红外线发光元件的制作方法

专利名称：红外线发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外线发光元件。
背景技术：
一般波长3μπι以上的长波红外线由于其热效应、气体吸收红外线的效应而被使 用于检测人体的人感传感器、非接触温度传感器以及气体传感器等中。在这些使用例中，特 别是气体传感器能够使用于监视、保护大气环境，还能够使用于火灾的早期检测等，近年来 备受关注。使用了上述红外线的气体传感器的原理如下。首先，对红外线光源与受光元件 之间的空间注入要测量的气体。由于特定的气体吸收特定波长的红外线，因此通过分析注 入气体之前和注入气体之后的波长谱能够测量气体的种类、浓度。在此，使用白炽灯作为红 外线光源，但是从白炽灯发出的红外线为白色光，因此为了对特定的波长进行分光，需要在 受光元件侧设置滤光器。上述滤光器较昂贵，并且会降低红外线的强度，因此会降低气体传 感器的灵敏度。并且由于白炽灯的寿命较短，因此需要频繁地更换光源。为了解决上述问题，使用发出特定波长的红外线的半导体发光元件(LED =Light Emitting Diode:发光二极管)作为光源较有效。在此，为了实现上述发光元件，需要发出 波长3μπι以上的长波红外线的元件，但是在该波长区域中周边温度对元件的影响非常大， 在室温条件下使用时存在问题。上述发光元件一般是在具有能够发出波长3μπι以上的红 外线的带隙的半导体中形成所谓的ρη结二极管结构，通过在上述ρη结二极管中流过正向 电流使电子与空穴在作为结部分的耗尽层中再次结合来发出红外线。然而，能够发出波长3 μ m以上的红外线的半导体的带隙小到0. 41eV以下。在这 种带隙较小的半导体中，由于热激发载流子而室温条件下的本征载流子密度变大，元件的 电阻变小，因此无法得到充分的ρη 二极管的特性。这是由于在本征载流子密度较大的情况 下，扩散电流、暗电流这种元件的漏电流变大。因此，在这些发光元件中为了抑制热激发载 流子，以往一般使用珀耳帖元件(乂 ^ ★工素子)等冷却机构。然而，上述冷却机构存在 使装置大型且昂贵这种问题。为了解决上述问题，研究开发一种发光元件，该发光元件即使在室温条件下也能 够发出长波红外线。例如非专利文献1所记载的发光元件在P型锑化铟(InSb)衬底上制 作InSb的ρ-π-η结构的二极管，在ρ层与π层之间使用用于抑制电子扩散的AlInSb势 垒层，由此实现在室温条件下发出波长5. 5 μ m以上的红外线。如下述非专利文献1那样，以往在带隙较小的半导体材料中，一般电子的迁移率 远远大于空穴的迁移率，因此将重点放在抑制电子的漏电流(扩散电流、暗电流)。然而，在 使电子与空穴再次结合的发光元件中，为了进一步提高元件特性，不仅需要抑制电子的暗 电流、扩散电流，还需要抑制空穴的暗电流、扩散电流。本发明是鉴于这一点而完成的，其目的在于提供一种抑制在室温条件下热激发出 的空穴引起的扩散电流和暗电流的红外线发光元件。非专利文献1 :T. Ashley et al.，“Uncooled InSb/Inl-XAlXSbmid-infraredemitter, "Applied Physics Letters,64(18),2Mayl994, pp.2433-2435

发明内容
为了提供这种红外线发光元件，本发明的第一方式是一种红外线发光元件，其特 征在于，具备半导体衬底；上述半导体衬底上的第一 η型化合物半导体层；上述第一 η型 化合物半导体层上的η型宽带隙层；以及上述η型宽带隙 层上的ρ型掺杂的π层，其中，上 述η型宽带隙层以外的层的带隙为0. 41eV以下，上述η型宽带隙层的带隙大于上述第一 η 型化合物半导体层和上述η层的带隙。另外，本发明的第二方式的特征在于，在第一方式中，上述π层被直接配置在上 述η型宽带隙层上。另外，本发明的第三方式的特征在于，在第一方式中，在上述η型宽带隙层与上述 JI层之间还具备第二 η型化合物半导体层，该第二 η型化合物半导体层的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同。另外，本发明的第四方式的特征在于，在第一至第三方式中的任一个中，上述π 层的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同，上述η型宽带隙层的膜厚为临界膜 厚以下。另外，本发明的第五方式是一种红外线发光元件，其特征在于，具备半导体衬底； 上述半导体衬底上的第一 η型化合物半导体层；上述第一 η型化合物半导体层上的临界膜 厚以下的η型宽带隙层；上述η型宽带隙层上的第二 η型化合物半导体层，其在与上述η型 宽带隙层之间的界面处的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同，且组份在膜厚 方向上倾斜；以及上述第二 η型化合物半导体层上的π层，其是ρ型掺杂的π层，在与上 述第二η型化合物半导体层之间的界面处的组份与上述第二η型化合物半导体层的组份相 同，其中，上述η型宽带隙层以外的层的带隙为0.41eV以下，上述η型宽带隙层的带隙大于 上述第一η型化合物半导体层和上述η层的带隙。另外，本发明的第六方式是一种红外线发光元件，其特征在于，具备半导体衬底； 上述半导体衬底上的第一 η型化合物半导体层；上述第一 η型化合物半导体层上的临界膜 厚以下的η型宽带隙层；上述η型宽带隙层上的ρ型掺杂的组份过渡层，其在与上述η型宽 带隙层之间的界面处的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同，且组份在膜厚方 向上倾斜；以及上述组份过渡层上的η层，其是P型掺杂的η层，在与上述组份过渡层之 间的界面处的组份与上述组份过渡层的组份相同，其中上述η型宽带隙层以外的层的带隙 为0. 41eV以下，上述η型宽带隙层的带隙大于上述第一 η型化合物半导体层的带隙和上述 JI层的带隙。另外，本发明的第七方式的特征在于，在第四至第六方式中的任一个中，在上述第 一 η型化合物半导体层与上述η型宽带隙层之间至少具备第一重复层和第二重复层各一 层，该第一重复层的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同，该第二重复层的组 份与上述η型宽带隙层的组份相同，交替配置上述第一重复层与上述第二重复层，上述第 二重复层的膜厚为临界膜厚以下。