(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024106499
(43)【公開日】2024-08-08
(54)【発明の名称】赤外ＬＥＤ素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/04 20100101AFI20240801BHJP
H01L 33/10 20100101ALI20240801BHJP
H01L 33/30 20100101ALI20240801BHJP
【ＦＩ】
H01L33/04
H01L33/10
H01L33/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023010780
(22)【出願日】2023-01-27
(71)【出願人】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】飯塚 和幸
(72)【発明者】
【氏名】杉山 徹
【テーマコード（参考）】
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F241AA03
5F241AA04
5F241CA05
5F241CA08
5F241CA12
5F241CA65
5F241CA77
5F241CA88
5F241CA92
5F241CA93
5F241CB05
5F241CB11
5F241CB36
5F241FF16
(57)【要約】
【課題】ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子において、電極での光吸収を抑制して光取出し効率を向上させる。
【解決手段】赤外ＬＥＤ素子は、ｎ型の第一クラッド層と、第一クラッド層の上層に配置された発光層と、発光層の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層と、第二クラッド層の上層に配置され第二クラッド層よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層と、第一トンネル層の上層に配置され第一クラッド層よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって第一トンネル層との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層と、第二トンネル層の上層に配置されたｎ型のコンタクト層と、第一クラッド層に対して直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極と、コンタクト層に対して接触する第二電極とを備える。第一クラッド層及び発光層は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。
【選択図】図１
【解決手段】赤外ＬＥＤ素子は、ｎ型の第一クラッド層と、第一クラッド層の上層に配置された発光層と、発光層の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層と、第二クラッド層の上層に配置され第二クラッド層よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層と、第一トンネル層の上層に配置され第一クラッド層よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって第一トンネル層との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層と、第二トンネル層の上層に配置されたｎ型のコンタクト層と、第一クラッド層に対して直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極と、コンタクト層に対して接触する第二電極とを備える。第一クラッド層及び発光層は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子であって、
ｎ型の第一クラッド層と、
前記第一クラッド層の上層に配置された発光層と、
前記発光層の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層と、
前記第二クラッド層の上層に配置され、前記第二クラッド層よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層と、
前記第一トンネル層の上層に配置され、前記第一クラッド層よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって前記第一トンネル層との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層と、
前記第二トンネル層の上層に配置された、ｎ型のコンタクト層と、
前記第一クラッド層に対して、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極と、
前記コンタクト層に対して接触する第二電極とを備え、
前記第一クラッド層及び前記発光層は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなることを特徴とする、赤外ＬＥＤ素子。
ｎ型の第一クラッド層と、
前記第一クラッド層の上層に配置された発光層と、
前記発光層の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層と、
前記第二クラッド層の上層に配置され、前記第二クラッド層よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層と、
前記第一トンネル層の上層に配置され、前記第一クラッド層よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって前記第一トンネル層との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層と、
前記第二トンネル層の上層に配置された、ｎ型のコンタクト層と、
前記第一クラッド層に対して、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極と、
前記コンタクト層に対して接触する第二電極とを備え、
前記第一クラッド層及び前記発光層は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなることを特徴とする、赤外ＬＥＤ素子。
【請求項2】
前記第二電極は、前記ピーク発光波長の光に対して反射性又は透過性を示す材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項3】
前記コンタクト層の、前記第二トンネル層とは反対側の上面に配置された絶縁層と、
前記絶縁層の、前記コンタクト層とは反対側の上面に配置された金属層と、
前記金属層の、前記絶縁層とは反対側の上面に配置された導電性の支持基板とを備え、
前記第二電極は、前記支持基板の主面に平行な方向に離散的に分散した複数の箇所において、前記絶縁層内を貫通して、前記金属層と前記コンタクト層とを連絡するように形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の赤外ＬＥＤ素子。
前記絶縁層の、前記コンタクト層とは反対側の上面に配置された金属層と、
前記金属層の、前記絶縁層とは反対側の上面に配置された導電性の支持基板とを備え、
前記第二電極は、前記支持基板の主面に平行な方向に離散的に分散した複数の箇所において、前記絶縁層内を貫通して、前記金属層と前記コンタクト層とを連絡するように形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項4】
前記支持基板の前記主面に直交する方向から見たときに、前記発光層の面積に対する、前記第二電極の占有領域の総面積の割合が、１０％～５０％であることを特徴とする、請求項３に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項5】
前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層は、バンドギャップに相当する波長が前記ピーク発光波長よりも短波長を示す材料からなることを特徴とする、請求項３又は４に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項6】
前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層のうちの少なくとも一方の層が、Ｇａ及びＡｓを含む材料からなることを特徴とする、請求項３又は４に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項7】
前記第二トンネル層を構成する材料のバンドギャップに相当する波長が、前記第一トンネル層を構成する材料のバンドギャップに相当する波長よりも長波長であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項8】
