JP3906654B2 - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウルツ（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）鉱型の結晶構造を有する化合物半導体を用いた半導体発光素子及び該化合物半導体を用いた半導体発光素子を有する半導体発光装置、画像表示装置、及び照明装置に関し、特に、ウルツ鉱型の結晶構造を有する化合物半導体を利用して多色や白色の発光を行う半導体発光素子および半導体発光装置、画像表示装置、及び照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子として、これまでサファイア基板上に全面に低温バッファ層、Ｓｉ（シリコン）をドープしたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を形成し、その上にＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側クラッド層, ＳｉをドープしたＩｎＧａＮからなる活性層、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ側クラッド層と、Ｍｇ（マグネシウム）をドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層などを積層した素子が知られている。このような構造を有し市販されている製品として、４５０ｎｍ から５３０ｎｍの波長を含む青色、緑色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が量産されている。
【０００３】
ところで、青色、緑色、赤色の各色のダイオードやレーザーを組み合わせて各画素を構成し、各画素をマトリクス状に配列させて独立して駆動することで画像表示装置を構成することができ、また、青色、緑色、赤色の各色の発光素子を同時に発光させることで白色発光装置若しくは照明装置としても利用できる。特に窒化物半導体を用いた発光素子は、バンドギャップエネルギーが約１．９ｅＶから約６．２ｅＶまであり、１つの材料でフルカラーディスプレイが可能となるため、多色発光素子の研究が進められている。
【０００４】
同一の基板上に多色発光素子を形成する技術としては、発光波長の違いに応じてバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層を積層し、基板側の電極を共通としながら、他方の電極を色毎に別個に形成した素子が知られており、電極取り出しのために階段状に形成された基板表面の各段が各色に対応する構造の素子が知られている。また、このようにｐｎ接合を複数積層した素子は、同一素子内において発光素子がサイリスタのように動作する可能性があり、サイリスタ動作を防止するために階段状の部分毎に溝を形成して各色毎の分離をした素子も知られており、例えば特開平９−１６２４４４号公報に開示されている。また、特開平９−９２８８１号公報に開示されている発光素子は、多色発光のために、アルミナ基板上にＡｌＮバッファ層を介してＩｎＧａＮ層を形成し、そのＩｎＧａＮ層の一部にはＡｌをドープとして青を発光させ、他の一部にはＰをドープして赤を発色させ、ＩｎＧａＮ層のノンドープの領域を緑の発光領域として多色化する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如き構造の半導体発光素子では、その製造工程が複雑化して、精度良く発光素子を形成することができず、さらに結晶性も劣化することから、良好な発光特性を得ることもできない。
【０００６】
すなわち、各色毎の階段状の部分毎に溝を形成して各色毎に分離した素子においては、エッチングによってバンドギャップエネルギーの異なる各活性層の領域を隔離するため、複数回の異方性エッチングが必要となる。ところが、一般に、ドライエッチングによっては基板や半導体層の結晶性が劣化することがあり、特に複数回のエッチングを施した場合では、第２回目以降のエッチングではエッチングによって露出した基板表面からの結晶成長によって素子を形成することになり、結晶性を良質に保つことが困難である。また、複数回のエッチングを施す場合には、それだけマスク合わせやエッチングなどの工程数も増加することになり、その結果、素子の製造のコスト増を招くことになる。
【０００７】
また、基板上に形成された単一の活性層に選択的に不純物をドープする技術においては、例えば選択的なドープを行うためにマスク層の開口部を利用する場合、マスク層の開口部の形成マージンなどの位置上の誤差を見込んで各発光色のレイアウトを決めることになり、予め誤差を見込んだ場合では、異なる発光色の領域の間では距離を十分にとる必要があり、従って、微小な素子を形成しようとした場合でも、その各色の発光のための領域が大きくなってしまう。また、選択的なドーピングによって工程数が増加することも言うまでもないことである。
【０００８】
そこで、本発明は、上述の如き課題に鑑みてなされたものであり、製造工程を複雑化させることなく、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かない構造の半導体発光素子及び半導体発光装置を提供することを目的とし、さらにこのように優れた前記半導体発光素子や半導体発光装置を用いた構造の画像表示装置及び照明装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層の少なくとも一部は、前記２以上の結晶面による選択結晶成長層の互いに異なる結晶面にそれぞれ平行に延在されるように形成され、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００１０】
ここで素子形成のために選択成長を行う手段として、前述の選択結晶成長層は、例えば下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長させても良く、また、基板上に形成された種結晶部から選択的に成長させても良く、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させても良い。本発明の半導体発光素子においては、それぞれ発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて、さらに異なる発光波長を有する第３発光波長領域を有する構成であっても良い。
【００１１】
また、本発明の他の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層は３元以上の混晶材料を用いて構成され、該混晶材料の一部を構成する原子の拡散長を前記活性層が延在される大きさよりも短くすることで発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００１２】
また、上述の如き半導体発光素子の異なる発光波長の各発光領域を画素として利用して画像表示装置を構成することも可能であり、また、上述の如き半導体発光素子を複数個配列して照明装置を構成することも可能である。
【００１３】
本発明の半導体発光素子では選択成長によって選択結晶成長層が形成され、選択成長によって形成された選択結晶成長層は容易に異なる結晶面を表面に有する所要の形状を呈することになる。そして、異なる結晶面を表面に有する選択結晶成長層上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層をこれら結晶面に平行に延在されるように形成した場合には、結晶面ごとに結合ボンドの数が異なることがあり、このような結晶面に応じた結合ボンド数の差異はバンドギャップエネルギーを左右する原子の取り込み量を決定する。したがって結晶面が異なることで、バンドギャップエネルギーを左右する原子の取り込み量が異なることになり、その結果発光波長の異なる領域が得られる。このような発光波長の異なる領域に第１発光領域と第２発光領域をそれぞれ形成し、且つそれぞれ電流を注入可能とすることで、同一素子を多色に発光させることができる。
【００１４】
また、本発明の他の半導体発光素子においては、同一活性層内でバンドギャップエネルギーを変化させるために、活性層が延在される大きさがバンドギャップエネルギーを左右する混晶構成原子の拡散長よりも短くされる。このため、混晶構成原子が均一のマイグレーションしないことがあり、混晶構成原子の濃度にばらつきが生じて同一活性層内でも発光波長が異なることになる。
【００１５】
また、本発明のさらに他の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００１６】
ここで素子形成のために選択成長を行う手段として、前述の選択結晶成長層は、例えば下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長させても良く、また、基板上に形成された種結晶部から選択的に成長させても良く、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させても良い。
【００１７】
また、前記活性層に形成される前記第１発光波長領域及び前記第２発光波長領域は、前記選択結晶成長層の面同士の交線となる辺の部分と、前記選択結晶成長層の面の部分とにそれぞれ形成される構造とすることができ、前記選択結晶成長層の面は少なくとも基板の主面と異なる面方位のＳ面を有していても良い。さらに本発明の半導体発光素子においては、それぞれ発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて、さらに異なる発光波長を有する第３発光波長領域を有する構成であっても良い。
【００１８】
さらに、本発明にかかる半導体発光素子によって構成され得る半導体発光装置は、基板と、該基板上にウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された複数の選択結晶成長層と、前記複数の選択結晶成長層上にそれぞれ形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、且つ形状要素が同一又は近似した複数の前記選択結晶成長層からなる発光群を２つ以上を同一基板上に有し、各前記発光群は前記形状要素の違いから互いに異なる発光波長を有することを特徴とする。
【００１９】
これら複数の選択結晶成長層は下地結晶層上に形成されたマスク層に設けられた開口部を介して選択成長したものであっても良く、前記基板上に形成された種結晶部から選択成長されたものであっても良い。また、前記形状要素は前記開口部や前記種結晶部の形状、寸法、配列密度から決定されるものとすることができる。
【００２０】
上述の如き半導体発光素子の異なる発光波長の各発光領域或いは上述の半導体発光装置の異なる発光波長の各発光群を画素として利用して画像表示装置や複数個配列して照明装置を構成することも可能である。
【００２１】
本発明の半導体発光素子では選択成長によって選択結晶成長層が形成され、選択成長によって形成された選択結晶成長層は容易に例えば六角錐状や六角台形の所要の形状を呈することになる。そして、選択結晶成長層上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層を形成した場合には、これらの層は選択成長による選択結晶成長層の形状的な要因の影響を受け、同じ材料層でありながら下地形状を反映して組成や厚みが異なることになる。その結果、同一の活性層であっても組成が異なることや活性層等の厚みが異なることで、ハンドギャップエネルギーが異なることになり、その結果発光波長の異なる領域が得られる。このような発光波長の異なる領域に第１発光領域と第２発光領域をそれぞれ形成し、且つそれぞれ電流を注入可能とすることで、同一素子を多色に発光させることができる。
【００２２】
また、本発明にかかる半導体発光素子によって構成され得る半導体発光装置ではそれぞれ形状要素が同一又は近似した複数の前記選択結晶成長層からなる発光群が２つ以上基板に形成され、形状要素が同一又は近似した複数の前記選択結晶成長層からなる発光群内では、発光波長が同様とされるが、他の形状要素にかかる発光群との間では、異なる発光波長が得られることになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の半導体発光素子、画像表示装置及び照明装置について詳細に説明する。
【００２４】
本発明の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層の少なくとも一部は、前記２以上の結晶面による選択結晶成長層の互いに異なる結晶面にそれぞれ平行に延在されるように形成され、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の他の半導体発光素子（第２の半導体発光素子）は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層は３元以上の混晶材料を用いて構成され、該混晶材料の一部を構成する原子の拡散長を前記活性層が延在される大きさよりも短くすることで発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００２６】
本発明のさらに他の半導体発光素子（第３の半導体発光素子）は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００２７】
上記本発明の各半導体発光素子において、選択結晶成長層は基板上に形成することができ、このような基板としては、後述の選択結晶成長層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭＧａｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイヤ基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイヤ基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２８】
この基板上に選択成長によって形成される選択結晶成長層は、当該選択結晶成長層に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層のうち、特に活性層の組成及び厚みの少なくとも一方が同一活性層の範囲内で異なるように形成されるウルツ鉱型の化合物半導体であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でも、基板の主面に対して傾斜した結晶面（第３の半導体発光素子においてはＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面）を有するウルツ鉱型の結晶構造となる半導体層が好ましく、さらにはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、およびＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などが好ましい。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。
【００２９】
ここで、上記基板の主面に対して傾斜した結晶面とは、それぞれのウルツ鉱型の（０００１）面、（１−１００）面、（１−１０１）面、（１１−２０）面、（１−１０２）面、（１−１２３）面、（１１−２２）面などの各結晶面、さらにはこれらと実質的に等価な面である前記各結晶面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。同様に、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。また、本明細書中、窒化物とはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む化合物を指し、若干量の不純物の混入を含むこともあるものである。
【００３０】
選択結晶成長層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００℃以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００３１】
特に本発明においては、前記選択結晶成長層は、例えば下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長させても良く、また、基板上に形成された種結晶部から選択的に成長させても良く、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させても良い。この下地結晶層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地結晶層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地結晶層も選択結晶成長層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。選択結晶成長層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００３２】
本発明の一例によれば、選択成長に用いられるマスク層は、例えば酸化シリコン層や窒化シリコン層などの絶縁層からなり、その厚みは例示的には１００から５００ｎｍの範囲である。下地結晶層上のマスク層には、選択結晶成長層を成長させるための開口部が形成される。この開口部の形成には、フォトリソグラフィー技術と所要のエッチャントが使用される。この開口部の大きさは、作成する発光素子の特性に応じて設定されるものであるが、一例としては１０μｍ程度のサイズとされ、その形状としては矩形状、正方形状、円形状、六角形状、三角形状、菱形形状、楕円形状などの種々の形状とすることができる。マスク層を用いずに選択成長を行う方法もあり、例えば、バッファ層上や基板上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の結晶種部に細分化し、それぞれの結晶種部からの結晶成長によって選択結晶成長層を形成しても良い。例えば、細分化された結晶種部は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形形状、楕円形状およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。結晶種部からの結晶成長は、選択マスクを作製してマスクのある部分を残し他をエッチングすることで種結晶部を得て、種結晶部から選択成長させたもので、電極を変える事で多色素子を得る点についてはほぼ同じであり、この際マスクの汚染の影響が少ない。また、選択結晶成長層を成長させるためもう１つの方法は、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させる方法である。下地結晶層の表面を凹凸形状に加工方法としては、例えばフォトリソグラフィー技術と所要のエッチングが使用されるが、他の凹凸形状の形成方法を用いることもできる。エッチングなどによる加工と、その加工面上に選択成長することで、波長が場所により異なることが可能であるため、プレーナ構造の波長を変えたい部分にストライプ状のＳ面や、１１−２２面などを形成し、その部分のみ長波長化させ、プレーナ部分に比べて長波長化した領域を一回のエピタキシャル成長で作製することが出来る。凹凸形状に加工する場合とは、本明細書においては、ストライプ状のＳ面や、１１−２２面などを形成を形成するための加工を含み、その加工部分はストライプ、矩形などでも良い。ストライプの幅などを変えれば、2 種類以上の波長部分を作ることが出来、３原色の発光も可能となる。このようにして、プレーナ構造でも最初のエッチングにより簡単に３色の成長を行うことが出来るのである。
【００３３】
選択成長を用いマスク層の開口部である窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板主面と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。また、略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマクス層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。
【００３４】
本発明の半導体発光素子においては、選択成長により選択結晶成長層を形成することで、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面を容易に形成することが可能である。Ｓ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面ついては、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ−面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ＋面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を安定して形成することができ、Ｃ＋面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のボンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／ＩＩＩ比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００３５】
本発明の半導体発光素子においては、化合物半導体からなる選択結晶成長層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状または帯状に延在された形状であっても良い。
【００３６】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００℃であるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０. ５〜１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００３７】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００３８】
本発明の各半導体発光素子は、前述の選択結晶成長層に第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層が形成される。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えば活性層の下地層を構成する結晶層（第３の半導体発光素子においてはＳ面を構成する結晶層）をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造を形成することができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造や片側だけにＡｌＧａＮ層を形成する構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。このような活性層は一回の成長によって形成された半導体結晶層から構成されることが望ましい。一回の成長とは単一または連続した一連の膜形成処理を以って成長されることを指し、活性層自体を複数回形成する工程を含まない。
【００３９】
本発明の異なる結晶面を利用する半導体発光素子（第１の半導体発光素子）では、これら第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層は、選択成長によって形成された異なる結晶面に亘ってこれらの異なる結晶面のそれぞれ平行な面内に延在されるが、このような面内への延在は結晶の選択成長した表面が形成されたところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐台形状となり、各傾斜面がＳ面等とされる場合では、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができ、且つ基板主面に平行なＣ面上にも第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層が形成される。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型クラッド層は選択成長にかかる結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面などを構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型クラッド層として機能する構造であっても良い。
【００４０】
本発明の異なる結晶面を利用する半導体発光素子では、選択成長によって傾斜したＳ面などのＣ面以外の面を形成する場合、そのＳ面などの結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。ＩｎＧａＮ活性層を用いて多色化するためには、十分にＩｎが結晶として取り込まれる必要があり、Ｓ面の良好な結晶性を利用することで発光効率を高めることができ、かつ多色発光に望ましい構造となる。すなわち、Ｃ+ 面上に成長する限りでは脱離し易いと思われるＮのボンドがＧａから一本しか出ておらず、分解効率が低いアンモニアを用いて成長する限りでは実効的なＶ／ＩＩＩ比が大きく出来ないことになり、良質の結晶成長を行うためには多くの工夫を必要とする。しかし、Ｓ 面での成長ではＮのボンドはＧａに対して2 本又は3 本でつながっているため、Ｎは脱離しにくい傾向になることになり、実効的なＶ／ＩＩＩ 比が高くなると考えられる。これはＳ面成長のみに限らずＣ＋面以外の成長ではすべてＮへのＧａからのボンドの数は増える傾向にあるためにＣ＋面を用いないで成長することはすべて結晶へのＩｎ取り込み量は事実上大きくなる。このようにＩｎの取り込み量が多くなった場合には、Ｉｎの取り込み量でバンドギャップエネルギーが支配されるため、多色化に好適となる。
【００４１】
前記異なる結晶面は、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]、（１−１００）面[Ｍ面]、（１−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた２以上の結晶面であることが好ましい。特にＣ面とＣ面以外の組み合わせから、Ｉｎなどの混晶構成原子の取り込み量は大きく変化することになり、したがって同一活性層内での波長のずれが大きくなって多色化に好適となる。
【００４２】
本発明の半導体発光素子においては、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域が形成される。また、同一の素子から３種類の発光波長を有するように互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて更に発光波長の異なる第３発光波長領域を形成するようにすることもできる。
【００４３】
また、混晶構成原子の拡散長を利用する本発明の半導体発光素子（第２の半導体発光素子）としては、例えば活性層をＩｎＧａＮ活性層によって構成した場合では、活性層に含有されるＩｎの量を多くすることで、より長波長の半導体発光素子を構成することができる。すなわち、ＩｎＧａＮ層の結晶成長において、ＩｎＧａＮ の特にＩｎの拡散長（マイグレーション長）は、Ｉｎ組成の比較的大きいＩｎＧａＮ層の結晶成長でほぼ最適となる７００℃程度で約１から２μｍ程度 と見積もられる。これはマスク上に析出するＩｎＧａＮ が選択成長した部分から約１から２μｍ程度しか成長しないからである。このことから、Ｉｎの拡散長はその程度と考えられ、このようにマスク部分から成長部分にかけてＩｎＧａＮ でのＩｎなどのマイグレーション長は比較的短いため、その面の中でＩｎの組成や、ＩｎＧａＮ の厚さが異なることがある。
【００４４】
このように活性層の波長は、面内でまたは基板上で比較的場所により変わりやすい性質があるが、それはＩｎの拡散距離がＩｎＧａＮ の成長に適した７００℃程度では短くなることが原因と考えられる。本発明の半導体発光素子は、このように同一の活性層内で領域に応じて発光波長が変化することを積極的に活用し、ほぼ同じ発光波長の領域を一領域として、発光波長の異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とする。それぞれ独立して電流を注入するため、第１発光波長領域及び第２発光波長領域には独立した電極が形成されるが、一方の側の電極は共通化することもできる。このような波長の異なる領域を同一活性層に２または３箇所以上形成し、独立して電流を注入することで多色半導体発光素子を構成することができ、さらには同時に多色の素子を発光させるように制御することで混色や白色発光の半導体発光素子を構成することができる。
【００４５】
一方、本発明の組成や膜厚の相違を利用する半導体発光素子（第３の半導体発光素子）では、これら第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層は、その一例として、選択成長によって形成されたＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在はＳ面等が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜面がＳ面等とされる場合では、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型クラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型クラッド層として機能する構造であっても良い。
【００４６】
本発明の半導体発光素子では、選択成長によって形成された傾斜したＳ面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。更にＩｎＧａＮ活性層を用いて多色化するためには、十分にＩｎが結晶として取り込まれる必要があり、Ｓ面の良好な結晶性を利用することで発光効率を高めることができ、かつ多色発光に望ましい構造となる。すなわち、Ｃ+ 面上に成長する限りでは脱離し易いと思われるＮのボンドがＧａから一本しか出ておらず、分解効率が低いアンモニアを用いて成長する限りでは実効的なＶ／ＩＩＩ比が大きく出来ないことになり、良質の結晶成長を行うためには多くの工夫を必要とする。しかし、Ｓ 面での成長ではＮのボンドはＧａに対して2 本又は3 本でつながっているため、Ｎは脱離しにくい傾向になることになり、実効的なＶ／ＩＩＩ 比が高くなると考えられる。これはＳ面成長のみに限らずＣ＋面以外の成長ではすべてＮへのＧａからのボンドの数は増える傾向にあるためにＣ＋面を用いないで成長することはすべて高品質化につながる言える。そして結晶へのＩｎ取り込み量は事実上大きくなる。このようにＩｎの取り込み量が多くなった場合には、Ｉｎの取り込み量でバンドギャップエネルギーが支配されるため、多色化に好適となる。
【００４７】
六角錐形状の選択結晶成長層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に４箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００４８】
