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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-06
(45)【発行日】2024-12-16
(54)【発明の名称】赤外線デバイス及び赤外線デバイスの製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20241209BHJP
H01L 33/14 20100101ALI20241209BHJP
H01L 33/08 20100101ALI20241209BHJP
H01L 33/62 20100101ALI20241209BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
H01L33/14
H01L33/08
H01L33/62
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2024027781
(22)【出願日】2024-02-27
【審査請求日】2024-04-04
【早期審査対象出願】
(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】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100165951
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 憲悟
(74)【代理人】
【識別番号】100180655
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 俊樹
(72)【発明者】
【氏名】諸原 理
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－２２８６２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００２－５２５８３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１３８１２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０８８６０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０１５８６６４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／１１９
Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４
Ｈ０１Ｌ ２７／１４－２７／１５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板上に設けられ、第１の半導体層と、活性層と、第２の半導体層を有する半導体積層部と、
前記基板と前記半導体積層部との間に位置し、前記基板と前記半導体積層部との間のリーク電流を抑制する電気障壁層と、を備え、
前記半導体積層部は複数であって、複数の前記半導体積層部が直列接続されていて、
前記半導体積層部を設ける側の前記基板の面を基準面として、
前記第１の半導体層の側面が前記基準面に平行な面と成す第１の角度と、前記電気障壁層の側面が前記基準面に平行な面と成す第２の角度が異なっていて、
前記第１の半導体層の側面と前記電気障壁層の側面とが接している、赤外線デバイス。
【請求項2】
前記電気障壁層は、アモルファス又はポリマーの層である、請求項１に記載の赤外線デバイス。
【請求項3】
前記電気障壁層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、熱窒化ケイ素、シリカゲル、一酸化ケイ素、エポキシ樹脂又はポリイミドの層である、請求項２に記載の赤外線デバイス。
【請求項4】
前記電気障壁層は、複数の前記半導体積層部の間の領域である第１の領域に存在し、前記第１の領域における前記電気障壁層の積層方向の厚さは、前記第１の領域でない第２の領域における前記電気障壁層の積層方向の厚さに比べて薄い、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。
【請求項5】
前記第２の角度は前記基準面に対して垂直でない、請求項１に記載の赤外線デバイス。
【請求項6】
前記電気障壁層の積層方向の厚さは、５００ｎｍ以上である、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。
【請求項7】
前記電気障壁層の屈折率は、前記半導体積層部の平均屈折率より低い、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。
【請求項8】
波長λｐ［ｎｍ］にピークを有する光学特性を有しており、前記半導体積層部の積層方向の厚さをｔ［ｎｍ］、０以上の整数をｍとする場合に、以下の式（１）が満たされる、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。
【数1】
【請求項9】
前記電気障壁層は、半導体の層である、請求項１に記載の赤外線デバイス。
