(57)【要約】【課題】発光層全体に注入電流を均一に拡散させ、発光効率を向上させる。【解決手段】第１導電型半導体層１１と発光層１２と第２導電型半導体層１３とがこの順に積層された少なくとも１つのメサ型化合物半導体積層部１０と、第１導電型半導体層１１および／または第２導電型半導体層１３上に形成された、複数の開口部５１、５２を有する絶縁層２０と、第１導電型半導体層１１に電気的に接続される第１電極部３０と、第２導電型半導体層１３に電気的に接続される第２電極部４０と、を備えて赤外線発光素子１００を構成し、第１電極部３０および／または第２電極部４０を、絶縁層２０に形成された複数の開口部５１、５２を介してメサ型半導体積層部１０に電気的に接続する。これにより、メサ型半導体積層部１０における電流経路を分散させ、発光層１２全体に注入電流を拡散させることができ、発光効率を向上させることができる。【選択図】      図２
2015185801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層、赤外線領域で発光する発光層、および前記第１導電型半導体層とは導電型の異なる第２導電型半導体層がこの順に積層された少なくとも１つのメサ型化合物半導体積層部と、
前記第１導電型半導体層および／または前記第２導電型半導体層上に積層された、複数の開口部を有する絶縁層と、
前記第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部と、
前記第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部と、
を備え、
前記第１電極部および／または前記第２電極部は、前記絶縁層に形成された複数の開口部を介して前記メサ型半導体積層部に電気的に接続される赤外線発光素子。
【請求項２】
前記複数の開口部は、電流経路となる前記メサ型半導体積層部内の各部位における電位差を打ち消すように配置される請求項１記載の赤外線発光素子。
【請求項３】
前記複数の開口部は当該開口部の重心が直線上に並ぶように配置され、かつ２種類以上の形状の開口部を含む請求項２記載の赤外線発光素子。
【請求項４】
前記複数の開口部は当該開口部の重心が直線上に並びかつ隣り合った前記開口部どうしの重心間隔が２種類以上となるように配置される請求項２または請求項３記載の赤外線発光素子。
【請求項５】
前記複数の開口部は、前記第１導電型半導体層に積層された絶縁層に形成され、
当該複数の開口部を介して前記第１電極部が前記第１導電型半導体層に電気的に接続される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線発光素子。
【請求項６】
前記複数の開口部は、前記第２導電型半導体層に積層された絶縁層に形成され、
当該複数の開口部を介して前記第２電極部が前記第２導電型半導体層に電気的に接続される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の赤外線発光素子。
【請求項７】
前記絶縁層に形成された複数の開口部を介して前記第１電極部または前記第２電極部が電気的に接続される前記第１導電型半導体層および／または前記第２導電型半導体層は、ｐ型半導体層である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の赤外線発光素子。
【請求項８】
前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層のうちの一の導電型半導体層に積層された絶縁層が有する一の開口部の重心と前記第１電極部および前記第２電極部のうちの一の電極部に形成された電流供給端子の重心との間の距離が、前記一の導電型半導体層に積層された絶縁層が有する他の開口部の重心と前記一の電極部に形成された電流供給端子の重心との間の距離と異なる請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の赤外線発光素子。
【請求項９】
前記第２電極部は、前記メサ型化合物半導体積層部の前記第２導電型半導体層側の面の７０％以上を覆っている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１０】
前記発光層が、バンドギャップ０．１０〜０．６２ｅＶである半導体材料から成る請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１１】
前記第１電極部および前記第２電極部が１種類の金属膜もしくは２種類以上の金属多層膜により形成され、前記第１電極部および前記第２電極部の膜厚が５０００Å以下である請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の赤外線発光素子。
【請求項１２】
前記開口部の形状が、正方形、長方形、円形またはオーバル形状である請求項１から請求項１１のいずれか１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】
本発明は赤外線発光素子に関し、特に、分析用光源として、または種々のガス計測器用光源として用いることのできる、特定波長の赤外線を発する赤外線発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（発光素子：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を用いた分析機器は、それ以外の光源（例えば、電球など）を用いた分析機器と比較して小型化・軽量化が可能であり、ポータブル、または省スペース用途に効果的な光源である。
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、発光強度が得られないために分析機器センサ部での信号強度（Ｓ／Ｎ比）が得られていないというものがある。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まず十分なＬＥＤの発光強度を得なければならない。
【０００３】
赤外領域に限らず、ＬＥＤの発光強度向上のためには様々な手法が検討されている。例えば、光取り出し面の外側にウィンドウ層を配置し、光取り出し面における全反射角を減少させて取り出し効率を上げる方法が知られている。また、光取り出し面側に加工を行なうことで、簡便に発光強度を向上させる方法なども提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５９６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、光取り出し面側に加工を行なうことで発光強度を向上させる方法にあっては、特に赤外線を出射するＬＥＤに関して、その逆方向に存在する金属電極に関する最適化検討は十分になされていない。
つまり、ＬＥＤを作成するためには、対象とする発光波長に対応するバンドギャップを有する半導体を用いてｐｎ接合ダイオードを形成し、形成したｐｎ接合ダイオードに順方向電流を流して、接合部分である発光層において電子と正孔とを再結合させることにより赤外線の発光を起こす必要がある。
【０００６】
しかしながら、ダイオードの形状や電極と半導体との接触形状によっては、発光層に対して電流を十分拡散させて注入することができないことがある。
特許文献１に記載されているように、２種類の電極が基板に対して同一面側に位置する形状を有するＬＥＤでは、第１導電型半導体層、発光層、第２導電型半導体層がこの順で積層されたメサ型半導体積層部と、第１、第２導電型半導体層にそれぞれ接続される第１、第２電極部とが存在する場合、電流は第２電極部からメサ型半導体積層部を通過して第１電極部へ達するが、電流が注入されるのは第２電極部直下の発光層のうち、第１電極部に近い領域のみに集中してしまう。
本発明はこの点に着目してなされたものであって、発光層全体に注入電流を効率よく拡散させ、発光効率を向上させることの可能な赤外線発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、電極部と半導体層との接続部に注目し、すなわち、電極部は半導体層上に一様に接続されている構造であり最適化されていないと考え、発光層に電流を効率よく拡散させる方法を見出し、本発明を完成させた。
本発明の一態様による、赤外線発光素子（例えば図１に示す、赤外線発光素子１００）は、第１導電型半導体層（例えば図２に示す、第１導電型半導体層１１）、赤外線領域で発光する発光層（例えば図２に示す、発光層１２）、および前記第１導電型半導体層とは導電型の異なる第２導電型半導体層（例えば図２に示す、第２導電型半導体層１３）がこの順に積層された少なくとも１つのメサ型化合物半導体積層部（例えば図２に示す、メサ型化合物半導体積層部１０）と、前記第１導電型半導体層および／または前記第２導電型半導体層上に積層された、複数の開口部（例えば図１に示す、開口部５２、５２ａ、５２ｂ）を有する絶縁層（例えば図１に示す、第２導電型半導体層１３上に積層された絶縁層２０）と、前記第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部（例えば図１に示す、第１電極部３０）と、前記第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部（例えば図１に示す、第２電極部４０）と、を備え、前記第１電極部および／または前記第２電極部は、前記絶縁層に形成された複数の開口部を介して前記メサ型半導体積層部に電気的に接続される（例えば図１に示す第２電極部４０が、第２導電型半導体層上に積層された絶縁層２０の複数の開口部５２、５１ａ、５２ｂを介して第２導電型半導体層に電気的に接続される）ことを特徴とする。