本発明の第３の半導体発光素子においても、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域が形成される。また、同一の素子から３種類の発光波長を有するように互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて更に発光波長の異なる第３発光波長領域を形成するようにすることもできる。各発光波長領域は、前記活性層の組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が異なる構造になっている。すなわち、活性層の組成だけが異なっていても良く、活性層の厚さだけが異なっていても良く、活性層の組成及び厚さの両方が異なっていても良い。
【００４９】
組成の変化としては、活性層を構成する３元混晶や２元混晶の混晶比を同じ活性層内で変化させることでも可能であり、例えば活性層をＩｎＧａＮ活性層によって構成した場合では、活性層に含有されるＩｎの量を多くすることで、より長波長の半導体発光素子を構成することができる。ＩｎＧａＮ層の結晶成長において、ＩｎＧａＮ の特にＩｎのマイグレーション長は、Ｉｎ組成の比較的大きいＩｎＧａＮ層の結晶成長でほぼ最適となる７００℃程度で約１から２μｍ程度 と見積もられる。これはマスク上に析出するＩｎＧａＮ が選択成長した部分から約１から２μｍ程度しか成長しないからである。このことから、Ｉｎのマイグレーション長はその程度と考えられ、このようにマスク部分から成長部分にかけてＩｎＧａＮ でのＩｎなどのマイグレーション長は比較的短いため、その面の中でＩｎの組成や、ＩｎＧａＮ の厚さが異なることがある。
【００５０】
このように活性層の波長は、面内でまたは基板上で比較的場所により変わりやすい性質があるが、それはＩｎのマイグレーション距離がＩｎＧａＮ の成長に適した７００℃程度では短くなることが原因と考えられる。本発明の半導体発光素子は、このように同一の活性層内で領域に応じて発光波長が変化することを積極的に活用し、ほぼ同じ発光波長の領域を一領域として、発光波長の異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とする。それぞれ独立して電流を注入するため、第１発光波長領域及び第２発光波長領域には独立した電極が形成されるが、一方の側の電極は共通化することもできる。このような波長の異なる領域を同一活性層に２または３箇所以上形成し、独立して電流を注入することで多色半導体発光素子を構成することができ、さらには同時に多色の素子を発光させるように制御することで混色や白色発光の半導体発光素子を構成することができる。
【００５１】
上記各半導体発光素子において、特に選択成長から六角錐構造の選択結晶成長層を形成する場合について説明すると、マスク層の開口部から選択成長する場合には、プレーナ型のエピタキシャル構造と異なり、その選択成長領域の表面は上下、または中心部から端部にかけて成長条件が変化する。例えば、六角錐構造においては下の部分はＩＩＩ族の多い状態であり、上部につれてＧａが減少していく傾向と、上部に行くにつれて面積が小さくなっていくため上部に行くにつれＩＩＩ 族が増えてくる傾向などの複雑な作用で実効的Ｖ／ＩＩＩ 比は決まってくるものと思われる。また成長速度についても、実際のＧａＮ の成長速度と、Ｉｎを加えた成長速度では異なっており、さらに成長温度が異なっても成長条件は変わっている。或る実験データによれば、六角台形、六角錐型の選択成長されたＤＨ（ダブルへテロ）構造のカソードルミネッセンスを調べた結果、下部から上部にかけて１００ｎｍも長波長シフトしているサンプルが得られており、この実験データからそれぞれの波長領域でそのＤＨ構造に異なる電極を設けることで、一回の成長で異なる波長発光色の第１発光波長領域、第２発光波長領域、更には第３発光波長領域の各成長を行うことで多色や白色の半導体発光素子が形成されることがわかる。
【００５２】
ＩｎＧａＮからなる選択結晶成長層が六角錐構造や六角錐台構造を有する半導体発光素子においては、六角錐形状や六角錐台形形状の中心側でＩｎの濃度が高濃度になり、それだけ発光波長が長くなっている。また、選択結晶成長層が六角錐形状や六角錐台形形状の結晶構造を有する半導体発光素子においては、選択結晶成長層の面同士の交線となる辺と選択結晶成長層の面部分ではその形状を反映して活性層の厚みや混晶比などが異なってくるために、発光波長が異なるものとされる。したがって、第１発光波長領域を選択結晶成長層の面同士の交線となる辺の部分に形成し、第２発光波長領域を前記選択結晶成長層の面部分に形成する構造とすることも可能である。第１及び第２発光波長領域を選択成長の面方位の異なる面同士の交線となる辺の部分と、面方位の異なる面の部分とにすることで波長の異なる独立駆動させることができ、さらに面ごとにＩｎの取り込みは大きく異なり、辺部分と面部分でも取り込みが異なっていることが実際フォトルミネッセンスの結果からも示されているため、波長を変えて独立駆動することがさらに容易に出来る。
【００５３】
各半導体発光素子において、このような発光波長の異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域、更には発光波長の異なる第３発光波長領域には、独立して電流を注入可能とするための電極が形成される。この電極形成は、それぞれの領域ごとに形成されるものであるが、ｐ電極またはｎ電極の一方は共通化することもできる。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。一般的に各電極は多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成されるが、領域ごとに区分するためにフォトリソグラフィーを用いてリフトオフなどにより微細加工することができる。各電極は選択結晶成長層や基板の一方の面に形成することもでき、両側に電極を形成してより高密度で電極を配線するようにすることもできる。また、独立して駆動される電極はそれぞれ同じ材料を微細加工して形成したものであっても良いが、領域ごとに異なる材料の電極材料を使用することも可能である。
【００５４】
各波長領域に注入される電流は独立して与えられるものであっても良く、その場合には本発明の半導体発光素子がＲＧＢ（レッド、グリーン、ブルー）、ＣＹＭ（シアン、イエロー、マゼンタ）などの３原色を発光する構造とすることで、フルカラーディスプレーなどのカラー画像表示装置を製造できる。また、本発明の３原色や２色以上の発光色を有する半導体発光素子を複数個配列した上で、同じ電流を各第１発光波長領域及び第２発光波長領域、更には第３発光波長領域に注入することで、白色や混色の照明装置としても利用できる。例えば、画像表示装置の場合には、各素子を３原色分揃え、独立した電流を注入可能に配列して走査することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができることから、少ない面積でディスプレーとして利用できる。また、照明装置の場合には、発光波長が各素子で異なっていても同時に発光することで、白色や混色の光を生成できる。発光する波長が２色の場合は、さらに第３の波長色を得るために蛍光材や色素材などを使用しても良い。
【００５５】
本発明においては、上述のように単独で多色に発光する半導体発光素子に限らず、複数の半導体発光素子を各発光群を構成するように構成して半導体発光装置を構成することができる。本明細書において、発光群は形状要素が同一又は近似した複数の選択結晶成長層に形成される領域であり、各選択結晶成長層上にそれぞれ第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とが形成される。このような発光群は形状要素が同一又は近似していることから、１つの発光群の範囲内ではほぼ同様な発光波長を有している。同一基板上にはこの発光群が２以上形成され、且つ各発光群では異なる発光波長の発光をする。したがって、装置全体では２以上の波長の光が生成され、全体として半導体発光装置として使用される。
【００５６】
選択結晶成長層が下地結晶層上に形成されたマスク層に設けられた開口部を介して選択成長される場合には、前記形状要素は開口部の形状、寸法、配列密度からなり、また、選択結晶成長層が基板上に形成された種結晶部から選択成長される場合には、形状要素は種結晶部の形状、寸法、配列密度からなる。開口部又は種結晶部の形状は、例えば円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形形状、楕円形状、帯状形状、その他の多角形形状およびこれらの変形形状などの形状を指し、発光群の発光波長に応じて選択される。開口部又は種結晶部の寸法とは開口部又は種結晶部の径、長さ、高さ、幅などのサイズを指し、発光群の発光波長に応じて選択される。配列密度は隣接する開口部又は種結晶部の間の距離であり、複数の開口部又は種結晶部を詰めて配列させるか間を空けて配列させるかが発光群の発光波長に応じて選択される。一般的な傾向として、配列密度を低くして隣接する成長層との間隔を大きくすることで、発光波長を長波長化することができる。同一の発光群内では、同じ形状要素によって発光素子を形成することが可能であるが、例えば複数個の形状や寸法の異なる素子を組み合わせて発光群を構成しても良く、発光群自体が基板上で入り混じった領域に延在したり、重なり合うような構成であっても良い。このような発光波長の異なる複数の発光群には、それぞれ電極が形成され、各電極には同じ信号又は独立した信号が与えられて装置は制御される。
【００５７】
【実施例】
以下、本発明を各実施例を参照しながら更に詳細に説明する。各実施例はそれぞれ製造方法に対応しており、その製造方法によって完成した素子が本発明の構造を有する半導体発光素子である。従って、各実施例では初めに製造工程について説明を行い、次いで製造された素子自体について説明する。なお、本発明の半導体発光素子は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが可能であり、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５８】
実施例１
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、異なる結晶面としてＳ面及びＣ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の領域とＣ面の領域とを分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図１乃至図６を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００５９】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図１）。この開口部１３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【００６０】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、シリコンドープのＧａＮ層１４を選択成長によって形成する。このシリコンドープのＧａＮ層１４はマスクの開口部１３に成長するが、しばらく成長を続けると図２に示す六角錐台形状を露呈してくる。その際六角錐の斜面はS 面（１−１０１）面で被われ、上面はサファイヤ基板１０の主面と同じＣ面で覆われるようにする。十分な時間が経過して最上部のＣ面がほぼ平らになるところで、さらにシリコンドープのＧａＮ層を形成した後、しばらく成長を行い、さらに第１導電型クラッド層としてのシリコンドープのＧａＮ層１４を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１５を成長する。続いて成長温度を上昇し、図３に示すように、マグネシウムドープのＧａＮ層１６を成長する。
【００６１】
その際のＩｎＧａＮ 層１５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ 程度である。活性層としては、さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。活性層であるＩｎＧａＮ層１５の組成や厚みは、側面がＳ面で覆われ且つ上面が基板主面に平行なＣ面で覆われた六角錐台形のＧａＮ層１４の形状を反映して、その形状に整合する形でＣ面とＳ面では、発光波長は中央に近いＣ＋面が長波長となり、発光波長は基板に近いＳ面部分が短波長となる。したがって、これらＣ＋面上とＳ面上に分離した電極を形成することで、第１及び第２の発光波長領域を形成することができる。
【００６２】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１２を一部除去して開口部２０を形成する。さらにその一部除去した開口部２０の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１９となる。さらに六角錐台形のマグネシウムドープのＧａＮ層１６の最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。ｐ電極はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極を用いて形成されるが、更に図４に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去され、Ｓ面上に形成されるｐ電極１７とＣ面上に形成されるｐ電極１８とが形成される。ｐ電極１７は６つのＳ面にそれぞれ独立に分離されて形成され、Ｃ面に対してｐ電極１８が他のｐ電極１７と分離して形成される。ｐ電極１７は活性層の短波長の発光波長領域に対応し、ｐ電極１８は活性層の長波長の発光波長領域に対応する。なお、本実施例では、ｐ電極１７はＳ面ごとに形成されているが、全部のＳ面について共通のｐ電極を形成しても良い。また、この六角錐台形のＣ面に長波長のｐ電極を形成し、且つＳ面の面部分に短波長のｐ電極を形成し、さらにＳ面の面同士の交線である辺部分に中間波長のｐ電極を形成して、独立したｐ電極を有する第１乃至第３の発光波長領域を構成することも可能である。
【００６３】
これらの蒸着の際、ｐ電極１７、１８、ｎ電極１９が六角錐層とマスクの下に形成されたシリコンドープのＧａＮ層との双方についてしまうと短絡してしまうので、それぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図５に示すように、この半導体発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで分離する。
【００６４】
図６は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１１とマスク層１２の開口部１３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１４は基板主面とは傾斜してなるＳ面及び基板主面と平行に延在されるＣ面を有しており、これらＳ面およびＣ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１６が形成されている。
【００６５】
シリコンドープのＧａＮ層１４はＳ面およびＣ面でおおわれた六角錐台形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１５は異なる結晶面であるＳ面およびＣ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１５の組成は、Ｓ面およびＣ面でおおわれた六角錐台形状のＧａＮ層１４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成が異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＣ面部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【００６６】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１６の上にはｐ電極１７、ｐ電極１８が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１９は、六角錐部分の側部で開口された開口部２０の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１２を介してシリコンドープのＧａＮ層１４に接続している。
【００６７】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、異なる結晶面であるところのその下に形成されるＧａＮ層１４の基板主面から傾斜したＳ面および基板主面に平行に延在されるＣ面を利用し、それらＣ面およびＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【００６８】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【００６９】
実施例２
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の面部分と辺部分に分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図７乃至図１２を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００７０】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板３０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層３１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層３２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部３３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図７）。この開口部３３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【００７１】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層３４を各開口部３３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層３４はマスク層３２の開口部３３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図８に示すようにＳ面（１−１０１）面で覆われる。成長時間が足りないと六角台形形状になるが、S 面（１−１０１ ）面で覆われる六角錐になるまでＳｉドープのＧａＮ層３４を成長する。そのために開口部３３のピッチは十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層３４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなS （１−１０１ ）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部３３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。
【００７２】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層３４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層３５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層３６を六角錐の部分を覆うように成長する。図９ではＩｎＧａＮ層３５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層３５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層３５の組成は、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層３４のサイズがＩｎの拡散長よりも大きくされ、その結果としてＩｎの取り込み量に差異が生ずるために、第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。発光波長はＳ面同士の交線を含んだ第２発光波長領域が長波長となり、基板により近いＳ面の部分に形成され第１発光波長領域が短波長となり、長波長の第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、短波長の第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【００７３】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層３２を一部除去して開口部３８を形成し、さらにその一部除去した開口部３８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極３７となる。さらに六角錐上に成長した最表層であるＭｇドープのＧａＮ層３６上にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。初めにＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ層またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ層を蒸着して、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフで表面電極を部分的に除去し六角錐の辺の部分と面の部分に分割し、図１０のように、六角錐の面部分と辺部分で独立したｐ電極３９、４０を形成する。六角錐の辺の部分と面の部分では発光波長の異なる発光波長領域が形成されているため、当該半導体発光素子ではこのような独立した電極を形成することで、少なくとも４７０ｎｍと５２０ｎｍの青、緑についての発光波長をどちらも出力できる。六角錐の辺と面部とではカソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果、５０ｎｍの波長のシフトが観測されている。これは、青色光から、緑色光まで（４７０ｎｍ−５２０ｎｍ）の波長間隔に対応している。単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極３９，４０に同じ信号を与えて即ちそれぞれ同じ発光強度となるような信号を与えて波長の異なる領域を常に同発光強度になるように通電しておけば、白色光源になる。なお、ｎ電極３７は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図１０では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板３０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層３４の裏面側に設けることも可能である。
【００７４】
その後、この発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで素子毎に分離する( 図１１)。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもAFM などで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっともきれいな部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【００７５】
図１２は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板３０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層３１とマスク層３２の開口部３３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層３４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層３４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層３５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層３５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層３６が形成されている。
【００７６】
シリコンドープのＧａＮ層３４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層３５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層３５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐形状のＧａＮ層３４のサイズがＩｎの拡散長よりも大きいことから、その形状に整合する形で組成が異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【００７７】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層３６の上にはｐ電極３９、ｐ電極４０が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極３７は、六角錐部分の側部で開口された開口部３８の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層３２を介してシリコンドープのＧａＮ層３４に接続している。
【００７８】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層３４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【００７９】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【００８０】
実施例３
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、３発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図1３乃至図１８を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００８１】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板５０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層５１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層５２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部５３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図１３）。この開口部５３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【００８２】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層５４を各開口部５３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層５４はマスク層５２の開口部５３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図１４に示すようにＳ 面（１−１０１）面で覆われる。成長時間が足りないと六角台形形状になるが、S 面（１−１０１ ）面で覆われる六角錐になるまでＳｉドープのＧａＮ層５４を成長する。そのために開口部５３のピッチは十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層５４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなS （１−１０１ ）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部５３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。
【００８３】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層５４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層５５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層５６を六角錐の部分を覆うように成長する。図１５ではＩｎＧａＮ層５５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層５５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層５５の組成は、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層５４のサイズがＩｎの拡散長よりも大きいことから、基板に近い側と基板に遠い側では組成が徐々にずれ込んで、発光波長は中央に近い側が長波長となり、発光波長は基板に近い部分が短波長側となる。したがって、このＳ面上に独立した３つの電極を形成することで、第１乃至第３の発光波長領域を形成することができる。
【００８４】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層５２を一部除去して開口部６１を形成する。さらにその一部除去した開口部６１の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極６０となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これによりｐ電極が形成されるが、更に図１６に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去し、またはその部分に対応したｐ型層も除去することもできるが、図１６のような六角錐の高さ方向に３分割された金属のｐ電極５７、５８、５９を作製する。ｐ電極５７は最も短波長の発光波長領域に対応した電極であり、青色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極５８は次に短い波長の発光波長領域に対応した電極であり、緑色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極５９は最も長い波長の発光波長領域に対応した電極であり、赤色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。
【００８５】
カソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果からは、１００乃至１５０ｎｍの波長のシフトが観測され、これは、青色光から、赤色光まで（４７０ｎｍ−６２０ｎｍ）の波長間隔に対応する。このため本実施例の半導体発光素子は、ｐ電極５７、５８、５９のように電極部位をＳ面に沿って変えることにより、単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極５７、５８、５９に同じ信号を与えて波長の異なる領域を常に同発光強度にしておけば、白色光源になる。なお、ｎ電極６０は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図１６では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板５０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層５４の裏面側に設けることも可能である。
【００８６】
その後、図１７に示すように、３分割されたｐ電極の形成された半導体発光素子をRIE またはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもＡＦＭなどで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっともきれいな部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【００８７】
このような製造工程で製造された本実施例の発光素子は、図１８に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板５０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層５１とマスク層５２の開口部５３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層５４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層５５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層５５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層５６が形成されている。
【００８８】
シリコンドープのＧａＮ層５４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層５５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層５５はＩｎの拡散長は活性層の大きさに比べて短いことから、基板に近い側と基板に遠い側では組成や厚みが徐々にずれ込んでいて、発光波長は中央に近い側が長波長となり且つ発光波長は基板に近い部分が短波長側とされた第１乃至第３の発光波長領域６３、６４、６５がＩｎＧａＮ層５５に形成されている。
【００８９】
これらの第１乃至第３の発光波長領域６３、６４、６５に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層５６の上にはｐ電極５７、ｐ電極５８、ｐ電極５９が形成されており、それぞれ独立して各第１乃至第３の発光波長領域６３、６４、６５に電流の注入が可能となっている。ｎ電極６０は、六角錐部分の側部で開口された開口部６１の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層５１を介してシリコンドープのＧａＮ層５４に接続している。
【００９０】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対してＩｎの拡散長よりも大きさサイズの活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【００９１】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【００９２】
実施例４
本実施例はサファイヤ基板上の下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させ、発光波長領域を形成する例であり、図1９乃至図２２を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００９３】
サファイア基板７０上に、まず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかのバッファ層を形成する。その後１０００℃に昇温して下地結晶層としてシリコンドープのＧａＮ層７１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層を全面に厚さ１００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度のストライプ状の段差部７２を1-101 方向にフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する。その後ＲＩＥで１０μｍ程度エッチングする。
【００９４】
その後図１９に示すようにマスク層を除去する。続いてもう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に昇温し、シリコンドープのＧａＮ層７３を選択成長によって形成する。シリコンドープのＧａＮ層７３は段差部７２に成長するが、しばらく成長を続けると図２０に示す断面鋸歯状の形状を露呈してくる。さらにシリコンドープのＧａＮ層で形成した後しばらく成長を行い、さらにクラッド層として機能するシリコンドープのＧａＮ層を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ 層７４を成長する。ＩｎＧａＮ 層７４の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。その後、成長温度を上昇し、図２１に示すようにマグネシウムドープのＧａＮ層７５を成長する。
【００９５】
さらにこの層に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、図２２に示すようにｐ電極７６がマグネシウムドープのＧａＮ層７５の上に形成される。その後、その成長層をもつ基板上のマグネシウムドープのＧａＮ層７５などの部分を一部除去し、さらにその一部除去した開口部７８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。このＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極がｎ電極７７となる。
【００９６】
本実施例の発光素子は、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させて発光波長領域を形成しており、この発光素子は一般に円形、六角形状のマスクの開口部や結晶種を用いるものよりもＩｎの取り込み量が少なくなることから短波長となる。したがって、これらと組み合わせることで多色発光可能な画像表示装置を作製することが出来る。
【００９７】
実施例５
本実施例は、帯状の窓領域を形成して選択成長させる半導体発光素子の例であり、図２３乃至図２６を参照しながらその構造を説明する。
【００９８】
図２３に示すように、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板８０上に、まず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮのいずれかのバッファ層を形成する。その後昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層８１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層８２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ×５０μｍ程度の矩形状の開口部からなる窓領域８３を形成する。このときの長辺の方向は１−１００方向にとる。その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、シリコンドープのＧａＮ層８４を形成する。シリコンドープのＧａＮ層８４はマスクの窓領域８３に成長するが、しばらく成長を続けると図２４に示す船底の如き形状を露呈してくる。その際突条の六角錐の側面はＳ面と１１−２２面のように異なる結晶面で覆われるようにする。
【００９９】
少なくとも十分な時間が経過して最上部のＣ面がほぼ平らになったところで、さらにシリコンドープのＧａＮ層を形成する。その後成長温度を低減して、活性層となるＩｎＧａＮ層８５を成長する。次いで成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層８６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層８５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに前述の実施例１、２と同様に、活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい点は、前述の実施例と同様である。
【０１００】
その後、マスク層の一部を開口してＧａＮ層８１を露出させ、さらにその除去した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極８７となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極８８が完成する（図２５）。これらの蒸着の際、ｐ電極８８、ｎ電極８７はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、ｐ電極８８はＣ面上のｐ電極８８aと（１１−２２）面上のｐ電極８８ｂ及びＳ面上の図示しないｐ電極に分割される。当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離して、本実施例による発光素子が完成する。
【０１０１】
このような製造工程で製造された本実施例の発光素子は、図２６に示す素子構造を有しており、Ｓ面だけではなく、１１−２２面も形成されたシリコンドープのＧａＮ層８４を有している。このような構造の異なる結晶面の部分を利用して活性層を形成することで、各結晶面ごとに発光波長の異なる発光波長領域が形成され多色化に対応した構成することが可能となる。
【０１０２】
実施例６
本実施例は、上述の半導体発光素子を複数個並べて配置した画像表示装置の例である。図２７に示すように、Ｃ面を基板主面とするサファイヤ基板９０上には、結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層９２とマスク層９３の開口部を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層９５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層９５は基板主面とは傾斜してなるＳ面及び基板主面と平行に延在されるＣ面を有しており、これらＳ面およびＣ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層９６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層９６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層が形成されている。
【０１０３】
シリコンドープのＧａＮ層９５はＳ面およびＣ面で覆われた六角錐台形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層９６はその各Ｓ面およびＣ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層９６の組成は、Ｓ面およびＣ面で覆われた六角錐台形状のＧａＮ層９５の形状を反映して、長波長の第２発光波長領域９７は選択結晶成長層のＣ面側に形成され、短波長の第１発光波長領域９８は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域９７は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域９８は例えば青色の発光を呈する。
【０１０４】
そして、Ｃ面側の第２発光波長領域９７に電流を供給するｐ電極９９が形成され、Ｓ面側の第１発光波長領域９８は電流を供給するｐ電極１００が形成され、さらに共通のｎ電極９４も前記各半導体発光素子に電流を供給する目的で形成されている。
【０１０５】
本実施例の画像表示装置は、多色の発光を行う素子が基板９０上に配列されついることから、画像信号に応じた素子の駆動信号を供給することで所要のカラー表示装置として利用できる。また、各発光素子を３波長の素子としたり、２色発光素子に隣接して更に異なる波長の光を発生させる発光素子を並べてフルカラーの画像表示装置を構成できる。また、異なる発光波長の発光領域を有する発光素子の各電極にそれぞれ同じ発光強度となるような信号を供給することで照明装置としても用いることができる。
【０１０６】
なお、各半導体発光素子は同じものを配列させて構成することができるが、他の方法で作成した各半導体発光素子を部分的に混ぜ合わせて画像表示装置又は照明装置を構成しても良い。
【０１０７】
実施例７
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、３発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図２８乃至図３３を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１０８】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１１０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１１１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１１２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１１３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図２８）。この開口部１１３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【０１０９】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層１１４を各開口部１１３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層１１４はマスク層１１２の開口部１１３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図２９に示すようにＳ面（１−１０１）面で覆われる。成長条件が異なると六角台形形状になることもある。開口部１１３のピッチは隣の成長部を壊さないように十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層１１４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなＳ（１−１０１ ）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部１１３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【０１１０】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１１４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１１５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層１１６を六角錐の部分を覆うように成長する。図３０ではＩｎＧａＮ層１１５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層１１５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層１１５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１１４の形状を反映して、その形状に整合する形で基板に近い側と基板に遠い側では組成や厚みが徐々にずれ込んで、発光波長は中央に近い側が長波長となり、発光波長は基板に近い部分が短波長側となる。したがって、このＳ面上に独立した３つの電極を形成することで、第１乃至第３の発光波長領域を形成することができる。
【０１１１】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１１２を一部除去して開口部１２１を形成する。さらにその一部除去した開口部１２１の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１２０となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これによりｐ電極が形成されるが、更に図３１に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去され、図３１のような六角錐の高さ方向に３分割された金属のｐ電極１１７、１１８、１１９を作製する。ｐ電極１１７は最も短波長の発光波長領域に対応した電極であり、青色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極１１８は次に短い波長の発光波長領域に対応した電極であり、緑色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極１１９は最も長い波長の発光波長領域に対応した電極であり、赤色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。
【０１１２】
カソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果からは、その六角錐の上部から下部にかけて１００乃至１５０ｎｍの波長のシフトが観測され、これは、青色光から、赤色光まで（４７０ｎｍ−６２０ｎｍ）の波長間隔に対応する。このため本実施例の半導体発光素子は、ｐ電極１１７、１１８、１１９のように電極部位をＳ面に沿って変えることにより、単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極１１７、１１８、１１９に同じ信号を与えて波長の異なる領域を常に同電位にしておけば、白色光源になる。なお、ｎ電極１２０は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図３１では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板１１０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層１１４の裏面側に設けることも可能である。
【０１１３】
その後、図３２に示すように、３分割されたｐ電極の形成された半導体発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもＡＦＭなどで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっともきれいな部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【０１１４】
このような製造工程で製造された本実施例の発光素子は、図３３に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１１０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１１１とマスク層１１２の開口部１１３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１１４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１１４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１１５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１１５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１１６が形成されている。
【０１１５】
シリコンドープのＧａＮ層１１４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１１５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１１５は基板に近い側と基板に遠い側では組成や厚みが徐々にずれ込んでいて、発光波長は中央に近い側が長波長となり且つ発光波長は基板に近い部分が短波長側とされた第１乃至第３の発光波長領域１２３、１２４、１２５がＩｎＧａＮ層１１５に形成されている。
【０１１６】
これらの第１乃至第３の発光波長領域１２３、１２４、１２５に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１１６の上にはｐ電極１１７、ｐ電極１１８、ｐ電極１１９が形成されており、それぞれ独立して各第１乃至第３の発光波長領域１２３、１２４、１２５に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１２０は、六角錐部分の側部で開口された開口部１２１の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１１１を介してシリコンドープのＧａＮ層１１４に接続している。
【０１１７】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１１４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【０１１８】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【０１１９】
実際にこの素子を使用する際には、ｎ電極を同一とし、３つの電極に独立して通電することで独立した発光を得ることができる。なお、３つの電極間をエッチングやイオン注入などにより絶縁することもできる。また、形成される半導体発光素子は、このような独立した信号制御から少なくとも同時に２つの異なる波長での発光が可能となる。
【０１２０】
実施例８
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の面部分と辺部分に分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図３４乃至図３９を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１２１】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１３０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１３１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１３２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１３３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図３４）。この開口部１３３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【０１２２】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層１３４を各開口部１３３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層１３４はマスク層１３２の開口部１３３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図３５に示すようにＳ面（１−１０１）面で覆われる。成長時間が足りないと六角台形形状になるが、Ｓ面（１−１０１）面で覆われる六角錐になるまでＳｉドープのＧａＮ層１３４を成長する。そのために開口部１３３のピッチは十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層１３４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなＳ（１−１０１）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部１３３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。
【０１２３】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１３４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１３５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層１３６を六角錐の部分を覆うように成長する。図３６ではＩｎＧａＮ層１３５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層１３５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層１３５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１３４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成や厚みが異なるように形成されており、第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。発光波長はＳ面同士の交線を含んだ第２発光波長領域が長波長となり、基板により近いＳ面の部分に形成され第１発光波長領域が短波長となり、長波長の第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、短波長の第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【０１２４】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１３２を一部除去して開口部１３８を形成し、さらにその一部除去した開口部１３８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１３７となる。さらに六角錐上に成長した最表層であるＭｇドープのＧａＮ層１３６上にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。初めにＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ層またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ層を蒸着して、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフで表面電極を部分的に除去し六角錐の辺の部分と面の部分に分割し、図３７のように、六角錐の面部分と辺部分で独立したｐ電極１３９、１４０を形成する。六角錐の辺の部分と面の部分では発光波長の異なる発光波長領域が形成されているため、当該半導体発光素子ではこのような独立した電極を形成することで、少なくとも４７０ｎｍと５２０ｎｍの青、緑についての発光波長をどちらも出力できる。六角錐の辺と面部とではカソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果、５０ｎｍの波長のシフトが観測されている。これは、青色光から、緑色光まで（４７０ｎｍ−５２０ｎｍ）の波長間隔に対応している。単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極１３９，１４０に同じ信号を与えて波長の異なる領域を常に同電位にしておけば、必要に応じて赤色成分を他の材料の発光ダイオードで加えれば白色光源になる。なお、ｎ電極１３７は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図３７では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板１３０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層１３４の裏面側に設けることも可能である。
【０１２５】
その後、この発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで素子毎に分離する( 図３８)。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもＡＦＭなどで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっとも細かくて平行な部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【０１２６】
図３９は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１３０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１３１とマスク層１３２の開口部１３３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１３４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１３４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１３５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１３５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１３６が形成されている。
【０１２７】
シリコンドープのＧａＮ層１３４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１３５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１３５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐形状のＧａＮ層１３４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成や厚みが異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【０１２８】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１３６の上にはｐ電極１３９、ｐ電極１４０が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１３７は、六角錐部分の側部で開口された開口部１３８の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１３２を介してシリコンドープのＧａＮ層１３４に接続している。
