(57)【要約】【課題】発光強度の高い赤外線発光素子を提供する。【解決手段】半導体基板と、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成の割合又はＡｌ組成の割合及びＧａ組成の割合が所定の範囲である発光層と、第２導電型を有する第３の化合物半導体層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成の割合又はＡｌ組成の割合及びＧａ組成の割合が所定の範囲である第２の化合物半導体層と、を備える赤外線発光素子であり、第１の化合物半導体層は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成の割合又はＡｌ組成の割合及びＧａ組成の割合が所定の範囲である、第１Ａ層と第１Ｂ層と第１Ｃ層とを、この順に有し、各層のＡｌ組成の割合が所定の関係を満たす又は各層のＡｌ組成の割合及びＧａ組成の割合が所定の関係を満たす赤外線発光素子。【選択図】図１
2020126977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、
前記第１の化合物半導体層上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎlight［％］（０≦ｎlight＜１８）である発光層と、
前記発光層上に形成され、第２導電型を有する第３の化合物半導体層と、
前記発光層と前記第３の化合物半導体層の間、又は、前記第１の化合物半導体層と当該発光層の間、の少なくとも一方に形成され、Ｉｎ、Ａｌ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ2［％］（０＜ｎ2＜１００）であり、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）である第２の化合物半導体層と、を備え、
前記第１の化合物半導体層は、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1A［％］（０≦ｎ1A＜１８）である第１Ａ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1B［％］（０≦ｎ1B＜１００）であり、膜厚がｍ1B［ｎｍ］である第１Ｂ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1C［％］（０≦ｎ1C＜１８）である第１Ｃ層と、
をこの順に有し、
前記ｎ1A、前記ｎ1B、前記ｎ1C、前記ｎ2、前記ｎlight、前記ｍ1B及び前記ｍ2は、
｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1B、
ｎ1B＞ｎ1A且つｎ1B＞ｎ1C、又は、ｎ1B＜ｎ1A且つｎ1B＜ｎ1C、及び
ｎ2＞ｎlight＋５
を満たす赤外線発光素子。
【請求項２】
前記ｎlight、前記ｎ1A及び前記ｎ1Cは、
８≦ｎlight≦１２、
８≦ｎ1A≦１２、及び
８≦ｎ1C≦１２
を満たす請求項１に記載の赤外線発光素子。
【請求項３】
前記ｎlight、前記ｎ1A及び前記ｎ1Cは、
４≦ｎlight≦８、
４≦ｎ1A≦８、及び
４≦ｎ1C≦８
を満たす請求項１に記載の赤外線発光素子。
【請求項４】
前記ｎ2、前記ｎlight及び前記ｍ2は、
｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦４４１
を満たす請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項５】
前記ｎlight及び前記ｎ2は、
ｎ2＞ｎlight＋７
を満たす請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項６】
前記ｍ2は、ｍ2≧５
を満たす請求項１から５のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項７】
前記第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である
請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項８】
前記半導体基板側から入射した赤外線を発光する
請求項１から７のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項９】
前記ｎ1A、前記ｎ1C及び前記ｎlightは同一である
請求項１から８のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１０】
前記第２の化合物半導体層は、前記発光層と前記第３の化合物半導体層の間、及び、前記第１の化合物半導体層と当該発光層の間の両方に形成される
請求項１から９のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、
前記第１の化合物半導体層上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl light［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa light［％］の和が０＜ｎAl light＋ｎGa light＜１８である発光層と、
前記発光層上に形成され、第２導電型を有する第３の化合物半導体層と、
前記発光層と前記第３の化合物半導体層の間、又は、前記第１の化合物半導体層と当該発光層の間、の少なくとも一方に形成され、Ｉｎ、Ａｌ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎAl2［％］（０≦ｎAl2＜１００）、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合がｎGa2［％］（０≦ｎGa2＜１００）であり、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）である第２の化合物半導体層と、を備え、
前記第１の化合物半導体層は、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1A［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1A［％］の和が０＜ｎAl1A＋ｎGa1A＜１８である第１Ａ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1B［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1B［％］の和が０＜ｎAl1B＋ｎGa1B＜１００であり、膜厚がｍ1B［ｎｍ］である第１Ｂ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1C［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1C［％］の和が０＜ｎAl1C＋ｎGa1C＜１８である第１Ｃ層と、
をこの順に有し、
前記ｎAl1A、前記ｎGa1A、前記ｎAl1B、前記ｎGa1B、前記ｎAl1C、前記ｎGa1C、前記ｎAl2、前記ｎGa2、前記ｎAl light、前記ｎGa light、前記ｍ1B及び前記ｍ2は、
｜ｎAl2＋ｎGa2−（ｎAl light＋ｎGa light）｜×ｍ2≦｜ｎAl1B＋ｎGa1B−（ｎAl1A＋ｎGa1A）｜×ｍ1B、
ｎAl1B＋ｎGa1B＞ｎAl1A＋ｎGa1A且つｎAl1B＋ｎGa1B＞ｎAl1C＋ｎGa1C、又は、ｎAl1B＋ｎGa1B＜ｎAl1A＋ｎGa1A且つｎAl1B＋ｎGa1B＜ｎAl1C＋ｎGa1C、
ｎAl2＋ｎGa2＞ｎAl light＋ｎGa light＋５、
０＜ｎGa2／（ｎAl2＋ｎGa2）≦１、
０＜ｎGa light／（ｎAl light＋ｎGa light）≦１、
０＜ｎGa1A／（ｎAl1A＋ｎGa1A）≦１、
０＜ｎGa1B／（ｎAl1B＋ｎGa1B）≦１、及び、
０＜ｎGa1C／（ｎAl1C＋ｎGa1C）≦１
を満たす赤外線発光素子。
【請求項１２】
前記ｎAl light、前記ｎGa light、前記ｎAl1A、ｎGa1A、前記ｎAl1C及び前記ｎGa1Cは、
８≦ｎAl light＋ｎGa light≦１２、
８≦ｎAl1A＋ｎGa1A≦１２、及び
８≦ｎAl1C＋ｎGa1C≦１２
を満たす請求項１１に記載の赤外線発光素子。
【請求項１３】
前記ｎAl light、前記ｎGa light、前記ｎAl1A、前記ｎGa1A、前記ｎAl1C及び前記ｎGa1Cは、
４≦ｎAl light＋ｎGa light≦８、
４≦ｎAl1A＋ｎGa1A≦８、及び
４≦ｎAl1C＋ｎGa1C≦８
を満たす請求項１１に記載の赤外線発光素子。
【請求項１４】
前記ｎAl2、前記ｎGa2、前記ｎAl light、前記ｎGa light及び前記ｍ2は、
｜ｎAl2＋ｎGa2−（ｎAl light＋ｎGa light）｜×ｍ2≦４４１
を満たす請求項１１から１３のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１５】
前記ｎAl light、前記ｎGa light、前記ｎAl2及び前記ｎGa2は、
ｎAl2＋ｎGa2＞ｎAl light＋ｎGa light＋７
を満たす請求項１１から１４のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１６】
前記ｍ2は、ｍ2≧５
を満たす請求項１１から１５のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１７】
前記第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である