另外，本发明的第八方式的特征在于，在第一至第七方式中的任一个中，上述第一 η型化合物半导体层和π层是InAs、InSb, InAsSb或者InSbN中的任一个，上述η型宽带隙层是AllnSb、GaInSb或者AlAs、GaAs, Al Sb, GaSb或者它们的混晶中的任一个。另外，本发明的第九方式的特征在于，在第一至第八方式中的任一个中，以与上述第一 η型化合物半导体层的掺杂浓度相同的浓度对上述η型宽带隙层进行掺杂。另外，本发明的第十方式的特征在于，在第一至第九方式中的任一个中，还具备ρ 型化合物半导体层，该P型化合物半导体层被配置在上述η层上，以比上述η层的掺杂浓 度高的浓度对该P型化合物半导体层进行P型掺杂，并且该P型化合物半导体层的组份与 上述第一 η型化合物半导体层或者上述JI层的组份相同。另外，本发明的第十一方式的特征在于，在第一至第九方式中的任一个中，还具备 P型宽带隙层，该P型宽带隙层被直接配置在上述η层上，以比上述η层的掺杂浓度高的 浓度对该P型宽带隙层进行P型掺杂，并且该P型宽带隙层具有比上述第一 η型化合物半 导体层的带隙和上述η层的带隙大的带隙。另外，本发明的第十二方式的特征在于，在第十一方式中，上述第一 η型化合物半导 体层和π层是InAs、InSb, InAsSb或者InSbN中的任一个，上述η型宽带隙层和上述ρ型宽 带隙层分别是AllnSb、GaInSb或者AlAs、GaAs, AlSb, GaSb或者它们的混晶中的任一个。另外，本发明的第十三方式的特征在于，在第十一或者第十二方式中，上述ρ型宽 带隙层为临界膜厚以下，在上述P型宽带隙层上还具备P型化合物半导体保护层，以与上述 P型宽带隙层的掺杂浓度同等以上的浓度该P型化合物半导体保护层进行P型掺杂。另外，本发明的第十四方式的特征在于，在第十三方式中，ρ型掺杂的上述ρ型化 合物半导体保护层的组份与第一η型化合物半导体层或者π层的组份相同。另外，本发明的第十五方式的特征在于，在第一至第十四方式中的任一个中，上述 第一 η型化合物半导体层的膜厚超过0. 1 μ m。另外，本发明的第十六方式的特征在于，在第一至第十五方式中的任一个中，上述 半导体衬底是半绝缘性的半导体衬底，或者是使得上述半导体衬底与形成于该半导体衬底 上的上述第一 η型化合物半导体层能够绝缘分离的半导体衬底，上述红外线发光元件还具 备如下部分第一电极，其形成在上述第一 η型化合物半导体层上的未形成上述π层的区 域内；以及第二电极，其形成在上述η层上。另外，本发明的第十七方式的特征在于，在第十六方式中，在上述半导体衬底上以 如下方式连续地形成有多个红外线发光元件，该方式为形成在上述红外线发光元件上的第 一电极与形成在形成有该第一电极的红外线发光元件相邻的红外线发光元件上的第二电 极串联连接。根据本发明，在由η型化合物半导体层和ρ型掺杂的π层构成的红外线发光元件 中，在η型化合物半导体层与η层之间设置带隙大于η型化合物半导体层与η层的带隙 的η型宽带隙层，由此抑制在室温条件下在η型化合物半导体层中由于热激发产生的空穴 向η层方向扩散，降低由空穴引起的ρη 二极管的暗电流，并且还抑制在η层侧由于热激 发产生的空穴向η型化合物半导体层侧扩散，由此能够提供一种ρη 二极管的扩散电流也降 低的二极管电阻较高的红外线发光元件。


图1是实施方式1所涉及的红外线发光元件的示意图。
图2是实施方式1所涉及的红外线发光元件的能带图。图3是表示第一 η型化合物半导体层中的位错的图。
图4是表示实施方式1所涉及的红外线发光元件的变形方式的图。图5是表示实施方式1所涉及的红外线发光元件的变形方式的图。图6是实施方式2所涉及的红外线发光元件的示意图。图7是实施方式3所涉及的红外线发光元件的示意图。图8是实施方式3所涉及的红外线发光元件的能带图。图9是实施方式4所涉及的红外线发光元件的示意图。图10是表示实施方式4所涉及的红外线发光元件的变形方式的图。图11是实施方式5所涉及的红外线发光元件的示意图。图12是表示第一 η型化合物半导体层的膜厚与蚀坑密度的关系的图。图13Α是表示比较例2-1的截面TEM (透过型电子显微镜)观察结果的图。图13Β是表示实施例2-1的截面TEM (透过型电子显微镜)观察结果的图。图13C是表示实施例2-2的截面TEM (透过型电子显微镜)观察结果的图。图14是表示使用了比较例2-1以及实施例2-1的结构的PIN 二极管的电流-电 压特性的图。图15是表示使用了比较例2-1以及实施例2-1的结构的PIN 二极管的发光特性 的图。图16是表示使用了实施例2-1以及实施例2-2的结构的PIN 二极管的发光特性 的图。
具体实施例方式下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。(实施方式1)图1是实施方式1所涉及的红外线发光元件的示意图。红外线发光元件100具备 半绝缘性的半导体衬底101 ；半导体衬底101上的第一 η型化合物半导体层102 ；第一 η型 化合物半导体层102上的η型宽带隙层103 ；η型宽带隙层103上的与第一 η型化合物半导 体层102的组份相同的第二 η型化合物半导体层104 ；第二 η型化合物半导体层104上的ρ 型掺杂的η层105 ； π层105上的电极106 ；以及第二 η型化合物半导体层104上的电极 107。红外线发光元件100是在第二 η型化合物半导体层104与π层105之间形成耗 尽层的所谓PN结二极管。在PN结部流过正向电流而使载流子再次结合来产生红外线。在本实施方式所涉及的红外线发光元件100中，η型宽带隙层103的带隙大于第 一 η型化合物半导体层102和π层105的带隙，抑制在室温条件下在η型化合物半导体层 中由于热激发而产生的空穴向η层方向扩散、即抑制二极管的暗电流。在此，图2示出其 样子。在第一 η型化合物半导体层102中产生的作为少数载流子的空穴(孔)要向η层 105方向扩散，但是通过在第一 η型化合物半导体层102与π层105之间设置带隙大于第 一 η型化合物半导体层102和π层105来抑制该扩散的η型宽带隙层103，减少了暗电流。 