(57)【要約】      （修正有）【課題】発光波長が１０００ｎｍを超え、光の取り出し効率を従来よりも向上した赤外ＬＥＤ素子を実現する。【解決手段】赤外ＬＥＤ素子は、ＩｎＰを含んでなりドーパント濃度が３×１０１８／ｃｍ３未満の基板３と、基板３の上層に形成され第一導電型を示す第一半導体層１１と、第一半導体層１１の上層に形成された活性層１２と、活性層１２の上層に形成され第一導電型とは異なる第二導電型を示す第二半導体層１３，１４と、基板の面のうち活性層が形成されている側の第一面の上方から第一半導体層又は基板に対して接触するように第一面に直交する方向に延伸して形成された第一電極２２と、基板の第一面の上方であって第一電極に対して基板の面に平行な方向に電気的に離間した位置に形成され第二半導体層に対して電気的に接続する第二電極２１とを有し、主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ未満を示す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外ＬＥＤ素子であって、
ＩｎＰを含んでなり、ドーパント濃度が３×１０18／ｃｍ3未満の基板と、
前記基板の上層に形成され、第一導電型を示す第一半導体層と、
前記第一半導体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、前記第一導電型とは異なる第二導電型を示す第二半導体層と、
前記基板の面のうち、前記活性層が形成されている側の面である第一面の上方から、前記第一半導体層又は前記基板に対して接触するように延伸して形成された第一電極と、
前記基板の前記第一面の上方であって、前記第一電極に対して前記基板の面に平行な方向に電気的に離間した位置に形成され、前記第二半導体層に対して電気的に接続する第二電極と、を有し、
主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ未満を示すことを特徴とする、赤外ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記基板のドーパント濃度が、１×１０17／ｃｍ3未満であ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】
前記第一電極は、前記第二半導体層及び前記活性層を貫通し、前記第一半導体層に達するように形成されており、
前記基板は、アンドープであ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。
【請求項４】
前記第一導電型がｎ型であり、
前記第二導電型がｐ型であり、
前記基板のドーパントが、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅ、及びＴｅからなる群に含まれる１種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記第二電極は、前記第二半導体層の一部分の面に接触して形成されてい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。
【請求項６】
前記第二半導体層の面のうち、前記第二電極が形成されていない領域内には、前記活性層で生成される光に対する反射率が前記第二電極よりも高い材料からなる反射層を有することを特徴とする、請求項５に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記反射層は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕ、及びＡｌからなる群に含まれる１種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項６に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記第二半導体層の面のうち、前記第二電極が形成されていない領域内には、前記第二半導体層よりも屈折率が０．２以上小さい材料からなる誘電体層を有することを特徴とする、請求項５に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項９】
前記誘電体層は、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、及びＩＴＯからなる群に含まれる１種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項８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、特に発光波長が１０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、１０００ｎｍ以上の赤外領域を発光波長とする発光素子としては、通信・計測用のレーザ素子としての開発が広く進められてきた。一方で、このような波長域のＬＥＤ素子については、これまであまり用途がなく、レーザ素子よりは開発が進んでいなかった。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、ＧａＡｓ系の発光素子であれば０．７〜０．８μｍ（７００〜８００ｎｍ）の波長の光が生成できるが、より長波長の１．３μｍ（１３００ｎｍ）程度の光を生じるためにはＩｎＰ系の発光素子が必要であることが開示されている。特に、特許文献１によれば、ｐ型のＩｎＰ基板を成長基板とし、ＩｎＰ結晶に格子整合するｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層を順次エピタキシャル成長させた後、電極を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２８２８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、発光波長が１０００ｎｍを超えるＬＥＤ素子については、これまで産業用の用途があまりなかったこともあり、開発が進んでいなかった。これに対し、近年、このような波長帯のＬＥＤ素子についても、市場からの要求が高まりを示しつつあり、より光強度の高いＬＥＤ素子が求められてきている。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑み、発光波長が１０００ｎｍを超える赤外ＬＥＤ素子であって、光の取り出し効率を従来よりも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】
【０００７】
発光波長が１０００ｎｍを超える発光素子としては、上述したようにこれまでレーザ素子の開発が主として進められてきた歴史がある。レーザ素子の場合、基板が配置されている領域から離れた位置において光が閉じ込められた状態で伝搬し、発振することで、光（レーザ光）が外部に取り出される。すなわち、端面発光型であっても面発光型（ＶＣＳＥＬ型）であっても、活性層で生成された光が基板を通過して外部に取り出されるということはない。このため、光の取り出し効率を向上させる際に、光が基板において吸収されるという課題に着目する必要がなかった。
【０００８】
また、１０００ｎｍよりも短い波長帯のＬＥＤ素子として、ＧａＡｓ系のＬＥＤ素子についても開発が進められてきた歴史がある。ただし、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーが１．４３ｅＶであることから、ＧａＡｓの吸収端の波長は約８７０ｎｍである。このため、赤色光などの可視光に対してはＧａＡｓ基板自体がそもそも不透明である。従って、ＧａＡｓ系のＬＥＤ素子においても、基板を通過させて光を取り出すということが想定されない。
