特許 6294674 発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6294674

(24)【登録日】2018年2月23日

(45)【発行日】2018年3月14日

(54)【発明の名称】発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/38 20100101AFI20180305BHJP

   H01L 33/08 20100101ALI20180305BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/38

   H01L33/08

【請求項の数】1

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-3521(P2014-3521)

(22)【出願日】2014年1月10日

(65)【公開番号】特開2015-133386(P2015-133386A)

(43)【公開日】2015年7月23日

【審査請求日】2016年12月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】303046277

【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(72)【発明者】

【氏名】本川 菜津子

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１４２３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／００９１７８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１１３６８５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に形成された共通の第１導電型半導体層上に、発光層及び第２導電型半導体層をこの順で積層した積層構造を複数設けてなるメサ型化合物半導体積層部と、
前記第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部と、
前記第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部と、を備え、
複数の前記積層構造は、平面視でマトリクス状に配置されており、
前記第１電極部は、前記複数の積層構造のそれぞれの周囲に配置された底部電極部を有し、
前記第２電極部は、前記第２導電型半導体層を覆う頂部電極部と、前記複数の積層構造のうち前記マトリクスの行方向及び列方向の一方で隣り合う積層構造の前記頂部電極部同士を電気的に接続する連結電極部とを有し、
前記底部電極部は、前記マトリクスの行方向及び列方向の他方に沿って、前記隣り合う積層構造間まで延伸した延伸電極部を含むことで、平面視で、前記積層構造の少なくとも一部に対してその左右前後の４方面に存在しており、
前記頂部電極部のそれぞれは、平面視で、前記複数の積層構造の頂部の前記第２導電型半導体層の７０％以上を覆い、
前記隣り合う積層構造間において、前記連結電極部の前記他方に沿う長さと、前記延伸電極部の前記他方に沿う長さとの比が、１：１〜１：２０の範囲内であり、
前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層はそれぞれ、０．１ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下のバンドギャップ材料であるＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂであり、
前記第１電極及び前記第２電極部の構成材料は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかを含んでおり、
前記基板側から光を出射するようになっている発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の環境意識の高まりや住宅の気密性向上などを背景に、室内の空気質モニタへの関心が高まっている。中でも、最も身近で検出しやすい成分として、二酸化炭素が注目されている。二酸化炭素は人間活動により放出されるため、二酸化炭素濃度のモニタリングにより室内活動での適度な換気タイミングを知ることができ、住宅やオフィスビルでのエネルギー使用効率化に貢献できる。このようなシステムを組み込んだ建物管理システムはＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＢＥＭＳ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）などと呼ばれ、スマートシティ構想の重要な担い手として、大きく注目されている。

【0003】

この二酸化炭素センシングの方式には大きく分けて２つの方法がある。１つは固体電解質法と呼ばれるもので、固体電解質を加熱した際、二酸化炭素濃度に応じた起電圧が発生することを利用したものである。もう一つがＮＤＩＲ（Ｎｏｎ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）法と呼ばれるもので、前者に比べて精度が高い、製品寿命が長いといった利点があり、今後の二酸化酸素センサの主流になると期待されている。

【0004】

ＮＤＩＲ法ガスセンサの原理は以下のようなものである。まず、赤外線の光源と２つの赤外線センサ、そしてその間に測定対象ガスを注入するガスセルを用意する。２つ赤外線のセンサにはそれぞれ、測定したいガスの吸収波長及び非吸収波長のみを透過するフィルタが設けられており、これらセンサの出力比をとることで、ガスセル内のガス濃度を定量的に測定することができる。

【0005】

しかしながら、ＮＤＩＲ法を用いた二酸化炭素センサは、一般に複雑な部品構成や演算アルゴリズムを要するために高価であり、広く普及するには至っていない。特に、赤外線光源としては通常白熱球が用いられるが、白熱球は消費電力が高い上、コスト面でも高価格の一因となっている。上記の問題に対する手段の一つとして、光源として特定波長の赤外線を発する半導体発光素子（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の使用がある。例えば、消費電力について考えた場合、白熱球は非常に広帯域の発光スペクトルを発生させるが、ＬＥＤは必要な特定の波長付近のみの発光スペクトルを発生させる。従って、ＬＥＤを使用することにより、必要としない波長に対するエネルギーの非効率使用を削減させることができる。