η型宽带隙层103由于η型掺杂而其带隙相对地向价带方向位移，作为空穴的扩散势垒而有效地发挥功能。也就是说，将η型宽带隙层103调整为通过其带隙和η型掺杂来抑制空穴 的扩散。另外，在π层105中由于热激发而产生的空穴一般因ρη结形成的内部电场而向 η层105方向移动，但是其一部分由于扩散而向η型化合物半导体层102移动，成为二极管 的扩散电流。如上所述，在能够吸收波长3μπι以上的红外线的带隙较小的半导体中，即使 在室温条件下也由于热激发而本征载流子密度变大。在此，扩散电流具有与本征载流子密 度的平方成正比的关系，即本征载流子密度越大扩散电流越大。较大的扩散电流会降低元 件的二极管电阻，因此抑制扩散电流特别重要。如图2所示，η型宽带隙层103还成为空穴的扩散电流的势垒。因而能够抑制扩 散电流。在化合物半导体层为氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)那样的本来带隙就较大而能够 忽视热激发载流子的影响、扩散电流本来就较小的化合物半导体的情况下，这些没有意义， 是如上所述那样带隙较小的半导体才能得到的效果。并且，如图2所示，在使用红外线发光元件100作为发光元件的情况下，能够抑制 从η层105侧注入的空穴向η型化合物半导体层102中扩散，因此还能够提高在由ρη结 形成的耗尽层内电子与空穴再次结合的效率。为了抑制由热激发产生的上述空穴扩散引起的暗电流和扩散电流，所需的η型宽 带隙层103与价带的能量差ΔΕ的大小需要大于空穴所具有的能量。在此，对空穴提供的 能量有热能量，在室温的情况下大约为25meV。因而，优选这种情况下的ΔΕ的大小至少在 热能量以上，在室温的情况下为25meV以上。并且，在发光元件的情况下，为了抑制由于向二极管方向的正偏压而注入的空穴 向η型化合物半导体层102中扩散，优选ΔΕ至少大于PN结的电位差。一般为了防止隧道 漏电流而将PN结的电位差设得小于带隙，因此Δ E优选至少为第一和第二 η型化合物半导 体层102和104以及π层105的能量带隙大小的50%以上，更优选为80%以上，进一步优 选为同等以上。例如在第一和第二 η型化合物半导体层102和104以及π层105中使用 InSb的情况下，在室温条件下，Δ E优选为0. 09eV以上，更优选为0. 14eV以上，进一步优选 为0. ISeV以上。为了得到上述ΔΕ，适合的η型宽带隙层103的带隙大小优选为第一和第 二 η型化合物半导体层102和104以及π层105的能量带隙大小的1.5倍以上，更优选为 2倍以上，进一步优选为2. 3倍以上。但是，除了 η型宽带隙层103的带隙大小以外，还能够 通过材料的电子亲和力、对η型宽带隙层掺杂的掺杂浓度来调整上述ΔΕ的大小。接着，下面详细说明本实施方式所涉及的红外线发光元件100的各结构要素。首先，构成η型宽带隙层103以外的层的化合物半导体是窄带，特别优选能够吸收 和产生波长3μπι以上的长波红外线的、带隙在0.41eV以下的化合物半导体。假设在室温 条件下使用元件，因此更优选在室温条件下带隙为0. 41eV以下，但是在元件的使用温度不 是室温的情况下，只要在这些使用温度条件下带隙为0. 41eV以下即可。另外，优选为能够 发出波长3. 6 μ m以上的红外线的0. 36eV以下，更优选为能够发出波长5 μ m以上的红外线 的0. 25eV以下。这是由于，如上所述那样构成η型宽带隙层103以外的层的化合物半导体 的带隙越小，η型宽带隙层103抑制暗电流、扩散电流的效果越提高。在室温条件下能量 带隙为0. 41eV以下的窄带隙的化合物半导体能够使用InAs、 InSb、InAsSb或者InSbN中的任一个。InAs、InSb在室温条件下的能量带隙分别是0. 36eV、0. 18eV。InAsxSbh 混晶(0 < χ < 1)的能量带隙 Eg 以 0. 58χ2-0. 41χ+0. 18 = Eg 来表示， 具有非常大的非线性因子。因而，InAsSb在室温条件下的能量带隙低于InAs在室温条件 下的能量带隙，为0. 36eV以下。另外，已知InSlvyNy混晶(0 < y < 0. 01)的带隙具有更大 的非线性因子，氮N的组份y仅为0. 01而带隙大约接近0。另外，η型宽带隙层 103 能够使用 AllnSb、GaInSb 或者 AlAs、GaAs、AlSb、GaSb 或 者它们的混晶中的任一个。各η型宽带隙层在室温条件下的能量带隙由组份比来决定，例 如，Alai7Ina83Sb层在室温条件下的带隙为0. 46eV。与HgCdTe(MCT)那样的Hg的蒸汽压力 较高而结晶生长时的组份控制、再现性较难的材料相比，上述材料是能够制作稳定的化合 物、混晶半导体的材料，因而更理想。为了进一步提高 本实施方式所涉及的红外线发光元件100的元件特性，能够将π 层105的组份设为与第一 η型化合物半导体层102相同，将η型宽带隙层103的膜厚设为 临界膜厚以下。下面说明η型宽带隙层103的膜厚在临界膜厚以下的情况。红外线发光元 件100所具备的η型宽带隙层103的带隙大于第一 η型化合物半导体层102的带隙，组份 与第一 η型化合物半导体层102不同。通过测试可知，当在第一 η型化合物半导体层102 上形成这种层时，在半导体衬底101与第一 η型化合物半导体层102的界面处产生的失配 位错的传播朝向被改变，如图3所示那样，在η型宽带隙层103与第一 η型化合物半导体层 102的界面处传播朝向被向与界面平行的方向改变。朝向改变的位错在位错之间相互抵消， 或者制作位错环而再次返回到与半导体衬底101之间的界面。即，能够将位错封入在第一η 型化合物半导体层102中。后面说明实施例。由此能够大幅减少位错向PN结部分传播，能 够降低晶格缺陷对红外线发光元件100的元件特性的影响。化合物半导体层中的晶格缺陷 会作为载流子的泄露路径(U —々〃 7 )而有可能使二极管特性恶化，并且作为再结合中 心而有可能使发光特性恶化。此外，如上所述，上述η型宽带隙层103对来自衬底界面的贯 通位错的降低效果与生长临界膜厚以上的膜来使在膜中新产生的位错与来自衬底界面的 贯通位错相互抵消的方法、在衬底与活性层之间设置从衬底起逐渐改变组份的晶格匹配层 等方法的效果不同，能够以适合于批量生产的简单结构提高成为活性层的η层的结晶性， 并且还能够降低暗电流、扩散电流。