【請求項10】
前記電気障壁層は、前記第１の半導体層の材料よりエネルギーギャップが大きい材料が用いられる、請求項９に記載の赤外線デバイス。
【請求項11】
前記電気障壁層は、前記第１の半導体層と導電型が異なる、請求項９又は１０に記載の赤外線デバイス。
【請求項12】
前記電気障壁層は、前記基板の材料よりエネルギーギャップが小さい材料が用いられる、請求項９又は１０に記載の赤外線デバイス。
【請求項13】
前記電気障壁層は、前記基板と導電型が異なる、請求項９又は１０に記載の赤外線デバイス。
【請求項14】
前記第１の半導体層が前記活性層と直接に接しており、前記第１の半導体層のうち前記活性層と接する層の材料は、前記活性層よりエネルギーギャップが大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。
【請求項15】
前記第２の半導体層が前記活性層と直接に接しており、前記第２の半導体層のうち前記活性層と接する層の材料は、前記活性層よりエネルギーギャップが大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。
【請求項16】
赤外線が出射又は入射する側がｎ型の導電型である、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。
【請求項17】
基板上に犠牲層と半導体積層膜とを積層し、
前記犠牲層を除去し、
前記基板とは別の基板上にアモルファス又はポリマーからなる電気障壁層を形成し、
前記電気障壁層上に前記半導体積層膜を接合し、
前記半導体積層膜をエッチングし複数の半導体積層部を形成し、
複数の前記半導体積層部を直列接続する、赤外線デバイスの製造方法であって、
製造される前記赤外線デバイスが、
前記基板と、
前記基板上に設けられ、第１の半導体層と、活性層と、第２の半導体層を有する前記半導体積層部と、
前記基板と前記半導体積層部との間に位置し、前記基板と前記半導体積層部との間のリーク電流を抑制する電気障壁層と、を備え、
前記半導体積層部は複数であって、複数の前記半導体積層部が直列接続されていて、
前記半導体積層部を設ける側の前記基板の面を基準面として、
前記第１の半導体層の側面が前記基準面に平行な面と成す第１の角度と、前記電気障壁層の側面が前記基準面に平行な面と成す第２の角度が異なっていて、
前記第１の半導体層の側面と前記電気障壁層の側面とが接している、赤外線デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は赤外線デバイス及び赤外線デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば２～１５μｍ程度の波長の赤外線は、気体分子に特有の吸収帯を多く含むことから、非分散赤外吸収式のガス濃度測定装置に用いられている。ガス濃度測定装置に用いられる赤外線デバイスは、検出分解能といった主要性能を大きく左右する重要な部材であり、所望の波長における高い発光強度又は受光感度が求められている。ここで、赤外線デバイスは赤外線発光素子又は赤外線受光素子であって、これらの総称として用いられる。例えば、発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。また、例えば、受光素子としてフォトダイオード（ＰＤ）が用いられる。このような半導体を用いる赤外線デバイスは、材料設計により、所望の波長帯での受発光が可能であり、特定の気体を検出するガス濃度測定装置などに用いられる。ガス濃度測定装置は、例えばＮＤＩＲ（ｎｏｎ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ）方式ガスセンサ（例えば特許文献１）である。ＮＤＩＲ方式ガスセンサは、検出対象ガスに応じた吸収波長帯の赤外線を受光する赤外線受光素子及びその吸収波長帯の赤外線を発光する赤外線発光素子を用いて、ガス濃度を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００４－２７１５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ここで、赤外線デバイスには、発光強度又は検出感度をさらに向上させることが求められている。例えば単位素子である小さな発光ダイオード又は小さなフォトダイオードを直列接続することによって、発光強度又は検出感度を向上させる手法が知られている。ここで、単位素子は、半導体の積層構造で基板上に形成される。基板へリークする電流があると、赤外線デバイスの発光強度又は検出感度が低下する。
【0005】
本開示はこのような事情を鑑みてされたものであって、高性能の赤外線デバイス及び赤外線デバイスの製造方法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】
【0006】
（１）本開示の一実施形態に係る赤外線デバイスは、
基板と、
前記基板上に設けられ、第１の半導体層と、活性層と、第２の半導体層を有する半導体積層部と、
前記基板と前記半導体積層部との間に位置し、前記基板と前記半導体積層部との間の電気抵抗の増加に寄与する電気障壁層と、を備え、
前記半導体積層部は複数であって、複数の前記半導体積層部が直列接続されている。