【0006】

また、白熱球は使用時に電源を投入してから安定するまでに一定時間が必要なのに対し、ＬＥＤの立ち上がりは非常にシャープである。さらに、ＬＥＤは高速応答性も有するため、高速の間欠駆動が可能となり、最小限のエネルギーで二酸化炭素センサを駆動させるのに適していると言える。コストについても、従来技術の白熱球をＬＥＤとすることでパッケージの小型化を狙うことができ、低コスト化に貢献できると考えられる。さらに、ＬＥＤの波長は半導体材料の組み合わせにより幅広く変化させることが可能である。二酸化炭素センサのみならず、他のガス検知へも、将来的には用途を拡大することが期待できる。

【0007】

以上に述べた理由から、二酸化炭素センサ光源としてＬＥＤを採用することの利点は数多く存在するが、現在までに普及していないもう一つの理由として、発光強度が得られないためにガスセンサとしての信号強度（Ｓ／Ｎ比）が得られていないというものがある。発光強度を大きくするほどＮＤＩＲ方式ガスセンサのＳ／Ｎ比は向上するため、ガスセンサとしての応用のためには、まず十分なＬＥＤの発光強度を得なければならない。

【0008】

ＮＤＩＲ方式ガスセンサを二酸化炭素センサとして使用する場合、光源は二酸化炭素の特徴的な吸収帯である４．３μｍ付近の発光を示すＬＥＤを用いる必要がある。このようなＬＥＤを作成するためには４．３μｍに対応するバンドギャップを有する半導体を用いてｐｎ接合ダイオードを形成し、形成したｐｎ接合ダイオードに順方向電流を流して接合部分である空乏層において、電子と正孔を再結合させることにより赤外線の発光を獲得する必要がある。ここで、ＬＥＤについては紫外線・可視光線領域での発光を示すものも含めると非常に多様な発光効率の向上策が検討されており、その多くは異なる波長についても応用が可能なものである。その方法の一つとして、特許文献１には、電極形状の工夫による発光効率の向上が述べられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第３５７６９６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

特許文献１には、絶縁性基板上に第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層が積層された積層部において、第１導電型半導体層の途中までエッチング加工して、複数の櫛形の並行形状の溝を形成することで、発光素子の発光効率を向上することが示されている。しかしながら、本発明者は、櫛形並行形状の溝が電極構造として最適化されてはいないと考える。
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであって、発光効率をさらに向上できるようにした発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示す発光素子により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明の一態様に係る発光素子は、基板と、前記基板上に形成された共通の第１導電型半導体層上に、発光層及び第２導電型半導体層をこの順で積層した積層構造を複数設けてなるメサ型化合物半導体積層部と、前記第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部と、前記第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部と、を備え、複数の前記積層構造は、平面視でマトリクス状に配置されており、前記第１電極部は、前記複数の積層構造のそれぞれの周囲に配置された底部電極部を有し、前記第２電極部は、前記第２導電型半導体層を覆う頂部電極部と、前記複数の積層構造のうち前記マトリクスの行方向及び列方向の一方で隣り合う積層構造の前記頂部電極部同士を電気的に接続する連結電極部とを有し、前記底部電極部は、前記マトリクスの行方向及び列方向の他方に沿って、前記隣り合う積層構造間まで延伸した延伸電極部を含むことで、平面視で、前記積層構造の少なくとも一部に対してその左右前後の４方面に存在しており、前記頂部電極部のそれぞれは、平面視で、前記複数の積層構造の頂部の前記第２導電型半導体層の７０％以上を覆い、前記隣り合う積層構造間において、前記連結電極部の前記他方に沿う長さと、前記延伸電極部の前記他方に沿う長さとの比が、１：１〜１：２０の範囲内であり、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層はそれぞれ、０．１ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下のバンドギャップ材料であるＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ又はＩｎＡｓＳｂであり、前記第１電極及び前記第２電極部の構成材料は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかを含んでおり、前記基板側から光を出射するようになっている。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、発光効率をさらに向上できるようにした発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に係る発光素子１００の構成例を模式的に示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る発光素子１００の構成例を模式的に示す図である。

