JP2004095724A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004095724A JP2004095724A JP2002252837A JP2002252837A JP2004095724A JP 2004095724 A JP2004095724 A JP 2004095724A JP 2002252837 A JP2002252837 A JP 2002252837A JP 2002252837 A JP2002252837 A JP 2002252837A JP 2004095724 A JP2004095724 A JP 2004095724A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- light emitting
- island
- light
- semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
【課題】ＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物半導体材料を用いた半導体発光素子を、より特性が良くより製造しやすい状態で提供できるようにする。
【解決手段】クラッド層１０４の上に、活性層１０５が形成されている。活性層１０５は、ＩｎＮからなる複数の島状部分１０５ａが同一平面に配列された構造の層であり、島状部分１０５ａは、例えば、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分１０５ａの寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分１０５ａの寸法によって、活性層１０５による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。
【選択図】 図１
【解決手段】クラッド層１０４の上に、活性層１０５が形成されている。活性層１０５は、ＩｎＮからなる複数の島状部分１０５ａが同一平面に配列された構造の層であり、島状部分１０５ａは、例えば、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分１０５ａの寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分１０５ａの寸法によって、活性層１０５による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層から構成された半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤色，黄色，緑色，青色などの光を発する半導体発光素子の発光層（活性層）は、一般に二次元に連続して広がった半導体層から構成されている。この発光層をバルクの半導体層から構成する場合、用いる半導体材料は、発光波長に対応したバンドギャップエネルギーを持ち、また、結晶層が二次元方向に成長するものであることが前提となる。しかしながら、任意の波長で発光する半導体発光素子を作製しようとしても、結晶成長における二次元成長及び材料の選択の観点から、適当な材料が存在しない場合が多くある。
【０００３】
一方、発光を量子井戸構造の半導体層から構成する場合、量子井戸構造の量子準位が発光波長に対応することになり、井戸層のバンドギャップエネルギーは、バリア層のバンドギャップエネルギーより小さい必要がある。この場合にも、得ようとする発光波長によっては、これを実現するための井戸層とバリア層の材料選択が困難な場合があった。更に、非常に薄い井戸層を必要とする場合、結晶成長技術の関係で、井戸層とバリア層の組み合わせやこれらの組成によっては、連続した膜を形成することが困難な場合がある。これは、薄い結晶の膜を積層しようとする場合、各層の間の格子不整合率と、各層の材料の弾性定数によって、連続した膜で結晶層が成長する臨界膜厚が決定されるためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の半導体発光素子では、任意の波長の光を発する発光素子の構造設計上、種々の制限があり、実現が困難な波長域があった。また、素子が作製できたとしても、発光効率が低く、作成歩留りが低く、また、素子の寿命が短いという実用に耐えない状態であった。
このような状況について、より詳細に説明する。はじめに、可視光領域の発光素子における従来技術の問題点について述べる。まず、従来では、波長６７０ｎｍより短い青色，緑色，黄色などの発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）の特性が低いという問題があった。従来、青色のＬＥＤと緑色のＬＥＤについては、ＩｎＧａＮを井戸層とする量子井戸構造で作製されて既に市販されている。
【０００５】
ところが、これらに用いられているＩｎＧａＮは、例えばＩｎＧａＮからなる井戸層の中で相分離を生じ、組成比の異なる微小な複数の領域（ドット）が存在していることが確認されている。このドットは、各々大きさが異なっているため、結果として得られる発光のスペクトル幅が広くなっている。
また、従来の可視光領域の発光素子においては、品質の良い黄色のＬＥＤが得られていないという問題もあった。従来のＩｎＧａＮを用いた黄色ＬＥＤでは、得られる発光が青や緑より一桁以上弱い。これは、黄色領域では、ＩｎＧａＮの相分離が激しく起こり、結晶性が不良になるためである。
【０００６】
一方、ＩｎＧａＡｌＰから構成された黄色のＬＥＤが、アメリカ合衆国を中心として、既に交通信号機の黄色に一部使われている。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＰの材料を用いた場合、黄色の波長域では、発光層（活性層）とｐ形の領域のクラッド層（キャリア閉じ込め層）とのヘテロ構造中の伝導帯のバンド不連続ΔＥｃが小さい。このため、注入した電流の光への変換効率が低くなるという問題がある。また、ＩｎＧａＡｌＰ系の材料を用いた発光素子は、発光の面から見ると、無効な電流が発熱を引き起こすため、この熱による素子劣化の問題も生じている。
【０００７】
加えて、可視光領域の発光素子における従来技術の問題として、実用的な半導体レーザが実現されていないという問題がある。例えば、６３０ｎｍ台より長い波長域の半導体レーザであれば、実験室レベルで作製されているが、青から橙色の波長域では、ＬＥＤを作製できても、実用レベルのレーザが作製できていない。従来からある半導体材料では、低閾値電流で発振する素子構造を構成することが困難なためである。
【０００８】
これに対し、６６０ｎｍの波長域のレーザは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いて実用化されている。しかし、この場合でも、発光層とクラッド層（キャリア閉じ込め層）間での伝導帯のバンド不連続ΔＥｃが小さいため、ｐ形クラッド層にＭｕｌｔ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｂａｒｒｉｅｒ（通称、ＭＱＢ）と呼ばれる多重量子井戸からなる電子波干渉による電子の反射器を用いて電子のオーバーフローを防止している。しかし、ＭＱＢを用いると、伝導帯に多数のバンド不連続が存在するため、素子の駆動電圧が高くなる。
【０００９】
また、活性層の多重量子井戸の層数は通常１〜３層であるのに対し、多重量子井戸の層数がＭＱＢでは数十層程度必要であり、また、各層の厚さの誤差が１０分の１ｎｍオーダーでなげればならない。このように、上述した従来の素子では、発光素子の活性層となる多重量子井戸に比較して、ＭＱＢの作製が困難であることも問題となっている。
【００１０】
他方、光通信用光源として用いられている半導体発光素子においても、つぎに示すような問題があった。例えば、石英系ガラスファイバを伝送媒体とする光通信における波長域は、古くは０．８μｍ帯が用いられる場合もあったが、現在では、１．３〜１．５μｍ帯が主流である。これら光通信用光源には、波長の安定性が要求される。波長域１．３〜１．５μｍ帯の光通信用光源としては、Ｉｎ，Ｇａ，Ａ１，Ａｓ，及びＰなどの元素からなる結晶で構成された半導体レーザが用いられている。特に、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０＜Ｘ≦１，０≦Ｙ＜１）（以下、ＩｎＧａＡｓＰと記す）は、半導体レーザによく用いられている材料である。
【００１１】
ところが、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いて半導体レーザの必須構造であるヘテロ構造を構成すると、バンド構造における伝導帯でのバンド不連続が小さいため、素子の使用温度の影響を受けやすい。このため、現状では、上記材料を用いた半導体レーザは、実用上重要な特性の一つである特性温度が低いという問題があった。この特性温度は、閾値電流との関係がつぎの式で示される。
【００１２】
Ｉｔｈ＝Ｉ０ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）
