專利名稱：紅外線發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外線發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
一般波長(zhǎng)3μπι以上的長(zhǎng)波紅外線由于其熱效應(yīng)、氣體吸收紅外線的效應(yīng)而被使 用于檢測(cè)人體的人感傳感器、非接觸溫度傳感器以及氣體傳感器等中。在這些使用例中，特 別是氣體傳感器能夠使用于監(jiān)視、保護(hù)大氣環(huán)境，還能夠使用于火災(zāi)的早期檢測(cè)等，近年來(lái) 備受關(guān)注。使用了上述紅外線的氣體傳感器的原理如下。首先，對(duì)紅外線光源與受光元件 之間的空間注入要測(cè)量的氣體。由于特定的氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外線，因此通過(guò)分析注 入氣體之前和注入氣體之后的波長(zhǎng)譜能夠測(cè)量氣體的種類、濃度。在此，使用白熾燈作為紅 外線光源，但是從白熾燈發(fā)出的紅外線為白色光，因此為了對(duì)特定的波長(zhǎng)進(jìn)行分光，需要在 受光元件側(cè)設(shè)置濾光器。上述濾光器較昂貴，并且會(huì)降低紅外線的強(qiáng)度，因此會(huì)降低氣體傳 感器的靈敏度。并且由于白熾燈的壽命較短，因此需要頻繁地更換光源。為了解決上述問(wèn)題，使用發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線的半導(dǎo)體發(fā)光元件(LED =Light Emitting Diode:發(fā)光二極管)作為光源較有效。在此，為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)光元件，需要發(fā)出 波長(zhǎng)3μπι以上的長(zhǎng)波紅外線的元件，但是在該波長(zhǎng)區(qū)域中周邊溫度對(duì)元件的影響非常大， 在室溫條件下使用時(shí)存在問(wèn)題。上述發(fā)光元件一般是在具有能夠發(fā)出波長(zhǎng)3μπι以上的紅 外線的帶隙的半導(dǎo)體中形成所謂的ρη結(jié)二極管結(jié)構(gòu)，通過(guò)在上述ρη結(jié)二極管中流過(guò)正向 電流使電子與空穴在作為結(jié)部分的耗盡層中再次結(jié)合來(lái)發(fā)出紅外線。然而，能夠發(fā)出波長(zhǎng)3 μ m以上的紅外線的半導(dǎo)體的帶隙小到0. 41eV以下。在這 種帶隙較小的半導(dǎo)體中，由于熱激發(fā)載流子而室溫條件下的本征載流子密度變大，元件的 電阻變小，因此無(wú)法得到充分的ρη 二極管的特性。這是由于在本征載流子密度較大的情況 下，擴(kuò)散電流、暗電流這種元件的漏電流變大。因此，在這些發(fā)光元件中為了抑制熱激發(fā)載 流子，以往一般使用珀耳帖元件(乂 ^ ★工素子)等冷卻機(jī)構(gòu)。然而，上述冷卻機(jī)構(gòu)存在 使裝置大型且昂貴這種問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)一種發(fā)光元件，該發(fā)光元件即使在室溫條件下也能 夠發(fā)出長(zhǎng)波紅外線。例如非專利文獻(xiàn)1所記載的發(fā)光元件在P型銻化銦(InSb)襯底上制 作InSb的ρ-π-η結(jié)構(gòu)的二極管，在ρ層與π層之間使用用于抑制電子擴(kuò)散的AlInSb勢(shì) 壘層，由此實(shí)現(xiàn)在室溫條件下發(fā)出波長(zhǎng)5. 5 μ m以上的紅外線。如下述非專利文獻(xiàn)1那樣，以往在帶隙較小的半導(dǎo)體材料中，一般電子的遷移率 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此將重點(diǎn)放在抑制電子的漏電流(擴(kuò)散電流、暗電流)。然而，在 使電子與空穴再次結(jié)合的發(fā)光元件中，為了進(jìn)一步提高元件特性，不僅需要抑制電子的暗 電流、擴(kuò)散電流，還需要抑制空穴的暗電流、擴(kuò)散電流。本發(fā)明是鑒于這一點(diǎn)而完成的，其目的在于提供一種抑制在室溫條件下熱激發(fā)出 的空穴引起的擴(kuò)散電流和暗電流的紅外線發(fā)光元件。非專利文獻(xiàn)1 :T. Ashley et al.，“Uncooled InSb/Inl-XAlXSbmid-infraredemitter, "Applied Physics Letters,64(18),2Mayl994, pp.2433-2435

發(fā)明內(nèi)容
為了提供這種紅外線發(fā)光元件，本發(fā)明的第一方式是一種紅外線發(fā)光元件，其特 征在于，具備半導(dǎo)體襯底；上述半導(dǎo)體襯底上的第一 η型化合物半導(dǎo)體層；上述第一 η型 化合物半導(dǎo)體層上的η型寬帶隙層；以及上述η型寬帶隙 層上的ρ型摻雜的π層，其中，上 述η型寬帶隙層以外的層的帶隙為0. 41eV以下，上述η型寬帶隙層的帶隙大于上述第一 η 型化合物半導(dǎo)體層和上述η層的帶隙。另外，本發(fā)明的第二方式的特征在于，在第一方式中，上述π層被直接配置在上 述η型寬帶隙層上。另外，本發(fā)明的第三方式的特征在于，在第一方式中，在上述η型寬帶隙層與上述 JI層之間還具備第二 η型化合物半導(dǎo)體層，該第二 η型化合物半導(dǎo)體層的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同。另外，本發(fā)明的第四方式的特征在于，在第一至第三方式中的任一個(gè)中，上述π 層的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，上述η型寬帶隙層的膜厚為臨界膜 厚以下。另外，本發(fā)明的第五方式是一種紅外線發(fā)光元件，其特征在于，具備半導(dǎo)體襯底； 上述半導(dǎo)體襯底上的第一 η型化合物半導(dǎo)體層；上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層上的臨界膜 厚以下的η型寬帶隙層；上述η型寬帶隙層上的第二 η型化合物半導(dǎo)體層，其在與上述η型 寬帶隙層之間的界面處的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，且組份在膜厚 方向上傾斜；以及上述第二 η型化合物半導(dǎo)體層上的π層，其是ρ型摻雜的π層，在與上 述第二η型化合物半導(dǎo)體層之間的界面處的組份與上述第二η型化合物半導(dǎo)體層的組份相 同，其中，上述η型寬帶隙層以外的層的帶隙為0.41eV以下，上述η型寬帶隙層的帶隙大于 上述第一η型化合物半導(dǎo)體層和上述η層的帶隙。另外，本發(fā)明的第六方式是一種紅外線發(fā)光元件，其特征在于，具備半導(dǎo)體襯底； 上述半導(dǎo)體襯底上的第一 η型化合物半導(dǎo)體層；上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層上的臨界膜 厚以下的η型寬帶隙層；上述η型寬帶隙層上的ρ型摻雜的組份過(guò)渡層，其在與上述η型寬 帶隙層之間的界面處的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，且組份在膜厚方 向上傾斜；以及上述組份過(guò)渡層上的η層，其是P型摻雜的η層，在與上述組份過(guò)渡層之 間的界面處的組份與上述組份過(guò)渡層的組份相同，其中上述η型寬帶隙層以外的層的帶隙 為0. 41eV以下，上述η型寬帶隙層的帶隙大于上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的帶隙和上述 JI層的帶隙。另外，本發(fā)明的第七方式的特征在于，在第四至第六方式中的任一個(gè)中，在上述第 一 η型化合物半導(dǎo)體層與上述η型寬帶隙層之間至少具備第一重復(fù)層和第二重復(fù)層各一 層，該第一重復(fù)層的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，該第二重復(fù)層的組 份與上述η型寬帶隙層的組份相同，交替配置上述第一重復(fù)層與上述第二重復(fù)層，上述第 二重復(fù)層的膜厚為臨界膜厚以下。