JP2004071885A

JP2004071885A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2004071885A
Application number: JP2002230210A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yamane; 山根　　真; Hiromi Takasu; 高須　　広海
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】本発明は、低い駆動電圧で高輝度の発光をさせることができ、消費電力の低減が可能となるとともに、発光効率の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】クラッド層１０６の表面上には、発光層（又は、活性層）１０３が形成されており、当該発光層１０３の中央部表面上には、発光層１０３のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する発光層（又は、活性層）１０５が形成されている。発光層１０３と１０５の間にはバリア層は設けられておらず、発光層１０３は発光層１０５のキャリア閉じこめ層としても利用可能となっている。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。特に、低い駆動電圧で、複数の発光が得られる半導体素子に関する。
ここで、半導体素子とは、ダブルへテロ構造を有する発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）、半導体レーザダイオード（以下、ＬＤという）、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）等の光を発する半導体素子をいう。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子
、発光ダイオード等の半導体発光素子を用いた高輝度タイプの発光素子が量産されるようになり、特に、上記窒化物半導体を用いた発光素子は、その混晶比を変化させることにより、紫外領域から赤外領域まで発光色を調整することができる。
【０００３】
又、最近は、これら窒化物半導体を用いた複数の発光層による光を混合して所望の発光色を得る半導体発光素子が開発されており、１チップ内において、複数の発光層をキャリア閉じこめ層（クラッド層）を介して順次積層したものが提案されている。図１４に、複数の発光層を順次積層した従来の半導体発光素子の模式的な概略図を示す。
図１４に示すように、この半導体発光素子は、サファイア基板５０１上に、ＧａＮからなるバッファー層５０２、ｎ型のＧａＮからなるｎ型コンタクト層５０３、ｎ型のＧａＡｌＮからなるｎ型クラッド層５０４、ＩｎＧａＮからなる第１発光層５０５、アンドープＧａＮからなるバリア層５０６、ＩｎＧａＮからなる第２発光層５０７、ｐ型のＧａＡｌＮからなるｐ型クラッド層５０８、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層５０９を順次形成した半導体発光素子である。
【０００４】
ここで、発光層５０５、５０７は、これらの発光層５０５、５０７を隔離するためのバリア層５０６を挟み込む様に積層されている。即ち、発光層５０５と発光層５０７の間にバリア層５０６を設けており、これらの発光層５０５、発光層５０７及びバリア層５０６を直列接続した構成となっているため、電気的に両発光層を直列接続した構造となっている。また、電子と正孔の再結合を効率よく行わせ、発光効率を上げるために、バンドギャップエネルギーのより大きい材料からなるクラッド層５０４、５０８により、これらの発光層５０５、５０７、及びバリア層５０６が挟み込まれたダブルへテロ構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のダブルへテロ構造を有する半導体発光素子においては、駆動電圧が高いという問題があった。即ち、上記従来の半導体発光素子では、発光層５０５と発光層５０７の間にバリア層５０６を設けており、これらの発光層５０５、発光層５０７及びバリア層５０６を直列接続した構成となっているため、発光層５０５のバンドギャップエネルギーと発光層５０７のバンドギャップエネルギーの総和以上の駆動電圧が必要となってしまい、発光層５０５，及び５０７を同時に発光させるための電圧が高くなってしまうという問題があった。又、駆動電圧が高くなると、消費電力が多くなるため、エネルギーロスが増大してしまうという問題があった。更に、従来の駆動回路が使用できなくなり、特殊なものとなってしまうためコストアップとなってしまう問題も生じていた。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決し、発光効率が低下せず、かつ駆動電圧が低い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成された第２の発光層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記第２の発光層を挟み込むように前記第２の発光層に隣接して設けられたガイド層と、前記第２の発光層、及び前記ガイド層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする。
【０００８】
又、本発明の第２の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成されたガイド層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記ガイド層を挟み込むように前記ガイド層に隣接して設けられた第２の発光層と、前記ガイド層、及び前記第２の発光層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記第１の発光層と前記第２の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されているものとすることができる。
【００１０】
又、前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層とすることができる。
【００１１】
又、前記第１の発光層が発する光の波長は、前記第２の発光層が発する光の波長と異なるものとすることができる。
【００１２】
又、前記第１及び第２の発光層はＩｎを含む窒化物半導体発光層とすることができる。
【００１３】
又、前記第２のクラッド層にイオン注入法により所定のイオンを注入し、前記第２のクラッド層に所定の抵抗値を有する抵抗層を形成するとともに、前記抵抗層の抵抗値を制御することにより、前記第１および第２の発光層により発せられる発光色の混色比を調整するものとすることができる。
【００１４】
又、前記第１の発光層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４５０ｎｍであり、前記第２の発光層が発する光の主ピーク波長が５６０乃至６００ｎｍであるものとすることができる。
【００１５】
次に、本発明の３の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成された第２の発光層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記第２の発光層を挟み込むように前記第２の発光層に隣接して設けられたガイド層と、前記第２の発光層、及び前記ガイド層上に形成された第３の発光層と、前記第３の発光層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする。
【００１６】
又、本発明の第４の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成されたガイド層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記ガイド層を挟み込むように前記ガイド層に隣接して設けられた第２の発光層と、前記ガイド層、及び前記第２の発光層上に形成された第３の発光層と、前記第３の発光層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記第１、第２及び第３の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されているものとすることができる。