前記第二トンネル層を構成する材料のＧａ組成が、前記第一トンネル層を構成する材料のＧａ組成よりも高いことを特徴とする、請求項７に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項9】
前記第二トンネル層を構成する材料のＡｓ組成が、前記第一トンネル層を構成する材料のＡｓ組成よりも高いことを特徴とする、請求項７に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外ＬＥＤ素子に関し、特にピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
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、又は産業機器等の用途で幅広く用いられている。下記特許文献１には、ＩｎＰ結晶に格子整合する半導体層を含む、ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－９０００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ＬＥＤ素子を製造するに際しては、当該ＬＥＤ素子によって得たい光の波長（目標波長）に対応したバンドギャップエネルギーを有する材料の中から、半導体層の材料が選択される。更に、その選択された材料を発光層の材料として使用するためには、選択された材料と格子整合が可能で、且つ工業的に製造可能な単結晶基板が必要であり、選択された材料自体もその単結晶基板上に高品質でエピタキシャル成長できることが必要である。
【0005】
かかる事情により、実際には目標波長を実現するために利用できる半導体層の材料の選択肢は少ない。ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子を製造するに際しては、発光層の材料は、ＩｎＰ単結晶と格子整合する単結晶材料から選択される。具体的には、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓからなる群に属する１種又は２種以上が想定される。
【0006】
しかしながら、上記の発光層材料を用いて作製されたＬＥＤ素子は、その材料が持つ物理的な性質から、他の波長域のＬＥＤ素子と比較して発光効率が低い。このため、ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子においては、発光効率や光取出し効率を向上させることが重要となる。
【0007】
図１０は、特許文献１に開示された赤外ＬＥＤ素子の構造を模式的に示す断面図である。赤外ＬＥＤ素子１００は、導電性材料からなる支持基板８１と、金属材料からなる接合層８２と、金属材料からる反射層８３と、絶縁層８４と、ｐ型コンタクト層８５と、ｐ型クラッド層８６と、発光層８７と、ｎ型クラッド層８８とを備える。更に、赤外ＬＥＤ素子１００は、ｎ型クラッド層８８の上面に形成されたｎ側電極９１と、絶縁層８４内を貫通してｐ型コンタクト層８５と反射層８３とを連絡するｐ側電極９２と、支持基板８１の裏面に形成された裏面電極９３とを備える。
【0008】
発光層８７は、ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外光を発するように形成されており、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。発光層８７を含む各半導体層（８５，８６，８７，８８）は、ＩｎＰ単結晶基板を成長基板として、エピタキシャル成長によって形成される。
【0009】
発光効率を向上させる観点からは、発光層８７内の広い範囲に電流を流すことが重要となる。かかる観点から、図１０に示すように、支持基板８１の主面に直交する方向（Ｚ方向）に関して、ｐ側電極９２は、ｎ側電極９１と重ならない位置に形成されている。
【0010】
ｐ側電極９２は、ｐ型コンタクト層８５との間でオーミック接触を実現するために、形成時にアニール処理が行われる。言い換えれば、ｐ側電極９２の形成工程では、金属材料を成膜した後に、加熱処理が行われる。これにより、ｐ側電極９２のうち、特にｐ型コンタクト層８５と接触する箇所については合金化され、ｐ側電極９２とｐ型コンタクト層８５との界面における接触抵抗が低抵抗化される。
【0011】
しかしながら、上記の合金化した領域は、発光層８７から発せられる光を吸収してしまう。
【0012】
光出力を向上させる観点からは、発光層８７内に高い電流を注入したい事情がある。一方で、上述したように、発光層８７内の広い領域に電流を流す観点からは、Ｚ方向に関して、ｎ側電極９１とｐ側電極９２とが重ならないような位置関係にするのが好適である。両者を総合考慮すると、ｐ側電極９２は、Ｚ方向から見たときに、ｎ側電極９１が形成されている領域以外の領域の多くを占有するように配置するのが、好ましいとも考えられる。
【0013】
しかし上述したように、実際にはｐ側電極９２とｐ型コンタクト層８５との界面には、光吸収性を示す合金層が形成される。よって、ｐ側電極９２の占有領域を広げることは、光取出し効率を低下させることにつながる。このような事情から、従来は、Ｚ方向から見たときに、発光層８７内の面積に対する、ｐ側電極９２の占有領域の総面積の割合は、３％～５％程度にせざるを得ない状況であった。
【0014】
本発明は、上記の課題に鑑み、ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子において、電極での光吸収を抑制して光取出し効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明に係る赤外ＬＥＤ素子は、ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上であって、
ｎ型の第一クラッド層と、
前記第一クラッド層の上層に配置された発光層と、
前記発光層の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層と、
前記第二クラッド層の上層に配置され、前記第二クラッド層よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層と、
前記第一トンネル層の上層に配置され、前記第一クラッド層よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって前記第一トンネル層との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層と、
前記第二トンネル層の上層に配置された、ｎ型のコンタクト層と、
前記第一クラッド層に対して、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極と、
前記コンタクト層に対して接触する第二電極とを備え、
前記第一クラッド層及び前記発光層は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなることを特徴とする。
ｎ型の第一クラッド層と、
前記第一クラッド層の上層に配置された発光層と、
前記発光層の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層と、
前記第二クラッド層の上層に配置され、前記第二クラッド層よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層と、
前記第一トンネル層の上層に配置され、前記第一クラッド層よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって前記第一トンネル層との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層と、
前記第二トンネル層の上層に配置された、ｎ型のコンタクト層と、
前記第一クラッド層に対して、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極と、
前記コンタクト層に対して接触する第二電極とを備え、
前記第一クラッド層及び前記発光層は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなることを特徴とする。
【0016】
本明細書において、「ピーク発光波長」とは、発光スペクトル上において最も光出力が高い波長を指す。
【0017】
ＩｎＰ単結晶を成長基板としてエピタキシャル成長される材料、具体的には、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する材料で構成される半導体層については、ｐ型半導体層と比較して、ｎ型半導体層の方がコンタクト抵抗を低抵抗化しやすい。このため、ｎ型の第一クラッド層に対して電気的な接続が確保される電極（ｎ側電極）については、光反射性を示す金属材料を用いることが可能となる。言い換えれば、ｎ型の第一クラッド層に対して電気的に接続される第一電極は、合金層を介することなく、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触することで、低抵抗化が実現できる。