【図3】本発明の第２実施形態に係る発光素子２００の構成例を模式的に示す図である。

【図4】本発明の第３実施形態に係る発光素子３００の構成例を模式的に示す図である。

【図5】実施例１を説明するための図。

【図6】実施例１を説明するための図。

【図7】実施例１を説明するための図。

【図8】実施例２を説明するための図。

【図9】本発明の比較例に係る赤外線発光素子９００の構成例を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態と称する）を説明する。
［発光素子］
本実施形態に係る発光素子は、第１導電型半導体層と、発光層と、第２導電型半導体層とがこの順で積層された複数のメサ型化合物半導体積層部と、第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部と、第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部と、を備える。複数のメサ型化合物半導体積層部は、平面視でマトリクス状に配置されている。第１電極部は、複数のメサ型化合物半導体積層部の周囲に配置された底部電極部を有する。第２電極部は、第２導電型半導体層を覆う頂部電極部と、複数のメサ型化合物半導体積層部のうちマトリクスの行方向及び列方向の一方で隣り合うメサ型化合物半導体積層部の頂部電極部同士を電気的に接続する連結電極部とを有する。底部電極部は、マトリクスの行方向及び列方向の他方に沿って、行方向及び列方向の一方で隣り合うメサ型化合物半導体積層部間まで延伸した延伸電極部を含む。

【0016】

本実施形態に係る発光素子は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合により、注入電流に応じて所望の発光を出力するものである。メサ型化合物半導体積層部の保護と、第１電極部と第２電極部との電気的分離の観点から、発光素子はメサ型化合物半導体積層部の少なくとも一部を覆う保護層を備えていてもよい。
また、メサ型化合物半導体積層部を支持する部材として、基板をさらに有していてもよい。基板の具体例としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂなどが挙げられるがこれに限定されるものではない。

【0017】

［化合物半導体積層部］
本実施形態に係る発光素子において、化合物半導体積層部は、第１導電型半導体層と、発光層と、第２導電型半導体層とがこの順で積層された、メサ型化合物半導体積層部である。効率的な発光の観点から、第１導電型半導体層と発光層と第２導電型半導体層とによるＰＮ接合、又は第１導電型半導体層と発光層と第２導電型半導体層とによるＰＩＮ接合からなる、フォトダイオード構造を含むものであることが好ましい。ＰＮ接合又はＰＩＮ接合の具体例として、赤外線領域ではｐ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂ、ｐ−ＩｎＳｂ／ｉ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂ、ｐ−ＡｌＩｎＳｂ／ｉ−ＡｌＩｎＳｂ／ｎ−ＡｌＩｎＳｂ等が挙げられるがこれに限定されるものではない。また、ｉ型半導体層は、ｐ又はｎ型にドープされていても良い。また、さらに上記したＰＮ接合又はＰＩＮ接合の各層の間に、キャリアの閉じ込め効果を狙ったバリア層を備えていても良い。このバリア層は第１導電型半導体層や第２導電型半導体層よりもバンドギャップが大きい材料であることが好ましい。

【0018】

メサ型化合物半導体積層部は、その表面に各導電型のコンタクト層を備えていてもよい。コンタクト層は各導電型のドーパントが高濃度にドープされた化合物半導体層であることが好ましい。
本実施形態に係る発光素子は、上記したメサ型化合物半導体積層部を複数備える。これら複数のメサ型化合物半導体積層部は、平面視で、ｎ行ｍ列（ｎ≧２，ｍ≧２）のマトリクス状に配置されている。ここで、マトリクスとは、平面視で、行方向に沿う複数の行と、列方向に沿う複数の列とが互いに交差する（例えば、直交する）態様のことである。本実施形態では、行の数がｎ（ｎは２以上の整数）で、列の数がｍ（ｍは２以上の整数）のマトリクスを、ｎ行ｍ列（ｎ≧２、ｍ≧２）のマトリクスという。