請求項１１から１６のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１８】
前記半導体基板側から入射した赤外線を発光する
請求項１１から１７のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１９】
前記ｎAl1A、前記ｎAl1C及び前記ｎAl lightは同一であり、
前記ｎGa1A、前記ｎGa1C及び前記ｎGa lightも同一である、
請求項１１から１８のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【請求項２０】
前記第２の化合物半導体層は、前記発光層と前記第３の化合物半導体層の間、及び、前記第１の化合物半導体層と当該発光層の間の両方に形成される
請求項１１から１９のいずれか一項に記載の赤外線発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は赤外線発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に波長が２μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、及びガスセンサ等に使用されている。例えばガスセンサは、大気環境の監視や保護、更には火災の早期検知等にも使用可能であり、近年注目されている。特に波長２．５μｍから波長６．０μｍまでの領域においては各種ガスに固有の吸収帯が数多く存在し、ガスセンサに用いるのに適した波長帯である。
【０００３】
上記赤外線を使用したガスセンサの原理は以下のようなものである。例えば、赤外線の光源と赤外線発光素子の間の空間にガスが注入されると、特定のガスは特定の波長の赤外線を吸収する為、ガスの注入前と注入後の波長スペクトルを解析することでガスの種類や濃度を測定することが出来る。ここで、赤外線の光源としては例えば白熱球が使用されるが、白熱球から発せられる赤外線は白色光である。そのため、特定の波長を分光する為には発光素子側にフィルタを設ける必要がある。このようなフィルタは高価であり、また赤外線の強度を弱める為ガスセンサの感度を低下させる。更に白熱球の寿命が短い為に頻繁に光源を交換する必要がある。
【０００４】
上記の様な問題を解決する為には光源として特定波長の赤外線を発する半導体の発光素子（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を使用することが有効である。赤外線ＬＥＤを用いた分析機器は、それ以外の光源（例えば、電球等）を用いた分析機器と比較して小型化、軽量化、低消費電力化が可能である。赤外線ＬＥＤは、ポータブル、省スペース用途、低消費電力な分析機器用途に効果的な光源である。
【０００５】
しかしながら、現在のところ、特に赤外領域においてはＬＥＤを光源とする分析機器は広く普及するに至っていない。その理由の一つとして、公知の赤外線ＬＥＤでは十分な発光強度が得られないために、分析機器全体として十分な信号強度（Ｓ／Ｎ比）が得られないということが挙げられる。発光強度を大きくするほどＳ／Ｎ比は向上するため、広く応用されるためには、十分な赤外線ＬＥＤの発光強度を得なければならない。
【０００６】
赤外線ＬＥＤは、波長が２μｍ以上の赤外線を発光可能なバンドギャップを有する発光層をｎ層とｐ層とで挟んだいわゆるｐｎ接合ダイオード構造を形成し、前記ｐｎ接合ダイオードに順方向電流を流して、発光層内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行う。赤外線ＬＥＤには比較的良好な質の結晶が得られるＡｌＩｎＳｂが好ましく用いられる。例えばＡｌＩｎＳｂを用いた赤外線ＬＥＤとしては、非特許文献１に示すような構造のものが知られている。しかしながらこの構造においても十分に高い発光強度を得ることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−９０９０１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｍ．  Ｋ．  Ｈａｉｇｈ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｍｉｄ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ９０（２３），  ２３１１６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
赤外線を放出する半導体発光素子（ＬＥＤ）の実用化に向けては、さらなる発光強度の向上が望まれている。
【００１０】
そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発光強度の高い赤外線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】
本発明の赤外線発光素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、
前記第１の化合物半導体層上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎlight［％］（０≦ｎlight＜１８）である発光層と、
前記発光層上に形成され、第２導電型を有する第３の化合物半導体層と、
前記発光層と前記第３の化合物半導体層の間、又は、前記第１の化合物半導体層と当該発光層の間、の少なくとも一方に形成され、Ｉｎ、Ａｌ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ2［％］（０＜ｎ2＜１００）であり、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）である第２の化合物半導体層と、を備え、
前記第１の化合物半導体層は、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1A［％］（０≦ｎ1A＜１８）である第１Ａ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1B［％］（０≦ｎ1B＜１００）であり、膜厚がｍ1B［ｎｍ］である第１Ｂ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1C［％］（０≦ｎ1C＜１８）である第１Ｃ層と、
をこの順に有し、
前記ｎ1A、前記ｎ1B、前記ｎ1C、前記ｎ2、前記ｎlight、前記ｍ1B及び前記ｍ2は、
｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1B、
ｎ1B＞ｎ1A且つｎ1B＞ｎ1C、又は、ｎ1B＜ｎ1A且つｎ1B＜ｎ1C、及び
ｎ2＞ｎlight＋５
を満たす。
【００１２】
また、本発明の赤外線発光素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、
前記第１の化合物半導体層上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl light［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa light［％］の和が０＜ｎAl light＋ｎGa light＜１８である発光層と、
前記発光層上に形成され、第２導電型を有する第３の化合物半導体層と、
前記発光層と前記第３の化合物半導体層の間、又は、前記第１の化合物半導体層と当該発光層の間、の少なくとも一方に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎAl2［％］（０≦ｎAl2＜１００）、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合がｎGa2［％］（０≦ｎGa2＜１００）であり、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）である第２の化合物半導体層と、
を備え、
前記第１の化合物半導体層は、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1A［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1A［％］の和が０＜ｎAl1A＋ｎGa1A＜１８である第１Ａ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1B［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1B［％］の和が０＜ｎAl1B＋ｎGa1B＜１００であり、膜厚がｍ1B［ｎｍ］である第１Ｂ層と、
Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1C［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1C［％］の和が０＜ｎAl1C＋ｎGa1C＜１８である第１Ｃ層と、
をこの順に有し、
前記ｎAl1A、前記ｎGa1A、前記ｎAl1B、前記ｎGa1B、前記ｎAl1C、前記ｎGa1C、前記ｎAl2、前記ｎGa2、前記ｎAl light、前記ｎGa light、前記ｍ1B及び前記ｍ2は、
｜ｎAl2＋ｎGa2−（ｎAl light＋ｎGa light）｜×ｍ2≦｜ｎAl1B＋ｎGa1B−（ｎAl1A＋ｎGa1A）｜×ｍ1B、
ｎAl1B＋ｎGa1B＞ｎAl1A＋ｎGa1A且つｎAl1B＋ｎGa1B＞ｎAl1C＋ｎGa1C、又は、ｎAl1B＋ｎGa1B＜ｎAl1A＋ｎGa1A且つｎAl1B＋ｎGa1B＜ｎAl1C＋ｎGa1C、
ｎAl2＋ｎGa2＞ｎAl light＋ｎGa light＋５、
０＜ｎGa2／（ｎAl2＋ｎGa2）≦１、
０＜ｎGa light／（ｎAl light＋ｎGa light）≦１、