【０００９】
基板内における光の吸収という課題を意識せずに、発光効率を向上させるという観点からは、活性層内での発光強度を高めるべく、大きな電流を注入するための手法がこれまで検討されてきた。例えば、上述したＩｎＰ基板を用いた半導体レーザの分野においても、ＩｎＰのドーパント濃度を高めることで基板の抵抗率を低下させて、活性層に対して注入できる電流密度を高めることが行われてきた。
【００１０】
これまで半導体レーザに対して行われてきた開発に鑑みると、ＩｎＰ系のＬＥＤ素子に対しても、ＩｎＰ基板を通して活性層に対して大きな電流を供給すべく、ＩｎＰ基板に対してドーパントを高濃度で注入することが考えられる。なお、ＩｎＰのバンドギャップエネルギーが１．３５ｅＶであることから、ＩｎＰは９５０ｎｍよりも波長の長い光に対しては充分に透明であるため、仮に基板を通じて光を取り出すとしても、ＩｎＰ基板内における光の吸収という課題は生じないと考えられていた。
【００１１】
しかし、本発明者らの鋭意研究によれば、ＩｎＰ基板のドーパント濃度を高くすると、取り出される光の量が低下することが確認された。この理由に関し、本発明者らは、ＩｎＰ基板のドーパント濃度を高くしたことで、発光波長領域でのフリーキャリアでの光吸収量が増加し、この結果、ＩｎＰ基板内における光の吸収量が増加したことによるものと推察している。
【００１２】
ところで、基板母結晶（ここでいうＩｎＰ）のバンド端吸収による吸収係数は１０4／ｃｍ以上と非常に大きいのに対して、フリーキャリアの吸収係数は１０／ｃｍ程度と小さい。よって、一般的なＬＥＤ素子のサイズが、数百μｍ〜数ｍｍ程度と小型であることに鑑みると、上記のようなフリーキャリアの吸収係数程度であればＬＥＤ素子の光出力に対する影響はほとんどないようにも思われる。
【００１３】
しかし、ＩｎＰの屈折率は３．０以上と極めて大きい値を示すため、ＩｎＰ基板と空気（大気）との間には大きな屈折率差が存在する。従って、ＩｎＰ基板を通過して外部に取り出さる前に、光の多くが反射してしまう。すなわち、活性層内で生成された光がＬＥＤ素子の外部に１回で取り出される確率は高々数％であり、９０％以上の光は１回以上ＬＥＤ素子の内部に戻されてしまう。
【００１４】
このため、活性層内で生成された光は、ＬＥＤ素子内で反射が複数回繰り返された後、ＬＥＤ素子の外部に取り出されることとなる。言い換えれば、活性層内で生成された光は、ＬＥＤ素子の外部に取り出される迄に、ＬＥＤ素子のサイズの数倍から数十倍程度の長さを導波することになる。従って、ＩｎＰ基板を用いたＬＥＤ素子においては、上述したようにフリーキャリアの吸収係数が１０／ｃｍと低い値であったとしても、基板内を複数回導波することで吸収される光量は無視できない大きさとなり、この結果、外部に取り出される光の量が低下したものと推察される。
【００１５】
上述した本発明者らの新規の知見に鑑み、本発明は、
赤外ＬＥＤ素子であって、
ＩｎＰを含んでなり、ドーパント濃度が３×１０18／ｃｍ3未満の基板と、
前記基板の上層に形成され、第一導電型を示す第一半導体層と、
前記第一半導体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、前記第一導電型とは異なる第二導電型を示す第二半導体層と、
前記基板の面のうち、前記活性層が形成されている側の面である第一面の上方から、前記第一半導体層又は前記基板に対して接触するように前記第一面に直交する方向に延伸して形成された第一電極と、
前記基板の前記第一面の上方であって、前記第一電極に対して前記基板の面に平行な方向に離間した位置に形成され、前記第二半導体層に対して電気的に接続する第二電極と、を有し、
主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ未満を示すことを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、ＩｎＰからなる基板のドーパント濃度を、３×１０18／ｃｍ3未満という低い値とすることで、光取り出し効率を向上させることができる。上述したように、レーザ素子やＬＥＤ素子においては、駆動電圧を低下させて発光効率を向上させる目的で、基板のドーパント濃度を高めるのが一般的である。上記の構成は、このような従来の方法とはいわば反対の方法を採用することで、光取り出し効率が向上するという、これまで知られていなかった驚くべき効果を示すものである。
【００１７】
ところで、特許文献１で開示されているように、ＩｎＰ基板の表裏面側にそれぞれ電極（ｐ側電極／ｎ側電極）が配置される構造（以下、「縦型構造」という。）の場合には、両電極に挟まれた位置に存在するＩｎＰを含んでなる基板が、主たる電流経路の一部を構成する。そして、ＩｎＰは劈開性が極めて高いため、厚みを薄くすることには限界がある。つまり、縦型構造の赤外ＬＥＤ素子の場合には、電流経路内に介在するＩｎＰ基板由来の抵抗成分が大きいため、基板のドーパント濃度を大幅に下げることは内部抵抗の上昇を招く。
【００１８】
内部抵抗が上昇すると、ジュール熱が上昇して発光効率が低下してしまう。本発明者らの鋭意研究によれば、縦型構造の赤外ＬＥＤ素子においては、基板のドーパント濃度は１×１０17／ｃｍ3以上にしておくことで、このようなジュール熱に起因した発光効率の低下という課題は生じにくいことが分かった。
【００１９】
本発明者らの更なる鋭意研究により、赤外ＬＥＤ素子が備える両電極間に電圧が印加された際に、ＩｎＰ基板中を流れる電流の経路の長さが縦型構造よりも短い構造であれば、ドーパント濃度を更に低くしても順方向電圧の上昇を抑えることが可能となることを見出した。
【００２０】
上述した本発明に係る赤外ＬＥＤ素子によれば、第一電極は、基板の面のうち活性層が形成されている側の面（第一面）の上方から、第一半導体層又は基板に対して接触するように第一面に直交する方向に延伸して形成されている。また、第二電極は、第一電極と同様に、基板の第一面の上方に位置している。そして、この第二電極は、第一電極に対して基板の面に平行な方向に電気的に離間した位置に形成され、第二半導体層に対して電気的に接続されている。なお、本明細書において、第一電極と第二電極とが「電気的に離間している」とは、両電極が、物理的に離間した位置に形成されている場合と、近接しているが両者の間に絶縁層が介在することで、電気的に絶縁されている場合とを包含する主旨である。
【００２１】
両電極に電圧が印加されると、第一電極が基板に接触している場合には、基板の領域のうち第一半導体層側に位置するごく一部の箇所を通過して、基板の面方向に流れるのみであり、基板内を通過する電流経路は極めて短い。また、第一電極が第一半導体層に接触している場合には、電流は、第一半導体層内を基板の面に平行な方向に流れ、基板内をほとんど流れない。つまり、上記構成の赤外ＬＥＤ素子によれば、縦型構造に比べて、基板内を流れる電流の経路の長さが短くなる。これにより、ＩｎＰを含んでなる基板のドーパント濃度を更に低くすることができるため、基板内の光吸収を抑制する効果が更に高められ、光取り出し効率がより向上する。
【００２２】
