JP7716037B2 - 赤外ｌｅｄ素子 - Google Patents

Description

本発明は、赤外ＬＥＤ素子に関し、特に発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子に関する。

近年、波長１０００ｎｍ以上の赤外領域を発光波長とする半導体発光素子は、防犯・監視カメラ、ガス検知器、医療用のセンサや産業機器等の用途で幅広く用いられている。

発光波長が１０００ｎｍ以上の半導体発光素子は、一般的に以下の手順で製造される。成長基板としてのＩｎＰ基板上に、第一導電型の半導体層、活性層（「発光層」と称されることもある。）、及び第二導電型の半導体層を順次エピタキシャル成長させた後、半導体ウエハ上に電流注入のための電極が形成される。その後、チップ状に切断される。

従来、発光波長が１０００ｎｍ以上の半導体発光素子としては、半導体レーザ素子の開発が先行して進められてきた経緯がある。一方で、ＬＥＤ素子については、その用途があまりなかったこともあり、レーザ素子よりは開発が進んでいなかった。

しかしながら、近年、アプリケーションの広がりを受け、赤外ＬＥＤ素子についても高効率化の製品の要求が高まっている。例えば特許文献１には、ＩｎＰ基板上にＬＥＤ構造を結晶成長させたウエハの上下面に電極を形成し、両電極間に電圧を印加することで活性層に電流を注入して発光させる赤外ＬＥＤ素子が開示されている。また、例えば特許文献２には、成長基板上にＬＥＤ構造のエピタキシャル半導体膜を結晶成長させたウエハを、高反射層を介して支持基板に接合した後、成長基板を薄膜化又は完全に除去することで光取り出し効率を向上した構造が開示されている。

特許第６６１７２１８号公報 特開２０１２－１２９３５７号公報

本発明者らは、特許文献２に記載されているような、光取り出し効率の高い、支持基板を貼り合わせてなる構造を示すＬＥＤ素子を複数作製して検討したところ、発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子の場合に、ＬＥＤチップ内部で発光が不均一になる現象を確認した。このような現象が生じると、発光効率が低下したり、一部分の領域にのみ電流が集中して寿命が短くなる等の問題が生じ、好ましくない。

上記の課題に鑑み、本発明は、発光波長が１０００ｎｍ以上を示す赤外ＬＥＤ素子において、面方向に係る発光の均一性を高めて発光効率を向上させることを目的とする。

本発明に係る赤外ＬＥＤ素子は、ピーク波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であって、
導電性を示す支持基板と、
前記支持基板の上層に形成された金属材料からなる反射層と、
前記反射層の上層に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上層に形成された、第一導電型のＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．３３，０≦ｙ＜０．７０）からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層の上層に形成された、前記第一導電型の第一クラッド層と、
前記第一クラッド層の上層に形成された活性層と、
前記活性層の上層に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第二クラッド層と、
前記絶縁層の一部領域において、前記支持基板の主面に直交する第一方向に貫通して形成され、前記コンタクト層と前記反射層とを連絡する第一電極と、
前記第二クラッド層の上層に形成された第二電極とを有する。

ピーク波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下の赤外ＬＥＤ素子を製造するに際しては、ＩｎＰ基板を成長基板とし、この成長基板に格子整合するような材料からなる半導体層をエピタキシャル成長させる必要がある。このような材料としては、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等が挙げられる。

なお、本明細書において、「ピーク波長」とは発光スペクトルにおいて光出力が最も高い波長を指す。また、本明細書において、「ＧａＩｎＡｓＰ」という記述は、ＧａとＩｎとＡｓとＰの混晶であることを意味し、組成比の記述を単に省略して記載したものである。「ＡｌＧａＩｎＡｓ」等の他の記載も同様である。

反射層は、活性層から出射した光のうち、光取り出し面（第二クラッド層側）とは反対側（支持基板側）に進行した光を反射させて、光取り出し面側に進行させる目的で設けられる。かかる観点から、活性層から出射した波長１０００ｎｍ～２０００ｎｍの光に対する反射率の高い金属材料で構成される、反射率は、７０％以上であるのが好ましく、８０％以上であるのがより好ましく、９０％以上であるのが特に好ましい。このような反射層の材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の材料を用いることができる。

ところで、単に支持基板側に進行する光を光取り出し面側に戻す目的であれば、反射層を直接コンタクト層の全面に接触させる構造を採用してもよさそうに思われる。しかしながら、半導体材料からなるコンタクト層と金属材料からなる反射層との接触抵抗を低下させるためには、両者に対して熱処理を行う必要がある。ＩｎＰに対して格子整合可能な半導体材料からなるコンタクト層と金属材料からなる反射層とを接触して熱処理を行うと、反射層を構成する金属材料とコンタクト層とが合金化し、反射率が低下してしまう。かかる観点から、反射層はコンタクト層に対して直接接触させることはできない。そこで、反射層とコンタクト層との電気的接続を確保する観点から、上記の構造のように、コンタクト層と反射層とを連絡する第一電極が設けられている。

第一電極は、反射層よりは反射率が低いものの、コンタクト層との間で容易に合金化して低い接触抵抗が実現できる材料で構成される。一例として、第一電極は、ＡｕＺｎ、ＡｕＢｅ、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ層構造等を用いることができる。