另外，本發(fā)明的第八方式的特征在于，在第一至第七方式中的任一個(gè)中，上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層和π層是InAs、InSb, InAsSb或者InSbN中的任一個(gè)，上述η型寬帶隙層是AllnSb、GaInSb或者AlAs、GaAs, Al Sb, GaSb或者它們的混晶中的任一個(gè)。另外，本發(fā)明的第九方式的特征在于，在第一至第八方式中的任一個(gè)中，以與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的摻雜濃度相同的濃度對(duì)上述η型寬帶隙層進(jìn)行摻雜。另外，本發(fā)明的第十方式的特征在于，在第一至第九方式中的任一個(gè)中，還具備ρ 型化合物半導(dǎo)體層，該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體層被配置在上述η層上，以比上述η層的摻雜濃 度高的濃度對(duì)該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體層進(jìn)行P型摻雜，并且該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體層的組份與 上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層或者上述JI層的組份相同。另外，本發(fā)明的第十一方式的特征在于，在第一至第九方式中的任一個(gè)中，還具備 P型寬帶隙層，該P(yáng)型寬帶隙層被直接配置在上述η層上，以比上述η層的摻雜濃度高的 濃度對(duì)該P(yáng)型寬帶隙層進(jìn)行P型摻雜，并且該P(yáng)型寬帶隙層具有比上述第一 η型化合物半 導(dǎo)體層的帶隙和上述η層的帶隙大的帶隙。另外，本發(fā)明的第十二方式的特征在于，在第十一方式中，上述第一 η型化合物半導(dǎo) 體層和π層是InAs、InSb, InAsSb或者InSbN中的任一個(gè)，上述η型寬帶隙層和上述ρ型寬 帶隙層分別是AllnSb、GaInSb或者AlAs、GaAs, AlSb, GaSb或者它們的混晶中的任一個(gè)。另外，本發(fā)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型寬 帶隙層為臨界膜厚以下，在上述P型寬帶隙層上還具備P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層，以與上述 P型寬帶隙層的摻雜濃度同等以上的濃度該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層進(jìn)行P型摻雜。另外，本發(fā)明的第十四方式的特征在于，在第十三方式中，ρ型摻雜的上述ρ型化 合物半導(dǎo)體保護(hù)層的組份與第一η型化合物半導(dǎo)體層或者π層的組份相同。另外，本發(fā)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個(gè)中，上述 第一 η型化合物半導(dǎo)體層的膜厚超過(guò)0. 1 μ m。另外，本發(fā)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個(gè)中，上述 半導(dǎo)體襯底是半絕緣性的半導(dǎo)體襯底，或者是使得上述半導(dǎo)體襯底與形成于該半導(dǎo)體襯底 上的上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層能夠絕緣分離的半導(dǎo)體襯底，上述紅外線發(fā)光元件還具 備如下部分第一電極，其形成在上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層上的未形成上述π層的區(qū) 域內(nèi)；以及第二電極，其形成在上述η層上。另外，本發(fā)明的第十七方式的特征在于，在第十六方式中，在上述半導(dǎo)體襯底上以 如下方式連續(xù)地形成有多個(gè)紅外線發(fā)光元件，該方式為形成在上述紅外線發(fā)光元件上的第 一電極與形成在形成有該第一電極的紅外線發(fā)光元件相鄰的紅外線發(fā)光元件上的第二電 極串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明，在由η型化合物半導(dǎo)體層和ρ型摻雜的π層構(gòu)成的紅外線發(fā)光元件 中，在η型化合物半導(dǎo)體層與η層之間設(shè)置帶隙大于η型化合物半導(dǎo)體層與η層的帶隙 的η型寬帶隙層，由此抑制在室溫條件下在η型化合物半導(dǎo)體層中由于熱激發(fā)產(chǎn)生的空穴 向η層方向擴(kuò)散，降低由空穴引起的ρη 二極管的暗電流，并且還抑制在η層側(cè)由于熱激 發(fā)產(chǎn)生的空穴向η型化合物半導(dǎo)體層側(cè)擴(kuò)散，由此能夠提供一種ρη 二極管的擴(kuò)散電流也降 低的二極管電阻較高的紅外線發(fā)光元件。


圖1是實(shí)施方式1所涉及的紅外線發(fā)光元件的示意圖。
圖2是實(shí)施方式1所涉及的紅外線發(fā)光元件的能帶圖。圖3是表示第一 η型化合物半導(dǎo)體層中的位錯(cuò)的圖。
圖4是表示實(shí)施方式1所涉及的紅外線發(fā)光元件的變形方式的圖。圖5是表示實(shí)施方式1所涉及的紅外線發(fā)光元件的變形方式的圖。圖6是實(shí)施方式2所涉及的紅外線發(fā)光元件的示意圖。圖7是實(shí)施方式3所涉及的紅外線發(fā)光元件的示意圖。圖8是實(shí)施方式3所涉及的紅外線發(fā)光元件的能帶圖。圖9是實(shí)施方式4所涉及的紅外線發(fā)光元件的示意圖。圖10是表示實(shí)施方式4所涉及的紅外線發(fā)光元件的變形方式的圖。圖11是實(shí)施方式5所涉及的紅外線發(fā)光元件的示意圖。圖12是表示第一 η型化合物半導(dǎo)體層的膜厚與蝕坑密度的關(guān)系的圖。圖13Α是表示比較例2-1的截面TEM (透過(guò)型電子顯微鏡)觀察結(jié)果的圖。圖13Β是表示實(shí)施例2-1的截面TEM (透過(guò)型電子顯微鏡)觀察結(jié)果的圖。圖13C是表示實(shí)施例2-2的截面TEM (透過(guò)型電子顯微鏡)觀察結(jié)果的圖。圖14是表示使用了比較例2-1以及實(shí)施例2-1的結(jié)構(gòu)的PIN 二極管的電流-電 壓特性的圖。圖15是表示使用了比較例2-1以及實(shí)施例2-1的結(jié)構(gòu)的PIN 二極管的發(fā)光特性 的圖。圖16是表示使用了實(shí)施例2-1以及實(shí)施例2-2的結(jié)構(gòu)的PIN 二極管的發(fā)光特性 的圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。(實(shí)施方式1)圖1是實(shí)施方式1所涉及的紅外線發(fā)光元件的示意圖。紅外線發(fā)光元件100具備 半絕緣性的半導(dǎo)體襯底101 ；半導(dǎo)體襯底101上的第一 η型化合物半導(dǎo)體層102 ；第一 η型 化合物半導(dǎo)體層102上的η型寬帶隙層103 ；η型寬帶隙層103上的與第一 η型化合物半導(dǎo) 體層102的組份相同的第二 η型化合物半導(dǎo)體層104 ；第二 η型化合物半導(dǎo)體層104上的ρ 型摻雜的η層105 ； π層105上的電極106 ；以及第二 η型化合物半導(dǎo)體層104上的電極 107。紅外線發(fā)光元件100是在第二 η型化合物半導(dǎo)體層104與π層105之間形成耗 盡層的所謂PN結(jié)二極管。在PN結(jié)部流過(guò)正向電流而使載流子再次結(jié)合來(lái)產(chǎn)生紅外線。在本實(shí)施方式所涉及的紅外線發(fā)光元件100中，η型寬帶隙層103的帶隙大于第 一 η型化合物半導(dǎo)體層102和π層105的帶隙，抑制在室溫條件下在η型化合物半導(dǎo)體層 中由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的空穴向η層方向擴(kuò)散、即抑制二極管的暗電流。在此，圖2示出其 樣子。在第一 η型化合物半導(dǎo)體層102中產(chǎn)生的作為少數(shù)載流子的空穴(孔)要向η層 105方向擴(kuò)散，但是通過(guò)在第一 η型化合物半導(dǎo)體層102與π層105之間設(shè)置帶隙大于第 一 η型化合物半導(dǎo)體層102和π層105來(lái)抑制該擴(kuò)散的η型寬帶隙層103，減少了暗電流。 