基板と、
前記基板上に設けられ、第１の半導体層と、活性層と、第２の半導体層を有する半導体積層部と、
前記基板と前記半導体積層部との間に位置し、前記基板と前記半導体積層部との間の電気抵抗の増加に寄与する電気障壁層と、を備え、
前記半導体積層部は複数であって、複数の前記半導体積層部が直列接続されている。
【0007】
（２）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記電気障壁層は、アモルファス又はポリマーの層である。
前記電気障壁層は、アモルファス又はポリマーの層である。
【0008】
（３）本開示の一実施形態として、（２）において、
前記電気障壁層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、熱窒化ケイ素、シリカゲル、一酸化ケイ素、エポキシ樹脂又はポリイミドの層である。
前記電気障壁層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、熱窒化ケイ素、シリカゲル、一酸化ケイ素、エポキシ樹脂又はポリイミドの層である。
【0009】
（４）本開示の一実施形態として、（１）から（３）のいずれかにおいて、
前記電気障壁層は、複数の前記半導体積層部の間の領域である第１の領域に存在し、前記第１の領域における前記電気障壁層の積層方向の厚さは、前記第１の領域でない第２の領域における前記電気障壁層の積層方向の厚さに比べて薄い。
前記電気障壁層は、複数の前記半導体積層部の間の領域である第１の領域に存在し、前記第１の領域における前記電気障壁層の積層方向の厚さは、前記第１の領域でない第２の領域における前記電気障壁層の積層方向の厚さに比べて薄い。
【0010】
（５）本開示の一実施形態として、（１）から（４）のいずれかにおいて、
前記半導体積層部を設ける側の前記基板の面を基準面として、
前記第１の半導体層の側面が前記基準面に平行な面と成す第１の角度と、前記電気障壁層の側面が前記基準面に平行な面と成す第２の角度が異なっている。
前記半導体積層部を設ける側の前記基板の面を基準面として、
前記第１の半導体層の側面が前記基準面に平行な面と成す第１の角度と、前記電気障壁層の側面が前記基準面に平行な面と成す第２の角度が異なっている。
【0011】
（６）本開示の一実施形態として、（１）から（５）のいずれかにおいて、
前記電気障壁層は、前記基板の窪みに形成される。
前記電気障壁層は、前記基板の窪みに形成される。
【0012】
（７）本開示の一実施形態として、（１）から（６）のいずれかにおいて、
前記電気障壁層の積層方向の厚さは、５００ｎｍ以上である。
前記電気障壁層の積層方向の厚さは、５００ｎｍ以上である。
【0013】
（８）本開示の一実施形態として、（１）から（７）のいずれかにおいて、
前記電気障壁層の屈折率は、前記半導体積層部の平均屈折率より低い。
前記電気障壁層の屈折率は、前記半導体積層部の平均屈折率より低い。
【0014】
（９）本開示の一実施形態として、（１）から（８）のいずれかにおいて、
波長λｐ［ｎｍ］にピークを有する光学特性を有しており、
前記半導体積層部の積層方向の厚さをｔ［ｎｍ］、０以上の整数をｍとする場合に、以下の式（１）が満たされる。
波長λｐ［ｎｍ］にピークを有する光学特性を有しており、
前記半導体積層部の積層方向の厚さをｔ［ｎｍ］、０以上の整数をｍとする場合に、以下の式（１）が満たされる。
【数1】
【0015】
（１０）本開示の一実施形態として、（１）において、
前記電気障壁層は、半導体の層である。
前記電気障壁層は、半導体の層である。
【0016】
（１１）本開示の一実施形態として、（１０）において、
前記電気障壁層は、前記第１の半導体層の材料よりエネルギーギャップが大きい材料が用いられる。
前記電気障壁層は、前記第１の半導体層の材料よりエネルギーギャップが大きい材料が用いられる。
【0017】
（１２）本開示の一実施形態として、（１０）又は（１１）において、
前記電気障壁層は、前記第１の半導体層と導電型が異なる。
前記電気障壁層は、前記第１の半導体層と導電型が異なる。
【0018】
（１３）本開示の一実施形態として、（１０）から（１２）のいずれかにおいて、
前記電気障壁層は、前記基板の材料よりエネルギーギャップが小さい材料が用いられる。
前記電気障壁層は、前記基板の材料よりエネルギーギャップが小さい材料が用いられる。
【0019】
（１４）本開示の一実施形態として、（１０）から（１３）のいずれかにおいて、
前記電気障壁層は、前記基板と導電型が異なる。
前記電気障壁層は、前記基板と導電型が異なる。
【0020】
（１５）本開示の一実施形態として、（１）から（１４）のいずれかにおいて、
前記第１の半導体層が前記活性層と直接に接しており、前記第１の半導体層のうち前記活性層と接する層の材料は、前記活性層よりエネルギーギャップが大きい。
前記第１の半導体層が前記活性層と直接に接しており、前記第１の半導体層のうち前記活性層と接する層の材料は、前記活性層よりエネルギーギャップが大きい。
【0021】
（１６）本開示の一実施形態として、（１）から（１５）のいずれかにおいて、
前記第２の半導体層が前記活性層と直接に接しており、前記第２の半導体層のうち前記活性層と接する層の材料は、前記活性層よりエネルギーギャップが大きい。