なお、上式において、Ｉｔｈは、温度Ｔにおける閾値電流であり、Ｉ０は絶対零度での閾値電流である。
【００１３】
従来からあるＩｎＧａＡｓＰ系レーザでは、Ｔ０の値は４０〜６０Ｋである。Ｔ０がこのように小さい理由は、材料にあり、ＩｎＧａＡｓＰが、大きなオージェ効果を有するためである。大きなオージェ効果を有すると、使用環境の温度が高いほど、上記材料で構成された活性層において発生した電子は、結晶格子にエネルギーを与え、また近隣の電子を励起し、非発光再結合する。価電子帯でも同様な効果が起きる。
【００１４】
特に、閃亜鉛鉱型結晶構造のＩｎＧａＡｓＰ系材料では、価電子帯のΓ点におけるヘビーホールとライトホールとの間のエネルギーギャップ、すなわちスピンスプリット・オフ・エネルギーΔｓｐがないため、オージェ効果が大きい。この結果、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体レーザは、温度特性が良くない。このため、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる半導体レーザを使用する場合、使用環境の温度が高くなると、閾値電流も高くなる。従って、上記半導体レーザ（素子）の温度は、環境温度の高温化に加え、高くなる動作電流による発熱でより高くなり、素子温度の高温化に伴って、素子の発光波長が長くなる。
【００１５】
光通信では、通信に用いている光の波長変化は、光ファイバ中での光伝送速度の波長分散のために、通信特性の劣化につながる。このような状態では、例えば、長距離通信の場合に、送信側での時系列の２個の光パルスが、受信側では区別がつかなくなることになる。また、大容量のデータを伝送する場合には、光パルスの間隔が狭いため、短距離伝送であっても、送信側で発した時系列の２個のパルスが受信側で区別がつかなくなる。また、波長多重通信（いわゆるＷＤＭ）の場合、用いる波長の間隔が１〜１０ｎｍ程度と狭いため、光源の波長が変動すると、混信の原因となる。
【００１６】
これらのように、光通信においては、通信光の波長変化は、大きな問題となり、波長の安定性が極めて重要である。このため、実際の光通信では、ペルチェ素子などに光源となる半導体レーザを搭載し、温度制御をしている。これにより、動作温度の安定化を実現し、波長の安定性を確保している。従って、現状では、通信システムの信頼性確保のため、ペルチェ素子などの温度制御手段の信頼性も重要な項目となっている。また、ペルチェ素子の搭載コスト，ペルチェ素子制御用回路のコスト，及びペルチェ素子用電力供給が、通信システムのコスト上昇を招いている。加えて、ペルチェ素子の存在により、部品点数が増加し、通信システム全体としての信頼性の低下を招いている。
【００１７】
また、前述した材料系を用いた従来の光通信用光源では、高い出力が得られていないと言う問題もあった。光通信システムでは、光源の高出力も望まれている。当然のことながら、光源の光出力が高ければ、伝送距離は伸びる。また、大容量通信の場合には、信号の光パルス幅が狭いので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の良い通信のために、光パルスのエネルギーを大きくする必要がある。パルス幅の狭い光パルスのエネルギーを大きくするためには、光出力の大きな光源が必要である。このため、大電力の注入が可能な光源（半導体発光素子）が必要とされている。
【００１８】
ところが、従来からあるＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いると、図１２に示すように、半導体レーザを構成するダブルヘテロ構造における伝導帯でのバンド不連続ΔＥｃが小さいため、大電流注入下ではキャリア・オーバーフローが容易に起きる。キャリア・オーバーフローは、キャリアが、発光層で発光再結合することなく、発光層を通過してしまう現象であり、図１２では、キャリアである電子が、ｎ形キャリア閉じ込め層から発光層を通過してｐ形キャリア閉じ込め層へ通り抜けてしまう現象を示している。
【００１９】
このように、従来のＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた半導体レーザでは、大きな電流を注入しても光出力は高まらず、発熱を生じるだけであった。これを改善するため、発光層に隣接するｐ形キャリア閉じ込め層にＡｌが添加された化合物半導体を用いる試みがある。これにより、伝導帯でのバンド不連続が多少大きくなり、半導体レーザの特性が改善されている。しかし、この技術による半導体レーザの光出力は、１．５５μｍ帯で１００ｍＷ台に留まっている。
【００２０】
上述した２つの問題に加え、従来のＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体発光素子では、希土類としてエルビウムが添加された１．５５μｍ帯の光ファイバ増幅器の最も励起効率の良い波長である１．４８μｍで発光する素子を実現することが非常に困難であった。この理由は、１．５５μｍ帯の波長域で発光する結晶の組成が、ＩｎＧａＡｓＰ系においては熱力学的非混和領域にあるためである。非混和和領域にある結晶を無理に得るためには、熱力学的に非平衡な条件で成長する必要がある。熱平衡ではない条件で非混和領域にある結晶を得ることができたとしても、熱平衡条件で成長した結晶に比較して結晶性が悪い。実際に素子が作製されているが、結晶性が良くないため、光出力は小さく、発光効率も低く、素子寿命も短い。
【００２１】
以上に説明したように、所望とする発光波長が得られる実用的な半導体発光素子を得ようとすると、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた場合、バンド不連続ΔＥｃが小さいことによる様々の問題がある。これに対し、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料は、バンド不連続ΔＥｃが大きいため、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料における問題を解消することができる可能性を有している。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料を用いようとする場合、つぎに示すような問題がある。
【００２２】
ＩｎＧａＮなどのＩｎＧａＡｌＮ系の材料は、ＩｎＰやＧａＡｓまたＺｎＳｅなどの半導体材料に比較し、結晶成長において二次元成長よりも三次元成長が起きやすい材料である。このため、連続膜の成長が難しいものとなっている。また、ＩｎＧａＡｌＮ系の同一材料からなる基板が得られていないことも、結晶成長を困難なものとしている。現状では、本来３次元成長が起きやすい状態である上に、下地との格子不整合が抑制されない状態であるため、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料は、島状に成長しやすく、このことも連続膜の成長を困難にしている。
【００２３】
格子不整合が大きいことは、高密度の転位の発生源となっており、現在得られているＩｎＧａＡｌＮ系の材料の半導体層における転位密度は、１０１０〜１０１２／ｃｍ２と、前述した他の半導体材料の１０４／ｃｍ２に比較して遙かに多いものとなっている。この転位密度は、発光に関しては内部量子効率の低下を引き起こしている。
【００２４】
半導体レーザにおいては、内部量子効率の低下は、閾値電流の上昇に直接つながり問題となる。ＩｎＧａＡｌＮ系などの窒化物材料は、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布の発生までの注入キャリア量が理論的に多い材料である。従って、転位密度が高い状態がますます閾値電流を高くしている。これらのことが、現在の窒化物半導体を用いた半導体レーザの素子寿命が、１００００時間あまりにしか達していない原因となっている。
【００２５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物半導体材料を用いた半導体発光素子を、より特性が良くより製造しやすい状態で提供できるようにすることを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に形成された第１導電形の第１半導体層と、この第１半導体層の上の同一平面に配列された複数の島状部分よりなる層から構成された活性層を含む発光構造と、この発光構造上に形成された第２導電形の第２半導体層とを少なくとも備え、島状部分は、例えばＩｎＮなど、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである。
この半導体発光素子によれば、活性層が、オージェ効果の小さいＩｎＧａＡｌＮ系の材料からなる複数の島状部分から構成され、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料が結晶成長しやすい分離した構造となっている。
【００２７】
上記半導体発光素子において、島状部分は、各々が離散した状態に配列されているものである。