上述したように、第一電極は反射層よりも反射率が低いため、界面電極が支持基板の面方向に関してほぼ全面に形成されていると、光取り出し効率を大幅に低下させてしまう。このことから、本発明に係る赤外ＬＥＤ素子においては、反射層とコンタクト層との間に絶縁層を設けると共に、面方向に関する一部の領域において、この絶縁層を貫通してコンタクト層と反射層とを連絡するように第一電極が形成されている。

絶縁層としては、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等が利用できる。これらの材料は、熱的な安定性が高いため、コンタクト層と第一電極との接触抵抗を低下させる目的で熱処理が行われても、絶縁層の化学的な性質はほとんど変化しない。また、これらの材料は、いずれも１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下の光に対する透過率が９０％以上と高い値を示す。よって、活性層から出射されて支持基板側に進行した光は、第一電極が形成されていない絶縁層内の領域を通過した後、その下層に形成された反射層で反射して光取り出し面に導かれる。

光取り出し効率を高める観点からは、支持基板の主面に平行な方向（以下、単に「面方向」という。）に関して、第一電極が形成される領域の面積をなるべく小さくするのが好ましい。一方で、この面積をあまりに小さくすると、半導体層内を流れる電流の経路が一部の箇所に集中すると共に、抵抗が大きくなってしまう。かかる観点から、第一電極は、面方向に関して離散した複数の箇所に形成される。

コンタクト層は、金属材料からなる第一電極との接触抵抗をできるだけ低下させる観点から、なるべく抵抗率の低い材料で構成されるのが好ましい。ここで、ＩｎＰからなる成長基板と格子整合可能な上述した材料のうち、Ａｌを含む材料であるＡｌＧａＩｎＡｓやＡｌＩｎＡｓについては、Ａｌが酸化しやすいことから、製造時又は利用を継続していく中で、抵抗率が高くなる可能性がある。また、ＩｎＧａＡｓは吸収端波長が前記ピーク波長よりも長い又は近いため、コンタクト層内で活性層から出射した光を吸収する割合が高まってしまい、高い光取り出し効率が実現できない。かかる観点から、本発明に係る赤外ＬＥＤ素子が備えるコンタクト層としては、ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓＰを用いるのが好適である。

ここで、本発明者らの鋭意研究によれば、Ｇａ組成とＩｎ組成を異ならせたコンタクト層を含む赤外ＬＥＤ素子を製造して実際に発光させると、組成によって発光のバラツキが生じることが確認された。そして、コンタクト層をＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．３３，０≦ｙ＜０．７０）で実現することで、発光のバラツキが抑制できることを見出した。この点については、「発明を実施するための形態」の項で後述される。

前記第一電極が形成されている領域の総面積は、前記活性層の面積に対して３０％以下とするのが好ましく、２０％以下とするのがより好ましく、１５％以下とするのが特に好ましい。

上記構成によれば、第一電極が形成される領域の総面積を小さくすることで光取り出し効率の低下を抑制しつつ、面方向に係る発光バラツキを抑制することができる。

前記赤外ＬＥＤ素子は、ピーク波長が１０００ｎｍ以上、１２００ｎｍ未満であり、
前記コンタクト層が、Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．１４，０≦ｙ＜０．３０）からなるものとしても構わない。

コンタクト層のＧａ組成を高めると、言い換えれば、Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yにおけるｘの値を高めると、吸収端の波長（バンドギャップエネルギーに対応する波長）が長波長側にシフトする。吸収端の波長がピーク波長に近づくと、活性層から出射される光がコンタクト層で吸収される割合が高まるため、光取り出し効率を高める観点からは好ましくない。

よって、赤外ＬＥＤ素子のピーク波長が１０００ｎｍ以上、１２００ｎｍ未満である場合には、コンタクト層のＧａ組成を示すｘの値を、０≦ｘ＜０．１４とするのが好適である。

上述したように、前記赤外ＬＥＤ素子が備える各半導体層は、ＩｎＰを成長基板としてエピタキシャル成長させる必要があるため、ＩｎＰに対して格子整合する組成であることが必要となる。このため、コンタクト層としてＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．３３，０≦ｙ＜０．７０）を用いる場合において、Ｇａ組成（ｘの値）を高くしようとすると、不可避的にＡｓ組成（ｙの値）も高くなり、逆に、Ｇａ組成（ｘの値）を低くしようとすると、不可避的にＡｓ組成（ｙの値）も低くなる。格子整合の観点から、コンタクト層のＧａ組成を示すｘの値を、０≦ｘ＜０．１４とする場合には、Ａｓ組成を示すｙの値は０≦ｙ＜０．３０とするのが好適である。

前記赤外ＬＥＤ素子は、ピーク波長が１２００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であり、
前記コンタクト層が、Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０．１４≦ｘ＜０．３３，０．３０≦ｙ＜０．７０）からなるものとしても構わない。

ピーク波長が１２００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である場合には、Ｇａ組成を示すｘの値を０．１４≦ｘ＜０．３３としても、コンタクト層内における光吸収についてはほとんど考慮する必要がない。一方で、本発明者らの鋭意研究により、Ｇａ組成を高めるほどコンタクト抵抗を低下できることが確認された。かかる観点から、ピーク波長が１２００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である場合には、ピーク波長が１０００ｎｍ以上、１２００ｎｍ未満である場合よりもＧａ組成を高めて、０．１４≦ｘ＜０．３３とするのが好適である。そして、この場合、格子整合の観点から、Ａｓ組成を示すｙの値は０．３０≦ｙ＜０．７０とするのが好適である。