【００１８】
又、前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層であるものとすることができる。
【００１９】
又、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層と前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーの和より大きいものとすることができる。
【００２０】
又、前記第１、第２、及び第３の発光層は、各々異なる波長を有する光を発光するものとすることができる。
【００２１】
又、前記第１、第２、及び第３の発光層は、Ｉｎを含む窒化物半導体発光層とすることができる。
【００２２】
又、前記第１の発光層が発する光の主ピーク波長が４００ないし４５０ｎｍであり、前記第２の発光層が発する光の主ピーク波長が６２０ないし７５０ｎｍであり、前記第３の発光層が発する光の主ピーク波長が４９０ないし５２０ｎｍであるものとすることができる。
【００２３】
次に、本発明の第５の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の表面上に形成された第２の発光層と、前記第２の発光層の表面上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする。
【００２４】
ここで、前記第１の発光層と前記第２の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されているものとすることができる。
【００２５】
又、前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層とすることができる。
【００２６】
又、前記第１の発光層が発する光の波長は、前記第２の発光層が発する光の波長と異なるものとすることができる。
【００２７】
又、前記第１および前記第２の発光層はＩｎを含む窒化物半導体発光層とすることができる。
【００２８】
又、前記第１の発光層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４５０ｎｍであり、前記第２の発光層が発する光の主ピーク波長が５６０乃至６００ｎｍであるものとすることができる。
【００２９】
次に、本発明の第６の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上の一部に形成された第１の発光層と、前記第１のクラッド層の表面上であって、前記第１の発光層が形成された部分以外の表面上に形成された第１のガイド層と、前記第１の発光層の表面上の一部に形成された第２の発光層と、前記第１の発光層の表面上であって、前記第２の発光層が形成された部分以外の表面上に形成された第２のガイド層と、前記第２の発光層と前記第１のガイド層の表面上に形成された第３の発光層と、前記第３の発光層と前記第２のガイド層の表面上に形成された第２のクラッド層を備えた半導体発光素子において、前記第１のガイド層の端部に形成され、前記第１及び第２の発光層と前記第１のガイド層に挟み込まれるように形成された第１の絶縁層と、前記第２のガイド層の端部に形成され、前記第２及び第３の発光層と前記第２のガイド層に挟み込まれるように形成された第２の絶縁層とを備え、前記第２の発光層は、前記第１、第３の発光層、及び前記第１、第２の絶縁層によって囲まれるように形成されていることを特徴とする。
【００３０】
ここで、前記第１、第２及び第３の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されているものとすることができる。
【００３１】
又、前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層であるものとすることができる。
【００３２】
又、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層と前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーの和より大きいものとすることができる。
【００３３】
又、前記第１、第２、及び第３の発光層は、各々異なる波長を有する光を発光するものとすることができる。
【００３４】
又、前記第１、第２、及び第３の発光層は、Ｉｎを含む窒化物半導体発光層であるものとすることができる。
【００３５】
又、前記第２のクラッド層にイオン注入法により所定のイオンを注入し、前記第２のクラッド層に所定の抵抗値を有する抵抗層を形成するとともに、前記抵抗層の抵抗値を制御することにより、前記第１、第２および第３の発光層により発せられる発光色の混色比を調整するものとすることができる。
【００３６】
又、前記第２のクラッド層上にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層上に前記第１、第２、及び第３の発光層に共通の電極が設けられているものとすることができる。
【００３７】
又、前記第２のクラッド層上にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層上に前記第１、第２、及び第３の発光層の各々に対応する第１、第２、及び第３の個別電極を設けるとともに、前記第１、第２、第３の個別電極を前記コンタクト層の表面に対角線上に配置したものとすることができる。
【００３８】
又、前記第１の絶縁層、及び第２の絶縁層の形成位置を制御することにより、前記第１、第２および第３の発光層により発せられる発光色の混色比を制御するものとすることができる。
【００３９】
次に、本発明の第７の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上の一部に形成された第１の活性層と、前記第１のクラッド層の表面上であって、前記第１の活性層が形成された部分以外の表面上に形成された第１のガイド層と、前記第１の活性層の表面上の一部に形成された第２の活性層と、前記第１の活性層の表面上であって、前記第２の活性層が形成された部分以外の表面上に形成された第２のガイド層と、前記第１のガイド層と前記第２の活性層の表面上に形成された第３の活性層と、前記第３の活性層と前記第２のガイド層の表面上に形成された第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層の表面上に形成されたコンタクト層とを備えた半導体発光素子において、前記第１のガイド層の端部に垂直方向に形成され、前記第１の活性層と前記第２の活性層に隣接して形成された第１の絶縁層と、前記第２のガイド層の端部に垂直方向に形成され、前記第２の活性層と前記第３の活性層に隣接して形成された第２の絶縁層とを備え、前記第２の活性層は、前記第１、第３の活性層、及び前記第１、第２の絶縁層によって囲まれるように形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【００４０】
ここで、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層の各々の上部が、前記コンタクト層の上面にまで伸びて形成され、前記第２の絶縁層の下部が、前記第１の活性層の下面にまで伸びて形成されているものとすることができる。　　又、前記第２の活性層のバンドギャップエネルギーは、前記第１、第３の活性層のバンドギャップエネルギーより小さいものとすることができる。
【００４１】
又、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッドが有する各々のバンドギャップエネルギーは、前記第１の活性層と前記第３の活性層のバンドギャップエネルギーの和より大きいものとすることができる。
【００４２】
又、前記コンタクト層上に前記第１、第２、及び第３の活性層の各々に対応する第１、第２、及び第３の個別電極を設けるとともに、前記第１、第２、及び第３の個別電極を前記コンタクト層の表面上に対角線上に配置したものとすることができる。
【００４３】
又、前記第１、第２、及び第３の活性層は、各々異なる波長を有する光を発光するものとすることができる。
【００４４】