０＜ｎGa1A／（ｎAl1A＋ｎGa1A）≦１、
０＜ｎGa1B／（ｎAl1B＋ｎGa1B）≦１、及び、
０＜ｎGa1C／（ｎAl1C＋ｎGa1C）≦１
を満たす。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発光強度の高い赤外線発光素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の赤外線発光素子の構成を示す断面図である。
【図２】第２実施形態の赤外線発光素子の構成を示す断面図である。
【図３】実施例１、２、３、比較例１、２、３、の赤外線発光素子の量子発光効率の測定値を示すグラフである。図中、プロットを結ぶ曲線は、カーブフィッティングにより得られた曲線を示す。図中、破線は、実施例３で得られた最大の量子発光効率の７５％の値を示し、矢印は、上記曲線と上記破線との交点における第２の化合物半導体層の膜厚ｍ２（ｍｍ）を示す。
【図４】実施例１、３、４、５、比較例４、５の赤外線発光素子の量子発光効率の測定値を示すグラフである。図中、プロットを結ぶ曲線は、カーブフィッティングにより得られた曲線を示す。図中、破線は、実施例３で得られた最大の量子発光効率の７５％の値を示し、矢印は、上記曲線と上記破線との交点における第２の化合物半導体層と発光層のＡｌ組成差（％）を示す。
【図５】良好な量子発光効率特性を有する赤外線発光素子の範囲を例示する図である。
【図６】上段は、実施例６の３サンプル及び比較対象となるサンプルの断面ＴＥＭ解析結果を示す図である。下段は、実施例６の３サンプル及び比較対象となるサンプルの平面ＴＥＭ解析結果より求めた、発光層の線欠陥密度（本／ｃｍ2）を示す表である。
【図７】上段は、実施例６の３サンプル及び比較対象となるサンプルの断面ＴＥＭ解析結果を示す図である。下段は、実施例６の３サンプル及び比較対象となるサンプルの平面ＴＥＭ解析結果より求めた、発光層の線欠陥密度（本／ｃｍ2）を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
【００１６】
＜赤外線発光素子＞
以下、第一の態様の赤外線発光素子及び第二の態様の赤外線発光素子について記載する。
【００１７】
第１の態様に係る赤外線発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、第１の化合物半導体層上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎlight［％］（０≦ｎlight＜１８）である発光層と、発光層上に形成され、第２導電型を有する第３の化合物半導体層と、発光層と第３の化合物半導体層の間、又は、第１の化合物半導体層と発光層の間、の少なくとも一方に形成され、Ｉｎ、Ａｌ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ2［％］（０＜ｎ2＜１００）であり、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）である第２の化合物半導体層と、を備え、第１の化合物半導体層は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1A［％］（０≦ｎ1A＜１８）である第１Ａ層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1B［％］（０≦ｎ1B＜１００）であり、膜厚がｍ1B［ｎｍ］である第１Ｂ層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎ1C［％］（０≦ｎ1C＜１８）である第１Ｃ層と、をこの順に有し、ｎ1A、ｎ1B、ｎ1C、ｎ2、ｎlight、ｍ1B及びｍ2は、
｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1B、
ｎ1B＞ｎ1A且つｎ1B＞ｎ1C、又は、ｎ1B＜ｎ1A且つｎ1B＜ｎ1C、及び
ｎ2＞ｎlight＋５
を満たすものである。
【００１８】
赤外線発光素子が十分な発光強度を得られない理由として、第２の化合物半導体層近傍の欠陥密度が高いために、電子と正孔とが非発光性再結合により失活してしまうことが挙げられる。第２の化合物半導体層近傍の欠陥のうち主なものとしては、半導体基板と基板上に積層する化合物半導体材料との間の格子定数差により発生する線欠陥すなわち転位が挙げられる。ここで積層する化合物半導体材料の厚さを厚くすればするほど、転位密度が小さくなることが知られている。これは主に転位が互いにぶつかり消滅するためである。しかしながら、膜厚を厚くすることは、成膜時間の増加や、素子形成プロセスの難度を上げることに繋がり、好ましくない。ここで赤外線発光素子の発光強度は、発光層に注入したキャリアのうち発光再結合が生じた割合、すなわち量子発光効率に比例する。
【００１９】
赤外線発光素子の量子発光効率は、第２の化合物半導体層近傍の線欠陥で生じるキャリアの失活によって低下してしまうため、第２の化合物半導体層近傍の線欠陥を低減することで、量子発光効率を向上させることができる。
【００２０】
第２の化合物半導体層近傍の線欠陥密度の低減に効果的な手法として、線欠陥フィルタ層（例えば第１の態様では、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1B［％］（０≦ｎ1B＜１００）である第１Ｂ層）の導入が挙げられる。線欠陥フィルタ層とは、線欠陥密度の低減を目的に母材（例えば第１の態様では、Ａｌ組成がｎ1A［％］（０≦ｎ1A＜１８）である第１Ａ層及びＩｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1C［％］（０≦ｎ1C＜１８）である第１Ｃ層）間に導入される層のことである。この線欠陥フィルタ層は、母材との格子定数が大きく異なるように材料を選択し、また母材と比べて膜厚が薄い層である。
【００２１】
母材と線欠陥フィルタ層との格子定数差により発生するミスフィット応力が、薄い線欠陥フィルタ層に集中することで、線欠陥フィルタ層近傍で線欠陥が横方向（半導体基板の主面に平行な方向）に曲折する。ここで複数の曲折した線欠陥同士が衝突するとそれらは消滅するため、母材間に線欠陥フィルタ層を導入することで、上層（第１の態様では発光層）への線欠陥の伝播が抑制される。
【００２２】
赤外線発光素子の量子発光効率を向上させるためには、第１の化合物半導体層、第２の化合物半導体層及び発光層の各材料の組成や膜厚を最適化する必要がある。しかしながら、最適値を理論的に求めることは困難であり、最適化を実現するには実験的な検討を要する。
【００２３】
本発明者らは様々な検討の結果、赤外線発光素子の量子発光効率の向上において重要な設計要素は、（１）第２の化合物半導体層の膜厚及び第２の化合物半導体層と発光層とのＡｌ組成差の積（つまり｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2）と、（２）第１Ｂ層の膜厚及び第１Ｂ層と第１Ａ層とのＡｌ組成差の積（つまり｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1B）、の大小関係（具体的には、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1B）であることを見出した。ここで、線欠陥の曲折のしやすさについては、Ａｌ組成差の「大きさ」と相関があることが知られている。そのため、Ａｌ組成差を示す式では絶対値を用いる。
【００２４】
ここで｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2が十分大きければ、第２の化合物半導体層によって発光層へのキャリア閉じ込め効果が得られることが期待されるが、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2＞｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1Bを満たす場合には、第１Ｂ層近傍で曲折せずに貫通した線欠陥が、第２の化合物半導体層近傍で横方向に曲折することが分かった。この場合には、第２の化合物半導体層近傍の線欠陥密度が大きくなることで、第２の化合物半導体層近傍の線欠陥を介したキャリアの失活が促進され、赤外線発光素子の量子発光効率が低下してしまうことを見出した。
【００２５】
本実施形態の赤外線発光素子によれば、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1Bを満たすことで、第２の化合物半導体層近傍で生じる線欠陥の曲折が抑制され、第２の化合物半導体層近傍の線欠陥密度を低減させることが可能となる。これにより第２の化合物半導体層近傍の線欠陥を介したキャリアの失活が抑制され、結果として赤外線発光素子の量子発光効率を最大化することを可能とした。
【００２６】
赤外線発光素子の材料としては、比較的良好な質の結晶が得られるＡｌＩｎＳｂを用いることができる。ＡｌＩｎＳｂを用いて形成される赤外線発光素子に線欠陥フィルタ層（第１の態様における第１Ｂ層）を導入する場合、屈折率差が少なく内部反射でのロスが少ないという観点や素子形成プロセスの容易性の観点から、同一元素種であるＡｌＩｎＳｂを含む線欠陥フィルタ層を導入することが好ましい。母材（第１の態様における第１Ａ層及び第１Ｃ層）のＡｌＩｎＳｂ層とはＡｌ組成が異なるＡｌＩｎＳｂ層を線欠陥フィルタ層として導入することで、格子定数差及びミスフィット応力が生じ線欠陥を曲折することが可能になる。
【００２７】
なおここで、「半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１の化合物半導体層」という表現における「上に」という文言は、半導体基板の上に第１導電型を有する第１の化合物半導体層が形成されていることを意味するが、半導体基板と第１導電型を有する第１の化合物半導体層の間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係を表現する場合に「上の」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。