また、上記半導体発光素子において、同一平面に配列された複数の島状部分よりなる層は、島状部分よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）からなるバリア層に覆われている。上記半導体発光素子において、活性層は、同一平面に配列された複数の島状部分からなる層と、バリア層とが複数積層された積層構造体であってもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す断面図（ａ）及び部分を示す斜視図（ｂ）である。ここでは、ＬＥＤ（発光ダイオード）を例にして説明する。図１に示すＬＥＤは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなり、表面及び裏面の両面が鏡面に研磨された単結晶基板１０１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層１０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層１０３、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層（第１半導体層）１０４を備えている。なお、単結晶基板１０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００２９】
また、クラッド層１０４の上には、図１（ｂ）に示すように、活性層１０５が形成されている。活性層１０５は、ＩｎＮからなる複数の島状部分１０５ａが同一平面に配列された構造の層であり、島状部分１０５ａは、例えば、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分１０５ａの寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分１０５ａの寸法によって、活性層１０５による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分１０５ａの大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【００３０】
なお、図１（ｂ）では、島状部分１０５ａを半球形状としているが、これに限るものではない。円柱や角柱などの形状であってもよい。また、図１（ｂ）では、島状部分１０５ａが等間隔で配列されているようにしたが、これに限るものではなく、各島状部分１０５ａの間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分１０５ａは、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分１０５ａを構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分１０５ａは、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【００３１】
以上のように複数の島状部分１０５ａから構成された活性層１０５は、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層（バリア層）１０６により覆われている。
また、成長カバー層１０６の上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層（第２半導体層）１０７、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１０８が形成されている。また、コンタクト層１０８の上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０９が形成されている。
【００３２】
また、電流制限絶縁層１０９の上には、上記開口窓を介してコンタクト層１０８に接触するｐ形金属電極１１０が形成されている。ｐ形金属電極１１０は、コンタクト層１０８に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。なお、電極層１０３は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極１１１を備えている。ｎ形金属電極１１１は、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのアルミニウム層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００３３】
つぎに、図１に示した本実施の形態における半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料は、アンモニアを用い、キャリアガスには水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【００３４】
はじめに、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板１０１の表面をアンモニア雰囲気で窒化した後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層１０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。引き続き、単結晶基板１０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層１０２の単結晶化を行う。
【００３５】
つぎに、単結晶基板の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮおよびＳｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、電極層１０３，クラッド層１０４を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。また、Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる。
【００３６】
次いで、クラッド層１０４の上にＩｎＮを島状に成長させて複数の島状部分１０５ａからなる活性層１０５を形成する。この島状部分１０５ａの形成では、まず、クラッド層１０４の上に膜状あるいは膜状に近い状態でＩｎＮを成長させる。このＩｎＮ成長においては、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、基板温度を５００℃とする。また、この気相成長におけるインジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。これらの成長にあたっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。これは、水素をキャリアガスとして用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである。
【００３７】
以上のようにして、ＩｎＮを膜状に成長させた後、この膜に対して窒素雰囲気において７００℃・２０分間の加熱処理を行う。この加熱処理により、膜状のＩｎＮの層が、複数の島状部分１０５ａとなる。
また、つぎのようにして島状部分１０５ａを形成するようにしてもよい。上述した原料ガスを用い、金属インジウムの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長させ、かつ、下地上に吸着したインジウム原子のマイグレーションを促進させることを観点としてＶ／ＩＩＩ比と成長速度を設計し、島状にＩｎＮを成長させる。
【００３８】
次いで、活性層１０５に対するエッチングやこの層の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、島状部分１０５ａを覆うように成長カバー層１０５を形成する。成長カバー層１０５は、ＩｎＮからなる複数の島状部分１０５ａに対するバリア層となる。
【００３９】
成長カバー層１０６を形成した後、基板温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層１０６の高品質化を図り、引き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びマグネシウムが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層１０７，コンタクト層１０８を形成する。Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００４０】
クラッド層１０７，コンタクト層１０８を形成した後、これらの層の添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層１０８の上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０９を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、開口窓を形成する。