η型寬帶隙層103由于η型摻雜而其帶隙相對(duì)地向價(jià)帶方向位移，作為空穴的擴(kuò)散勢(shì)壘而有效地發(fā)揮功能。也就是說(shuō)，將η型寬帶隙層103調(diào)整為通過(guò)其帶隙和η型摻雜來(lái)抑制空穴 的擴(kuò)散。另外，在π層105中由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的空穴一般因ρη結(jié)形成的內(nèi)部電場(chǎng)而向 η層105方向移動(dòng)，但是其一部分由于擴(kuò)散而向η型化合物半導(dǎo)體層102移動(dòng)，成為二極管 的擴(kuò)散電流。如上所述，在能夠吸收波長(zhǎng)3μπι以上的紅外線的帶隙較小的半導(dǎo)體中，即使 在室溫條件下也由于熱激發(fā)而本征載流子密度變大。在此，擴(kuò)散電流具有與本征載流子密 度的平方成正比的關(guān)系，即本征載流子密度越大擴(kuò)散電流越大。較大的擴(kuò)散電流會(huì)降低元 件的二極管電阻，因此抑制擴(kuò)散電流特別重要。如圖2所示，η型寬帶隙層103還成為空穴的擴(kuò)散電流的勢(shì)壘。因而能夠抑制擴(kuò) 散電流。在化合物半導(dǎo)體層為氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)那樣的本來(lái)帶隙就較大而能夠 忽視熱激發(fā)載流子的影響、擴(kuò)散電流本來(lái)就較小的化合物半導(dǎo)體的情況下，這些沒(méi)有意義， 是如上所述那樣帶隙較小的半導(dǎo)體才能得到的效果。并且，如圖2所示，在使用紅外線發(fā)光元件100作為發(fā)光元件的情況下，能夠抑制 從η層105側(cè)注入的空穴向η型化合物半導(dǎo)體層102中擴(kuò)散，因此還能夠提高在由ρη結(jié) 形成的耗盡層內(nèi)電子與空穴再次結(jié)合的效率。為了抑制由熱激發(fā)產(chǎn)生的上述空穴擴(kuò)散引起的暗電流和擴(kuò)散電流，所需的η型寬 帶隙層103與價(jià)帶的能量差ΔΕ的大小需要大于空穴所具有的能量。在此，對(duì)空穴提供的 能量有熱能量，在室溫的情況下大約為25meV。因而，優(yōu)選這種情況下的ΔΕ的大小至少在 熱能量以上，在室溫的情況下為25meV以上。并且，在發(fā)光元件的情況下，為了抑制由于向二極管方向的正偏壓而注入的空穴 向η型化合物半導(dǎo)體層102中擴(kuò)散，優(yōu)選ΔΕ至少大于PN結(jié)的電位差。一般為了防止隧道 漏電流而將PN結(jié)的電位差設(shè)得小于帶隙，因此Δ E優(yōu)選至少為第一和第二 η型化合物半導(dǎo) 體層102和104以及π層105的能量帶隙大小的50%以上，更優(yōu)選為80%以上，進(jìn)一步優(yōu) 選為同等以上。例如在第一和第二 η型化合物半導(dǎo)體層102和104以及π層105中使用 InSb的情況下，在室溫條件下，Δ E優(yōu)選為0. 09eV以上，更優(yōu)選為0. 14eV以上，進(jìn)一步優(yōu)選 為0. ISeV以上。為了得到上述ΔΕ，適合的η型寬帶隙層103的帶隙大小優(yōu)選為第一和第 二 η型化合物半導(dǎo)體層102和104以及π層105的能量帶隙大小的1.5倍以上，更優(yōu)選為 2倍以上，進(jìn)一步優(yōu)選為2. 3倍以上。但是，除了 η型寬帶隙層103的帶隙大小以外，還能夠 通過(guò)材料的電子親和力、對(duì)η型寬帶隙層摻雜的摻雜濃度來(lái)調(diào)整上述ΔΕ的大小。接著，下面詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施方式所涉及的紅外線發(fā)光元件100的各結(jié)構(gòu)要素。首先，構(gòu)成η型寬帶隙層103以外的層的化合物半導(dǎo)體是窄帶，特別優(yōu)選能夠吸收 和產(chǎn)生波長(zhǎng)3μπι以上的長(zhǎng)波紅外線的、帶隙在0.41eV以下的化合物半導(dǎo)體。假設(shè)在室溫 條件下使用元件，因此更優(yōu)選在室溫條件下帶隙為0. 41eV以下，但是在元件的使用溫度不 是室溫的情況下，只要在這些使用溫度條件下帶隙為0. 41eV以下即可。另外，優(yōu)選為能夠 發(fā)出波長(zhǎng)3. 6 μ m以上的紅外線的0. 36eV以下，更優(yōu)選為能夠發(fā)出波長(zhǎng)5 μ m以上的紅外線 的0. 25eV以下。這是由于，如上所述那樣構(gòu)成η型寬帶隙層103以外的層的化合物半導(dǎo)體 的帶隙越小，η型寬帶隙層103抑制暗電流、擴(kuò)散電流的效果越提高。在室溫條件下能量 帶隙為0. 41eV以下的窄帶隙的化合物半導(dǎo)體能夠使用InAs、 InSb、InAsSb或者InSbN中的任一個(gè)。InAs、InSb在室溫條件下的能量帶隙分別是0. 36eV、0. 18eV。InAsxSbh 混晶(0 < χ < 1)的能量帶隙 Eg 以 0. 58χ2-0. 41χ+0. 18 = Eg 來(lái)表示， 具有非常大的非線性因子。因而，InAsSb在室溫條件下的能量帶隙低于InAs在室溫條件 下的能量帶隙，為0. 36eV以下。另外，已知InSlvyNy混晶(0 < y < 0. 01)的帶隙具有更大 的非線性因子，氮N的組份y僅為0. 01而帶隙大約接近0。另外，η型寬帶隙層 103 能夠使用 AllnSb、GaInSb 或者 AlAs、GaAs、AlSb、GaSb 或 者它們的混晶中的任一個(gè)。各η型寬帶隙層在室溫條件下的能量帶隙由組份比來(lái)決定，例 如，Alai7Ina83Sb層在室溫條件下的帶隙為0. 46eV。與HgCdTe(MCT)那樣的Hg的蒸汽壓力 較高而結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)的組份控制、再現(xiàn)性較難的材料相比，上述材料是能夠制作穩(wěn)定的化合 物、混晶半導(dǎo)體的材料，因而更理想。為了進(jìn)一步提高 本實(shí)施方式所涉及的紅外線發(fā)光元件100的元件特性，能夠?qū)ⅵ?層105的組份設(shè)為與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102相同，將η型寬帶隙層103的膜厚設(shè)為 臨界膜厚以下。下面說(shuō)明η型寬帶隙層103的膜厚在臨界膜厚以下的情況。紅外線發(fā)光元 件100所具備的η型寬帶隙層103的帶隙大于第一 η型化合物半導(dǎo)體層102的帶隙，組份 與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102不同。通過(guò)測(cè)試可知，當(dāng)在第一 η型化合物半導(dǎo)體層102 上形成這種層時(shí)，在半導(dǎo)體襯底101與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102的界面處產(chǎn)生的失配 位錯(cuò)的傳播朝向被改變，如圖3所示那樣，在η型寬帶隙層103與第一 η型化合物半導(dǎo)體層 102的界面處傳播朝向被向與界面平行的方向改變。朝向改變的位錯(cuò)在位錯(cuò)之間相互抵消， 或者制作位錯(cuò)環(huán)而再次返回到與半導(dǎo)體襯底101之間的界面。即，能夠?qū)⑽诲e(cuò)封入在第一η 型化合物半導(dǎo)體層102中。后面說(shuō)明實(shí)施例。由此能夠大幅減少位錯(cuò)向PN結(jié)部分傳播，能 夠降低晶格缺陷對(duì)紅外線發(fā)光元件100的元件特性的影響?；衔锇雽?dǎo)體層中的晶格缺陷 會(huì)作為載流子的泄露路徑(U —々〃 7 )而有可能使二極管特性惡化，并且作為再結(jié)合中 心而有可能使發(fā)光特性惡化。此外，如上所述，上述η型寬帶隙層103對(duì)來(lái)自襯底界面的貫 通位錯(cuò)的降低效果與生長(zhǎng)臨界膜厚以上的膜來(lái)使在膜中新產(chǎn)生的位錯(cuò)與來(lái)自襯底界面的 貫通位錯(cuò)相互抵消的方法、在襯底與活性層之間設(shè)置從襯底起逐漸改變組份的晶格匹配層 等方法的效果不同，能夠以適合于批量生產(chǎn)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)提高成為活性層的η層的結(jié)晶性， 并且還能夠降低暗電流、擴(kuò)散電流。