前記第２の半導体層が前記活性層と直接に接しており、前記第２の半導体層のうち前記活性層と接する層の材料は、前記活性層よりエネルギーギャップが大きい。
【0022】
（１７）本開示の一実施形態として、（１）から（１６）のいずれかにおいて、
赤外線が出射又は入射する側がｎ型の導電型である。
赤外線が出射又は入射する側がｎ型の導電型である。
【0023】
（１８）本開示の一実施形態に係る赤外線デバイスの製造方法は、
基板上に
犠牲層と半導体積層膜とを積層し、
前記犠牲層を除去し、
前記基板とは別の基板上にアモルファス又はポリマーからなる電気障壁層を形成し、
前記電気障壁層上に前記半導体積層膜を接合し、
前記半導体積層膜をエッチングし複数の半導体積層部を形成し、
複数の前記半導体積層部を直列接続する。
基板上に
犠牲層と半導体積層膜とを積層し、
前記犠牲層を除去し、
前記基板とは別の基板上にアモルファス又はポリマーからなる電気障壁層を形成し、
前記電気障壁層上に前記半導体積層膜を接合し、
前記半導体積層膜をエッチングし複数の半導体積層部を形成し、
複数の前記半導体積層部を直列接続する。
【発明の効果】
【0024】
本開示によれば、高性能の赤外線デバイス及び赤外線デバイスの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【発明を実施するための形態】
【0026】
＜赤外線デバイス＞
図１は、本開示の一実施形態に係る赤外線デバイスの構成例を示す図である。本実施形態に係る赤外線デバイスは、波長λｐにピークを有する光学特性を有してよい。赤外線デバイスの光学特性のピークは複数であってよい。例えば波長λｐは、光学特性の複数のピークのうちの任意の１つであってよい。赤外線デバイスは、基板１０と、半導体積層部２０と、電気障壁層３０と、を備える。半導体積層部２０は複数であって、複数の半導体積層部２０が直列接続されている。
図１は、本開示の一実施形態に係る赤外線デバイスの構成例を示す図である。本実施形態に係る赤外線デバイスは、波長λｐにピークを有する光学特性を有してよい。赤外線デバイスの光学特性のピークは複数であってよい。例えば波長λｐは、光学特性の複数のピークのうちの任意の１つであってよい。赤外線デバイスは、基板１０と、半導体積層部２０と、電気障壁層３０と、を備える。半導体積層部２０は複数であって、複数の半導体積層部２０が直列接続されている。
【0027】
ここで、赤外線デバイスは、赤外線発光素子又は赤外線受光素子であって、これらをまとめた名称である。以下に説明される赤外線デバイスの構造で赤外線発光素子が実現され、また、同じ構造で赤外線受光素子が実現される。赤外線デバイスは、赤外線発光素子である場合に、具体的には発光ダイオード（ＬＥＤ）であってよい。また、赤外線デバイスは、赤外線受光素子である場合に、具体的にはフォトダイオード（ＰＤ）であってよい。
【0028】
＜基板＞
本実施形態に係る赤外線デバイスは基板１０を備えている。基板１０は半導体積層部２０を支持する基板であれば特に制限されない。例えばＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、石英基板、アルミニウム基板、酸化物基板、窒化アルミニウム基板、ポリイミドフレキシブル基板などがあげられる。例えば基板１０はＩＣ回路を含むＳｉ系基板が用いられてよい。
本実施形態に係る赤外線デバイスは基板１０を備えている。基板１０は半導体積層部２０を支持する基板であれば特に制限されない。例えばＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、石英基板、アルミニウム基板、酸化物基板、窒化アルミニウム基板、ポリイミドフレキシブル基板などがあげられる。例えば基板１０はＩＣ回路を含むＳｉ系基板が用いられてよい。
【0029】
本実施形態に係る赤外線デバイスでは、電気障壁層３０によって、半導体積層部２０から基板１０にリークする電流（以下「リーク電流」）を抑制することができる。不純物濃度（キャリア濃度）の低い基板１０又は半絶縁性の基板１０が用いられることによって、リーク電流をさらに抑制することができる。また中赤外長波長域において、電子又はホールによる自由電子吸収が顕著になり得る。例えば不純物濃度の低い基板１０又は半絶縁性の基板１０を用いることにより、自由電子吸収を抑制する効果を高めることができる。
【0030】
ここで、図１に示される基準面１０ａは、半導体積層部２０を設ける側の基板１０の面である。
【0031】
＜半導体積層部＞
本実施形態に係る赤外線デバイスは、基板１０上に設けられる半導体積層部２０を備えている。半導体積層部２０は、基板１０側から、第１の半導体層２１と、活性層２３と、第２の半導体層２５を有している。第１の半導体層２１と第２の半導体層２５は、活性層２３に直接接続されている。半導体積層部２０と電極部５０が単位素子を構成している。赤外線デバイスが赤外線発光素子の場合に、必要な発光強度を得るために、また、適切な駆動電圧及び電流を実現するために、複数の単位素子が直列に接続される。本実施形態において、単位素子が１つの発光ダイオードを構成する。また、赤外線デバイスが赤外線受光素子の場合に、出力された信号を増幅回路によって増幅するにあたり、扱いやすい抵抗値を実現するため、複数の単位素子が直列に接続される。本実施形態において、単位素子が１つのフォトダイオードを構成する。