【００４１】
電流制限絶縁層１０９に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層１０９の上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極１１０となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層１０３に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
【００４２】
上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、結晶基板１０１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層１０３の露出領域に膜厚５０ｎｍのアルミニウム，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極１１１を形成する。
以上説明したことにより、ｎ形金属電極１１１までを形成した後、これらを洗浄し、ダイヤモンド・スクライバを用いて単結晶基板１０１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。切り出した素子に所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板１０１の裏面側より発光光が得られる。
【００４３】
上述したように、本実施の形態においては、活性層１０５を、島状に離散した複数の島状部分１０５ａから構成するようにした。言い換えると、活性層１０５は、離散した量子井戸層の集合体あるいは、複数の量子ドットから構成されたものである。このように構成した半導体発光素子では、島状部分１０５ａの形状と、島状部分１０５ａを覆うように形成されている層（成長カバー層１０６）の組成と厚さとに依存して発光波長が変化する。これは、ＩｎＮからなる島状部分１０５ａに対する三次元的に加わる圧力（静水圧）によって、島状部分１０５ａを構成するＩｎＮのバンドギャップエネルギーが変化することによっている。
【００４４】
ＩｎＮなどのＩｎＧａＡｌＮ系の材料では、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料以上に広い範囲に渡って格子定数が異なっており、組成を変化させた層で覆うことで大きな静水圧を容易に加えることが可能である。従って、島状部分１０５ａのバンドギャップエネルギーを、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料に比較してより大きく変化させることが可能となる。
このように大きくバンドギャップエネルギーを変化させることができるので、図１に示した本実施の形態の半導体発光素子によれば、ＩｎＮのバンドギャップ波長である１．６μｍ近傍から紫外域に至る広い波長範囲の発光光を得ることが可能となる。
【００４５】
ところで、島状部分１０５ａは、ＩｎＧａＮなど他のＩｎＧａＡｌＮ系の材料から構成しても、上述と同様の効果が得られる。ＩｎＮよりバンドギャップの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）より島状部分１０５ａを構成することで、より短波長の発光光の半導体発光素子が得られる。ただし、ＩｎＧａＮを用いた場合に比較し、島状部分１０５ａをＩｎＮから構成することで、島状部分１０５ａの製造における高い再現性や面内均一性などが得られる。これは、ＩｎＮ以外の例えばＩｎＧａＮでは、これを気相成長させるときの各元素の気相中の組成と固相の組成とが大きく異なっていることを原因としている。
【００４６】
例えば、ＩｎＧａＮを気相成長させたときの、供給原料の比率と結晶成長したＩｎＧａＮの組成比との関係を調査した結果を図２に示す。トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とトリエチルガリウム（ＴＥＧ）との供給比（ＴＭＩ／（ＴＭＩ＋ＴＥＧ））を変化させ、ＴＭＩの供給量を増加させると、ＩｎＧａＮにおけるＩｎの比率が増加する。
【００４７】
この気相と固相との関係が、成長温度５００℃では、線形関係となっているが、成長温度を高くし、成長温度８００℃の場合、高濃度のＩｎ組成のＩｎＧａＮを成長させる場合、気相と固相との関係は非線形となり、また、高温ほどインジウムの取り込まれ方が減少する。これは、ＩｎＮにおける窒素の蒸気圧が、ＧａＮにおける窒素の蒸気圧より５桁ほど高いことを原因としている。
【００４８】
また、ＩｎＧａＮの場合、図３に示すように相分離がしばしば発生する。図３は、ＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実験と計算から求めた結果を示す特性図である（文献１：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｐｈａｓｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｗｕｒｔｚｉｔｅ Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ”，ＭＲＳＩｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ． Ｒｅｓ．３，５４（１９９８））。図３では、６００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を一点鎖線で示し、８００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実線で示し、１０００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を破線で示し、各線の内側の領域が非混和領域である。
【００４９】
図３に示すように、熱平衡条件下では、成長できない組成領域、すなわち相分離が起こる広い領域がある。しかしながら、ＩｎＮは、二元化合物であるため、上述したような相分離が原理的に起きない。この結果、ＩｎＮを用いることで、島状部分１０５ａの製造における高い再現性や面内均一性などが得られる。
なお、図１では、活性層１０５を、複数の島状部分１０５ａを１層としたが、これを成長カバー層１０６を介して複数層積層するようにしてもよい。
【００５０】
ここで、上述した実施の形態において用いたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）について説明する。従来、橙色より長い波長域の光を得ようとする半導体発光素子に、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を適用しようとする技術思想がなかった。これは、この材料系の中で最もバンドギャップ（Ｅｇ）の小さい材料はＩｎＮであり、このＥｇが１．９〜２．１ｅＶとされていたためである。
【００５１】
このＥｇが測定された時代には、多結晶ＩｎＮしかなかった（文献２：Ｋ．Ｏｓａｍｕｒａ，Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ ａｎｄ Ｙ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍ．，１１（１９７２）６１７、文献３：Ｎ．Ｐｕｙｃｈｅｖｒｉｅｒ ａｎｄ Ｍ．Ｍｅｎｏｒｅｔ，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，３６（１９７６）１４１、文献４：Ｔ．Ｌ．Ｔａｎｓｌｅｙ ａｎｄ Ｃ．Ｐ．Ｆｏ１ｅｙ，Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，５９（１９８６）．）。
【００５２】
これらの時代においては、反応性スパッタなどの方法によりＩｎＮを形成しようとしていたため、多結晶ＩｎＮしか形成できなかった。Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を構成する化合物ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮの中で、ＩｎＮの固相上における窒素の平衡蒸気圧は、他より５桁高い（文献５：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．Ｓａｓａｋｉ ａｎｄ Ａ．Ｋａｔｓｕｉ，”Ｗｉｄｅ−Ｇａｐ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ （Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＧａＡｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，（Ｋａｒｕｉｚａｗａ，Ｊａｐａｎ，１９８９）；ｉｎ Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．，１０６．ｐｐ．１４１−１４６）。