η型宽带隙层103的带隙大于第一 η型化合物半导体层102、第二 η型化合物半导 体层104以及π层105的带隙，是组份与第一 η型化合物半导体层102不同的材料。当组 份不同时一般晶格常数也不同，关于η型宽带隙层103，使其晶格整体应变，与作为基底的 第一 η型化合物半导体层102晶格匹配来生长该η型宽带隙层103。在这种晶格匹配的状 态下能够生长的η型宽带隙层103的膜厚是所谓的“临界膜厚”。另一方面，当膜厚增加而 膜中的应变能量变大时，为了调节晶格常数的不同而向膜与基底之间的界面导入位错(失 配位错)会使膜的能量变低，因此从界面向膜中导入失配位错。即，“临界膜厚”是指不导 入失配位错而以晶格应变吸收晶格匹配的最大膜厚。由于将η型宽带隙层103的膜厚设为 临界膜厚以下并且第一 η型化合物半导体层102与第二 η型化合物半导体层104的组份相 同，因此第一 η型化合物半导体层102、η型宽带隙层103以及第二 η型化合物半导体层104 的晶格常数变得一致。因此能够抑制从η型宽带隙层103与第一 η型化合物半导体层102 以及第二 η型化合物半导体层104的界面产生新的失配位错。由此，能够得到结晶性较高 的η型宽带隙层103，能够提高上述的抑制暗电流和扩散电流的效果。并且与减小上述的来自界面的贯通位错的效果相配合，还能够提高活性层η层的结晶性，因此能够提高发光效 率。此外，在本说明书中使用的“组份相同”这种语言意味着除了组份完全相同的情况以外， 还包含与如下程度相同的情况，该程度为由晶格失配引起的应力不会使与临界膜厚以下的 η型宽带隙层之间的界面产生缺陷。半导体衬底101能够使用Si、GaAs等。结晶面具有(100)、(111)、(110)方向等。 半绝缘性的半导体衬底101的带隙一般大于0. 41eV,因此相对于长波红外线是透明的，因 此不妨碍从衬底侧取出所产生的红外线。在衬底侧没有电极，因此所产生的红外线不会被 电极遮断，因此较理想。另一方面，在本实施方式中使用了半绝缘性的衬底，但是也可以如 图4所示那样使用η型半导体衬底。在这种情况下，如图4所示，还能够在衬底的背面制作 一侧的电极407。第一 η型化合物半导体 层102是η型掺杂的窄带隙化合物半导体。窄带隙化合物 半导体的电子的迁移率与空穴的迁移率相比非常大，因此与P型掺杂相比，η型掺杂能够容 易地降低半导体层的薄层电阻。因而，通过对元件结构中占据较大面积的第一η型化合物 半导体层102进行η型掺杂，能够容易地降低红外线发光元件100的薄层电阻。当薄层电 阻增加时，在二极管的等效电路上与二极管串联连接的串联电阻增加。该串联电阻会消耗 注入到元件的电力，因此期望尽可能小。η型掺杂剂能够使用Si、Te、Sn、S、Se等。以与第一 η型化合物半导体层102同样的理由，能够调整η型宽带隙层103的η 型掺杂以得到期望的薄层电阻。此外，如上所述，η型宽带隙层103的η型掺杂还具有使其 带隙相对地向价带方向位移的效果。考虑所需带隙大小以及薄膜生长的容易度等来将η型宽带隙层103的组份设计为 适当的值。作为一例，在第一和第二 η型化合物半导体层101和104为InSb而η型宽带隙 层103为IrvxAlxSb的情况下，Al的组份为0. 06彡χ彡0. 7，更优选为0. 1彡χ彡0. 5，进 一步优选为0. 15 < χ < 0. 3。能够将膜厚设为各组份的临界膜厚以下，但是该膜厚大约为 IOnm至30nm左右。与第一 η型化合物半导体层102同样地，第二 η型化合物半导体层104也是η型 掺杂的窄带隙化合物半导体。η型掺杂的浓度不需要与第一 η型化合物半导体层102、η型 宽带隙层103相同，但是优选以不会提高元件的薄层电阻的程度进行掺杂，也可以与第一 η 型化合物半导体层102、η型宽带隙层103相同。π层105是ρ型掺杂的π层。在将η型宽带隙层103设为临界膜厚的情况下， 根据与说明第二 η型化合物半导体层104的理由相同的理由，将π层105的组份设为与第 一 η型化合物半导体层102的组份相同。P型掺杂的情况下的掺杂浓度优选为IXlO16原 子/cm3以上而小于1 X IO18原子/cm3,更优选为1 X IO16原子/cm3以上而小于1 X IO17原子 /cm3。另外，π层105的膜厚优选为0. 1 μ m以上3 μ m以下，更优选为0. 5μπι以上2μπι以 下。P型掺杂剂能够使用Be、Zn、Cd、C、Mg、Ge、Cr等。在半导体衬底101上依次形成层，通过化学蚀刻进行元件分离以及去除π层105 的一部分，然后形成电极106和107，由此得到红外线发光元件100。构成本实施方式所涉 及的红外线发光元件100的各化合物半导体层能够使用各种成膜方法来形成。例如，优选 使用分子束外延(MBE)法、金属有机物气相外延(MOVPE)法等。另外，作为元件的加工方法 例如使用如下方法首先使用酸或者离子减薄等来形成台阶以获取η型掺杂层和接触层，接着进行用于元件分离的台面蚀刻，之后利用SiN、SiO2等钝化膜覆盖之后，仅对电极部分 开窗，通过剥离法等形成Ti/Au、Cr/Au等的电极。另外，通过使用专用的掩模组能够制作串 联连接多个元件的结构。此外，第二 η型化合物半导体层104能够使用与η型宽带隙层103之间的界面处 的组份与第一 η型化合物半导体层102相同且在膜厚方向上组份倾斜的化合物半导体。将 JI层105的组份设为与第二 η型化合物半导体层104的上表面相同，与第一 η型化合物半 导体层102不同，由此在将η型宽带隙层103设为临界膜厚的情况下，能够调整红外线的发 光波长。另外，也可以在η型宽带隙层103上直接配置π层105。在这种结构中，为了在 将η型宽带隙层103设为临界膜厚的情况下使π层105的组份与第一 η型化合物半导体 层102不同，也可以在η型宽带隙层103与π层105之间设置ρ型掺杂的组份过渡层，该 P型掺杂的组份过渡层在与η型宽带隙层103之间的界面处的组份与第一 η型化合物半导 体层102相同，组份在膜厚方向上倾斜。 另外，如图5所示，通过将η型宽带隙层设为多层层叠层来增加多个能够阻止位错 的界面，能够进一步提高抑制位错向PN结部分传播的效果。