又、前記第１の活性層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４５０ｎｍであり、前記第２の活性層が発する光の主ピーク波長が６２０乃至７５０ｎｍであり、前記第３の活性層が発する光の主ピーク波長が４９０乃至５２０ｎｍであるものとすることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態である半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【００４６】
図１において、１０１はｎ型のＧａＮからなる基板であり、この基板１０１上にｎ型ＧａＮからなるコンタクト層１０２、ｎ型のＧａＡｌＮからなるクラッド層１０６が順次積層されている。ここで、クラッド層１０６は、例えば、Ｇａ_０．８２Ａｌ_０．１８Ｎからなり、３．９ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する。クラッド層１０６の表面上には、例えばＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｎからなり、バンドギャップエネルギー２．７ｅＶで青色のレーザ光（波長４００〜４５０ｎｍ）を発光する発光層（又は、活性層）１０３が形成されており、当該発光層１０３の中央部表面上には、例えばＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ｎからなり、バンドギャップエネルギー２．２ｅＶで黄色のレーザ光（波長５６０〜６００ｎｍ）を発光する発光層（又は、活性層）１０５が形成されている。又、発光層１０３と発光層１０５間の距離は３０Å〜７０Åで構成されており、両発光層間にはバリア層は設けられていない。
【００４７】
ここで、ｎ型のコンタクト層１０２、ｎ型のクラッド層１０６、発光層１０３、及び発光層１０５は、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により、基板１０１上に順次形成されたものである。発光層１０３の表面のうち、発光層１０５が形成されている中央部以外の表面上には、ｐ型のＧａＮからなり、３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するガイド層１０４が、発光層１０５を挟み込むように、当該発光層１０５に隣接して形成されている。このガイド層１０４は、上述のＭＯＣＶＤ法により形成された発光層１０５の中央部以外の部分をフォトリソグラフィー等によりエッチングし除去した後、ＭＯＣＶＤ法により発光層１０３の表面上に形成されたものである。又、前記発光層１０５、及びガイド層１０４上に、ｐ型のＧａＡｌＮからなるクラッド層１０７が形成されている。ここで、クラッド層１０７は、ｎ型のクラッド層１０６と同様に、例えばＧａ_０．８２Ａｌ_０．１８Ｎからなり、３．９ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するものである。このクラッド層１０７の上には、ｐ型のＧａＮからなるｐ型のコンタクト層１０８、及びＡｕなどからなるｐ側電極１０９が順次形成されており、基板１０１の裏面には、Ａｌなどからなるｎ側電極１１０が形成されている。ここで、ｐ型クラッド層１０７、及びｐ型のコンタクト層１０８は、ＭＯＣＶＤ法により順次形成されたものであり、ｐ型電極１０９、及びｎ型電極１１０は、各々Ａｕ、Ａｌからなる金属膜をスパッタリング法等により、ｐ型電極１０９についてはｐ型コンタクト層１０８の表面上に、ｎ型電極１１０についてはｎ型のＧａＮ基板の裏面上に各々形成されたものである。
【００４８】
ここで、本発明の半導体発光素子にいては、前述のごとく、発光層１０３、１０５の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層１０３、１０５が直接接する構成となっており、かつ、発光層１０３を発光層１０５のキャリア閉じこめ層としても利用可能であることに特徴がある。
【００４９】
即ち、図１に示した半導体レーザの構成で、ｐ側電極１０９とｎ側電極１１０の間に電圧が印加されると、電子はｎ型のコンタクト層１０２側からｐ側へと流れ、発光層１０３の伝導帯へと流れ込むが、発光層１０５のバンドギャップエネルギーは上述のごとく２．２ｅＶであり、発光層１０３のバンドギャップエネルギー２．７ｅＶより小さいため、電子は発光層１０５の伝導帯へと流れ込む。つまり、発光層１０３は、発光層１０５のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することになる。発光層１０５の伝導帯内に流れ込んだ電子は、ｐ側電極１０９の方へと引っ張られるが、発光層１０５の表面上に形成されたｐ型のクラッド層１０７のバンドギャップエネルギーは上述のごとく３．９ｅＶであり、発光層１０５のバンドギャップエネルギー（２．２ｅＶ）よりも大きいため、電子は発光層１０５の伝導帯内閉じこめられることになる。
【００５０】
一方、正孔は、ｐ型のコンタクト層１０８側からｎ側へと流れ、発光層１０５の荷電子帯へと流れ込む。ここで、発光層１０５の荷電子帯へと流れ込んだ正孔は、ｎ側電極１１０の方へと引っ張られるが、発光層１０５のバンドギャップエネルギーは上述のごとく２．２ｅＶであり、発光層１０５からみてｎ側に形成されている発光層１０３のバンドギャップエネルギー２．７ｅＶより小さいため、発光層１０５の荷電子帯内に流れ込んだ正孔は、発光層１０５の荷電子帯内閉じこめられることになる。つまり、発光層１０３は、発光層１０５のキャリア（ここでは正孔）閉じこめ層として作用することになる。その結果、発光層１０５内で電子と正孔の有効な再結合が行われ、黄色（例えば、波長５６０ｎｍ〜６００ｎｍ）のレーザ光が発せられることになる。
【００５１】
更に印加電圧を発光層１０３のバンドギャップエネルギーである２．７ｅＶまで上げてゆくと、図１に示すように発光層１０３は、発光層１０３のバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｎ型のクラッド層１０６（バンドギャップエネルギーは３．９ｅＶ）と、ガイド層１０４（バンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ）に挟まれているため、発光層１０５のみならず、発光層１０３の伝導帯に電子が、荷電子帯に正孔が閉じこめられるようになる。
【００５２】
即ち、発光層１０５はバンドギャップエネルギーが最も小さい（２．２ｅＶ）発光層であるため、ガイド層１０４の上下に流れる電流を中央部に集める働き（電流狭窄作用）をする。従って、ガイド層１０４上を移動する正孔、及びｎ型クラッド層１０６上を移動する電子は、発光層１０３の中央部に集められ、発光層１０３の伝導帯に電子が、荷電子帯に正孔が閉じこめられるようになる。
【００５３】
その結果、発光層１０５のみならず、発光層１０３においても電子と正孔の有効な再結合が行われ、青色（例えば、波長４００ｎｍ〜４５０ｎｍ）のレーザ光が発せられることになる。
【００５４】
ここで、上述のごとく、発光層１０３と発光層１０５間の距離は３０Å〜７０Åで構成されており、両発光層間にはバリア層は設けられていないため、出力されるレーザ光は、発光層１０３から発せられる青色と、発光層１０５から発せられる黄色の混色となる。
【００５５】
以上のように、本発明によれば、発光層１０３、１０５の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層１０３、１０５が直接接する構成となっており、かつ、発光層１０３を発光層１０５のキャリア閉じこめ層としても利用可能としている、即ち、発光層１０３は実質的に発光層１０３のバリア層として機能するため、発光層１０３、１０５のうち、大きいバンドギャップエネルギーを有する発光層１０３の、当該バンドギャップエネルギーに相当する電圧を両電極１０９、１１０間に印加しさえすれば、発光層１０３、１０５により同時にレーザ発振が可能となる。従って、発光層間にバリア層を設け、電気的に両発光層を直列接続した構造となっている従来の半導体レーザに比し、低い駆動電圧により、１チップで２波長からなるレーザ光を得ることができる。
【００５６】