【０００８】
前記複数の開口部は、電流経路となる前記メサ型半導体積層部内の各部位における電位差を打ち消すように配置されていてよい。
前記複数の開口部は当該開口部の重心が直線上に並ぶように配置され、かつ２種類以上の形状の開口部を含んでいてよい。
前記複数の開口部は当該開口部の重心が直線上に並びかつ隣り合った前記開口部どうしの重心間隔が２種類以上となるように配置されていてよい。
【０００９】
前記複数の開口部は、前記第１導電型半導体層に積層された絶縁層に形成され、当該複数の開口部を介して前記第１電極部が前記第１導電型半導体層に電気的に接続されていてよい。
前記複数の開口部は、前記第２導電型半導体層に積層された絶縁層に形成され、当該複数の開口部を介して前記第２電極部が前記第２導電型半導体層に電気的に接続されていてよい。
【００１０】
前記絶縁層に形成された複数の開口部を介して前記第１電極部または前記第２電極部が電気的に接続される前記第１導電型半導体層および／または前記第２導電型半導体層は、ｐ型半導体層であってよい。
前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層のうちの一の導電型半導体層に積層された絶縁層が有する一の開口部の重心と前記第１電極部および前記第２電極部のうちの一の電極部に形成された電流供給端子の重心との間の距離が、前記一の導電型半導体層に積層された絶縁層が有する他の開口部の重心と前記一の電極部に形成された電流供給端子の重心との間の距離と異なっていてよい。
【００１１】
前記第２電極部は、前記メサ型化合物半導体積層部の前記第２導電型半導体層側の面の７０％以上を覆っていてよい。
前記発光層が、バンドギャップ０．１０〜０．６２ｅＶである半導体材料から成っていてよい。
前記第１電極部および前記第２電極部が１種類の金属膜もしくは２種類以上の金属多層膜により形成され、前記第１電極部および前記第２電極部の膜厚が５０００Å以下であってもよい。
前記開口部の形状が、正方形、長方形、円形またはオーバル形状であってよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の赤外線発光素子によれば、電極部が一様に半導体層に接している従来の赤外線発光素子と比較して、ダイオード内に存在する任意の２点間について電位差を緩和することが可能であり、発光層全体へより均一に注入電流を拡散させることができるため、発光効率をさらに向上した赤外線発光素子を提供することができる。さらに、発光層全体に注入電流が拡散することにより、局所的な劣化を防ぐことも可能であり、長期信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態における赤外線発光素子の一例を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′断面図である。
【図３】第１実施形態における赤外線発光素子の変形例を示す平面図である。
【図４】第１実施形態における赤外線発光素子の変形例を示す平面図である。
【図５】第１実施形態における赤外線発光素子の比較例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態における赤外線発光素子の一例を示す平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ′断面図である。
【図８】第２実施形態における赤外線発光素子の変形例を示す平面図である。
【図９】第２実施形態における赤外線発光素子の変形例を示す平面図である。
【図１０】第２実施形態における赤外線発光素子の比較例を示す平面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態における赤外線発光素子の一例を示す平面図である。
【図１２】開口部の配置方向による効果の違いを説明するための説明図である。
【図１３】第３実施形態における赤外線発光素子の変形例を示す平面図である。
【図１４】第３実施形態における赤外線発光素子の変形例を示す平面図である。
【図１５】第３実施形態における赤外線発光素子の比較例を示す平面図である。
【図１６】本発明の第４実施形態における赤外線発光素子の一例を示す平面図である。
【図１７】本発明の第５実施形態における赤外線発光素子の一例を示す平面図である。
【図１８】実施例１における赤外線発光素子の製造工程の一例を示す説明図である。
【図１９】図１８の製造工程の続きである。
【図２０】実施例１における赤外線発光素子の平面図である。
【図２１】実施例１の比較例としての赤外線発光素子の平面図である。
【図２２】実施例２における赤外線発光素子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態と称する）を説明する。
＜赤外線発光素子＞
本実施形態に係る赤外線発光素子は、第１導電型半導体層、赤外線領域で発光する発光層、および前述の第１導電型半導体層とは導電型の異なる第２導電型半導体層がこの順に積層された少なくとも１つのメサ型化合物半導体積層部と、前述の第１導電型半導体層および／または第２導電型半導体層上に形成された、複数の開口部を有する絶縁層と、前述の第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部と、前述の第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部と、を備え、前述の第１電極部および／または前述の第２電極部は、前述の絶縁層に形成された複数の開口部を介して前述のメサ型半導体積層部に電気的に接続されている。このメサ型化合物半導体積層部は、配線により複数のメサ型化合物半導体積層部を接続した形で複数形成されていても良い。
【００１５】
また、メサ型化合物半導体積層部を支持する部材として、基板をさらに有していてもよい。基板の具体例としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂなどが挙げられるがこれに限定されるものではない。
【００１６】
＜化合物半導体積層部＞
本実施形態に係る赤外線発光素子において、化合物半導体積層部は、第１導電型半導体層と、赤外線領域で発光する発光層と、第２導電型半導体層とがこの順で積層された、メサ型化合物半導体積層部である。
効率的な発光の観点から、第１導電型半導体層と発光層と第２導電型半導体層とによるＰＮ接合、又は第１導電型半導体層と発光層と第２導電型半導体層とによるＰＩＮ接合からなる、フォトダイオード構造を含むものであることが好ましい。
【００１７】
ＰＮ接合又はＰＩＮ接合の具体例として、赤外線領域ではｐ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂ、ｐ−ＩｎＳｂ／ｉ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂ、ｐ−ＡｌＩｎＳｂ／ｉ−ＡｌＩｎＳｂ／ｎ−ＡｌＩｎＳｂ等が挙げられるがこれに限定されるものではない。また、ｉ型半導体層は、ｐ又はｎ型に少量ドープされていても良い。また、さらに上記したＰＮ接合又はＰＩＮ接合の各層の間に、キャリアの閉じ込め効果を狙ったバリア層を備えていても良い。このバリア層は第１導電型半導体層や第２導電型半導体層、ｉ型半導体層よりもバンドギャップが大きい材料であることが好ましい。
【００１８】
メサ型化合物半導体積層部は、その表面に各導電型のコンタクト層を備えていてもよい。コンタクト層は各導電型のドーパントが高濃度にドープされた化合物半導体層であることが好ましい。また、本発明は前述の各半導体層のシート抵抗が低い、ナローバンドギャップ半導体によるデバイスで特に効果を発揮する。前述のバリア層を除く半導体層のバンドギャップが０．１０〜０．６２ｅＶのナローギャップ半導体である場合、本発明は最も効果を発揮する。
【００１９】
メサ構造を設けることにより、第１電極部と第２電極部とを化合物半導体積層部の同一方向側（例えば、化合物半導体積層部の上側または下側）に設けることが可能であり、第１、第２電極部が設けられない他方側から光を出射することにより、発光層の上下のそれぞれに電極部を設ける形態の赤外線発光素子より広い面積を発光出射部として使用することが可能となる。赤外線発光素子が基板を備える場合は、基板側から光を出射することになるため、化合物半導体積層部の発光層よりもバンドギャップが大きな材料を基板として用いることが好ましい。また、基板の発光出射部は、光取り出し効率向上のためにパターニングまたは粗面研削されていてもよく、さらに屈折率が基板より小さいウィンドウ層を備えていてもよい。
【００２０】
＜絶縁層＞
本実施形態に係る赤外線発光素子は、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合により、注入電流に応じて所望の光量で発光するものである。絶縁層はメサ型化合物半導体積層部の保護と、第１電極部と第２電極部との電気的分離と、の観点から、メサ型化合物半導体積層部の少なくとも一部を覆っており、より具体的には、少なくとも後述の開口部が形成されるメサの頂部および／または底部に形成され、１層以上の絶縁膜により形成される。