つまり、本発明に係る構造の赤外ＬＥＤ素子によれば、基板のドーパント濃度を、縦型構造の赤外ＬＥＤ素子よりも更に低下させることが可能である。より詳細には、上述したように、本発明者らの鋭意研究により、縦型構造の場合にはジュール熱に起因した発光効率が低下するという課題の発現を抑制しつつも、光取り出し効率を上昇させるには、１×１０17／ｃｍ3以上、３×１０18／ｃｍ3未満とするのが好適である。これに対し、本発明に係る構造の赤外ＬＥＤ素子の場合には、基板のドーパント濃度を１×１０17／ｃｍ3未満に設定することも可能であり、アンドープとすることも可能である。ただし、基板をアンドープにする場合には、第一電極は、第二半導体層及び活性層を貫通して第一半導体層に達するように形成されているのが好ましい。
【００２３】
本明細書において、「アンドープ」とはドーパント濃度が検出限界以下である場合を指し、より具体的には１×１０16／ｃｍ3以下を指す。また、本明細書において、「主たる発光波長」とは、発光スペクトル上における最大強度に対応するピーク値に対する半値以上の光強度を示す波長を指す。
【００２４】
特許文献１に記載されているように、ＩｎＰを含む基板を有する赤外ＬＥＤ素子においては、縦型構造が主流であるところ、基板には電流を流すことが前提となっている。このため、ＩｎＰを含む基板は、ドーパントがドープされた状態で市場に流通しており、アンドープの基板は赤外ＬＥＤ素子の基板としては利用されていなかった。上記構成によれば、赤外ＬＥＤ素子の基板として、アンドープの基板を利用することができると共に、光取り出し効率を従来よりも向上できるという、新規な効果を奏するものである。
【００２５】
ところで、最も汎用的な、紫色光〜緑色光を発光するサファイア基板を用いたＧａＮ系のＬＥＤの場合には、サファイア基板が絶縁性のため、基板のドーパント濃度という概念が存在しない。また、黄色光〜赤色光を発光するＧａＡｓ基板を用いたヒ素系リン系化合物半導体のＬＥＤでは、そもそもＧａＡｓ基板自体が可視光領域においてバンド端吸収により不透明であり、フリーキャリアによる光吸収の観点でキャリア濃度を気にする必要がない。このため、一般的にはＬＥＤの駆動電圧をより低くするために高いドーパント濃度が好まれる。更に、レーザ素子の場合には、上述したように光が基板を通過して取り出されることがないため、基板内における光吸収という課題が顕在化しない。
【００２６】
更に、上述した特許文献１には、ｐ型ＩｎＰ基板を用いたＬＥＤ素子において、ＩｎＰ基板にドープするｐ型ドーパントとしてのＺｎの濃度が高くなり過ぎると、フリーキャリアに寄与しないＺｎが増加（すなわち、活性化率が低下）し、このフリーキャリアに寄与しないＺｎが格子間欠陥となって光を吸収することが記載されている。しかし、本発明に係るドーパント濃度は、フリーキャリアにおける光吸収を抑制することのできる範囲であって、フリーキャリアに寄与しないドーパントが発生するような高濃度を指していない。このことは、特許文献１において、Ｚｎの濃度が３×１０18／ｃｍ3以上、７×１０18／ｃｍ3以下と記載されており、本発明に係るドーパント濃度よりも高い範囲内であることにも現れている。
【００２７】
上述した本発明に係る赤外ＬＥＤ素子は、ＩｎＰ系の基板を含み、主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ未満を示すＬＥＤ素子の特有の課題に対して、解決することを可能にするものである。
【００２８】
上記の赤外ＬＥＤ素子において、第一導電型をｎ型とし、第二導電型をｐ型とするものとしても構わないし、逆に、第一導電型をｐ型とし、第二導電型をｎ型とするものとしても構わない。ただし、同じドーパント濃度であればｎ型よりもｐ型の方が抵抗率が高くなる上、赤外光の吸収量はｎ型よりもｐ型の方が大きくなる。このため、特に、第一電極が第一半導体層に達するように形成されている構成においては、抵抗率の上昇の程度をできる限り抑制しながら、基板内での光吸収量を低下させるという観点からは、基板をｎ型ドーパントでドーピングを行うのがより好ましい。このｎ型ドーパントとしては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅ、及びＴｅからなる群に含まれる１種以上の材料を含むことができ、より好ましくはＳｎである。
【００２９】
前記第二電極は、前記第二半導体層の一部分の面に接触して形成されているものとしても構わない。
【００３０】
この場合において、前記赤外ＬＥＤ素子は、前記第二半導体層の面のうち、前記第二電極が形成されていない領域内には、前記活性層で生成される光に対する反射率が前記第二電極よりも高い材料からなる反射層を有するものとしても構わない。この反射層は、例えば、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕ、及びＡｌからなる群に含まれる１種以上の材料を含んで構成することができる。
【００３１】
かかる構成によれば、特に、基板の第一面とは反対側の面を光取り出し面とする赤外ＬＥＤ素子において、取り出し面とは異なる方向に光が進行した場合においても、基板内に光を戻すことができるため、取り出し効率の低下が抑制される。
【００３２】
前記赤外ＬＥＤ素子は、前記第二半導体層の面のうち、前記第二電極が形成されていない領域内には、前記第二半導体層よりも屈折率が０．２以上小さい材料からなる誘電体層を有するものとしても構わない。この誘電体層は、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、及びＩＴＯからなる群に含まれる１種以上の材料を含んで構成することができる。
【００３３】
かかる構成によれば、第二半導体層の境界部分で反射が生じやすくなる。この結果、反射層を有する場合と同様に、基板の第一面とは反対側の面を光取り出し面とする赤外ＬＥＤ素子において、取り出し面とは異なる方向に光が進行した場合においても、基板内に光を戻すことができるため、取り出し効率の低下が抑制される。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の赤外ＬＥＤ素子によれば、発光波長が１０００ｎｍを超える領域において、従来よりも光取り出し効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】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２Ｂ】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２Ｃ】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２Ｄ】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２Ｅ】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２Ｆ】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３】参考例の赤外ＬＥＤ素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図４Ａ】図１及び図３の赤外ＬＥＤ素子のそれぞれについて、基板のドーパント濃度と発光強度との関係を示すグラフである。
【図４Ｂ】図１及び図３の赤外ＬＥＤ素子のそれぞれについて、基板のドーパント濃度と入力電圧との関係を示すグラフである。