【００５３】
このような特性のＩｎＮは、膜の形成を行う容器内の圧力を高くすることができない反応性スパッタなどの方法では、良質な結晶を形成することがほぼ不可能である。また、上述した時代においては、ガラス基板の上にＩｎＮの膜を形成しようとしていたため、単結晶成長のための格子の情報が得られず、単結晶を成長させることができない状態であった。
【００５４】
以上のことに対し、発明者らは、１９８８年に、単結晶サファイア基板の上に、窒素圧を加えられる有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥと記す）を用いて、ＩｎＮの単結晶成長を試み、単結晶成長に世界で初めて成功した。１９８９年にこの結果を学会発表した（文献６：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。
【００５５】
しかし、この時の単結晶成長は結晶性が不十分であり、ＩｎＮの光学特性を得るには至らなかった。この後、発明者は種々の技術改良により、２００１年に世界で初めて光学特性を測定できる良質のＩｎＮの単結晶成長に成功した（松岡隆志，中尾正史，岡本浩，播磨弘，栗本英治，萩原恵美，”ＩｎＮのバンドギャップ・エネルギ”，第４９回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．３９２（２９ｐ−ＺＭ−１）（２００２）、応用物理学会の原稿締切は、２００２年１月８日。学会の開催は、３月２７日〜３０日、発表日は３月２９日）。
【００５６】
上記良質なＩｎＮの単結晶成長のための第１の技術改良点は、サファイアからなる基板の上にサファイアとＩｎＮとの中間の格子定数を持つＧａＮを形成しておき、このＧａＮ層の上にＩｎＮを成長した点である。この場合、ＧａＮ層には結晶性の高さが要求される。このため、以下に示す点について、ＧａＮの成長条件の最適化を図った。
【００５７】
１．サファイア基板表面の成長炉内でのクリーニング
２．サファイア表面のアンモニアによる窒化
３．サファイアとＧａＮとの間の格子不整を緩和するためのバッファ層としての低温成長ＧａＮの成長
４．上記バッファ層の単結晶化を図るための高温アニール
５．高温での高品質ＧａＮ成長
【００５８】
また、技術改良の第２は、上記のようにして最適化を図られた条件で成長されたＧａＮの上で、ＩｎＮの成長条件の検討を行ったことである。検討した項目は、成長温度，成長速度，Ｖ族原料とＩｎ原料との比，及び成長炉中のガス流速等である。これらの各項目の検討結果として、ようやく、光学特性が測定可能なＩｎＮの成長に初めて至った。現在では、ＧａＮ層を介することなく、サファイア基板の上に直接ＩｎＮの層を形成することが可能となっている。
【００５９】
ＩｎＮにおける成長条件と結晶性の関係の例として、窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／ＩＩＩ（インジウム／アンモニア）を変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを図４に示す。図４は、ω−２θスキャンスペクトルを示している。図４（ａ），（ｂ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを１６００００以下及びＶ／ＩＩＩを３２００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムからの信号が見られる。これに対し、図４（ｃ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムのピークは消失しており、金属インジウムが含まれていないことが判る。
【００６０】
ここで、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の特性を図５と図６に示す。図５は、形成した膜における、吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。図５に示すように、上記条件によるＩｎＮ膜では、明確に吸収端が検出されている。この関係がほぼ直線的であることから、ＩｎＮは直線遷移型であり、Ｅｇは０．８ｅＶと推定できる。
【００６１】
また、図６は、上記条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示すものであり、波長１．５９μｍ（０．８ｅＶ）近傍で発光していることが判る。これら図５，４に示されている吸収及びフォトルミネッセンスの結果は、ともに上記条件で形成したＩｎＮ膜のＥｇが、０．８ｅＶであることを示している。これらの結果から、ＩｎＮのＥｇは、０．８ｅＶ近傍にあると推定できる。
【００６２】
以上述べた種々の技術改良と長年の努力により、初めて、単結晶ＩｎＮのＥｇが、旧来の測定結果の約半分である０．８ｅＶであることが判明した。図７は、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）のＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。図７において、破線は旧来のデータであり、実線は発明者が求めたデータ（Ｅｇ＝０．８ｅＶ）を反映した結果である。
【００６３】
図５に示したようにＩｎＮのＥｇが０．８ｅＶ近傍にあることから、ＩｎＮ、あるいは、Ｅｇの小さなＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を井戸層（活性層）とし、これらより大きなＥｇを有する材料Ｉｎ１−Ｘ’−Ｙ’ＧａＸ’ＡｌＹ’Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）をバリア層とする量子井戸構造を用い、活性層の厚さとこれらの層の組成を選択することにより、赤外から紫外までの発光を実現できる。
【００６４】
このような構成の中で、活性層を複数の島状部分から構成し、これらを活性層（井戸層）と異なる組成の材料の層（バリア層）で覆うことにより、複数の島状部分に歪みを加えることができる。この歪みの大きさは、バリア層の組成と厚さによって制御できる。このことにより、複数の島状部分から構成された活性層におけるバンドギャップエネルギーを、これをバルク半導体から構成した場合の値から変化させることが可能となる。また、活性層を構成する複数の島状部分の寸法を、電子の波動関数の広がり以下とする、すなわち量子ドットとすると、量子準位を利用することが可能となる。
【００６５】
＜実施の形態２＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図８は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。この半導体発光素子は、３層の発光層を備えている白色発光ダイオードであり、図８では、結晶成長の膜厚方向に切断した断面を模式的に示している。この発光ダイオードは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板８０１の上に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層８０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層８０３を備えている。なお、単結晶基板８０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００６６】
また、電極層８０３の上には、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層８０４、ＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる量子井戸となっている下部活性層８０５，ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層８０６、ＩｎＹＧａ１−ＹＮからなる量子井戸となっている中部活性層８０７、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層８０８を備えている。なお、下部活性層８０５と中部活性層８０７とにおいて、Ｘ＜Ｙである。なお、バリア層８０６，８０８は、例えば、他の層より少ないＳｉが添加されたｎ−形としておけばよい。
【００６７】
また、バリア層８０８の上にＩｎＮからなる複数の島状部分が同一平面に配列された構造の層から構成された上部活性層８０９が形成されている。
上部活性層８０９を構成する複数の島状部分は、例えば、図１（ｂ）に示した島状部分１０５ａと同様に、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分の寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分の寸法によって、上部活性層８０９による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分の大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【００６８】