η型寬帶隙層103的帶隙大于第一 η型化合物半導(dǎo)體層102、第二 η型化合物半導(dǎo) 體層104以及π層105的帶隙，是組份與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102不同的材料。當(dāng)組 份不同時(shí)一般晶格常數(shù)也不同，關(guān)于η型寬帶隙層103，使其晶格整體應(yīng)變，與作為基底的 第一 η型化合物半導(dǎo)體層102晶格匹配來(lái)生長(zhǎng)該η型寬帶隙層103。在這種晶格匹配的狀 態(tài)下能夠生長(zhǎng)的η型寬帶隙層103的膜厚是所謂的“臨界膜厚”。另一方面，當(dāng)膜厚增加而 膜中的應(yīng)變能量變大時(shí)，為了調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的不同而向膜與基底之間的界面導(dǎo)入位錯(cuò)(失 配位錯(cuò))會(huì)使膜的能量變低，因此從界面向膜中導(dǎo)入失配位錯(cuò)。即，“臨界膜厚”是指不導(dǎo) 入失配位錯(cuò)而以晶格應(yīng)變吸收晶格匹配的最大膜厚。由于將η型寬帶隙層103的膜厚設(shè)為 臨界膜厚以下并且第一 η型化合物半導(dǎo)體層102與第二 η型化合物半導(dǎo)體層104的組份相 同，因此第一 η型化合物半導(dǎo)體層102、η型寬帶隙層103以及第二 η型化合物半導(dǎo)體層104 的晶格常數(shù)變得一致。因此能夠抑制從η型寬帶隙層103與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102 以及第二 η型化合物半導(dǎo)體層104的界面產(chǎn)生新的失配位錯(cuò)。由此，能夠得到結(jié)晶性較高 的η型寬帶隙層103，能夠提高上述的抑制暗電流和擴(kuò)散電流的效果。并且與減小上述的來(lái)自界面的貫通位錯(cuò)的效果相配合，還能夠提高活性層η層的結(jié)晶性，因此能夠提高發(fā)光效 率。此外，在本說(shuō)明書(shū)中使用的“組份相同”這種語(yǔ)言意味著除了組份完全相同的情況以外， 還包含與如下程度相同的情況，該程度為由晶格失配引起的應(yīng)力不會(huì)使與臨界膜厚以下的 η型寬帶隙層之間的界面產(chǎn)生缺陷。半導(dǎo)體襯底101能夠使用Si、GaAs等。結(jié)晶面具有(100)、(111)、(110)方向等。 半絕緣性的半導(dǎo)體襯底101的帶隙一般大于0. 41eV,因此相對(duì)于長(zhǎng)波紅外線是透明的，因 此不妨礙從襯底側(cè)取出所產(chǎn)生的紅外線。在襯底側(cè)沒(méi)有電極，因此所產(chǎn)生的紅外線不會(huì)被 電極遮斷，因此較理想。另一方面，在本實(shí)施方式中使用了半絕緣性的襯底，但是也可以如 圖4所示那樣使用η型半導(dǎo)體襯底。在這種情況下，如圖4所示，還能夠在襯底的背面制作 一側(cè)的電極407。第一 η型化合物半導(dǎo)體 層102是η型摻雜的窄帶隙化合物半導(dǎo)體。窄帶隙化合物 半導(dǎo)體的電子的遷移率與空穴的遷移率相比非常大，因此與P型摻雜相比，η型摻雜能夠容 易地降低半導(dǎo)體層的薄層電阻。因而，通過(guò)對(duì)元件結(jié)構(gòu)中占據(jù)較大面積的第一η型化合物 半導(dǎo)體層102進(jìn)行η型摻雜，能夠容易地降低紅外線發(fā)光元件100的薄層電阻。當(dāng)薄層電 阻增加時(shí)，在二極管的等效電路上與二極管串聯(lián)連接的串聯(lián)電阻增加。該串聯(lián)電阻會(huì)消耗 注入到元件的電力，因此期望盡可能小。η型摻雜劑能夠使用Si、Te、Sn、S、Se等。以與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102同樣的理由，能夠調(diào)整η型寬帶隙層103的η 型摻雜以得到期望的薄層電阻。此外，如上所述，η型寬帶隙層103的η型摻雜還具有使其 帶隙相對(duì)地向價(jià)帶方向位移的效果?？紤]所需帶隙大小以及薄膜生長(zhǎng)的容易度等來(lái)將η型寬帶隙層103的組份設(shè)計(jì)為 適當(dāng)?shù)闹?。作為一例，在第一和第?η型化合物半導(dǎo)體層101和104為InSb而η型寬帶隙 層103為IrvxAlxSb的情況下，Al的組份為0. 06彡χ彡0. 7，更優(yōu)選為0. 1彡χ彡0. 5，進(jìn) 一步優(yōu)選為0. 15 < χ < 0. 3。能夠?qū)⒛ず裨O(shè)為各組份的臨界膜厚以下，但是該膜厚大約為 IOnm至30nm左右。與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102同樣地，第二 η型化合物半導(dǎo)體層104也是η型 摻雜的窄帶隙化合物半導(dǎo)體。η型摻雜的濃度不需要與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102、η型 寬帶隙層103相同，但是優(yōu)選以不會(huì)提高元件的薄層電阻的程度進(jìn)行摻雜，也可以與第一 η 型化合物半導(dǎo)體層102、η型寬帶隙層103相同。π層105是ρ型摻雜的π層。在將η型寬帶隙層103設(shè)為臨界膜厚的情況下， 根據(jù)與說(shuō)明第二 η型化合物半導(dǎo)體層104的理由相同的理由，將π層105的組份設(shè)為與第 一 η型化合物半導(dǎo)體層102的組份相同。P型摻雜的情況下的摻雜濃度優(yōu)選為IXlO16原 子/cm3以上而小于1 X IO18原子/cm3,更優(yōu)選為1 X IO16原子/cm3以上而小于1 X IO17原子 /cm3。另外，π層105的膜厚優(yōu)選為0. 1 μ m以上3 μ m以下，更優(yōu)選為0. 5μπι以上2μπι以 下。P型摻雜劑能夠使用Be、Zn、Cd、C、Mg、Ge、Cr等。在半導(dǎo)體襯底101上依次形成層，通過(guò)化學(xué)蝕刻進(jìn)行元件分離以及去除π層105 的一部分，然后形成電極106和107，由此得到紅外線發(fā)光元件100。構(gòu)成本實(shí)施方式所涉 及的紅外線發(fā)光元件100的各化合物半導(dǎo)體層能夠使用各種成膜方法來(lái)形成。例如，優(yōu)選 使用分子束外延(MBE)法、金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)法等。另外，作為元件的加工方法 例如使用如下方法首先使用酸或者離子減薄等來(lái)形成臺(tái)階以獲取η型摻雜層和接觸層，接著進(jìn)行用于元件分離的臺(tái)面蝕刻，之后利用SiN、SiO2等鈍化膜覆蓋之后，僅對(duì)電極部分 開(kāi)窗，通過(guò)剝離法等形成Ti/Au、Cr/Au等的電極。另外，通過(guò)使用專用的掩模組能夠制作串 聯(lián)連接多個(gè)元件的結(jié)構(gòu)。此外，第二 η型化合物半導(dǎo)體層104能夠使用與η型寬帶隙層103之間的界面處 的組份與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102相同且在膜厚方向上組份傾斜的化合物半導(dǎo)體。將 JI層105的組份設(shè)為與第二 η型化合物半導(dǎo)體層104的上表面相同，與第一 η型化合物半 導(dǎo)體層102不同，由此在將η型寬帶隙層103設(shè)為臨界膜厚的情況下，能夠調(diào)整紅外線的發(fā) 光波長(zhǎng)。另外，也可以在η型寬帶隙層103上直接配置π層105。在這種結(jié)構(gòu)中，為了在 將η型寬帶隙層103設(shè)為臨界膜厚的情況下使π層105的組份與第一 η型化合物半導(dǎo)體 層102不同，也可以在η型寬帶隙層103與π層105之間設(shè)置ρ型摻雜的組份過(guò)渡層，該 P型摻雜的組份過(guò)渡層在與η型寬帶隙層103之間的界面處的組份與第一 η型化合物半導(dǎo) 體層102相同，組份在膜厚方向上傾斜。 另外，如圖5所示，通過(guò)將η型寬帶隙層設(shè)為多層層疊層來(lái)增加多個(gè)能夠阻止位錯(cuò) 的界面，能夠進(jìn)一步提高抑制位錯(cuò)向PN結(jié)部分傳播的效果。