【図４Ｃ】図１及び図３の赤外ＬＥＤ素子のそれぞれについて、基板のドーパント濃度と電力変換効率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の別構造を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の別構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の別構造を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の別構造を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の別構造を模式的に示す平面図である。
【図１０】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の別構造を模式的に示す平面図である。
【図１１】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の別構造を模式的に示す平面図である。
【図１２】本発明の赤外ＬＥＤ素子の第二実施形態の構造を模式的に示す断面図である。
【図１３Ａ】図１２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１３Ｂ】図１２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１３Ｃ】図１２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１３Ｄ】図１２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１３Ｅ】図１２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１３Ｆ】図１２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１３Ｇ】図１２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１３Ｈ】図１２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１３Ｉ】図１２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１３Ｊ】図１２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。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
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。
【００３７】
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」などの他の記載も同様である。
【００３８】
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。
【００３９】
［第一実施形態］
本発明に係る赤外ＬＥＤ素子の第一実施形態の構成につき、説明する。
【００４０】
《構造》
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、基板３と、基板３の第一面３ａ側に形成された半導体層１０を含む。また、赤外ＬＥＤ素子１は、電流を注入するための電極（２１，２２，２５，２６）を備える。
【００４１】
なお、図１は、赤外ＬＥＤ素子１を所定の位置においてＸＺ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。以下では、図１に付されたＸＹＺ座標系が適宜参照される。
【００４２】
図１に示す赤外ＬＥＤ素子１では、半導体層１０内（より詳細には後述される活性層１２内）で生成された赤外光Ｌ１が、基板３を介して取り出される。図１では、一例として、基板３を介して−Ｚ方向に取り出される赤外光Ｌ１が図示されている。
【００４３】
（基板３）
本実施形態において、基板３は、ｎ型不純物がドープされたＩｎＰからなる。この場合、ｎ型が「第一導電型」に対応する。基板３にドープされるｎ型不純物材料としては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどを利用することができ、Ｓｎが特に好ましい。
【００４４】
基板３の厚み（Ｚ方向に係る長さ）は、５０μｍ以上、７００μｍ以下である。ＩｎＰは劈開性が極めて高いため、自立性を確保する観点から、図１に示すような赤外ＬＥＤ素子１の構造においては、少なくとも基板３の厚みを５０μｍ以上にする必要がある。また、赤外ＬＥＤ素子１を一般的なパッケージに収める観点から、基板３の厚みは７００μｍ以下とする必要がある。基板３の厚みは、好ましくは１５０μｍ以上であり、より好ましくは２００μｍ以上である。また、基板３の厚みは、好ましくは４００μｍ以下である。
【００４５】
基板３における、ｎ型不純物のドーパント濃度は３×１０18／ｃｍ3未満であり、好ましくは、１×１０17／ｃｍ3以下である。なお、ドーパントとしてＳｎを用いた場合には、上記の数値範囲のドーパント濃度で不純物を注入しながらも、基板３を構成するＩｎＰ結晶の品質を特に良好な状態に維持することができる。なお、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１においては、ｎ型不純物のドーパント濃度は５×１０16／ｃｍ3以上とするのが好ましい。
【００４６】
上記のドーパント濃度は、一般的にＩｎＰ基板の導電性を高めるためにドーピングをする場合と比較すると、低い値である。
【００４７】
なお、基板３は、ＩｎＰの結晶に上記ｎ型不純物がドープされて構成されているものとしたが、更に別の不純物が微量（例えば１％未満）に混在しているものとしても構わない。
【００４８】
（半導体層１０）
図１を参照して上述したように、赤外ＬＥＤ素子１は、基板３の面上に形成された半導体層１０を備える。図１に示す例では、半導体層１０は、第一半導体層１１、活性層１２、及び第二半導体層（１３，１４）を含み、これらの層が積層されてなる。
【００４９】
第一半導体層１１は、基板３の第一面３ａ上に形成されている。第一半導体層１１は、ｎ型不純物がドープされたＩｎＰ層であり、赤外ＬＥＤ素子１におけるｎ型クラッド層を構成する。第一半導体層１１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。第一半導体層１１にドープされるｎ型不純物材料としては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓ、Ｇｅ、Ｓｅなどを利用することができ、Ｓｉが特に好ましい。
【００５０】
後述するように、活性層１２は、主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ未満の赤外光を生成する。第一半導体層１１は、かかる波長帯の光を吸収しない材料であり、且つ、ＩｎＰからなる基板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、第一半導体層１１としては、ＩｎＰの他、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどの材料を利用することも可能である。
【００５１】
第一半導体層１１の膜厚は、１００ｎｍ以上、１００００ｎｍ以下であり、好ましくは、５００ｎｍ以上、５０００ｎｍ以下である。
【００５２】
