特開 2024-31003 発光素子

(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】P2024031003

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/04 20100101AFI20240229BHJP

   H01L 33/30 20100101ALI20240229BHJP

   H01S 5/30 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

H01L33/04

H01L33/30

H01S5/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022134276

(22)【出願日】2022-08-25

(71)【出願人】

【識別番号】504224153

【氏名又は名称】国立大学法人 宮崎大学

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】前田 幸治

(72)【発明者】

【氏名】荒井 昌和

(72)【発明者】

【氏名】藤澤 剛

【テーマコード（参考）】

5F173

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F173AF12

5F173AF15

5F173AF20

5F173AH08

5F173AH40

5F173AP05

5F173AR23

5F241AA03

5F241AA14

5F241CA08

5F241CA34

5F241CA65

5F241FF16

(57)【要約】

【課題】エネルギー効率が高く、中赤外領域において広帯域に光を放射することが可能な発光素子を提供すること。
【解決手段】発光スペクトルが３μｍ以上５μｍ以下の波長域において第１のピーク波長を備える発光素子１において、半導体基板１１と、半導体基板１１の上に、ＩｎＡｓ層１３１とＧａＳｂ層１３２とが積層されてなる超格子構造１３を複数層（例えば５層）備えること、発光スペクトルは、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、第２のピーク波長を備えること。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光スペクトルが３μｍ以上５μｍ以下の波長域において第１のピーク波長を備える発光素子において、
半導体基板と、前記半導体基板の上に、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが積層されてなる超格子構造を複数層備えること、
前記発光スペクトルは、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、第２のピーク波長を備えること、
を特徴とする発光素子。

【請求項2】

請求項１に記載の発光素子において、
前記ＩｎＡｓ層は、１．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みを備えること、
前記ＧａＳｂ層は、８ｎｍ以上の厚みを備えること、
を特徴とする発光素子。

【請求項3】

請求項１または２に記載の発光素子において、
前記超格子構造は、５層形成されていること、
を特徴とする発光素子。

【請求項4】

請求項１または２に記載の発光素子において、
強度が２８０ｍＷ／ｍｍ^２以上の励起光、または、１５Ａ／ｃｍ^２以上の励起電流により発光すること、
を特徴とする発光素子。

【請求項5】

請求項１または２に記載の発光素子において、
前記超格子構造の温度が１００Ｋ以下であること、
を特徴とする発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光スペクトルが３μｍ以上５μｍ以下の波長域において第１のピーク波長を備える発光素子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、赤外分光法による試料分析や、ガスセンサ等の物質検出等のセンシング技術に、２－１０μｍの波長の中赤外線を利用することが期待されている。これは、以下の２つの利点があるためである。まず、第１に、中赤外線を利用すれば、C=OやC=Nといった官能基の種類を分析可能なだけでなく、それら官能基の周辺環境の情報を得ることが可能になるという利点、そして、第２に、中赤外線は近赤外線に比べて各段に大きな吸収特性を有するために、微小試料の分析や、微量物質の検出をするに有効であるという利点である。

【0003】

そのような中、センシング技術に利用可能な中赤外線領域の赤外光源としては、例えば特許文献１に示すような、量子カスケードレーザ素子等が知られている。この量子カスケードレーザ素子は、井戸層及び障壁層が交互に積層されてなる多重量子井戸内のサブバンド間遷移により発光する発光素子である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１７７５２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来技術には、以下の問題点があった。
物質には固有の吸収波長が存するところ、量子カスケードレーザは、単一波長光源であるために、特定の物質の分析や検出を目的とした利用には適する一方で、複数の物質の選択的な分析や検出を目的とした利用には適さないという問題がある。このため、放射波長領域が、中赤外領域においてより広帯域である光源が求められている。

【0006】

なお、放射波長域が広帯域である光源としては、熱型の光源が知られているものの、熱型の光源は、エネルギー効率が悪いという欠点がある。さらに、熱型の光源を分析装置、検出装置に適用した場合、他の波長の遮蔽や断熱のための対策を取る必要があるため、装置の小型化を図ることが困難である。