【0018】
更に、上記の構成によれば、ｐ型の第二クラッド層の、発光層とは反対側の面には、トンネル接合を形成する第一トンネル層及び第二トンネル層を介して、ｎ型のコンタクト層が形成されている。つまり、ｐ型の第二クラッド層とｎ型のコンタクト層とが、トンネル接合を介して連絡されている。この結果、ｎ型のコンタクト層側を正極性、ｐ型の第二クラッド層側を負極性とする逆バイアスが印加されても、両者の間での電圧降下が抑制される。
【0019】
つまり、上記構成によれば、ｐ型の第二クラッド層に対して電気的な接続を形成するための第二電極（ｐ側電極）についても、ｎ型の半導体層（前記コンタクト層）に対するオーミック接触が実現された電極を利用することができる。言い換えれば、ｎ側電極と同様に、ｐ側電極についても、合金層を介することなく、直接ｎ型のコンタクト層と接触する構成とすることができる。
【0020】
この結果、第二電極と半導体層との界面に光吸収性を示す層を形成することなく、第二電極として、前記ピーク発光波長の光に対して反射性を示す金属材料や、前記ピーク発光波長の光に対して透過性を示す透明電極材料を利用することができる。これにより、従来よりも光取出し効率を向上することが可能となる。
【0021】
なお、ｐ型の第二クラッド層、トンネル接合層（第一トンネル層、第二トンネル層）、及びｎ型のコンタクト層については、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなるものとしても構わないし、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合しない材料からなるものとしても構わない。ｐ型の第二クラッド層、トンネル接合層（第一トンネル層、第二トンネル層）、及びｎ型のコンタクト層については、発光層を形成した後に形成される層であるため、これらの層が仮にＩｎＰ単結晶に対して格子整合しない材料であっても、発光層の膜質に対する影響は生じないためである。
【0022】
具体的には、ｎ型の第一クラッド層については、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなるものとすることができる。
【0023】
具体的には、発光層については、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓの単層構造としても構わないし、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＧａＩｎＡｓ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、ＧａＩｎＡｓ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。
【0024】
具体的には、ｐ型の第二クラッド層、第一トンネル層、第二トンネル層、及びｎ型のコンタクト層については、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなるものとすることができる。
【0025】
前記赤外ＬＥＤ素子は、
前記コンタクト層の、前記第二トンネル層とは反対側の上面に配置された絶縁層と、
前記絶縁層の、前記コンタクト層とは反対側の上面に配置された金属層と、
前記金属層の、前記絶縁層とは反対側の上面に配置された導電性の支持基板とを備え、
前記第二電極は、前記支持基板の主面に平行な方向に離散的に分散した複数の箇所において、前記絶縁層内を貫通して、前記金属層と前記コンタクト層とを連絡するように形成されているものとしても構わない。
前記コンタクト層の、前記第二トンネル層とは反対側の上面に配置された絶縁層と、
前記絶縁層の、前記コンタクト層とは反対側の上面に配置された金属層と、
前記金属層の、前記絶縁層とは反対側の上面に配置された導電性の支持基板とを備え、
前記第二電極は、前記支持基板の主面に平行な方向に離散的に分散した複数の箇所において、前記絶縁層内を貫通して、前記金属層と前記コンタクト層とを連絡するように形成されているものとしても構わない。
【0026】
上述したように、前記第二電極は、ｐ型半導体層に対する電気的な接続をとるための電極でありながらも、ｎ型コンタクト層に対して接触する構成である。このため、ｐ型半導体層に対するコンタクト抵抗を低抵抗化させるためのアニール処理が不要となるため、合金層が介在しない。したがって、第二電極として、絶縁層内を貫通する構造を採用する場合、第二電極が占有する領域を、従来よりも広く確保することができ、注入電流量を高めて光出力を向上することができる。より具体的には、前記支持基板の前記主面に直交する方向から見たときに、前記発光層の面積に対する、前記第二電極の占有領域の総面積の割合を１０％～５０％とすることができる。この値は、従来の赤外ＬＥＤ素子と比較して極めて高い値である。
【0027】
前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層は、バンドギャップに相当する波長が前記ピーク発光波長よりも短波長を示す材料からなるものとしても構わない。
【0028】
主として劈開面から光が取り出されるレーザダイオード素子とは異なり、ＬＥＤ素子の場合は、主として積層方向に光が取り出される。このため、ＬＥＤ素子から取り出される光の出力を高める観点からは、第一トンネル層及び第二トンネル層は、発光層から出射された光に対して透明であることが好ましい。上記の構成によれば、発光層から出射された光が、第一トンネル層及び第二トンネル層の一方又は双方で吸収されることが抑制される。
【0029】
ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子においては、半値幅が１００ｎｍ以上に達することもある。かかる観点から、前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層のバンドギャップに相当する波長は、ピーク発光波長よりも５０ｎｍ以上短波長であるのが好ましく、１００ｎｍ以上短波長であるのがより好ましい。
【0030】
第一トンネル層及び第二トンネル層のバンドギャップに相当する波長は、各層を構成する材料の組成比を調整することで変更できる。
【0031】
前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層のうちの少なくとも一方の層が、Ｇａ及びＡｓを含む材料からなるものとしても構わない。
【0032】
本発明者の鋭意研究の結果、前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層の双方をＩｎＰで形成した場合と比較して、前記第一トンネル層及び前記第二トンネル層の一方又は双方にＧａ及びＡｓを含めることで、赤外ＬＥＤ素子に同一量の電流を注入する際の印加電圧（順方向電圧）を低下させることができる。
【0033】
前記第二トンネル層を構成する材料のバンドギャップに相当する波長が、前記第一トンネル層を構成する材料のバンドギャップに相当する波長よりも長波長であるものとしても構わない。
【0034】
上記構成によれば、赤外ＬＥＤ素子に同一量の電流を注入する際の印加電圧（順方向電圧）を更に低下させることができる。この点については、「発明の詳細な説明」の項で後述される。
【0035】
前記第二トンネル層を構成する材料のバンドギャップに相当する波長を、前記第一トンネル層を構成する材料のバンドギャップに相当する波長よりも長波長とするためには、いくつかの方法が考えられる。具体的には、前記第二トンネル層を構成する材料のＧａ組成を、前記第一トンネル層を構成する材料のＧａ組成よりも高くする方法や、前記第二トンネル層を構成する材料のＡｓ組成を、前記第一トンネル層を構成する材料のＡｓ組成よりも高くする方法が挙げられる。
【発明の効果】
【0036】
本発明によれば、ＬＥＤ素子あたりの光出力が従来よりも向上した、ピーク発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の赤外ＬＥＤ素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図6】比較例１の赤外ＬＥＤ素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図7A】ｐ型の第一トンネル層のドーパント濃度を変化させたときの、赤外ＬＥＤ素子の順方向電圧の変化の推移を示すグラフである。
【図7B】ｎ型の第二トンネル層のドーパント濃度を変化させたときの、赤外ＬＥＤ素子の順方向電圧の変化の推移を示すグラフである。
【図8】本発明の赤外ＬＥＤ素子の別実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図9】本発明の赤外ＬＥＤ素子の別実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図10】従来の赤外ＬＥＤ素子の構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