【００２８】
またここで、「Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含む」という表現における「含む」という文言は、ＩｎとＳｂをその層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量（例えばＡｌ、Ａｓ、Ｐ、Ｇａ、Ｎ等の元素を数％以下）加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれることは当然である。その他の層の組成を表現する場合に「含む」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。
【００２９】
またここで、「層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合」という表現における「層内」という文言は、請求項１に記載の「第１導電型を有する第１の化合物半導体層」、「発光層」、「第２導電型を有する第３の化合物半導体層」、「第２の化合物半導体層」、「第１Ａ層」、「第１Ｂ層」、「第１Ｃ層」、それぞれの層内を意味しており、記載の全層内という意味ではない。
【００３０】
また光取り出し効率向上の観点から、第１の態様に係る赤外線発光素子は、電極材料が形成されている半導体基板の化合物半導体が成膜された面よりも、半導体基板側から赤外線を発光することが好ましい。
【００３１】
以下、本実施形態に係る赤外線発光素子の各構成部について、例を挙げて説明する。
【００３２】
＜半導体基板＞
本実施形態に係る赤外線発光素子における半導体基板は、この半導体基板上に後述の第１導電型を有する第１の化合物半導体層を積層することができれば特に制限されない。半導体基板の一例としては、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板が挙げられるがこの限りではない。化合物半導体の結晶成長が容易であるという観点から、ＧａＡｓ基板が好ましい。
【００３３】
その上に第１の化合物半導体層を形成する面を、半導体基板の主面と呼ぶ。
【００３４】
半導体基板はドナー不純物やアクセプター不純物によるドーピングの制限はないが、導体基板上に形成した独立の複数の赤外線発光素子を直列又は並列に接続可能にする観点から、半絶縁性であること又は化合物半導体層とは絶縁分離可能であることが望ましい。
【００３５】
また半導体基板は化合物半導体単結晶を積層する観点から単結晶基板であることが望ましい。半導体基板の面方位は特に制限はないが、（００１）、（１１１）、（１０１）等が望ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°程度傾けた面方位を用いることも好ましい。
【００３６】
半導体基板の表面は、真空中で加熱して酸化膜を除去しても良いし、有機物や金属等の汚染物質を除去したのち、酸やアルカリによる洗浄処理を行ってもよい。
＜第１の化合物半導体層＞
【００３７】
本実施形態に係る赤外線発光素子における第１の化合物半導体層は、半導体基板上に形成され、第１導電型（ｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれか）を有するものである。
【００３８】
また第１導電型を有する第１の化合物半導体層は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1A［％］（０≦ｎ1A＜１８）である第１Ａ層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1B［％］（０≦ｎ1B＜１００）であり、膜厚がｍ1B［ｎｍ］である第１Ｂ層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1C［％］（０≦ｎ1C＜１８）である第１Ｃ層と、をこの順に有し、ｎ1B＞ｎ1A且つｎ1B＞ｎ1C、又は、ｎ1B＜ｎ1A且つｎ1B＜ｎ1Cを満たすものである。
【００３９】
また第１の化合物半導体層と後述の第２化合物半導体層及び発光層は、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1Bを満たすものである。
【００４０】
（各層のＡｌ組成の測定方法）
第１の化合物半導体層が有する各層のＡｌ組成は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法により以下のように求めることができる。測定には、ＣＡＭＥＣＡ社製磁場型ＳＩＭＳ装置ＩＭＳ  ７ｆを用いてよい。この手法は、固体表面にビーム状の一次イオン種を照射することで、スパッタリング現象により深さ方向に掘り進めながら、同時に発生する二次イオンを検出することで、組成分析を行う手法である。
なおここで、各層のＡｌ組成とは、各層に含まれる全ＩＩＩ族元素（１３族元素）に対するＡｌ元素の比率を指す。
【００４１】
具体的には、一次イオン種をセシウムイオン（Ｃｓ＋）、一次イオンエネルギーを２．５ｋｅＶ、ビーム入射角を６７．２°とし、検出二次イオン種としてマトリックス効果が小さいＭＣｓ＋（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ等）を検出することができる。
【００４２】
この際、上述のような一定条件でスパッタリングを行い、目的とする層の深さまでスパッタリングを所定の時間行うことで、目的とする層の組成分析を行う。なお、目的とする層の深さは、後述の断面ＴＥＭ測定により各層の厚さから求めることができる。ＳＩＭＳ分析のスパッタリング時間―深さの変換は、分析と同条件での一定時間スパッタリング深さを、例えば触針式の段差計を用いて測定しスパッタレートを求め、これを使って試料測定時のスパッタリング時間を深さに変換することで求めることができる。
【００４３】
そして、各層におけるＭＣｓ＋の信号強度から、Ａｌ組成を求めた。例えばＡｌＩｎＳｂ層の場合、Ａｌ組成は（ＡｌＣｓ＋の信号強度）÷（（ＡｌＣｓ＋の信号強度）＋（ＩｎＣｓ＋の信号強度））から求めることができる。
なお、各層が深さ方向に均一な組成であっても、スパッタリングの影響により信号強度が深さ方向に分布を生じる場合があるが、この場合は最大の信号強度を各層の信号強度の代表値とする。
【００４４】
なお、分析で求められるＡｌ組成定量値は真値からのずれを伴い得る。この真値からのずれを補正するために、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｎ）法から得られる格子定数値を求めた別サンプルを用意し、Ａｌ組成値が既知である標準試料として用いて、第１の化合物半導体層が有する各層のＡｌ組成についての測定条件を用いてＳＩＭＳ分析を行うことで、信号強度に対するＡｌ組成の感度係数を求めることができる。第１の化合物半導体層が有する各層のＡｌ組成を、第１の化合物半導体層が有する各層におけるＳＩＭＳ信号強度に上記感度係数をかけることで求めることができる。
【００４５】
ここで、別サンプルとしてはＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＡｌxＩｎ1-xＳｂを用いることができる。このサンプルについて、格子定数をスペクトリス株式会社製Ｘ線回折装置Ｘ’Ｐｅｒｔ  ＭＰＤを用いてＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法により以下のように求め、標準試料としてのＡｌ組成ｘを求めてよい。
【００４６】
Ｘ線回折による２θ−ωスキャンを行うことにより、基板表面の面方位に対応する面の面指数の２θ−ωスキャンにおけるピーク位置から、第１Ａ層の基板表面に対する法線方向の格子定数を求め、該法線方向の格子定数からベガード則を用いてＡｌ組成ｘを決定することができる。ここでは、ＡｌxＩｎ1-xＳｂ層の異方的な歪みはないものとした。ベガード則は具体的には以下の式（１）で表される。
【００４７】
【数１】
2020126977.tif 000003
【００４８】
ここでａAlSbはＡｌＳｂ、ａInSbはＩｎＳｂの格子定数であり、ａAlInSbは上記のＸ線回折により求まるＡｌxＩｎ1-xＳｂ層の格子定数である。ａAlSbには６．１３５５Åを、ａInSbには６．４７９４Åを使用してよい。
【００４９】
ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｘ＜０．１５のものを用いてよい。
【００５０】
（各層のＡｌ以外の元素の組成の測定方法）
第１の化合物半導体層が有する各層のＡｌ以外の元素の組成についても、上記と同様の手法を用いることで測定可能である。
例えば、Ｇａを含む場合のＧａ組成についても上記と同様の手法を用いることで測定可能である。
この際には、別サンプルとしてＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＧａgＩｎ1-gＳｂを用いる。ＧａgＩｎ1-gＳｂを用い、ベガード則は具体的には以下の式で表される。
【数２】
2020126977.tif 000004
ここで、ａGaSbはＧａＳｂ、ａInSbはＩｎＳｂの格子定数であり、ａGaInSbは上記のＸ線回折により求まるＡｌgＩｎ1-gＳｂの格子定数である。ａGaSbには６．０９５９Åを、ａInSbには６．４７９４Åを使用した。ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｇ＜０．１５のものを用いた。
【００５１】
第１の化合物半導体層以外の層のＡｌ以外の元素の組成についても、同様の測定方法を用いることで測定可能である。