活性層１２は、第一半導体層１１の上層（＋Ｚ方向の位置）に形成されている。活性層１２は、主たる発光波長が１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ未満の赤外光を生成する材料で構成される。活性層１２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１２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。
【００５３】
活性層１２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。
【００５４】
活性層１２の膜厚は、活性層１２が単層構造の場合は、１００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であり、好ましくは、５００ｎｍ以上、１５００ｎｍ以下である。また、活性層１２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。
【００５５】
第二半導体層（１３，１４）は、活性層１２の上層（＋Ｚ方向の位置）に形成されている。第二半導体層（１３，１４）は、いずれもｐ型不純物がドープされている。第二半導体層１３は赤外ＬＥＤ素子１におけるｐ型クラッド層を構成し、第二半導体層１４は赤外ＬＥＤ素子１におけるｐ型コンタクト層を構成する。第二半導体層１４は、後述される第二電極２１との間で電気的接続を確保するために、高濃度にドープされた層である。ただし、電気的接続が充分確保できる場合には、第二半導体層１４を省略して、ｐ型クラッド層を構成する第二半導体層１３に対して直接第二電極２１を接触させても構わない。
【００５６】
一例として、ｐ型クラッド層を構成する第二半導体層１３は、ＺｎがドープされたＩｎＰからなり、ｐ型コンタクト層を構成する第二半導体層１４は、ＺｎがドープされたＧａＩｎＡｓＰからなる。
【００５７】
ｐ型クラッド層を構成する第二半導体層１３のｐ型ドーパント濃度は、活性層１２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。また、ｐ型コンタクト層を構成する第二半導体層１４のｐ型ドーパント濃度は、好ましくは５×１０17／ｃｍ3以上、３×１０18／ｃｍ3以下であり、より好ましくは、１×１０18／ｃｍ3以上、３×１０18／ｃｍ3以下である。なお、第二半導体層（１３，１４）にドープされたＺｎの拡散防止層として、活性層１２と第二半導体層（１３，１４）の間にｐ型ドーパント濃度が低い層が介在していても構わない。
【００５８】
第二半導体層（１３，１４）にドープされるｐ型不純物材料としては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅなど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。なお、ｐ型クラッド層を構成する第二半導体層１３のｐ型ドーパントと、ｐ型コンタクト層を構成する第二半導体層１４のｐ型ドーパントの材料は、同一であっても異なっていても構わない。
【００５９】
（電極２１，２２，２５，２６）
赤外ＬＥＤ素子１は、電極（２１，２２，２５，２６）を有する。
【００６０】
本実施形態の赤外ＬＥＤ素子１においては、基板３の第一面３ａのうち、半導体層１０が形成されている箇所とはＸＹ平面に平行な方向に離間した位置に、第一電極２２が形成されている。すなわち、第一電極２２は、基板３の第一面３ａよりも上方（＋Ｚ側）から、第一面３ａに達するように延伸して形成されている。
【００６１】
第一電極２２は、基板３の第一面３ａに対してオーミック接触が実現されている。第一電極２２は、一例として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｇｅ／Ｐｔなどの材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。なお、本明細書内において、材料を記載する際に用いられる「Ｘ１／Ｘ２」という表記は、Ｘ１からなる層とＸ２からなる層が積層されていることを意味する。
【００６２】
第二半導体層１４の面上には、第二電極２１が形成されている。すなわち、第二電極２１は、基板３の第一面３ａの上方（＋Ｚ側）に位置しており、第一電極２２に対してＸＹ平面に平行な方向に離間した位置に形成されている。すなわち、第二電極２１は、第一電極２２に対してＸＹ平面に平行な方向に電気的に離間している。第二電極２１は、第二半導体層１４の面に対してオーミック接触が実現されている。第二電極２１は、一例として、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ、ＡｕＺｎ、ＡｕＢｅなどの材料で構成され、これらの材料を複数備えるものとしても構わない。
【００６３】
第一電極２２の面上にはパッド電極２６が形成され、第二電極２１の面上にはパッド電極２５が形成されている。これらのパッド電極（２５，２６）は、ハンダ等を介してパッケージと接続するための領域を形成する。パッド電極（２５，２６）は、例えばＴｉ／Ｐｔ／ＡｕＳｎ又はＴｉ／Ａｕなどで構成される。
【００６４】
なお、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１においては、第一電極２２と半導体層１０との間には、絶縁性を確保する目的で絶縁層３１が形成されている。この絶縁層３１は、半導体層１０の側面を覆うように形成されているものとしても構わない。
【００６５】
《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。
【００６６】
（ステップＳ１）
図２Ａに示すように、３×１０18／ｃｍ3未満のドーパント濃度でｎ型不純物がドープされたＩｎＰからなる基板３を準備する。
【００６７】
（ステップＳ２）
図２Ａに示すように、基板３をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に搬送し、基板３の面上に、第一半導体層１１、活性層１２、第二半導体層（１３，１４）を含む半導体層１０を順次エピタキシャル成長させる。本ステップＳ２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、環境温度などが適宜調整される。つまり、基板３は、半導体層を成長させる基礎となる成長基板である。
【００６８】
各半導体層１０の材料例は上述した通りである。一例として、このエピタキシャル成長工程によって、ＳｉがドープされたＩｎＰからなる第一半導体層１１と、ＧａＩｎＡｓＰからなる活性層１２と、ＺｎがドープされたＩｎＰからなる第二半導体層１３と、ＺｎがドープされたＧａＩｎＡｓＰからなる第二半導体層１４とを含む半導体層１０が形成される。この工程により、基板３の面上に半導体層１０が形成されてなる、エピタキシャルウェハを得る。
【００６９】
（ステップＳ３）
エピタキシャルウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、第二半導体層１４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二電極２１の形成材料（例えばＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ）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、図３Ｂに示すように、第二半導体層１４の上面に第二電極２１が形成される。
【００７０】
（ステップＳ４）