尚、図１においては、端面発光型の半導体レーザを説明したが、図２に示す様に、図１に示したｐ型クラッド層１０７とｐ型コンタクト層１０８の一部に高抵抗な電流狭窄部１１３を形成した面発光型のレーザとしても良い。この場合、電流狭窄部１１３は、ｐ型クラッド層１０７とｐ型コンタクト層１０８の一部にＷ（タングステン）等をイオン注入法により注入して高抵抗化し、形成することができる。より具体的には、注入物質であるＷ等を含むソーズガスをアーク放電によりプラズマ化させた後、質量分析器により注入物質イオンを分離し、このイオンをｐ型クラッド層１０７とｐ型コンタクト層１０８の一部に加速電圧５０〜２００ＫｅＶで打ち込むことにより電流狭窄層１１３を形成する。注入エネルギーにより不純物分布の深さを、イオン電流により添加不純物量（ドーズ量）を制御することができる。又、加速電圧を制御することにより不純物層の厚さも決定することができる。電流狭窄層１１３を形成後は、イオン注入した不純物の電気的活性化等を行うため、窒素等の不活性ガス雰囲気中で熱処理（アニール）を行う（約８００℃）。又、ｐ型クラッド層１０７に形成された電流狭窄部１１３においては、Ａｌ組成を変化させる（例えば、Ｇａ_０．７Ａｌ_０．３Ｎに変化させる）ことにより高抵抗化を行うこともできる。この場合においても、発光層１０３、１０５のうち、大きいバンドギャップエネルギーを有する発光層１０３の、当該バンドギャップエネルギーに相当する電圧を両電極１０９、１１０間に印加しさえすれば、発光層１０３、１０５より同時にレーザ発振が可能となる。
【００５７】
又、上述のごとく、発光層１０５のバンドギャップエネルギー（２．２ｅＶ）は、発光層１０３（バンドギャップエネルギーは２．７ｅＶ）、ガイド層１０４（バンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ）、ｎ型クラッド層１０６（バンドギャップエネルギーは３．９ｅＶ）、及びｐ型クラッド層１０７（バンドギャップエネルギーは３．９ｅＶ）のバンドギャップエネルギーよりも小さいため、発光層１０５は電流狭窄層とし作用する。従って、発光層１０５を形成する際に、当該発光層１０５の膜厚や発光層１０３上における形成範囲を調節することにより、発光層１０３から発せられる青色レーザ光と、発光層１０５から発せられる黄色レーザ光による混合レーザ光の出力（又は、共振幅）を制御することができる。
【００５８】
又、図１に示した半導体レーザにおいては、発光層１０５に隣接してガイド層１０４を設けたが、図３に示すように、発光層１０３の表面上全体に発光層１０５を形成し、ガイド層を設けない構成としても良い。この場合も、図１に示した半導体レーザと同様に、発光層１０３のバンドギャップエネルギーに相当する電圧を両電極１０９、１１０間に印加しさえすれば、発光層１０３、１０５により同時にレーザ発振が可能となる。尚、図１に示したｎ型クラッド層１０６とｐ型クラッド層１０７の組成とは異なり、図３に示した半導体レーザのｎ型クラッド層１１７とｐ型クラッド層１１８の組成は、ともにＧａ_０．３６Ａｌ_０．６４Ｎ（バンドギャップエネルギーは５．２ｅＶ）となっている。
【００５９】
更に、この場合においても、図４に示すように、図３に示した端面発光型の半導体レーザのｐ型クラッド層１０７とｐ型コンタクト層１０８の一部に高抵抗な電流狭窄部１１３を形成した面発光型のレーザとしても良い。
【００６０】
次に、図面を参照して、本発明の第２の実施形態を詳細に説明する。図５は、本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態である半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【００６１】
本実施形態では、図１に示した発光層１０５を構成するＩｎＧａＮの組成比を変更し、例えばＩｎ_０．９Ｇａ_０．１Ｎからなり、バンドギャップエネルギー２．０ｅＶで赤色のレーザ光（波長６２０〜７５０ｎｍ）を発光する発光層（又は、活性層）１１１が形成されている点、ガイド層１０４と発光層１１１の表面上に、例えばＩｎ_０．６６Ｇａ_０．３４Ｎからなり、バンドギャップエネルギー２．４ｅＶで緑色のレーザ光（波長４９０〜５２０ｎｍ）を発光する発光層（又は、活性層）１１２が形成されている点、及び図１に示したｎ型クラッド層１０６とｐ型クラッド層１０７を構成するＧａＡｌＮの組成比を変更し、ともにＧａ_０．３２Ａｌ_０．６８Ｎの組成からなるｎ型クラッド層１１５とｐ型クラッド層１１６が形成されている点以外は第１の実施形態と全く同様の構成となっている。尚、ｎ型クラッド層１１５とｐ型クラッド層１１６のバンドギャップエネルギーはともに５．３ｅＶである。又、発光層１０３、１１１、１１２間の距離は３０Å〜７０Åで構成されており、各発光層間にはバリア層は設けられておらず、これら３つの発光層１０３、１１１、１１２により、いわゆる量子井戸構造が構成されている。
【００６２】
ここで、本発明の半導体発光素子にいては、発光層１０３、１１１、１１２の間にバリア層を設けることなく、これらの発光層１０３、１１１、１１２が直接接する構成となっており、かつ、発光層１０３、１１２を発光層１１１のキャリア閉じこめ層としても利用可能であることに特徴がある。
【００６３】
即ち、図５に示した半導体レーザの構成で、ｐ側電極１０９とｎ側電極１１０の間に電圧が印加されると、電子はｎ型のコンタクト層１０２側からｐ側へと流れ、発光層１０３の伝導帯へと流れ込むが、発光層１１１のバンドギャップエネルギーは上述のごとく２．０ｅＶであり、発光層１０３のバンドギャップエネルギー２．７ｅＶより小さいため、電子は発光層１１１の伝導帯へと流れ込む。即ち、発光層１０３は、発光層１１１のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することになる。発光層１１１の伝導体内に流れ込んだ電子は、ｐ側電極１０９の方へと引っ張られるが、発光層１１１の表面上に形成された発光層１１２のバンドギャップエネルギーは上述のごとく２．４ｅＶであり、発光層１１１のバンドギャップエネルギー（２．０ｅＶ）よりも大きいため、電子は発光層１１１の伝導帯内閉じこめられることになる。即ち、発光層１１２も、発光層１１１のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することになる。
【００６４】
一方、正孔は、ｐ型のコンタクト層１０８側からｎ側へと流れ、発光層１１２の伝導帯へと流れ込むが、発光層１１１のバンドギャップエネルギーは上述のごとく２．０ｅＶであり、発光層１１２のバンドギャップエネルギー２．４ｅＶより小さいため、正孔は発光層１１１の伝導帯へと流れ込む。即ち、発光層１１２は、発光層１１１のキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用することになる。ここで、発光層１１１の荷電子帯へと流れ込んだ正孔はｎ側電極１１０の方へと引っ張られるが、発光層１１１のバンドギャップエネルギーは上述のごとく２．０ｅＶであり、発光層１１１からみてｎ側に形成されている発光層１０３のバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）より小さいため、発光層１１１の荷電子帯内に流れ込んだ正孔は、発光層１１１の荷電子帯内閉じこめられることになる。即ち、発光層１０３は、発光層１１１のキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用することになる。その結果、発光層１１１内で電子と正孔の有効な再結合が行われ、赤色（例えば、波長６２０〜７５０ｎｍ）のレーザ光が発せられることになる。
【００６５】
更に印加電圧を発光層１１２のバンドギャップエネルギーである２．４ｅＶまで上げてゆくと、図５に示すように発光層１１２は、発光層１１２のバンドギャップエネルギー（２．４ｅＶ）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｐ型のクラッド層１１６（バンドギャップエネルギーは５．３ｅＶ）とガイド層１０４（バンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ）に挟まれているため、発光層１１１のみならず、発光層１１２の伝導帯に電子が、荷電子帯に正孔が閉じこめられるようになる。
【００６６】
即ち、発光層１１１はバンドギャップエネルギーが最も小さい（２．０ｅＶ）発光層であるため、ガイド層１０４の上下に流れる電流を中央部に集める働き（電流狭窄作用）をする。従って、発光層１１２の中央部の電流密度が増加し、ガイド層１０４上を移動する電子、及びｐ型クラッド層１１６上を移動する正孔は、発光層１１２の中央部に集められ、発光層１１２の伝導帯に電子が、荷電子帯に正孔が閉じこめられるようになる。その結果、発光層１１１のみならず、発光層１１２においても電子と正孔の有効な再結合が行われ、緑色（例えば、波長４９０ｎｍ〜５２０ｎｍ）のレーザ光が発せられることになる。