【００５２】
（各層の膜厚の測定方法）
第１の化合物半導体層が有する各層の膜厚は断面ＴＥＭ（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法により測定することが可能である。具体的には、およそ５００ｎｍ以下の厚みの試料作成を日立ハイテクノロジーズ社製ＦＩＢ装置（ＦＢ−２１００）を用いてＦＩＢ法により行い、日立製ＳＴＥＭ装置（ＨＤ−２３００Ａ）を用いて加速電圧２００ｋＶにて透過像で断面観察を行い各層の厚さを測定した。第１の化合物半導体層以外の層の膜厚についても、同様の測定方法を用いることで測定可能である。
【００５３】
線欠陥の曲折のために必要な応力を導入する観点から、第１Ａ層の膜厚ｍ1A［ｎｍ］の下限値は２ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００５４】
また第１Ａ層の膜厚ｍ1Aとしては、ミスフィット応力の吸収の観点からｍ1A≧２００ｎｍであることが好ましく、ｍ1A≧３００ｎｍであることがより好ましい。第１Ｃ層の膜厚ｍ1Cについても同様の範囲が好ましい。
【００５５】
また成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、ｍ1A≦７００ｎｍであることが好ましく、ｍ1A≦６００ｎｍであることが特に好ましい。ｍ1Cについても同様の範囲が好ましい。
【００５６】
３．３μｍ帯の発光強度を向上させる観点からは、第１Ａ層のＡｌ組成ｎ1Aは、８以上であることが好ましく、９以上であることがより好ましい。同様の観点から、１２以下であることが好ましく、１１以下であることがより好ましい。また同様に、第１Ｃ層のＡｌ組成ｎ1Cは、８以上であることが好ましく、９以上であることがより好ましい。同様に１２以下であることが好ましく、１１以下であることがより好ましい。これにより、発光層との格子定数差が小さくなり、発光層の結晶性を向上させることが可能となる。この波長帯はメタンの吸収波長帯と重なるため、メタンガスセンサ用の赤外線発光素子として好適である。
【００５７】
また４．３μｍ帯の発光強度を向上させる観点からは、第１Ａ層のＡｌ組成ｎ1Aは、４以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。同様の観点から、８以下であることが好ましく、７以下であることがより好ましい。また同様に、第１Ｃ層のＡｌ組成ｎ1Cは、４以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。同様に８以下であることが好ましく、７以下であることがより好ましい。これにより、発光層との格子定数差が小さくなり、発光層の結晶性を向上させることが可能となる。この波長帯はＣＯ2の吸収波長帯と重なるため、ＣＯ2ガスセンサ用の赤外線発光素子として好適である。
【００５８】
また、第１Ｂ層に均一に応力をかけるという観点から、｜ｎ1A−ｎ1C｜＜１０であることが好ましく、｜ｎ1A−ｎ1C｜＜３であることがより好ましい。
【００５９】
また、結晶欠陥低減の観点から、第１Ａ層のＡｌ組成ｎ1A、第１Ｃ層のＡｌ組成ｎ1C及び発光層のＡｌ組成ｎlightは同一であることが好ましい。
【００６０】
また第１の化合物半導体層は、第１Ａ層と、第１Ｂ層と、第１Ｃ層と、をこの順に繰り返し回数ｉだけ順次積層された積層構造を有することが好ましい。具体的には、第１Ａ層(1)→第１Ｂ層(1)→第１Ｃ層(1)→第１Ａ層(2)→第１Ｂ層(2)→第１Ｃ層(2)→・・・→第１Ａ層(i)→第１Ｂ層(i)→第１Ｃ層(i)→・・・という順に順次積層された積層構造である。この場合、第１Ａ層(k)（ｋ＝１、２、…、ｉ）の組成や膜厚は同じであることが好ましい。同様に第１Ｂ層(k)（ｋ＝１、２、…、ｉ）の組成や膜厚についても同じあることが好ましい。また同様に第１Ｃ層(k)（ｋ＝１、２、…、ｉ）の組成や膜厚についても同じあることが好ましい。また第１Ｃ層(k)と第１Ａ層(k+1)の組成は同じであることが好ましい。また第１Ｃ層(k)と第１Ａ層(k+1)とが一体化されてもよい。
【００６１】
ここで繰り返し回数ｉについては、線欠陥密度低減の観点からｉ≧２であることが好ましく、ｉ≧３であることがより好ましい。
【００６２】
また成膜時間の増加や素子形成プロセスの容易性の観点から、ｉ≦６であることが好ましく、ｉ≦５であることがより好ましい。
【００６３】
第１の化合物半導体層の材料としては、上述の第１Ａ層と、第１Ｂ層と、第１Ｃ層と、をこの順に有する積層構造の他に、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層もしくは積層構造等を有してもよい。
【００６４】
また前述の半導体基板がＧａＡｓ基板である場合、第１の化合物半導体層のうち、ＧａＡｓ基板と接する層はＩｎＳｂ層であることが好ましい。つまり、第１の化合物半導体層のうち、最もＧａＡｓ基板に近い第１Ａ層はＩｎＳｂ層に接して形成されることが好ましい。
【００６５】
第１の化合物半導体層はドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型や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必ずしもドープされていなくてもよい。第１の化合物半導体層がドープされている場合、ドープ濃度は金属（電極）との接触抵抗の低減の観点から１×１０18［ｃｍ-3］以上が好ましく、また結晶性確保の観点から１×１０19［ｃｍ-3］以下であることが望ましい。
【００６６】
第１導電型は、赤外発光素子の電流拡散の観点及び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、ｎ型の導電型であることが好ましい。
【００６７】
＜第２の化合物半導体層＞
本実施形態に係る赤外線発光素子における第２の化合物半導体層は、第１の化合物半導体層上に形成され、ｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれかの導電型を有するものである。
【００６８】
第２の化合物半導体層はＩｎ、Ａｌ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ2［％］（０＜ｎ2＜１００）であり、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）であり、ｎ2＞ｎlight＋５を満たす層である。
【００６９】
ここで図３及び図４で示すように、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）であり、Ａｌ組成ｎ2がｎ2＞ｎlight＋５を満たすことで、十分な発光層へのキャリア閉じ込め効果を実現することが可能となる。また、ｎ2が小さすぎることにより生じる注入キャリアの拡散を要因とする量子発光効率の低下を、ｎ２が最適値の場合から２５％以下に抑制するという観点からは、図３及び図４で示したｎ2下限値とｍ2下限値より、ｎ2＞ｎlight＋７であることがより好ましく、ｍ2は５ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００７０】
また、第１Ｂ層を貫通した線欠陥が、第２の化合物半導体層近傍で曲折することを要因とした量子発光効率の低下率を、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2が最適値の場合から２５％以下に抑制するという観点からは、図３及び図４で示したｎ2上限値とｍ2上限値の積より、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦４４１を満たすことが好ましい。
【００７１】
第２の化合物半導体層の材料は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎlight［％］（０≦ｎlight＜１００）を満たす化合物半導体であれば特に制限されない。
【００７２】
また、図３及び図４に示すように、好適な量子発光効率を得る意味で、ｍ2は５〜２１ｎｍであることが好ましく、６〜１８ｎｍであることがより好ましく、また、第２の化合物半導体層と発光層のＡｌ組成差は７〜２１％であることが好ましく、８〜１４％であることがより好ましい。
【００７３】
＜発光層＞
本実施形態に係る赤外線発光素子における発光層は、第２の化合物半導体層上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎlight［％］（０≦ｎlight＜１８）である。
【００７４】
３．３μｍ帯の発光強度を向上させる観点からは、発光層のＡｌ組成ｎlightは、８以上であることが好ましく、９以上であることがより好ましい。同様の観点から、１２以下であることが好ましく、１１以下であることがより好ましい。この波長帯はメタンの吸収波長帯と重なるため、メタンガスセンサ用の赤外線発光素子として好適である。
【００７５】
また４．３μｍ帯の発光強度を向上させる観点からは、発光層のＡｌ組成ｎlight、４以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。同様の観点から、８以下であることが好ましく、７以下であることがより好ましい。この波長帯はＣＯ2の吸収波長帯と重なるため、ＣＯ2ガスセンサ用の赤外線発光素子として好適である。
【００７６】
発光層の材料は、波長が２μｍ以上の赤外線に相当するバンドギャップを有する化合物半導体であれば特に制限されない。
【００７７】
発光層の導電型はｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれでもよい。また発光層へのドーピングとしては、ノンドープ（不純物を含まないこと）でもよく、ドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていてもよい。