【０１２９】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１３４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【０１３０】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【０１３１】
実施例９
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面及びＣ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の領域とＣ面の領域分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図４０乃至図４５を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１３２】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１５０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１５１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１５２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１５３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図４０）。この開口部１５３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【０１３３】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、シリコンドープのＧａＮ層１５４を選択成長によって形成する。このシリコンドープのＧａＮ層１５４はマスクの開口部５３に成長するが、しばらく成長を続けると図４１に示す六角錐台形状を露呈してくる。その際六角錐の斜面はＳ面（１−１０１）面で被われ、上面はサファイヤ基板１５０の主面と同じＣ面で覆われるようにする。十分な時間が経過して最上部のＣ面がほぼ平らになるところで、さらにシリコンドープのＧａＮ層を形成した後、しばらく成長を行い、さらに第１導電型クラッド層としてのシリコンドープのＧａＮ層１５４を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１５５を成長する。続いて成長温度を上昇し、図４２に示すように、マグネシウムドープのＧａＮ層１５６を成長する。
【０１３４】
その際のＩｎＧａＮ 層１５５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ 程度である。活性層としては、さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。活性層であるＩｎＧａＮ層１５５の組成や厚みは、側面がＳ面で覆われ且つ上面が基板主面に平行なＣ面で覆われた六角錐台形のＧａＮ層１５４の形状を反映して、その形状に整合する形でＣ面とＳ面では、発光波長は中央に近いＣ面が長波長となり、発光波長は基板に近いＳ面部分が短波長となる。したがって、これらＣ面上とＳ面上に分離した電極を形成することで、第１及び第２の発光波長領域を形成することができる。
【０１３５】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１５２を一部除去して開口部１６０を形成する。さらにその一部除去した開口部１６０の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１５９となる。さらに六角錐台形のマグネシウムドープのＧａＮ層１５６の最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。ｐ電極はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を用いて形成されるが、更に図４３に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去して、Ｓ面上に形成されるｐ電極１５７とＣ面上に形成されるｐ電極１５８とが形成される。ｐ電極１５７は６つのＳ面にそれぞれ独立に分離されて形成され、Ｃ面に対してｐ電極１５８が他のｐ電極１５７と分離して形成される。ｐ電極１５７は活性層の短波長の発光波長領域に対応し、ｐ電極１５８は活性層の長波長の発光波長領域に対応する。なお、本実施例では、ｐ電極１５７はＳ面ごとに形成されているが、全部のＳ面について共通のｐ電極を形成しても良い。また、この六角錐台形のＣ面に長波長のｐ電極を形成し、且つＳ面の面部分に短波長のｐ電極を形成し、さらにＳ面の面同士の交線である辺部分に中間波長のｐ電極を形成して、独立したｐ電極を有する第１乃至第３の発光波長領域を構成することも可能である。
【０１３６】
これらの蒸着の際、ｐ電極１５７、１５８、ｎ電極１５９が六角錐層とマスクの下に形成されたシリコンドープのＧａＮ層との双方についてしまうと短絡してしまうので、それぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図４４に示すように、この半導体発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで分離する。
【０１３７】
図４５は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１５０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１５１とマスク層１５２の開口部１５３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１５４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１５４は基板主面とは傾斜してなるＳ面及び基板主面と平行に延在されるＣ＋面を有しており、これらＳ面およびＣ＋面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１５５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１５５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１５６が形成されている。
【０１３８】
シリコンドープのＧａＮ層１５４はＳ面およびＣ面でおおわれた六角錐台形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１５５はその各Ｓ面およびＣ＋面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１５５の組成や厚みは、Ｓ面およびＣ＋面でおおわれた六角錐台形状のＧａＮ層１５４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成や厚みが異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＣ面部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【０１３９】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１５６の上にはｐ電極１５７、ｐ電極１５８が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１５９は、六角錐部分の側部で開口された開口部１６０の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１５２を介してシリコンドープのＧａＮ層１５４に接続している。
【０１４０】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成されるＧａＮ層１５４の基板主面から傾斜したＳ面および基板主面に平行に延在されるＣ＋面を利用し、それらＣ＋面およびＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【０１４１】
実施例１０
本実施例はサファイヤ基板上の下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させ、発光波長領域を形成する例であり、図４６乃至図４９を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１４２】
サファイア基板１７０上に、まず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかのバッファ層を形成する。その後１０００℃に昇温して下地結晶層としてシリコンドープのＧａＮ層１７１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層を全面に厚さ１００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度のストライプ状の段差部１７２を１−１０１方向にフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成し、その上からＲＩＥでむき出しになっているシリコンドープのＧａＮ層１７１をエッチングする。
【０１４３】
その後図４６に示すようにマスク層を除去する。続いてもう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に昇温し、シリコンドープのＧａＮ層１７３を選択成長によって形成する。シリコンドープのＧａＮ層１７３は段差部１７２に成長するが、しばらく成長を続けると図４７に示す断面鋸歯状の形状を露呈してくる。さらにシリコンドープのＧａＮ層で形成した後しばらく成長を行い、さらにクラッド層として機能するシリコンドープのＧａＮ層を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ 層１７４を成長する。ＩｎＧａＮ 層１７４の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。その後、成長温度を上昇し、図４８に示すようにマグネシウムドープのＧａＮ層１７５を成長する。
【０１４４】
さらにこの層に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、図４９に示すようにｐ電極１７６がマグネシウムドープのＧａＮ層１７５の上に形成される。その後、その成長層をもつ基板上のマグネシウムドープのＧａＮ層１７５などの部分を一部除去し、さらにその一部除去した開口部１７８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。このＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極がｎ電極１７７となる。
【０１４５】
本実施例の発光素子は、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させて発光波長領域を形成しており、この発光素子は一般に円形、六角形状のマスクの開口部や結晶種を用いるものよりも短波長となる。したがって、これらと組み合わせることで多色発光可能な半導体発光装置を作製することが出来る。
【０１４６】
実施例１１
本実施例は、実施例７のように選択成長した発光素子でその形状要素を変化させて異なる発光波長領域を形成し、且つ実施例１０に説明した選択成長で短波長化した発光領域を形成して半導体発光装置を構成する例である。
【０１４７】
図５０に示すように、サファイヤ基板１８０上にまず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかのバッファ層を形成する。その後１０００℃に昇温して下地結晶層としてシリコンドープのＧａＮ層１８１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１８２を全面に厚さ１００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲で形成し、このマスク層１８２に、３種類の形状要素の異なる発光群を構成するように、配列密度の高い開口部１８３と、配列密度の比較的低い開口部１８４と、１０μｍ程度のストライプ状のパターンとされた開口部１８５をそれぞれ形成する。図５０において、開口部１８３に対応して構成される発光群では配列密度が高く、開口部１８３同士の隣接した距離が短くされており、開口部１８４に対応して構成される発光群では配列密度が低く、開口部１８４同士の隣接した距離が長くされている。開口部１８３と開口部１８４はそれぞれ同じ径を有しているが、ここでは隣接した他の開口部までの距離が異なるように構成されている。ストライプ状のパターンとされた開口部１８５は前述の実施例１０と同様に段差部を１−１０１方向にフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する。
【０１４８】
続いて、これら３種類の形状要素を用いたそれぞれの発光群の各開口部１８３、１８４、１８５から選択成長によってシリコンドープのＧａＮ層が形成され、その上にＩｎＧａＮ層が活性層として形成され、図５１に示すように、その上にマグネシウムドープのＧａＮ層１８６、１８７、１８８が形成される。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層の組成や厚みには、各発光群ごとに差異が生じており、ストライプ状のパターンを反映して形成されたＩｎＧａＮ層は青色の発光をし、配列密度が低い開口部１８４を反映して形成されたＩｎＧａＮ層は赤色の発光をし、さらに配列密度が高い開口部１８３を反映して形成されたＩｎＧａＮ層は緑色の発光をすることになる。
【０１４９】
各発光群のマグネシウムドープのＧａＮ層１８６、１８７、１８８上には、図５２に示すように、それぞれｐ電極１８９、１９０、１９１が形成され、それぞれ各発光群ごとに独立して電流が注入される。これら素子形成部分に隣接してマスク層１８２をエッチングして各開口部１９５、１９６、１９７を空けてｎ電極１９２、１９３、１９４を形成する。ｎ電極を本実施例の半導体発光素子では３個形成したが、電圧降下が無視できる範囲で数を少なくして共通化しても良い。このように一つの装置内で一回の結晶成長から、3 色の発光をする半導体発光素子を構成することが出来る。前述のように、この三色は赤、青、緑とすることが出来、一般にストライプ部が短波長になり、ピッチの大きい（フィルファクターの小さい）素子ほど長波長になる。また、マスクの開口部のサイズをこの実施例では変えていないがそれを変えても同じような効果が得られる。
【０１５０】
特に、このような半導体発光装置をディスプレーに応用することは容易であり、本実施例の半導体発光装置を１００万画素並べることで画像表示装置にすることが出来る。単純マトリックス方式ではＸ，Ｙの方向に電極を作製するだけで画像表示装置が出来ることになる。
【０１５１】
実施例１２
実施例１１で得られた多色半導体発光装置を単純マトリックス方式で配線することで、画像表示装置又は照明装置を構成することができる。図５３は、そのような画像表示装置又は照明装置の実施例であり、各半導体発光装置２００、２０１、２０２、２０３は基板２０５上に、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域の部分が直線状に並ぶように配列されていて、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域のｐ電極に電流を供給するための配線２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂが配されている。なお、ｎ電極は共通とされ、必要に応じて画素ごとの制御を行うための選択トランジスタなども形成される。
【０１５２】
このような画像表示装置又は照明装置には、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なり、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域として機能する第１乃至第３発光波長領域がそれぞれ活性層に形成された構造を有している。各配線２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂに独立した信号を与えることで、画像表示装置として２次元の画像を表示することが可能であり、各配線２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂに同信号を与えることで、照明装置として利用することもできる。
【０１５３】
なお、各色の発光領域は必ずしも、直線状に並ぶものでなくとも良く、千鳥状や２色の発光を基礎にするものでも良く、あるいは３原色のうちの１色が他の色よりも画素数が多いような構成であっても良い。各半導体発光装置は同じものを配列させて構成することができるが、他の方法で作成した各半導体発光装置を部分的に混ぜ合わせて画像表示装置又は照明装置を構成しても良い。
【０１５４】
なお、上述の各実施例中、サファイヤ基板上に低温バッファ層を形成してから、ＧａＮ層を成長させ、その後に選択マスクを形成して選択成長を行う方法について説明したが、これに限定されず、サファイヤ基板上に積層するだけではなく、Ｓｉ上に直接約９００℃でＧａＮ層を形成したり、ＳｉＣ上に１０００℃でＡｌＮを５ｎｍ成長させた後ＧａＮを成長させたり、ＧａＮ基板を使用してその後選択マスクを形成することでも良い。また、上述の実施例の六角錐等のサイズは例示であり、例えば六角錐等の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【０１５５】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子は、その選択成長に基づく構造から、結晶面の違いや拡散長よりも大きなサイズの活性層を形成することでバンドギャップエネルギーの同一活性層内での変化を実現させている。このため特にエッチングなどの工程は波長の異なる発光領域の形成のためには不要であり、製造工程を複雑化させることなく、製造される素子は精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かない構造となる。
【０１５６】
また、三原色の発光ダイオードが一度の成長で出来ることで、発光ダイオードがディスプレーに使われる易くなり、さらに三色を一度に出すため発光効率が上がれば蛍光灯に置き換わるような照明装置としても利用できる。さらに固体発光素子ということで携帯用に便利である。また、結晶性を上げることで、レーザ化することも可能であり、レーザを三原色で出すことも高出力の発光を示す上で有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるシリコンドープのＧａＮ層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における活性層等の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図６】本発明の実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図８】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図９】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１０】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１１】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１２】本発明の実施例２の半導体発光素子の断面図である。
【図１３】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１４】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１５】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１６】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１７】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１８】本発明の実施例３の半導体発光素子の断面図である。
【図１９】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における段差部の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２０】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における結晶層の選択成長工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２１】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２２】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２３】本発明の実施例５の半導体発光素子の製造工程におけるマスク層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図２４】本発明の実施例５の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示すと製造工程斜視図である。
【図２５】本発明の実施例５の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図２６】本発明の実施例５の半導体発光素子の断面図である。
【図２７】本発明の実施例６の画像表示装置の断面図である。
【図２８】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２９】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程におけるシリコンドープのＧａＮ層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３０】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程における活性層等の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３１】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３２】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３３】本発明の実施例７の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図３４】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３５】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３６】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３７】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３８】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３９】本発明の実施例８の半導体発光素子の断面図である。
【図４０】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４１】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４２】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４３】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４４】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４５】本発明の実施例９の半導体発光素子の断面図である。
【図４６】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における段差部の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４７】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における結晶層の選択成長工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４８】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４９】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５０】本発明の実施例１１の半導体発光装置の製造工程におけるマスク層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図５１】本発明の実施例１１の半導体発光装置の製造工程における結晶層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図５２】本発明の実施例１１の半導体発光装置の製造工程における電極形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図５３】本発明の実施例１２の画像表示装置または照明装置の概略構造を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１０、３０、５０、７０、８０、９０ サファイヤ基板
１１、１４、３１、３４、５１、５４、７１、７３、８１、８４、９２、９５ シリコンドープのＧａＮ層
１５、３５、５５、７４、８５、９６ ＩｎＧａＮ層（活性層）
１６、３６、５６、７５、８６ マグネシウムドープのＧａＮ層
１９、３７、６０、７７、８７、９４ ｎ電極
１７、１８、３９、４０、５７、５８、５９、７６、８８、８８ａ、８８ｂ、９９、１００ ｐ電極
１１０、１３０、１５０、１７０、１８０ サファイヤ基板
１１１、１１４、１３１、１３４、１５１、１５４、１７３、１８１ シリコンドープのＧａＮ層
１１５、１３５、１５５、１７４ ＩｎＧａＮ層（活性層）
１１６、１３６、１５６、１７５、１８６、１８７、１８８ マグネシウムドープのＧａＮ層
１２０、１３７、１５９、１７７、１９２、１９３、１９４ ｎ電極
１１７、１１８，１１９、１３９、１４０、１５７、１５８、１７６、１８９、１９０、１９１ ｐ電極
２００、２０１、２０２、２０３ 半導体発光装置
【発明の属する技術分野】
本発明はウルツ（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）鉱型の結晶構造を有する化合物半導体を用いた半導体発光素子及び該化合物半導体を用いた半導体発光素子を有する半導体発光装置、画像表示装置、及び照明装置に関し、特に、ウルツ鉱型の結晶構造を有する化合物半導体を利用して多色や白色の発光を行う半導体発光素子および半導体発光装置、画像表示装置、及び照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子として、これまでサファイア基板上に全面に低温バッファ層、Ｓｉ（シリコン）をドープしたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を形成し、その上にＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側クラッド層, ＳｉをドープしたＩｎＧａＮからなる活性層、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ側クラッド層と、Ｍｇ（マグネシウム）をドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層などを積層した素子が知られている。このような構造を有し市販されている製品として、４５０ｎｍ から５３０ｎｍの波長を含む青色、緑色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が量産されている。
【０００３】
ところで、青色、緑色、赤色の各色のダイオードやレーザーを組み合わせて各画素を構成し、各画素をマトリクス状に配列させて独立して駆動することで画像表示装置を構成することができ、また、青色、緑色、赤色の各色の発光素子を同時に発光させることで白色発光装置若しくは照明装置としても利用できる。特に窒化物半導体を用いた発光素子は、バンドギャップエネルギーが約１．９ｅＶから約６．２ｅＶまであり、１つの材料でフルカラーディスプレイが可能となるため、多色発光素子の研究が進められている。
【０００４】
同一の基板上に多色発光素子を形成する技術としては、発光波長の違いに応じてバンドギャップエネルギーの異なる複数の活性層を積層し、基板側の電極を共通としながら、他方の電極を色毎に別個に形成した素子が知られており、電極取り出しのために階段状に形成された基板表面の各段が各色に対応する構造の素子が知られている。また、このようにｐｎ接合を複数積層した素子は、同一素子内において発光素子がサイリスタのように動作する可能性があり、サイリスタ動作を防止するために階段状の部分毎に溝を形成して各色毎の分離をした素子も知られており、例えば特開平９−１６２４４４号公報に開示されている。また、特開平９−９２８８１号公報に開示されている発光素子は、多色発光のために、アルミナ基板上にＡｌＮバッファ層を介してＩｎＧａＮ層を形成し、そのＩｎＧａＮ層の一部にはＡｌをドープとして青を発光させ、他の一部にはＰをドープして赤を発色させ、ＩｎＧａＮ層のノンドープの領域を緑の発光領域として多色化する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如き構造の半導体発光素子では、その製造工程が複雑化して、精度良く発光素子を形成することができず、さらに結晶性も劣化することから、良好な発光特性を得ることもできない。
【０００６】
すなわち、各色毎の階段状の部分毎に溝を形成して各色毎に分離した素子においては、エッチングによってバンドギャップエネルギーの異なる各活性層の領域を隔離するため、複数回の異方性エッチングが必要となる。ところが、一般に、ドライエッチングによっては基板や半導体層の結晶性が劣化することがあり、特に複数回のエッチングを施した場合では、第２回目以降のエッチングではエッチングによって露出した基板表面からの結晶成長によって素子を形成することになり、結晶性を良質に保つことが困難である。また、複数回のエッチングを施す場合には、それだけマスク合わせやエッチングなどの工程数も増加することになり、その結果、素子の製造のコスト増を招くことになる。
【０００７】