【0007】

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、エネルギー効率が高く、中赤外領域において広帯域に光を放射することが可能な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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の発光素子は、次のような構成を有している。
（１）発光スペクトルが３μｍ以上５μｍ以下の波長域において第１のピーク波長を備える発光素子において、半導体基板と、前記半導体基板の上に、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが積層されてなる超格子構造を複数層備えること、前記発光スペクトルは、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、第２のピーク波長を備えること、を特徴とする。

【0009】

上記発光素子は、ＩｎＡｓ層と、ＩｎＡｓ層の上のＧａＳｂ層と、が積層されてなる超格子構造が複数層設けられることで、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層された状態になる。ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されると、ＩｎＡｓの伝導帯はＧａＳｂの価電子帯よりも低くなる。このようなバンド構造を備える超格子は、一般的にタイプ２超格子と呼ばれており、電子のミニバンド、正孔のミニバンドが形成される。このバンドギャップは、ＩｎＡｓ層の層厚などに依存するものであるところ、ＩｎＡｓ層の層厚が厚くなるほどバンドギャップが大きくなり、ＩｎＡｓ層の層厚が薄くなるほどバンドギャップが小さくなる。したがって、層厚の調整によりバンドギャップの制御が容易である。また、半導体を使った電流注入による発光は、エネルギー効率良く発光可能である。

【0010】

また、上記発光素子の発光スペクトルは、３μｍ以上５μｍ以下の波長域において、第１のピーク波長を備え、さらに、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、第２のピーク波長を備えるため、全体として、２μｍ以上５μｍ以下の波長域をカバーすることができる。このように広帯域をカバーすることができれば、複数の物質の分析や検出を目的とした利用が可能となる。例えば、２μｍ以上５μｍ以下の波長域には、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）、一酸化窒素（ＮＯ）等の固有の吸収線が存在するため、これらの選択的な分析、検出が可能になる。

【0011】

（２）（１）に記載の発光素子において、前記ＩｎＡｓ層は、１．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みを備えること、前記ＧａＳｂ層は、８ｎｍ以上の厚みを備えることが望ましい。

【0012】

超格子構造に形成されるミニバンドのバンドギャップは、ＩｎＡｓ層の層厚、ＧａＳｂ層の層厚、積層数、温度などに依存する。上記発光素子が放射する光の波長は、井戸層であるＩｎＡｓ層の層厚に最も依存するものであるところ、例えばＧａＳｂ層の層厚を６ｎｍとした場合、ＩｎＡｓ層の層厚を５ｎｍよりも厚くすると、波長が１０μｍより長くなり中赤外領域よりも波長が大きくなり、ＩｎＡｓ層の層厚を１．２ｎｍよりも薄くすると、中赤外領域よりも波長が短くなる。よって、中赤外領域での発光を得るためには、ＩｎＡｓ層は、１．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の層厚とすることが望ましいことが知られていた。これを元に、発明者は、例えば、ＩｎＡｓ層の層厚が２．８ｎｍの時、ＧａＳｂ層の層厚を８ｎｍよりも薄くすると、物質の分析、検出等に用いるために十分な発光強度が得られないことを、発明者は実験により確認した。一方、ＧａＳｂ層の層厚の上限値については、発光を得るという観点においては特に限定されないが、１３．３ｎｍを大きく超えると、成長効率および励起光率の観点において問題が生じる可能性がある。

【0013】

（３）（１）または（２）に記載の発光素子において、前記超格子構造は、５層形成されていることが望ましい。

【0014】

発明者は、実験により、発光強度が超格子構造の層数に依存することを突き止め、２μｍ以上３μｍ以下の波長域における十分な発光強度を得るためには、超格子構造が５層形成されていることが望ましいことを確認した。

【0015】

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の発光素子において、強度が２８０ｍＷ／ｍｍ^２以上の励起光、または、１５Ａ／ｃｍ^２以上の励起電流により発光することが望ましい。