【００７８】
電圧印可時に電子と正孔のオーバーフローを防ぐ観点から、発光層の膜厚の下限値は１０ｎｍ以上であることが好ましく、２０ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００７９】
成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、発光層の膜厚の上限値は４０００ｎｍ以下であることが好ましく、３０００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００８０】
＜第２導電型を有する層＞
本実施形態に係る赤外線発光素子における第２導電型を有する層は、発光層上に形成され、第２導電型（ｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれか）を有する層である。
【００８１】
第２導電型を有する層は、第１の化合物半導体層が有する第１導電型とは反対の導電型であることが好ましい。例えば第１の化合物半導体層がｎ型であれば第２導電型を有する層はｐ型であることが好ましく、第１の化合物半導体層がｐ型であれば第２導電型を有する層はｎ型であることが好ましい。
【００８２】
また前述の通り、第１の化合物半導体層はｎ型であることが好ましいため、第２導電型を有する層はｐ型であることが好ましい。
【００８３】
第２導電型を有する層はドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていることが好ましいが、第２導電型を有するのであれば必ずしもドープされていなくてもよい。
【００８４】
第２導電型を有する層がドープされている場合、そのドープ濃度は金属（電極）との接触抵抗の低減の観点から１×１０18［ｃｍ-3］以上が好ましく、また結晶性確保の観点から１×１０19［ｃｍ-3］以下であることが好ましい。
【００８５】
第２導電型を有する層の材料は化合物半導体であれば特に制限されない。例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層もしくは積層構造等が挙げられる。
【００８６】
第２導電型を有する層と発光層が直接接する場合には、発光層へのキャリア閉じ込め効果の向上の観点から、第２導電型を有する層のうち発光層と接する層の材料は、発光層よりもバンドギャップの大きいものであることが好ましい。
【００８７】
素子形成プロセス時のダメージを防ぐ観点から、第２導電型を有する層の膜厚［ｎｍ］の下限値は３０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることがより好ましい。成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、第２導電型を有する層の膜厚の上限値［ｎｍ］は２０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００８８】
発光層へのキャリア閉じ込め効果の向上の観点から、第２の化合物半導体層は、発光層と第３の化合物半導体層の間、及び、第１の化合物半導体層と発光層の間の両方に形成されることがより好ましい。
【００８９】
本発明の実施形態において、各化合物半導体層（第１の化合物半導体層、発光層及び第２の化合物半導体層等）は各種の成膜方法を用いて形成することが可能である。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法等が好ましい方法である。これらの方法を用いて、半導体基板上に各化合物半導体層を形成することができる。各化合物半導体層の形成工程では、各化合物半導体層を構成する各層の形成途中で半導体基板を成膜装置から一旦、大気中に取り出してもよい。
【００９０】
＜積層構造＞
本発明の実施形態において、赤外線発光素子は次のような積層構造を有する。
第１の化合物半導体層２０は、請求項１記載の第１Ａ層と、第１Ｂ層と、第１Ｃ層と、がこの順に積層されてなる構造を少なくとも含む。
【００９１】
ここで、第１Ｂ層は線欠陥フィルタ層としての機能を、第１Ａ層と第１Ｃ層はミスフィット応力を吸収するバッファ層としての機能を果たし、第１Ｂ層にミスフィット応力を与えることで第１Ａ層と第１Ｂ層の界面及び第１Ｂ層と第１Ｃ層との界面において線欠陥を曲折する。
【００９２】
したがって第１Ｂ層は、第１Ａ層及び第１Ｃ層とのＡｌ組成差が大きくなるほど、ミスフィット応力が大きくなるため線欠陥が曲折しやすくなる。一方で、第１Ｂ層の第１Ａ層及び第１Ｃ層とのＡｌ組成差が大きくなりすぎると、大きくなりすぎたミスフィット応力に結晶が耐えられず逆に線欠陥を発生してしまう。
【００９３】
また第１Ｂ層の膜厚ｍ1Bが厚くなるほどミスフィット応力が大きくなるため線欠陥が曲折しやすくなる。一方、第１Ｂ層の膜厚ｍ1Bが厚くなりすぎると一定以上ミスフィット応力が大きくなり結晶が応力に耐えられず逆に線欠陥を発生してしまう。
上記、第１Ｂ層と第１Ａ層とのＡｌ組成差、第１Ｂ層と第１Ｃ層とのＡｌ組成差、及び第１Ｂ層の膜厚ｍ1Bは互いに独立ではなく、好適な範囲が存在する。
【００９４】
第２の化合物半導体層３０は、
ｍ2＞２
ｎ2＞ｎlight＋５
を満たすことで、前述の通り発光層へのキャリア閉じ込め機能を果たす。
【００９５】
一方で、第２の化合物半導体層と発光層のＡｌ組成差が大きくなるほど、第１の化合物半導体層で曲折せずに貫通し第２の化合物半導体層まで到達した線欠陥が、第２の化合物半導体層近傍で曲折しやすくなり、第２の化合物半導体層近傍の線欠陥を介したキャリアの失活が促進され、赤外線発光素子の量子発光効率が低下してしまう。
【００９６】
また、第２の化合物半導体層の膜厚ｍ2が厚くなるほど、第１の化合物半導体層で曲折せずに貫通し第２の化合物半導体層まで到達した線欠陥が、第２の化合物半導体層近傍で曲折しやすくなり、第２の化合物半導体層近傍の線欠陥を介したキャリアの失活が促進され、赤外線発光素子の量子発光効率が低下してしまう。
【００９７】
上記、第２の化合物半導体層と発光層のＡｌ組成差、第１Ｂ層と第１Ａ層とのＡｌ組成差、及び第２の化合物半導体層の膜厚ｍ2は互いに独立ではなく、前述の通り好適な範囲が存在する。
【００９８】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。また、本発明の実施形態は、以下で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００９９】
以下、第１の態様に従う第１実施形態及び第２実施形態の赤外線発光素子について図面を用いて詳述する。
【０１００】
図１は、本発明に係る赤外線発光素子１００の第１実施形態の構成を示す断面図である。赤外線発光素子１００は、半導体基板１０の上に化合物半導体層６０が積層された構造を有する。化合物半導体層６０は、第１の化合物半導体層２０、第２の化合物半導体層３０、発光層４０及び第２導電型を有する層５０がこの順に積層された構造を有する。第１実施形態において、第１の化合物半導体層２０は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1A［％］（０≦ｎ1A＜１８）である第１Ａ層２２を有する。また、第１の化合物半導体層２０は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1B［％］（０≦ｎ1B＜１００）である第１Ｂ層２３を有する。また、第１の化合物半導体層２０は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1C［％］（０≦ｎ1C＜１８）である第１Ｃ層２４を有する。第１実施形態において、第１の化合物半導体層２０は、第１Ａ層と、第１Ｂ層及び第１Ｃ層をこの順に１層（一組）積層された構造を含む。
【０１０１】
ここで、第１の化合物半導体層２０は、更にＩｎＳｂを含む層（ＩｎＳｂ層２１）と、を有する。図１に示すように、第１の化合物半導体層２０は、ＩｎＳｂ層２１の直上に第１Ａ層２２が積層される構造を有する。また、第１実施形態において、赤外線発光素子１００は、第１Ｃ層の直上に第２の化合物半導体層が積層される構造を有する。
【０１０２】
図２は、本発明に係る赤外線発光素子１００の第２実施形態の構成を示す断面図である。第２実施形態において、第１の化合物半導体層２０は、上記の積層構造の繰り返し回数ｉを２とした場合の構造を有する。図２において、第１実施形態の赤外線発光素子１００と同じ要素には同じ符号が付されており、説明を省略する。
【０１０３】
第２実施形態において、第１の化合物半導体層２０は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1D［％］（０≦ｎ1D＜１００）である第１Ｄ層２５を有する。また、第１の化合物半導体層２０は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、Ａｌ組成がｎ1E［％］（０≦ｎ1E＜１８）である第１Ｅ層２６を有する。また、第２実施形態において、第１Ｅ層の直上に第２の化合物半導体層が積層される構造を有する。
【０１０４】
以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。例えば、積層構造の繰り返し回数ｉは２に限定されるものではなく、３〜６の範囲で選択されてもよい。また、上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１０５】
以下、第二の態様の赤外線発光素子について記載する。
【０１０６】