【００６７】
更に、発光層１１２のバンドギャップエネルギー（２．４ｅＶ）と発光層１０３のバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）の和である５．１ｅＶまで印加電圧を上げてゆくと、図５に示すように発光層１０３は、発光層１０３のバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｎ型のクラッド層１１５（ハンドギャップエネルギーは５．３ｅＶ）とガイド層１０４（バンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ）に挟まれているため、発光層１１１、１１２のみならず、発光層１０３の伝導帯に電子が、荷電子帯に正孔が閉じこめられるようになる。
【００６８】
即ち、発光層１１１はバンドギャップエネルギーが最も小さい（２．０ｅＶ）発光層であるため、ガイド層１０４の上下に流れる電流を中央部に集める働き（電流狭窄作用）をする。従って、発光層１１２の中央部のみならず、発光層１０３の中央部の電流密度が増加し、ガイド層１０４上を移動する正孔、及びｎ型クラッド層１１５上を移動する電子は、発光層１０３の中央部に集められ、発光層１０３の伝導帯に電子が、荷電子帯に正孔が閉じこめられるようになる。その結果、発光層１１１、１１２のみならず、発光層１０３においても電子と正孔の有効な再結合が行われ、青色（例えば、波長４００ｎｍ〜４５０ｎｍ）のレーザ光が発せられることになる。
【００６９】
ここで、上述のごとく、発光層１０３、１１１、１１２間の距離は３０Å〜７０Åで構成されており、各発光層間にはバリア層は設けられていないため、出力されるレーザ光は、発光層１０３から発せられる青色と、発光層１１１から発せられる赤色と、発光層１１２から発せられる緑色の混色となる。
【００７０】
以上の様に、本発明によれば、３つの発光層１０３、１１１、及び１１２の間にバリア層を設けることなく、これらの各発光層１０３、１１１、１１２が直接接する構成となっており、かつ、発光層１０３、及び１１２を発光層１１１のキャリア閉じこめ層としても利用可能となっている。即ち、発光層１０３、及び１１２が実質的に発光層１１１のバリア層として機能するため、このキャリア閉じこめ層としても機能する発光層１０３及び１１２の各々が有するバンドギャップエネルギーの和に相当する電圧を両電極１０９、１１０間に印加しさえすれば、発光層１０３、１１１、１１２より同時にレーザ発振が可能となる。従って、発光層間にバリア層を設け、電気的に両発光層を直列接続した構造となっている従来の半導体レーザに比し、低い駆動電圧により、１チップで３波長からなるレーザ光を得ることができる。
【００７１】
次に、図面を参照して、本発明の第３の実施形態を詳細に説明する。図６は、本発明に係る半導体発光素子の第３の実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）の基本的な構成を示す概略図である。
【００７２】
本実施形態では、図１のｎ型のコンタクト層１０２が形成されていない点、及びガイド層１０４と発光層１０５とを入れ替えて形成している点以外は図１に示した第１の実施形態と全く同様の構成となっている。即ち、図６のＬＥＤでは、発光層１０３の中央部表面上にガイド層１０４が形成され、発光層１０３の表面のうち、ガイド層１０４が形成されている中央部以外の表面上には、発光層１０５がガイド層１０４に隣接して形成されているが、これは、ＬＥＤの場合は、第１の実施形態で示した半導体レーザとは異なり、バンドギャップエネルギーが小さい発光層１０５を発光層１０３の中央部表面上に形成し、発光層１０３の中央部の電流密度を増加させるよりは、発光層１０３の全体に電流が流れるような構造を採る方が、出力が高くなるからである。
【００７３】
この場合も、図１に示した半導体レーザと同様に、発光層１０３のバンドギャップエネルギーに相当する電圧を両電極１０９、１１０間に印加しさえすれば、発光層１０３より青色光が、発光層１０５により黄色光が発光されるため、発光層１０３による青色光と発光層１０５による黄色光がむらなく混ざり合い、その結果、従来のＬＥＤに比し、低い駆動電圧により、１チップで所望の白色光を得ることができる。
【００７４】
尚、ガイド層１０４（又は、発光層１０５）を形成する際に、ガイド層１０４（又は、発光層１０５）の幅を調節することにより、発光層１０３から発せられる青色光と発光層１０５から発せられる黄色光の発光面積比が変化するため、これらの混合色を任意の白色に調整することができる。
【００７５】
又、図６に示したＬＥＤの構成では、発光層１０５（バンドギャップエネルギーは２．２ｅＶ）とｐ型のクラッド層１０７（バンドギャップエネルギーは３．９ｅＶ）のバンドギャップエネルギー差が大きいため、発光層１０５の電流密度が増加してしまい、その結果、所望の白色光が得られない場合がある。よって、図７に示すように、ｐ型のクラッド層１０７の上層部にＷ等をイオン注入法により注入し、高抵抗を有する抵抗層１１４を設けても良い。尚、この場合のイオン注入法は、図２において説明した電流狭窄層１１３を形成する際に使用した方法と同じである。当該抵抗層１１４の抵抗値を制御することにより、発光層１０３から発せされる青色光と発光層１０５から発せられる黄色光の混色比を調整することができるため、所望の白色光を得ることができる。
【００７６】
次に、図面を参照して、本発明の第４の実施形態を詳細に説明する。図８は、本発明に係る半導体発光素子の第４の実施形態であるＬＥＤの基本的な構成を示す概略図である。
【００７７】
本実施形態では、図５のｎ型のコンタクト層１０２が形成されていない点、及びガイド層１０４と発光層１１１とを入れ替えて形成している点以外は図５に示した第２の実施形態と全く同様の構成となっている。即ち、図８のＬＥＤでは、発光層１０３の中央部表面上にガイド層１０４が形成され、発光層１０３の表面のうち、ガイド層１０４が形成されている中央部以外の表面上には、発光層１１１がガイド層１０４に隣接して形成されているが、この理由は、前述の図６に示した第３の実施形態にかかるＬＥＤの場合と同様の理由によるものである。
【００７８】
この場合も、図５に示した半導体レーザと同様に、発光層１０３及び１１２の各々が有するバンドギャップエネルギーの和に相当する電圧を両電極１０９、１１０間に印加しさえすれば、発光層１０３より青色光が、発光層１１１により赤色光が、発光層１１２により緑色が発光されるため、これら各発光層から発せられる光がむらなく混ざり合い、その結果、従来のＬＥＤに比し、低い駆動電圧により、１チップで所望の白色光を得ることができる。
【００７９】
次に、図面を参照して、本発明の第５の実施形態を詳細に説明する。図９は、本発明に係る半導体発光素子の第５の実施形態であるＬＥＤの基本的な構成を示す概略図であり、図１０は図９に係るＬＥＤのｐ側電極の配置を説明するための図である。
【００８０】
本実施形態における基本的構成は、前述の図８におけるＬＥＤの構成と同じであるが、図９に示したＬＥＤには、図８に示したガイド層１０４の代わりにガイド層１１９、及び１２０が形成されている点、図８に示したｐ側電極１０９の代わりに、ｐ側電極１２３、１２４及び１２５が形成されている点、及び絶縁層１２１、１２２が形成されている点が図８に示したＬＥＤと異なる。
【００８１】
即ち、ｎ型のＧａＮからなる基板１０１上にｎ型のＧａＡｌＮ（例えば、Ｇａ_０．３２Ａｌ_０．６８Ｎ）からなり、５．３ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するクラッド層１１５が積層され、クラッド層１１５の表面上の一部には、例えばＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｎからなり、バンドギャップエネルギーが２．７ｅＶで青色の光（波長４００〜４５０ｎｍ）を発光する発光層１０３が形成されている。又、クラッド層１１５の表面のうち、発光層１０３が形成されていない領域には、ｎ型のＧａＮからなり、３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するガイド層１１９が形成されている。発光層１０３の内側表面上には、例えばＩｎ_０．９Ｇａ_０．１Ｎからなり、バンドギャップエネルギー２．０ｅＶで赤色の光（波６２０〜７５０ｎｍ）を発光する発光層１１１が、発光層１０３の外側表面上には、ｐ型のＧａＮからなり、３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するガイド層１２０が形成されている。