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。以下の各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。
【0039】
本明細書において、「ある層Ｑ１の上層に別の層Ｑ２が形成されている」という表現は、層Ｑ１の面上に直接層Ｑ２が形成されている場合はもちろん、層Ｑ１の面上に薄膜を介して層Ｑ２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２０ｎｍ以下の層を指し、好ましくは１０ｎｍ以下の層を指すものとして構わない。なお、この段落及び次の段落で用いられた符号Ｑ１、Ｑ２は、一般的な層を指し示す符号として用いられており、図面内に登場するものではない。
【0040】
本明細書において、「ある層Ｑ１の上層に別の層Ｑ２が形成されている」という表現は、赤外ＬＥＤ素子の配置位置を回転させれば、層Ｑ１の上方に層Ｑ２が位置する場合を包含する概念であり、赤外ＬＥＤ素子がどの向きに設置されているかによって、「上」方向が限定されるものではない。
【0041】
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。
【0042】
［構造］
図１は、第一実施形態の赤外ＬＥＤ素子１の構造を模式的に示す断面図である。赤外ＬＥＤ素子１は、導電性の支持基板６５と、金属層６４と、絶縁層６１と、ｎ型のコンタクト層２４と、トンネル接合用積層体３０と、ＬＥＤ積層体２０と、第一電極５１と、第二電極５２と、裏面電極６６とを備える。以下、各要素の詳細について説明する。
図１は、第一実施形態の赤外ＬＥＤ素子１の構造を模式的に示す断面図である。赤外ＬＥＤ素子１は、導電性の支持基板６５と、金属層６４と、絶縁層６１と、ｎ型のコンタクト層２４と、トンネル接合用積層体３０と、ＬＥＤ積層体２０と、第一電極５１と、第二電極５２と、裏面電極６６とを備える。以下、各要素の詳細について説明する。
【0043】
（支持基板６５）
支持基板６５は、導電性を有する材料からなり、例えばＳｉ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、又はＣｕＷからなる。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６５の厚み、すなわち支持基板６５の主面に直交する方向（図面内のＺ方向）に係る長さは特に限定されないが、例えば５０μｍ～５００μｍであり、好ましくは１００μｍ～３００μｍである。一例として、支持基板６５は、ホウ素(Ｂ)が１×１０19／ｃｍ3以上のドーパント濃度でドープされた、抵抗率が１０ｍΩｃｍ以下のＳｉ基板であり、厚みが２５０μｍである。
支持基板６５は、導電性を有する材料からなり、例えばＳｉ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、又はＣｕＷからなる。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６５の厚み、すなわち支持基板６５の主面に直交する方向（図面内のＺ方向）に係る長さは特に限定されないが、例えば５０μｍ～５００μｍであり、好ましくは１００μｍ～３００μｍである。一例として、支持基板６５は、ホウ素(Ｂ)が１×１０19／ｃｍ3以上のドーパント濃度でドープされた、抵抗率が１０ｍΩｃｍ以下のＳｉ基板であり、厚みが２５０μｍである。
【0044】
（ＬＥＤ積層体２０）
図１に示すように、ＬＥＤ積層体２０は、複数の半導体層の積層構造からなる。具体的には、ＬＥＤ積層体２０は、ｎ型の第一クラッド層２１と、発光層２２と、ｐ型の第二クラッド層２３とを含む多層の半導体層が積層されてなる。これらのうち、少なくとも第一クラッド層２１及び発光層２２は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。
図１に示すように、ＬＥＤ積層体２０は、複数の半導体層の積層構造からなる。具体的には、ＬＥＤ積層体２０は、ｎ型の第一クラッド層２１と、発光層２２と、ｐ型の第二クラッド層２３とを含む多層の半導体層が積層されてなる。これらのうち、少なくとも第一クラッド層２１及び発光層２２は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。
【0045】
具体的には、ｎ型の第一クラッド層２１は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなる。第一クラッド層２１の厚みは限定されないが、例えば１００ｎｍ～１００００ｎｍであり、好ましくは、５００ｎｍ～５０００ｎｍである。第一クラッド層２１のｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０17／ｃｍ3～５×１０18／ｃｍ3であり、より好ましくは、５×１０17／ｃｍ3～４×１０18／ｃｍ3である。第一クラッド層２１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。
【0046】
一例として、第一クラッド層２１は、厚みが２０００ｎｍで、ドーパント材料としてのＳｉが濃度２×１０18/cm3ドープされたｎ型ＩｎＰである。
【0047】
発光層２２は、狙いとする波長の光を生成可能であり、且つＩｎＰ単結晶からなる成長基板１１（後述する図２参照）に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、発光層２２は、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓの単層構造としても構わないし、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＧａＩｎＡｓ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、ＧａＩｎＡｓ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。
【0048】
発光層２２の膜厚は、発光層２２が単層構造の場合は、例えば５０ｎｍ～２０００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍ～５００ｎｍである。また、発光層２２がＭＱＷ構造の場合、発光層２２は、膜厚５ｎｍ～２０ｎｍの井戸層及び障壁層が、２周期～５０周期の範囲で積層されて構成される。
【0049】
発光層２２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を利用できる。
【0050】
一例として発光層２２は、厚みが３００ｎｍで、ピーク発光波長が１３００ｎｍになるように組成比が調整された、アンドープのＧａＩｎＡｓＰである。
【0051】
ｐ型の第二クラッド層２３は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなる。第二クラッド層２３については、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなるものとしても構わないし、格子整合しない材料からなるものとしても構わない。ただし、後述するように、第二クラッド層２３は、発光層２２直上にエピタキシャル成長されるため、発光層２２と第二クラッド層２３の界面で格子不整合により結晶欠陥が発生した場合に、発光層２２にも影響し発光効率が低下することが懸念されるため、第二クラッド層２３についても、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料から選択されるものとするのが好適である。
【0052】
第二クラッド層２３の厚みは限定されないが、例えば１０００ｎｍ～１００００ｎｍであり、好ましくは、２０００ｎｍ～５０００ｎｍである。第二クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度は、発光層２２から離れた位置において、好ましくは１×１０17／ｃｍ3～３×１０18／ｃｍ3であり、より好ましくは、５×１０17／ｃｍ3～３×１０18／ｃｍ3である。
【0053】
第二クラッド層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。
【0054】
（トンネル接合用積層体３０）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１が備えるトンネル接合用積層体３０は、ｐ型の第二クラッド層２３の、支持基板６５側の主面上に配置されており、ｐ型の半導体層からなる第一トンネル層３１と、ｎ型の半導体層からなる第二トンネル層３２とを含む。第一トンネル層３１と第二トンネル層３２との界面は、トンネル接合が形成されている。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１が備えるトンネル接合用積層体３０は、ｐ型の第二クラッド層２３の、支持基板６５側の主面上に配置されており、ｐ型の半導体層からなる第一トンネル層３１と、ｎ型の半導体層からなる第二トンネル層３２とを含む。第一トンネル層３１と第二トンネル層３２との界面は、トンネル接合が形成されている。