第２の態様に係る赤外線発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１の化合物半導体層と、第１の化合物半導体層上に形成され、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl light［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa light［％］の和が０＜ｎAl light＋ｎGa light＜１８である発光層と、発光層上に形成され、第２導電型を有する第３の化合物半導体層と、発光層と第３の化合物半導体層の間、又は、第１の化合物半導体層と発光層の間、の少なくとも一方に形成され、Ｉｎ、Ａｌ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合がｎAl2［％］（０≦ｎAl2＜１００）、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合がｎGa2［％］（０≦ｎGa2＜１００）であり、膜厚がｍ2［ｎｍ］（ｍ2＞２）である第２の化合物半導体層と、を備え、第１の化合物半導体層は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1A［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1A［％］の和が０＜ｎAl1A＋ｎGa1A＜１８である第１Ａ層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1B［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1B［％］の和が０＜ｎAl1B＋ｎGa1B＜１００であり、膜厚がｍ1B［ｎｍ］である第１Ｂ層と、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＡｌ組成の割合ｎAl1C［％］と層内の全ＩＩＩ族元素に占めるＧａ組成の割合ｎGa1C［％］の和が０＜ｎAl1C＋ｎGa1C＜１８である第１Ｃ層と、をこの順に有し、ｎAl1A、ｎGa1A、ｎAl1B、ｎGa1B、ｎAl1C、ｎGa1C、ｎAl2、ｎGa2、ｎAl light、ｎGa light、ｍ1B及びｍ2は、
｜ｎAl2＋ｎGa2−（ｎAl light＋ｎGa light）｜×ｍ2≦｜ｎAl1B＋ｎGa1B−（ｎAl1A＋ｎGa1A）｜×ｍ1B、
ｎAl1B＋ｎGa1B＞ｎAl1A＋ｎGa1A且つｎAl1B＋ｎGa1B＞ｎAl1C＋ｎGa1C、又は、ｎAl1B＋ｎGa1B＜ｎAl1A＋ｎGa1A且つｎAl1B＋ｎGa1B＜ｎAl1C＋ｎGa1C、
ｎAl2＋ｎGa2＞ｎAl light＋ｎGa light＋５、
を満たすものである。
【０１０７】
ここで、第１の態様の赤外線発光素子においては、Ａｌを含む各層のＡｌ組成の割合について定めていたところを、第２の態様の赤外線発光素子では、Ａｌを含む各層のＡｌ組成の割合とＧａ組成の割合との和について定めたものとなっている。
【０１０８】
さらに、第２の態様の赤外線発光素子では、以下の条件も満たす。
０＜ｎGa2／（ｎAl2＋ｎGa2）≦１、
０＜ｎGa light／（ｎAl light＋ｎGa light）≦１、
０＜ｎGa1A／（ｎAl1A＋ｎGa1A）≦１、
０＜ｎGa1B／（ｎAl1B＋ｎGa1B）≦１、及び、
０＜ｎGa1C／（ｎAl1C＋ｎGa1C）≦１
【０１０９】
この態様の赤外線発光素子も、量子発光効率を向上することで発光強度の向上を可能とする。
ＡｌxＩｎ1-xＳｂのうちのＡｌの全部もしくは一部をＧａに置き換えたＧａxＩｎ1-xＳｂもしくはＡｌx-yＧａyＩｎ1-xＳｂは、ＡｌxＩｎ1-xＳｂと近い格子定数を有し、ＡｌxＩｎ1-xＳｂと同等の応力を発生することができるため、ＡｌxＩｎ1-xＳｂの代わりに線欠陥フィルタ層材料として使用することができる。
【０１１０】
ＧａxＩｎ1-xＳｂもしくはＡｌx-yＧａyＩｎ1-xＳｂは、ｘ及びｙを調整することで、ＡｌxＩｎ1-xＳｂと同様に拡散電流を抑制する機能も実現できるため、前記第２の化合物半導体層の材料としても使用することができる。前記のとおり、ＧａxＩｎ1-xＳｂもしくはＡｌx-yＧａyＩｎ1-xＳｂは、ＡｌxＩｎ1-xＳｂと近い格子定数をもち、ＡｌxＩｎ1-xＳｂと同等の応力を発生するため、第２の化合物半導体層にＧａxＩｎ1-xＳｂもしくはＡｌx-yＧａyＩｎ1-xＳｂを使用した場合でも、第２の化合物半導体近傍で曲折した線欠陥を介したキャリアの失活が生じる。
【０１１１】
ＡｌxＩｎ1-xＳｂのうちのＡｌの全部もしくは一部をＧａに置き換えたＧａxＩｎ1-xＳｂもしくはＡｌx-yＧａyＩｎ1-xＳｂにおいても本発明の効果は同様に発現し得る。
【０１１２】
第２の態様の赤外線発光素子についての発光強度、量子発光効率、本発明の作用効果等については、第１の態様の赤外線発光素子について記載したのと同様としてよい。
第２の態様の赤外線発光素子の各構成部に関しては以下の形態としてよい。
すなわち、半導体基板については第１の態様と同様としてよい。
また、第１の化合物半導体層、第２の化合物半導体層、発光層、第２導電型を有する第３の化合物半導体層については、前述のとおり、Ａｌを含む各層のＡｌ組成の割合について定めていたところを、Ａｌを含む各層のＡｌ組成の割合とＧａ組成の割合との和について定めたものに置き換えた点以外については、第１の態様と同様としてよい。ここで、各層のＡｌ組成の測定方法、各層のＡｌ以外の元素の組成の測定方法、各層の膜厚の測定方法については、第１の態様と同様としてよい。
さらに、赤外線発光素子の積層構造についても、第１の態様と同様としてよい。
【実施例】
【０１１３】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１１４】
＜実施例１＞
図２に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて、
Ｓｎを７×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層を０．５μｍと（第１Ａ層２２）、
Ｓｎを７×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型Ａｌ0.30Ｉｎ0.70Ｓｂ層を０．０２μｍと（第１Ｂ層２３）、
Ｓｎを７×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層）を０．５μｍと（第１Ｃ層２４）、
Ｓｎを７×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型Ａｌ0.30Ｉｎ0.70Ｓｂ層を０．０２μｍと（第１Ｄ層２５）、
Ｓｎを７×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層）を０．５μｍと（第１Ｅ層２６）、
Ｓｎを７×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型Ａｌ0.30Ｉｎ0.70Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２の化合物半導体層３０）、
ノンドープのＡｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層（発光層４０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｐ型Ａｌ0.30Ｉｎ0.70Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２導電型を有する、第３の化合物半導体層）、
Ｚｎを３×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｐ型Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層）を０．５μｍと（第２導電型を有する層５０）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層６０を形成した。
【０１１５】
次いで、化合物半導体層６０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各発光素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層６０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、複数個直列接続された赤外線発光素子を得た。
【０１１６】
＜実施例２〜５＞
表１に従って、第２の化合物半導体層３０のＡｌ組成ｎ2、膜厚ｍ2を変えた。
【０１１７】
【表１】
2020126977.tif 000005
【０１１８】
＜比較例１〜５＞
表２に従って、第２の化合物半導体層３０のＡｌ組成ｎ2、膜厚ｍ2を変えた。
【０１１９】
【表２】
2020126977.tif 000006
【０１２０】
＜各層のＡｌ組成及びＡｌ以外の元素の組成の測定＞
各層のＡｌ組成の測定は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法により、ＣＡＭＥＣＡ社製磁場型ＳＩＭＳ装置ＩＭＳ  ７ｆを用いて、行った。具体的には、一次イオン種をセシウムイオン（Ｃｓ＋）、一次イオンエネルギーを２．５ｋｅＶ、ビーム入射角を６７．２°とし、発光二次イオン種としてマトリックス効果が小さいＭＣｓ＋（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ等）を検出した。
また、各層のＡｌ組成の測定は、ＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＡｌxＩｎ1-xＳｂを代替サンプルとして用い、このサンプルについて、格子定数を、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法により、スペクトリス株式会社製Ｘ線回折装置Ｘ’Ｐｅｒｔ  ＭＰＤを用いて、行った。
各層のＡｌ組成の測定の詳細については、発明を実施するための形態において記載してとおりとした。