【００２１】
絶縁層は、メサ型化合物半導体積層部を保護することに加え、発光層で発光された光を光取り出し面へ効率よく導き、出力を高める機能があるものが好ましい。例えば、光取り出し面をメサ凸側（すなわち、メサの頂部側）と反対側（すなわち、メサの底部側）とに設けた赤外線発光素子の場合、絶縁層は、メサ構造の半導体層よりも屈折率の低い材料であることが好ましく、屈折率が１．４７程度である酸化珪素（ＳｉＯ２）、又は屈折率が１．９程度である窒化珪素（ＳｉＮ）が最も代表的な例として挙げられる。
また、さらに第２絶縁層を設ける場合、外部の劣化因子となる環境に対するバリアとしての機能を有するものが好ましく、例えば、耐湿性や放熱に優れたＳｉＮが挙げられる。
【００２２】
＜開口部＞
本実施形態に係る赤外線発光素子において、開口部はメサ型化合物半導体積層部の少なくとも一部を覆う絶縁層のうち、絶縁層が形成されたメサの頂部（すなわち、第２導電型半導体層上）および／または底部（すなわち、第１導電型半導体層上）に複数形成される。
開口部は、複数形成されなくとも少なくとも１つは形成され、後述の電極部は、この開口部を介して、メサ型化合物半導体積層部と電気的に接することになり、ダイオードを電気的に接続する役割を果たす。
開口部は、電流経路となるメサ型半導体積層部内の各部位における電位差を打ち消すように配置される。具体的には、開口部の形状や配置位置を調整することにより、電位差を打ち消すように配置される。
【００２３】
開口部の形状としては、長方形、正方形、丸型またはオーバル型が採用できる。オーバル型には、楕円形状や、角部に丸みを帯びた長方形、正方形も含まれる。その他にも、多角形形状も採用できるが、特に電界の集中が起こりやすい直角部分のない形状が好ましく、さらには直線により形成される角部がないものが好ましい。また、開口部の重心が直線上に並ぶように配置される場合、開口部の形状またはサイズは２種類以上存在してもよく、また、隣り合う開口部どうしの重心間隔が２種類以上となるように配置されてもよい。
【００２４】
いずれの開口部形状・サイズでも本発明の効果を得るには十分であるが、基本となるダイオード形状、また開口部により接続される半導体層の材料により最適な値は異なる。具体的には、後述するパッドエリア間の回路が、ダイオード内の任意の点において等しくなるように決定する。
本発明の効果をより一層奏するためには、開口部の分布方向の工夫が重要となる。すなわち、発光層に均一に注入電流を拡散して供給できるように開口部が分布している必要がある。
【００２５】
具体的には、後述する電極部の一部に存在する電流供給端子（パッドエリア）の重心と、一の導電型半導体層上に形成される絶縁層に形成された一の開口部の重心との間の距離と、前述の電流供給端子の重心と、前述の一の導電型半導体層上に形成される絶縁層に形成された他の開口部の重心との間の距離とが異なり、電流供給端子の重心と同一の導電型半導体層上に形成された開口部の重心との間の距離を複数の開口部について比較した場合に、距離の差が大きい（以下、距離の分布が大きいともいう。）ほど、効果が得られる。
【００２６】
前述の電流供給端子の重心と開口部の重心との間隔はダイオード形状により最適化が可能であり、その間隔は２種類以上存在してもよい。具体的には、ダイオードの形状のアスペクト比により最適な配置が異なり、アスペクト比が大きい（２より大きい程度）場合には、上面図で見たときの長辺側に分布が大きくなるように開口部を配置するのが良い。また、アスペクト比が小さい（２より小さい程度）場合には、電流の流れる方向に分布が大きくなるように開口部が間隔を持って配置されていることが好ましい。
【００２７】
従来、赤外線発光素子においては、コンタクト抵抗低減のために、複数の開口部を設けるのではなく、それらすべてを覆うような大きな開口部を１つ設ける場合が多い。しかしながら、本発明のように開口部を複数個に分布させて設けた場合、前述の絶縁膜と化合物半導体層との屈折率差のために、開口部間の絶縁膜で光が反射され、より多くの光線が光取り出し面へと出射することになる。また、この反射による光取出し効率向上の効果は、絶縁層を２層以上とすることでより強化される。この点でも、本発明は光取り出し効率向上に寄与していると言える。
【００２８】
前述のように、複数の開口部を設けることは、コンタクト抵抗の増加につながることになり発光効率に影響を与えその低下につながることになるが、一方で、複数の開口部を設けることにより発光層全体により均一に注入電流を拡散させることができるため、上記のように光取り出し効率の向上を図ることができるとともに、発光効率の向上を図ることができる。そのため、同一消費電力を投入した場合に関して総合的に評価すれば、発光効率の向上を図ることができる。特に、ナローバンドギャップ半導体を材料とするＬＥＤについてはそもそものダイオード抵抗、各半導体層のシート抵抗が小さいため、コンタクト抵抗を増加させると全体の抵抗への寄与が劇的に増加し、熱損失が増大してしまう。従ってコンタクト抵抗を増加させることは通常では想到し得ないが、実際には本発明により信頼性に大きく影響する電流集中を緩和できることになり、総合的に評価するとＬＥＤの性能・安定性向上に大きく貢献する発明である。
【００２９】
なお、発光層の上層側および下層側のそれぞれに電極部を設ける形態の赤外線発光素子では、発光層に不均一に注入電流が拡散することがそもそも生じにくい（原理上、第１電極部および第２電極部間の半導体積層部において電位差が生じない）ため、本実施形態のような複数の開口部を設けた絶縁層を介して電極部と半導体層とを電気的に接続するという技術思想に想到し得ない。
【００３０】
＜電極部＞
本実施形態に係る赤外線発光素子において、電極部は、メサ型化合物半導体積層部の第１導電型半導体層に電気的に接続される第１電極部と、メサ型化合物半導体積層部の第２導電型半導体層に電気的に接続される第２電極部とに分類される。また、複数のダイオード素子を直列または並列に接続して赤外線発光素子を形成する場合には、１つのダイオードの第１電極部と、その他のダイオードの第２電極部とを連結する配線部が存在する。また、第１、第２電極部の少なくとも各１か所に、電流を供給するための電流供給端子（ボンディングワイヤや半田ボール等の外部からの入力される電流を化合物半導体積層部に供給するための端子、パッドエリアとも称する）が存在する場合、該電流供給端子を介して素子への電流供給が可能となる。
【００３１】
第１電極部は、メサ型化合物半導体積層部の底部領域に配置される。すなわち、第１導電型半導体層と、発光層と、第２導電型半導体層とがこの順で積層された、メサ型化合物半導体積層部の底部となる第１導電型半導体層に配置される。
第２電極部は、メサ型化合物半導体積層部の第２導電型半導体層の頂部を一様に覆うように形成される。
【００３２】
第１電極部および第２電極部は、絶縁層に形成された、１つまたは複数の開口部を介してそれぞれ第１導電型半導体層または第２導電型半導体層へ電気的に接続される。第２電極部は、上面視で、メサ型半導体積層部の上部への光の透過を防ぎ、基板側への光取出し効率を向上させるため、その第２導電型半導体層頂部の面積の７０％以上を覆うように形成されていることが好ましい。また、少なくとも一辺６０μｍ以上の電極である場合には、金属膜の応力による断線を防ぐため、第１電極部、第２電極部のエリア内に、エリアを区切るスリットが存在しても良い。
【００３３】
また、第１電極部および第２電極部の構成材料としては、化合物半導体積層部とのコンタクト抵抗が低いものや、電気抵抗が低いものであることが好ましい。具体的にはＴｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕが挙げられる。化合物半導体積層部がナローバンドギャップ材料から成る発光素子の場合は、発光する条件での順方向抵抗は極めて低いので、第１電極部および第２電極部の構成材料としては、低抵抗なＡｕやＰｔなどの貴金属の材料が好ましい。また、化合物半導体積層部との密着性向上の為にＴｉなどを用いることも好ましい。また、第１電極部および第２電極部は複数の電極材料の積層体で構成されていても良い。
【００３４】
電極部全体の厚みは特に制限されないが、金属膜のシート抵抗が増加しやすくなる合計の厚みが１μｍ以下の領域とすると本発明の効果がより発現する。第１電極部および第２電極部を複数の電極材料の積層体とする場合の製造工程としてはリフトオフが適している。リフトオフ工程に於いて、工程のし易さの観点から、電極部の厚みが薄い方がリフトオフ性は改善される。特に小型の発光素子にこのリフトオフを適用する場合、配線寸法の再現性の観点から、蒸着前に形成されるレジストパターンのレジストの厚みは薄い程望ましい。つまり、電極部全体の厚みは好ましくは５０００Å以下、より好ましくは３０００Å以下、さらに好ましくは１０００Å以下の範囲である。
【００３５】
＜より具体的な実施形態＞
以下、図面を参酌しながら、本実施形態の具体的な実施形態を説明するが、本実施形態はこれに限定されるものではない。また、各図面において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
【００３６】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