【0055】
トンネル接合用積層体３０を構成する、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなる。第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなるものとしても構わないし、格子整合しない材料からなるものとしても構わない。
【0056】
第一トンネル層３１のｐ型ドーパント濃度は、第二クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度より高濃度であり、好ましくは１×１０18／ｃｍ3～１×１０20／ｃｍ3であり、より好ましくは、５×１０18／ｃｍ3～５×１０19／ｃｍ3である。図７Ａを参照して後述されるように、第一トンネル層３１のｐ型ドーパント濃度を、７×１０18／ｃｍ3～３×１０19／ｃｍ3とすることで、同一電流注入時における順方向バイアスを低下させる効果が顕著となる。
【0057】
第二トンネル層３２のｎ型ドーパント濃度は、後述するｎ型のコンタクト層２４のｎ型ドーパント濃度より高濃度であり、好ましくは１×１０18／ｃｍ3～１×１０20／ｃｍ3であり、より好ましくは、１×１０18／ｃｍ3～２×１０19／ｃｍ3である。図７Ｂを参照して後述されるように、第二トンネル層３２のｎ型ドーパント濃度を、５×１０18／ｃｍ3～２×１０19／ｃｍ3とすることで、同一電流注入時における順方向バイアスを低下させる効果が顕著となる。
【0058】
本発明において、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２の膜厚は限定されない。ただし、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２の膜厚が薄すぎると、結晶成長時にドーピングディレイによって、トンネル接合界面でトンネル接合を実現するのに必要なドーピング量が得られず、作製された赤外ＬＥＤ素子の順方向電圧が上昇する可能性がある。逆に、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２の膜厚が厚すぎると、極めて高濃度にドープされた半導体層を厚く成長することになるため、結晶性の低下を招き、トンネル接合用積層体３０内におけるフリーキャリア吸収に伴う光出力の低下を引き起こす可能性がある。かかる観点から、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２の膜厚は、好ましくは５ｎｍ～５００ｎｍであり、特に好ましくは、１０ｎｍ～２００ｎｍである。
【0059】
第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２は、好ましくは、バンドギャップに相当する波長が、赤外ＬＥＤ素子１から出射される赤外光Ｌ１のピーク波長よりも短波長を示す材料からなる。このような材料で構成することで、発光層２２で生成された光が、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２内で吸収されることが抑制できる。第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２を構成する材料の、バンドギャップに相当する波長は、材料の組成比を調整することで設定できる。
【0060】
例えば、ＩｎＰ単結晶に格子整合するＧａＩｎＡｓＰは、III族元素（Ｉｎ，Ｇａ）と、V族元素（Ａｓ，Ｐ）の比率を５０％とすることで実現できる。ここで、Ｇａの組成を低下させると、バンドギャップエネルギーは上昇し、バンドギャップに相当する波長は短波長側にシフトする。ただし、ＩｎＰ単結晶に格子整合させるためには、ＧａＩｎＡｓＰのＧａ組成を低下させると共に、Ａｓ組成を低下させる必要がある。
【0061】
赤外ＬＥＤ素子１から出射される、ピーク波長が１０００ｎｍを超える赤外光Ｌ１は、発光スペクトル上において半値幅が１００ｎｍ以上となる場合がある。かかる観点から、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２を構成する材料のバンドギャップに相当する波長が、赤外ＬＥＤ素子１から出射される赤外光Ｌ１のピーク波長よりも５０ｎｍ以上短いことが好ましく、１００ｎｍ以上短いことがより好ましい。
【0062】
更に、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２のうち、少なくとも一方のトンネル層は、Ｇａ及びＡｓを含む構成とするのが好適である。かかる構成とすることで、順バイアス電圧を低下させる効果が得られる。
【0063】
一例として、第一トンネル層３１は、厚みが１００ｎｍで、ドーパント材料としてのＺｎが濃度１×１０19/cm3ドープされたｐ型ＩｎＰである。第二トンネル層３２は、厚みが１００ｎｍで、ドーパント材料としてのＳｉが濃度１×１０19/cm3ドープされたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ（バンドギャップ相当波長が１１００ｎｍ）である。
【0064】
（ｎ型のコンタクト層２４）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１が備えるｎ型のコンタクト層２４は、トンネル接合用積層体３０の主面のうち、ｐ型の第二クラッド層２３とは反対側の主面上に配置されている。このコンタクト層２４は、後述する第二電極５２とのオーミック接触を確保する目的で設けられた半導体層である。コンタクト層２４は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなる。コンタクト層２４は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなるものとしても構わないし、格子整合しない材料からなるものとしても構わない。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１が備えるｎ型のコンタクト層２４は、トンネル接合用積層体３０の主面のうち、ｐ型の第二クラッド層２３とは反対側の主面上に配置されている。このコンタクト層２４は、後述する第二電極５２とのオーミック接触を確保する目的で設けられた半導体層である。コンタクト層２４は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなる。コンタクト層２４は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなるものとしても構わないし、格子整合しない材料からなるものとしても構わない。
【0065】
コンタクト層２４の厚みは限定されないが、例えば、１０ｎｍ～１０００ｎｍであり、好ましくは５０ｎｍ～５００ｎｍである。また、コンタクト層２４のｎ型ドーパント濃度は、好ましくは１×１０18／ｃｍ3～１×１０20／ｃｍ3であり、より好ましくは、１×１０18／ｃｍ3～２×１０19／ｃｍ3である。
【0066】
一例として、コンタクト層２４は、厚みが２００ｎｍで、ドーパント材料としてのＳｉが濃度２×１０18／ｃｍ3ドープされた、ｎ型ＩｎＰである。
【0067】
（第一電極５１）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、ｎ型の第一クラッド層２１に対する電気的接続を形成するための、第一電極５１を備える。なお、図１では、第一クラッド層２１の、発光層２２とは反対側の主面上に第一電極５１が配置されているが、第一クラッド層２１と第一電極５１との間に、第一クラッド層２１よりもｎ型ドーパント濃度が高濃度のコンタクト層が介在しても構わない。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、ｎ型の第一クラッド層２１に対する電気的接続を形成するための、第一電極５１を備える。なお、図１では、第一クラッド層２１の、発光層２２とは反対側の主面上に第一電極５１が配置されているが、第一クラッド層２１と第一電極５１との間に、第一クラッド層２１よりもｎ型ドーパント濃度が高濃度のコンタクト層が介在しても構わない。
【0068】
第一電極５１は、金属材料又は透明電極材料で構成される。一例として、第一電極５１は、Ａｕ／Ｇｅ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ、及びＡｕＧｅＮｉからなる群に属する１種又は２種以上の金属材料であっても構わないし、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＧＺＯ、ＩｎＯ及びＳｎＯからなる群に属する１種又は２種以上の透明電極材料であっても構わない。第一電極５１は、赤外光Ｌ１に対して反射性又は透過性を示す材料で構成されるのが好ましい。第一電極５１の厚みは限定されないが、例えば５０ｎｍ～５００ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍ～３００ｎｍである。
【0069】
（第二電極５２）