図２Ｃに示すように、基板３の一部を露出させるように、半導体層１０の一部に対してエッチングが施される。具体的には、第二半導体層１４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、第二半導体層（１３，１４）、活性層１２、及び第一半導体層１１の一部が除去される。
【００７１】
（ステップＳ５）
図２Ｄに示すように、エッチングが行われた層の表面全体に、プラズマＣＶＤ法によって例えばＳｉＯ2からなる絶縁層３１が形成される。絶縁層３１は、パッシベーション層と称されることもある。
【００７２】
（ステップＳ６）
図２Ｅに示すように、絶縁層３１の一部領域を、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法によって開口させて第二電極２１及び基板３の一部を露出させる。
【００７３】
（ステップＳ７）
図２Ｆに示すように、絶縁層３１を介して半導体層１０よりも外側の位置において、基板３の面上にフォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるパターニングされた第一電極２２が形成される。その後、例えば、４５０℃、１０分間の加熱処理によって第一電極２２に対してアロイ処理（アニール処理）が施される。
【００７４】
（ステップＳ８）
第二電極２１の上層に、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕＳｎ又はＴｉ／Ａｕなどからなるパッド電極２５が形成される。また、第一電極２２の上層に、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、例えばパッド電極２５と同様に、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕＳｎ又はＴｉ／Ａｕなどからなるパッド電極２６が形成される。これにより、図１に示す状態となる。
【００７５】
その後、図示しないパッケージ上にダイボンディングされ、各パッド電極（２５，２６）を介してパッケージに電気的に接続される。
【００７６】
《作用》
上述したステップＳ１〜Ｓ８の工程を経て製造された赤外ＬＥＤ素子１が有する第一電極２２と第二電極２１との間に電圧が印加されると、活性層１２内に電流が流れて発光し、赤外光Ｌ１が基板３を通過して外部に取り出される。ここで、基板３のドーパント濃度は３×１０18／ｃｍ3未満であり、半導体レーザ素子の分野において基板の抵抗率を低下させる目的でドープされる濃度と比較すると低濃度である。ドーパント濃度をこのような範囲内の値としたことで、基板３内において光が吸収される量が抑制され、取り出し効率が高められる。この点につき、データを参照して説明する。
【００７７】
図３は、参考例の赤外ＬＥＤ素子５０の構造を、図１にならって模式的に示す断面図である。図１を参照して説明した赤外ＬＥＤ素子１とは異なり、赤外ＬＥＤ素子５０は、第二電極２１は基板３の一方の面（第一面３ａ）側に配設される一方、第一電極２２は、第二電極２１が形成されている側とは反対の、基板３の他方の面（第二面３ｂ）側に配設されている。すなわち、赤外ＬＥＤ素子５０は、第一電極２２と第二電極２１の間に電圧が印加されると、電流が基板３内をＺ方向に流れる、縦型構造である。
【００７８】
図４Ａ〜図４Ｃは、基板３のドーパント濃度を異ならせた状態で製造された、複数の赤外ＬＥＤ素子１と赤外ＬＥＤ素子５０の双方が示す、発光強度、動作電圧、及び電力変換効率のそれぞれの値について、ドーパント濃度との関係をグラフ化したものである。
【００７９】
なお、赤外ＬＥＤ素子１は、上記ステップＳ１〜Ｓ８の工程を経て製造された。また、赤外ＬＥＤ素子５０は、第一電極２２を、基板３の面のうちの半導体層１０が形成されている側とは反対側の面に形成した点を除けば、赤外ＬＥＤ素子１の製造方法に準じて製造された。
【００８０】
図４Ａは、ドーパント濃度と発光強度との関係を示すグラフである。図４Ｂは、ドーパント濃度と動作電圧との関係を示すグラフである。図４Ｃは、ドーパント濃度と電力変換効率（Wall-Plug Efficiency：ＷＰＥ）との関係を示すグラフである。
【００８１】
図４Ａは、基板３のドーパント濃度を異ならせて製造された赤外ＬＥＤ素子１及び赤外ＬＥＤ素子５０に対して、５０ｍＡの電流を注入したときの発光強度を積分球システムによって評価した結果を、ドーパント濃度毎にグラフ化したものである。図４Ｂは、基板３のドーパント濃度を異ならせて製造された赤外ＬＥＤ素子１及び赤外ＬＥＤ素子５０に対して、５０ｍＡの電流Ｉ１を注入したときの入力電圧をドーパント濃度毎にグラフ化したものである。図４Ｃは、図４Ａの結果に基づき、電力変換効率（ＷＰＥ）をドーパント濃度毎にグラフ化したものである。なお、図４Ｃに示す電力変換効率（ＷＰＥ）は、積分球システムで受光した光強度Ｐ０を、入力電流Ｉ１と入力電圧Ｖｆの積で除算した値によって算出したものであり、光取り出し効率に対応する指標である。
【００８２】
なお、参考のために、図４Ａ〜図４Ｃには、特許文献１においてＩｎＰ基板のドーパント濃度の下限値とされている３×１０18／ｃｍ3の値が明示されている。
【００８３】
図４Ａ及び図４Ｃによれば、赤外ＬＥＤ素子１及び赤外ＬＥＤ素子５０の双方とも、基板３のドーパント濃度が１×１０17／ｃｍ3以上、１×１０19／ｃｍ3以下の範囲内において、基板３のドーパント濃度が低下されるに連れ、発光強度及び電力変換効率が上昇していることが確認される。
【００８４】
より詳細には、赤外ＬＥＤ素子５０の場合、基板３のドーパント濃度が２×１０17／ｃｍ3以下を示すあたりから、発光強度及び電力変換効率の上昇の程度が抑制されていることが確認される。これに対し、赤外ＬＥＤ素子１の場合は、基板３のドーパント濃度が１×１０17／ｃｍ3よりも低い値であっても、基板３のドーパント濃度を低下させるほど、発光強度及び電力変換効率が大幅に向上することが確認される。
【００８５】
また、図４Ｂによれば、赤外ＬＥＤ素子５０の場合には、基板３のドーパント濃度を低下させるに伴って、入力電圧が上昇していることが確認される。これに対し、赤外ＬＥＤ素子１の場合は、基板３のドーパント濃度を低下させても、入力電圧の上昇の程度が赤外ＬＥＤ素子５０よりも抑制できていることが分かる。この理由として、本発明者らは以下のように推察している。
【００８６】
図３に示す赤外ＬＥＤ素子５０の場合、第一電極２２と第二電極２１とが、基板３をＺ方向に挟む位置に配置されているため、両電極間に電圧が印加されると、電流は基板３内をＺ方向に流れる。基板３は、劈開性が高いことからある程度の厚みが必要であるため、基板３内における電流経路が比較的長くならざるを得ない。具体的には、基板３内を少なくとも１００μｍ以上、数百μｍ以下にわたって電流が流れることになる。
【００８７】
これに対し、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１の場合、第一電極２２と第二電極２１とは、基板３の同一面側において、ＸＹ平面に平行な方向に離間した状態で配置されているため、両電極間に電圧が印加されると、電流は基板３内をＸＹ平面に平行な方向に流れる。この場合、基板３内を流れる経路長は、半導体層１０と第一電極２２との離間距離に依存し、この距離は、製造プロセスにおけるフォトリソグラフィ技術の精度によって確定される。一般的な技術によれば、赤外ＬＥＤ素子１の場合には、基板３内を流れる経路長を数μｍ以上、数十μｍ以下の範囲内に設定することが可能である。