在此，η型宽带隙层的膜厚都 在临界膜厚以下，但是其间的η型化合物半导体层的膜厚能够考虑η型掺杂的层(下面称 为“η型掺杂层”)整体的膜厚来任意地决定。另外，重复层叠几层也能够考虑η型掺杂层 整体的膜厚来任意地决定。另外，通过对第一和第二 η型化合物半导体层102和104进行高浓度掺杂，由于莫 斯-布尔斯坦(Burstein-Moss)位移，掺杂浓度越高，则越能够吸收而相对于红外线成为 透明。在从半导体衬底101侧提取红外线的情况下，由于半导体衬底101相对于红外线透 明，并且η型宽带隙层103也由于其带隙的大小而透明，因此能够有效地提取在存在于π 层105的PN结耗尽层部分产生的红外线，能够提高元件的外部量子效率。掺杂浓度优选为 IX IO18原子/cm3以上，更优选为IX IO19原子/cm3以上。另外，为了提高在半导体衬底101上生长的第一 η型化合物半导体层101的结晶 性，也有时在半导体衬底101与第一 η型化合物半导体层102之间使用缓和晶格失配的缓 冲层，该缓冲层的晶格常数为半导体衬底101与第一 η型化合物半导体层102的中间程度。 在这种情况下，缓冲层选择不吸收红外线光的材料。在本实施方式中，在π层105上使用了 ρ型层而在π层105以外使用了 η型层， 在替换η型与ρ型的结构中，通过宽带隙层能得到抑制电子的暗电流、扩散电流以及降低由 晶格缺陷引起的元件特性恶化这种效果。其中，关于第一 η型化合物半导体层102，如说明 那样，当设为P型掺杂时，会导致元件的薄层电阻增加。另外，P型化合物半导体容易吸收 长波红外线，因此难以从衬底侧取出红外线。另外，图1示出的红外线发光元件100在第二 η型化合物半导体层104上设置了 电极107，但是也可以设置成与η型宽带隙层103或者第一 η型化合物半导体层102相连接 的形式。但是，由于为了降低η型掺杂层的薄层电阻而它们的膜厚越厚越好，因此作为设置 电极107的位置，优选图1示出的第二 η型化合物半导体层的正上方(或者η型掺杂层的 上表面)。(实施方式2)
图6示出实施方式2所涉及的红外线发光元件600。从半导体衬底101至π层 105为止与实施方式1相同，并且可考虑同样的变形方式。红外线发光元件600还具备ρ型 化合物半导体层601，该ρ型化合物半导体层601被配置在π层105上，以比π层105的 掺杂浓度高的浓度对该P型化合物半导体层601进行ρ型掺杂，并且该ρ型化合物半导体 层601的组份与上述第一 η型化合物半导体层或者上述π层相同。该结构是所谓PIN 二 极管的结构。以比π层105的掺杂浓度高的浓度对ρ型化合物半导体层601进行ρ型掺杂，因 此与实施方式1的示例相比，能够使从η型掺杂层(101 104)侧注入的电子更有效地停 留在η层中，从而提高载流子的再次结合发光效率。并且由于高浓度地进行P型掺杂，因 此能够降低与电极106之间的接触电阻。ρ型化合物半导体层601的ρ型掺杂浓度优选为 7Χ1017原子/cm3以上，更优选为IXlO18原子/cm3以上。
(实施方式3)图7示出实施方式3所涉及的红外线发光元件700。从半导体衬底101至π层 105为止与实施方式1相同，并且可考虑同样的变形方式。红外线发光元件700还具备ρ型 宽带隙层701，该ρ型宽带隙层701被直接配置在π层105上，以比π层105的掺杂浓度 高的浓度对该P型宽带隙层701进行ρ型掺杂，并且该ρ型宽带隙层701具有比第一 η型 化合物半导体层102和π层105的带隙大的带隙。该结构也是所谓PIN 二极管结构。图8是实施方式3所涉及的红外线发光元件中的能量带隙的示意图。通过将ρ型 宽带隙层701的带隙设为大于第一 η型化合物半导体层102和π层105的带隙，能够有效 地抑制P型宽带隙层701中的由于热激发而产生的作为少数载流子的电子。由此，利用ρ型 宽带隙层701能够抑制由流向π层105侧的电子引起的暗电流，并且抑制在π层105中 由于热激发而产生的流向P型宽带隙层701侧的电子的扩散电流，从而有效地抑制二极管 电阻下降。在此，ρ型宽带隙层701是无法产生长波红外线程度的宽带隙，但是在π层105中 会产生红外线，因此不成问题。另外，与实施方式2的情况相比，能够进一步抑制从η型掺 杂层(101 104)侧注入的电子向ρ型宽带隙层701扩散，因此还能够进一步提高在π层 105内电子与空穴的再次结合发光效率。考虑所需带隙的大小和薄膜生长的容易度等来将ρ型宽带隙层701的组份设计成 适当的值。作为一例，在窄带隙化合物半导体为InSb而ρ型宽带隙层为IrvxAlxSb的情况 下，Al的组份为0. 06彡χ彡0. 7、更优选为0. 1彡χ彡0. 5、进一步优选为0. 15彡χ彡0. 3。 另外，P型宽带隙层701的ρ型掺杂浓度优选为7 X IO17原子/cm3以上，更优选为1 X IO18原 子/cm3以上。(实施方式4)图9示出实施方式4所涉及的红外线发光元件900。从半导体衬底101至π层 105为止与实施方式1相同，并且可考虑相同的变形方式。还具备ρ型宽带隙层这一点与实 施方式3相同，ρ型宽带隙层在π层105上，以比π层105的掺杂浓度高的浓度对该ρ型 宽带隙层进行掺杂，并且该P型宽带隙层具有比第一 η型化合物半导体层102和π层105 的带隙大的带隙，但是在本实施方式中，将P型宽带隙层901设为临界膜厚以下(大约IOnm 至30nm左右)。由此，防止在与π层105之间的界面处产生失配位错等晶格缺陷，能够提高P型宽带隙层901的结晶性，能够抑制由晶格缺陷引起的漏电流。并且在本实施方式中， 在P型宽带隙层901上具备以比π层105的掺杂浓度高的浓度对该P型宽带隙层901进 行了 P型掺杂的P型化合物半导体保护层902。ρ型宽带隙层901在临界膜厚以下而非常 薄。因而，当在P型宽带隙层901上直接形成电极时，在形成电极的工艺中有可能受到一些 损伤。P型化合物半导体保护层902具有保护ρ型宽带隙层901免受这种损伤的作用。此外，ρ型化合物半 导体保护层902成为与电极106的接触层。与电极的接触电 阻成为等效电路上的串联电阻，会消耗发光元件的电力。因而，为了降低P型化合物半导体 保护层902与电极106之间的接触电阻，优选对P型化合物半导体保护层902进行与ρ型 宽带隙层901同等或者其以上的ρ型掺杂。特别是优选ρ型掺杂浓度为7 X IO17原子/cm3 以上，更优选为IX IO18原子/cm3以上。