また、基板上に形成された単一の活性層に選択的に不純物をドープする技術においては、例えば選択的なドープを行うためにマスク層の開口部を利用する場合、マスク層の開口部の形成マージンなどの位置上の誤差を見込んで各発光色のレイアウトを決めることになり、予め誤差を見込んだ場合では、異なる発光色の領域の間では距離を十分にとる必要があり、従って、微小な素子を形成しようとした場合でも、その各色の発光のための領域が大きくなってしまう。また、選択的なドーピングによって工程数が増加することも言うまでもないことである。
【０００８】
そこで、本発明は、上述の如き課題に鑑みてなされたものであり、製造工程を複雑化させることなく、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かない構造の半導体発光素子及び半導体発光装置を提供することを目的とし、さらにこのように優れた前記半導体発光素子や半導体発光装置を用いた構造の画像表示装置及び照明装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層の少なくとも一部は、前記２以上の結晶面による選択結晶成長層の互いに異なる結晶面にそれぞれ平行に延在されるように形成され、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００１０】
ここで素子形成のために選択成長を行う手段として、前述の選択結晶成長層は、例えば下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長させても良く、また、基板上に形成された種結晶部から選択的に成長させても良く、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させても良い。本発明の半導体発光素子においては、それぞれ発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて、さらに異なる発光波長を有する第３発光波長領域を有する構成であっても良い。
【００１１】
また、本発明の他の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層は３元以上の混晶材料を用いて構成され、該混晶材料の一部を構成する原子の拡散長を前記活性層が延在される大きさよりも短くすることで発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００１２】
また、上述の如き半導体発光素子の異なる発光波長の各発光領域を画素として利用して画像表示装置を構成することも可能であり、また、上述の如き半導体発光素子を複数個配列して照明装置を構成することも可能である。
【００１３】
本発明の半導体発光素子では選択成長によって選択結晶成長層が形成され、選択成長によって形成された選択結晶成長層は容易に異なる結晶面を表面に有する所要の形状を呈することになる。そして、異なる結晶面を表面に有する選択結晶成長層上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層をこれら結晶面に平行に延在されるように形成した場合には、結晶面ごとに結合ボンドの数が異なることがあり、このような結晶面に応じた結合ボンド数の差異はバンドギャップエネルギーを左右する原子の取り込み量を決定する。したがって結晶面が異なることで、バンドギャップエネルギーを左右する原子の取り込み量が異なることになり、その結果発光波長の異なる領域が得られる。このような発光波長の異なる領域に第１発光領域と第２発光領域をそれぞれ形成し、且つそれぞれ電流を注入可能とすることで、同一素子を多色に発光させることができる。
【００１４】
また、本発明の他の半導体発光素子においては、同一活性層内でバンドギャップエネルギーを変化させるために、活性層が延在される大きさがバンドギャップエネルギーを左右する混晶構成原子の拡散長よりも短くされる。このため、混晶構成原子が均一のマイグレーションしないことがあり、混晶構成原子の濃度にばらつきが生じて同一活性層内でも発光波長が異なることになる。
【００１５】
また、本発明のさらに他の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００１６】
ここで素子形成のために選択成長を行う手段として、前述の選択結晶成長層は、例えば下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長させても良く、また、基板上に形成された種結晶部から選択的に成長させても良く、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させても良い。
【００１７】
また、前記活性層に形成される前記第１発光波長領域及び前記第２発光波長領域は、前記選択結晶成長層の面同士の交線となる辺の部分と、前記選択結晶成長層の面の部分とにそれぞれ形成される構造とすることができ、前記選択結晶成長層の面は少なくとも基板の主面と異なる面方位のＳ面を有していても良い。さらに本発明の半導体発光素子においては、それぞれ発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて、さらに異なる発光波長を有する第３発光波長領域を有する構成であっても良い。
【００１８】
さらに、本発明にかかる半導体発光素子によって構成され得る半導体発光装置は、基板と、該基板上にウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された複数の選択結晶成長層と、前記複数の選択結晶成長層上にそれぞれ形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、且つ形状要素が同一又は近似した複数の前記選択結晶成長層からなる発光群を２つ以上を同一基板上に有し、各前記発光群は前記形状要素の違いから互いに異なる発光波長を有することを特徴とする。
【００１９】
これら複数の選択結晶成長層は下地結晶層上に形成されたマスク層に設けられた開口部を介して選択成長したものであっても良く、前記基板上に形成された種結晶部から選択成長されたものであっても良い。また、前記形状要素は前記開口部や前記種結晶部の形状、寸法、配列密度から決定されるものとすることができる。
【００２０】
上述の如き半導体発光素子の異なる発光波長の各発光領域或いは上述の半導体発光装置の異なる発光波長の各発光群を画素として利用して画像表示装置や複数個配列して照明装置を構成することも可能である。
【００２１】
本発明の半導体発光素子では選択成長によって選択結晶成長層が形成され、選択成長によって形成された選択結晶成長層は容易に例えば六角錐状や六角台形の所要の形状を呈することになる。そして、選択結晶成長層上に第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層を形成した場合には、これらの層は選択成長による選択結晶成長層の形状的な要因の影響を受け、同じ材料層でありながら下地形状を反映して組成や厚みが異なることになる。その結果、同一の活性層であっても組成が異なることや活性層等の厚みが異なることで、ハンドギャップエネルギーが異なることになり、その結果発光波長の異なる領域が得られる。このような発光波長の異なる領域に第１発光領域と第２発光領域をそれぞれ形成し、且つそれぞれ電流を注入可能とすることで、同一素子を多色に発光させることができる。
【００２２】
また、本発明にかかる半導体発光素子によって構成され得る半導体発光装置ではそれぞれ形状要素が同一又は近似した複数の前記選択結晶成長層からなる発光群が２つ以上基板に形成され、形状要素が同一又は近似した複数の前記選択結晶成長層からなる発光群内では、発光波長が同様とされるが、他の形状要素にかかる発光群との間では、異なる発光波長が得られることになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の半導体発光素子、画像表示装置及び照明装置について詳細に説明する。
【００２４】
本発明の半導体発光素子は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層の少なくとも一部は、前記２以上の結晶面による選択結晶成長層の互いに異なる結晶面にそれぞれ平行に延在されるように形成され、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の他の半導体発光素子（第２の半導体発光素子）は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層は３元以上の混晶材料を用いて構成され、該混晶材料の一部を構成する原子の拡散長を前記活性層が延在される大きさよりも短くすることで発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００２６】
本発明のさらに他の半導体発光素子（第３の半導体発光素子）は、ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された２以上の結晶面による選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする。
【００２７】
上記本発明の各半導体発光素子において、選択結晶成長層は基板上に形成することができ、このような基板としては、後述の選択結晶成長層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭＧａｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイヤ基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイヤ基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２８】
この基板上に選択成長によって形成される選択結晶成長層は、当該選択結晶成長層に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層のうち、特に活性層の組成及び厚みの少なくとも一方が同一活性層の範囲内で異なるように形成されるウルツ鉱型の化合物半導体であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でも、基板の主面に対して傾斜した結晶面（第３の半導体発光素子においてはＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面）を有するウルツ鉱型の結晶構造となる半導体層が好ましく、さらにはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、およびＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などが好ましい。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。
【００２９】
ここで、上記基板の主面に対して傾斜した結晶面とは、それぞれのウルツ鉱型の（０００１）面、（１−１００）面、（１−１０１）面、（１１−２０）面、（１−１０２）面、（１−１２３）面、（１１−２２）面などの各結晶面、さらにはこれらと実質的に等価な面である前記各結晶面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。同様に、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。また、本明細書中、窒化物とはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む化合物を指し、若干量の不純物の混入を含むこともあるものである。
【００３０】
選択結晶成長層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００℃以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００３１】
特に本発明においては、前記選択結晶成長層は、例えば下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長させても良く、また、基板上に形成された種結晶部から選択的に成長させても良く、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させても良い。この下地結晶層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地結晶層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地結晶層も選択結晶成長層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。選択結晶成長層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００３２】
本発明の一例によれば、選択成長に用いられるマスク層は、例えば酸化シリコン層や窒化シリコン層などの絶縁層からなり、その厚みは例示的には１００から５００ｎｍの範囲である。下地結晶層上のマスク層には、選択結晶成長層を成長させるための開口部が形成される。この開口部の形成には、フォトリソグラフィー技術と所要のエッチャントが使用される。この開口部の大きさは、作成する発光素子の特性に応じて設定されるものであるが、一例としては１０μｍ程度のサイズとされ、その形状としては矩形状、正方形状、円形状、六角形状、三角形状、菱形形状、楕円形状などの種々の形状とすることができる。マスク層を用いずに選択成長を行う方法もあり、例えば、バッファ層上や基板上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の結晶種部に細分化し、それぞれの結晶種部からの結晶成長によって選択結晶成長層を形成しても良い。例えば、細分化された結晶種部は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形形状、楕円形状およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。結晶種部からの結晶成長は、選択マスクを作製してマスクのある部分を残し他をエッチングすることで種結晶部を得て、種結晶部から選択成長させたもので、電極を変える事で多色素子を得る点についてはほぼ同じであり、この際マスクの汚染の影響が少ない。また、選択結晶成長層を成長させるためもう１つの方法は、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させる方法である。下地結晶層の表面を凹凸形状に加工方法としては、例えばフォトリソグラフィー技術と所要のエッチングが使用されるが、他の凹凸形状の形成方法を用いることもできる。エッチングなどによる加工と、その加工面上に選択成長することで、波長が場所により異なることが可能であるため、プレーナ構造の波長を変えたい部分にストライプ状のＳ面や、１１−２２面などを形成し、その部分のみ長波長化させ、プレーナ部分に比べて長波長化した領域を一回のエピタキシャル成長で作製することが出来る。凹凸形状に加工する場合とは、本明細書においては、ストライプ状のＳ面や、１１−２２面などを形成を形成するための加工を含み、その加工部分はストライプ、矩形などでも良い。ストライプの幅などを変えれば、2 種類以上の波長部分を作ることが出来、３原色の発光も可能となる。このようにして、プレーナ構造でも最初のエッチングにより簡単に３色の成長を行うことが出来るのである。
【００３３】
選択成長を用いマスク層の開口部である窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板主面と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。また、略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマクス層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。
【００３４】
本発明の半導体発光素子においては、選択成長により選択結晶成長層を形成することで、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面を容易に形成することが可能である。Ｓ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面ついては、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ−面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ＋面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を安定して形成することができ、Ｃ＋面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のボンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／ＩＩＩ比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００３５】
本発明の半導体発光素子においては、化合物半導体からなる選択結晶成長層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状または帯状に延在された形状であっても良い。
【００３６】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００℃であるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０. ５〜１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００３７】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００３８】
本発明の各半導体発光素子は、前述の選択結晶成長層に第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層が形成される。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えば活性層の下地層を構成する結晶層（第３の半導体発光素子においてはＳ面を構成する結晶層）をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造を形成することができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造や片側だけにＡｌＧａＮ層を形成する構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。このような活性層は一回の成長によって形成された半導体結晶層から構成されることが望ましい。一回の成長とは単一または連続した一連の膜形成処理を以って成長されることを指し、活性層自体を複数回形成する工程を含まない。
【００３９】
本発明の異なる結晶面を利用する半導体発光素子（第１の半導体発光素子）では、これら第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層は、選択成長によって形成された異なる結晶面に亘ってこれらの異なる結晶面のそれぞれ平行な面内に延在されるが、このような面内への延在は結晶の選択成長した表面が形成されたところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐台形状となり、各傾斜面がＳ面等とされる場合では、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができ、且つ基板主面に平行なＣ面上にも第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層が形成される。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型クラッド層は選択成長にかかる結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面などを構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型クラッド層として機能する構造であっても良い。
【００４０】
本発明の異なる結晶面を利用する半導体発光素子では、選択成長によって傾斜したＳ面などのＣ面以外の面を形成する場合、そのＳ面などの結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。ＩｎＧａＮ活性層を用いて多色化するためには、十分にＩｎが結晶として取り込まれる必要があり、Ｓ面の良好な結晶性を利用することで発光効率を高めることができ、かつ多色発光に望ましい構造となる。すなわち、Ｃ+ 面上に成長する限りでは脱離し易いと思われるＮのボンドがＧａから一本しか出ておらず、分解効率が低いアンモニアを用いて成長する限りでは実効的なＶ／ＩＩＩ比が大きく出来ないことになり、良質の結晶成長を行うためには多くの工夫を必要とする。しかし、Ｓ 面での成長ではＮのボンドはＧａに対して2 本又は3 本でつながっているため、Ｎは脱離しにくい傾向になることになり、実効的なＶ／ＩＩＩ 比が高くなると考えられる。これはＳ面成長のみに限らずＣ＋面以外の成長ではすべてＮへのＧａからのボンドの数は増える傾向にあるためにＣ＋面を用いないで成長することはすべて結晶へのＩｎ取り込み量は事実上大きくなる。このようにＩｎの取り込み量が多くなった場合には、Ｉｎの取り込み量でバンドギャップエネルギーが支配されるため、多色化に好適となる。
【００４１】
前記異なる結晶面は、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]、（１−１００）面[Ｍ面]、（１−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた２以上の結晶面であることが好ましい。特にＣ面とＣ面以外の組み合わせから、Ｉｎなどの混晶構成原子の取り込み量は大きく変化することになり、したがって同一活性層内での波長のずれが大きくなって多色化に好適となる。
【００４２】
本発明の半導体発光素子においては、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域が形成される。また、同一の素子から３種類の発光波長を有するように互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて更に発光波長の異なる第３発光波長領域を形成するようにすることもできる。
【００４３】
また、混晶構成原子の拡散長を利用する本発明の半導体発光素子（第２の半導体発光素子）としては、例えば活性層をＩｎＧａＮ活性層によって構成した場合では、活性層に含有されるＩｎの量を多くすることで、より長波長の半導体発光素子を構成することができる。すなわち、ＩｎＧａＮ層の結晶成長において、ＩｎＧａＮ の特にＩｎの拡散長（マイグレーション長）は、Ｉｎ組成の比較的大きいＩｎＧａＮ層の結晶成長でほぼ最適となる７００℃程度で約１から２μｍ程度 と見積もられる。これはマスク上に析出するＩｎＧａＮ が選択成長した部分から約１から２μｍ程度しか成長しないからである。このことから、Ｉｎの拡散長はその程度と考えられ、このようにマスク部分から成長部分にかけてＩｎＧａＮ でのＩｎなどのマイグレーション長は比較的短いため、その面の中でＩｎの組成や、ＩｎＧａＮ の厚さが異なることがある。
【００４４】
このように活性層の波長は、面内でまたは基板上で比較的場所により変わりやすい性質があるが、それはＩｎの拡散距離がＩｎＧａＮ の成長に適した７００℃程度では短くなることが原因と考えられる。本発明の半導体発光素子は、このように同一の活性層内で領域に応じて発光波長が変化することを積極的に活用し、ほぼ同じ発光波長の領域を一領域として、発光波長の異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とする。それぞれ独立して電流を注入するため、第１発光波長領域及び第２発光波長領域には独立した電極が形成されるが、一方の側の電極は共通化することもできる。このような波長の異なる領域を同一活性層に２または３箇所以上形成し、独立して電流を注入することで多色半導体発光素子を構成することができ、さらには同時に多色の素子を発光させるように制御することで混色や白色発光の半導体発光素子を構成することができる。
【００４５】
一方、本発明の組成や膜厚の相違を利用する半導体発光素子（第３の半導体発光素子）では、これら第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層は、その一例として、選択成長によって形成されたＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在はＳ面等が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜面がＳ面等とされる場合では、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型クラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型クラッド層として機能する構造であっても良い。
【００４６】
本発明の半導体発光素子では、選択成長によって形成された傾斜したＳ面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。更にＩｎＧａＮ活性層を用いて多色化するためには、十分にＩｎが結晶として取り込まれる必要があり、Ｓ面の良好な結晶性を利用することで発光効率を高めることができ、かつ多色発光に望ましい構造となる。すなわち、Ｃ+ 面上に成長する限りでは脱離し易いと思われるＮのボンドがＧａから一本しか出ておらず、分解効率が低いアンモニアを用いて成長する限りでは実効的なＶ／ＩＩＩ比が大きく出来ないことになり、良質の結晶成長を行うためには多くの工夫を必要とする。しかし、Ｓ 面での成長ではＮのボンドはＧａに対して2 本又は3 本でつながっているため、Ｎは脱離しにくい傾向になることになり、実効的なＶ／ＩＩＩ 比が高くなると考えられる。これはＳ面成長のみに限らずＣ＋面以外の成長ではすべてＮへのＧａからのボンドの数は増える傾向にあるためにＣ＋面を用いないで成長することはすべて高品質化につながる言える。そして結晶へのＩｎ取り込み量は事実上大きくなる。このようにＩｎの取り込み量が多くなった場合には、Ｉｎの取り込み量でバンドギャップエネルギーが支配されるため、多色化に好適となる。
【００４７】
六角錐形状の選択結晶成長層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に４箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００４８】
本発明の第３の半導体発光素子においても、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域が形成される。また、同一の素子から３種類の発光波長を有するように互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域に加えて更に発光波長の異なる第３発光波長領域を形成するようにすることもできる。各発光波長領域は、前記活性層の組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が異なる構造になっている。すなわち、活性層の組成だけが異なっていても良く、活性層の厚さだけが異なっていても良く、活性層の組成及び厚さの両方が異なっていても良い。
【００４９】
組成の変化としては、活性層を構成する３元混晶や２元混晶の混晶比を同じ活性層内で変化させることでも可能であり、例えば活性層をＩｎＧａＮ活性層によって構成した場合では、活性層に含有されるＩｎの量を多くすることで、より長波長の半導体発光素子を構成することができる。ＩｎＧａＮ層の結晶成長において、ＩｎＧａＮ の特にＩｎのマイグレーション長は、Ｉｎ組成の比較的大きいＩｎＧａＮ層の結晶成長でほぼ最適となる７００℃程度で約１から２μｍ程度 と見積もられる。これはマスク上に析出するＩｎＧａＮ が選択成長した部分から約１から２μｍ程度しか成長しないからである。このことから、Ｉｎのマイグレーション長はその程度と考えられ、このようにマスク部分から成長部分にかけてＩｎＧａＮ でのＩｎなどのマイグレーション長は比較的短いため、その面の中でＩｎの組成や、ＩｎＧａＮ の厚さが異なることがある。
【００５０】
このように活性層の波長は、面内でまたは基板上で比較的場所により変わりやすい性質があるが、それはＩｎのマイグレーション距離がＩｎＧａＮ の成長に適した７００℃程度では短くなることが原因と考えられる。本発明の半導体発光素子は、このように同一の活性層内で領域に応じて発光波長が変化することを積極的に活用し、ほぼ同じ発光波長の領域を一領域として、発光波長の異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とする。それぞれ独立して電流を注入するため、第１発光波長領域及び第２発光波長領域には独立した電極が形成されるが、一方の側の電極は共通化することもできる。このような波長の異なる領域を同一活性層に２または３箇所以上形成し、独立して電流を注入することで多色半導体発光素子を構成することができ、さらには同時に多色の素子を発光させるように制御することで混色や白色発光の半導体発光素子を構成することができる。
【００５１】
上記各半導体発光素子において、特に選択成長から六角錐構造の選択結晶成長層を形成する場合について説明すると、マスク層の開口部から選択成長する場合には、プレーナ型のエピタキシャル構造と異なり、その選択成長領域の表面は上下、または中心部から端部にかけて成長条件が変化する。例えば、六角錐構造においては下の部分はＩＩＩ族の多い状態であり、上部につれてＧａが減少していく傾向と、上部に行くにつれて面積が小さくなっていくため上部に行くにつれＩＩＩ 族が増えてくる傾向などの複雑な作用で実効的Ｖ／ＩＩＩ 比は決まってくるものと思われる。また成長速度についても、実際のＧａＮ の成長速度と、Ｉｎを加えた成長速度では異なっており、さらに成長温度が異なっても成長条件は変わっている。或る実験データによれば、六角台形、六角錐型の選択成長されたＤＨ（ダブルへテロ）構造のカソードルミネッセンスを調べた結果、下部から上部にかけて１００ｎｍも長波長シフトしているサンプルが得られており、この実験データからそれぞれの波長領域でそのＤＨ構造に異なる電極を設けることで、一回の成長で異なる波長発光色の第１発光波長領域、第２発光波長領域、更には第３発光波長領域の各成長を行うことで多色や白色の半導体発光素子が形成されることがわかる。
【００５２】
ＩｎＧａＮからなる選択結晶成長層が六角錐構造や六角錐台構造を有する半導体発光素子においては、六角錐形状や六角錐台形形状の中心側でＩｎの濃度が高濃度になり、それだけ発光波長が長くなっている。また、選択結晶成長層が六角錐形状や六角錐台形形状の結晶構造を有する半導体発光素子においては、選択結晶成長層の面同士の交線となる辺と選択結晶成長層の面部分ではその形状を反映して活性層の厚みや混晶比などが異なってくるために、発光波長が異なるものとされる。したがって、第１発光波長領域を選択結晶成長層の面同士の交線となる辺の部分に形成し、第２発光波長領域を前記選択結晶成長層の面部分に形成する構造とすることも可能である。第１及び第２発光波長領域を選択成長の面方位の異なる面同士の交線となる辺の部分と、面方位の異なる面の部分とにすることで波長の異なる独立駆動させることができ、さらに面ごとにＩｎの取り込みは大きく異なり、辺部分と面部分でも取り込みが異なっていることが実際フォトルミネッセンスの結果からも示されているため、波長を変えて独立駆動することがさらに容易に出来る。