図１〜図４は、本発明の第１実施形態に係る赤外線発光素子１００の構成例を模式的に示す図であり、図１は平面図、図２は、図１の平面図をＡ−Ａ′線で切断した断面図である。図３および図４は、図１の赤外線発光素子１００の変形例である。
図１および図２に示すように、第１実施形態に係る赤外線発光素子１００は、基板５上に形成されたメサ型化合物半導体積層部１０と、絶縁層２０と、第１電極部３０と、第２電極部４０と、を備え、絶縁層２０には開口部５１および５２が設けられている。
【００３７】
メサ型化合物半導体積層部１０は、第１の導電型の第１導電型半導体層１１と、赤外線領域で発光する発光層１２と、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２導電型半導体層１３と、がこの順に下から積層されてなる。
メサ型化合物半導体積層部１０は、上面視が略正方形の四角錐形状を有し、第１導電型半導体層１１の一部は、上面視で、メサ型化合物半導体積層部１０よりも大きく形成されてメサ型化合物半導体積層部１０の下層の周囲に、縁状の底部領域１５を形成している。底部領域１５の外形は上面視で長方形状であって、赤外線発光素子１００は、底部領域１５の長手方向に平行な線分Ａ−Ａ′に対して線対称の形状を有する。
【００３８】
底部領域１５とメサ型化合物半導体積層部１０の積層体との境界部分に形成される対向する２辺の一方を辺Ｌ１、他方をＬ２とし、辺Ｌ１から底部領域１５の辺Ｌ１側の端部までの領域を領域１５ａ、辺Ｌ２から底部領域１５の辺Ｌ２側の端部までの領域を領域１５ｂとしたとき、領域１５ａは領域１５ｂよりも広く形成され、領域１５ａに第１電極部３０が配置され、領域１５ｂからメサ型化合物半導体積層部１０の頂部にかけて第２電極部４０が配置される。
【００３９】
絶縁層２０は底部領域１５を含むメサ型化合物半導体積層部１０全体を一様に覆うように形成され、絶縁層２０の、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に相当する部分には同一形状の複数の開口部５２が形成されている。
また、絶縁層２０の、領域１５ａに相当する部分には、長辺が、辺Ｌ１と同等程度の、辺Ｌ１が延びる方向に長い長方形の開口部５１が形成されている。領域１５ａすなわち第１電極部３０に形成される開口部５１は１つのみ存在する。
【００４０】
第２電極部４０は、底部領域１５の領域１５ｂ側からメサ型化合物半導体積層部１０の頂部にかけて、底部領域１５の領域１５ｂ側の端部よりも外側から、絶縁層２０が形成された領域１５ｂおよびメサ型化合物半導体積層部１０の頂部を一様に覆うように形成され、複数の開口部５２を介してメサ型化合物半導体積層部１０の第２導電型半導体層１３と電気的に接続される。
【００４１】
第１電極部３０は、底部領域１５の領域１５ａ側の端部よりも外側から開口部５１にかけて、絶縁層２０が積層された領域１５ａおよび開口部５１を一様に覆うように形成され、開口部５１を介して第１電極部３０と領域１５ａの第１導電型半導体層１１とが電気的に接続される。また、第１電極部３０と第２電極部４０とには各１か所ずつのパッドエリア６１および６２が形成され、ワイヤ等を設置することにより赤外線発光素子１００に対して電流供給が可能となっている。パッドエリア６１および６２は、線分Ａ−Ａ′上に配置される。
【００４２】
メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に形成された開口部５２は、発光層１２に均一に注入電流を拡散できるように配置されている。すなわち、開口部５２を複数有する絶縁層２０を介してメサ型化合物半導体積層部１０に電気的に接続される第２電極部４０上に形成されるパッドエリア６２の重心と、各開口部５２の重心との間の距離が、できるだけ大きく分布するように開口部５２を分散して配置する。つまり、開口部５２は、メサ型化合物半導体積層部１０の辺Ｌ２の延びる方向に長く、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部の、辺Ｌ１側の端部近傍まで延びる長方形形状を有し、複数の開口部５２は、パッドエリア６１、６２を結ぶＡ−Ａ′線が延びる方向に開口部５２の重心が並ぶように、複数配置される。図１の場合には４つの開口部５２が形成されている。
【００４３】
例えば、図１のような赤外線発光素子１００の場合、Ａ−Ａ′線に平行な方向に重心が並ぶように開口部５２を配置すると、Ａ−Ａ′線の延びる方向に重心が並ぶように開口部５２を分布させた場合に比べて、パッドエリア６２の重心と各開口部５２の重心との間の距離は多種となり、複数の開口部５２の重心どうしの間の距離は、その分布が大きくなる。つまり、Ａ−Ａ′線に垂直な方向に重心を分布させた場合でも本発明の効果は得られるが、Ａ−Ａ′線に平行な方向に重心を分布させた場合のほうが効果は大きくなる。
【００４４】
開口部５２の形状は図１に示すような長方形状のオーバル形状でも良く、図３に示すように、図１に示す長方形の開口部５２を長手方向に分割し、複数の正方形状のオーバル形状の開口部が縦横４つずつ整列した形状であってもよい。他に、角のある長方形、正方形、角のない形状として、丸型、楕円型、その他オーバル形状など、これに限定されない。また、図４のように各開口部５２の形状およびサイズは２種類以上あっても良く、開口部５２どうしの重心間距離が２種類以上存在しても良い。つまり、開口部５２の短手方向の幅がパッドエリア６２から離れるほど細くなるように開口部５２を形成し、これら開口部５２の重心が直線上に並ぶように配置してもよく、さらに、隣り合う開口部５２間の重心間距離がパッドエリア６２から離れるほど短くなるようにしてもよい。この場合、図１や図３と比較してさらに電位差を打ち消す効果があるため、発光層へより電流を均一に注入できる。
【００４５】
図５は、図１に示す第１実施形態における赤外線発光素子１００に対する比較例としての、赤外線発光素子７００の構成の一例を模式的に示す平面図である。
図５に示すように、比較例における赤外線発光素子７００は、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に形成される開口部５２が、頂部と同等程度の大きさを有する上面視が略正方形状の１つの大きな開口部である点が、第１実施形態における赤外線発光素子１００と異なる。
【００４６】
図５の場合、パッドエリア６２、第２電極部４０、第２導電型半導体層１３、発光層１２、第１導電型半導体層１１、第１電極部３０、パッドエリア６１からなる回路において、注入電流は、半導体層に流れる電流に対しての電気抵抗が小さい経路で流れることになる。図５の場合、上面視が略正方形状の開口部５２のパッドエリア６１に近い辺側に対応する第２電極部４０の領域を通る経路の抵抗が他の領域よりも小さくなるため、第２電極部４０のパッドエリア６１に近い辺側の領域Ｍａに注入電流が集中してしまい、発光層１２において発光する領域に偏りが生じ、その結果、領域Ｍａでの発光強度が他の領域よりも高くなり、すなわち全面均一に、効率の良い発光が見込めない。また、メサ型化合物半導体層１０の一部の領域、すなわち、狭い領域に電流が集中するため、当該部位での劣化が赤外線発光素子の中で比較的早く進行する可能性があり、長期信頼性の低下につながる可能性がある。
【００４７】
これに対し、図１に示すように、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に、絶縁層２０で区切られた複数の開口部５２を配置し、かつ複数の開口部５２を、パッドエリア６１、６２を通る線分Ａ−Ａ′の延びる方向に並ぶように配置し、すなわち、注入電流を均一に発光層１２へ拡散できるような方向へ分散して配置している。そのため、パッドエリア６２、第２電極部４０、第２導電型半導体層１３、発光層１２、第１導電型半導体層１１、第１電極部３０、パッドエリア６１からなる回路において、注入電流は各開口部５２を介して第２電極部４０と第２導電型半導体層１３とが電気的に接続される経路それぞれにより流れ、抵抗にばらつきはあるが、経路間における抵抗の偏りは抑制されることになり、図５に示す１つの開口部５２を有する場合の抵抗の偏りに比較して小さくなる。
【００４８】
その結果、メサ型化合物半導体積層部１０において、抵抗の偏りすなわち電位差が抑制された複数の経路で注入電流が流れることになり、発光層１２へより均一に注入電流を拡散させることができる。その結果、光取出し効率、信頼性を向上させることができる。
また、図５に示すように、１つの開口部５２を有する場合、第２電極部４０の、パッドエリア６１に近い領域Ｍａほど注入電流が集中しやすい。
【００４９】
ここで、開口部５２を通る経路の抵抗は、パッドエリア６１と開口部５２との間の距離だけでなく、開口部５２の開口面積によっても変わる。
したがって、前述の図４に示すように、開口部５２の短手方向の幅がパッドエリア６２から離れるほど細くなるように開口部５２を形成し、これら開口部５２間の重心距離がパッドエリア６２から離れるほど短くなりかつ複数の開口部５２の端手方向の幅が短くなるようにして、注入電流が集中しやすい第２電極部４０のパッドエリア６１に近い開口部５２ほど、この開口部５２を通る経路の抵抗が大きくなるように開口部５２を設けることで、効率よく抵抗の偏り、即ち短時間劣化を及ぼす局所的な電界及び電流の集中を抑制することができる。