本実施形態に係る赤外線デバイスは、基板１０上に設けられる半導体積層部２０を備えている。半導体積層部２０は、基板１０側から、第１の半導体層２１と、活性層２３と、第２の半導体層２５を有している。第１の半導体層２１と第２の半導体層２５は、活性層２３に直接接続されている。半導体積層部２０と電極部５０が単位素子を構成している。赤外線デバイスが赤外線発光素子の場合に、必要な発光強度を得るために、また、適切な駆動電圧及び電流を実現するために、複数の単位素子が直列に接続される。本実施形態において、単位素子が１つの発光ダイオードを構成する。また、赤外線デバイスが赤外線受光素子の場合に、出力された信号を増幅回路によって増幅するにあたり、扱いやすい抵抗値を実現するため、複数の単位素子が直列に接続される。本実施形態において、単位素子が１つのフォトダイオードを構成する。
【0032】
基板１０上に第１の半導体層２１、活性層２３及び第２の半導体層２５が積層される方向が、以下の説明において「積層方向」と称されることがある。本実施形態において、積層方向は基準面１０ａに対して直交する。
【0033】
＜第１の半導体層＞
第１の半導体層２１は第１導電型の半導体層である。第１導電型は、本実施形態においてｎ型であってよい。第１の半導体層２１の構成材料として、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂ又はＩｎＧａＰなどが用いられるがこれらに限定されない。また、第１の半導体層２１は複数の材料による積層構造で構成されてよい。上記材料に不純物ドープが行われて、不純物濃度（キャリア濃度）が制御される。
第１の半導体層２１は第１導電型の半導体層である。第１導電型は、本実施形態においてｎ型であってよい。第１の半導体層２１の構成材料として、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂ又はＩｎＧａＰなどが用いられるがこれらに限定されない。また、第１の半導体層２１は複数の材料による積層構造で構成されてよい。上記材料に不純物ドープが行われて、不純物濃度（キャリア濃度）が制御される。
【0034】
ここで不純物としては、例えばＳｎ、Ｔｅがｎ型ドープの材料として用いられ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｇｅがｐ型ドープの材料として用いられる。またＳｉは、母体の半導体に応じて、ｎ型又はｐ型のドープ材料として用いられる。しかしながら不純物の材料は、これらに限定されない。不純物濃度については、例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により評価することができる。また、第１の半導体層２１はドナー不純物又はアクセプター不純物によりｎ型又はｐ型にドーピングされていることが好ましいが、第１導電型を有するのであればドープされていなくてよい。また、第１の半導体層２１は転位フィルタ層を含んでよい。また、第１の半導体層２１は複数の層からなっていてよい。ここで、第１の半導体層２１が活性層２３と直接に接する場合、拡散電流低減の観点から、第１の半導体層２１のうち活性層２３と接する層の材料は、活性層２３よりエネルギーギャップの大きいものであることが好ましい。
【0035】
＜活性層＞
活性層２３は、発光層又は受光層である。活性層２３の材料として、ＩｎＡｓＳｂなどが用いられるがこれらに限定されない。ここで、活性層２３は、真性半導体であってよいし、ｐ型にドープされていてよい。特にエネルギーギャップが狭い場合に、活性層２３は、Ｐ型にスライトドープされる（ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｄｏｐｅｄ）ことがある。スライトドープの一例として、１０１６／ｃｍ３から１０１８／ｃｍ３の不純物ドープが行われる。
活性層２３は、発光層又は受光層である。活性層２３の材料として、ＩｎＡｓＳｂなどが用いられるがこれらに限定されない。ここで、活性層２３は、真性半導体であってよいし、ｐ型にドープされていてよい。特にエネルギーギャップが狭い場合に、活性層２３は、Ｐ型にスライトドープされる（ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｄｏｐｅｄ）ことがある。スライトドープの一例として、１０１６／ｃｍ３から１０１８／ｃｍ３の不純物ドープが行われる。
【0036】
＜第２の半導体層＞
第２の半導体層２５は第２導電型の半導体層である。第２導電型は、第１導電型と異なる導電型であって、本実施形態においてｐ型である。別の例として、第１導電型がｐ型で、第２導電型がｎ型であってよい。第２の半導体層２５の構成材料として、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂ又はＩｎＧａＰなどが用いられるがこれらに限定されない。また、第２の半導体層２５は複数の材料による積層構造で構成されてよい。ここで、第２の半導体層２５が活性層２３と直接に接する場合、拡散電流低減の観点から、第２の半導体層２５のうち活性層２３と接する層の材料は、活性層２３よりエネルギーギャップの大きいものであることが好ましい。また、発光素子における赤外線の出射方向又は受光素子における赤外線の入射方向は、基板１０の上下どちらでも構わない。赤外線素子のバーシュタインモス効果による赤外線透過率の向上の観点から、赤外線が出射又は入射する側がｎ型の導電型であることが好ましい。