なお、島状部分は半球形状に限るものではなく、円柱や角柱などの形状であってもよい。また、島状部分は、等間隔で配列されていてもよく、各島状部分の間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分は、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分を構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分は、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【００６９】
以上のように形成された複数の島状部分よりなる上部活性層８０９は、Ｍｇが添加されたｐ形のＩｎＧａＡｌＮからなる膜厚０．５μｍのバリア層８１０で覆われ、バリア層８１０の上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層８１１，Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層８１２が形成されている。
【００７０】
また、コンタクト層８１２の上には、直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層８１３が形成され、電流制限絶縁層８１３の上には、上記開口窓を介してコンタクト層８１２に接触するｐ形金属電極８１４が形成されている。ｐ形金属電極８１４は、図示しないが、コンタクト層８１２に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００７１】
なお、電極層８０３は、この上の各層を一部エッチング除去することで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極８１５が形成されている。ｎ形金属電極８１５は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。なお、上述した半導体発光素子は、前述した図１に示す実施の形態の半導体発光素子と同様な手法により製造することができる。
【００７２】
このように構成した本実施の形態における半導体発光素子は、バリア層８０４と下部活性層８０５とバリア層８０６とで第１発光構造を形成し、バリア層８０６と中部活性層８０７とバリア層８０８とで第２発光構造を形成し、バリア層８０８と上部活性層８０９とバリア層８１０とで第３発光構造を形成している。
【００７３】
各発光構造の発光波長は、後述するように、各活性層の組成や厚さを制御することで、第１発光構造が最も短く、第３発光構造が最長としている。すなわち、光が出射する単結晶基板８０１に近い方の発光構造の発光波長が短くなるように（バンドギャップが大きくなるように）形成されている。従って、第３発光構造から放射された光は、第２発光構造と第１発光構造とに吸収されることなく、単結晶基板８０１の裏面から出射される。
【００７４】
また、第２発光構造から放射された光において、第１発光構造側へ出射された光は、第１発光構造に吸収されることなく、単結晶基板８０１の裏面から出射される。一方、第２発光構造から放射された光において、第３発光構造側へ出射された光は、一部が第３発光構造で吸収される。この第３発光構造に吸収された光により第３発光構造は励起されて発光する。すなわち、第２発光構造から出射されて第３発光構造に吸収された光は、第３発光構造で発せられる光の波長に変換される。この光は、第２，第１発光構造に吸収されることなく、単結晶基板８０１の裏面から出射される。
【００７５】
また、第１発光構造から放射された光のうち単結晶基板８０１側に出た光は、このまま単結晶基板８０１の裏面から出射される。一方、第１発光構造から出射された光において、第２及び第３発光構造側へ出射された光は、一部が各々の発光構造で吸収され、各々の発光構造で発せられる光の波長に変換される。これら変換された光は、前述したように、各々の発光構造からの光として単結晶基板８０１の裏面から出射される。このように、発光層の積層順を光の取り出し方向との位置関係を考慮して設計することにより、高効率な発光光の取り出しが可能となる。なお、各発光構造間の発光波長の関係は、上述に限るものではなく、例えば、第２発光構造の発光波長を最も長くするようにしてもよい。
【００７６】
例えば、ｐ形金属電極８１４とｎ形金属電極８１５とを各々陽極と陰極とし、これらに電流を流して動作させ、単結晶基板８０１裏面より出射される光を観測すると、青みがかった白色の光となっている。本半導体発光素子により得られる発光の色は、各活性層の構造因子、すなわち、各々の層の組成，厚さ，島状部分の径，各々の領域の周辺の結晶層（バリア層）の組成，厚さを制御することにより、変化させることが可能である。
【００７７】
また、図８の半導体発光素子では、バリア層を介して３つの活性層を積層したが、これに限るものではなく、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
また、下部活性層８０５や中部活性層８０７を、ＩｎＧａＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしても良く、ＩｎＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしてもよい。
【００７８】
ここで、上述した、活性層から構成された複数の発光構造を積層した半導体発光素子に関して説明する。
従来より一般には、白色光源として用いることができる半導体発光素子には、３種類の構造があった。第１は、光の三原色である赤色，緑色，及び青色の光をそれぞれ発する３種類の発光ダイオードを用い、これらより発生される光を重ねて白色光源とする構造である。
【００７９】
第２は、ＺｎＳｅ基板の上に結晶成長したＺｎＣｄＳｅを井戸層とする量子井戸構造を有する青緑色発光ダイオードの発光を、基板であるＺｎＳｅを通して外部に引き出すことで、白色光源とする構造である。これは、上記量子井戸からは青緑色の発光を取り出し、取り出した光によりＺｎＳｅ基板中に存在する欠陥からＳＡ発光と呼ばれる深い準位からの榿色の発光を取り出し、これらの２つの光の混合することで、白色光を得る構造である。
【００８０】
第３は、青色発光する発光ダイオードの半導体チップを蛍光体粉末を混ぜたプラスチックでモールドした構造である。上記蛍光体粉末は、黄色から赤色を発光する蛍光体材料から構成されたものである。半導体チップ（発光ダイオード）から発した青色によりプラスチックモールド中の蛍光体が励起され、黄色から赤色の光を発光する。この第３の構造では、蛍光体からの黄色から赤色の光と、半導体チップからの青色の光とを混合することで、白色光を得るようにしている。
【００８１】
第１の構造では、三色の光用に各々発光ダイオードチップを用意する必要がある。実際に用いる構成としては、赤色，緑色，青色の光を発する合計３個の発光ダイオードチップを集積化している。第１の構造では、３色の発光ダイオードチップは、各々異なった材料で構成され、独立に３色の素子を作成した後で、同一の基板の上に集積されている。更に、第１の構造では、３個の発光ダイオードチップより発生された光の和が白色となるように、３個の発光ダイオードチップの光出力を調整する必要がある。
【００８２】
例えば、各々の発光ダイオードチップに対する注入電流を、各々調整していた。このように、第１の構造では、素子数が多くこれらを集積する必要があり、また、各素子に対する注入電流の調整が必要であるなど、量産性を阻害するという問題があった。
【００８３】
つぎに、第２の構造では、広く用いられているＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板より一桁程度高価なＺｎＳｅ基板が必要なため、素子の価格が高くなるという問題があった。更に、ＺｎＳｅ基板を用いて半導体発光素子を製造する場合、ｐ形の不純物（キャリア）がドーピングされた結晶層を形成するためには、分子線エピタキシャル成長方法（ＭＢＥ）が必要となる。ＭＢＥは、他の成長法に比較してスループットが小さいという問題がある。
【００８４】
また、ＭＢＥを用いてドーピングされた結晶層が製造できても、発光効率を高くするためにドーピングしたキャリアを活性化できるような結晶を得るためには、まず、結晶成長前の基板処理として亜鉛酸化物を造らない特殊な酸による基板のエッチングと、基板表面を荒らさない水素プラズマ処理によるＭＢＥ成長室内での基板酸化膜の除去とが必要となる。
【００８５】
また、第２の構造を実現するためには、結晶表面の再配列を制御する必要があり、このために、成長時に同時に反射高速電子回折像を観察し、ＩＩ族とＶＩ族の原料供給比ＶＩ／ＩＩを１．１〜１．３程度に制御する必要がある。これらの高度な製造技術により、初めて、第２の構造を実現するための高品質な結晶の成長が可能となる。
【００８６】