上記の観点から、前記コンタクト層は、その吸収端の波長が、前記ピーク波長よりも１００ｎｍ以上短波長となるように材料が選択されるのが好ましい。

前記第一導電型がｐ型であり、前記第二導電型がｎ型であるものとしても構わない。

光取り出し効率を高くするためには、光取り出し面側に形成される電極（表面電極）の直下で発光させない構造が好ましい。具体的には、第二電極（表面電極）と第一電極（界面電極）間の電流経路を考えた場合に、活性層から見て第二電極側のクラッド層で電流分散をさせることで、第二電極直下での発光を抑えることが可能となる。このような電流経路を実現するためには、活性層の光取り出し側のクラッド層、すなわち第二クラッド層の抵抗が、活性層の反射膜側のクラッド層、すなわち第一クラッド層の抵抗よりも小さいことが必要である。そして、ｎ型半導体の方がｐ型半導体に対して低抵抗を実現しやすい。このため、光取り出し面側である第二クラッド層をｎ型とし、第一クラッド層をｐ型とすることで、第二電極直下での発光が抑えられ、光取り出し効率を更に高められる。

本発明によれば、面方向に係る発光の均一性の高い、発光波長１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子が実現される。

本発明の赤外ＬＥＤ素子の一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 図１に示す赤外ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための、一工程における断面図である。 Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yで構成されるコンタクト層のＧａ組成（ｘ値）と赤外ＬＥＤ素子１の順方向電圧Ｖｆとの関係を示すグラフである。 Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yで構成されるコンタクト層のＡｓ組成（ｙ値）と赤外ＬＥＤ素子１の順方向電圧Ｖｆとの関係を示すグラフである。 Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yで構成されるコンタクト層のＧａ組成を０．３８として製造された赤外ＬＥＤ素子の発光パターンを赤外線カメラで撮像した写真である。 Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yで構成されるコンタクト層のＧａ組成を０．１５として製造された赤外ＬＥＤ素子の発光パターンを赤外線カメラで撮像した写真である。 Ｇａ組成の異なるコンタクト層に対して検査用の電極パターンを用いてＴＬＭ法によって測定したコンタクト抵抗とＧａ組成との関係を示すグラフである。 ピーク波長が１０５０ｎｍの赤外ＬＥＤ素子の発光スペクトルである。 ピーク波長が１２００ｎｍの赤外ＬＥＤ素子の発光スペクトルである。

本発明に係る赤外ＬＥＤ素子の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の図面は模式的に示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しない。また、図面間においても寸法比が一致していない場合がある。

本明細書内において、「層Ａの上層に層Ｂが形成されている」という表現は、層Ａの面上に直接層Ｂが形成されている場合はもちろん、層Ａの面上に薄膜を介して層Ｂが形成されている場合も含む意図である。なお、ここでいう「薄膜」とは、膜厚１０ｎｍ以下の層を指し、好ましくは５ｎｍ以下の層を指すものとして構わない。

図１は、本実施形態の赤外ＬＥＤ素子の構造を模式的に示す断面図である。図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、支持基板１１の上層に形成された半導体層２０を備える。図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、所定の位置においてＸＹ平面に沿って切断したときの模式的な断面図に対応する。以下の説明では、適宜、図１に付されたＸＹＺ座標系が参照される。

以下の説明では、方向を表現する際に正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。

図１に示す赤外ＬＥＤ素子１では、半導体層２０内（より詳細には後述される活性層２５内）で生成された赤外光Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）が、活性層２５を基準としたときに＋Ｙ方向に取り出される。赤外光Ｌは、ピーク波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下の光である。

［素子構造］
以下、赤外ＬＥＤ素子１の構造について詳細に説明する。

（支持基板１１）
支持基板１１は導電性の材料からなり、例えば、Ｓｉ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、又はＣｕＷで構成される。排熱性及び製造コストの観点からは、Ｓｉが好ましい。支持基板１１の厚み（Ｙ方向に係る長さ）は、特に限定されないが、例えば５０μｍ以上、５００μｍ以下であり、好ましくは１００μｍ以上、３００μｍ以下である。

（接合層１３）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、接合層１３を備える。接合層１３は低融点のハンダ材料からなり、例えばＡｕ、Ａｕ－Ｚｎ、Ａｕ－Ｓｎ、Ａｕ－Ｉｎ、Ａｕ－Ｃｕ－Ｓｎ、Ｃｕ－Ｓｎ、Ｐｄ－Ｓｎ、Ｓｎ等で構成される。図２Ｅを参照して後述するように、この接合層１３は、半導体層２０が上面に形成された成長基板３と、支持基板１１とを貼り合わせるために利用される。接合層１３の厚みは、特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上、５．０μｍ以下であり、好ましくは１．０μｍ以上、３．０μｍ以下である。