并且ρ型化合物半导体保护层902的膜厚优选为 0. 05 μ以上1 μ m以下，更优选为0. 1 μ m以上0. 7 μ m以下。另外，如上所述，ρ型化合物半导体保护层902成为与电极106接触的接触层，因 此优选其薄层电阻尽可能小。因而，P型化合物半导体保护层902的带隙优选小于P型宽 带隙层801的带隙。这是由于带隙较小的半导体的薄层电阻也小。在此，当将ρ型化合物 半导体保护层902的组份设为与第一 η型化合物半导体层102或者π层105的组份相同 时，由于带隙较小，因此也能够使其薄层电阻较小。并且，晶格常数接近于临界膜厚以下的 P型宽带隙层901的晶格常数，因此不会对ρ型宽带隙层901施加应力，能够进一步提高其 结晶性。特别是在组份与η层105相同的情况下，π层105、ρ型宽带隙层901以及ρ型 化合物半导体保护层902的晶格常数一致而能够进行较高结晶性的膜生长，因此较理想。图10示出红外线发光元件900的变形方式110。红外线发光元件110如实施方 式1所述，具有将η层105直接配置到η型宽带隙层103上的结构。特别是当将该结构使 用于发光元件时，将作为光的发光层的η层105放入到η型宽带隙层103与ρ型宽带隙层 901之间，能够有效地将载流子封入在π层105内。因而，能够提高元件的再次结合发光效 率，因此较理想。(实施方式5)图11示出在半导体衬底上设置了多个红外线发光元件的结构。各红外线发光元 件通过电极进行串联连接。在通过化学蚀刻进行元件分离以及去除层的一部分之后，在整 体上层叠绝缘性保护膜，在与元件接触的部分开窗之后，以使各元件串联连接的方式形成 电极，由此能够得到图10的结构。这种结构无法在衬底为InSb衬底那样的导电性衬底上 实现。在发光元件的情况下，如上所述，通过将多个元件串联连接，能够得到与连接元件 数量成正比的更多的发光量。即使在这种情况下也同样，如果元件的二极管电阻以外的串 联电阻成分、即η型掺杂层的薄层电阻、与电极的接触电阻等电阻较大则会消耗不需要的 输入电力，并且元件的发热也变大，因此优选二极管电阻以外的串联电阻成分尽可能小。实施例1为了得到η型宽带隙层抑制晶格缺陷的传播这种效果，研究了适当的第一 η型化 合物半导体层的膜厚。在半导体衬底上首先生长的第一 η型化合物半导体层为与衬底材料晶格失配较 大的异质生长，因此采取如下生长过程首先生长为岛状，使所生长的岛相互接触并结合来形成连续膜。因而，在其膜厚非常薄的情况下，有时无法形成连续膜或者即使是连续膜也无 法得到充分的结晶性。在这种结晶性的第一 η型化合物半导体层上即使生长η型宽带隙层， 作 为底层的第一η型化合物半导体层的结晶性也产生影响而使η型宽带隙层也无法得到充 分的结晶性，而无法有效发挥充分抑制晶格缺陷的传播这种效果。在此，在GaAs衬底上生长合计Iym的InSb膜时，将膜厚20nm的η型宽带隙 层Alai7Ina83Sb分别插入距衬底0. 1 μ πι、0.2μπι以及0.3μπι的位置处。当利用HF(氢氟 酸)HNO3(硝酸)Η20(水)=1 1 3的蚀刻剂来对该InSb膜进行蚀刻时，到达表 面的位错部分、所谓贯通位错作为蚀坑被得到。通过计算蚀坑的数量来得到到达膜的表面 的位错数量。图12是表示这样得到的蚀坑数量与η型宽带隙层Alai7Ina83Sb的插入位置的关系 的图表。根据该图可知，η型宽带隙层Alai7Ina83Sb的插入位置为距衬底0.2μπι以及0.3μπι 的位置的情况下，与没有η型宽带隙层Alai7Ina83Sb的膜相比，贯通位错的数量减少20%以 上。即η型宽带隙层Alai7Ina83Sb有效地抑制了晶格缺陷的传播。另一方面，在η型宽带 隙层Alai7Ina83Sb的插入位置为距衬底0. 1 μ m的位置的情况下，由于蚀刻而InSb膜本身 溶解。即表示反而会使膜的结晶性恶化。因而，η型宽带隙层的插入位置优选比距衬底的 位置大于0. 1 μ m。换言之，优选第一 η型化合物半导体层的膜厚超过0. 1 μ m。另一方面，当该膜厚过厚时，膜的生长需要较长时间。因此理想的第一 η型化合物 半导体层的膜厚为0. 1 μ m < X彡3. 0 μ m，更优选为0. 2 μ m彡χ彡2. 0 μ m，进一步优选为 0. 3 μ m < χ < 1. 0 μ m。第一和第二 η型化合物半导体层加在一起的η型化合物半导体层的整体膜厚大于 0. Ιμ 即可，但是优选大于0. Ιμ 而在3μπι以下，更优选为0. 7 μ m以上2 μ m以下。实施例2实施例2-1通过MBE法制作了图10示出的元件结构。首先，在半绝缘性的GaAs单晶衬底 (001)面上生长LOym以1. OX IO19原子/cm3掺杂了 Sn(η型掺杂剂)的InSb层(第一 η型化合物半导体层)，在该InSb层(第一 η型化合物半导体层)上生长0. 02 μ m同样 以1.0X IO19原子/cm3掺杂了 Sn(η型掺杂剂)的Ala 17InQ.83Sb层(η型宽带隙层)，在该 Alai7Ina83Sb层(η型宽带隙层)上生长1. 0 μ m以6. 0 X IO16原子/cm3掺杂了 Zn (ρ型掺杂 剂)的InSb层(π层)，在该InSb层(π层)上生长0. 02 μ m以2. OX IO18原子/cm3掺杂 了 Zn (ρ型掺杂剂)的Alai7Ina83Sb层(ρ型宽带隙层)，最后，在该Alai7Ina83Sb层(ρ型宽 带隙层)上生长0.5μπι以2. OX IO18原子/cm3掺杂了 Zn(ρ型掺杂剂)的InSb层(ρ型化 合物半导体保护层)。在此，各InSb层在室温条件下的带隙为0. 18eV，各Alai7Ina83Sb层 在室温条件下的带隙为0. 46eV。这些在其它实施例和比较例中都相同。对这样制作出的红外线发光元件进行截面TEM(透过型电子显微镜)观察。首 先，通过离子减薄法来进行薄片化，接着使用HITACHI H-9000NAR电子显微镜在加速电压 300kV的条件下进行观察。图13B示出倍率12500倍的观察结果。图中可观察到的斜线为错位。根据照片清 楚可知如下效果由于存在于η型InSb层与π层之间的η型Alai7Ina83Sb层(η型宽带隙 层)，而从与衬底的界面处产生的错位弯曲，大幅抑制了位错向η层传播。