在此，η型寬帶隙層的膜厚都 在臨界膜厚以下，但是其間的η型化合物半導(dǎo)體層的膜厚能夠考慮η型摻雜的層(下面稱 為“η型摻雜層”)整體的膜厚來(lái)任意地決定。另外，重復(fù)層疊幾層也能夠考慮η型摻雜層 整體的膜厚來(lái)任意地決定。另外，通過(guò)對(duì)第一和第二 η型化合物半導(dǎo)體層102和104進(jìn)行高濃度摻雜，由于莫 斯-布爾斯坦(Burstein-Moss)位移，摻雜濃度越高，則越能夠吸收而相對(duì)于紅外線成為 透明。在從半導(dǎo)體襯底101側(cè)提取紅外線的情況下，由于半導(dǎo)體襯底101相對(duì)于紅外線透 明，并且η型寬帶隙層103也由于其帶隙的大小而透明，因此能夠有效地提取在存在于π 層105的PN結(jié)耗盡層部分產(chǎn)生的紅外線，能夠提高元件的外部量子效率。摻雜濃度優(yōu)選為 IX IO18原子/cm3以上，更優(yōu)選為IX IO19原子/cm3以上。另外，為了提高在半導(dǎo)體襯底101上生長(zhǎng)的第一 η型化合物半導(dǎo)體層101的結(jié)晶 性，也有時(shí)在半導(dǎo)體襯底101與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102之間使用緩和晶格失配的緩 沖層，該緩沖層的晶格常數(shù)為半導(dǎo)體襯底101與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102的中間程度。 在這種情況下，緩沖層選擇不吸收紅外線光的材料。在本實(shí)施方式中，在π層105上使用了 ρ型層而在π層105以外使用了 η型層， 在替換η型與ρ型的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)寬帶隙層能得到抑制電子的暗電流、擴(kuò)散電流以及降低由 晶格缺陷引起的元件特性惡化這種效果。其中，關(guān)于第一 η型化合物半導(dǎo)體層102，如說(shuō)明 那樣，當(dāng)設(shè)為P型摻雜時(shí)，會(huì)導(dǎo)致元件的薄層電阻增加。另外，P型化合物半導(dǎo)體容易吸收 長(zhǎng)波紅外線，因此難以從襯底側(cè)取出紅外線。另外，圖1示出的紅外線發(fā)光元件100在第二 η型化合物半導(dǎo)體層104上設(shè)置了 電極107，但是也可以設(shè)置成與η型寬帶隙層103或者第一 η型化合物半導(dǎo)體層102相連接 的形式。但是，由于為了降低η型摻雜層的薄層電阻而它們的膜厚越厚越好，因此作為設(shè)置 電極107的位置，優(yōu)選圖1示出的第二 η型化合物半導(dǎo)體層的正上方(或者η型摻雜層的 上表面)。(實(shí)施方式2)
圖6示出實(shí)施方式2所涉及的紅外線發(fā)光元件600。從半導(dǎo)體襯底101至π層 105為止與實(shí)施方式1相同，并且可考慮同樣的變形方式。紅外線發(fā)光元件600還具備ρ型 化合物半導(dǎo)體層601，該ρ型化合物半導(dǎo)體層601被配置在π層105上，以比π層105的 摻雜濃度高的濃度對(duì)該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體層601進(jìn)行ρ型摻雜，并且該ρ型化合物半導(dǎo)體 層601的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層或者上述π層相同。該結(jié)構(gòu)是所謂PIN 二 極管的結(jié)構(gòu)。以比π層105的摻雜濃度高的濃度對(duì)ρ型化合物半導(dǎo)體層601進(jìn)行ρ型摻雜，因 此與實(shí)施方式1的示例相比，能夠使從η型摻雜層(101 104)側(cè)注入的電子更有效地停 留在η層中，從而提高載流子的再次結(jié)合發(fā)光效率。并且由于高濃度地進(jìn)行P型摻雜，因 此能夠降低與電極106之間的接觸電阻。ρ型化合物半導(dǎo)體層601的ρ型摻雜濃度優(yōu)選為 7Χ1017原子/cm3以上，更優(yōu)選為IXlO18原子/cm3以上。
(實(shí)施方式3)圖7示出實(shí)施方式3所涉及的紅外線發(fā)光元件700。從半導(dǎo)體襯底101至π層 105為止與實(shí)施方式1相同，并且可考慮同樣的變形方式。紅外線發(fā)光元件700還具備ρ型 寬帶隙層701，該ρ型寬帶隙層701被直接配置在π層105上，以比π層105的摻雜濃度 高的濃度對(duì)該P(yáng)型寬帶隙層701進(jìn)行ρ型摻雜，并且該ρ型寬帶隙層701具有比第一 η型 化合物半導(dǎo)體層102和π層105的帶隙大的帶隙。該結(jié)構(gòu)也是所謂PIN 二極管結(jié)構(gòu)。圖8是實(shí)施方式3所涉及的紅外線發(fā)光元件中的能量帶隙的示意圖。通過(guò)將ρ型 寬帶隙層701的帶隙設(shè)為大于第一 η型化合物半導(dǎo)體層102和π層105的帶隙，能夠有效 地抑制P型寬帶隙層701中的由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的作為少數(shù)載流子的電子。由此，利用ρ型 寬帶隙層701能夠抑制由流向π層105側(cè)的電子引起的暗電流，并且抑制在π層105中 由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的流向P型寬帶隙層701側(cè)的電子的擴(kuò)散電流，從而有效地抑制二極管 電阻下降。在此，ρ型寬帶隙層701是無(wú)法產(chǎn)生長(zhǎng)波紅外線程度的寬帶隙，但是在π層105中 會(huì)產(chǎn)生紅外線，因此不成問(wèn)題。另外，與實(shí)施方式2的情況相比，能夠進(jìn)一步抑制從η型摻 雜層(101 104)側(cè)注入的電子向ρ型寬帶隙層701擴(kuò)散，因此還能夠進(jìn)一步提高在π層 105內(nèi)電子與空穴的再次結(jié)合發(fā)光效率?？紤]所需帶隙的大小和薄膜生長(zhǎng)的容易度等來(lái)將ρ型寬帶隙層701的組份設(shè)計(jì)成 適當(dāng)?shù)闹怠Ｗ鳛橐焕?，在窄帶隙化合物半?dǎo)體為InSb而ρ型寬帶隙層為IrvxAlxSb的情況 下，Al的組份為0. 06彡χ彡0. 7、更優(yōu)選為0. 1彡χ彡0. 5、進(jìn)一步優(yōu)選為0. 15彡χ彡0. 3。 另外，P型寬帶隙層701的ρ型摻雜濃度優(yōu)選為7 X IO17原子/cm3以上，更優(yōu)選為1 X IO18原 子/cm3以上。(實(shí)施方式4)圖9示出實(shí)施方式4所涉及的紅外線發(fā)光元件900。從半導(dǎo)體襯底101至π層 105為止與實(shí)施方式1相同，并且可考慮相同的變形方式。還具備ρ型寬帶隙層這一點(diǎn)與實(shí) 施方式3相同，ρ型寬帶隙層在π層105上，以比π層105的摻雜濃度高的濃度對(duì)該ρ型 寬帶隙層進(jìn)行摻雜，并且該P(yáng)型寬帶隙層具有比第一 η型化合物半導(dǎo)體層102和π層105 的帶隙大的帶隙，但是在本實(shí)施方式中，將P型寬帶隙層901設(shè)為臨界膜厚以下(大約IOnm 至30nm左右)。由此，防止在與π層105之間的界面處產(chǎn)生失配位錯(cuò)等晶格缺陷，能夠提高P型寬帶隙層901的結(jié)晶性，能夠抑制由晶格缺陷引起的漏電流。并且在本實(shí)施方式中， 在P型寬帶隙層901上具備以比π層105的摻雜濃度高的濃度對(duì)該P(yáng)型寬帶隙層901進(jìn) 行了 P型摻雜的P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層902。ρ型寬帶隙層901在臨界膜厚以下而非常 薄。因而，當(dāng)在P型寬帶隙層901上直接形成電極時(shí)，在形成電極的工藝中有可能受到一些 損傷。P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層902具有保護(hù)ρ型寬帶隙層901免受這種損傷的作用。此外，ρ型化合物半 導(dǎo)體保護(hù)層902成為與電極106的接觸層。與電極的接觸電 阻成為等效電路上的串聯(lián)電阻，會(huì)消耗發(fā)光元件的電力。因而，為了降低P型化合物半導(dǎo)體 保護(hù)層902與電極106之間的接觸電阻，優(yōu)選對(duì)P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層902進(jìn)行與ρ型 寬帶隙層901同等或者其以上的ρ型摻雜。