【００５０】
さらに、絶縁層２０に開口部５２を設けており、絶縁層２０と第２導電型半導体層１３との屈折率差のために、開口部５２間の絶縁層２０で光が反射されるため、より多くの光線がメサ型化合物半導体積層部１０の下層側に設けられた光取り出し面へと出射することになる。そのため、光取り出し効率を向上させることもできる。
また、図５に示すように１つの開口部５２を有する赤外線発光素子の場合、偏りはあるものの、ある程度の発光強度を得ることができる。しかしながら、赤外線発光素子を、ガス濃度計測器用光源など、分析用光源として用いる場合には、光源全体が一様に発光していることが好ましい。
【００５１】
本実施形態では、上述のように複数の開口部５２を設けているため、コンタクト抵抗が増加し消費電力が上昇するが、前述のように光取り出し効率の向上を図ることで消費電力効率の低下分が補われることになって発光強度を向上させることができ、さらに、一様に発光することができるため、分析用光源として好適である。
【００５２】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図６〜図９は、本発明の第２実施形態に係る赤外線発光素子２００の構成例を模式的に示す図であり、図６は平面図、図７は、図６の平面図をＡ−Ａ′線で切断した断面図である。図８および図９は、図６の赤外線発光素子２００の変形例である。
図６および図７に示すように、第２実施形態に係る赤外線発光素子２００は、第１実施形態における赤外線発光素子１００において、開口部５１および５２の数、その配置位置、また、第１電極部３０および第２電極部４０の形状が異なる。
【００５３】
すなわち、第２実施形態における赤外線発光素子２００は、基板５上に形成されたメサ型化合物半導体積層部１０と、絶縁層２０と、第１電極部３０と、第２電極部４０と、を備え、絶縁層２０には開口部５１および５２が設けられている。
メサ型化合物半導体積層部１０は、第１の導電型の第１導電型半導体層１１と、発光層１２と、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２導電型半導体層１３と、がこの順に下から積層されてなる。メサ型化合物半導体積層部１０は、上面視が略正方形の四角錐形状を有し、第１導電型半導体層１１の一部は、上面視で、メサ型化合物半導体積層部１０よりも大きく形成されてメサ型化合物半導体積層部１０の下層の周囲に、縁状の底部領域１５を形成している。底部領域１５の外形は上面視で略長方形状であって、赤外線発光素子２００は、底部領域１５の長手方向に平行な線分に対して線対称の形状を有する。
【００５４】
底部領域１５とメサ型化合物半導体積層部１０の積層体部分との境界に形成される対向する２辺の一方を辺Ｌ１、他方をＬ２、辺Ｌ１とＬ２の端部と接する辺をＬ３およびＬ４とし、底部領域１５の辺Ｌ１から辺Ｌ１側の端部までの領域を領域１５ａ、底部領域１５の辺Ｌ２から辺Ｌ２側の端部までの領域を領域１５ｂ、辺Ｌ３から辺Ｌ３側の端部までの領域を領域１５ｃ、辺Ｌ４から辺Ｌ４側の端部までの領域を領域１５ｄとしたとき、領域１５ａは領域１５ｂよりも広く形成され、底部領域１５の領域１５ａ側の端部よりも外側から、絶縁層２０が形成された領域１５ａと領域１５ｃおよび１５ｄとを覆う領域に第１電極部３０が配置され、底部領域１５の領域１５ｂ側の端部よりも外側からメサ型化合物半導体積層部１０の頂部にかけて第２電極部４０が配置される。
【００５５】
絶縁層２０は底部領域１５を含むメサ型化合物半導体積層部１０全体を覆うように形成され、絶縁層２０の、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に相当する部分には開口部５２が１つ形成されている。開口部５２は、上面視で、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部と同等程度の大きさの略正方形状を有する。
また、絶縁層２０の領域１５ｃおよび１５ｄに相当する部分には、辺Ｌ３およびＬ４それぞれに沿って同一形状の複数の開口部５１が形成される。この開口部５１は長方形に形成されその長手方向が辺Ｌ３、Ｌ４と平行となるように配置される。図６では、領域１５ｃ、１５ｄそれぞれに４つの開口部５２が形成されている。
【００５６】
第２電極部４０は、メサ型化合物半導体積層部１０の領域１５ｂ側の端部よりも外側からメサ型化合物半導体積層部１０の頂部にかけて、絶縁層２０が積層された領域１５ｂおよびメサ型化合物半導体積層部１０の頂部を一様に覆うように形成され、１つの開口部５２を介してメサ型化合物半導体積層部１０と電気的に接続される。
第１電極部３０は、絶縁層２０が積層された領域１５ａおよび、領域１５ｃ、１５ｄに形成された複数の開口部５１を一様に覆うように形成され、複数の開口部５１を介してメサ型化合物半導体積層部１０の領域１５ｃ、１５ｄ（第１導電型半導体積層部）に電気的に接続される。また、第１電極部３０と第２電極部４０とには各１か所ずつのパッドエリア６１、６２が形成され、ワイヤ等を設置することにより赤外線発光素子２００に対して電流供給が可能となっている。パッドエリア６１および６２は、前述の線対称の軸となる線分上に配置される。
【００５７】
メサ型化合物半導体積層部１０の底部領域１５（領域１５ｃ、１５ｄ）に形成された複数の開口部５１は、発光層１２に均一に注入電流を拡散できるように配置されている。すなわち、開口部５１を複数有する絶縁層２０を介してメサ型化合物半導体積層部１０の底部領域１５に接続される第１電極部３０上に形成されるパッドエリア６１の重心と、各開口部５１の重心との間の距離が、できるだけ大きく分布するように開口部５１を配置する。つまり、重心間の距離どうしの差ができるだけ大きくなるように、開口部５１を配置する。
【００５８】
例えば、図６のような赤外線発光素子２００の場合、複数の開口部５１の重心が直線上に並び、かつ重心の並ぶ方向が、辺Ｌ３、Ｌ４と平行な図６中の線分Ｘ−Ｙと平行となるように、領域１５ｃ、１５ｄそれぞれに配置すると、パッドエリア６１と各開口部５１の重心位置との間の距離の差が大きくなり、すなわち、重心位置間の距離の分布が最も大きくなる。
【００５９】
開口部５１の形状は図６に示すような長方形状のオーバル形状でも良く、図８に示すように、図６における長方形の開口部をさらに分割した、複数の略正方形状のオーバル形状であってもよい。他に、角のある長方形、正方形、角のない形状として、丸型、楕円型、その他オーバル形状など、これに限定されない。また、図９のように、重心が直線上に並ぶ複数の円状の開口部５１において、開口部５１のサイズを徐々に小さくし、パッドエリア６２側の開口部５１の直径が最大となり、パッドエリア６１側の開口部５１の直径が最少となるように開口部５１を形成するなど、開口部５１の形状およびサイズは２種類以上あっても良く、開口部５１どうしの重心間距離が２種類以上存在しても良い。
【００６０】
図１０は、第２実施形態における赤外線発光素子２００に対する比較例としての、赤外線発光素子８００の構成の一例を模式的に示す平面図である。
図１０に示すように、比較例における赤外線発光素子８００は、開口部５１が１つの大きな開口部である点が、第２実施形態における赤外線発光素子２００と異なる。
つまり、赤外線発光素子８００は、第１電極部３０とメサ型化合物半導体積層部１０とが領域１５ｃ、領域１５ｄのそれぞれに形成された１つの大きな開口部５１を介して電気的に接続される。領域１５ｃ、領域１５ｄに形成された開口部５１は、それぞれ辺Ｌ３、Ｌ４と同等程度の長さを有し、辺Ｌ３、Ｌ４の延びる方向に細長い長方形状を有する。
【００６１】
図１０に示すように、開口部５１が一つの大きな開口部である場合、注入電流は図１０中の領域Ｍｂ１、Ｍｂ２に示す、メサ型化合物半導体積層部１０のパッドエリア６１側の端部の領域であり、且つ、領域１５ｃ、１５ｄに形成された各開口部５１側の角部領域に集中してしまう。
つまり、図１０の場合、パッドエリア６２、第２電極部４０、第２導電型半導体層１３、発光層１２、第１導電型半導体層１１、第１電極部３０、パッドエリア６１からなる回路において、第１電極部３０の開口部５１のうち、パッドエリア６１に近い開口部と、第２電極部４０のパッドエリア６１に近い領域とを含む領域、つまり、領域Ｍｂ１、Ｍｂ２が、電気抵抗が比較的小さな領域となり、この部分に注入電流が集中することになる。その結果、発光層１２において発光する領域に偏りが生じ、領域Ｍｂ１、Ｍｂ２における発光強度が他の領域よりも高くなり、効率の良い発光が見込めない。また、比較的狭い領域（Ｍｂ１、Ｍｂ２）に注入電流が集中するため、当該部位での劣化が素子の中で比較的早く進行する可能性があり、長期信頼性の低下につながる可能性がある。
【００６２】
これに対し、図６に示す赤外線発光素子２００は、領域１５ｃ、１５ｄと対応する領域に絶縁層２０で区切られた複数の開口部５１を配置し、かつ、複数の開口部５１を、パッドエリア６１、６２を通る線分の延びる方向に並ぶように配置することで、注入電流を均一に発光層１２へ拡散できるような方向へ分散配置している。そのため、パッドエリア６２、第２電極部４０、第２導電型半導体層１３、発光層１２、第１導電型半導体層１１、第１電極部３０、パッドエリア６１からなる回路において、各開口部５１を介して第１電極部３０と第１導電型半導体層１１とが電気的に接続される経路それぞれの抵抗にばらつきはあるが、抵抗の偏りは抑制されることになり、図１０に示す１つの開口部５１を有する場合の抵抗の偏りに比較して小さくなる。