（反射層１５）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、接合層１３の上層に形成された反射層１５を備える。反射層１５は、活性層２５内で生成された赤外光Ｌのうち、支持基板１１側（－Ｙ方向）に進行する赤外光Ｌ２を反射させて、＋Ｙ方向に導く機能を奏する。反射層１５は、導電性材料であって、且つ、赤外光Ｌに対して高い反射率を示す材料で構成される。反射層１５の赤外光Ｌに対する反射率は、７０％以上であるのが好ましく、８０％以上であるのがより好ましく、９０％以上であるのが特に好ましい。赤外光Ｌのピーク波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である場合においては、反射層１５はＡｇ、Ａｇ合金、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料を用いることができる。

反射層１５の厚みは、特に限定されないが、例えば０．１μｍ以上、２．０μｍ以下であり、好ましくは０．３μｍ以上、１．０μｍ以下である。

（絶縁層１７）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、反射層１５の上層に形成された絶縁層１７を備える。絶縁層１７は、電気的絶縁性を示し、赤外光Ｌに対する透過性の高い材料で構成される。絶縁層１７の赤外光Ｌに対する透過率は、７０％以上であるのが好ましく、８０％以上であるのがより好ましく、９０％以上であるのが特に好ましい。赤外光Ｌのピーク波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である場合においては、絶縁層１７はＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等の材料を用いることができる。

（半導体層２０）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、絶縁層１７の上層に形成された半導体層２０を有する。半導体層２０は、複数の層の積層体で構成される。具体的には、半導体層２０は、コンタクト層２１と、第一クラッド層２３と、活性層２５と、第二クラッド層２７とを含む。

本実施形態において、コンタクト層２１はｐ型のＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．３３，０≦ｙ＜０．７０）で構成される。すなわち、本実施形態において、「第一導電型」とはｐ型である。コンタクト層２１の組成の詳細な説明は後述される。コンタクト層２１の厚みは限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である。また、コンタクト層２１のｐ型ドーパント濃度は、好ましくは５×１０¹⁷／ｃｍ³以上、３×１０¹⁹／ｃｍ³以下であり、より好ましくは、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上、２×１０¹⁹／ｃｍ³以下である。

本実施形態において、第一クラッド層２３はコンタクト層２１の上層に形成されており、ｐ型のＩｎＰで構成される。第一クラッド層２３の厚みは限定されないが、例えば、１０００ｎｍ以上、１００００ｎｍ以下であり、好ましくは２０００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下である。第一クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度は、活性層２５から離れた位置において、好ましくは１×１０¹⁷／ｃｍ³以上、３×１０¹⁸／ｃｍ³以下であり、より好ましくは、５×１０¹⁷／ｃｍ³以上、３×１０¹⁸／ｃｍ³以下である。

コンタクト層２１及び第一クラッド層２３に含まれるｐ型ドーパントとしては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ等を利用することができ、Ｚｎ又はＭｇが好ましく、Ｚｎが特に好ましい。

本実施形態において、活性層２５は、第一クラッド層２３の上層に形成された半導体層で構成される。活性層２５は、狙いとする波長の光を生成可能であり、且つ、ＩｎＰからなる成長基板３と格子整合してエピタキシャル成長が可能な材料から適宜選択される。例えば、活性層２５は、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＩｎＧａＡｓの単層構造としても構わないし、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＩｎＧａＡｓからなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、又はＩｎＰからなる障壁層とを含むＭＱＷ（Multiple Quantum Well：多重量子井戸）構造としても構わない。

活性層２５の膜厚は、活性層２５が単層構造の場合は、５０ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であり、好ましくは、１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である。また、活性層２５がＭＱＷ構造の場合は、膜厚５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の井戸層及び障壁層が、２周期以上５０周期以下の範囲で積層されて構成される。

活性層２５は、ｎ型又はｐ型にドープされていても構わないし、アンドープでも構わない。ｎ型にドープされる場合には、ドーパントとしては、例えばＳｉを利用することができる。

本実施形態において、第二クラッド層２７は、活性層２５の上層に形成されており、ｎ型のＩｎＰで構成される。すなわち、本実施形態において、「第二導電型」とはｎ型である。第二クラッド層２７の厚みは限定されないが、例えば１００ｎｍ以上、１００００ｎｍ以下であり、好ましくは、５００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下である。第二クラッド層２７のｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０¹⁷／ｃｍ³以上、５×１０¹⁸／ｃｍ³以下であり、より好ましくは、５×１０¹⁷／ｃｍ³以上、４×１０¹⁸／ｃｍ³以下である。第二クラッド層２７にドープされるｎ型不純物材料としては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅ等を利用することができ、Ｓｉが特に好ましい。

第一クラッド層２３及び第二クラッド層２７は、活性層２５で生成された赤外光Ｌを吸収しない材料であって、且つ、ＩｎＰからなる成長基板３（後述する図２Ａ参照）と格子整合してエピタキシャル成長が可能な材料から適宜選択される。例えば、第一クラッド層２３及び第二クラッド層２７としては、ＩｎＰの他、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の材料を利用することも可能である。

図１に示す例では、第二クラッド層２７の＋Ｙ側の表面に凹凸部２７ａが形成されている。凹凸部２７ａが形成されることで、活性層２５から＋Ｙ方向に進行した赤外光Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）が第二クラッド層２７の表面で活性層２５側に反射される光量が低下され、光取り出し効率が高められる。ただし、本発明において、第二クラッド層２７の表面に凹凸部２７ａを設けるか否かは任意である。