特別是優(yōu)選ρ型摻雜濃度為7 X IO17原子/cm3 以上，更優(yōu)選為IX IO18原子/cm3以上。并且ρ型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層902的膜厚優(yōu)選為 0. 05 μ以上1 μ m以下，更優(yōu)選為0. 1 μ m以上0. 7 μ m以下。另外，如上所述，ρ型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層902成為與電極106接觸的接觸層，因 此優(yōu)選其薄層電阻盡可能小。因而，P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層902的帶隙優(yōu)選小于P型寬 帶隙層801的帶隙。這是由于帶隙較小的半導(dǎo)體的薄層電阻也小。在此，當(dāng)將ρ型化合物 半導(dǎo)體保護(hù)層902的組份設(shè)為與第一 η型化合物半導(dǎo)體層102或者π層105的組份相同 時(shí)，由于帶隙較小，因此也能夠使其薄層電阻較小。并且，晶格常數(shù)接近于臨界膜厚以下的 P型寬帶隙層901的晶格常數(shù)，因此不會(huì)對(duì)ρ型寬帶隙層901施加應(yīng)力，能夠進(jìn)一步提高其 結(jié)晶性。特別是在組份與η層105相同的情況下，π層105、ρ型寬帶隙層901以及ρ型 化合物半導(dǎo)體保護(hù)層902的晶格常數(shù)一致而能夠進(jìn)行較高結(jié)晶性的膜生長(zhǎng)，因此較理想。圖10示出紅外線發(fā)光元件900的變形方式110。紅外線發(fā)光元件110如實(shí)施方 式1所述，具有將η層105直接配置到η型寬帶隙層103上的結(jié)構(gòu)。特別是當(dāng)將該結(jié)構(gòu)使 用于發(fā)光元件時(shí)，將作為光的發(fā)光層的η層105放入到η型寬帶隙層103與ρ型寬帶隙層 901之間，能夠有效地將載流子封入在π層105內(nèi)。因而，能夠提高元件的再次結(jié)合發(fā)光效 率，因此較理想。(實(shí)施方式5)圖11示出在半導(dǎo)體襯底上設(shè)置了多個(gè)紅外線發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)。各紅外線發(fā)光元 件通過(guò)電極進(jìn)行串聯(lián)連接。在通過(guò)化學(xué)蝕刻進(jìn)行元件分離以及去除層的一部分之后，在整 體上層疊絕緣性保護(hù)膜，在與元件接觸的部分開(kāi)窗之后，以使各元件串聯(lián)連接的方式形成 電極，由此能夠得到圖10的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)無(wú)法在襯底為InSb襯底那樣的導(dǎo)電性襯底上 實(shí)現(xiàn)。在發(fā)光元件的情況下，如上所述，通過(guò)將多個(gè)元件串聯(lián)連接，能夠得到與連接元件 數(shù)量成正比的更多的發(fā)光量。即使在這種情況下也同樣，如果元件的二極管電阻以外的串 聯(lián)電阻成分、即η型摻雜層的薄層電阻、與電極的接觸電阻等電阻較大則會(huì)消耗不需要的 輸入電力，并且元件的發(fā)熱也變大，因此優(yōu)選二極管電阻以外的串聯(lián)電阻成分盡可能小。實(shí)施例1為了得到η型寬帶隙層抑制晶格缺陷的傳播這種效果，研究了適當(dāng)?shù)牡谝?η型化 合物半導(dǎo)體層的膜厚。在半導(dǎo)體襯底上首先生長(zhǎng)的第一 η型化合物半導(dǎo)體層為與襯底材料晶格失配較 大的異質(zhì)生長(zhǎng)，因此采取如下生長(zhǎng)過(guò)程首先生長(zhǎng)為島狀，使所生長(zhǎng)的島相互接觸并結(jié)合來(lái)形成連續(xù)膜。因而，在其膜厚非常薄的情況下，有時(shí)無(wú)法形成連續(xù)膜或者即使是連續(xù)膜也無(wú) 法得到充分的結(jié)晶性。在這種結(jié)晶性的第一 η型化合物半導(dǎo)體層上即使生長(zhǎng)η型寬帶隙層， 作 為底層的第一η型化合物半導(dǎo)體層的結(jié)晶性也產(chǎn)生影響而使η型寬帶隙層也無(wú)法得到充 分的結(jié)晶性，而無(wú)法有效發(fā)揮充分抑制晶格缺陷的傳播這種效果。在此，在GaAs襯底上生長(zhǎng)合計(jì)Iym的InSb膜時(shí)，將膜厚20nm的η型寬帶隙 層Alai7Ina83Sb分別插入距襯底0. 1 μ πι、0.2μπι以及0.3μπι的位置處。當(dāng)利用HF(氫氟 酸)HNO3(硝酸)Η20(水)=1 1 3的蝕刻劑來(lái)對(duì)該InSb膜進(jìn)行蝕刻時(shí)，到達(dá)表 面的位錯(cuò)部分、所謂貫通位錯(cuò)作為蝕坑被得到。通過(guò)計(jì)算蝕坑的數(shù)量來(lái)得到到達(dá)膜的表面 的位錯(cuò)數(shù)量。圖12是表示這樣得到的蝕坑數(shù)量與η型寬帶隙層Alai7Ina83Sb的插入位置的關(guān)系 的圖表。根據(jù)該圖可知，η型寬帶隙層Alai7Ina83Sb的插入位置為距襯底0.2μπι以及0.3μπι 的位置的情況下，與沒(méi)有η型寬帶隙層Alai7Ina83Sb的膜相比，貫通位錯(cuò)的數(shù)量減少20%以 上。即η型寬帶隙層Alai7Ina83Sb有效地抑制了晶格缺陷的傳播。另一方面，在η型寬帶 隙層Alai7Ina83Sb的插入位置為距襯底0. 1 μ m的位置的情況下，由于蝕刻而InSb膜本身 溶解。即表示反而會(huì)使膜的結(jié)晶性惡化。因而，η型寬帶隙層的插入位置優(yōu)選比距襯底的 位置大于0. 1 μ m。換言之，優(yōu)選第一 η型化合物半導(dǎo)體層的膜厚超過(guò)0. 1 μ m。另一方面，當(dāng)該膜厚過(guò)厚時(shí)，膜的生長(zhǎng)需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此理想的第一 η型化合物 半導(dǎo)體層的膜厚為0. 1 μ m < X彡3. 0 μ m，更優(yōu)選為0. 2 μ m彡χ彡2. 0 μ m，進(jìn)一步優(yōu)選為 0. 3 μ m < χ < 1. 0 μ m。第一和第二 η型化合物半導(dǎo)體層加在一起的η型化合物半導(dǎo)體層的整體膜厚大于 0. Ιμ 即可，但是優(yōu)選大于0. Ιμ 而在3μπι以下，更優(yōu)選為0. 7 μ m以上2 μ m以下。實(shí)施例2實(shí)施例2-1通過(guò)MBE法制作了圖10示出的元件結(jié)構(gòu)。首先，在半絕緣性的GaAs單晶襯底 (001)面上生長(zhǎng)LOym以1. OX IO19原子/cm3摻雜了 Sn(η型摻雜劑)的InSb層(第一 η型化合物半導(dǎo)體層)，在該InSb層(第一 η型化合物半導(dǎo)體層)上生長(zhǎng)0. 02 μ m同樣 以1.0X IO19原子/cm3摻雜了 Sn(η型摻雜劑)的Ala 17InQ.83Sb層(η型寬帶隙層)，在該 Alai7Ina83Sb層(η型寬帶隙層)上生長(zhǎng)1. 0 μ m以6. 0 X IO16原子/cm3摻雜了 Zn (ρ型摻雜 劑)的InSb層(π層)，在該InSb層(π層)上生長(zhǎng)0. 02 μ m以2. OX IO18原子/cm3摻雜 了 Zn (ρ型摻雜劑)的Alai7Ina83Sb層(ρ型寬帶隙層)，最后，在該Alai7Ina83Sb層(ρ型寬 帶隙層)上生長(zhǎng)0.5μπι以2. OX IO18原子/cm3摻雜了 Zn(ρ型摻雜劑)的InSb層(ρ型化 合物半導(dǎo)體保護(hù)層)。在此，各InSb層在室溫條件下的帶隙為0. 18eV，各Alai7Ina83Sb層 在室溫條件下的帶隙為0. 46eV。這些在其它實(shí)施例和比較例中都相同。對(duì)這樣制作出的紅外線發(fā)光元件進(jìn)行截面TEM(透過(guò)型電子顯微鏡)觀察。首 先，通過(guò)離子減薄法來(lái)進(jìn)行薄片化，接著使用HITACHI H-9000NAR電子顯微鏡在加速電壓 300kV的條件下進(jìn)行觀察。圖13B示出倍率12500倍的觀察結(jié)果。圖中可觀察到的斜線為錯(cuò)位。根據(jù)照片清 楚可知如下效果由于存在于η型InSb層與π層之間的η型Alai7Ina83Sb層(η型寬帶隙 層)，而從與襯底的界面處產(chǎn)生的錯(cuò)位彎曲，大幅抑制了位錯(cuò)向η層傳播。