【0016】

上記の発光素子は、ミニバンド間の遷移により発光するところ、励起光の強度または励起電流の電流値を上げていくと、エネルギー準位の下位の方が電子で詰まることで、対応する波長域の発光強度が飽和するとともに、次第にエネルギー準位の上位の方が電子で詰まりはじめ、対応する波長域の発光強度が大きくなり始めることを摂動法によるバンド計算から確かめた。上記の発光素子の発光スペクトルは、３μｍ以上５μｍ以下の波長域において第１のピーク波長を備えているが、励起光の強度が２８０ｍＷ/ｍｍ^２以上（レーザ強度で２５ｍＷ）、または、１５Ａ／ｃｍ^２以上の励起電流になったとき、３μｍ以上５μｍ以下の波長域における発光強度の飽和が見られるとともに、２μｍ以上３μｍ以下の波長域において、第２のピーク波長が現れ、物質の分析、検出等に用いるために十分な発光強度を得られることを、発明者は実験により確認した。

【0017】

（５）（１）または（２）に記載の発光素子において、前記超格子構造の温度が１００Ｋ以下であることが望ましい。

【0018】

発明者は、実験により、１００Ｋ以下である場合に、発光素子がエネルギー効率良く発光可能であること、そして、温度は低温ほど望ましいことを確認した。

【発明の効果】

【0019】

本発明の発光素子によれば、エネルギー効率が高く、中赤外領域において広帯域に光を放射することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本実施形態に係る発光素子の断面模式図である。

【図2】本実施形態に係る発光素子の発光スペクトルを表す図である。

【図3】比較試料の発光スペクトルを表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の発光素子の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る発光素子１の断面模式図である。なお、図１に示す発光素子１はあくまで模式図であり、各構成の大きさ等は、理解の簡単のため、実際の大きさ等を表していない。よって、ここに開示する発明は、必ずしも図面に表された大きさ等に限定されるものではない。

【0022】

（発光素子の構成について）
発光素子１は、約５ｍｍ角の大きさを備える発光素子である。発光素子１は、図１に示すように、半導体化合物の層（後述のバッファ層１２や超格子構造１３、ＩｎＡｓ層１４）を積層するための半導体基板１１を備えている。この半導体基板１１は、例えば、ｎ型ＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）、ＧａＳｂ（アンチモン化ガリウム）、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）により形成されている。

【0023】

そして、半導体基板１１の上には、ＩｎＡｓによるバッファ層１２が積層されている。バッファ層１２は、半導体基板１１と後述する超格子構造１３との間の格子不整合を抑制するための層であり、その層厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましく、本実施形態においては、３０ｎｍである。なお、バッファ層１２は、ＧａＳｂにより形成されることとしても良い。

【0024】

さらに、バッファ層１２の上には、超格子構造１３が積層されている。超格子構造１３は、ノンドープの、すなわち、意図的な不純物の添加が行われていないＩｎＡｓにより形成されるＩｎＡｓ層１３１と、ノンドープのＧａＳｂ（アンチモン化ガリウム）により形成されるＧａＳｂ層１３２とが積層されてなる。ＩｎＡｓ層１３１の層厚は、２．８ｎｍであり、ＧａＳｂ層１３２の層厚は、１３．０ｎｍである。

【0025】

超格子構造１３の層数は、特に限定されないが、図１に示すように、ＩｎＡｓ層１３１とＧａＳｂ層１３２との組み合わせを１層として、５層積層されていることが最も望ましい。これは、後述する発光スペクトルの測定結果に示すように、２μｍ以上３μｍ以下の波長域における十分な発光強度を得ることが可能なことによる。そして、５層の超格子構造１３のさらに上には、ＩｎＡｓ層１４が積層されている。これにより、最上層のＧａＳｂ層１３２の酸化を防止することが可能である他、超格子構造１３において高品質の結晶性が得られるようになる。このＩｎＡｓ層１４の層厚は、フォトルミネッセンス法（ＰＬ法）で発光させる場合には厚すぎないことが望ましく、一方で、電流注入により発光させる場合は、１００ｎｍ以上必要である。本実施形態においては、３０ｎｍである。

【0026】

発光素子１は、超格子構造１３が５層積層されることで、ＩｎＡｓ層１３１とＧａＳｂ層１３２とが交互に積層された状態になっている。ＩｎＡｓ層１３１とＧａＳｂ層１３２とが交互に積層されると、ＩｎＡｓの伝導帯はＧａＳｂの価電子帯よりも低くなる。このようなバンド構造を備える超格子は、一般的にタイプ２超格子と呼ばれており、電子のミニバンド、正孔のミニバンドが形成される。このバンドギャップは、主にＩｎＡｓ層１３１の層厚に依存するものであるところ、ＩｎＡｓ層１３１の層厚が厚くなるほどバンドギャップが大きくなり、ＩｎＡｓ層１３１の層厚が薄くなるほどバンドギャップが小さくなる。したがって、層厚の調整によりバンドギャップの制御が容易である。