【００５３】
各半導体発光素子において、このような発光波長の異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域、更には発光波長の異なる第３発光波長領域には、独立して電流を注入可能とするための電極が形成される。この電極形成は、それぞれの領域ごとに形成されるものであるが、ｐ電極またはｎ電極の一方は共通化することもできる。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。一般的に各電極は多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成されるが、領域ごとに区分するためにフォトリソグラフィーを用いてリフトオフなどにより微細加工することができる。各電極は選択結晶成長層や基板の一方の面に形成することもでき、両側に電極を形成してより高密度で電極を配線するようにすることもできる。また、独立して駆動される電極はそれぞれ同じ材料を微細加工して形成したものであっても良いが、領域ごとに異なる材料の電極材料を使用することも可能である。
【００５４】
各波長領域に注入される電流は独立して与えられるものであっても良く、その場合には本発明の半導体発光素子がＲＧＢ（レッド、グリーン、ブルー）、ＣＹＭ（シアン、イエロー、マゼンタ）などの３原色を発光する構造とすることで、フルカラーディスプレーなどのカラー画像表示装置を製造できる。また、本発明の３原色や２色以上の発光色を有する半導体発光素子を複数個配列した上で、同じ電流を各第１発光波長領域及び第２発光波長領域、更には第３発光波長領域に注入することで、白色や混色の照明装置としても利用できる。例えば、画像表示装置の場合には、各素子を３原色分揃え、独立した電流を注入可能に配列して走査することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができることから、少ない面積でディスプレーとして利用できる。また、照明装置の場合には、発光波長が各素子で異なっていても同時に発光することで、白色や混色の光を生成できる。発光する波長が２色の場合は、さらに第３の波長色を得るために蛍光材や色素材などを使用しても良い。
【００５５】
本発明においては、上述のように単独で多色に発光する半導体発光素子に限らず、複数の半導体発光素子を各発光群を構成するように構成して半導体発光装置を構成することができる。本明細書において、発光群は形状要素が同一又は近似した複数の選択結晶成長層に形成される領域であり、各選択結晶成長層上にそれぞれ第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とが形成される。このような発光群は形状要素が同一又は近似していることから、１つの発光群の範囲内ではほぼ同様な発光波長を有している。同一基板上にはこの発光群が２以上形成され、且つ各発光群では異なる発光波長の発光をする。したがって、装置全体では２以上の波長の光が生成され、全体として半導体発光装置として使用される。
【００５６】
選択結晶成長層が下地結晶層上に形成されたマスク層に設けられた開口部を介して選択成長される場合には、前記形状要素は開口部の形状、寸法、配列密度からなり、また、選択結晶成長層が基板上に形成された種結晶部から選択成長される場合には、形状要素は種結晶部の形状、寸法、配列密度からなる。開口部又は種結晶部の形状は、例えば円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形形状、楕円形状、帯状形状、その他の多角形形状およびこれらの変形形状などの形状を指し、発光群の発光波長に応じて選択される。開口部又は種結晶部の寸法とは開口部又は種結晶部の径、長さ、高さ、幅などのサイズを指し、発光群の発光波長に応じて選択される。配列密度は隣接する開口部又は種結晶部の間の距離であり、複数の開口部又は種結晶部を詰めて配列させるか間を空けて配列させるかが発光群の発光波長に応じて選択される。一般的な傾向として、配列密度を低くして隣接する成長層との間隔を大きくすることで、発光波長を長波長化することができる。同一の発光群内では、同じ形状要素によって発光素子を形成することが可能であるが、例えば複数個の形状や寸法の異なる素子を組み合わせて発光群を構成しても良く、発光群自体が基板上で入り混じった領域に延在したり、重なり合うような構成であっても良い。このような発光波長の異なる複数の発光群には、それぞれ電極が形成され、各電極には同じ信号又は独立した信号が与えられて装置は制御される。
【００５７】
【実施例】
以下、本発明を各実施例を参照しながら更に詳細に説明する。各実施例はそれぞれ製造方法に対応しており、その製造方法によって完成した素子が本発明の構造を有する半導体発光素子である。従って、各実施例では初めに製造工程について説明を行い、次いで製造された素子自体について説明する。なお、本発明の半導体発光素子は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが可能であり、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５８】
実施例１
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、異なる結晶面としてＳ面及びＣ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の領域とＣ面の領域とを分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図１乃至図６を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００５９】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図１）。この開口部１３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【００６０】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、シリコンドープのＧａＮ層１４を選択成長によって形成する。このシリコンドープのＧａＮ層１４はマスクの開口部１３に成長するが、しばらく成長を続けると図２に示す六角錐台形状を露呈してくる。その際六角錐の斜面はS 面（１−１０１）面で被われ、上面はサファイヤ基板１０の主面と同じＣ面で覆われるようにする。十分な時間が経過して最上部のＣ面がほぼ平らになるところで、さらにシリコンドープのＧａＮ層を形成した後、しばらく成長を行い、さらに第１導電型クラッド層としてのシリコンドープのＧａＮ層１４を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１５を成長する。続いて成長温度を上昇し、図３に示すように、マグネシウムドープのＧａＮ層１６を成長する。
【００６１】
その際のＩｎＧａＮ 層１５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ 程度である。活性層としては、さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。活性層であるＩｎＧａＮ層１５の組成や厚みは、側面がＳ面で覆われ且つ上面が基板主面に平行なＣ面で覆われた六角錐台形のＧａＮ層１４の形状を反映して、その形状に整合する形でＣ面とＳ面では、発光波長は中央に近いＣ＋面が長波長となり、発光波長は基板に近いＳ面部分が短波長となる。したがって、これらＣ＋面上とＳ面上に分離した電極を形成することで、第１及び第２の発光波長領域を形成することができる。
【００６２】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１２を一部除去して開口部２０を形成する。さらにその一部除去した開口部２０の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１９となる。さらに六角錐台形のマグネシウムドープのＧａＮ層１６の最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。ｐ電極はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極を用いて形成されるが、更に図４に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去され、Ｓ面上に形成されるｐ電極１７とＣ面上に形成されるｐ電極１８とが形成される。ｐ電極１７は６つのＳ面にそれぞれ独立に分離されて形成され、Ｃ面に対してｐ電極１８が他のｐ電極１７と分離して形成される。ｐ電極１７は活性層の短波長の発光波長領域に対応し、ｐ電極１８は活性層の長波長の発光波長領域に対応する。なお、本実施例では、ｐ電極１７はＳ面ごとに形成されているが、全部のＳ面について共通のｐ電極を形成しても良い。また、この六角錐台形のＣ面に長波長のｐ電極を形成し、且つＳ面の面部分に短波長のｐ電極を形成し、さらにＳ面の面同士の交線である辺部分に中間波長のｐ電極を形成して、独立したｐ電極を有する第１乃至第３の発光波長領域を構成することも可能である。
【００６３】
これらの蒸着の際、ｐ電極１７、１８、ｎ電極１９が六角錐層とマスクの下に形成されたシリコンドープのＧａＮ層との双方についてしまうと短絡してしまうので、それぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図５に示すように、この半導体発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで分離する。
【００６４】
図６は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１１とマスク層１２の開口部１３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１４は基板主面とは傾斜してなるＳ面及び基板主面と平行に延在されるＣ面を有しており、これらＳ面およびＣ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１６が形成されている。
【００６５】
シリコンドープのＧａＮ層１４はＳ面およびＣ面でおおわれた六角錐台形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１５は異なる結晶面であるＳ面およびＣ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１５の組成は、Ｓ面およびＣ面でおおわれた六角錐台形状のＧａＮ層１４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成が異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＣ面部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【００６６】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１６の上にはｐ電極１７、ｐ電極１８が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１９は、六角錐部分の側部で開口された開口部２０の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１２を介してシリコンドープのＧａＮ層１４に接続している。
【００６７】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、異なる結晶面であるところのその下に形成されるＧａＮ層１４の基板主面から傾斜したＳ面および基板主面に平行に延在されるＣ面を利用し、それらＣ面およびＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【００６８】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【００６９】
実施例２
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の面部分と辺部分に分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図７乃至図１２を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００７０】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板３０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層３１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層３２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部３３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図７）。この開口部３３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【００７１】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層３４を各開口部３３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層３４はマスク層３２の開口部３３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図８に示すようにＳ面（１−１０１）面で覆われる。成長時間が足りないと六角台形形状になるが、S 面（１−１０１ ）面で覆われる六角錐になるまでＳｉドープのＧａＮ層３４を成長する。そのために開口部３３のピッチは十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層３４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなS （１−１０１ ）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部３３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。
【００７２】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層３４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層３５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層３６を六角錐の部分を覆うように成長する。図９ではＩｎＧａＮ層３５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層３５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層３５の組成は、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層３４のサイズがＩｎの拡散長よりも大きくされ、その結果としてＩｎの取り込み量に差異が生ずるために、第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。発光波長はＳ面同士の交線を含んだ第２発光波長領域が長波長となり、基板により近いＳ面の部分に形成され第１発光波長領域が短波長となり、長波長の第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、短波長の第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【００７３】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層３２を一部除去して開口部３８を形成し、さらにその一部除去した開口部３８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極３７となる。さらに六角錐上に成長した最表層であるＭｇドープのＧａＮ層３６上にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。初めにＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ層またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ層を蒸着して、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフで表面電極を部分的に除去し六角錐の辺の部分と面の部分に分割し、図１０のように、六角錐の面部分と辺部分で独立したｐ電極３９、４０を形成する。六角錐の辺の部分と面の部分では発光波長の異なる発光波長領域が形成されているため、当該半導体発光素子ではこのような独立した電極を形成することで、少なくとも４７０ｎｍと５２０ｎｍの青、緑についての発光波長をどちらも出力できる。六角錐の辺と面部とではカソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果、５０ｎｍの波長のシフトが観測されている。これは、青色光から、緑色光まで（４７０ｎｍ−５２０ｎｍ）の波長間隔に対応している。単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極３９，４０に同じ信号を与えて即ちそれぞれ同じ発光強度となるような信号を与えて波長の異なる領域を常に同発光強度になるように通電しておけば、白色光源になる。なお、ｎ電極３７は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図１０では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板３０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層３４の裏面側に設けることも可能である。
【００７４】
その後、この発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで素子毎に分離する( 図１１)。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもAFM などで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっともきれいな部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【００７５】
図１２は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板３０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層３１とマスク層３２の開口部３３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層３４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層３４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層３５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層３５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層３６が形成されている。
【００７６】
シリコンドープのＧａＮ層３４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層３５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層３５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐形状のＧａＮ層３４のサイズがＩｎの拡散長よりも大きいことから、その形状に整合する形で組成が異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【００７７】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層３６の上にはｐ電極３９、ｐ電極４０が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極３７は、六角錐部分の側部で開口された開口部３８の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層３２を介してシリコンドープのＧａＮ層３４に接続している。
【００７８】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層３４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【００７９】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【００８０】
実施例３
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、３発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図1３乃至図１８を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００８１】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板５０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層５１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層５２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部５３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図１３）。この開口部５３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【００８２】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層５４を各開口部５３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層５４はマスク層５２の開口部５３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図１４に示すようにＳ 面（１−１０１）面で覆われる。成長時間が足りないと六角台形形状になるが、S 面（１−１０１ ）面で覆われる六角錐になるまでＳｉドープのＧａＮ層５４を成長する。そのために開口部５３のピッチは十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層５４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなS （１−１０１ ）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部５３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。
【００８３】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層５４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層５５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層５６を六角錐の部分を覆うように成長する。図１５ではＩｎＧａＮ層５５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層５５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層５５の組成は、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層５４のサイズがＩｎの拡散長よりも大きいことから、基板に近い側と基板に遠い側では組成が徐々にずれ込んで、発光波長は中央に近い側が長波長となり、発光波長は基板に近い部分が短波長側となる。したがって、このＳ面上に独立した３つの電極を形成することで、第１乃至第３の発光波長領域を形成することができる。
【００８４】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層５２を一部除去して開口部６１を形成する。さらにその一部除去した開口部６１の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極６０となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これによりｐ電極が形成されるが、更に図１６に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去し、またはその部分に対応したｐ型層も除去することもできるが、図１６のような六角錐の高さ方向に３分割された金属のｐ電極５７、５８、５９を作製する。ｐ電極５７は最も短波長の発光波長領域に対応した電極であり、青色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極５８は次に短い波長の発光波長領域に対応した電極であり、緑色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極５９は最も長い波長の発光波長領域に対応した電極であり、赤色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。
【００８５】
カソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果からは、１００乃至１５０ｎｍの波長のシフトが観測され、これは、青色光から、赤色光まで（４７０ｎｍ−６２０ｎｍ）の波長間隔に対応する。このため本実施例の半導体発光素子は、ｐ電極５７、５８、５９のように電極部位をＳ面に沿って変えることにより、単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極５７、５８、５９に同じ信号を与えて波長の異なる領域を常に同発光強度にしておけば、白色光源になる。なお、ｎ電極６０は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図１６では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板５０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層５４の裏面側に設けることも可能である。
【００８６】
その後、図１７に示すように、３分割されたｐ電極の形成された半導体発光素子をRIE またはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもＡＦＭなどで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっともきれいな部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【００８７】
このような製造工程で製造された本実施例の発光素子は、図１８に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板５０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層５１とマスク層５２の開口部５３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層５４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層５５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層５５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層５６が形成されている。
【００８８】
シリコンドープのＧａＮ層５４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層５５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層５５はＩｎの拡散長は活性層の大きさに比べて短いことから、基板に近い側と基板に遠い側では組成や厚みが徐々にずれ込んでいて、発光波長は中央に近い側が長波長となり且つ発光波長は基板に近い部分が短波長側とされた第１乃至第３の発光波長領域６３、６４、６５がＩｎＧａＮ層５５に形成されている。
【００８９】
これらの第１乃至第３の発光波長領域６３、６４、６５に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層５６の上にはｐ電極５７、ｐ電極５８、ｐ電極５９が形成されており、それぞれ独立して各第１乃至第３の発光波長領域６３、６４、６５に電流の注入が可能となっている。ｎ電極６０は、六角錐部分の側部で開口された開口部６１の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層５１を介してシリコンドープのＧａＮ層５４に接続している。
【００９０】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対してＩｎの拡散長よりも大きさサイズの活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【００９１】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【００９２】
実施例４
本実施例はサファイヤ基板上の下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させ、発光波長領域を形成する例であり、図1９乃至図２２を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００９３】