【００８８】
つまり、図１に示す赤外ＬＥＤ素子１の場合には、図３に示す赤外ＬＥＤ素子５０と比べて、第一電極２２と第二電極２１の間に介在する内部抵抗全体に対する、基板３内の抵抗の比率が著しく小さい。この結果、赤外ＬＥＤ素子５０の場合より更に基板３内のドーパント濃度を低下させても、発光時の入力電圧の上昇を抑制することができる。つまり、赤外ＬＥＤ素子１によれば、入力電圧の大幅な上昇を招くことなく、基板３内のドーパント濃度を赤外ＬＥＤ素子５０よりも更に低下できることから、赤外ＬＥＤ素子５０の場合よりも基板３内における光吸収量を更に抑制できる。
【００８９】
《別構造》
以下、本実施形態の赤外ＬＥＤ素子１の別構造について説明する。
【００９０】
〈１〉図５に示すように、第一電極２２は、基板３の面から深さ方向（−Ｚ方向）に彫り込まれた位置（領域２２ａ）に達するように形成されていても構わない。かかる構造は、上記ステップＳ４（図２Ｃ参照）において、基板３の一部をエッチングすることで実現される。
【００９１】
〈２〉図６に示すように、第一電極２２は、−Ｚ方向に関して第一半導体層１１に達する位置まで形成されており、基板３には接触していないものとしても構わない。かかる構造は、上記ステップＳ４（図２Ｃ参照）において、第一半導体層１１が露出している時点でエッチングをストップすることで実現される。
【００９２】
図６に示す赤外ＬＥＤ素子１の場合には、第一電極２２、第一半導体層１１、活性層１２、第二半導体層（１３，１４）、及び第二電極２１によって電流経路が形成される。このため、活性層１２を発光させるためには、必ずしも基板３内に電流を流す必要がない。よって、基板３はアンドープのＩｎＰとすることができる。基板３をアンドープにすることで、基板３内における光吸収を更に抑制する効果が得られる。
【００９３】
なお、発光のために必ずしも基板３内に電流を流す必要がないという観点からは、基板３には、第一半導体層１１とは導電型の異なるドーパント（ここではｐ型）がドープされているものとしても構わない。
【００９４】
〈３〉図７に示すように、基板３の取り出し面側の面（ここでは−Ｚ側の面）に対して、凹凸部３ｄが形成されているものとしても構わない。かかる凹凸部３ｄが形成されることで、活性層１２から−Ｚ方向に進行した赤外光Ｌ１が基板３の表面で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。
【００９５】
凹凸部３ｄは、高低差の最大値が発光波長の０．５倍以上であり、凸同士及び凹同士の間隔が発光波長の０．７倍以上となるように構成されているのが好適である。一例として、凹凸部３ｄの高低差の最大値は、０．５μｍ以上、３．０μｍ以下とするのが好ましく、０．８μｍ以上、２．０μｍ以下とするのがより好ましい。また、凸同士及び凹同士の間隔、すなわち凹凸部３ｄのピッチは、０．８μｍ以上、４．０μｍ以下とするのが好ましく、１．４μｍ以上、３．０μｍ以下とするのがより好ましい。
【００９６】
かかる凹凸部３ｄは、例えばステップＳ８以後において、塩酸を含む酸性のエッチング液にディップ処理されることで形成される。
【００９７】
なお、図８に示すように、基板３に傾斜面３ｅを設けることで、光取り出し効率を高めるものとしても構わない。
【００９８】
〈４〉図９に示すように、第二電極２１を部分電極として形成するものとしても構わない。より詳細には、第二電極２１が、ＸＹ平面に平行な方向に関して、離間した位置に複数形成されているものとしても構わない。更にこの場合において、離間して形成された複数の第二電極２１の周囲を含む領域に、反射層２７が形成されるものとしても構わない。反射層２７は、１０００ｎｍ以上、１８００ｎｍ未満の赤外光に対して高い反射率を示す材料であればよく、例えば、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕ、Ａｌなどの材料で構成される。これらの材料は、いずれも第一電極２２の材料に比べて、赤外光に対する反射率が高い。なお、反射層２７の赤外光に対する反射率は、５０％以上であれば好ましく、７０％以上であればより好ましい。
【００９９】
図９に示す赤外ＬＥＤ素子１を製造するに際しては、上述したステップＳ３の実行時に、パターニングされた第二電極２１、及び反射層２７をそれぞれ形成すればよい。例えば第二電極２１をパターニングして複数の開口領域を形成した後、真空蒸着装置を用いて反射層２７の形成材料を成膜することで形成される。
【０１００】
また、図１０に示すように、離間して形成された複数の第二電極２１の周囲に誘電体層２８が形成され、誘電体層２８及び第二電極２１の上層に反射層２７が形成されるものとしても構わない。誘電体層２８は、第二半導体層１４よりも屈折率が低い材料であればよく、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの材料で構成される。これらの材料は、いずれもＩｎＰの屈折率よりも０．２以上小さい屈折率を示すため、第二半導体層１４と誘電体層２８との界面において反射を生じやすい屈折率差が実現される。また、誘電体層２８を通過した赤外光Ｌ１についても、反射層２７によって反射させて光取り出し面側に導くことができる。
【０１０１】
図１０に示す赤外ＬＥＤ素子１を製造するに際しては、上述したステップＳ３の実行時に、パターニングされた第一電極２２、パターニングされた誘電体層２８、及び反射層２７をそれぞれ形成すればよい。
【０１０２】
〈５〉図１１に示すように、第一電極２２をＸＹ平面に平行な方向に複数形成するものとしても構わない。この場合、赤外ＬＥＤ素子１は、各第一電極２２に対して接触するように形成されたパッド電極２６を有する。
【０１０３】
図１１に示す赤外ＬＥＤ素子１を製造する場合には、ステップＳ４（図２Ｃ参照）において、ＸＹ平面に平行な方向に離間した複数の箇所において、第一半導体層１１が露出するように半導体層１０をエッチングすることで実現される。なお、図１１に示す赤外ＬＥＤ素子１の場合、第二電極２１が形成されている領域において、第一半導体層１１が露出するように半導体層１０がエッチングされた後、エッチング溝の内側壁を覆うように絶縁層３２が形成される。その後、この絶縁層３２の内側に挿入されるように、第一電極２２が形成される。この場合においても、第一電極２２と第二電極２１とは、基板３の面（ＸＹ平面）に平行な方向に関して、電気的に離間した位置に形成されている。
【０１０４】
〈６〉上述した各別構造に記載の構成が、適宜組み合わされることで赤外ＬＥＤ素子１が実現されていても構わない。
【０１０５】
［第二実施形態］
本発明に係る赤外ＬＥＤ素子の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
【０１０６】
《構造》
図１２は、本実施形態の赤外ＬＥＤ素子の構造を、図１にならって模式的に示す断面図である。図１２に示す赤外ＬＥＤ素子１は、第一実施形態の赤外ＬＥＤ素子１と比較して、支持基板４０及び接合層（４１，４２）を備える点が異なる。
【０１０７】
支持基板４０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４０の厚み（Ｚ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。
【０１０８】
接合層（４１，４２）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。後述するように、この接合層（４１，４２）は、半導体層１０が上面に形成された基板３と、支持基板４０とを貼り合わせるために利用される。