（第一電極３１）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、絶縁層１７内の複数の箇所においてＹ方向（「第一方向」に対応する。）に絶縁層１７を貫通して形成された、第一電極３１を有する。第一電極３１は、絶縁層１７の＋Ｙ側に形成されているコンタクト層２１と、絶縁層１７の－Ｙ側に形成されている反射層１５とを連絡する。

第一電極３１は、コンタクト層２１に対してオーミック接触が可能な材料で構成される。第一電極３１は、一例として、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ、ＡｕＺｎ、ＡｕＢｅ等の材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。これらの材料は、反射層１５を構成する材料と比較して、赤外光Ｌに対する反射率が低い。

Ｙ方向に見た場合の、第一電極３１のパターン形状は任意である。ただし、支持基板１１の主面（ＸＺ平面）に平行な方向（以下、「面方向」という。）に関して活性層２５内の広い範囲に電流を流す観点からは、第一電極３１は面方向に分散して複数配置されるのが好ましい。

Ｙ方向から見たときの、全ての第一電極３１の総面積は、半導体層２０（例えば活性層２５）の面方向に係る面積に対して、３０％以下であるのが好ましく、２０％以下であるのがより好ましく、１５％以下であるのが特に好ましい。第一電極３１の総面積が比較的大きくなると、活性層２５から支持基板１１側（－Ｙ方向）に進行する赤外光Ｌ２が第一電極３１に吸収されてしまい、取り出し効率が低下してしまう。一方で、第一電極３１の総面積が小さすぎると、抵抗値が高くなって順方向電圧が上昇してしまう。

（第二電極３２）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、第二クラッド層２７の上層に形成された、第二電極３２を備える。第二電極３２は、Ｙ方向に見たときに、第二クラッド層２７の上層において、格子状に延伸して形成されるのが好ましい。これにより、活性層２５内を流れる電流を面方向に広げることができ、活性層２５内の広い範囲で発光させることができる。ただし、本発明において、第二電極３２のパターン形状は任意である。

第二電極３２は、一例として、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ、ＡｕＺｎ、ＡｕＢｅ等の材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。

（裏面電極３３）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、支持基板１１の半導体層２０とは反対側（－Ｙ側）の面上に形成された、裏面電極３３を備える。裏面電極３３は支持基板１１に対してオーミック接触が実現されている。裏面電極３３は、一例として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｇｅ／Ｐｔ等の材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。

［製造方法］
上述した赤外ＬＥＤ素子１の製造方法の一例について、図２Ａ～図２Ｆの各図を参照して説明する。図２Ａ～図２Ｆは、いずれも製造プロセス内における一工程における断面図である。

（ステップＳ１）
図２Ａに示すように、ＩｎＰからなる成長基板３をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に搬送し、成長基板３上に、第二クラッド層２７、活性層２５、第一クラッド層２３及びコンタクト層２１を順次エピタキシャル成長させて、半導体層２０を形成する。本ステップＳ１において、成長させる層の材料や膜厚に応じて、原料ガスの種類及び流量、処理時間、環境温度等が適宜調整される。各半導体層２０の材料例は上述した通りである。特に、コンタクト層２１は、Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．３３，０≦ｙ＜０．７０）となるように、成長条件が調整される。

（ステップＳ２）
エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、コンタクト層２１の表面にフォトリソグラフィ法によってパターニングされたレジストマスクを形成する。その後、真空蒸着装置を用いて第一電極３１の形成材料（例えばＡｕＺｎ）を成膜した後、リフトオフ法によってレジストマスクが剥離される。その後、例えば、４５０℃、１０分間の加熱処理によってアロイ処理（アニール処理）が施されることで、コンタクト層２１と第一電極３１との間のオーミック接触が実現される。

次に、プラズマＣＶＤ法によって例えばＳｉＯ₂からなる絶縁層１７が成膜される。その後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により、第一電極３１の上層に位置する絶縁層１７が取り除かれて、第一電極３１が露出される（図２Ｂ参照）。

（ステップＳ３）
図２Ｃに示すように、絶縁層１７及び第一電極３１を覆うように、例えばＡｕ－Ｓｎからなる接合層１３ａが形成される。なお、接合層１３ａは、接合層１３と同一の材料で構成されるものとして構わない。

（ステップＳ４）
図２Ｄに示すように、成長基板３とは別の支持基板１１を準備し、その上面に例えばＡｕ－Ｓｎからなる接合層１３ｂが形成される。なお、図示されていないが、支持基板１１の面上に、コンタクト用の金属層（例えばＴｉ）を形成し、その上層に接合層１３ｂを形成するものとして構わない。

（ステップＳ５）
図２Ｅに示すように、接合層１３（１３ａ，１３ｂ）を介して、成長基板３と支持基板１１とが、例えば２８０℃の温度、１ＭＰａの圧力下で、貼り合わせられる。この処理により、成長基板３上の接合層１３ａと支持基板１１上の接合層１３ｂとが、溶融されて一体化される（接合層１３）。