【００８２】
ここで、本実施形態においては、発光層１０３、１１１と、ガイド層１１９の間には、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１２１が形成されている。この絶縁層１２１は、ガイド層１１９、及び発光層１１１を形成後、ドライエッチング等によりガイド層１１９の一部を除去し、その後スパッタリング法等を用いて上記除去部分に絶縁材であるＳｉＯ_２を埋め込むことにより形成される。尚、絶縁層の材料はＳｉＮであっても良い。又、発光層１１１とガイド層１１９の表面上には、例えばＩｎ_０．６６Ｇａ_０．３４Ｎからなり、バンドギャップエネルギー２．４ｅＶで緑色のレーザ光（波長４９０〜５２０ｎｍ）を発光する発光層１１２が形成されている。発光層１０３、１１１、１１２間の距離は３０Å〜７０Åで構成されており、各発光層間にはバリア層は設けられておらず、これら３つの発光層１０３、１１１、１１２により、いわゆる量子井戸構造が構成されている。
【００８３】
又、本実施形態においては、発光層１１１、１１２と、ガイド層１２０の間には、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１２２が形成されている。この絶縁層１２２は、ガイド層１２０、及び発光層１１２を形成後、ドライエッチング等によりガイド層１２０の一部を除去し、その後スパッタリング法等を用いて上記除去部分に絶縁材であるＳｉＯ_２を埋め込むことにより形成される。尚、絶縁層１２１の場合と同様に、絶縁材料はＳｉＮであっても良い。前記発光層１１２、及びガイド層１２０上には、ｐ型のＧａＡｌＮからなるクラッド層１１６が形成されている。当該クラッド層１１６は、ｎ型のクラッド層１１５と同様に、例えばＧａ_０．３２Ａｌ_０．６８Ｎからなり、５．３ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するものである。このクラッド層１１６の上には、ｐ型のＧａＮからなるｐ型のコンタクト層１０８が形成されている。又、基板１０１の裏面には、Ａｌなどからなるｎ側電極１１０が形成されている。
【００８４】
ここで、本実施形態においては、Ａｕなどからなるｐ側電極１２３、１２４、１２５がコンタクト層１０８の表面上に形成されている。これらのｐ側電極１２３、１２４、１２５は、図１０に示す様に、各々、青色発光層１０３、赤色発光層１１１、緑色発光層１１２に対応して設けられたものであり、ｐ側電極１２３、１２４、１２５はコンタクト層１０８の表面において対角線上に配置されている。この様に対角線上に電極を配置することにより、電極間の距離を一番長くすることができるため、ワイヤーボンド時にｐ電極１２３、１２４、１２５間の影響を少なくすることができる。又、図１０から明らかな様に、各ｐ側電極１２３、１２４、１２５は、各々異なる形状にて形成されているが、これは、ワイヤーボンド時における、各電極の位置認識を容易にするためである。
【００８５】
本実施形態においては、発光層１０３は、発光層１０３の有するバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層１１５（バンドギャップエネルギーは５．３ｅＶ）とｐ型ガイド層１２０（バンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ）に挟まれているため、発光層１０３のバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）に相当する電圧をｐ側電極１２３とｎ側電極１１０間に印加すれば、発光層１０３より青色光が発光されることになる。
【００８６】
又、発光層１１１は、発光層１１１の有するバンドギャップエネルギー（２．０ｅＶ）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する発光層１０３（バンドギャップエネルギーは２．７ｅＶ）と発光層１１２（バンドギャップエネルギーは２．４ｅＶ）、及び絶縁層１２１と１２２に挟まれており、発光層１０３と１１２が発光層１１１のキャリア閉じこめ層（又はバリア層）として機能するため、発光層１１１のバンドギャップエネルギー（２．０ｅＶ）に相当する電圧をｐ側電極１２４とｎ側電極１１０間に印加すれば、発光層１１１より赤色光が発光されることになる。
【００８７】
更に、発光層１１２に関しては、発光層１１２の有するバンドギャップエネルギー（２．４ｅＶ）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｐ型クラッド層１１６（バンドギャップエネルギーは５．３ｅＶ）とｎ型ガイド層１１９（バンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ）に挟まれているため、発光層１１２のバンドギャップエネルギー（２．４ｅＶ）に相当する電圧をｐ側電極１２５とｎ側電極１１０間に印加すれば、発光層１１２より緑色光が発光されることになる。
【００８８】
従って、ｐ側電極１２３、１２４、及び１２５を同時に通電することにより、発光層１０３より青色光が、発光層１１１により赤色光が、発光層１１２により緑色光が同時に発光されるため、図９に示す各発光層が重なり合って形成されている領域において各発光色がむらなく混ざり合い、その結果、従来のＬＥＤに比し、低い駆動電圧により、１チップで所望の白色光を得ることができる。
【００８９】
尚、絶縁層１２１、及び１２２を形成する際に、当該絶縁層１２１、１２２の形成位置を制御することにより、各発光層１０３、１１１、１１２からの発色光の混色比を制御することができる。
【００９０】
又、発光層１１１を形成する際に、当該発光層１１１の膜厚や発光層１０３上における発光層１１１の形成範囲を制御することによっても、各発光層１０３、１１１、１１２からの発色光の混色比を制御することができる。
【００９１】
又、第４の実施形態と同様に、本実施形態においても、図１１に示すようにｐ型のクラッド層１１６の上層部にＷ等をイオン注入法により注入し、高抵抗を有する抵抗層１１４を設けても良い。更に、図９においては、各発光層１０３、１１１、１１２に対応してｐ側電極１２２、１２３、１２４を設けたが、図１１に示すように、コンタクト層１０８上に、各発光層１０３、１１１、１１２に共通なｐ側電極１２６を設ける構成としても良い。この場合、発光層１０３、１１１、１１２のうち、最も大きなバンドギャップエネルギーを有する発光層１０３のバンドギャップエネルギー（２．７ｅＶ）に相当する電圧をｐ側電極１２６とｎ側電極１１０間に印加すれば、発光層１０３より青色光が、発光層１１１により赤色光が、発光層１１２により緑色光が同時に発光されることになる。
【００９２】
次に、図面を参照して、本発明の第６の実施形態を詳細に説明する。図１２は、本発明に係る半導体発光素子の第６の実施形態である半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【００９３】
本実施形態では、図９の基板１０１とｎ型のクラッド層１１５の間にｎ型のコンタクト層１０２ｎ型のコンタクト層１０２が形成されている点以外は図９に示した第５の実施形態と全く同様の構成となっている。
【００９４】
ここで、本実施形態においては、１チップで波長の異なる３つのレーザ光を同時に発振できる点に特徴となっている。
【００９５】
即ち、図１２に示したｐ側電極１２３、１２４、及び１２５を同時に通電することにより、発光層１０３より青色のレーザ光が、発光層１１１により赤色のレーザ光が、発光層１１２により緑色のレーザ光が個別かつ同時に発光されるため、１チップで波長の異なる３つのレーザ光を個別かつ同時に発振することが可能になる。
尚、図１３に示す様に、図１２に示した絶縁層１２１の上部をコンタクト層１０８の上面まで伸ばして絶縁層１３０を形成し、絶縁層１２２の上部をコンタクト層１０８の上面まで伸ばして形成するとともに、絶縁層１２２の下部を活性層１０３の下面まで伸ばして絶縁層１３１を形成した構成としてもい良い。この絶縁層１３０、１３１は、ＭＯＣＶＤ法等を用いて基板１０１上にｎ型のコンタクト層１０２からｐ型のコンタクト層１０８を順次形成した後、リアクティブエッチング法（ＲＩＥ）等によりＳｉＯ_２等の絶縁材、より具体的には、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_３）_４による絶縁層を４００℃の下で成長させ、埋め込むためのトレンチ溝を形成し、その後、スパッタリング法等を用いて上記トレンチ溝に絶縁材を充填することにより形成される。尚、絶縁層の材料はＳｉＮであっても良い。