第２の半導体層２５は第２導電型の半導体層である。第２導電型は、第１導電型と異なる導電型であって、本実施形態においてｐ型である。別の例として、第１導電型がｐ型で、第２導電型がｎ型であってよい。第２の半導体層２５の構成材料として、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂ又はＩｎＧａＰなどが用いられるがこれらに限定されない。また、第２の半導体層２５は複数の材料による積層構造で構成されてよい。ここで、第２の半導体層２５が活性層２３と直接に接する場合、拡散電流低減の観点から、第２の半導体層２５のうち活性層２３と接する層の材料は、活性層２３よりエネルギーギャップの大きいものであることが好ましい。また、発光素子における赤外線の出射方向又は受光素子における赤外線の入射方向は、基板１０の上下どちらでも構わない。赤外線素子のバーシュタインモス効果による赤外線透過率の向上の観点から、赤外線が出射又は入射する側がｎ型の導電型であることが好ましい。
【0037】
＜電極部＞
電極部５０の材料としては、中赤外長波長域において反射率の高い材料が好まれる。電極部５０の材料として、例えばＡｕ、Ａｌを用いることができる。また、電極部５０は、接触抵抗の低減、密着性の向上及び電極材料と半導体材料との相互拡散防止のために、異なる電極材料を積層することができる。例えばＴｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕなども用いることができる。ただし、電極の材料はこれらに限定されない。
電極部５０の材料としては、中赤外長波長域において反射率の高い材料が好まれる。電極部５０の材料として、例えばＡｕ、Ａｌを用いることができる。また、電極部５０は、接触抵抗の低減、密着性の向上及び電極材料と半導体材料との相互拡散防止のために、異なる電極材料を積層することができる。例えばＴｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕなども用いることができる。ただし、電極の材料はこれらに限定されない。
【0038】
電極部５０は、第１の部分において第１の半導体層２１と電気的に接合（コンタクト）しており、第１の半導体層２１に対して、電流を注入する又は電流を取り出す。電極部５０は、第２の部分において第２の半導体層２５と電気的に接合（コンタクト）しており、第２の半導体層２５に対して、電流を注入する又は電流を取り出す。
【0039】
＜電気障壁層＞
電気障壁層３０は、基板１０と半導体積層部２０との間に位置し、基板１０と半導体積層部２０との間の電気抵抗の増加に寄与する。電気障壁層３０によって、リーク電流が抑制されるため、発光強度又は検出感度を低下させない高性能の赤外線デバイスが実現される。絶縁性の観点から、電気障壁層３０の積層方向の厚さは５００ｎｍ以上であることが好ましい。
電気障壁層３０は、基板１０と半導体積層部２０との間に位置し、基板１０と半導体積層部２０との間の電気抵抗の増加に寄与する。電気障壁層３０によって、リーク電流が抑制されるため、発光強度又は検出感度を低下させない高性能の赤外線デバイスが実現される。絶縁性の観点から、電気障壁層３０の積層方向の厚さは５００ｎｍ以上であることが好ましい。
【0040】
電気障壁層３０は、アモルファス又はポリマーの層であってよい。例えば電気障壁層３０は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、熱窒化ケイ素、シリカゲル、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）、エポキシ樹脂又はポリイミドの層とすることができる。電気障壁層３０の材料がアモルファス又はポリマーである場合に、予め形成された半導体積層部２０を、電気障壁層３０を介して基板１０に接続し、電極部５０によって隣接する半導体積層部２０を接続することによって、赤外線デバイスが製造される。
【0041】
ここで、電気障壁層３０の材料がアモルファス又はポリマーである場合に、ＭＢＥ又はＭＯＣＶＤを用いて電気障壁層３０上に半導体積層部２０を形成することは困難である。ＭＢＥ及びＭＯＣＶＤは下地となる層の結晶の情報を引き継いで結晶を成長させる方法である。下地となるアモルファス又はポリマーは非結晶である為、結晶の情報（方位、原子間隔など）を含まないためである。本開示の一実施形態に係る赤外線デバイスの製造方法は以下の通りである。まず基板１０とは別の基板ａ（図１８Ａ参照）上に、のちに除去される犠牲層ｂが積層されて（図１８Ｂ参照）、さらに半導体積層膜Ｘが形成される（図１８Ｃ参照）。形成の方法として、ＭＢＥ又はＭＯＣＶＤなどがあげられる。次に犠牲層ｂが除去され、半導体積層膜Ｘのみが剥離されて、電気障壁層３０を介して半導体積層膜Ｘが基板１０に接合される（図１８Ｄ参照）。ここで、基板１０への接合は、例えば貼り合わせることで行われる。