆率（Ｓ３／Ｓ１）を０．６５以上１．０未満とすることによって、半導体基板２の一面２１での平均反射率を０．６０以上にすることができる。例えば、活性層で発生した光の金属層５での反射率が０．８７、金属層５以外での反射率が０．３７とした時に、金属層の基板被覆率（Ｓ３／Ｓ１）が０．６５の場合の平均反射率は０．６９≒０．６５×０．８７＋０．３５×０．３７となる。

次に、実施例１の赤外線発光ダイオード１で、ｐ型半導体層３５の膜厚と活性層３３の膜厚との合計値と、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの積層構造からなる金属層５１０，５２０のＴｉの膜厚を変えた場合に、発光効率がどのように変化するかについてシミュレーションした。その結果を図１２および図１３にグラフで示す。このシミュレーションでは、半導体基板２の半導体積層部３が形成されている側における光の吸収損失、つまり、ｐ型半導体層、活性層、および金属層による光の吸収損失を考慮している。
結果を示すグラフの縦軸は、ｐ型半導体層の膜厚が０．５μｍ、活性層の膜厚が２μｍ、Ｔｉの膜厚が１００ｎｍである場合（従来例）を「１」とした発光効率（相対値）の平均値である。横軸は、ｐ型半導体層の膜厚と活性層の膜厚との合計値である。従来例でのｐ型半導体層の膜厚と活性層の膜厚との合計値は２．５μｍである。

図１２から明らかなように、ｐ型半導体層の膜厚と活性層の膜厚との合計値が大きい場合と小さい場合では、Ｔｉの膜厚を薄くして反射率Ｒ５を高くすることで得られる発光効率改善の効果の度合いが異なり、小さいほど効果が高くなる。これは、活性層での発光量が同じでも、ｐ型半導体層や活性層等での吸収損失が大きいと、金属層へ到達する光量が減少するためである。つまり、活性層等による吸収損失を抑制した上で、更に金属層における反射率を向上させることが、相乗効果をもたらし、より高い発光効率の実現を可能にする。

そして、ｐ型半導体層のうち、活性層とのバンドギャップエネルギーの差が０．０７５ｅＶ以下である部分の膜厚と、活性層の膜厚と、の合計値を２．１μｍ以下とした上で、密着層であるＴｉの膜厚を６０ｎｍ以下とすることによって、上記合計値が従来例のままで金属層のＴｉの膜厚を薄くした場合には到達できない発光効率が、達成可能であることが分かった。具体的には、図１３から分かるように、膜厚合計値２．５μｍでは、Ｔｉの膜厚を最も薄い５ｎｍとした場合、発光効率の相対値は１．１０程度であるが、膜厚合計値２．１μｍ以下では、Ｔｉの膜厚を６０ｎｍ以下とすることで発光効率の相対値を１．１５以上にすることができる。

前述の通り、従来は、発光効率よりも発光強度を求めてきた背景から、裏面取り出し構造においては活性層を厚く設計していた。これは、一定の電流を注入した場合、活性層が薄いと、活性層中のキャリア濃度が高くなり、前述のオージェ再結合により発光効率が抑制されるためである。このような考え方に基づいて、膜厚を厚くすることによりオージェ再結合による失活を抑制してきた。
これに対して、本発明では、より高い発光効率の発光ダイオードを実現するために、低い注入電流によりキャリア濃度の増加を抑えてオージェ再結合を抑制し、活性層を薄くすることで、光の再吸収損失を抑制し、更に金属層での反射効率を上げる、という相乗効果を用いたものである。

以上の結果から、実施例１の赤外線発光ダイオード１は、比較例２の赤外線発光ダイオードよりも光取り出し効率が高く、高出力化が可能であることが分かる。

１ 赤外線発光ダイオード
２ ＧａＡｓ基板（半導体基板）
２１ 半導体基板の一面
２１１ 一面の半導体積層部が形成されていない領域
２２ 半導体基板の裏面
３ 半導体積層部
３０ 半導体積層体
３１ ｎ型半導体層
３２ ｎ型バリア層
３３ 活性層
３４ ｐ型バリア層
３５ ｐ型半導体層
３０１ 第一メサ部
３０１１ 第一メサ部の第二メサ部で覆われていない上面
３０２ 第二メサ部
４ 絶縁層
５ 金属層
５１０ 第一金属層
５１１ ｎ型半導体層に接触する部分（第一部分）
５１２ 絶縁層上に形成されている部分
５１３ 半導体基板の一面上に形成された部分（第三部分、電極）
５２０ 第二金属層
５２１ ｐ型半導体層に接触する部分（第二部分）
５２２ 絶縁層上に形成されている部分
５２３ 半導体基板の一面上に形成された部分（第三部分、電極）
６ 裏面絶縁膜
７１、７２ リード端子
８１，８２ 金属細線
９ 封止部