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此外，根据截面TEM的照片和由于X射线衍射引起的(115)面的倒晶格映射(逆格 子, )的结果可以确认出如下情形膜厚0.02μπι的Alai7Ina83Sb层相对于InSb 底层在临界膜厚以下，在与膜表面平行的方向上InSb层和Alai7Ina83Sb层的晶格完全匹 配。比较例2-1制作了从实施例2-1中除去Alai7Ina83Sb层(η型宽带隙层)的结构。图13Α是 在与实施例2-1相同的条件下对该元件进行截面TEM观察的结果。根据图13Α可知，在界 面产生的位错贯通η层。实施例2-2通过MBE法制作了如下结构在图10示出的元件结构的第一 η型化合物半导体层 中，如图5所示那样插入了五层η型宽带隙层。首先，在半绝缘性的GaAs单晶衬底(001)面 上生长0. 5 μ m以1. O X IO19原子/cm3掺杂了 Sn (η型掺杂剂)的InSb层，在该InSb层上生 长0. 02 μ m同样以1. O X IO19原子/cm3掺杂了 Sn (η型掺杂剂)的Al0.17In0.83Sb层(η型宽带 隙层)，在该Alai7Ina83Sb层(η型宽带隙层)上生长0. 02 μ m以1. O X IO19原子/cm3掺杂了 Sn (η型掺杂剂)的InSb层。之后，交替层叠与上述相同的0. 02 μ m的Ala 17Ina83Sb层(η型 宽带隙层)和0. 02μπι的InSb层，重复进行层叠直到Alai7Ina83Sb层(η型宽带隙层)合计 为五层为止。在第五层的Alai7Ina83Sb层(η型宽带隙层)上生长0.3μπι以1.0Χ1019原子 /cm3掺杂了 Sn (η型掺杂剂)的InSb层。在该InSb层上进一步生长0. 02 μ m以1. O X IO19 原子/cm3掺杂了 Sn (η型掺杂剂)的Ala 17InQ.83Sb层。到此为止η型掺杂层(Sn掺杂层)合 计膜厚成为Ium0在该Alai7Ina83Sb层上生长LOym以6. OX IO16原子/cm3掺杂了 Zn(ρ 型掺杂剂)的InSb层(π层)，在该InSb层(π层)上生长0. 02 μ m以2· O X IO18原子/ cm3掺杂了 Zn (ρ型掺杂剂)的Alai7Ina83Sb层(ρ型宽带隙层)，最后，在该Alai7Ina83Sb层 (P型宽带隙层)上生长0. 2 μ m以2. OX IO18原子/cm3掺杂了 Zn (ρ型掺杂剂)的InSb层 (P型化合物半导体保护层)。图13C是在与实施例2-1相同的条件下对这样制作出的红外线发光元件进行截面 TEM观察的结果。根据图13C可知，由于所插入的五层Alai7Ina83Sb层而更有效地抑制了在 界面产生的位错的传播。实施例2-3使用实施例2-1的结构，按如下过程制作了 PIN 二极管。首先，利用酸来进行用于 得到η型掺杂层和接触层的台阶形成蚀刻，接着对形成台阶后的化合物半导体薄膜进行用 于元件分离的台面蚀刻。之后，使用等离子体CVD，利用SiN保护膜来覆盖整个表面(GaAs 衬底以及形成在GaAs衬底上的化合物半导体结构)。接着，在所形成的SiN保护膜上仅在 电极部分开窗，进行EB蒸镀来镀Au/Ti (Ti为膜侧)，通过剥离法来形成电极。将PN结部分 设计为呈八角形形状，面积为120. 7 μ m2。另外，也使用比较例2-1的结构制作了 PIN 二极 管。图14示出这样制作出的PIN 二极管的电流_电压特性。使用了实施例2-1的结 构的PIN 二极管与使用了比较例2-1的结构的二极管相比，反偏压时的电流即二极管的暗 电流减少。另外，正偏压时的电流的上升向偏压较大一侧位移。这是二极管的扩散电流被 抑制的效果。
实施例2-4使用实施例2-1的结构，通过与实施例2-3相同的过程制作了出PIN 二极管。其 中，将PN结部分设计成直径500 μ m的圆形。与实施例2-3相比是非常大的元件。按下面的过程评价这样制作出的PIN 二极管的发光特性。首先，将PIN 二极管粘 贴到玻璃环氧基板上，在该玻璃环氧基板上开有用于取光的孔，通过引线接合连接电极与 玻璃环氧基板上的端子。使用脉冲发生器(Pulse Generator)，从该端子对元件输入频率 1kHz、占空比(Duty Cycle) 50%、电流值IOOmA(峰值至峰值)的脉冲电流来驱动发光元件。 利用FTIR(傅立叶变换红外分光光度计)对从玻璃环氧基板的孔取出的红外光进行测量， 由此测量发光特性。所使用的FTIR是Nicolet公司制的NexuS870FTIR。此外，测量是在室 温(25°C )条件下进行的，未进行测量中元件的冷却等。另外，使用比较例2-1的结构制作 了同样的PIN 二极管结构，测量了发光特性。图15对分光得到的各波长示出通过测量得到的红外线的发光强度除以偏压电 压χ偏压电流(IOOmA)的值而标准化的结果。确认出与使用不存在η型宽带隙层的比较 例2-1的结构的PIN 二极管相比，使用实施例2-1的结构的PIN 二极管在出现峰值的波长 6. 3 μ m处发光强度显著增强为约2. 3倍。实施例2-5使用实施例2-2的结构制作了与实施例2-4相同的PIN 二极管结构，测量了其发 光特性。图16示出使用实施例2-1的结构的实施例2-4的PIN 二极管和本实施例的PIN 二极管的、从波长5 μ m至6 μ m的范围内的发光强度。该波长范围是在两个PIN 二极管中 得到最明确的差的范围。在本实施例的PIN 二极管中得到比实施例2-4更强的发光强度。
权利要求
一种红外线发光元件，其特征在于，具备半导体衬底；上述半导体衬底上的第一n型化合物半导体层；上述第一n型化合物半导体层上的n型宽带隙层；以及上述n型宽带隙层上的p型掺杂的π层，其中，上述n型宽带隙层以外的层的带隙为0.41eV以下，上述n型宽带隙层的带隙大于上述第一n型化合物半导体层的带隙和上述π层的带隙。
2.根据权利要求1所述的红外线发光元件，其特征在于， 上述η层被直接配置在上述η型宽带隙层上。
3.根据权利要求1所述的红外线发光元件，其特征在于，在上述η型宽带隙层与上述η层之间还具备第二 η型化合物半导体层，该第二 η型化 合物半导体层的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于， 上述η层的组份与上述第一η型化合物半导体层的组份相同，上述η型宽带隙层的膜厚为临界膜厚以下。