（ステップＳ６）
半導体層２０側の面にレジストを塗布して保護した後、露出した成長基板３に対して、研削研磨処理又は塩酸系エッチャントによるウェットエッチング処理を行う。これにより、成長基板３が剥離されて、第二クラッド層２７が露出する（図２Ｆ参照）。

（ステップＳ７）
露出した第二クラッド層２７の表面に対して、真空蒸着装置を用いて第二電極３２の形成材料（例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）を成膜した後、例えば４５０℃、１０分間の加熱処理によってアロイ処理（アニール処理）が施されることで、第二電極３２が形成される（図１参照）。

（ステップＳ８）
次に、第二電極３２が形成されていない第二クラッド層２７の表面に対してウェットエッチングが施され、凹凸部２７ａが形成される。その後、素子毎に分離するためのメサエッチングが施される。具体的には、第二クラッド層２７の面のうちの非エッチング領域を、フォトリソグラフィ法によってパターニングされたレジストによってマスクした状態で、臭素とメタノールの混合液によってウェットエッチング処理が行われる。これにより、マスクされていない領域内に位置する半導体層２０の一部が除去される（図１参照）。

（ステップＳ９）
次に、支持基板１１の－Ｙ側の面上に、真空蒸着装置を用いて裏面電極３３の形成材料（例えばＴｉ／Ａｕ）を成膜し、裏面電極３３が形成される。これにより、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１が製造される。

なお、ステップＳ７、ステップＳ８、及びステップＳ９は、適宜実行順序を入れ替えても構わない。また、他の工程においても、赤外ＬＥＤ素子１の製造に影響のない範囲であれば、その順序が適宜前後しても構わない。

［検証］
コンタクト層２１の組成のみを異ならせて上記ステップＳ１～Ｓ９に準じて製造した複数種類の赤外ＬＥＤ素子１に対して、電圧を印加して発光させた。このとき、赤外ＬＥＤ素子１に流れる電流が５０ｍＡとなるように、印加電圧が調整された。

図３Ａは、Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yで構成されるコンタクト層２１のＧａ組成（ｘ値）と赤外ＬＥＤ素子１の順方向電圧Ｖｆとの関係をグラフ化したものである。Ｇａ組成（ｘ値）が同一である赤外ＬＥＤ素子１についても複数個作製し、それぞれについて順方向電圧Ｖｆを測定した。

コンタクト層２１は、ＩｎＰからなる成長基板３上にエピタキシャル成長させる必要があるため、ＩｎＰに対して格子整合する必要がある。かかる事情により、コンタクト層２１のＧａ組成（ｘ値）を変更すると、コンタクト層２１のＡｓ組成（ｙ値）も変更を余儀なくされる。詳細にいえば、ＩｎＰに対する格子整合を実現するためには、Ｇａ組成（ｘ値）を高めると、Ａｓ組成（ｙ値）も高める必要がある。かかる観点から、図３Ｂは、図３Ａの検証の際に作製された赤外ＬＥＤ素子１について、コンタクト層２１のＡｓ組成（ｙ値）と赤外ＬＥＤ素子１の順方向電圧Ｖｆとの関係をグラフ化したものである。なお、図３Ａ及び図３Ｂには、参考のために、上横軸には、対応するＧａ組成（ｘ値）及びＡｓ組成（ｙ値）によって決定されるコンタクト層２１のバンドギャップ波長（吸収端波長）が示されている。

コンタクト層２１のＧａ組成０．０６を示す赤外ＬＥＤ素子は、Ａｓ組成が０．１２であった。つまり、図３ＡにおけるＧａ組成０．０６の箇所にプロットされた赤外ＬＥＤ素子と、図３ＢにおけるＡｓ組成０．１２の箇所にプロットされた赤外ＬＥＤ素子は同一の素子である。

以下、Ｇａ組成とＡｓ組成の対応関係のみを記載すると次の通りである。
コンタクト層２１のＧａ組成０．１５を示す赤外ＬＥＤ素子は、Ａｓ組成が０．３３であった。
コンタクト層２１のＧａ組成０．２２を示す赤外ＬＥＤ素子は、Ａｓ組成が０．４８であった。
コンタクト層２１のＧａ組成０．３１を示す赤外ＬＥＤ素子は、Ａｓ組成が０．６６であった。
コンタクト層２１のＧａ組成０．３３を示す赤外ＬＥＤ素子は、Ａｓ組成が０．７０であった。
コンタクト層２１のＧａ組成０．３８を示す赤外ＬＥＤ素子は、Ａｓ組成が０．８３であった。

図３Ａによれば、コンタクト層２１のＧａ組成が０．３１以下の範囲（Ａｓ組成が０．６６以下の範囲）においては、赤外ＬＥＤ素子１の順方向電圧Ｖｆにあまりバラツキが見られなかった。これに対し、コンタクト層２１のＧａ組成が０．３３以上の範囲（Ａｓ組成が０．７０以上の範囲）においては、赤外ＬＥＤ素子１の順方向電圧Ｖｆに顕著なバラツキが確認された。この結果から、順方向電圧Ｖｆのバラツキを抑制する観点からは、コンタクト層２１のＧａ組成を０．３３未満、Ａｓ組成を０．７０未満とするのが好適であることが分かる。