【0027】

バンドギャップの大小は、発光素子１が放射する光の波長と相関関係がある。つまり、発光素子１が放射する光の最も長い波長は、ＩｎＡｓ層１３１の層厚に依存する。ＩｎＡｓ層１３１の層厚を５ｎｍよりも厚くすると、中赤外領域よりも波長が大きくなり、層厚を１．２ｎｍよりも薄くすると、中赤外領域よりも波長が短くなるため、中赤外領域での発光を得るためには、ＩｎＡｓ層１３１は、１．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の層厚とすることが望ましいことが知られているが、発明者は、実験に基づき、本実施形態におけるＩｎＡｓ層１３１の層厚は、上記の通り２．８ｎｍを採用している。

【0028】

また、ＩｎＡｓ層１３１の電子エネルギーを量子化するための障壁層の機能を有するところのＧａＳｂ層１３２は、層厚が８ｎｍ以上であることが望ましい。これは、層厚を８ｎｍよりも薄くすると、物質の分析、検出等に用いるために十分な発光強度が得られないことを、発明者は実験により確認したからである。層厚の上限値については、発光を得るという観点においては特に限定されないが、１３．３ｎｍを超えると、成長効率および励起光率の観点において問題が生じる可能性がある。これに基づき、本実施形態におけるＧａＳｂ層１３２の層厚は、上記の通り１３．０ｎｍを採用している。なお、上記したＩｎＡｓ層１３１の層厚およびＧａＳｂ層１３２の層厚は、Ｘ線回析法により測定した値である。さらに上記したバッファ層１２の層厚、ＩｎＡｓ層１４の層厚も同様である。

【0029】

（製法について）
以上のような構成を備える発光素子１は、半導体基板１１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によって、バッファ層１２や超格子構造１３、ＩｎＡｓ層１４の各層を形成することで製造された。原料ガスはトリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルアンチモン、アルシンを用い、５００度から６００度、約１０ｋＰａの条件で成長させた。

【0030】

（発光スペクトルの測定について）
発光素子１の発光スペクトルの測定を行った結果を以下に説明する。測定は、フォトルミネッセンス法（ＰＬ法）による。具体的には、２０Ｋの環境温度下において、励起光としては、特に限定されないが、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを発光素子１に照射することで測定を行った。なお、検出器には、液体窒素冷却をしたＩｎＳｂ（アンチモン化インジウム）の赤外線検出素子を用いた。なお、環境温度を２０Ｋとしているのは、発明者が、実験により、１００Ｋ以下である場合に、発光素子１が強く発光可能であること、そして、温度が２０Ｋであることが最も望ましいことを確認したことによる。

【0031】

ここで、図２は、本実施形態に係る発光素子１の発光スペクトルを表す図である。具体的には、励起光の出力が、０.２５ｍＷ、１．２５ｍＷ、２．５ｍＷ、５ｍＷ、１２．５ｍＷ、２５ｍＷ、５０ｍＷ、１２５ｍＷ、２５０ｍＷ、それぞれの場合における、発光素子１の発光スペクトルの測定結果を表している。また、図３は、比較試料の発光スペクトルを表す図である。比較試料とは、超格子構造１３を１５層積層し、その他の構成は発光素子１と同一の試料である。発光素子１の比較対象として、当該比較試料についても上記したＰＬ法による発光スペクトルの測定を行った。