Claims (10)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一面上に形成された半導体積層部であって、前記一面側から第一導電型半導体層、活性層、および第二導電型半導体層をこの順に有し、前記第一導電型半導体層、前記活性層、および前記第二導電型半導体層はインジウムおよびアンチモンの少なくとも一方を含み、前記一面から突出する第一メサ部と前記第一メサ部から突出する第二メサ部とを有し、前記第一メサ部と前記第二メサ部との境界が前記活性層よりも前記半導体基板側に存在する半導体積層部と、
   前記第一メサ部の前記第一導電型半導体層に接触する第一部分と、前記第一部分とは独立した部分であって前記第二メサ部の前記第二導電型半導体層に接触する第二部分と、を有する金属層と、
   前記半導体基板の側面及び前記半導体積層部を封止する封止部と、
   を備え、
   前記半導体基板上に前記半導体積層部を複数備え、複数の前記半導体積層部は互いに直列に接続され、
   平面視における前記半導体基板の外形面積に対する前記第二メサ部の底面積の合計の比率は０．２１以上０．８以下であり、
   前記活性層で発生した光の前記金属層での反射率は０．６０以上１．００以下であり、
   前記一面の反対面である前記半導体基板の裏面が光取り出し面である赤外線発光ダイオード。
2. 前記比率が０．２１以上０．５０以下である請求項１に記載の赤外線発光ダイオード。
3. 平面視における前記半導体基板の外形面積に対する前記金属層の面積の割合は０．６５以上１．０未満である請求項１または２に記載の赤外線発光ダイオード。
4. 前記裏面の二乗平均平方根粗さは、前記第一メサ部の前記第二メサ部で覆われていない上面の二乗平均平方根粗さより大きく、且つ前記一面の前記半導体積層部が形成されていない領域の二乗平均平方根粗さより大きい請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線発光ダイオード。
5. 前記裏面の二乗平均平方根粗さは３０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、前記第一メサ部の前記第二メサ部で覆われていない上面の二乗平均平方根粗さ及び前記一面の前記半導体積層部が形成されていない領域の二乗平均平方根粗さは、１５ｎｍ未満である請求項４に記載の赤外線発光ダイオード。
6. 前記裏面に形成された絶縁膜を備え、
   前記絶縁膜の膜厚は、２０ｎｍ以上、且つ、前記活性層で発生する光のピーク波長を前記絶縁膜の屈折率で割った値の１／４以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載の赤外線発光ダイオード。
7. 前記第一部分および前記第二部分の少なくともいずれかは、前記第一導電型半導体層および前記第二導電型半導体層にそれぞれ接触する密着層を含み、
   前記密着層はＴｉ、Ｃｒ、およびＮｉの少なくともいずれかの材料を含み、前記密着層の膜厚は５ｎｍ以上６０ｎｍ以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の赤外線発光ダイオード。
8. 前記第一導電型がｎ型であり、前記第二導電型がｐ型であり、
   前記活性層の膜厚と、前記第二導電型半導体層のうち前記活性層とのバンドギャップエネルギーの差が０．０７５ｅＶ以下である部分の膜厚と、の合計値が、０．５μｍ以上２．１μｍ以下である請求項１〜７のいずれか一項に記載の赤外線発光ダイオード。
9. 前記第一導電型半導体層および前記第二導電型半導体層は、前記活性層とのバンドギャップエネルギーの差が０．０７５ｅＶ以下の材料で形成された層を、０．２μｍ以上の膜厚でそれぞれ含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の赤外線発光ダイオード。
10. 前記半導体基板は半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、
    前記活性層は、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さく、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＡｓ_zＳｂ_1-z（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含み、
    前記活性層で発生する光のピーク波長が２μｍ以上１０μｍ以下である請求項１〜９のいずれか一項に記載の赤外線発光ダイオード。

Images