5.一种红外线发光元件，其特征在于，具备 半导体衬底；上述半导体衬底上的第一 η型化合物半导体层； 上述第一 η型化合物半导体层上的临界膜厚以下的η型宽带隙层； 上述η型宽带隙层上的第二 η型化合物半导体层，其在与上述η型宽带隙层之间的界 面处的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同，且组份在膜厚方向上倾斜；以及上述第二η型化合物半导体层上的π层，其是ρ型掺杂的π层，在与上述第二η型化 合物半导体层之间的界面处的组份与上述第二 η型化合物半导体层的组份相同， 其中，上述η型宽带隙层以外的层的带隙为0. 41eV以下，上述η型宽带隙层的带隙大于上述第一η型化合物半导体层的带隙和上述η层的带隙。
6.一种红外线发光元件，其特征在于，具备 半导体衬底；上述半导体衬底上的第一 η型化合物半导体层； 上述第一 η型化合物半导体层上的临界膜厚以下的η型宽带隙层； 上述η型宽带隙层上的ρ型掺杂的组份过渡层，其在与上述η型宽带隙层之间的界面 处的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同，且组份在膜厚方向上倾斜；以及上述组份过渡层上的η层，其是P型掺杂的η层，在与上述组份过渡层之间的界面处 的组份与上述组份过渡层的组份相同，其中，上述η型宽带隙层以外的层的带隙为0. 41eV以下，上述η型宽带隙层的带隙大于上述第一η型化合物半导体层的带隙和上述η层的带隙。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于，在上述第一 η型化合物半导体层与上述η型宽带隙层之间至少具备第一重复层和第二 重复层各一层，该第一重复层的组份与上述第一 η型化合物半导体层的组份相同，该第二 重复层的组份与上述η型宽带隙层的组份相同，交替配置上述第一重复层和上述第二重复层，上述第二重复层的膜厚为临界膜厚以下。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于，上述第一 η型化合物半导体层和上述π层是InAs、InSb、InAsSb或者InSbN中的任一 个，上述η型宽带隙层是AlInSb、GaInSb或者AlAs、GaAs、AlSb、GaSb或者它们的混晶中的 任一个。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于，以与上述第一η型化合物半导体层的掺杂浓度相同的浓度对上述η型宽带隙层进行掺ο
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于，还具备P型化合物半导体层，该P型化合物半导体层被配置在上述η层上，以比上述 JI层的掺杂浓度高的浓度对该P型化合物半导体层进行P型掺杂，并且该P型化合物半导 体层的组份与上述第一η型化合物半导体层或者上述π层的组份相同。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于，还具备P型宽带隙层，该P型宽带隙层被直接配置在上述η层上，以比上述η层的掺 杂浓度高的浓度对该P型宽带隙层进行P型掺杂，并且该P型宽带隙层具有比上述第一 η 型化合物半导体层的带隙和上述η层的带隙大的带隙。
12.根据权利要求11所述的红外线发光元件，其特征在于，上述第一 η型化合物半导体层和上述π层是InAs、InSb、InAsSb或者InSbN中的任一 个，上述η型宽带隙层和上述ρ型宽带隙层分别是AllnSb、GaInSb或者AlAs、GaAs, AlSb, GaSb或者它们的混晶中的任一个。
13.根据权利要求11或12所述的红外线发光元件，其特征在于，上述P型宽带隙层为临界膜厚以下，在上述P型宽带隙层上还具备P型化合物半导体保护层，以与上述P型宽带隙层的掺 杂浓度同等以上的浓度对该P型化合物半导体保护层进行P型掺杂。
14.根据权利要求13所述的红外线发光元件，其特征在于，P型掺杂的上述P型化合物半导体保护层的组份与第一η型化合物半导体层或者π层 的组份相同。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于，上述第一 η型化合物半导体层的膜厚超过0. 1 μ m。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的红外线发光元件，其特征在于，上述半导体衬底是半绝缘性的半导体衬底，或者是使得上述半导体衬底与形成于该半 导体衬底上的上述第一 η型化合物半导体层能够绝缘分离的半导体衬底，上述红外线发光元件还具备如下部分第一电极，其形成在上述第一 η型化合物半导体层上的未形成上述π层的区域内；以第二电极，其形成在上述π层上。
17.根据权利要求16所述的红外线发光元件，其特征在于，在上述半导体衬底上以如下方式连续地形成有多个红外线发光元件，该方式为形成在 上述红外线发光元件上的第一电极与形成在形成有该第一电极的红外线发光元件相邻的 红外线发光元件上的第二电极串联连接。
全文摘要
提供一种抑制由热激发的空穴(孔)引起的暗电流和扩散电流的红外线发光元件。在第一n型化合物半导体层(102)中产生的热激发载流子(空穴)要向π层(105)方向扩散，但是通过将带隙大于第一n型化合物半导体层(102)和π层(105)的带隙而抑制该扩散的n型宽带隙层(103)设置于第一n型化合物半导体层(102)与π层(105)之间，来减少由空穴引起的暗电流。关于n型宽带隙层(103)，由于n型掺杂而其带隙相对地向价带方向位移，作为被热激发的空穴的扩散势垒而更有效地发挥功能。也就是说，调整n型宽带隙层(103)的带隙和n型掺杂以抑制热激发载流子的扩散。
文档编号H01L33/02GK101971367SQ200980108660
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月13日 优先权日2008年3月14日
发明者上之康一郎, 久世直洋 申请人:旭化成微电子株式会社