【0032】

発光素子１は、図２に示すように、励起光の出力が、０.２５ｍＷ、１．２５ｍＷ、２．５ｍＷ、５ｍＷ、１２．５ｍＷ、２５ｍＷ、５０ｍＷ、１２５ｍＷ、２５０ｍＷ、いずれの場合においても、３μｍ以上５μｍ以下の波長域において、第１のピーク波長が現れている。具体的には、励起光の出力が０.２５ｍＷの場合には、約４．７μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１１が現れている。励起光の出力が１．２５ｍＷの場合には、約４．６－４．７μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１２が現れている。励起光の出力が２．５ｍＷの場合には、約４．６μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１３が現れている。励起光の出力が５ｍＷの場合には、約４．５－４．６μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１４が現れている。励起光の出力が１２．５ｍＷの場合には、約４．５μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１５が現れている。励起光の出力が２５，５０ｍＷの場合には、約４．１－４．２μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１６，Ｐ１７が現れている。励起光の出力が１２５ｍＷの場合には、約３．７－３．９μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１８が現れている。励起光の出力が２５０ｍＷの場合には、約３．７－３．８μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ１９が現れている。第１のピーク波長は励起光の出力が大きいほど、短波長側に移動するとともに発光強度が増大しており、これに伴い、３μｍ以上５μｍ以下の波長域における強度幅（発光帯域）も拡大している。

【0033】

そして、励起光の出力が、０.２５ｍＷ、１．２５ｍＷ、２．５ｍＷ、５ｍＷ、１２．５ｍＷである場合、３μｍ以下の波長域においては、ピークは明確に表れていないが、励起光の出力が２５ｍＷ、５０ｍＷ、１２５ｍＷ、２５０ｍＷである場合、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、上記した第１のピーク波長とは別に、約２．５μｍにおいて、第２のピーク波長Ｐ２６，Ｐ２７，Ｐ２８，Ｐ２９が明確に現れている。この第２のピーク波長は、励起光の出力が大きいほど大きくなっており（すなわち発光強度が増大しており）、これに伴い、２μｍ以上３μｍ以下の波長域における強度幅（発光帯域）も増大している。中でも、励起光の出力が１２５ｍＷ、２５０ｍＷである場合には、第１のピーク波長Ｐ１８，Ｐ１９と第２のピーク波長Ｐ２８，Ｐ２９の間の谷が小さく、幅広い帯域で発光していることが分かる。以上のような測定結果から、発光素子１により、中赤外領域において広帯域の発光を得るためには、強度が２５ｍＷ以上の励起光により発光させることが望ましく、強度が１２５ｍＷ以上の励起光により発光させることが更に望ましいと言える。

【0034】

このように励起光の出力が大きいほど、第２のピーク波長が明確に現れてくるのは、発光素子１は、ミニバンド間の遷移により発光するところ、励起光の強度を上げていくと、エネルギー準位の下位の方が電子で詰まることで、対応する波長域の発光強度が飽和するとともに、次第にエネルギー準位の上位の方が電子で詰まりはじめ、対応する波長域の発光強度が大きくなり始めるためである。つまり、励起光の出力が、２５ｍＷ以上になると、エネルギー準位の下位の方が電子で詰まり、波長約４．５μｍの付近で飽和が始まる。このことは、図２に示すように、励起光の出力が２５ｍＷになるとショルダーＳ１６が現れ、このショルダーの増大幅が、励起光の出力が５０ｍＷの場合のショルダーＳ１７、励起光の出力が１２５ｍＷの場合のショルダーＳ１８、励起光の出力が２５０ｍＷの場合のショルダーＳ１９と、徐々に小さくなっていることから見てとれる。そして、次第にエネルギー準位の上位の方が電子で詰まりはじめ、２μｍ以上３μｍ以下の波長域において、発光強度が大きくなり始めたことをバンド計算から確かめた。