図４Ａは、コンタクト層２１のＧａ組成を０．３８として製造された赤外ＬＥＤ素子１に対して電圧を印加したときの発光パターンを、光取り出し面側（第二クラッド層２７側）から赤外線カメラで撮像したときの写真である。図４Ｂは、コンタクト層２１のＧａ組成を０．１５として製造された赤外ＬＥＤ素子１の場合の、前記方法で撮像された写真である。

図４Ａによれば、コンタクト層２１のＧａ組成が０．３８である場合、発光強度が高い領域と低い領域が存在し、面方向に発光ムラが生じていることが確認される。一方、図４Ｂによれば、コンタクト層２１のＧａ組成が０．１５である場合には、面方向に均一的に発光しており、発光ムラが確認されなかった。

図３Ａ及び図４Ａの結果によれば、コンタクト層２１のＧａ組成が０．３８である場合、発光ムラが確認されると共に、順方向電圧Ｖｆにバラツキが生じていた。このことから、コンタクト層２１のＧａ組成が０．３８である場合には、面方向に複数設けられた第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗にバラツキが生じたものと推定される。コンタクト抵抗にバラツキが生じたことで、複数の第一電極３１の中に、比較的高い電流が流れたもの（図４Ａ内の符号３１ａ）と、電流があまり流れなかったもの（図４Ａ内の符号３１ｂ）とが存在した。この結果、前者の第一電極３１（３１ａ）の近傍の箇所は発光強度が高くなった一方で、後者の第一電極３１（３１ｂ）の近傍の箇所は発光強度が低くなり、面方向に発光ムラが生じたものと考えられる。

また、図３Ａ及び図４Ｂの結果によれば、コンタクト層２１のＧａ組成が０．１５である場合、順方向電圧Ｖｆにバラツキが生じず、発光ムラが確認されなかった。このことから、コンタクト層２１のＧａ組成が０．１５である場合には、第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗にバラツキが生じなかったものと考えられる。

図３Ａの結果を踏まえると、コンタクト層２１のＧａ組成を０．３３未満とすることで、赤外ＬＥＤ素子１の面方向の発光バラツキを抑制できることが分かる。なお、上述したように、コンタクト層２１をＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yで構成する場合、Ｇａ組成が決まると格子整合の観点からＡｓ組成も確定する。すなわち、図３Ａ及び図３Ｂの結果を踏まえると、コンタクト層２１のＧａ組成を０．３３未満とし、Ａｓ組成を０．７０未満とすることで、赤外ＬＥＤ素子１の面方向の発光バラツキを抑制できることが分かる。

Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-yで構成されたコンタクト層２１のＧａ組成を０．３３未満とすることで、コンタクト抵抗のバラツキが抑制できた理由については定かではないが、本発明者らは以下のように推察している。上述したように、ステップＳ２においてコンタクト層２１はアニール処理が行われることで、第一電極３１とのオーミック接触が実現される。このオーミック接触は、第一電極３１とコンタクト層２１とが合金化することで実現されるが、コンタクト層２１を構成する材料のＧａ及びＡｓ組成が高くなることで、その合金反応が不安定になったのではないかと推察される。

図５は、ステップＳ１においてＧａ組成を異ならせた状態で半導体層２０を作製し、この最上面のコンタクト層２１に対して、検査用の電極パターンを用いてＴＬＭ（Transmission Line Model）法によってコンタクト抵抗を測定した結果を、Ｇａ組成に関連付けて示したグラフである。

図５に示すコンタクト抵抗は、赤外ＬＥＤ素子１における、第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗とは実質的に異なるものである。なぜなら、それぞれの第一電極３１は極めて径が細いため（例えばφ５～１５μｍ程度）、コンタクト層２１との間の接触面積が小さいのに対し、ＴＬＭ法による電極パターンを用いた測定方法の場合、コンタクト層２１とＴＬＭパターンとの接触面積は極めて大きいためである（例えば１００～２００μｍ四方）。このことから、赤外ＬＥＤ素子１におけるコンタクト抵抗と区別するために、図５では「ＴＬＭコンタクト抵抗」という名称が付されており、以下の説明においても同じ用語が用いられる。

なお、第一電極３１は上記のように極めて径が細いことから、赤外ＬＥＤ素子１における第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗そのものを測定することは現実的に困難である。

図５の結果から、コンタクト層２１のＧａ組成が低くなると、ＴＬＭコンタクト抵抗が上昇することが分かる。この結果は、赤外ＬＥＤ素子１において、コンタクト層２１のＧａ組成が低くなると、複数の第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗の合成抵抗が上昇する傾向を示すことを意味する。すなわち、各第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗のバラツキの問題が生じない場合においては、赤外ＬＥＤ素子１の順方向電圧を低下させる観点からは、コンタクト層２１のＧａ組成を高くするのが好適であることが分かる。

なお、図５の結果では、コンタクト層２１のＧａ組成の値に関わらず、ＴＬＭコンタクト抵抗のバラツキの程度に有意な差が生じていない。これは、コンタクト層２１とＴＬＭ電極パターンとの間の接触面積が大きいため、ミクロな領域でコンタクト抵抗にバラツキが生まれたとしても、ＴＬＭ用の電極パターン全体とコンタクト層２１との間の接触領域における抵抗値にはほとんど影響しなかったことによるものと考えられる。