この絶縁層１３０、１３１を形成することにより、発光層１０３、１１１、１１２は互いに電気的、光学的に分離されることになるため、クロストーク等の問題を事前に回避することができるようになる。
【００９６】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。
【００９７】
例えば、本発明の実施形態では、ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体発光素子について説明したが、他の半導体材料、例えば、ＩｎＧａＡｌＮのＮの一部又は全部をＡｓおよび／またはＰ等で置換した材料や、ＧａＡｓ系化合物半導体を用いた半導体発光素子にも本発明を適用できる。
【００９８】
又、本発明の実施形態では、発光層の形態として量子井戸構造にて説明を行ったが、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、多重量子構造の超格子、または量子ドットを含む構成としても良い。
【００９９】
更に、本発明の実施形態では、ＧａＮ系発光素子の構造を説明するために、便宜上、基板が下層側に位置し、これにＧａＮ系結晶層が上方へ積み重ねられる構造とし、下層側をｎ型、上層側をｐ型として説明を行ったが、ｎ型を上層側、ｐ型を下層側とした構成としても良い。
【０１００】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した様に、本発明の半導体発光素子によれば、複数の発光層間にバリア層を設けることなく、これらの各発光層を直接接する構成となっており、複数の発光層のうち、バンドギャップエネルギーの最も小さい発光層を電流集中層として利用することができ、かつバンドギャップエネルギーの大きい発光層をバンドギャップエネルギーの最も小さい発光層のキャリア閉じこめ層としても利用可能としているため、低い駆動電圧で高輝度の発光をさせることができ、消費電力の低減が可能となるとともに、発光効率の高い半導体発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態である半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体レーザ素子に電流狭窄部を形成した面発光型の半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の変型例の構成を示す概略図である。
【図４】図３に示す半導体レーザ素子に電流狭窄部を形成した面発光型の半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【図５】本発明に係る半導体発光素子の第２の実施形態である半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【図６】本発明に係る半導体発光素子の第３の実施形態であるＬＥＤの基本的な構成を示す概略図である。
【図７】第３の実施形態に係るＬＥＤに抵抗層を形成した構成を示す概略図である。
【図８】本発明に係る半導体発光素子の第４の実施形態であるＬＥＤの基本的な構成を示す概略図である。
【図９】本発明に係る半導体発光素子の第５の実施形態であるＬＥＤの基本的な構成を示す概略図である。
【図１０】図９に係るＬＥＤのｐ側電極の配置を説明するための図である。
【図１１】第５の実施形態に係るＬＥＤに抵抗層を形成した構成を示す概略図である。
【図１２】本発明に係る半導体発光素子の第６の実施形態である半導体レーザ素子の基本的な構成を示す概略図である。
【図１３】第６の実施形態に係る半導体レーザ素子の変型例の構成を示す概略図である。
【図１４】従来の半導体発光素子の模式的な概略図である。
【符号の説明】
１０１：基板
１０３、１０５、１１１、１１２：発光層
１０６、１１５、１１７：ｎ型クラッド層
１０７、１１６、１１８：ｐ型クラッド層
１０９、１２３、１２４、１２５、１２６：ｐ側電極
１１０：ｎ側電極
１１３：電流狭窄部
１２１、１２２：絶縁層

Claims

基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成された第２の発光層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記第２の発光層を挟み込むように前記第２の発光層に隣接して設けられたガイド層と、前記第２の発光層、及び前記ガイド層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成されたガイド層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記ガイド層を挟み込むように前記ガイド層に隣接して設けられた第２の発光層と、前記ガイド層、及び前記第２の発光層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
前記第１の発光層と前記第２の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記第１の発光層が発する光の波長は、前記第２の発光層が発する光の波長と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記第１及び第２の発光層はＩｎを含む窒化物半導体発光層であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記第２のクラッド層にイオン注入法により所定のイオンを注入し、前記第２のクラッド層に所定の抵抗値を有する抵抗層を形成するとともに、前記抵抗層の抵抗値を制御することにより、前記第１および第２の発光層により発せられる発光色の混色比を調整することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記第１の発光層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４５０ｎｍであり、前記第２の発光層が発する光の主ピーク波長が５６０乃至６００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成された第２の発光層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記第２の発光層を挟み込むように前記第２の発光層に隣接して設けられたガイド層と、前記第２の発光層、及び前記ガイド層上に形成された第３の発光層と、前記第３の発光層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の中央部表面上に形成されたガイド層と、前記第１の発光層の前記中央部以外の表面上に形成され、前記ガイド層を挟み込むように前記ガイド層に隣接して設けられた第２の発光層と、前記ガイド層、及び前記第２の発光層上に形成された第３の発光層と、前記第３の発光層上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
前記第１、第２及び第３の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層であることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層と前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーの和より大きいことを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
前記第１、第２、及び第３の発光層は、各々異なる波長を有する光を発光することを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
前記第１、第２、及び第３の発光層は、Ｉｎを含む窒化物半導体発光層であることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
前記第１の発光層が発する光の主ピーク波長が４００ないし４５０ｎｍであり、前記第２の発光層が発する光の主ピーク波長が６２０ないし７５０ｎｍであり、前記第３の発光層が発する光の主ピーク波長が４９０ないし５２０ｎｍであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光素子。