犠牲層ｂを除去する方法として、エッチングなどがあげられる。電気障壁層３０と半導体積層膜Ｘを接合する方法として、原子拡散接合法又は表面活性化法などがあげられる。半導体積層膜Ｘのうち、基板１０に接合する面は、犠牲層ｂに接していた面ｃであってよいし、犠牲層ｂと接していた面ｃの反対側の面ｄであってよい。これにより、基板１０上に電気障壁層３０と半導体積層膜Ｘとを積層した構造ｅを形成することができる（図１８Ｅ参照）。続いて構造ｅの半導体積層膜Ｘを適宜エッチングすることで、複数の半導体積層部２０を形成することができる。このエッチングの際のマスクに用いた層がそのまま赤外線デバイスの保護層として用いられてよい。続いて適宜保護層を形成し電極部５０によって隣接する半導体積層部２０を接続することによって、赤外線デバイスが製造される。
【0042】
また、電気障壁層３０は、半導体の層であってよい。この場合に、赤外線デバイスは公知の半導体製造手法によって製造される。電気障壁層３０の材料が半導体である場合に、リーク電流を流れにくくするため、電気障壁層３０には、第１の半導体層２１の材料よりエネルギーギャップ（バンドギャップ）が大きい材料が用いられてよい。エネルギーギャップの小さい材料に対して大きい材料にはポテンシャル障壁が形成されることを利用し、エネルギーギャップが小さい第１の半導体層２１からエネルギーギャップが大きい電気障壁層３０へのキャリアの流入を制限し、リーク電流を低減できる。ここで、電気障壁層３０は、基板１０の材料よりエネルギーギャップが小さい材料が用いられてよい。これにより、エネルギーギャップが小さい電気障壁層３０からエネルギーギャップが大きい基板１０へのキャリアの流入を制限し、リーク電流を低減できる。また、電気障壁層３０は、第１の半導体層２１と導電型が異なっていてよい。また、電気障壁層３０は、基板１０と導電型が異なっていてよい。これは異なる導電型においてはポテンシャル障壁が形成されるため、キャリアの流入を制限できリーク電流を低減できるためである。
【0043】
ここで、図１に示すように、複数の半導体積層部２０の間の領域が「第１の領域」とされて、第１の領域でない領域が「第２の領域」とされる。換言すると、第２の領域が上記の単位素子の主な部分が形成されている領域であって、隣接する単位素子の間の接続領域が第１の領域である。ここで、単位素子の主な部分は、半導体積層部２０が後述する第２の層２１ｂを含む場合に、単位素子から第２の層２１ｂを除く部分であり、半導体積層部２０が第２の層２１ｂを含まない場合に、単位素子と同じである。電気障壁層３０は、少なくとも第２の領域に設けられる。電気障壁層３０は、図１のように第１の領域に存在しなくてよい。別の例として、図２に示すように、電気障壁層３０は、第１の領域に存在するように形成されてよい。また、図３に示すように、電気障壁層３０は、第１の領域に存在し、さらに第１の保護膜３１を分断するように形成されてよい。ここで、第１の保護膜３１は半導体積層部２０の側面及び上面に形成されて、半導体積層部２０を保護する膜である。第１の保護膜３１として、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ハフニウムなどを選択することができる。また、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などを選択することができる。電気障壁層３０が第１の領域にも存在するように形成されると、被覆性がよくなるため、リーク電流抑制の効果がさらに高まる。
【0044】
ここで、第１の保護膜３１は半導体積層部２０の側面及び上面で、直接に接するように形成されてよいし、第２の保護膜３２を介して接するように形成されてよい。図４、図５及び図６の赤外線デバイスは、第２の保護膜３２を備えており、電気障壁層３０の構成がそれぞれ図１、図２、図３に対応している。
【0045】
また、別の例として、電気障壁層３０は基板１０の窪み（凹部）に形成されてよい。この場合に、電気障壁層３０は図７のように第１の領域の一部で存在しないように（分断されるように）形成されてよいし、図８のように第１の領域に存在するように形成されてよい。
【0046】
また、上記のように、電気障壁層３０が第１の領域にも存在するように形成されるとリーク電流抑制の効果が高まるが、第１の半導体層２１を性質の異なる複数の層で構成することで、さらにリーク電流を抑制することができる。図９及び図１０の赤外線デバイスは、２層で構成される第１の半導体層２１を備えており、電気障壁層３０の構成がそれぞれ図２、図３に対応している。第１の層２１ａは抵抗が相対的に低い層である。第２の層２１ｂは抵抗が相対的に高い層である。第２の層２１ｂの抵抗が、第１の層２１ａの抵抗より高くなるように、構成材料又はドープが調整されて、第１の半導体層２１が形成される。図９、図１０のように第２の層２１ｂが第１の領域に存在していてよい。
【0047】
また、図１１に示すように、電気障壁層３０は、第１の領域に存在し、第１の領域における電気障壁層３０の積層方向の厚さ（ｈ１）が、第２の領域における電気障壁層３０の積層方向の厚さ（ｈ２）に比べて薄いように形成されてよい。この場合に、第１の領域と第２の領域の境界において電気障壁層３０の厚さが変化するため、電気障壁層３０の表面に沿った距離（沿面距離）を延ばすことができる。沿面距離が延びることによって、隣接する単位素子とのＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）耐性を向上させることができる。ここで、図１２に示すように、電気障壁層３０が第１の保護膜３１を分断するように形成されてよい。