【0019】

メサ構造を設けることにより、第１電極部と第２電極部とを化合物半導体積層部の同一方向側（例えば、上下の一方側）に設けることが可能であり、第１、第２電極部が設けられない他方側から光を出射することにより、より広い面積を発光出射部として使用することが可能となる。発光素子が基板を備える場合は、基板側から光を出射することになるため、化合物半導体積層部の発光層よりもバンドギャップが大きな材料を基板として用いることが好ましい。

【0020】

［保護層］
本実施形態に係る発光素子において、保護層は、化合物半導体積層部の表面の少なくとも一部を覆う。また、保護層は、第１保護層と第２保護層とを有してもよい。第１保護層は、メサ型化合物半導体積層部を保護することに加え、発光層で発光された光を光取り出し面へ効率よく導き、出力を高める機能があるものが好ましい。例えば、光取り出し面をメサ凸側（即ち、メサの頂部側）と反対側（即ち、メサの底部側）に設けた赤外線発光素子の場合、第１保護層は、メサ構造の半導体層よりも屈折率の低い材料であることが好ましく、屈折率が１．４７程度である酸化珪素（ＳｉＯ_２）、又は屈折率が１．９程度である窒化珪素（ＳｉＮ）が最も代表的な例として挙げられる。また、第２保護層は、湿度環境に対するバリアとしての機能を有するものが好ましく、例えば、耐湿性に優れたＳｉＮが挙げられる。

【0021】

［電極部］
本実施形態に係る発光素子において、電極部は、メサ型化合物半導体積層部の第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部と、メサ型化合物半導体積層部の第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部とに分類される。
第１電極部は、複数のメサ型化合物半導体積層部の周囲に配置された底部電極部を有する。また、第２電極部は、第２導電型半導体層を覆う頂部電極部と、連結電極部とを有する。連結電極部は、複数のメサ型化合物半導体積層部のうちマトリクスの行方向及び列方向の一方で隣り合うメサ型化合物半導体積層部の頂部電極部同士を電気的に接続するものである。

【0022】

底部電極部は、マトリクスの行方向及び列方向の他方（即ち、連結電極部の延伸方向に垂直に交わる方向）に沿って、行方向及び列方向の一方で隣り合うメサ型化合物半導体積層部間まで延伸した延伸電極部を含む。底部電極部は、複数のメサ型化合物半導体積層部の各々の周囲の５５％以上を囲うことが好ましい（即ち、下部電極囲い率は５５％以上であることが好ましい。）。

【0023】

また、マトリクスの行方向及び列方向の一方（即ち、連結電極部の延伸方向）で隣り合うメサ型化合物半導体積層部間において、連結電極部の他方に沿う長さ（即ち、幅）と、延伸電極部の他方に沿う長さ（即ち、長手方向の長さ）との比が、１：１〜１：２０の範囲内であることが好ましい。また、上記の比が１：２０に近づくと連結電極部の配線抵抗が増加するため、１：１〜１：１０、さらには１：１〜１：５とすることがより好ましい。

【0024】

また、頂部電極部は、複数のメサ型化合物半導体積層部の各々について、平面視で、その第２導電型半導体層の面積の７０％以上を覆うように形成されていることが好ましい（即ち、上部電極被覆率は７０％以上であることが好ましい）。
また、第１、第２電極部の構成材料としては、化合物半導体積層部とのコンタクト抵抗が低いものや、電気抵抗が低いものであることが好ましい。具体的にはＴｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕが挙げられる。また、第１、第２電極部は複数の電極材料の積層体で構成されていても良い。

【0025】

メサ型化合物半導体積層部の第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層（バリア層を除く）としてナローバンドギャップ材料を用いる場合、本実施形態に示した第１、第２電極部の構造をとることにより、特に発光効率の向上が達成される。ナローバンドギャップ半導体は可視・紫外領域に発光波長を有するＬＥＤ材料に対して電気伝導性が高く、特に延伸電極部の寄与により発光効率の向上が見込める。