発明者らは、この技術を１９９７年に開発し、ＺｎＳｅ基板の上での半導体レーザの開発に世界で初めて成功した（Ａ．Ｏｈｋｉ，Ｔ．Ｏｈｎｏ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＺｎＳｅ−Ｂａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ Ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａ１１ｙ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ＺｎＳｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３，１１，ｐｐ．９９０−９９１（１９９７）． Ｔ．Ｏｈｎｏ，Ａ．Ｏｈｋｉ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＣＷ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＩ−ＶＩ ＬａｓｅｒＧｒｏｗｎ ｏｎ ＺｎＳｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｃｌｅａｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｌａｓｍａ”，Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１８４／１８５，ｐｐ．５５０−５５３（１９９８）． Ｔ．Ｏｈｎｏ，Ａ．Ｏｈｋｉ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｌｅａｎｉｎｇｗｉｔｈ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｌａｓｍａ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｄｅｆｅｃｔ−Ｄｅｎｓｉｔｙ ＺｎＳｅ Ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ”，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ．，１６，４，ｐｐ．２５３９−２５４５（１９９８）．）。
【００８７】
しかし、上記開発の後、工業会及び学界レベルにおいて、第２の構造に関する大きな進歩がない。これは、材料に関わる基本的な問題として、結晶自体がもろく欠陥が入りやすいためである。また、第２の構造においては、ＳＡ発光強度の問題がある。第２の構造により白色の光を得るためには、ＺｎＳｅ基板の厚さを制御し、基板上の発光ダイオード構造から出力される青色の強さとＳＡ発光強度との比を調整する必要がある。ＳＡ発光の強度は、材料の特性に大きく依存するため、この調整は、素子作製の度に毎回ＺｎＳｅ基板の特性に合わせて行う必要があり、量産性を阻害する要因となっている。
【００８８】
第３の構造では、注入電力の光への変換効率が、半導体チップの発光効率と蛍光体の発光効率との積となり、各発光効率が１００％となることがないため、光への変換効率が低くなるという問題がある。例えば、半導体光素子の発光効率は４０％程度であり、蛍光体の発光効率は５０％程度であるため、第３の構造による白色発光素子における注入電力の光への変換効率は、２０％程度と低い。このような第３の構造では、効率が白熱電灯と同程度であり、蛍光灯より低いため、半導体光素子（ＬＥＤ）の利点が減少してしまう。
【００８９】
上述したように、従来の技術では、白色光の半導体発光素子を製造するにあたって、まず、製造工程が多く、また白色光を得るための調整が必要であるなど、高輝度の白色半導体発光素子を安価に提供することが困難であった。
これに対し、図８に示す半導体発光素子によれば、三色の光用に各々個別の素子チップを用意する必要が無く、特殊な製造装置や製造方法を必要とせず、複雑な調整も必要としない。従って、図８の半導体発光素子によれば、より安価に素子を提供することが可能となる。
【００９０】
加えて、図８に示す本実施の形態における半導体発光素子では、従来より小さな面積で素子が形成できるので、例えば、同一の基板の上に複数の素子を同時に形成し、これらを切り出すことで半導体発光素子チップを得ようとする場合、より多くのチップを得ることが可能となる。この点においても、一般にいわれる量産効果などにより、より安価に素子を提供することが可能となる。また、素子も薄く形成することができるので、より小型な装置への実装も可能となる。
【００９１】
＜実施の形態３＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図９は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。この半導体発光素子は、３層の発光層を備えている白色発光ダイオードであり、図９では、結晶成長の膜厚方向に切断した断面を模式的に示している。この発光ダイオードは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板９０１の上に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層９０２、ＧａＮからなる膜厚１μｍの半導体層９０３を備えている。なお、単結晶基板９０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００９２】
また、半導体層９０３の上には、ＡｌＧａＮからなる膜厚１μｍのクラッド層９０４、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９０５、ＩｎＮからなる複数の島状部分が同一平面に配列された構造の層から構成された下部活性層９０６が形成されている。下部活性層９０６を構成する複数の島状部分は、例えば、図１（ｂ）に示した島状部分１０５ａと同様に、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分の寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分の寸法によって、下部活性層９０６による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分の大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【００９３】
なお、島状部分は半球形状に限るものではなく、円柱や角柱などの形状であってもよい。また、島状部分は、等間隔で配列されていてもよく、各島状部分の間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分は、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分を構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分は、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【００９４】
以上のように形成された複数の島状部分よりなる下部活性層９０６は、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９０７で覆われ、バリア層９０７上には、ＩｎＹＧａ１−ＹＮからなる量子井戸となっている中部活性層９０８、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９０９を備えている。
【００９５】
また、バリア層９０９の上には、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる電極層９１０が形成され、この上に、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９１１が形成され、バリア層９１１の上には、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる量子井戸となっている上部活性層９１２が形成されている。なお、中部活性層９０８と上部活性層９１２とにおいて、Ｘ＜Ｙである。
【００９６】
また、上部活性層９１２上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９１３が形成され、バリア層９１３の上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層９１４，Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層９１５が形成されている。
【００９７】
また、コンタクト層９１５の上には、直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層９１６が形成され、電流制限絶縁層９１６の上には、上記開口窓を介してコンタクト層９１５に接触するｐ形金属電極９１７が形成されている。ｐ形金属電極９１７は、図示しないが、コンタクト層９１５に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００９８】