基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上に形成された第１の発光層と、前記第１の発光層の表面上に形成された第２の発光層と、前記第２の発光層の表面上に形成された第２のクラッド層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
前記第１の発光層と前記第２の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子。
前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子。
前記第１の発光層が発する光の波長は、前記第２の発光層が発する光の波長と異なることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子。
前記第１および前記第２の発光層はＩｎを含む窒化物半導体発光層であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体発光素子。
前記第１の発光層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４５０ｎｍであり、前記第２の発光層が発する光の主ピーク波長が５６０乃至６００ｎｍであることを特徴とする請求項２０に記載の半導体発光素子。
基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上の一部に形成された第１の発光層と、前記第１のクラッド層の表面上であって、前記第１の発光層が形成された部分以外の表面上に形成された第１のガイド層と、前記第１の発光層の表面上の一部に形成された第２の発光層と、前記第１の発光層の表面上であって、前記第２の発光層が形成された部分以外の表面上に形成された第２のガイド層と、前記第２の発光層と前記第１のガイド層の表面上に形成された第３の発光層と、前記第３の発光層と前記第２のガイド層の表面上に形成された第２のクラッド層を備えた半導体発光素子において、
前記第１のガイド層の端部に形成され、前記第１及び第２の発光層と前記第１のガイド層に挟み込まれるように形成された第１の絶縁層と、前記第２のガイド層の端部に形成され、前記第２及び第３の発光層と前記第２のガイド層に挟み込まれるように形成された第２の絶縁層とを備え、前記第２の発光層は、前記第１、第３の発光層、及び前記第１、第２の絶縁層によって囲まれるように形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
前記第１、第２及び第３の発光層により量子井戸構造、多重量子構造の超格子、又は量子ドット構造のいずれかの構造が構成されていることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第２の発光層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記第１の発光層、及び前記第３の発光層は前記第２の発光層のキャリア閉じこめ層であることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の発光層と前記第３の発光層のバンドギャップエネルギーの和より大きいことを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第１、第２、及び第３の発光層は、各々異なる波長を有する光を発光することを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第１、第２、及び第３の発光層は、Ｉｎを含む窒化物半導体発光層であることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第１の発光層が発する光の主ピーク波長が４００ないし４５０ｎｍであり、前記第２の発光層が発する光の主ピーク波長が６２０ないし７５０ｎｍであり、前記第３の発光層が発する光の主ピーク波長が４９０ないし５２０ｎｍであることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第２のクラッド層にイオン注入法により所定のイオンを注入し、前記第２のクラッド層に所定の抵抗値を有する抵抗層を形成するとともに、前記抵抗層の抵抗値を制御することにより、前記第１、第２および第３の発光層により発せられる発光色の混色比を調整することを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第２のクラッド層上にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層上に前記第１、第２、及び第３の発光層に共通の電極が設けられていることを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第２のクラッド層上にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層上に前記第１、第２、及び第３の発光層の各々に対応する第１、第２、及び第３の個別電極を設けるとともに、前記第１、第２、第３の個別電極を前記コンタクト層の表面に対角線上に配置したことを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
前記第１の絶縁層、及び第２の絶縁層の形成位置を制御することにより、前記第１、第２および第３の発光層により発せられる発光色の混色比を制御することを特徴とする請求項２３に記載の半導体発光素子。
基板と、前記基板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の表面上の一部に形成された第１の活性層と、前記第１のクラッド層の表面上であって、前記第１の活性層が形成された部分以外の表面上に形成された第１のガイド層と、前記第１の活性層の表面上の一部に形成された第２の活性層と、前記第１の活性層の表面上であって、前記第２の活性層が形成された部分以外の表面上に形成された第２のガイド層と、前記第１のガイド層と前記第２の活性層の表面上に形成された第３の活性層と、前記第３の活性層と前記第２のガイド層の表面上に形成された第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層の表面上に形成されたコンタクト層とを備えた半導体発光素子において、
前記第１のガイド層の端部に垂直方向に形成され、前記第１の活性層と前記第２の活性層に隣接して形成された第１の絶縁層と、前記第２のガイド層の端部に垂直方向に形成され、前記第２の活性層と前記第３の活性層に隣接して形成された第２の絶縁層とを備え、前記第２の活性層は、前記第１、第３の活性層、及び前記第１、第２の絶縁層によって囲まれるように形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層の各々の上部が、前記コンタクト層の上面にまで伸びて形成され、前記第２の絶縁層の下部が、前記第１の活性層の下面にまで伸びて形成されていることを特徴とする請求項３４に記載の半導体発光素子。
前記第２の活性層のバンドギャップエネルギーは、前記第１、第３の活性層のバンドギャップエネルギーより小さいことを特徴とする請求項３４または３５に記載の半導体発光素子。
前記第１のクラッド層と前記第２のクラッドが有する各々のバンドギャップエネルギーは、前記第１の活性層と前記第３の活性層のバンドギャップエネルギーの和より大きいことを特徴とする請求項３４または３５に記載の半導体発光素子。
前記コンタクト層上に前記第１、第２、及び第３の活性層の各々に対応する第１、第２、及び第３の個別電極を設けるとともに、前記第１、第２、及び第３の個別電極を前記コンタクト層の表面上に対角線上に配置したことを特徴とする請求項３４または３５に記載の半導体発光素子。
前記第１、第２、及び第３の活性層は、各々異なる波長を有する光を発光することを特徴とする請求項３４または３５に記載の半導体発光素子。
前記第１の活性層が発する光の主ピーク波長が４００乃至４５０ｎｍであり、前記第２の活性層が発する光の主ピーク波長が６２０乃至７５０ｎｍであり、前記第３の活性層が発する光の主ピーク波長が４９０乃至５２０ｎｍであることを特徴とする請求項３９に記載の半導体発光素子。