【0026】

具体的には第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層（バリア層を除く）がそれぞれ、０．１ｅＶ以上、１．２ｅＶ以下のバンドギャップ材料である形態が例示される。バンドギャップが０．１〜１．２ｅＶの材料としては、ＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂが挙げられるがこの限りではない。
以下、図面を参酌しながら、本実施形態の具体的な形態として、第１〜第３実施形態、実施例１〜３をそれぞれ説明するが、本実施形態はこれに限定されるものではない。また、各図面において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。

【0027】

［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る発光素子１００の構成例を模式的に示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図をＡ１−Ａ´１線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の平面図をＢ１−Ｂ´１線で切断した断面図である。また、図２は、第１実施形態に係る発光素子１００の構成例を模式的に示す斜視図である。

【0028】

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１実施形態に係る発光素子１００は、例えば赤外線発光素子である。この発光素子１００は、基板上に形成された複数のメサ型化合物半導体積層部１０と、第１電極部２０と、第２電極部３０とを備える。複数のメサ型化合物半導体積層部１０の各々は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含み、図１（ａ）及び図２に示すようにｎ行ｍ列（ｎ≧２，ｍ≧２）のマトリクス状に配置されている。

【0029】

第１電極部２０は、複数のメサ型化合物半導体積層部１０の各々を平面視で囲う底部電極部２１を有する。第２電極部３０は、複数のメサ型化合物半導体積層部１０の頂部の第２導電型半導体層の７０％以上を覆う頂部電極部３１と、列方向に隣接する頂部電極部３１同士を電気的に接続する連結電極部３２とを有する。そして、底部電極部２１は、連結電極部３２の延伸方向と平面視で垂直に交わる方向に沿って、隣り合うメサ型化合物半導体積層部１０間まで延伸した延伸電極部２２を含む。

【0030】

図９は、本発明の比較例に係る赤外線発光素子９００の構成例を模式的に示す平面図である。図９に示すように、比較例に係る赤外線発光素子９００には、本実施形態で説明した連結電極部３２や延伸電極部２２が存在せず、発光効率の向上に関して最適化された形ではなかった。
しかし、図１に示したように、本実施形態では、複数のメサ型化合物半導体積層部１０を平面視でマトリクス状に配置し、且つ、マトリクスの行方向及び列方向の一方（例えば、行方向）に沿って連結電極部３２を配置し、行方向及び列方向の他方（例えば、列方向）に沿って、行方向及び列方向の一方（例えば、行方向）で隣り合うメサ型化合物半導体積層部１０間まで延伸する延伸電極部２２を配置することにより、発光素子の電極形状のさらなる最適化及び発光効率のさらなる向上が可能となる。

【0031】

［第２実施形態］
図３は本発明の第２実施形態に係る発光素子２００の構成例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の平面図をＡ３−Ａ´３線で切断した断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の平面図をＢ３−Ｂ´３線で切断した断面図である。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第２実施形態に係る発光素子２００は、第１実施形態に係る発光素子１００と比較して、例えば１列目（左端側）のメサ型化合物半導体積層部１０の左側も延伸電極部２２で囲われているため、発光効率の向上に寄与する。

【0032】

［第３実施形態］
図４は本発明の第３実施形態に係る発光素子３００の構成例を模式的に示す図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の平面図をＡ４−Ａ´４線で切断した断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）の平面図をＢ４−Ｂ´４線で切断した断面図である。
第３実施形態に係る発光素子３００は、第１実施形態に係る発光素子１００と比較して、保護層４０をさらに備えている。保護層４０は、メサ型化合物半導体積層部１０の側斜面部と頂部の一部を覆うように形成されている。換言すると、第２電極部３０が第１導電型半導体層と接しないように保護層が形成されている。これにより、第２電極部３０に入力される電力を発光部に効率的に導くことができるため好ましい。