各層のＡｌ以外の元素の組成の測定は、上記各層のＡｌ組成の測定に準じて行った。各層のＡｌ以外の元素の組成の測定の詳細については、発明を実施するための形態において記載してとおりとした。
【０１２１】
＜量子発光効率の比較＞
上記実施例１〜５及び比較例１〜５により形成した赤外線発光素子について、量子発光効率を測定した。具体的には、上記例にて得られた素子に、順方向に１０ｍＡの電流を印加した際の発光強度測定し、得られた発光強度を注入電流密度あたりの発光強度、すなわち量子発光効率に換算した値を、赤外線発光素子の量子発光効率として得た。
【０１２２】
ｍ2とｎ2が下記の関係式を満たす実施例１〜５の条件では、比較例１〜５と比較し高い量子発光効率が得られることが確認された。
｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1B、
ｎ1B＞ｎ1A且つｎ1B＞ｎ1C、又は、ｎ1B＜ｎ1A且つｎ1B＜ｎ1C、及び
ｎ2＞ｎlight＋５
【０１２３】
ここで、図５を用いて、実施例１〜５と比較例１〜５とを比較し、さらに上記の関係式を確認する。図５の横軸は第２の化合物半導体層３０の膜厚ｍ2［ｎｍ］を示す。また、図５の縦軸は第２の化合物半導体層３０と発光層４０のＡｌ組成差［％］を示す。前述の通り、発光強度低下の原因となる注入キャリアの拡散を防ぐために、ｎ2＞ｎlight＋５を満たすことが肝要であり、さらにｍ2＞２を満たすことが好ましい。まず、図５において、直線１１００よりも右側の領域においてｍ2＞２が満たされる。また、第２の化合物半導体層３０と発光層４０のＡｌ組成差の大きさ［％］は｜ｎ2−ｎlight｜である。つまり、図５において、直線１１０１よりも上の領域においてｎ2＞ｎlight＋５が満たされる。
【０１２４】
さらに、第１Ｂ層を貫通した線欠陥が、第２の化合物半導体層近傍で曲折することを防ぐために、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦４４０を満たすことが好ましい。図５において、曲線１１０２を超えない範囲で｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦４４０が満たされる。拡散電流を防いで、第１Ｂ層を貫通した線欠陥が第２の化合物半導体層近傍で曲折することを防ぐために、赤外線発光素子１００は、直線１１００、直線１１０１及び曲線１１０２で囲まれる領域１１０に含まれるような構成を有することが好ましい。ここで、領域１１０は、直線１１００及び直線１１０１上を含まないが、曲線１１０２上を含む。図５に示すように、実施例１〜５は領域１１０に含まれる。一方、比較例１〜５は領域１１０に含まれない。
【０１２５】
そして、領域１１０に含まれる赤外線発光素子１００は、線欠陥が第２の化合物半導体層近傍で曲折しないように、さらに第１Ｂ層における線欠陥フィルタの特性との間で所定の関係を有することが好ましい。つまり、第２の化合物半導体層近傍では、線欠陥フィルタのように線欠陥を曲折させないことを示す式を満たすことが好ましい。この式は、前述の検討により、｜ｎ2−ｎlight｜×ｍ2≦｜ｎ1B−ｎ1A｜×ｍ1Bで示される。図５を用いて再確認したとおり、上記の関係式を満たす実施例１〜５の赤外線発光素子１００は、高い量子発光効率を得ることが可能であり、発光強度をさらに向上させることができる。
【０１２６】
＜実施例６＞
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、
ＩｎＳｂ層０．５μｍと
第１の化合物半導体層（第１Ａ層）：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層０．５μｍ、
後述の線欠陥フィルタ層（第１Ｂ層）０．０２μｍ、
第１の化合物半導体層（第１Ｃ層）：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層０．５μｍ、
後述の線欠陥フィルタ層（第１Ｄ層）：Ａｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ層０．０２μｍ、
第１の化合物半導体層（第１Ｅ層）：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層０．５μｍ、
第２の化合物半導体層：Ａｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ層０．０２μｍ、
発光層：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層１μｍ、
第２の化合物半導体層：Ａｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ層０．０２μｍ、
第２導電型を有する第３の化合物半導体層：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層０．５μｍ
を半絶縁性ＧａＡｓ基板側からこの順に積層し、化合物半導体層を形成した。
第１の化合物半導体層に挿入する線欠陥フィルタ層（第１Ｂ層及び第１Ｄ層）として、それぞれＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ、Ａｌ0.15Ｇａ0.15Ｉｎ0.7Ｓｂ、Ｇａ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂを使用した、３サンプルを作製した（それぞれ、実施例６ａ、６ｂ、６ｃともいう）。
【０１２７】
比較対象となるサンプルは、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、
ＩｎＳｂ層０．５μｍと
第１の化合物半導体層（第１Ａ層）：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層０．５μｍ、
第２の化合物半導体層：Ａｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ層０．０２μｍ、
発光層：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層２μｍ、
第２の化合物半導体層：Ａｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ層０．０２μｍ、
第２導電型を有する第３の化合物半導体層：Ａｌ0.08Ｉｎ0.92Ｓｂ層０．５μｍ
を半絶縁性ＧａＡｓ基板側からこの順に積層し、化合物半導体層を形成した、１サンプルを作製した。
【０１２８】
図６上段及び図７上段は、実施例６の３サンプル及び比較対象となるサンプルの断面ＴＥＭ解析結果を示す図である。
図６下段及び図７下段は、実施例６の３サンプル及び比較対象となるサンプルの平面ＴＥＭ解析結果より求めた、発光層の線欠陥密度（単位：本／ｃｍ2）を示す表である。
【０１２９】
図６上段及び図７上段の解析結果より、線欠陥フィルタ層としてＡｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ、Ａｌ0.15Ｇａ0.15Ｉｎ0.7Ｓｂ、Ｇａ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂいずれを使用した場合でも、線欠陥フィルタ層近傍で線欠陥がＧａＡｓ基板の面方向と並行に曲折しており、線欠陥フィルタより上側の層の線欠陥密度を低減する効果があることがわかる。
【０１３０】
また、図６下段及び図７下段に示した前記３サンプルの発光層の線欠陥密度から、Ａｌ0.15Ｇａ0.15Ｉｎ0.7Ｓｂ（実施例６ｂ）、Ｇａ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ（実施例６ｃ）を使用した場合でも、Ａｌ0.3Ｉｎ0.7Ｓｂ（実施例６ａ）を線欠陥フィルタ層として使用した場合と同様に、発光層の線欠陥密度を低減する効果があり、Ａｌの全部もしくは一部をＧａに置換しても線欠陥フィルタ層として機能することを確認した。
ＡｌxＩｎ1-xＳｂの中のＡｌの全部もしくは一部をＧａに置き換えたＧａxＩｎ1-xＳｂもしくはＡｌx-yＧａyＩｎ1-xＳｂにおいても本発明の効果は同様に発現することが理解される。
【０１３１】
＜各層のＡｌ組成及びＡｌ以外の元素の組成の測定＞
【表３】
2020126977.tif 000007
【０１３２】
＜量子発光効率の比較＞
実施例６ａ〜６ｃのサンプルで量子発光効率を測定した結果、実施例６aの量子発光効率を１００％としたとき、線欠陥フィルタ層のＡｌxＩｎ1-xＳｂのうちのＡｌの一部をＧａに置き換えた実施例６bでは９３％、線欠陥フィルタ層のＡｌxＩｎ1-xＳｂのうちのＡｌの全部をＧａに置き換えた実施例６ｃでは９９％であった。このように、ＡｌxＩｎ1-xＳｂのうちのＡｌの全部もしくは一部をＧａに置き換えたＧａxＩｎ1-xＳｂもしくはＡｌx-yＧａyＩｎ1-xＳｂを、線欠陥フィルタ層に用いた素子でも、高い量子発光効率を得ることが可能であり、発光強度をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【０１３３】
１０  半導体基板
２０  第１の化合物半導体層
２１  ＩｎＳｂ層
２２  第１Ａ層
２３  第１Ｂ層
２４  第１Ｃ層
２５  第１Ｄ層
２６  第１Ｅ層
３０  第２の化合物半導体層
４０  発光層
５０  第２導電型を有する層
１００  赤外線発光素子
【図１】
2020126977.tif 000008
【図２】
2020126977.tif 000009
【図３】
2020126977.tif 000010
【図４】
2020126977.tif 000011
【図５】
2020126977.tif 000012
【図６】
2020126977.tif 000013
【図７】
2020126977.tif 000014