赤外ＬＥＤ素子１は、ｐ型の第二クラッド層２３に対する電気的接続を形成するための、第二電極５２を備える。ただし、図１に示すように、この第二電極５２は、ｎ型のコンタクト層２４の、トンネル接合用積層体３０が形成されている側とは反対側の主面上に配置されている。つまり、第二電極５２は、ｎ型のコンタクト層２４に対してオーミック接触が実現されており、トンネル接合用積層体３０に形成されたトンネル接合を介して、ｐ型の第二クラッド層２３に電位を供給する。
赤外ＬＥＤ素子１は、ｐ型の第二クラッド層２３に対する電気的接続を形成するための、第二電極５２を備える。ただし、図１に示すように、この第二電極５２は、ｎ型のコンタクト層２４の、トンネル接合用積層体３０が形成されている側とは反対側の主面上に配置されている。つまり、第二電極５２は、ｎ型のコンタクト層２４に対してオーミック接触が実現されており、トンネル接合用積層体３０に形成されたトンネル接合を介して、ｐ型の第二クラッド層２３に電位を供給する。
【0070】
第二電極５２は、金属材料又は透明電極材料で構成される。一例として、第二電極５２は、Ａｕ／Ｇｅ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ、及びＡｕＧｅＮｉからなる群に属する１種又は２種以上の金属材料であっても構わないし、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＧＺＯ、ＩｎＯ及びＳｎＯからなる群に属する１種又は２種以上の透明電極材料であっても構わない。第二電極５２は、赤外光Ｌ１に対して反射性又は透過性を示す材料で構成されるのが好ましい。
【0071】
図１に示すように、第二電極５２は、一部箇所の絶縁層６１内の領域を貫通して、コンタクト層２４と反射層６２とを電気的に接続している。後述するように、反射層６２及び接合層６３は、いずれも金属層６４の一部を構成しており、導電層である。
【0072】
第二電極５２は、図１に示すように、支持基板６５の主面に平行な方向に離散的に配置されているのが好ましい。更に支持基板６５の主面に直交する方向（Ｚ方向）に関して、第二電極５２と第一電極５１とが重ならないような位置に配置されるのが好ましい。これにより、発光層２２を流れる電流を、発光層２２の主面に平行な方向（Ｚ方向に直交する面方向）に広げることができ、発光効率が向上する。
【0073】
上述したように、第二電極５２は、ｎ型のコンタクト層２４の主面に接触して配置され、コンタクト層２４に対してオーミック接触が形成される。ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する材料で構成される半導体層は、ｐ型半導体層と比較して、ｎ型半導体層の方がコンタクト抵抗を低抵抗化しやすい。つまり、アニール処理を行って合金化することなく、コンタクト層２４と第二電極５２とのオーミック接触を実現できる。したがって、第二電極５２は、合金層を介することなく、直接コンタクト層２４の上面に接触させることができる。これにより、発光層２２から出射された赤外光Ｌ１のうち、支持基板６５側に進行した光においても、第二電極５２の形成箇所で吸収されることが抑制される。
【0074】
赤外ＬＥＤ素子１によれば、第二電極５２の形成箇所において赤外光Ｌ１が吸収される量が抑制される。よって、図１０に示す従来の赤外ＬＥＤ素子１００とは異なり、第二電極５２の占有領域を広げることが可能となる。具体的には、Ｚ方向から見たときの、発光層２２の面積に対する第二電極５２の占有領域の総面積の割合を、１０％～５０％とすることができる。この結果、従来の赤外ＬＥＤ素子１００と比べて、赤外ＬＥＤ素子１に対して注入できる電流の量を高めることができ、光出力が向上する。
【0075】
（金属層６４）
図１に示すように、赤外ＬＥＤ素子１は、支持基板６５の上面に配置された金属層６４を備える。金属層６４は、反射層６２及び接合層６３を含む。
図１に示すように、赤外ＬＥＤ素子１は、支持基板６５の上面に配置された金属層６４を備える。金属層６４は、反射層６２及び接合層６３を含む。
【0076】
反射層６２は、図１に示すように、発光層２２で生成された赤外光Ｌ１のうち、支持基板６５側に進行する光を反射させて、光取出し面側（ｎ型の第一クラッド層２１側）に導く機能を奏する。反射層６２は、導電性材料であって、且つ赤外光Ｌ１に対して高い反射率を示す材料で構成される。反射層６２の赤外光Ｌ１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Ｌ１のピーク波長が１０００ｎｍ以上である場合、反射層６２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６２の厚みは、特に限定されないが、例えば０．１μｍ～２．０μｍであり、好ましくは０．３μｍ～１．０μｍである。ただし、赤外ＬＥＤ素子１において反射層６２を備えないものとしても構わない。
【0077】
絶縁層６１は、発光層２２で生成された赤外光Ｌ１に対して透過性を示す。発光層２２で生成され、支持基板６５側へと進行した赤外光Ｌ１のうちの一部は、絶縁層６１内を透過した後、反射層６２で反射して、再び絶縁層６１内を透過して第一クラッド層２１側に進行する。
【0078】
上述したように、第二電極５２とコンタクト層２４の界面には合金層が介在しない。よって、第二電極５２が金属等の赤外光Ｌ１に対する反射性を示す材料からなる場合には、発光層２２で生成され、支持基板６５側へと進行した赤外光Ｌ１のうちの一部は、第二電極５２で反射して第一クラッド層２１側に進行する。また、第二電極５２が透明電極材料からなる場合には、発光層２２で生成され、支持基板６５側へと進行した赤外光Ｌ１のうちの一部は、第二電極５２及び絶縁層６１を透過した後、反射層６２で反射して第一クラッド層２１側に進行する。
【0079】
接合層６３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４を参照して後述されるように、この接合層６３は、半導体の積層体が上面に形成された成長基板１１と、支持基板６５とを貼り合わせるために利用される。接合層６３の厚みは、特に限定されないが、例えば５００ｎｍ～５０００ｎｍであり、好ましくは１０００ｎｍ～３０００ｎｍである。
【0080】
図１では図示しないが、反射層６２と接合層６３との間に、接合層６３を構成するハンダ材料の拡散を抑制するためのバリア層を更に含むものとしても構わない。バリア層の材料としては、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ等を含む材料で実現できる。一例として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層体で構成される。バリア層の厚みは、特に限定されないが、例えば５０ｎｍ～３０００ｎｍであり、好ましくは２００ｎｍ～１０００ｎｍである。このバリア層が介在することで、接合層６３の材料が反射層６２側に拡散して反射層６２の反射率が低下するのを防止できる。バリア層は、接合層６３と支持基板６５との間にも設けられていても構わない。
【0081】
光取り出し効率を向上させる観点からは、図１に示すように、赤外ＬＥＤ素子１が反射層６２を備えるのが好適であるが、本発明において、赤外ＬＥＤ素子１が反射層６２を備えるか否かは任意である。
【0082】
（裏面電極６６）
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、支持基板６５の裏面側（半導体層が形成されている側とは反対側）に、裏面電極６６を備える。裏面電極６６は支持基板６５に対してオーミック接触が実現されている。裏面電極６６は、一例として、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ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。ただし、導電性の支持基板６５と第一電極５１との間に電圧を印加できる構成であれば、赤外ＬＥＤ素子１が裏面電極６６を備えるか否かは任意である。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、支持基板６５の裏面側（半導体層が形成されている側とは反対側）に、裏面電極６６を備える。裏面電極６６は支持基板６５に対してオーミック接触が実現されている。裏面電極６６は、一例として、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ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。ただし、導電性の支持基板６５と第一電極５１との間に電圧を印加できる構成であれば、赤外ＬＥＤ素子１が裏面電極６６を備えるか否かは任意である。
【0083】
赤外ＬＥＤ素子１は、例えば以下の手順で製造することができる。
【0084】
ＩｎＰからなる成長基板１１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に搬送し、成長基板１１上に、上述した各半導体層（２１，２２，２３，３１，３２，２４）を順次エピタキシャル成長させる（図２参照）。成長させる層の材料、導電型、及び膜厚に応じて、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（２１，２２，２３，３１，３２，２４）の材料例は上述した通りである。