【０１０９】
本実施形態の赤外ＬＥＤ素子１においても、基板３のドーパント濃度を３×１０18／ｃｍ3未満の低い値とすることで、入力電圧の大幅な上昇を招くことなく基板３内の光吸収が抑制でき、光取り出し効率が高められる。
【０１１０】
《製造方法》
本実施形態の赤外ＬＥＤ素子１の製造方法の一例について、図１３Ａ〜図１３Ｊの各図を参照して説明する。図１３Ａ〜図１３Ｊ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。
【０１１１】
（ステップＳ１，Ｓ２）
第一実施形態と同様に、ステップＳ１及びＳ２を実行し、基板３の面上に半導体層１０が形成されてなる、エピタキシャルウェハを得る（図１３Ａ参照）。基板３のドーパント濃度は、３×１０18／ｃｍ3未満で設定される。
【０１１２】
（ステップＳ３）
第一実施形態と同様にステップＳ３を実行することで、図１３Ｂに示すように、第二半導体層１４の上面に第二電極２１が形成される。図１３Ｂの例では、基板３の面（ＸＹ平面：図１２参照）に平行な方向に離間した複数の箇所に、第二電極２１が形成される。
【０１１３】
なお、図１３Ｂに示す例では、一部の第二電極２１については、後の工程でパッド電極２５を形成する領域を確保するために、基板３の面（ＸＹ平面）に平行な方向に関して幅広に形成されている。
【０１１４】
（ステップＳ１１）
図１３Ｃに示すように、第一半導体層１１の一部を露出させるように、半導体層１０の一部に対してエッチングが施される。具体的には、第二電極２１が形成されている領域を含む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、第二半導体層（１３，１４）、活性層１２、及び第一半導体層１１の一部が除去される。
【０１１５】
（ステップＳ１２）
図１３Ｄに示すように、エッチングが行われた層の表面全体に、プラズマＣＶＤ法によって例えばＳｉＯ2からなる絶縁層３１が形成される。
【０１１６】
（ステップＳ１３）
図１３Ｅに示すように、離間して配置された複数の第二電極２１に挟まれている領域に位置する絶縁層３１の一部領域を、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法によって開口させて基板３を露出させる。
【０１１７】
（ステップＳ１４）
図１３Ｆに示すように、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、露出した基板３に接触するように、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるパターニングされた第一電極２２が形成される。その後、例えば、４５０℃、１０分間の加熱処理によって第一電極２２に対してアロイ処理（アニール処理）が施される。
【０１１８】
（ステップＳ１５）
図１３Ｇに示すように、絶縁層３１及び第一電極２２を覆うように、例えばＡｕ−Ｓｎからなる接合層４１が形成される。
【０１１９】
（ステップＳ１６）
図１３Ｈに示すように、支持基板４０を準備し、その上面に例えばＡｕ−Ｓｎからなる接合層４２が形成される。なお、図示されていないが、支持基板４０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４２を形成するものとして構わない。
【０１２０】
（ステップＳ１７）
図１３Ｉに示すように、接合層（４１，４２）を介して、基板３０と支持基板４０とが、例えば、２８０℃の温度、１ＭＰａの圧力下で、貼り合わせ処理が行われる。この処理により、支持基板４０上の接合層４２と、基板３上の接合層４１とが、溶融されて一体化される。
【０１２１】
（ステップＳ１８）
図１３Ｊに示すように、パッド電極２５（図１２参照）が形成される予定の領域に位置する第二電極２１を露出すべく、基板３及び半導体層１０をエッチングにより除去する。
【０１２２】
（ステップＳ１９）
ステップＳ１８で露出された第二電極２１の上層に、フォトリソグラフィ法、真空蒸着法、及びリフトオフ法を用いて、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕＳｎ又はＴｉ／Ａｕなどからなるパッド電極２５が形成される。また、支持基板４０の裏面側（基板３とは反対側）の面に、真空蒸着法を用いて、例えばパッド電極２５と同様に、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕＳｎ又はＴｉ／Ａｕなどからなるパッド電極２６が形成される。これにより、図１２に示す状態となる。
【０１２３】
その後、図示しないパッケージ上にダイボンディングされ、各パッド電極（２５，２６）を介してパッケージに電気的に接続される。
【０１２４】
なお、本実施形態の赤外ＬＥＤ素子１においても、図６を参照して上述したように、第一電極２２の先端が第一半導体層１１に達するように形成されていても構わない。また、図７〜図８を参照して上述したように、基板３の光取り出し面側の面に、凹凸部３ｄや傾斜面３ｅが形成されていても構わない。
【０１２５】
［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。
【０１２６】
〈１〉上記各実施形態において、赤外ＬＥＤ素子１が備える基板３の側面に、凹凸部が形成されていても構わない。
【０１２７】
〈２〉上記実施形態では、ｐ型クラッド層としての第二半導体層１３の上面に、ｐ型コンタクト層としての第二半導体層１４を形成し、この第二半導体層１４の面上に第二電極２１が形成されている場合について説明した。しかし、第二電極２１に対してコンタクトが取れる限りにおいて、コンタクト層の導電型はｎ型であっても構わない。この場合、第二半導体層１３の上層に、薄膜のｎ型コンタクトを介して第二電極２１が形成される。
【０１２８】
〈３〉上記各実施形態では、第一導電型がｎ型、第二導電型がｐ型であるものとして説明したが、これらの導電型が逆転していても構わない。すなわち、赤外ＬＥＤ素子１において、基板３に近い側に位置する第一半導体層１１がｐ型であり、第一半導体層１１よりも基板３から離れて位置する第二半導体層（１３，１４）がｎ型であっても構わない。
【符号の説明】
【０１２９】
１      ：赤外ＬＥＤ素子
３      ：基板
３ａ    ：（基板の）第一面
３ｂ    ：（基板の）第二面
３ｄ    ：凹凸部
３ｅ    ：傾斜面
１０    ：半導体層
１１    ：第一半導体層
１２    ：活性層
１３    ：第二半導体層
１４    ：第二半導体層
２１    ：第二電極
２２    ：第一電極
２５    ：パッド電極
２６    ：パッド電極
２７    ：反射層
２８    ：誘電体層
３０    ：基板
３１    ：絶縁層
３２    ：絶縁層
４０    ：支持基板
４１    ：接合層
４２    ：接合層
５０    ：赤外ＬＥＤ素子
Ｌ１    ：赤外光
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2020167373.tif 000007
【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１３Ｉ】
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【図１３Ｊ】
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