【００６３】
その結果、メサ型化合物半導体積層部１０において、抵抗の偏り、すなわち電位差が抑制された経路で注入電流が流れることになり、発光層１２へより均一に注入電流を拡散させることができる。その結果、光取出し効率、信頼性を向上させることができる。
また、図１０に示すように、１５ｃ、１５ｄに、メサ型化合物半導体積層部１０の辺Ｌ３、Ｌ４の延びる方向に細長い１つの開口部５１をそれぞれ設けた場合、メサ型化合物半導体積層部１０のパッドエリア６１に近く、かつ、各開口部５１に近い角部の領域Ｍｂ１、Ｍｂ２に注入電流が集中しやすい。開口部５１を通る経路の抵抗は、パッドエリア６１と開口部５１との間の距離だけでなく、開口部５１の開口面積によっても変わるため、前述の図９に示すように、領域１５ｃ、１５ｄの、パッドエリア６１に近い側に位置する開口部５１ほど、開口部の直径が小さくかつ、開口部５１間の重心間隔が小さくなるように配置し、各開口部５１を通る経路の抵抗が、パッドエリア６１に近い側に位置する開口部５１ほど小さくなるようにすることによって、各開口部５１を通る経路の抵抗の偏りを効率よく抑制することができる。
【００６４】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図１１〜図１３は、本発明の第３実施形態に係る赤外線発光素子３００の構成例を模式的に示す図であり、図１１は平面図、図１２は開口部の配置位置を説明するための説明図、図１３は図１１の赤外線発光素子３００の変形例である。
図１に示す第１実施形態における赤外線発光素子１００は、上面視が、パッドエリア６１および６２を結ぶ直線が延びる方向に長い長方形であるのに対し、図１１に示すように、第３実施形態に係る赤外線発光素子３００は、上面視が、パッドエリア６１および６２を結ぶ直線が延びる方向と直交する方向に長い長方形であって、開口部５２の配置方向が異なる。
【００６５】
すなわち、第３実施形態に係る赤外線発光素子３００は、図１１に示すように、図示しない基板上に形成されたメサ型化合物半導体積層部１０と、絶縁層２０と、第１電極部３０と、第２電極部４０とを備え、絶縁層２０には開口部５１および５２が設けられている。
メサ型化合物半導体積層部１０は、第１の導電型の第１導電型半導体層１１と、発光層１２と、第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２導電型半導体層１３と、がこの順に下から積層されてなる。メサ型化合物半導体積層部１０は、上面視が略長方形の四角錘形状を有し、第１導電型半導体層１１の一部は、上面視で、メサ型化合物半導体積層部１０よりも大きく形成されてメサ型化合物半導体積層部１０の下層の周囲に縁状の底部領域１５を形成している。底部領域１５の外形は上面視で長方形であって、赤外線発光素子３００は、パッドエリア６１および６２を結ぶ線分に対して線対称の形状を有する。
【００６６】
底部領域１５とメサ型化合物半導体積層部１０の積層部分との境界部分に形成される対向する２辺の一方を辺Ｌ１、他方をＬ２とし、辺Ｌ１から底部領域１５の辺Ｌ１側の短部までの領域を領域１５ａ、辺Ｌ２から底部領域１５の辺Ｌ２側の短部までの領域を領域１５ｂとしたとき、領域１５ａは領域１５ｂよりも広く形成され、領域１５ａに第１電極部３０が配置され、領域１５ｂからメサ型化合物半導体積層部１０の頂部にかけて第２電極部４０が配置される。
【００６７】
絶縁層２０は底部領域１５を含むメサ型化合物半導体積層部１０全体を一様に覆うように形成され、絶縁層２０の、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に相当する部分には長手方向に同一形状の複数の開口部５２が形成されている。
また、絶縁層２０の、領域１５ａに相当する部分には、長辺が、辺Ｌ１と同等程度の長さであり、辺Ｌ１が延びる方向に長い長方形の開口部５１が形成されている。領域１５ａに形成される開口部５１は１つのみ存在する。
【００６８】
第２電極部４０は、メサ型化合物半導体積層部１０の領域１５ｂの端部よりも外側からメサ型化合物半導体積層部１０の頂部にかけて、絶縁層２０が積層された領域１５ｂおよびメサ型化合物半導体積層部１０の頂部を一様に覆うように形成され、複数の開口部５２を介してメサ型化合物半導体積層部１０と電気的に接続される。
第１電極部３０は、領域１５ａの端部よりも外側から開口部５１にかけて、絶縁層２０が積層された領域１５ａおよび開口部５１を一様に覆うように形成され、開口部５１を介して第１電極部３０と領域１５ａの第１導電型半導体層１１とが電気的に接続される。また、第１電極部３０と第２電極部４０とには各１か所ずつのパッドエリア６１および６２が形成され、ワイヤ等を設置することにより赤外線発光素子３００に対して電流供給が可能となっている。
【００６９】
メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に形成された開口部５２は、発光層１２に均一に注入電流を拡散できるように配置される。
すなわち、複数の開口部５２を介してメサ型化合物半導体積層部１０に接続される第２電極部４０上に形成されるパッドエリア６２の重心と、各開口部５２の重心との間の距離が、できるだけ大きく分布するように開口部５２を分布させる。つまり、開口部５２は、パッドエリア６１および６２を結ぶ線分の延びる方向に長く、頂部の短手方向の幅と同等程度の長さの長方形を有し、頂部の短手方向に平行に配置され、かつ、頂部の長手方向に重心が直線上に並ぶように複数配置される。
【００７０】
図１１の場合には、頂部の長手方向に沿って、９個の開口部５２が形成されている。
図１１のように、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部がパッドエリア６１、６２を結ぶ線分に対して垂直方向に細長い略長方形状であり、かつ、開口部５１がメサ型化合物半導体積層部１０の長手方向に沿って長く、かつ前述の長手方向と同等程度の長さを有する場合、頂部に複数の開口部５２を設ける場合には、図１２（ａ）に示すように、頂部の短手方向に長い略長方形の開口部５２を、頂部の長手方向に沿って並べる方が、図１２（ｂ）に示すように、頂部の長手方向に長い略長方形の開口部５２を、頂部の短手方向に沿って並べる場合よりも、パッドエリア６２の重心と各開口部５２の重心との間の距離の分布が大きくなる。つまり、パッドエリア６２の重心と開口部５２の重心との間の距離どうしの差は、図１２（ｂ）のように、頂部の短手方向に開口部５２を並べる場合に比較して、図１２（ａ）のように、頂部の長手方向に開口部５２を並べる方が大きい。このとき、後者（図１２（ｂ））でも本発明の効果は得られるが、前者（図１２（ａ））の方が効果は大きくなる。つまり、パッドエリア６２の重心と開口部５２の重心との間の距離どうしの差が大きいということは、開口部５２を形成する場所、図１２の場合にはメサ型化合物半導体積層部１０の頂部において、開口部５２の配置位置が、パッドエリア６２からの距離が均等な位置ではなく分散されて配置されることになり、例えば、複数の開口部５２を直線上に配置する場合には、直線上のパッドエリア６２からの距離が異なる位置に複数の開口部５２が配置されることになる。
【００７１】
なお、図１２に示すように、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部が、パッドエリア６１および６２を結ぶ線分に対して直交する方向に細長い略長方形状である場合には、開口部５２を頂部の長手方向に並べて配置した方が、パッドエリア６２の重心と開口部５２との間の距離どうしの差が大きくなり、すなわち、距離の分布が大きくなるため、頂部の長手方向に沿って開口部５２を並べて配置する方が効果がある。一方、前述のように、図１に示す第１実施形態における赤外線発光素子１００のように、頂部がパッドエリア６１および６２を結ぶ線分の延びる方向に細長い略長方形状である場合には、開口部５２を頂部の長手方向に並べて配置した方が、端手方向に並べて配置する場合に比較して、パッドエリア６２の重心と開口部５２の重心との間の距離の分布が大きくなるが、図１に示す赤外線発光素子１００の場合には、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部がパッドエリア６１および６２を結ぶ線分の延びる方向に細長い略長方形状であるため、第３実施形態における赤外線発光素子３００とは逆に、パッドエリア６１および６２を結ぶ線分の延びる方向に開口部５２を並べて配置した方が、より効果を得ることができる。
【００７２】
開口部５２の形状は図１１に示すような長方形状のオーバル形状でも良く、図１３に示すように、複数の正方形状のオーバル形状であってもよい。他に、角のある長方形、正方形、角のない形状として、丸型、楕円型、その他オーバル形状など、これに限定されない。また、図１４に示すように、重心が直線上に並ぶ円形の複数の開口部５２の直径を段階的に変化させ、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部の長手方向端部に近いほど、開口部５２の直径が大きく、且つ開口部５２どうしの重心間の距離が長くなるように配置する等、各開口部５２の形状およびサイズは２種類以上あっても良く、開口部５２どうしの重心間距離が２種類以上存在しても良い。
【００７３】