【0085】
次に、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２４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利用して、開口部を含む絶縁層６１を形成する。その後、当該開口部内に第二電極５２を形成する材料を成膜する（図３参照）。上述したように、コンタクト層２４は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＡｓからなる群に属する１種又は２種以上からなる、ｎ型の半導体層である。このため、アニール処理を行うことなく、第二電極５２とコンタクト層２４との間でオーミック接触が得られる。
【0086】
次に、絶縁層６１及び第二電極５２を覆うように金属材料を蒸着して反射層６２が形成され、その後に金属材料を蒸着して接合層６３が形成される。
【0087】
次に、成長基板１１とは別の導電性の支持基板６５が準備され、接合層６３を介して、成長基板１１と支持基板６５とが、例えば２８０℃の温度、１ＭＰａの圧力下で貼り合わせられる（図４参照）。その後、成長基板１１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が行われ、成長基板１１が剥離される（図５参照）。
【0088】
その後、エピタキシャルウェハを素子毎に分離するためのメサエッチングが施された後、第一クラッド層２１の上面に第一電極５１、支持基板６５の裏面に裏面電極６６がそれぞれ形成される（図１参照）。なお、第一クラッド層２１の上面に凹凸加工が施されても構わない。
【0089】
以上の説明によれば、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、ｎ型の第一クラッド層２１を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第一クラッド層２１の上層に配置された発光層２２を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して発光層２２の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層２３を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第二クラッド層２３の上層に配置され、第二クラッド層２３よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層３１を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第一トンネル３１層の上層に配置され、第一クラッド層２１よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって第一トンネル層３１との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層３２を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第二トンネル層３２の上層に配置されたｎ型のコンタクト層を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、第一クラッド層２１に対して、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極５１を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、ｎ型のコンタクト層２４に対して接触する第二電極５２を備える。
第一クラッド層２１及び発光層２２は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第一クラッド層２１の上層に配置された発光層２２を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して発光層２２の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層２３を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第二クラッド層２３の上層に配置され、第二クラッド層２３よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層３１を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第一トンネル３１層の上層に配置され、第一クラッド層２１よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって第一トンネル層３１との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層３２を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、＋Ｚ方向に関して第二トンネル層３２の上層に配置されたｎ型のコンタクト層を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、第一クラッド層２１に対して、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極５１を備える。
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１は、ｎ型のコンタクト層２４に対して接触する第二電極５２を備える。
第一クラッド層２１及び発光層２２は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。
【0090】
［検証］
以下、上述した赤外ＬＥＤ素子１を用いて行われた検証について説明する。
以下、上述した赤外ＬＥＤ素子１を用いて行われた検証について説明する。
【0091】
（検証１）
実施例１、実施例２、及び比較例１の赤外ＬＥＤ素子を作成し、それぞれの光出力を対比した。
実施例１、実施例２、及び比較例１の赤外ＬＥＤ素子を作成し、それぞれの光出力を対比した。
【0092】
実施例１及び実施例２の赤外ＬＥＤ素子として、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１が採用された。実施例１の赤外ＬＥＤ素子は、Ｚ方向から見たときの発光層２２の面積に対する第二電極５２の占有領域の総面積の比率（以下、「電極比率」と略記される。）が４％とされた。実施例２の素子は、前記電極比率が３０％とされた点を除けば、実施例１の素子と共通とされた。なお、前記電極比率の調整は、Ｚ方向から見たときの第二電極５２の外径、言い換えれば、絶縁層６１の開口領域の内径を変えることで行われた。
【0093】
比較例１の赤外ＬＥＤ素子として、図６に示す赤外ＬＥＤ素子１０１が採用された。図６に示す赤外ＬＥＤ素子１０１は、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１とは異なり、トンネル接合用積層体３０を備えておらず、絶縁層６１内を貫通するように形成されたｐ側電極９２がｐ型コンタクト層８５と接触している。つまり、ｐ側電極９２とｐ型コンタクト層８５とのオーミック接触を実現させる観点から、ｐ側電極９２の形成時にはアニール処理が行われることで、ｐ側電極９２とｐ型コンタクト層８５の界面に合金層が形成された。ｐ型コンタクト層８５としては、厚みが２００ｎｍで、ドーパント材料としてのＺｎが濃度２×１０18/cm3ドープされた、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰが採用された。
【0094】
また、比較例１の赤外ＬＥＤ素子１０１においては、Ｚ方向から見たときの発光層２２の面積に対するｐ側電極９２の占有領域の総面積の比率（電極比率）は、実施例１と同じく４％とされた。上述したように、従来の赤外ＬＥＤ素子１００においては、絶縁層８４の面積に対するｐ側電極９２の占有面積の割合は３％～５％程度であることから、４％の値は、この数値に基づいて決定された。つまり、比較例１の赤外ＬＥＤ素子１は、図１０を参照して上述した、従来の赤外ＬＥＤ素子１００を模擬したものである。
【0095】
実施例１、実施例２、及び比較例１の各赤外ＬＥＤ素子に対して、５０ｍＡの電流を注入して点灯させ、光出力を測定した。光出力は、積分球方式に基づき、受光センサで受光された赤外光Ｌ１の光量に基づいて測定された。この結果を、下記表１に示す。
【0096】
【表1】
【0097】
表１によれば、電極比率の値が同じ比較例１と実施例１を対比すると、比較例１よりも実施例１の方が光出力が向上していることが確認される。比較例１の赤外ＬＥＤ素子１０１においては、絶縁層６１内を貫通して形成されたｐ側電極９２とｐ型コンタクト層８５との界面に合金層が介在することで、この合金層において光の一部が吸収されたものと推察される。これに対し、実施例１の赤外ＬＥＤ素子１においては、絶縁層６１内を貫通して形成された第二電極５２は、ｎ型のコンタクト層２４と接触することから、上述したようにアニール処理が不要となり、両層の間に合金層が介在しない。この結果、電極比率の値が同じであるにもかかわらず、比較例１よりも実施例１の方が光出力が向上したものと考えられる。