サファイア基板７０上に、まず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかのバッファ層を形成する。その後１０００℃に昇温して下地結晶層としてシリコンドープのＧａＮ層７１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層を全面に厚さ１００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度のストライプ状の段差部７２を1-101 方向にフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する。その後ＲＩＥで１０μｍ程度エッチングする。
【００９４】
その後図１９に示すようにマスク層を除去する。続いてもう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に昇温し、シリコンドープのＧａＮ層７３を選択成長によって形成する。シリコンドープのＧａＮ層７３は段差部７２に成長するが、しばらく成長を続けると図２０に示す断面鋸歯状の形状を露呈してくる。さらにシリコンドープのＧａＮ層で形成した後しばらく成長を行い、さらにクラッド層として機能するシリコンドープのＧａＮ層を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ 層７４を成長する。ＩｎＧａＮ 層７４の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。その後、成長温度を上昇し、図２１に示すようにマグネシウムドープのＧａＮ層７５を成長する。
【００９５】
さらにこの層に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、図２２に示すようにｐ電極７６がマグネシウムドープのＧａＮ層７５の上に形成される。その後、その成長層をもつ基板上のマグネシウムドープのＧａＮ層７５などの部分を一部除去し、さらにその一部除去した開口部７８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。このＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極がｎ電極７７となる。
【００９６】
本実施例の発光素子は、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させて発光波長領域を形成しており、この発光素子は一般に円形、六角形状のマスクの開口部や結晶種を用いるものよりもＩｎの取り込み量が少なくなることから短波長となる。したがって、これらと組み合わせることで多色発光可能な画像表示装置を作製することが出来る。
【００９７】
実施例５
本実施例は、帯状の窓領域を形成して選択成長させる半導体発光素子の例であり、図２３乃至図２６を参照しながらその構造を説明する。
【００９８】
図２３に示すように、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板８０上に、まず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮのいずれかのバッファ層を形成する。その後昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層８１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層８２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ×５０μｍ程度の矩形状の開口部からなる窓領域８３を形成する。このときの長辺の方向は１−１００方向にとる。その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、シリコンドープのＧａＮ層８４を形成する。シリコンドープのＧａＮ層８４はマスクの窓領域８３に成長するが、しばらく成長を続けると図２４に示す船底の如き形状を露呈してくる。その際突条の六角錐の側面はＳ面と１１−２２面のように異なる結晶面で覆われるようにする。
【００９９】
少なくとも十分な時間が経過して最上部のＣ面がほぼ平らになったところで、さらにシリコンドープのＧａＮ層を形成する。その後成長温度を低減して、活性層となるＩｎＧａＮ層８５を成長する。次いで成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層８６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層８５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに前述の実施例１、２と同様に、活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい点は、前述の実施例と同様である。
【０１００】
その後、マスク層の一部を開口してＧａＮ層８１を露出させ、さらにその除去した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極８７となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極８８が完成する（図２５）。これらの蒸着の際、ｐ電極８８、ｎ電極８７はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、ｐ電極８８はＣ面上のｐ電極８８aと（１１−２２）面上のｐ電極８８ｂ及びＳ面上の図示しないｐ電極に分割される。当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離して、本実施例による発光素子が完成する。
【０１０１】
このような製造工程で製造された本実施例の発光素子は、図２６に示す素子構造を有しており、Ｓ面だけではなく、１１−２２面も形成されたシリコンドープのＧａＮ層８４を有している。このような構造の異なる結晶面の部分を利用して活性層を形成することで、各結晶面ごとに発光波長の異なる発光波長領域が形成され多色化に対応した構成することが可能となる。
【０１０２】
実施例６
本実施例は、上述の半導体発光素子を複数個並べて配置した画像表示装置の例である。図２７に示すように、Ｃ面を基板主面とするサファイヤ基板９０上には、結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層９２とマスク層９３の開口部を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層９５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層９５は基板主面とは傾斜してなるＳ面及び基板主面と平行に延在されるＣ面を有しており、これらＳ面およびＣ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層９６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層９６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層が形成されている。
【０１０３】
シリコンドープのＧａＮ層９５はＳ面およびＣ面で覆われた六角錐台形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層９６はその各Ｓ面およびＣ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層９６の組成は、Ｓ面およびＣ面で覆われた六角錐台形状のＧａＮ層９５の形状を反映して、長波長の第２発光波長領域９７は選択結晶成長層のＣ面側に形成され、短波長の第１発光波長領域９８は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域９７は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域９８は例えば青色の発光を呈する。
【０１０４】
そして、Ｃ面側の第２発光波長領域９７に電流を供給するｐ電極９９が形成され、Ｓ面側の第１発光波長領域９８は電流を供給するｐ電極１００が形成され、さらに共通のｎ電極９４も前記各半導体発光素子に電流を供給する目的で形成されている。
【０１０５】
本実施例の画像表示装置は、多色の発光を行う素子が基板９０上に配列されついることから、画像信号に応じた素子の駆動信号を供給することで所要のカラー表示装置として利用できる。また、各発光素子を３波長の素子としたり、２色発光素子に隣接して更に異なる波長の光を発生させる発光素子を並べてフルカラーの画像表示装置を構成できる。また、異なる発光波長の発光領域を有する発光素子の各電極にそれぞれ同じ発光強度となるような信号を供給することで照明装置としても用いることができる。
【０１０６】
なお、各半導体発光素子は同じものを配列させて構成することができるが、他の方法で作成した各半導体発光素子を部分的に混ぜ合わせて画像表示装置又は照明装置を構成しても良い。
【０１０７】
実施例７
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、３発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図２８乃至図３３を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１０８】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１１０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１１１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１１２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１１３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図２８）。この開口部１１３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【０１０９】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層１１４を各開口部１１３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層１１４はマスク層１１２の開口部１１３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図２９に示すようにＳ面（１−１０１）面で覆われる。成長条件が異なると六角台形形状になることもある。開口部１１３のピッチは隣の成長部を壊さないように十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層１１４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなＳ（１−１０１ ）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部１１３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【０１１０】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１１４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１１５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層１１６を六角錐の部分を覆うように成長する。図３０ではＩｎＧａＮ層１１５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層１１５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層１１５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１１４の形状を反映して、その形状に整合する形で基板に近い側と基板に遠い側では組成や厚みが徐々にずれ込んで、発光波長は中央に近い側が長波長となり、発光波長は基板に近い部分が短波長側となる。したがって、このＳ面上に独立した３つの電極を形成することで、第１乃至第３の発光波長領域を形成することができる。
【０１１１】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１１２を一部除去して開口部１２１を形成する。さらにその一部除去した開口部１２１の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１２０となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これによりｐ電極が形成されるが、更に図３１に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去され、図３１のような六角錐の高さ方向に３分割された金属のｐ電極１１７、１１８、１１９を作製する。ｐ電極１１７は最も短波長の発光波長領域に対応した電極であり、青色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極１１８は次に短い波長の発光波長領域に対応した電極であり、緑色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。ｐ電極１１９は最も長い波長の発光波長領域に対応した電極であり、赤色光を発光する領域に電流注入するように形成されている。
【０１１２】
カソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果からは、その六角錐の上部から下部にかけて１００乃至１５０ｎｍの波長のシフトが観測され、これは、青色光から、赤色光まで（４７０ｎｍ−６２０ｎｍ）の波長間隔に対応する。このため本実施例の半導体発光素子は、ｐ電極１１７、１１８、１１９のように電極部位をＳ面に沿って変えることにより、単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極１１７、１１８、１１９に同じ信号を与えて波長の異なる領域を常に同電位にしておけば、白色光源になる。なお、ｎ電極１２０は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図３１では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板１１０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層１１４の裏面側に設けることも可能である。
【０１１３】
その後、図３２に示すように、３分割されたｐ電極の形成された半導体発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもＡＦＭなどで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっともきれいな部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【０１１４】
このような製造工程で製造された本実施例の発光素子は、図３３に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１１０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１１１とマスク層１１２の開口部１１３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１１４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１１４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１１５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１１５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１１６が形成されている。
【０１１５】
シリコンドープのＧａＮ層１１４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１１５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１１５は基板に近い側と基板に遠い側では組成や厚みが徐々にずれ込んでいて、発光波長は中央に近い側が長波長となり且つ発光波長は基板に近い部分が短波長側とされた第１乃至第３の発光波長領域１２３、１２４、１２５がＩｎＧａＮ層１１５に形成されている。
【０１１６】
これらの第１乃至第３の発光波長領域１２３、１２４、１２５に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１１６の上にはｐ電極１１７、ｐ電極１１８、ｐ電極１１９が形成されており、それぞれ独立して各第１乃至第３の発光波長領域１２３、１２４、１２５に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１２０は、六角錐部分の側部で開口された開口部１２１の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１１１を介してシリコンドープのＧａＮ層１１４に接続している。
【０１１７】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１１４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【０１１８】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【０１１９】
実際にこの素子を使用する際には、ｎ電極を同一とし、３つの電極に独立して通電することで独立した発光を得ることができる。なお、３つの電極間をエッチングやイオン注入などにより絶縁することもできる。また、形成される半導体発光素子は、このような独立した信号制御から少なくとも同時に２つの異なる波長での発光が可能となる。
【０１２０】
実施例８
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の面部分と辺部分に分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図３４乃至図３９を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１２１】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１３０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１３１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１３２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１３３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図３４）。この開口部１３３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【０１２２】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、選択結晶成長層であるＳｉドープのＧａＮ層１３４を各開口部１３３に形成する。ＳｉドープのＧａＮ層１３４はマスク層１３２の開口部１３３に成長するが、しばらく成長を続けると六角錐の形状を呈してくる。その際六角錐の表面は図３５に示すようにＳ面（１−１０１）面で覆われる。成長時間が足りないと六角台形形状になるが、Ｓ面（１−１０１）面で覆われる六角錐になるまでＳｉドープのＧａＮ層１３４を成長する。そのために開口部１３３のピッチは十分に離しておく必要がある。六角錐をＳｉドープのＧａＮ層１３４で形成した後しばらく選択成長を続け六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、結果として１６μｍ程度になる。このようなＳ（１−１０１）面で覆われる六角錐形状の結晶層は、望ましくは開口部１３３の大きさより基板の主面に沿った横方向の大きさが大きくなるように成長する。
【０１２３】
そこまで成長してＳ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１３４を形成した後、さらにＳｉドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１３５を成長する。その後、成長温度を上昇し、ＭｇドープのＧａＮ層１３６を六角錐の部分を覆うように成長する。図３６ではＩｎＧａＮ層１３５は線として描かれている。その際のＩｎＧａＮ 層１３５の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造や多重量子井戸構造などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造としても良い。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層１３５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐のＧａＮ層１３４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成や厚みが異なるように形成されており、第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。発光波長はＳ面同士の交線を含んだ第２発光波長領域が長波長となり、基板により近いＳ面の部分に形成され第１発光波長領域が短波長となり、長波長の第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、短波長の第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【０１２４】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１３２を一部除去して開口部１３８を形成し、さらにその一部除去した開口部１３８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１３７となる。さらに六角錐上に成長した最表層であるＭｇドープのＧａＮ層１３６上にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。初めにＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ層またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ層を蒸着して、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフで表面電極を部分的に除去し六角錐の辺の部分と面の部分に分割し、図３７のように、六角錐の面部分と辺部分で独立したｐ電極１３９、１４０を形成する。六角錐の辺の部分と面の部分では発光波長の異なる発光波長領域が形成されているため、当該半導体発光素子ではこのような独立した電極を形成することで、少なくとも４７０ｎｍと５２０ｎｍの青、緑についての発光波長をどちらも出力できる。六角錐の辺と面部とではカソードルミネッセンスによる発光波長測定の結果、５０ｎｍの波長のシフトが観測されている。これは、青色光から、緑色光まで（４７０ｎｍ−５２０ｎｍ）の波長間隔に対応している。単一の素子内で波長の異なる発光を示すことができる。また、ｐ電極１３９，１４０に同じ信号を与えて波長の異なる領域を常に同電位にしておけば、必要に応じて赤色成分を他の材料の発光ダイオードで加えれば白色光源になる。なお、ｎ電極１３７は３つ発光波長領域に共通の電極であり、図３７では基板の表面側に形成されているが、サファイヤ基板１３０を外した後に選択結晶成長層であるＧａＮ層１３４の裏面側に設けることも可能である。
【０１２５】
その後、この発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで素子毎に分離する( 図３８)。これにより本実施例による発光素子が完成する。さらに使用される素子は六角錐の形態をとるほうが作製しやすく、コスト低減につながる。そのなかでもＡＦＭなどで特にステップが細かくて直線に近いＡＦＭ像を取り込んでおき、実際の際はそのステップがもっとも細かくて平行な部分を用いるとさらに発光効率を上げることが出来る。
【０１２６】
図３９は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１３０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１３１とマスク層１３２の開口部１３３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１３４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１３４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１３５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１３５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１３６が形成されている。
【０１２７】
シリコンドープのＧａＮ層１３４はＳ面でおおわれた六角錐形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１３５はその各Ｓ面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１３５の組成や厚みは、Ｓ面でおおわれた六角錐形状のＧａＮ層１３４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成や厚みが異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面同士の交線となる辺の部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【０１２８】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１３６の上にはｐ電極１３９、ｐ電極１４０が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１３７は、六角錐部分の側部で開口された開口部１３８の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１３２を介してシリコンドープのＧａＮ層１３４に接続している。
【０１２９】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成される選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１３４の基板主面から傾斜したＳ面を利用し、そのＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【０１３０】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がり、欠陥を低減することも可能となる。
【０１３１】
実施例９
本実施例はサファイヤ基板上に直接選択成長で、Ｓ面及びＣ面を有する選択結晶成長層を形成し、Ｓ面の領域とＣ面の領域分けて２色の発光波長に対応した独立のｐ電極を形成する例であり、図４０乃至図４５を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１３２】
まず、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１５０上に、５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかの低温バッファ層を形成する。その後、昇温し１０００℃にしてシリコンドープのＧａＮ層１５１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１５２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度の開口部１５３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図４０）。この開口部１５３は本実施例においては略円形形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【０１３３】
その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に上昇し、シリコンドープのＧａＮ層１５４を選択成長によって形成する。このシリコンドープのＧａＮ層１５４はマスクの開口部５３に成長するが、しばらく成長を続けると図４１に示す六角錐台形状を露呈してくる。その際六角錐の斜面はＳ面（１−１０１）面で被われ、上面はサファイヤ基板１５０の主面と同じＣ面で覆われるようにする。十分な時間が経過して最上部のＣ面がほぼ平らになるところで、さらにシリコンドープのＧａＮ層を形成した後、しばらく成長を行い、さらに第１導電型クラッド層としてのシリコンドープのＧａＮ層１５４を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１５５を成長する。続いて成長温度を上昇し、図４２に示すように、マグネシウムドープのＧａＮ層１５６を成長する。
【０１３４】
その際のＩｎＧａＮ 層１５５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ 程度である。活性層としては、さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。活性層であるＩｎＧａＮ層１５５の組成や厚みは、側面がＳ面で覆われ且つ上面が基板主面に平行なＣ面で覆われた六角錐台形のＧａＮ層１５４の形状を反映して、その形状に整合する形でＣ面とＳ面では、発光波長は中央に近いＣ面が長波長となり、発光波長は基板に近いＳ面部分が短波長となる。したがって、これらＣ面上とＳ面上に分離した電極を形成することで、第１及び第２の発光波長領域を形成することができる。
【０１３５】
その後、その成長層をもつ基板のマスク層１５２を一部除去して開口部１６０を形成する。さらにその一部除去した開口部１６０の領域内にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極１５９となる。さらに六角錐台形のマグネシウムドープのＧａＮ層１５６の最表層にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。ｐ電極はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を用いて形成されるが、更に図４３に示すように、フォトリソグラフィーを用いてリフトオフでＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極またはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を部分的に除去して、Ｓ面上に形成されるｐ電極１５７とＣ面上に形成されるｐ電極１５８とが形成される。ｐ電極１５７は６つのＳ面にそれぞれ独立に分離されて形成され、Ｃ面に対してｐ電極１５８が他のｐ電極１５７と分離して形成される。ｐ電極１５７は活性層の短波長の発光波長領域に対応し、ｐ電極１５８は活性層の長波長の発光波長領域に対応する。なお、本実施例では、ｐ電極１５７はＳ面ごとに形成されているが、全部のＳ面について共通のｐ電極を形成しても良い。また、この六角錐台形のＣ面に長波長のｐ電極を形成し、且つＳ面の面部分に短波長のｐ電極を形成し、さらにＳ面の面同士の交線である辺部分に中間波長のｐ電極を形成して、独立したｐ電極を有する第１乃至第３の発光波長領域を構成することも可能である。