【0048】
また、半導体積層部２０の側面部分についても、沿面距離を延ばすことが好ましい。図１３は、赤外線デバイスの部分断面図であって、第１の半導体層２１の側面の角度と電気障壁層３０の側面の角度の例を示す図である。第１の半導体層２１の側面が基準面１０ａに平行な面と成す第１の角度（θ１）と、電気障壁層３０の側面が基準面１０ａに平行な面と成す第２の角度（θ２）が異なっており、第２の角度は、第１の角度より大きくてよい。第１の角度が第２の角度と異なることによって、第１の角度を第２の角度に揃える場合に比べて、第１の半導体層２１の側面部分の沿面距離を延ばすことができる。沿面距離が延びることによって、隣接する単位素子とのＥＳＤ耐性をさらに向上させることができる。ここで、図１４に示すように、積層方向の厚さが薄い部分を電気障壁層３０が有する場合に、薄い部分を除いて第２の角度が定められる。また、図１６及び図１７に示すように、第２の角度は、第１の角度より小さくてよい。第２の角度は、第１の角度より小さい場合、第１の半導体層２１及び電気障壁層３０の上にさらに電極及び保護層を形成する際に、第１の半導体層２１及び電気障壁層３０との密着性を向上することができる。
【0049】
ここで、本実施形態において、電気障壁層３０の屈折率は、半導体積層部２０の平均屈折率より低くてよい。例えば半導体積層部２０の平均屈折率が３～４であって、電気障壁層３０の屈折率が１．５未満であり得る。また、基板１０の屈折率は、例えば３～４であり得る。また、半導体積層部２０の上面の電極（電極部５０の一部）がミラーとして機能するため、赤外線デバイスは共振構造を取りえるため、波長λｐ［ｎｍ］にピークを有する光学特性を有しえる。半導体積層部２０の積層方向の厚さをｔ［ｎｍ］、０以上の整数をｍとする場合に、以下の式（１）が満たされる。
【0050】
【数2】
【0051】
詳細に説明すると、半導体積層部２０の積層方向の厚さ（ｔ）は、半導体積層部２０の平均屈折率を「ｎ」とすれば、以下の式（２）で計算される。
【0052】
【数3】
【0053】
ここで平均屈折率とは、半導体積部の各々の層の屈折率について膜厚で重みづけをした平均値を指す。ここで、図１５は半導体積層部２０の積層方向の厚さと、共振構造の内部に閉じ込められる光のエネルギーの大きさ（｜Ｅ｜２）との関係を示す。共振構造において、図１５のように金属と半導体積層部２０との界面に固定端、及び半導体積層部と電気障壁層３０との界面に自由端が位置しており、半導体積層部２０の積層方向の厚さｔと波長λｐが式（２）のような関係式にある。また、本実施形態における半導体積層部２０の平均屈折率（３～４）を式（２）に代入することによって、式（１）が得られる。本実施形態に係る赤外線デバイスは、式（１）を満たすように、積層構造の厚さなどを設計することで、所望の波長λｐにピークを有する光学特性を有することができる。
【0054】
以上、実施形態を諸図面及び実施例に基づき説明したが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意すべきである。例えば、各部材、各手段などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段などを１つに組み合わせたり又は分割したりすることが可能である。
【符号の説明】
【0055】
１０ 基板
２０ 半導体積層部
２１ 第１の半導体層
２１ａ 第１の層
２１ｂ 第２の層
２３ 活性層
２５ 第２の半導体層
３０ 電気障壁層
３１ 第１の保護膜
３２ 第２の保護膜
５０ 電極部
２０ 半導体積層部
２１ 第１の半導体層
２１ａ 第１の層
２１ｂ 第２の層
２３ 活性層
２５ 第２の半導体層
３０ 電気障壁層
３１ 第１の保護膜
３２ 第２の保護膜
５０ 電極部
【要約】
【課題】高性能の赤外線デバイス及び赤外線デバイスの製造方法が提供される。
【解決手段】赤外線デバイスは、基板（１０）と、基板（１０）上に設けられ、第１の半導体層（２１）と、活性層（２３）と、第２の半導体層（２５）を有する半導体積層部（２０）と、基板（１０）と半導体積層部（２０）との間に位置し、基板（１０）と半導体積層部（２０）との間の電気抵抗の増加に寄与する電気障壁層（３０）と、を備え、半導体積層部（２０）は複数であって、複数の半導体積層部（２０）が直列接続されている。
【選択図】図１
【解決手段】赤外線デバイスは、基板（１０）と、基板（１０）上に設けられ、第１の半導体層（２１）と、活性層（２３）と、第２の半導体層（２５）を有する半導体積層部（２０）と、基板（１０）と半導体積層部（２０）との間に位置し、基板（１０）と半導体積層部（２０）との間の電気抵抗の増加に寄与する電気障壁層（３０）と、を備え、半導体積層部（２０）は複数であって、複数の半導体積層部（２０）が直列接続されている。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図18D】
【図18E】