15
此外，根據(jù)截面TEM的照片和由于X射線衍射引起的(115)面的倒晶格映射(逆格 子, )的結(jié)果可以確認(rèn)出如下情形膜厚0.02μπι的Alai7Ina83Sb層相對(duì)于InSb 底層在臨界膜厚以下，在與膜表面平行的方向上InSb層和Alai7Ina83Sb層的晶格完全匹 配。比較例2-1制作了從實(shí)施例2-1中除去Alai7Ina83Sb層(η型寬帶隙層)的結(jié)構(gòu)。圖13Α是 在與實(shí)施例2-1相同的條件下對(duì)該元件進(jìn)行截面TEM觀察的結(jié)果。根據(jù)圖13Α可知，在界 面產(chǎn)生的位錯(cuò)貫通η層。實(shí)施例2-2通過(guò)MBE法制作了如下結(jié)構(gòu)在圖10示出的元件結(jié)構(gòu)的第一 η型化合物半導(dǎo)體層 中，如圖5所示那樣插入了五層η型寬帶隙層。首先，在半絕緣性的GaAs單晶襯底(001)面 上生長(zhǎng)0. 5 μ m以1. O X IO19原子/cm3摻雜了 Sn (η型摻雜劑)的InSb層，在該InSb層上生 長(zhǎng)0. 02 μ m同樣以1. O X IO19原子/cm3摻雜了 Sn (η型摻雜劑)的Al0.17In0.83Sb層(η型寬帶 隙層)，在該Alai7Ina83Sb層(η型寬帶隙層)上生長(zhǎng)0. 02 μ m以1. O X IO19原子/cm3摻雜了 Sn (η型摻雜劑)的InSb層。之后，交替層疊與上述相同的0. 02 μ m的Ala 17Ina83Sb層(η型 寬帶隙層)和0. 02μπι的InSb層，重復(fù)進(jìn)行層疊直到Alai7Ina83Sb層(η型寬帶隙層)合計(jì) 為五層為止。在第五層的Alai7Ina83Sb層(η型寬帶隙層)上生長(zhǎng)0.3μπι以1.0Χ1019原子 /cm3摻雜了 Sn (η型摻雜劑)的InSb層。在該InSb層上進(jìn)一步生長(zhǎng)0. 02 μ m以1. O X IO19 原子/cm3摻雜了 Sn (η型摻雜劑)的Ala 17InQ.83Sb層。到此為止η型摻雜層(Sn摻雜層)合 計(jì)膜厚成為Ium0在該Alai7Ina83Sb層上生長(zhǎng)LOym以6. OX IO16原子/cm3摻雜了 Zn(ρ 型摻雜劑)的InSb層(π層)，在該InSb層(π層)上生長(zhǎng)0. 02 μ m以2· O X IO18原子/ cm3摻雜了 Zn (ρ型摻雜劑)的Alai7Ina83Sb層(ρ型寬帶隙層)，最后，在該Alai7Ina83Sb層 (P型寬帶隙層)上生長(zhǎng)0. 2 μ m以2. OX IO18原子/cm3摻雜了 Zn (ρ型摻雜劑)的InSb層 (P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層)。圖13C是在與實(shí)施例2-1相同的條件下對(duì)這樣制作出的紅外線發(fā)光元件進(jìn)行截面 TEM觀察的結(jié)果。根據(jù)圖13C可知，由于所插入的五層Alai7Ina83Sb層而更有效地抑制了在 界面產(chǎn)生的位錯(cuò)的傳播。實(shí)施例2-3使用實(shí)施例2-1的結(jié)構(gòu)，按如下過(guò)程制作了 PIN 二極管。首先，利用酸來(lái)進(jìn)行用于 得到η型摻雜層和接觸層的臺(tái)階形成蝕刻，接著對(duì)形成臺(tái)階后的化合物半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行用 于元件分離的臺(tái)面蝕刻。之后，使用等離子體CVD，利用SiN保護(hù)膜來(lái)覆蓋整個(gè)表面(GaAs 襯底以及形成在GaAs襯底上的化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu))。接著，在所形成的SiN保護(hù)膜上僅在 電極部分開(kāi)窗，進(jìn)行EB蒸鍍來(lái)鍍Au/Ti (Ti為膜側(cè))，通過(guò)剝離法來(lái)形成電極。將PN結(jié)部分 設(shè)計(jì)為呈八角形形狀，面積為120. 7 μ m2。另外，也使用比較例2-1的結(jié)構(gòu)制作了 PIN 二極 管。圖14示出這樣制作出的PIN 二極管的電流_電壓特性。使用了實(shí)施例2-1的結(jié) 構(gòu)的PIN 二極管與使用了比較例2-1的結(jié)構(gòu)的二極管相比，反偏壓時(shí)的電流即二極管的暗 電流減少。另外，正偏壓時(shí)的電流的上升向偏壓較大一側(cè)位移。這是二極管的擴(kuò)散電流被 抑制的效果。
實(shí)施例2-4使用實(shí)施例2-1的結(jié)構(gòu)，通過(guò)與實(shí)施例2-3相同的過(guò)程制作了出PIN 二極管。其 中，將PN結(jié)部分設(shè)計(jì)成直徑500 μ m的圓形。與實(shí)施例2-3相比是非常大的元件。按下面的過(guò)程評(píng)價(jià)這樣制作出的PIN 二極管的發(fā)光特性。首先，將PIN 二極管粘 貼到玻璃環(huán)氧基板上，在該玻璃環(huán)氧基板上開(kāi)有用于取光的孔，通過(guò)引線接合連接電極與 玻璃環(huán)氧基板上的端子。使用脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)，從該端子對(duì)元件輸入頻率 1kHz、占空比(Duty Cycle) 50%、電流值IOOmA(峰值至峰值)的脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光元件。 利用FTIR(傅立葉變換紅外分光光度計(jì))對(duì)從玻璃環(huán)氧基板的孔取出的紅外光進(jìn)行測(cè)量， 由此測(cè)量發(fā)光特性。所使用的FTIR是Nicolet公司制的NexuS870FTIR。此外，測(cè)量是在室 溫(25°C )條件下進(jìn)行的，未進(jìn)行測(cè)量中元件的冷卻等。另外，使用比較例2-1的結(jié)構(gòu)制作 了同樣的PIN 二極管結(jié)構(gòu)，測(cè)量了發(fā)光特性。圖15對(duì)分光得到的各波長(zhǎng)示出通過(guò)測(cè)量得到的紅外線的發(fā)光強(qiáng)度除以偏壓電 壓χ偏壓電流(IOOmA)的值而標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果。確認(rèn)出與使用不存在η型寬帶隙層的比較 例2-1的結(jié)構(gòu)的PIN 二極管相比，使用實(shí)施例2-1的結(jié)構(gòu)的PIN 二極管在出現(xiàn)峰值的波長(zhǎng) 6. 3 μ m處發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)為約2. 3倍。實(shí)施例2-5使用實(shí)施例2-2的結(jié)構(gòu)制作了與實(shí)施例2-4相同的PIN 二極管結(jié)構(gòu)，測(cè)量了其發(fā) 光特性。圖16示出使用實(shí)施例2-1的結(jié)構(gòu)的實(shí)施例2-4的PIN 二極管和本實(shí)施例的PIN 二極管的、從波長(zhǎng)5 μ m至6 μ m的范圍內(nèi)的發(fā)光強(qiáng)度。該波長(zhǎng)范圍是在兩個(gè)PIN 二極管中 得到最明確的差的范圍。在本實(shí)施例的PIN 二極管中得到比實(shí)施例2-4更強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度。
權(quán)利要求
一種紅外線發(fā)光元件，其特征在于，具備半導(dǎo)體襯底；上述半導(dǎo)體襯底上的第一n型化合物半導(dǎo)體層；上述第一n型化合物半導(dǎo)體層上的n型寬帶隙層；以及上述n型寬帶隙層上的p型摻雜的π層，其中，上述n型寬帶隙層以外的層的帶隙為0.41eV以下，上述n型寬帶隙層的帶隙大于上述第一n型化合物半導(dǎo)體層的帶隙和上述π層的帶隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于， 上述η層被直接配置在上述η型寬帶隙層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，在上述η型寬帶隙層與上述η層之間還具備第二 η型化合物半導(dǎo)體層，該第二 η型化 合物半導(dǎo)體層的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于， 上述η層的組份與上述第一η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，上述η型寬帶隙層的膜厚為臨界膜厚以下。