【0098】
更に、図６に示す赤外ＬＥＤ素子１０１と比べて、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１の場合、ｐ側の電極（９２，５２）が配置された領域における光吸収が抑制される。この結果、従来の赤外ＬＥＤ素子１００が備えるｐ側電極９２と比べて、第二電極５２の占有領域を広げることができる。実施例２の素子のように、電極比率を３０％に高めることで、比較例１よりも光出力が大幅に上昇することが確認される。
【0099】
（検証２）
赤外ＬＥＤ素子１において、ｐ型の第一トンネル層３１及びｎ型の第二トンネル層３２の組成を異ならせた複数のサンプルを作製し、同一の電流量を注入するために必要な順方向電圧を測定した。結果を表２に示す。
赤外ＬＥＤ素子１において、ｐ型の第一トンネル層３１及びｎ型の第二トンネル層３２の組成を異ならせた複数のサンプルを作製し、同一の電流量を注入するために必要な順方向電圧を測定した。結果を表２に示す。
【0100】
【表2】
【0101】
表２によれば、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２の双方をＩｎＰで形成した場合と比べて、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２の少なくとも一方に、Ｇａ及びＡｓを含めることで、順方向電圧を低下できることが分かる。更に、第一トンネル層３１と第二トンネル層３２とを対比すると、ｐ型である第一トンネル層３１よりも、ｎ型である第二トンネル層３２のＧａ組成及びＡｓ組成を大きくすることで、順方向電圧を更に低下できることが確認される。
【0102】
トンネル層を形成する材料のＧａ組成及びおよびＡｓ組成を大きくすることは、バンドギャップエネルギーを小さくすること、言い換えればバンドギャップに相当する波長を長波長化することに対応する。つまり、ｎ型である第二トンネル層３２を構成する材料のバンドギャップに相当する波長が、ｐ型である第一トンネル層３１を構成する材料のバンドギャップに相当する波長よりも長波長となるように、第一トンネル層３１及び第二トンネル層３２の材料を選択することで、順方向電圧を低下させながらも、光出力の高い赤外ＬＥＤ素子が実現できることが分かる。
【0103】
（検証３）
赤外ＬＥＤ素子１において、ｐ型の第一トンネル層３１をＩｎＰ、ｎ型の第二トンネル層３２をＧａＩｎＡｓＰとし、それぞれのトンネル層のドーパント濃度を異ならせた複数のサンプルを作製し、同一の電流量を注入するために必要な順方向電圧を測定した。結果を図７Ａ及び図７Ｂに示す。
赤外ＬＥＤ素子１において、ｐ型の第一トンネル層３１をＩｎＰ、ｎ型の第二トンネル層３２をＧａＩｎＡｓＰとし、それぞれのトンネル層のドーパント濃度を異ならせた複数のサンプルを作製し、同一の電流量を注入するために必要な順方向電圧を測定した。結果を図７Ａ及び図７Ｂに示す。
【0104】
図７Ａは、ｎ型の第二トンネル層３２のドーパント濃度（Ｓｉ濃度）を１×１０19/ｃｍ3で固定して、ｐ型の第一トンネル層３１のドーパント濃度（Ｚｎ濃度）を変化させたときの順方向電圧の変化の推移を示すグラフである。図７Ａによれば、ｐ型の第一トンネル層３１のドーパント濃度を高めるに伴い、順方向電圧がやや低下する傾向が認められる。
【0105】
図７Ｂは、ｐ型の第一トンネル層３１のドーパント濃度（Ｚｎ濃度）を７．５×１０18/ｃｍ3で固定して、ｎ型の第二トンネル層３２のドーパント濃度（Ｓｉ濃度）を変化させたときの順方向電圧の変化の推移を示すグラフである。図７Ｂによれば、ｎ型の第二トンネル層３２のドーパント濃度を高めるに伴い、順方向電圧が上昇する傾向が認められる。このような現象が生じた理由は定かではないが、トンネル層を形成するためにドープされる不純物の濃度は極めて高いため、半導体結晶の歪みの量が増加する等、結晶性が低下したことが原因の一つと推察される。
【0106】
［別実施形態］
上述した赤外ＬＥＤ素子１においては、エピタキシャル成長後に支持基板６５を貼り合わせた後、成長基板１１が除去された。これに対して、成長基板１１をそのまま残存させた素子としても構わない。
上述した赤外ＬＥＤ素子１においては、エピタキシャル成長後に支持基板６５を貼り合わせた後、成長基板１１が除去された。これに対して、成長基板１１をそのまま残存させた素子としても構わない。
【0107】
例えば、図８に示す赤外ＬＥＤ素子１ａのように、成長基板１１の主面上に、エピタキシャル成長した各半導体層（２１，２２，２３，３１，３２，２４）を備え、ｎ型のコンタクト層２４の上面に、アニール処理を行わずに第二電極５２を形成し、成長基板１１の裏面にアニール処理を行わずに第一電極５１を形成するものとしても構わない。この場合、成長基板１１としては、ｎ型のＩｎＰ基板とすることができる。成長基板１１にドープされるｎ型のドーパント材料としては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅ等を利用することができ、Ｓｎが特に好ましい。
【0108】
別の例として、図９に示す赤外ＬＥＤ素子１ｂのように、成長基板１１の主面上に、エピタキシャル成長した各半導体層（２１，２２，２３，３１，３２，２４）を備え、ｎ型のコンタクト層２４の上面に、アニール処理を行わずに第二電極５２を形成し、ｎ型の第一クラッド層２１の一部上面に、アニール処理を行わずに第一電極５１を形成するものとしても構わない。
【0109】
なお、図９に示す赤外ＬＥＤ素子１ｂは、例えば以下の手順で製造することができる。すなわち、図２に示す状態から一部領域の半導体層がエッチングによって除去され、第一クラッド層２１が露出される。その後、プラズマＣＶＤ法を用いて半導体積層体の全面に絶縁層５９が成膜される。一例として、ＳｉＯ2からなる絶縁層５９が膜厚２００ｎｍ成膜される。
【0110】
その後、フォトリソグラフィ及びエッチングの技術を用いて、異なる位置において、それぞれ絶縁層５９内を貫通するように、第一電極５１及び第二電極５２が形成される。より詳細には、第一電極５１は、露出したｎ型の第一クラッド層２１に接触するように配置され、第二電極５２は、露出したｎ型のコンタクト層２４に接触するように配置される。このとき、アニール処理が行われることなく、第一電極５１とｎ型の第一クラッド層２１との界面、及び第二電極５２とｎ型のコンタクト層２４との界面は、いずれもオーミック接触が形成される。その後、金属材料が各電極（５１，５２）の上面に蒸着され、パッド電極（５５，５６）が形成される。
【0111】
図８に示す赤外ＬＥＤ素子１ａ、及び図９に示す赤外ＬＥＤ素子１ｂにおいても、ｐ型の第二クラッド層２３に対して電位を供給するための電極、すなわちｐ側の電極を構成する第二電極５２が、ｎ型のコンタクト層２４の上面に配置される。よって、第二電極５２の占有領域における、赤外光Ｌ１の吸収量が抑制され、従来よりも光出力が向上する。
【0112】
図８に示す赤外ＬＥＤ素子１ａ及び図９に示す赤外ＬＥＤ素子１ｂは、いずれも、ｎ型の第一クラッド層２１と、＋Ｚ方向に関して第一クラッド層２１の上層に配置された発光層２２と、＋Ｚ方向に関して発光層２２の上層に配置されたｐ型の第二クラッド層２３と、＋Ｚ方向に関して第二クラッド層２３の上層に配置され、第二クラッド層２３よりもｐ型のドーパント濃度が高濃度の第一トンネル層３１と、＋Ｚ方向に関して第一トンネル３１層の上層に配置され、第一クラッド層２１よりもｎ型のドーパント濃度が高濃度であって第一トンネル層３１との間でトンネル接合を形成する第二トンネル層３２と、＋Ｚ方向に関して第二トンネル層３２の上層に配置されたｎ型のコンタクト層と、第一クラッド層２１に対して、直接又は導電性を示す非合金材料からなる層を介して接触する第一電極５１と、ｎ型のコンタクト層２４に対して接触する第二電極５２とを備え、第一クラッド層２１及び発光層２２は、ＩｎＰ単結晶に対して格子整合可能な材料からなる。
【符号の説明】
【0113】
１，１ａ，１ｂ ：赤外ＬＥＤ素子
１１ ：成長基板
２０ ：ＬＥＤ積層体
２１ ：第一クラッド層
２２ ：発光層
２３ ：第二クラッド層
２４ ：コンタクト層
３０ ：トンネル接合用積層体
３１ ：第一トンネル層
３２ ：第二トンネル層
５１ ：第一電極
５２ ：第二電極
６１ ：絶縁層
６２ ：反射層
６３ ：接合層
６４ ：金属層
６５ ：支持基板
６６ ：裏面電極
Ｌ１ ：赤外光
１１ ：成長基板
２０ ：ＬＥＤ積層体
２１ ：第一クラッド層
２２ ：発光層
２３ ：第二クラッド層
２４ ：コンタクト層
３０ ：トンネル接合用積層体
３１ ：第一トンネル層
３２ ：第二トンネル層
５１ ：第一電極
５２ ：第二電極
６１ ：絶縁層
６２ ：反射層
６３ ：接合層
６４ ：金属層
６５ ：支持基板
６６ ：裏面電極
Ｌ１ ：赤外光
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】