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公開番号2025016137
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-31
出願番号2023119213
出願日2023-07-21
発明の名称赤外LED素子
出願人ウシオ電機株式会社
代理人弁理士法人ユニアス国際特許事務所
主分類H10H 20/82 20250101AFI20250124BHJP()
要約【課題】高い光取り出し効率を確保するとともに、所定の厚みを有しながら、出射される光の配光分布がより改善された赤外LED素子を提供する。
【解決手段】一の主面を光出射面とする、厚みが30μm以上のInP基板と、InP基板の光出射面とは異なる主面側に配置された積層体とを有し、積層体は、p型又はn型である第一導電型の第一半導体層と、第一半導体層の上層に形成された活性層と、活性層の上層に形成され、第一導電型とは異なる第二導電型の第二半導体層とを含み、ピーク波長をλp、InP基板の光出射面の表面粗さをRa1、InP基板の側面の表面粗さをRa2、ピーク波長λpに対応するInP基板の屈折率をn(λp)としたときに、所定の式を満たす。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ピーク波長が１，０００ｎｍ以上、２，０００ｎｍ以下の範囲内に属する赤外光を出射する赤外ＬＥＤ素子であって、
一の主面を光出射面とする、厚みが３０μｍ以上のＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板の前記光出射面とは異なる主面側に配置された積層体とを有し、
前記積層体は、
ｐ型又はｎ型である第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層の上層に形成された活性層と、
前記活性層の上層に形成され、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第二半導体層とを含み、
前記ピーク波長をλｐ、前記ＩｎＰ基板の前記光出射面の表面粗さをＲａ１、前記ＩｎＰ基板の側面の表面粗さをＲａ２、前記ピーク波長λｐに対応する前記ＩｎＰ基板の屈折率をｎ（λｐ）としたときに、下記（１）式及び下記（２）式を満たすことを特徴とする赤外ＬＥＤ素子。
Ｒａ１ ≧ λｐ／ｎ（λｐ）（１）
Ｒａ２ ≦ λｐ／（２×ｎ（λｐ））（２）
続きを表示（約 670 文字）【請求項２】
出射される前記赤外光の配光分布が実質的にランバーシアン分布であることを特徴とする請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記表面粗さＲａ１は、３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記表面粗さＲａ２は、０．０３μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記活性層が形成されていない領域内における前記第一半導体層の上層に形成された第一電極と、前記第二半導体層の上層であって、前記ＩｎＰ基板の前記光出射面に平行な方向に関して前記第一電極から離間した位置に形成された第二電極とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記第一半導体層が前記ＩｎＰ基板の上層に形成されており、
前記ＩｎＰ基板における前記第一導電型のドーパント濃度が１×１０
18
／ｃｍ
3
未満であることを特徴とする請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記ＩｎＰ基板は、深い準位の形成が可能な遷移金属がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記ＩｎＰ基板は、前記光出射面上に、前記ＩｎＰ基板の屈折率よりも低く、空気の屈折率よりも高い屈折率を示す中間屈折率膜を有し、前記側面上に前記中間屈折率膜を有しないことを特徴とする請求項１に記載の赤外ＬＥＤ素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外ＬＥＤ素子に関し、特に発光波長が１，０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、波長１，０００ｎｍ以上の赤外領域を発光波長とする半導体発光素子は、防犯・監視カメラ、ガス検知器、医療用のセンサや産業機器等の用途で幅広く用いられている。
【０００３】
発光波長が１，０００ｎｍ以上の半導体発光素子は、一般的に以下の手順で製造される。成長基板としてのＩｎＰ基板上に、第一導電型の半導体層、活性層（「発光層」と称されることもある。）、及び第二導電型の半導体層を順次エピタキシャル成長させた後、半導体ウエハ上に電流注入のための電極が形成される。その後、チップ状に切断される。
【０００４】
従来、発光波長が１，０００ｎｍ以上の半導体発光素子としては、半導体レーザ素子の開発が先行して進められてきた経緯がある。一方で、ＬＥＤ素子については、その用途があまりなかったこともあり、レーザ素子よりは開発が進んでいなかった。
【０００５】
しかしながら、近年、アプリケーションの広がりを受け、赤外ＬＥＤ素子についても高効率化の要求が高まっている。例えば、特許文献１には、ＩｎＰ基板上にＬＥＤ構造を結晶成長させたウエハの上下面に電極を形成し、両電極間に電圧を印加することで活性層に電流を注入して発光させる赤外ＬＥＤ素子が開示されている。また、特許文献２には、成長基板上にＬＥＤ構造のエピタキシャル半導体膜を結晶成長させたウエハを、導電性の支持基板に接合した後、成長基板を除去することで光取り出し効率を高めた構造が開示されている。
【０００６】
さらに近年では、該当波長域帯の用途の広まりから、より発光効率が高くより小型低背なＬＥＤが求められている。当該要求に応える構成として、特許文献３には、基板の主面を光出射面とし、基板の反対側の面に形成された一対の電極をサブマウントに接合させる、ワイヤボンディングが不要なフリップチップ実装と呼ばれる構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開平４－２８２８７５号公報
特開２０１３－３０６０６号公報
特開２０００－１１４５９５号公報
特許第６５８７７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発光波長が１，０００ｎｍ以上の赤外ＬＥＤ素子の成長基板、及び半導体層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐのうちの複数の元素の組み合わせからなる材料によって構成される。これらの材料の多くは、高い屈折率を有することが知られている。例えば、ＩｎＰは、波長１，０００ｎｍ以上、２，０００ｎｍ以下の光に対する屈折率が３．１～３．３程度である。このため、ＩｎＰ基板側から光を取り出す場合、ＩｎＰ基板に対して何らの処理も施さないと、半導体層において発生した光のうちのほとんどの光が、ＩｎＰ基板と空気との境界において全反射する。ＩｎＰ基板との界面で反射されて活性層側に戻された光は、更に反射を繰り返した後に外側に取り出されることが想定されるが、ＩｎＰ基板や半導体層内を進行する過程で一部の光が吸収される結果、取り出し効率が低下してしまう。
【０００９】
従来、より多くの光を取り出すため、半導体発光素子は、例えば、上記特許文献４に示すように、半導体発光素子の表面のうちの、所望の出射方向に向かって光を出射する光出射面、及び側面に散乱構造を形成する処理等が施されている。
【００１０】
なお、上記特許文献４は、散乱構造を形成する処理を施した側面は、凹凸が表現されており、散乱構造を形成する処理を施していない側面は、平坦な面として表現されている。このような表現は、散乱構造が形成された面に対して凹凸が極めて微細であることから、この違いを表すための模式的な表現である。
（【００１１】以降は省略されています）

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