【0033】

（実施形態の効果）
本実施形態は、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層がこの順で積層された複数のメサ型半導体積層部をｎ行ｍ列（ｎ≧２，ｍ≧２）のマトリクス状に形成した発光素子に関するものである。本実施形態に係る発光素子によれば、延伸電極部をもたない発光素子に比べて、発光効率の向上を達成することができる。さらに、一般にダイオードの発光強度はダイオード面積に比例するが、本実施形態によれば、延伸電極部によるダイオード面積の縮小にも関わらず、発光効率を向上させることができる。

【実施例】

【0034】

［実施例１］
図５（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１上に、第１導電型（例えば、ｎ型）半導体層１１として、Ｓｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ−３］ドーピングしたＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層を１μｍ形成した。さらに、その上に第１導電型のバリア層１２として、Ｓｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたＡｌ_０．２２Ｉｎ_０．８８Ｓｂ層を２０ｎｍ形成した。さらに、その上に発光層１３としてノンドープのＩｎＳｂ層を２μｍ形成した。さらに、その上に第２導電型（例えば、ｐ型）のバリア層１４として、Ｚｎを濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたＡｌ_０．２２Ｉｎ_０．８８Ｓｂを２０ｎｍ形成した。さらに、その上に第２導電型半導体層１５として、Ｚｎを濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層を０．５μｍ形成した。第１導電型半導体層１１と、第１導電型のバリア層１２と、発光層１３と、第２導電型のバリア層１４と、第２導電型半導体層１５とが、ＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造をなしている。

【0035】

この化合物半導体積層体上にレジストパターンを形成した。そして、このレジストパターンをマスクに化合物半導体積層体をエッチングした。これにより、図５（ｂ）に示すように、基板１上に複数のメサ型化合物半導体積層部１０を形成した。実施例１では、複数のメサ型化合物半導体積層部１０を、平面視で３行２列のマトリクス状に形成した。
次に、メサ型化合物半導体積層部１０の上方全面に第１保護層４１としてＳｉＯ_２膜を５０００Å形成した。そして、このＳｉＯ_２膜上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにＳｉＯ_２膜をドライエッチングした。これにより、第１保護層４１としてのＳｉＯ_２膜をパターニングした。続いて、このＳｉＯ_２膜をハードマスクに用いて、第１導電型半導体層１１を基板までドライエッチングした。これにより、図５（ｃ）に示すように、複数のメサ型化合物半導体積層部１０を囲むように溝部５０をＧａＡｓ基板１に形成し、ダイオードを電気的に独立とした。このドライエッチングにより、ＳｉＯ_２膜は膜減りし、その厚さは約３０００Åとなった。なお、この溝部５０の形成により、平面視でマトリクス状に配置された複数のメサ型化合物半導体積層部１０の周囲を囲むように第１導電型半導体メサ部６０が形成される。

【0036】

次に、第１保護層４１としてのＳｉＯ_２膜上に、第２保護層４２としてＳｉＮ膜を２０００Å形成した。次に、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部（即ち、第２導電型半導体層１５）上の一部と、底部（即ち、第１導電型半導体層１１）上の一部とをそれぞれ開口し、それ以外の領域を覆うレジストパターンを形成した。そして、このレジストパターンをマスクにＳｉＮ膜、ＳｉＯ_２膜を順次ドライエッチングした。これにより、図６（ａ）に示すように、ＳｉＮ膜及びＳｉＯ_２膜下から、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部と底部をそれぞれ露出させた。このとき、底部上（即ち、第１導電型半導体層１１）には複数のメサ型化合物半導体積層部１０の各々を囲むように露出部が形成される。

【0037】

さらに、図４に示したような第１電極部２０、第２電極部３０を形成するために、基板１上方にレジストパターンを形成し、Ｔｉを１０００Å、Ｐｔを２００Å、Ａｕを３０００Å、この順で蒸着し、その後リフトオフを行った。これにより、図６（ｂ）に示すように、第１電極部２０（底部電極部２１、延伸電極部２２）と、第２電極部３０（頂部電極部３１、連結電極部３２）とを形成し、赤外線発光素子４００を得た。