5.一種紅外線發(fā)光元件，其特征在于，具備 半導(dǎo)體襯底；上述半導(dǎo)體襯底上的第一 η型化合物半導(dǎo)體層； 上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層上的臨界膜厚以下的η型寬帶隙層； 上述η型寬帶隙層上的第二 η型化合物半導(dǎo)體層，其在與上述η型寬帶隙層之間的界 面處的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，且組份在膜厚方向上傾斜；以及上述第二η型化合物半導(dǎo)體層上的π層，其是ρ型摻雜的π層，在與上述第二η型化 合物半導(dǎo)體層之間的界面處的組份與上述第二 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同， 其中，上述η型寬帶隙層以外的層的帶隙為0. 41eV以下，上述η型寬帶隙層的帶隙大于上述第一η型化合物半導(dǎo)體層的帶隙和上述η層的帶隙。
6.一種紅外線發(fā)光元件，其特征在于，具備 半導(dǎo)體襯底；上述半導(dǎo)體襯底上的第一 η型化合物半導(dǎo)體層； 上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層上的臨界膜厚以下的η型寬帶隙層； 上述η型寬帶隙層上的ρ型摻雜的組份過(guò)渡層，其在與上述η型寬帶隙層之間的界面 處的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，且組份在膜厚方向上傾斜；以及上述組份過(guò)渡層上的η層，其是P型摻雜的η層，在與上述組份過(guò)渡層之間的界面處 的組份與上述組份過(guò)渡層的組份相同，其中，上述η型寬帶隙層以外的層的帶隙為0. 41eV以下，上述η型寬帶隙層的帶隙大于上述第一η型化合物半導(dǎo)體層的帶隙和上述η層的帶隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，在上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層與上述η型寬帶隙層之間至少具備第一重復(fù)層和第二 重復(fù)層各一層，該第一重復(fù)層的組份與上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的組份相同，該第二 重復(fù)層的組份與上述η型寬帶隙層的組份相同，交替配置上述第一重復(fù)層和上述第二重復(fù)層，上述第二重復(fù)層的膜厚為臨界膜厚以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層和上述π層是InAs、InSb、InAsSb或者InSbN中的任一 個(gè)，上述η型寬帶隙層是AlInSb、GaInSb或者AlAs、GaAs、AlSb、GaSb或者它們的混晶中的 任一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，以與上述第一η型化合物半導(dǎo)體層的摻雜濃度相同的濃度對(duì)上述η型寬帶隙層進(jìn)行摻ο
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，還具備P型化合物半導(dǎo)體層，該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體層被配置在上述η層上，以比上述 JI層的摻雜濃度高的濃度對(duì)該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體層進(jìn)行P型摻雜，并且該P(yáng)型化合物半導(dǎo) 體層的組份與上述第一η型化合物半導(dǎo)體層或者上述π層的組份相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，還具備P型寬帶隙層，該P(yáng)型寬帶隙層被直接配置在上述η層上，以比上述η層的摻 雜濃度高的濃度對(duì)該P(yáng)型寬帶隙層進(jìn)行P型摻雜，并且該P(yáng)型寬帶隙層具有比上述第一 η 型化合物半導(dǎo)體層的帶隙和上述η層的帶隙大的帶隙。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層和上述π層是InAs、InSb、InAsSb或者InSbN中的任一 個(gè)，上述η型寬帶隙層和上述ρ型寬帶隙層分別是AllnSb、GaInSb或者AlAs、GaAs, AlSb, GaSb或者它們的混晶中的任一個(gè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，上述P型寬帶隙層為臨界膜厚以下，在上述P型寬帶隙層上還具備P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層，以與上述P型寬帶隙層的摻 雜濃度同等以上的濃度對(duì)該P(yáng)型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層進(jìn)行P型摻雜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，P型摻雜的上述P型化合物半導(dǎo)體保護(hù)層的組份與第一η型化合物半導(dǎo)體層或者π層 的組份相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層的膜厚超過(guò)0. 1 μ m。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任一項(xiàng)所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，上述半導(dǎo)體襯底是半絕緣性的半導(dǎo)體襯底，或者是使得上述半導(dǎo)體襯底與形成于該半 導(dǎo)體襯底上的上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層能夠絕緣分離的半導(dǎo)體襯底，上述紅外線發(fā)光元件還具備如下部分第一電極，其形成在上述第一 η型化合物半導(dǎo)體層上的未形成上述π層的區(qū)域內(nèi)；以第二電極，其形成在上述π層上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的紅外線發(fā)光元件，其特征在于，在上述半導(dǎo)體襯底上以如下方式連續(xù)地形成有多個(gè)紅外線發(fā)光元件，該方式為形成在 上述紅外線發(fā)光元件上的第一電極與形成在形成有該第一電極的紅外線發(fā)光元件相鄰的 紅外線發(fā)光元件上的第二電極串聯(lián)連接。
全文摘要
提供一種抑制由熱激發(fā)的空穴(孔)引起的暗電流和擴(kuò)散電流的紅外線發(fā)光元件。在第一n型化合物半導(dǎo)體層(102)中產(chǎn)生的熱激發(fā)載流子(空穴)要向π層(105)方向擴(kuò)散，但是通過(guò)將帶隙大于第一n型化合物半導(dǎo)體層(102)和π層(105)的帶隙而抑制該擴(kuò)散的n型寬帶隙層(103)設(shè)置于第一n型化合物半導(dǎo)體層(102)與π層(105)之間，來(lái)減少由空穴引起的暗電流。關(guān)于n型寬帶隙層(103)，由于n型摻雜而其帶隙相對(duì)地向價(jià)帶方向位移，作為被熱激發(fā)的空穴的擴(kuò)散勢(shì)壘而更有效地發(fā)揮功能。也就是說(shuō)，調(diào)整n型寬帶隙層(103)的帶隙和n型摻雜以抑制熱激發(fā)載流子的擴(kuò)散。
文檔編號(hào)H01L33/02GK101971367SQ200980108660
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者上之康一郎, 久世直洋 申請(qǐng)人:旭化成微電子株式會(huì)社