また、特に図１１に示すように、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部の長手方向に並べて複数の開口部５２が配置され、パッドエリア６２の重心と開口部５２の重心との間の距離が大きく分布した複数の開口部５２を有する場合、パッドエリア６２と各開口部５２との垂直距離（図１１中にＤと図示）が狭ければ狭いほど第２電極部４０中での電流拡散が起こりにくくなるため、本発明の効果が得られやすい。
【００７４】
図１５は、図１１に示す第３実施形態における赤外線発光素子３００に対する比較例としての、赤外線発光素子９００の構成の一例を模式的に示す平面図である。
図１５に示すように、比較例における赤外線発光素子９００では、第２電極部４０とメサ型化合物半導体積層部１０の第１導電型半導体層１１とが、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に形成された１つの大きな開口部５２を介して電気的に接続される点で、図１１に示す第３実施形態における赤外線発光素子３００と異なる。
【００７５】
赤外線発光素子３００の場合、パッドエリア６２、第２電極部４０、第２導電型半導体層１３、発光層１２、第１導電型半導体層１１、第１電極部３０、パッドエリア６１からなる回路において、メサ型化合物半導体積層部１０の、パッドエリア６１と６２とを結ぶ線分を含む領域Ｍｃが、電気抵抗が比較的小さな領域となり、この領域に注入電流が集中することになる。その結果、発光層１２において発光する領域に偏りが生じ、効率の良い発光が見込めない。また、狭い領域に注入電流が集中するため、当該部位での劣化が素子の中で比較的早く進行する恐れがあり、長期信頼性にも不安がある。
【００７６】
これに対し、図１１に示すように、絶縁層２０で区切って複数の開口部５２を頂部の長手方向に並べて配置し、すなわち注入電流を発光層１２に均一に注入できる方向へ分散して配置しているため、パッドエリア６２、第２電極部４０、第２導電型半導体層１３、発光層１２、第１導電型半導体層１１、第１電極部３０、パッドエリア６１からなる回路において、各開口部５２を介して第２電極部４０と第２導電型半導体層１３とが電気的に接続される経路それぞれにおいて、抵抗にばらつきはあるが、経路間における抵抗の偏りは抑制されることになり、図１５に示す１つの開口部５２を有する場合の抵抗の偏りに比較して小さくなる。
【００７７】
その結果、メサ型化合物半導体積層部１０において、抵抗の偏り、すなわち電位差が抑制された複数の経路で注入電流が流れることになり、発光層１２へより均一に注入電流を拡散させることができる。その結果、光取出し効率、信頼性を向上させることができる。
また、図１５に示すように、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に、頂部と同等の大きさの１つの開口部５２を設けた場合、メサ型化合物半導体積層部１０の、パッドエリア６１と６２とを結ぶ線分を含む領域Ｍｃに注入電流が集中しやすい。開口部５２を通る経路の抵抗は、パッドエリア６１と開口部５２との間の距離だけでなく、開口部５２の開口面積によっても変わるため、前述の図１４に示すように、頂部のパッドエリア６１と６２とを結ぶ線分に近い場所に位置する開口部５２ほど、開口部の直径が小さくかつ、開口部５２間の重心間隔が小さくなるように配置し、各開口部５２を通る経路の抵抗が、領域Ｍｃに近い側に位置する開口部５２ほど小さくなるようにすることによって、各開口部５２を通る経路の抵抗の偏りを効率よく抑制することができる。
【００７８】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
図１６は、本発明の第４実施形態に係る赤外線発光素子４００の構成例を模式的に示す平面図である。
第４実施形態における赤外線発光素子４００は、図６に示す第２実施形態における赤外線発光素子２００において、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に、図１に示す第１実施形態における赤外線発光素子１００のメサ型化合物半導体積層部１０のように、複数の開口部５２を設けたものである。
【００７９】
第１電極部３０、第２電極部４０は、それぞれ対応する開口部５１、５２を介して、第２導電型半導体層１３、第１導電型半導体層１１に電気的に接続される。このとき、図１６に示すように、各開口部５１、５２は、各開口部５１の重心とパッドエリア６１の重心との間の距離どうしが異なり、また各開口部５２の重心とパッドエリア６２の重心との間の距離どうしが異なり、各開口部の重心と各パッドエリアの重心との間の距離の分布が大きくなるように配置されている。このように、開口部５１、５２ともに、発光層１２に均一に注入電流を拡散させることができるように配置することによっても、発光層１２へ均一に注入電流を拡散させることができ、光取り出し効率および信頼性を向上させることができる。
【００８０】
なお、この場合も、開口部５１および５２の形状は図１６に示すような長方形状のオーバル形状でも良く、複数の正方形オーバル形状であってもよい。他に、角のある長方形、正方形、角のない形状として、丸型、楕円型、その他オーバル形状など、これに限定されない。また、各開口部５１および５２の形状およびサイズは２種類以上あっても良く、開口部５１、５２はそれぞれ重心間距離が２種類以上存在しても良い。
【００８１】
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態を説明する。
図１７は、本発明の第５実施形態に係る赤外線発光素子５００の構成例を模式的に示す平面図である。
上記第１〜第４実施形態に記載された赤外線発光素子、すなわち第１導電型半導体層１１と発光層１２と第２導電型半導体層１３とによるＰＮ接合またはＰＩＮ接合からなる、フォトダイオード構造を含むダイオードは、第１電極部３０および第２電極部４０を配線として利用して複数個の赤外線発光素子を接続しても、上記と同等の作用効果を得ることができる。このとき、パッドエリア６１および６２は、両端に存在する赤外線発光素子の、それぞれ第１電極部３０、第２電極部４０上に形成される。例として図１７には、図１４に示す、第３実施形態における赤外線発光素子３００の変形例としての赤外線発光素子からなるダイオードを複数個直列に接続した形態を示す。このとき、全てのダイオードで同じように第１電極部３０、第２電極部４０にそれぞれ１つの開口部５１、５２を形成しても効果は得られるが、図１７に示すように最も端部に存在するダイオード２００Ｒ、２００Ｌにのみ、パッドエリア６１、６２と接続する第１、第２電極部３０、４０で接続される領域に本発明の複数の開口部５１、５２を形成すると、本発明の効果が得られるのに加えて、全ダイオードでのコンタクト抵抗の総和が減少するため電流注入効率が向上し、より効果が向上する。
【００８２】
第５実施形態における赤外線発光素子５００は、図１７に示すように、端部を除く赤外線発光素子２００Ｍは、上面視が略長方形の四角錘形状のメサ型化合物半導体積層部１０の頂部に、第２電極部４０と第２導電型半導体層１３とを電気的に接続するための、頂部と同等程度の大きさの長方形状の１つの開口部５２が形成され、領域１５ａには、第１電極部３０と第１導電型半導体層１１とを電気的に接続するための、頂部の長手方向に長い略長方形の１つの開口部５１が形成されている。さらに、右端の赤外線発光素子２００Ｒの第１電極部３０には、パッドエリア６１が形成され、第１電極部３０は、頂部の長手方向に沿って配置された直径の異なる円形の複数の開口部５１Ｒを介して第１導電型半導体層１１と電気的に接続され、第２電極部４０は、頂部の長手方向に沿って配置された、頂部と同等程度の大きさの長方形状の１つの開口部５２Ｒを介して第２導電型半導体層１３と電気的に接続される。また、左端の赤外線発光素子２００Ｌの第２電極部４０は、頂部の長手方向に沿って配置された直径の異なる円形の複数の開口部５２Ｌを介して第２導電型半導体層１３と電気的に接続され、第１電極部３０は、頂部の長手方向に長い略長方形の１つの開口部５１Ｌを介して第１導電型半導体層１１と電気的に接続される。
【００８３】
開口部５１および５２の形状は図１６に示すような長方形状のオーバル形状でも良く、複数の正方形オーバル形状であってもよい。他に、角のある長方形、正方形、角のない形状として、丸型、楕円型、その他オーバル形状など、これに限定されない。また、各開口部５１および５２の形状およびサイズは２種類以上あっても良く、開口部５１、５２はそれぞれ重心間距離が２種類以上存在しても良い。
【００８４】
なお、この第５実施形態では赤外線発光素子を複数直列に接続した場合について説明したが、これに限るものではなく分岐させて並列に接続することも可能である。
また、上記各実施形態では、第１電極部３０と第１導電型半導体層１１とを接続するための開口部５１は、各開口部５１の重心と第１電極部３０に設けられたパッドエリア６１の重心との間の距離の分布が大きくなるように配置する場合について説明したが、これに限るものではなく、各開口部５１の重心と第２電極部４０に設けられるパッドエリア６２の重心との間の距離の分布が大きくなるように配置する場合であっても同様の効果を得ることができる。同様に、開口部５２は、各開口部５２の重心と第２電極部４０に設けられたパッドエリア６２の重心との間の距離の分布が大きくなるように配置する場合について説明したが、各開口部５２の重心と第１電極部３０に設けられるパッドエリア６２の重心との間の距離の分布が大きくなるように配置する場合であっても同様の効果を得ることができる。