【0038】

ここで、メサ型化合物半導体層の底部（即ち、第１導電型半導体層）の外周辺のうち、第１電極部２０で覆われている外周辺の割合を、下部電極囲い率（％）と定義する。また、メサ型化合物半導体層の頂部（即ち、第２導電型半導体層）上面のうち、第２電極部３０で覆われている頂部上面の割合を上部電極被覆率（％）と定義する。
また、上記の製造方法で得られた赤外線発光素子４００を図７に示す。図７（ａ）は赤外線発光素子４００の表面を倍率１００倍で観察した光学顕微鏡による上面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）のトレース図である。

【0039】

実施例１では、化合物半導体積層部１０をメサ型で、且つ平面視で３行２列のマトリクス状に形成した。その結果、赤外線発光素子４００の下部電極囲い率は７９％となり、上部電極被覆率９２％となった。また、例えば行方向で隣り合う化合物半導体積層部１０間で、連結電極部３２の幅Ｗと、延伸電極部２２の長さＬの比は１：１．４となった。
この赤外線発光素子４００を用いて発光強度の測定を行ったところ、図９の比較例に比べて、同一消費電力あたり約１．１３倍の発光効率を得ることができた。

【0040】

［実施例２］
メサ型化合物半導体積層部のマトリクス状の配置を３行４列とし、それ以外は実施例１と同様の工程を経て赤外線発光素子５００を得た。また、第１電極部２０の形成領域を含めた全ダイオード形成面積を、実施例１と同じになるようにした。得られた赤外線発光素子５００を図８に示す。図８（ａ）は赤外線発光素子５００の表面を倍率１００倍で観察した光学顕微鏡による上面図であり、図８（ｂ）はそのトレース図である。

【0041】

実施例２で得られた赤外線発光素子５００の下部電極囲い率は６８％となり、上部電極被覆率は９０％となった。また、連結電極部３２の幅Ｗと、延伸電極部２２の長さＬの比は１：１．４となった。
この赤外線発光素子５００を用いて発光強度の測定を行ったところ、図９の比較例に比べて、同一消費電力あたり約１．１６倍の発光効率を得ることができた。

【0042】

［実施例３］
メサ型化合物半導体積層部のマトリクス状の配置を３行６列とし、それ以外は実施例１と同様の工程を経て赤外線発光素子（図示せず）を得た。また、第１電極部２０の形成領域を含めた全ダイオード形成面積を、実施例１と同じになるようにした。
実施例３で得られた赤外線発光素子の下部電極囲い率は５９％となり、上部電極被覆率は８８％となった。また、連結電極部３２の幅Ｗと、延伸電極部２２の長さＬの比は１：１．４となった。この赤外線発光素子を用いて発光強度の測定を行ったところ、図９の比較例に比べて、同一消費電力あたり約１．１８倍の発光効率を得ることができた。

【0043】

［比較例］
メサ型化合物半導体積層部９１０のマトリクス状の配置を３行１列とし、それ以外は実施例１と同様の工程を経て赤外線発光素子９００を得た。また、第１電極部９２０の形成領域を含めた全ダイオード形成面積を、実施例１と同じになるようにした。得られた赤外線発光素子９００を図９に示す。
前述のように、メサ型化合物半導体積層部９１０のマトリクス状の配置は３行１列であるため、第１電極部９２０に延伸電極部は存在しない。この比較例では、下部電極囲い率が８３％、上部電極被覆率が９５％となった。第１〜第３実施例と、比較例との違いを表１に示す。

【0044】

【表1】

【0045】

＜その他＞
本発明は、以上に記載した各実施形態や実施例に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態や実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、各実施形態や実施例を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明の発光素子は、ガスセンサに用いる半導体発光素子として好適である。

【符号の説明】

【0047】

１００、２００、３００、４００、５００ 赤外線発光素子
１０ メサ型化合物半導体積層部
２０ 第１電極部
２１ 底部電極部
２２ 延伸電極部
３０ 第２電極部
３１ 頂部電極部
３２ 連結電極部
４０ 保護層
４１ 第１保護層
４２ 第２保護層
５０ 溝部
６０ 第１導電型半導体メサ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】