【０１３６】
これらの蒸着の際、ｐ電極１５７、１５８、ｎ電極１５９が六角錐層とマスクの下に形成されたシリコンドープのＧａＮ層との双方についてしまうと短絡してしまうので、それぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図４４に示すように、この半導体発光素子をＲＩＥまたはダイサーなどで分離する。
【０１３７】
図４５は本実施例の半導体発光素子の構造を示しており、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイヤ基板１５０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１５１とマスク層１５２の開口部１５３を介して選択成長した選択結晶成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１５４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１５４は基板主面とは傾斜してなるＳ面及び基板主面と平行に延在されるＣ＋面を有しており、これらＳ面およびＣ＋面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１５５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１５５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１５６が形成されている。
【０１３８】
シリコンドープのＧａＮ層１５４はＳ面およびＣ面でおおわれた六角錐台形状であり、活性層であるＩｎＧａＮ層１５５はその各Ｓ面およびＣ＋面に平行して延在されている。このＩｎＧａＮ層１５５の組成や厚みは、Ｓ面およびＣ＋面でおおわれた六角錐台形状のＧａＮ層１５４の形状を反映して、その形状に整合する形で組成や厚みが異なるように形成されており、長波長の第２発光波長領域は選択結晶成長層のＣ面部分に形成され、短波長の第１発光波長領域は選択結晶成長層のＳ面の部分に形成されている。第２発光波長領域は例えば緑色の発光を呈し、第１発光波長領域は例えば青色の発光を呈する。
【０１３９】
これらの第１及び第２の発光波長領域に対応してマグネシウムドープのＧａＮ層１５６の上にはｐ電極１５７、ｐ電極１５８が形成されており、それぞれ独立して各第１及び第２の発光波長領域に電流の注入が可能となっている。ｎ電極１５９は、六角錐部分の側部で開口された開口部１６０の領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１５２を介してシリコンドープのＧａＮ層１５４に接続している。
【０１４０】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、活性層を多色化に対応させるために、その下に形成されるＧａＮ層１５４の基板主面から傾斜したＳ面および基板主面に平行に延在されるＣ＋面を利用し、それらＣ＋面およびＳ面に対して活性層をそのまま成長させることで、特にエッチングなどを必要とせずに、活性層に形成されるバンドギャップを変化させている。このため多色化が可能な発光素子が容易に作成されることになり、精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かないことになる。
【０１４１】
実施例１０
本実施例はサファイヤ基板上の下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させ、発光波長領域を形成する例であり、図４６乃至図４９を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１４２】
サファイア基板１７０上に、まず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかのバッファ層を形成する。その後１０００℃に昇温して下地結晶層としてシリコンドープのＧａＮ層１７１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層を全面に厚さ１００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲で形成し、１０μｍ程度のストライプ状の段差部１７２を１−１０１方向にフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成し、その上からＲＩＥでむき出しになっているシリコンドープのＧａＮ層１７１をエッチングする。
【０１４３】
その後図４６に示すようにマスク層を除去する。続いてもう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に昇温し、シリコンドープのＧａＮ層１７３を選択成長によって形成する。シリコンドープのＧａＮ層１７３は段差部１７２に成長するが、しばらく成長を続けると図４７に示す断面鋸歯状の形状を露呈してくる。さらにシリコンドープのＧａＮ層で形成した後しばらく成長を行い、さらにクラッド層として機能するシリコンドープのＧａＮ層を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ 層１７４を成長する。ＩｎＧａＮ 層１７４の厚さは０．５ｎｍ から３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ/ＩｎＧａＮ構造の量子井戸構造（ＱＷ）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ） などにすることもあり、ガイド層ＧａＮ またはＩｎＧａＮ を用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮ のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ 層を成長することが望ましい。その後、成長温度を上昇し、図４８に示すようにマグネシウムドープのＧａＮ層１７５を成長する。
【０１４４】
さらにこの層に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、図４９に示すようにｐ電極１７６がマグネシウムドープのＧａＮ層１７５の上に形成される。その後、その成長層をもつ基板上のマグネシウムドープのＧａＮ層１７５などの部分を一部除去し、さらにその一部除去した開口部１７８にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。このＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極がｎ電極１７７となる。
【０１４５】
本実施例の発光素子は、下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、その凹凸形状部分から選択的に成長させて発光波長領域を形成しており、この発光素子は一般に円形、六角形状のマスクの開口部や結晶種を用いるものよりも短波長となる。したがって、これらと組み合わせることで多色発光可能な半導体発光装置を作製することが出来る。
【０１４６】
実施例１１
本実施例は、実施例７のように選択成長した発光素子でその形状要素を変化させて異なる発光波長領域を形成し、且つ実施例１０に説明した選択成長で短波長化した発光領域を形成して半導体発光装置を構成する例である。
【０１４７】
図５０に示すように、サファイヤ基板１８０上にまず５００℃の低温でＡｌＮまたはＧａＮ のいずれかのバッファ層を形成する。その後１０００℃に昇温して下地結晶層としてシリコンドープのＧａＮ層１８１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１８２を全面に厚さ１００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲で形成し、このマスク層１８２に、３種類の形状要素の異なる発光群を構成するように、配列密度の高い開口部１８３と、配列密度の比較的低い開口部１８４と、１０μｍ程度のストライプ状のパターンとされた開口部１８５をそれぞれ形成する。図５０において、開口部１８３に対応して構成される発光群では配列密度が高く、開口部１８３同士の隣接した距離が短くされており、開口部１８４に対応して構成される発光群では配列密度が低く、開口部１８４同士の隣接した距離が長くされている。開口部１８３と開口部１８４はそれぞれ同じ径を有しているが、ここでは隣接した他の開口部までの距離が異なるように構成されている。ストライプ状のパターンとされた開口部１８５は前述の実施例１０と同様に段差部を１−１０１方向にフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する。
【０１４８】
続いて、これら３種類の形状要素を用いたそれぞれの発光群の各開口部１８３、１８４、１８５から選択成長によってシリコンドープのＧａＮ層が形成され、その上にＩｎＧａＮ層が活性層として形成され、図５１に示すように、その上にマグネシウムドープのＧａＮ層１８６、１８７、１８８が形成される。この時点で、活性層であるＩｎＧａＮ層の組成や厚みには、各発光群ごとに差異が生じており、ストライプ状のパターンを反映して形成されたＩｎＧａＮ層は青色の発光をし、配列密度が低い開口部１８４を反映して形成されたＩｎＧａＮ層は赤色の発光をし、さらに配列密度が高い開口部１８３を反映して形成されたＩｎＧａＮ層は緑色の発光をすることになる。
【０１４９】
各発光群のマグネシウムドープのＧａＮ層１８６、１８７、１８８上には、図５２に示すように、それぞれｐ電極１８９、１９０、１９１が形成され、それぞれ各発光群ごとに独立して電流が注入される。これら素子形成部分に隣接してマスク層１８２をエッチングして各開口部１９５、１９６、１９７を空けてｎ電極１９２、１９３、１９４を形成する。ｎ電極を本実施例の半導体発光素子では３個形成したが、電圧降下が無視できる範囲で数を少なくして共通化しても良い。このように一つの装置内で一回の結晶成長から、3 色の発光をする半導体発光素子を構成することが出来る。前述のように、この三色は赤、青、緑とすることが出来、一般にストライプ部が短波長になり、ピッチの大きい（フィルファクターの小さい）素子ほど長波長になる。また、マスクの開口部のサイズをこの実施例では変えていないがそれを変えても同じような効果が得られる。
【０１５０】
特に、このような半導体発光装置をディスプレーに応用することは容易であり、本実施例の半導体発光装置を１００万画素並べることで画像表示装置にすることが出来る。単純マトリックス方式ではＸ，Ｙの方向に電極を作製するだけで画像表示装置が出来ることになる。
【０１５１】
実施例１２
実施例１１で得られた多色半導体発光装置を単純マトリックス方式で配線することで、画像表示装置又は照明装置を構成することができる。図５３は、そのような画像表示装置又は照明装置の実施例であり、各半導体発光装置２００、２０１、２０２、２０３は基板２０５上に、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域の部分が直線状に並ぶように配列されていて、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域のｐ電極に電流を供給するための配線２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂが配されている。なお、ｎ電極は共通とされ、必要に応じて画素ごとの制御を行うための選択トランジスタなども形成される。
【０１５２】
このような画像表示装置又は照明装置には、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なり、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域として機能する第１乃至第３発光波長領域がそれぞれ活性層に形成された構造を有している。各配線２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂに独立した信号を与えることで、画像表示装置として２次元の画像を表示することが可能であり、各配線２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂに同信号を与えることで、照明装置として利用することもできる。
【０１５３】
なお、各色の発光領域は必ずしも、直線状に並ぶものでなくとも良く、千鳥状や２色の発光を基礎にするものでも良く、あるいは３原色のうちの１色が他の色よりも画素数が多いような構成であっても良い。各半導体発光装置は同じものを配列させて構成することができるが、他の方法で作成した各半導体発光装置を部分的に混ぜ合わせて画像表示装置又は照明装置を構成しても良い。
【０１５４】
なお、上述の各実施例中、サファイヤ基板上に低温バッファ層を形成してから、ＧａＮ層を成長させ、その後に選択マスクを形成して選択成長を行う方法について説明したが、これに限定されず、サファイヤ基板上に積層するだけではなく、Ｓｉ上に直接約９００℃でＧａＮ層を形成したり、ＳｉＣ上に１０００℃でＡｌＮを５ｎｍ成長させた後ＧａＮを成長させたり、ＧａＮ基板を使用してその後選択マスクを形成することでも良い。また、上述の実施例の六角錐等のサイズは例示であり、例えば六角錐等の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【０１５５】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子は、その選択成長に基づく構造から、結晶面の違いや拡散長よりも大きなサイズの活性層を形成することでバンドギャップエネルギーの同一活性層内での変化を実現させている。このため特にエッチングなどの工程は波長の異なる発光領域の形成のためには不要であり、製造工程を複雑化させることなく、製造される素子は精度良く形成でき且つ結晶性の劣化も招かない構造となる。
【０１５６】
また、三原色の発光ダイオードが一度の成長で出来ることで、発光ダイオードがディスプレーに使われる易くなり、さらに三色を一度に出すため発光効率が上がれば蛍光灯に置き換わるような照明装置としても利用できる。さらに固体発光素子ということで携帯用に便利である。また、結晶性を上げることで、レーザ化することも可能であり、レーザを三原色で出すことも高出力の発光を示す上で有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるシリコンドープのＧａＮ層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における活性層等の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図６】本発明の実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図８】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図９】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１０】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１１】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１２】本発明の実施例２の半導体発光素子の断面図である。
【図１３】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１４】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１５】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１６】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１７】本発明の実施例３の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１８】本発明の実施例３の半導体発光素子の断面図である。
【図１９】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における段差部の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２０】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における結晶層の選択成長工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２１】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２２】本発明の実施例４の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２３】本発明の実施例５の半導体発光素子の製造工程におけるマスク層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図２４】本発明の実施例５の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示すと製造工程斜視図である。
【図２５】本発明の実施例５の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図２６】本発明の実施例５の半導体発光素子の断面図である。
【図２７】本発明の実施例６の画像表示装置の断面図である。
【図２８】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２９】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程におけるシリコンドープのＧａＮ層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３０】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程における活性層等の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３１】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３２】本発明の実施例７の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３３】本発明の実施例７の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図３４】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３５】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３６】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３７】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３８】本発明の実施例８の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３９】本発明の実施例８の半導体発光素子の断面図である。
【図４０】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４１】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４２】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における活性層などの形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４３】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４４】本発明の実施例９の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４５】本発明の実施例９の半導体発光素子の断面図である。
【図４６】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における段差部の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４７】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における結晶層の選択成長工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４８】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４９】本発明の実施例１０の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５０】本発明の実施例１１の半導体発光装置の製造工程におけるマスク層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図５１】本発明の実施例１１の半導体発光装置の製造工程における結晶層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図５２】本発明の実施例１１の半導体発光装置の製造工程における電極形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図５３】本発明の実施例１２の画像表示装置または照明装置の概略構造を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１０、３０、５０、７０、８０、９０ サファイヤ基板
１１、１４、３１、３４、５１、５４、７１、７３、８１、８４、９２、９５ シリコンドープのＧａＮ層
１５、３５、５５、７４、８５、９６ ＩｎＧａＮ層（活性層）
１６、３６、５６、７５、８６ マグネシウムドープのＧａＮ層
１９、３７、６０、７７、８７、９４ ｎ電極
１７、１８、３９、４０、５７、５８、５９、７６、８８、８８ａ、８８ｂ、９９、１００ ｐ電極
１１０、１３０、１５０、１７０、１８０ サファイヤ基板
１１１、１１４、１３１、１３４、１５１、１５４、１７３、１８１ シリコンドープのＧａＮ層
１１５、１３５、１５５、１７４ ＩｎＧａＮ層（活性層）
１１６、１３６、１５６、１７５、１８６、１８７、１８８ マグネシウムドープのＧａＮ層
１２０、１３７、１５９、１７７、１９２、１９３、１９４ ｎ電極
１１７、１１８，１１９、１３９、１４０、１５７、１５８、１７６、１８９、１９０、１９１ ｐ電極
２００、２０１、２０２、２０３ 半導体発光装置
Claims (29)
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層の少なくとも一部は、前記非平面状の選択結晶成長層における複数の面のうち互いに異なる結晶面にそれぞれ平行に延在されるように形成され、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする半導体発光素子。
- 前記異なる結晶面は、ウルツ鉱型の（０００１）面、（１−１００）面、（１−１０１）面、（１１−２０）面、（１−１０２）面、（１−１２３）面、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた２以上の結晶面であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長された層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は基板上に形成された種結晶部から選択的に成長された層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、前記凹凸形状部分から選択的に成長させた層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域のそれぞれにおいて、各領域を構成する２つの電極のうち少なくとも一方の電極は別個に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第１発光波長領域及び前記第２発光波長領域の各発光波長と異なる発光波長の光を発生させる第３発光波長領域を活性層に有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層は３元以上の混晶材料を用いて構成され、該混晶材料の一部を構成する原子の拡散長を前記活性層が延在される大きさよりも短くすることで発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする半導体発光素子。
- 前記ウルツ鉱型の化合物半導体は窒化物半導体であり、前記活性層はＩｎＧａＮ層により構成され、前記原子はＩｎであることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能としたことを特徴とする半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は下地結晶層上に形成された開口部を有するマスク層の該開口部から選択的に成長された層であることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は基板上に形成された種結晶部から選択的に成長された層であることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は下地結晶層の表面を凹凸形状に加工し、前記凹凸形状部分から選択的に成長させた層であることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記活性層に形成される前記第１発光波長領域及び前記第２発光波長領域は、前記選択結晶成長層の面同士の交線となる辺の部分と、前記選択結晶成長層の面の部分とに形成されていることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層の面は少なくとも基板の主面と異なる面方位のＳ面を有すること特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記活性層は３元又はそれ以上の混晶材料からなり、前記第１発光波長領域及び前記第２発光波長領域の間では混晶比が異なることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記活性層はＩｎＧａＮ層からなり、前記第１発光波長領域及び前記第２発光波長領域の間ではＩｎＧａＮ層の混晶比が異なることを特徴とする請求項１７記載の半導体発光素子。
- 前記選択結晶成長層は窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記第１導電型の電極が２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域のそれぞれにおいて、各領域を構成する２つの電極のうち少なくとも一方の電極は別個に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記第１発光波長領域及び前記第２発光波長領域の各発光波長と異なる発光波長の光を発生させる第３発光波長領域を活性層に有することを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
- 前記第１発光波長領域、前記第２発光波長領域、および第３発光波長領域を備え、少なくとも同時に２つの異なる波長での発光が可能な請求項１１記載の半導体発光素子。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層の少なくとも一部は、前記非平面状の選択結晶成長層における複数の面のうち互いに異なる結晶面にそれぞれ平行に延在されるように形成され、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とするように構成される半導体発光素子が１画素を構成することを特徴とする画像表示装置。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層の少なくとも一部は、前記非平面状の選択結晶成長層における複数の面のうち互いに異なる結晶面にそれぞれ平行に延在されるように形成され、発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とするように構成される半導体発光素子を複数個配列させてなることを特徴とする照明装置。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層は３元以上の混晶材料を用いて構成され、該混晶材料の一部を構成する原子の拡散長を前記活性層が延在される大きさよりも短くすることで発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とするように構成される半導体発光素子が１画素を構成することを特徴とする画像表示装置。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、前記活性層は３元以上の混晶材料を用いて構成され、該混晶材料の一部を構成する原子の拡散長を前記活性層が延在される大きさよりも短くすることで発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とするように構成される半導体発光素子を複数個配列させてなることを特徴とする照明装置。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とした構造を有する半導体発光素子が１画素を構成することを特徴とする画像表示装置。
- ウルツ鉱型の化合物半導体を選択的に成長して形成された非平面状の選択結晶成長層と、前記選択結晶成長層上に形成される第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層とを有し、組成及び厚さの少なくとも一方が異なることによって発光波長が互いに異なる第１発光波長領域及び第２発光波長領域を、それぞれ、一回の成長によって形成された半導体結晶層である前記活性層に形成し、前記第１発光波長領域と前記第２発光波長領域にそれぞれ電流を注入可能とした構造を有する半導体発光素子を複数個配列させてなることを特徴とする照明装置。
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