【００８５】
また、上記各実施形態では、複数の開口部５１を備える場合、あるいは複数の開口部５２を備える場合、開口部５１、５２の大きさを、開口部ごとに異なる大きさにする場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば２つの開口部ごとなど、複数の開口部ごとに、異なる大きさに変更するようにしてもよい。同様に、隣り合う開口部ごとに、開口部間の距離を変更する場合に限るものではなく、２つの開口部ごとなど、複数の開口部ごとに、隣り合う開口部間の距離を変更するようにしてもよい。
【００８６】
また、上記各実施形態では、各開口部５１、５２を直線状に配置する場合について説明したが、これに限るものではなく、パッドエリア６１（または６２）の重心と、各開口部５１の重心との間の距離の分布が大きくなるように、また、パッドエリア６２（または６１）の重心と、各開口部５２の重心との間の距離の分布が大きくなるように配置すれば、注入電流が集中することを抑制するができる。
【００８７】
＜実施形態の効果＞
このように、本実施形態では、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部に、複数の開口部５２を配置し、また、底部領域１５に複数の開口部５１を配置し、各開口部５１、５２を、注入電流を均一に発光層１２へ拡散できるような方向へ分散して配置し、電流経路となるメサ型半導体積層部内の各部位における電位差を打ち消すように配置することにより、発光層１２へ均一に注入電流を拡散させることができる。その結果、光取出し効率、信頼性を向上させることができる。
【実施例】
【００８８】
以下、本実施形態の赤外線発光素子のより具体的な実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１８（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板５上に、第１導電型（例えば、ｎ型）半導体層１１として、Ｓｎを濃度１×１０１９［ｃｍ−３］ドーピングしたＩｎＳｂ層を１μｍ形成した。さらに、その上に発光層１２としてＺｎを濃度２．５×１０１６ドーピングしたＩｎＳｂ層をπ−ＩｎＳｂとして２μｍ形成した。さらに、その上に第２導電型（例えば、ｐ型）のバリア層１２ａとして、Ｚｎを濃度１×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたＡｌ０．１８Ｉｎ０．８２Ｓｂを２０ｎｍ形成した。さらに、その上に第２導電型半導体層１３として、Ｚｎを濃度１×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。第１導電型半導体層１１と、発光層１２と、第２導電型のバリア層１２ａと、第２導電型半導体層１３とが、ＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造をなす化合物半導体積層体を形成した。
【００８９】
次に、この化合物半導体積層部上にレジストパターンを形成した。そして、このレジストパターンをマスクに化合物半導体積層体をエッチングした。これにより、基板５上に図１８（ｂ）に示した様な頂部と底部とを有するメサ構造のメサ型化合物半導体積層部１０および底部領域１５を形成した。このとき、メサ型化合物半導体積層部１０の面積は、マスクサイズで５６×５６μｍの正方形とした。
【００９０】
次に、メサ型化合物半導体積層部１０の全面に第一の保護層２１としてＳｉＯ２を３０００Å、第二の保護層２２としてＳｉＮを２０００Å形成した。この第一の保護層２１と第二の保護層２２とが絶縁層２０となる。
次に、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部（すなわち、第２導電型半導体層１３）上の一部と、底部（すなわち、底部領域１５）上の一部とをそれぞれ開口し、それ以外の領域を覆うレジストパターンを形成した。
【００９１】
そして、このレジストパターンをマスクにＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜を順次ドライエッチングした。これにより、図１９（ａ）に示すように、ＳｉＮ膜及びＳｉＯ２膜（つまり、絶縁層２０）の下から、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部と底部領域１５とをそれぞれ露出させた。この作業により、メサ型化合物半導体積層部１０の頂部の開口部５２と底部領域１５の開口部５１とが形成される。実施例１では、図２０に示すように４×４個の開口部５２を分布して配置させ、各々の形状は１辺８．５μｍ正方形型のオーバル形状とした。
【００９２】
さらに、第１電極部３０および第２電極部４０を形成するために、基板５上方にレジストパターンを形成し、Ｔｉを１０００Å、Ｐｔを２００Å、Ａｕを３０００Å、この順で蒸着し、その後リフトオフを行った。これにより、第１電極部３０と、第２電極部４０とを形成し、赤外線発光素子１１００を得た（図１９（ｂ））。
上記の製造方法で得られた赤外線発光素子１１００の平面図を図２０に示す。
【００９３】
実施例１で作成した赤外線発光素子１１００の発光強度測定を行ったところ、後述の図２１の比較例で示す赤外線発光素子１０００に比べて同一電流を流した場合に１．６２倍の発光強度を得ることができた。このとき、消費電力は１．０６倍となるが、それと比較しても十分効率が上昇しているとみることができる。発光層へ均一に電流が注入されるようになったため、発光効率が上昇したと考えることができる。
【００９４】
＜実施例２＞
開口部５２の形状を８×８（各々は直径１．５μｍの円形状）とする以外は実施例１と同様の工程を経て赤外線発光素子１２００を得た。図２２に赤外線発光素子１２００の平面図を示す。
実施例２で作成した赤外線発光素子１２００の発光強度測定を行ったところ、図２１に示す比較例の赤外線発光素子１０００に比べて同一電流を流した場合に４．０倍の発光強度を得ることができた。このとき、消費電力は１．１３倍となるが、それと比較しても十分効率が上昇しているとみることができる。発光層へ均一に電流が注入されるようになったため、発光効率が上昇したと考えることができる。
【００９５】
＜比較例＞
開口部５２の形状を大きな一つの開口部とする以外は実施例１と同様の工程を経て比較として、赤外線発光素子１０００を得た。図２１に比較例としての赤外線発光素子１０００の平面図を示す。上記実施例で示したように、本発明を適用したほうが、発光強度が向上することが明らかとなった。
【００９６】
＜その他＞
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態や実施例に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態や実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、各実施形態や実施例を任意に組み合わせてもよく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす、すべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の赤外線発光素子は、ガスセンサに用いる半導体赤外線発光素子として好適である。
【符号の説明】
【００９８】
１００、２００、３００、４００、５００  赤外線発光素子
７００、８００、９００、１０００  赤外線発光素子（比較例）
１１００、１２００  赤外線発光素子
１０  メサ型化合物半導体積層部
１１  第１導電型半導体層
１２  発光層
１３  第２導電型半導体層
１５  底部領域
２０  絶縁層
３０  第１電極部
４０  第２電極部
５１、５２  開口部
【図１】
2015185801.tif 000003
【図２】
2015185801.tif 000004
【図３】
2015185801.tif 000005
【図４】
2015185801.tif 000006
【図５】
2015185801.tif 000007
【図６】
2015185801.tif 000008
【図７】
2015185801.tif 000009
【図８】
2015185801.tif 000010
【図９】
2015185801.tif 000011
【図１０】
2015185801.tif 000012
【図１１】
2015185801.tif 000013
【図１２】
2015185801.tif 000014
【図１３】
2015185801.tif 000015
【図１４】
2015185801.tif 000016
【図１５】
2015185801.tif 000017
【図１６】
2015185801.tif 000018
【図１７】
2015185801.tif 000019
【図１８】
2015185801.tif 000020
【図１９】
2015185801.tif 000021
【図２０】
2015185801.tif 000022
【図２１】
2015185801.tif 000023
【図２２】
2015185801.tif 000024