【0035】

次に、超格子構造１３を１５層積層した試料（比較試料）による、発光スペクトルの測定結果について説明する。

【0036】

比較試料は、図３に示すように、励起光の出力が、０.２５ｍＷ、１．２５ｍＷ、２．５ｍＷ、５ｍＷ、１２．５ｍＷ、２５ｍＷ、５０ｍＷ、１２５ｍＷ、２５０ｍＷ、いずれの場合においても、３μｍ以上５μｍ以下の波長域において、第１のピーク波長が現れている。具体的には、励起光の出力が０.２５ｍＷの場合には、約４．６－４．７μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３１が現れている。励起光の出力が１．２５ｍＷの場合には、約４．６μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３２が現れている。励起光の出力が２．５ｍＷの場合には、約４．５－４．６μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３３が現れている。励起光の出力が５ｍＷの場合には、約４．５μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３４が現れている。励起光の出力が１２．５ｍＷの場合には、約４．４－４．５μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３５が現れている。励起光の出力が２５，５０ｍＷの場合には、約４．１－４．２μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３６，Ｐ３７が現れている。励起光の出力が１２５ｍＷの場合には、約４．１μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３８が現れている。励起光の出力が２５０ｍＷの場合には、約３．８－４．０μｍにおいて第１のピーク波長Ｐ３９が現れている。第１のピーク波長は励起光の出力が大きいほど、短波長側に移動するとともに発光強度が増大しており、これに伴い、３μｍ以上５μｍ以下の波長域における強度幅（発光帯域）も拡大している。この点は、超格子構造１３を５層積層した発光素子１と同様である。

【0037】

しかし、３μｍ以下の波長域においては、励起光の出力が、０.２５ｍＷ、１．２５ｍＷ、２．５ｍＷ、５ｍＷ、１２．５ｍＷ、２５ｍＷ、５０ｍＷである場合、ピークは明確に表れていない。また、励起光の出力が、１２５ｍＷ、２５０ｍＷである場合には、第２のピーク波長Ｐ４８，Ｐ４９が現れているが、発光素子１に比べると顕著ではない。

【0038】

以上のような測定結果から、発光強度が超格子構造１３の層数に依存することが明らかであり、２μｍ以上３μｍ以下の波長域において、広帯域にかつ十分な発光強度を得るためには、超格子構造１３が５層形成されていることが最も望ましいと言える。

【0039】

発光素子１の発光スペクトルは、３μｍ以上５μｍ以下の波長域において、第１のピーク波長を備え、さらに、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、第２のピーク波長を備えるため、全体として、２μｍ以上５μｍ以下の波長域をカバーすることができる。このように広帯域をカバーすることができれば、複数の物質の分析や検出を目的とした利用が可能となる。例えば、２μｍ以上５μｍ以下の波長域には、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）、一酸化窒素（ＮＯ）等の固有の吸収線が存在するため、これらの選択的な分析、検出が可能になる。

【0040】

以上詳細に説明したように、本実施形態に係る発光素子１によれば、
（１）発光スペクトルが３μｍ以上５μｍ以下の波長域において第１のピーク波長を備える発光素子１において、半導体基板１１と、半導体基板１１の上に、ＩｎＡｓ層１３１とＧａＳｂ層１３２とが積層されてなる超格子構造１３を複数層（例えば５層）備えること、発光スペクトルは、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、第２のピーク波長を備えること、を特徴とする。

【0041】

発光素子１は、ＩｎＡｓ層１３１と、ＩｎＡｓ層１３１の上のＧａＳｂ層１３２と、が積層されてなる超格子構造１３が複数層（例えば５層）設けられることで、ＩｎＡｓ層１３１とＧａＳｂ層１３２とが交互に積層された状態になる。ＩｎＡｓ層１３１とＧａＳｂ層１３２とが交互に積層されると、ＩｎＡｓの伝導帯はＧａＳｂの価電子帯よりも低くなる。このようなバンド構造を備える超格子は、一般的にタイプ２超格子と呼ばれており、電子のミニバンド、正孔のミニバンドが形成される。このバンドギャップは、ＩｎＡｓ層１３１の層厚に依存するものであるところ、ＩｎＡｓ層１３１の層厚が厚くなるほどバンドギャップは大きくなり、ＩｎＡｓ層１３１の層厚が薄くなるほどバンドギャップは小さくなる。したがって、層厚の調整によりバンドギャップの制御が容易である。また、半導体を使った電流注入による発光は、エネルギー効率良く発光可能である。

【0042】

また、上記発光素子１の発光スペクトルは、３μｍ以上５μｍ以下の波長域において、第１のピーク波長を備え、さらに、２μｍ以上３μｍ以下の波長域に、第２のピーク波長を備えるため、全体として、２μｍ以上５μｍ以下の波長域をカバーすることができる。このように広帯域をカバーすることができれば、複数の物質の分析や検出を目的とした利用が可能となる。例えば、２μｍ以上５μｍ以下の波長域には、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）、一酸化窒素（ＮＯ）等の固有の吸収線が存在するため、これらの選択的な分析、検出が可能になる。