これに対し、実際の赤外ＬＥＤ素子１に設けられた第一電極３１は、上述したように径が細いため、ミクロな領域におけるコンタクト抵抗のバラツキが、第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗に直接的な影響を及ぼす。このことを、図４Ａの写真に対応させて説明すると、一の第一電極３１ｂとコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗が、別の第一電極３１ａとコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗よりも大きくなることで、場所によって流れる電流密度に差が生じることになる。

図５の結果に鑑みると、それぞれの第一電極３１とコンタクト層２１との間のコンタクト抵抗のバラツキを抑制しつつ、順方向電圧Ｖｆを低下させる観点からは、コンタクト層２１のＧａ組成を０．１３より大きく、０．３３未満の範囲にするのが好ましいことが分かる。図３の結果も踏まえると、コンタクト層２１のＧａ組成を、０．１４以上、０．３１以下とするのが好ましいことが分かる。

ところで、コンタクト層２１のＧａ組成を変化させると、コンタクト層２１の吸収端波長λ₀（バンドギャップ波長）がシフトする。赤外光Ｌのピーク波長λ_Lと、コンタクト層２１の吸収端波長λ₀が近接すると、赤外光Ｌの多くをコンタクト層２１が吸収して光取り出し効率が低下する。かかる観点から、コンタクト層２１の吸収端波長λ₀が、赤外光Ｌのピーク波長λ_Lよりも１００ｎｍ以上短波長側になるように、コンタクト層２１のＧａ組成が設定されるのが好ましい。図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ上記ステップＳ１～Ｓ９に準じて製造した赤外ＬＥＤ素子１のスペクトルの一例である。それぞれの赤外ＬＥＤ素子１は、活性層２５の組成を異ならせることで、ピーク波長λ_Lを変化させている。

図６Ａに示すように、ピーク波長λ_Lが１０５０ｎｍの赤外ＬＥＤ素子１の場合は、コンタクト層２１の吸収端波長λ₀が９５０ｎｍ未満となるように、コンタクト層２１のＧａ組成が設定されるのが好ましい。また、図６Ｂに示すように、ピーク波長λ_Lが１２００ｎｍの赤外ＬＥＤ素子１の場合は、コンタクト層２１の吸収端波長λ₀が１１００ｎｍ未満となるように、コンタクト層２１のＧａ組成が設定されるのが好ましい。

言い換えれば、ピーク波長λ_Lが１０００ｎｍ以上、１２００ｎｍ未満である場合には、コンタクト層２１のＧａ組成は、０．１４未満とするのが好適である。一方、ピーク波長λ_Lが１２００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である場合には、コンタクト層２１のＧａ組成は、０．１４以上、０．３３未満とするのが好適である。

［別実施形態］
上記実施形態では、第一導電型をｐ型とし、第二導電型をｎ型としたが、導電型を反転させても構わない。すなわち、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１において、コンタクト層２１及び第一クラッド層２３をｎ型とし、第二クラッド層２７をｐ型としても構わない。

１ ：赤外ＬＥＤ素子
３ ：成長基板
１１ ：支持基板
１３ ：接合層
１３ａ ：接合層
１３ｂ ：接合層
１５ ：反射層
１７ ：絶縁層
２０ ：半導体層
２１ ：コンタクト層
２３ ：第一クラッド層
２５ ：活性層
２７ ：第二クラッド層
２７ａ ：凹凸部
３１，３１ａ，３１ｂ ：第一電極
３２ ：第二電極
３３ ：裏面電極
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ ：赤外光

Claims (6)

1. ピーク波長が１０００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下である赤外ＬＥＤ素子であって、
   導電性を示す支持基板と、
   前記支持基板の上層に形成された金属材料からなる反射層と、
   前記反射層の上層に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層の上層に形成された、第一導電型のＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．３３，０≦ｙ＜０．７０）からなるコンタクト層と、
   前記コンタクト層の上層に形成された、前記第一導電型の第一クラッド層と、
   前記第一クラッド層の上層に形成された活性層と、
   前記活性層の上層に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第二クラッド層と、
   前記絶縁層内の複数の箇所において前記支持基板の主面に直交する第一方向に貫通して形成され、前記コンタクト層と前記反射層とを連絡する第一電極と、
   前記第二クラッド層の上層に形成された第二電極とを有し、
   前記第一電極は、前記活性層から出射した光に対する反射率が前記反射層よりも低い、金属材料からなることを特徴とする、赤外ＬＥＤ素子。
2. 前記第一電極が形成されている領域の総面積は、前記活性層の面積に対して３０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
3. ピーク波長が１０００ｎｍ以上、１２００ｎｍ未満であり、
   前記コンタクト層が、Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０≦ｘ＜０．１４，０≦ｙ＜０．３０）からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の赤外ＬＥＤ素子。
4. ピーク波長が１２００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であり、
   前記コンタクト層が、Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（０．１４≦ｘ＜０．３３，０．３０≦ｙ＜０．７０）からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の赤外ＬＥＤ素子。
5. 前記コンタクト層の吸収端の波長が、前記ピーク波長よりも１００ｎｍ以上短波長であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の赤外ＬＥＤ素子。
6. 前記第一導電型がｐ型であり、前記第二導電型がｎ型であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の赤外ＬＥＤ素子。