【0043】

（２）（１）に記載の発光素子１において、ＩｎＡｓ層１３１は、１．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みを備えること、ＧａＳｂ層１３２は、８ｎｍ以上の厚みを備えることが望ましい。

【0044】

超格子構造１３に形成されるミニバンドのバンドギャップは、ＩｎＡｓ層１３１の層厚などに依存する。つまり、発光素子１が放射する光の波長は、井戸層であるＩｎＡｓ層１３１の層厚に依存するものであるところ、例えばＧａＳｂ層１３２の層厚を６ｎｍとした場合、ＩｎＡｓ層１３１の層厚を５ｎｍよりも厚くすると、中赤外領域よりも波長が大きくなり、層厚を１．２ｎｍよりも薄くすると、中赤外領域よりも波長が短くなる。よって、中赤外領域での発光を得るためには、ＩｎＡｓ層１３１は、１．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の層厚とすることが望ましいことが知られていた。これを基に、発明者は、例えば、ＩｎＡｓ層１３１の層厚が２．８ｎｍの時、ＧａＳｂ層１３２の層厚を８ｎｍよりも薄くすると、物質の分析、検出等に用いるために十分な発光強度が得られないことを、発明者は実験により確認した。一方、ＧａＳｂ層１３２の層厚の上限値については、発光を得るという観点においては特に限定されないが、１３．３ｎｍを大きく超えると、成長効率および励起光率の観点において問題が生じる可能性がある。

【0045】

（３）（１）または（２）に記載の発光素子１において、超格子構造１３は、５層形成されていることが望ましい。

【0046】

発明者は、実験により、発光強度が超格子構造１３の層数に依存することを突き止め、２μｍ以上３μｍ以下の波長域における十分な発光強度を得るためには、超格子構造１３が５層形成されていることが望ましいことを確認した。

【0047】

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の発光素子１において、強度が２８０ｍＷ／ｍｍ^２以上の励起光、または、１５Ａ／ｃｍ^２以上の励起電流により発光することが望ましい。

【0048】

上記の発光素子１は、ミニバンド間の遷移により発光するところ、励起光の強度を上げていくと、エネルギー準位の下位の方が電子で詰まることで、対応する波長域の発光強度が飽和するとともに、次第にエネルギー準位の上位の方が電子で詰まりはじめ、対応する波長域の発光強度が大きくなり始める。上記の発光素子１の発光スペクトルは、３μｍ以上５μｍ以下の波長域において第１のピーク波長を備えているが、励起光の強度が２８０ｍＷ／ｍｍ^２以上になったとき、３μｍ以上５μｍ以下の波長域における発光強度の飽和が見られるとともに、２μｍ以上３μｍ以下の波長域において、第２のピーク波長が現れ、物質の分析、検出等に用いるために十分な発光強度を得られることを、発明者は実験により確認し、摂動法によるバンド計算でも同様の傾向を確認した。なお、発光素子１の発光は、励起光によるものとして説明しているが、これに限定されるものではなく、発光素子１が電極を備えるものとし、当該電極を介して、発光素子１に励起電流を与え、発光させるものとしても良い。この場合、励起電流密度は１５Ａ／ｃｍ^２以上であることが望ましい。これより小さい励起電流密度では、中赤外領域の短波長領域において、十分な発光強度が得られないためである。

【0049】

（５）（１）または（２）に記載の発光素子１において、超格子構造１３の温度が１００Ｋ以下であることが望ましい。

【0050】

発明者は、実験により、１００Ｋ以下である場合に、発光素子が強く発光可能であること、そして、温度が低温であるほど望ましいことを確認した。

【0051】

なお、上記の実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。例えば、本実施例では、ＩｎＡｓ層１３１、ＧａＳｂ層１３２ともに、それぞれノンドープのＩｎＡｓ、ＧａＳｂにより形成される層として説明しているが、ドーピングをしたＩｎＡｓ、ＧａＳｂにより形成することを排除するものではない。

【符号の説明】

【0052】

１ 発光素子
１１ 半導体基板
１３ 超格子構造
１３１ ＩｎＡｓ層
１３２ ＧａＳｂ層

【図1】

【図2】

【図3】