なお、電極層９１０は、この上の各層を一部エッチング除去することで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極９１８が形成されている。ｎ形金属電極９１８は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。なお、上述した半導体発光素子は、前述した図１に示す実施の形態の半導体発光素子と同様な手法により製造することができる。
【００９９】
このように構成した本実施の形態における半導体発光素子は、バリア層９０５と下部活性層９０６とバリア層９０７とで第１発光構造を形成し、バリア層９０７と中部活性層９０８とバリア層９０９とで第２発光構造を形成し、バリア層９１１と上部活性層９１２とバリア層９１３とで第３発光構造を形成している。
【０１００】
各発光構造の発光波長は、各活性層の組成や厚さを制御することで、第１発光構造が最も長く、第３発光構造が最短としている。すなわち、光が出射する単結晶基板９０１より離れる発光構造の発光波長が短くなるように（バンドギャップが大きくなるように）形成されている。従って、電流注入により第３発光構造から放射された一部の光は、第２発光構造と第１発光構造とに吸収され、吸収されない部分が、単結晶基板９０１の裏面から出射される。
【０１０１】
第２発光構造で吸収された光により第２発光構造は励起され、第２発光構造から独自の波長の発光が生じる。この第２発光構造で生じた一部の発光は、第１発光構造に吸収され、第１発光構造に吸収されない部分が、単結晶基板９０１から出射される。最後に、第１発光構造では、前述した第３発光構造からの光と第２発光光層からの光とが吸収され、吸収された光により第３発光構造が励起され、第３発光構造においても独自の波長の発光が生じる。この光も、単結晶基板９０１の裏面から出射される。
【０１０２】
このように、図９の半導体発光素子でも、第１〜第３発光構造の積層順を光の取り出し窓となる単結晶基板９０１との位置関係を考慮して設計することにより、損失が少なく高効率な白色光の発光を得ることが可能となる。単結晶基板９０１の裏面からは、第１〜第３発光構造を適宜設計することにより、赤外から可視および紫外へと広い波長範囲に渡って発光を得ることが可能となる。なお、各発光構造間の発光波長の関係は、上述に限るものではなく、例えば、第２発光構造の発光波長を最も長くするようにしてもよい。
【０１０３】
例えば、ｐ形金属電極９１７とｎ形金属電極９１８とを各々陽極と陰極とし、これらに電流を流して動作させ、単結晶基板９０１裏面より出射される光を観測すると、青みがかった白色の光となっている。本半導体発光素子により得られる発光の色は、各活性層の構造因子、すなわち、各々の層の組成，厚さ，島状部分の径，各々の領域の周辺の結晶層（バリア層）の組成，厚さを制御することにより、変化させることが可能である。
【０１０４】
また、図９の半導体発光素子では、バリア層を介して３つの活性層を積層したが、これに限るものではなく、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
また、下部活性層９０６や中部活性層９０８を、ＩｎＧａＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしても良く、ＩｎＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしてもよい。
【０１０５】
つぎに、製造方法について説明する。なお、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料は、アンモニアを用いる。なお、断らない限り、キャリアガスには水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【０１０６】
はじめに、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板９０１の表面をアンモニア雰囲気で窒化した後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層９０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。引き続き、単結晶基板９０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層９０２の単結晶化を行う。
【０１０７】
つぎに、単結晶基板の温度を１０２０℃とし、ＧａＮおよびＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、半導体層９０３，クラッド層９０４を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。
【０１０８】
次いで、クラッド層９０４の上に、ＩｎＧａＡｌＮ，ＩｎＸＧａ１−ＸＮ，ＩｎＧａＡｌＮ，ＩｎＹＧａ１−ＹＮ，ＩｎＧａＡｌＮ，Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮ，Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮを連続して成長し、バリア層９０５，下部活性層９０６，バリア層９０７，中部活性層９０８，バリア層９０９，電極層９１０，バリア層９１１を形成する。
【０１０９】
インジウムを含む層の結晶成長においては、ＩｎＮの固相上のＮ平衡蒸気圧が高いので、成長温度（基板温度）を５５０℃とする。また、この気相成長におけるインジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。インジウムを含む層の成長におけるＧａ原料としては、ＴＥＧを用いる。ＴＭＧと比較し、ＴＥＧは低温で分解し、蒸気圧が低いので、上述した結晶層の組成制御に適している。
【０１１０】
上述した各層の結晶成長にあたっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩ＋ＴＭＡ＋ＴＥＧとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。これは、水素をキャリアガスとして用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである（文献６）。また、Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる。
【０１１１】
次いで、バリア層９１１上に、ＩｎＮを島状に成長させて複数の島状部分からなる活性層９１２を形成する。この島状部分の形成では、まず、バリア層９１１の上に膜状あるいは膜状に近い状態でＩｎＮを成長させる。このＩｎＮ成長においては、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、基板温度を５００℃とする。また、この気相成長におけるインジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。この成長にあたっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。
【０１１２】
以上のようにして、ＩｎＮを膜状に成長させた後、この膜に対して窒素雰囲気において７００℃・２０分間の加熱処理を行う。この加熱処理により、膜状のＩｎＮの層が、複数の島状部分となる。
次いで、活性層９１２上に、Ｍｇが添加されたｐ形のＩｎＧａＡｌＮを成長し、島状部分を覆うようにバリア層９１３を形成する。
【０１１３】
バリア層９１３を形成した後、低き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びマンガンが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層９１４，コンタクト層９１５を形成する。Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【０１１４】
バリア層９１３，クラッド層９１４，コンタクト層９１５を形成した後、これらの層の添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。
上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層９１５の上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層９１６を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、開口窓を形成する。
【０１１５】
電流制限絶縁層９１６に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層９１６の上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極９１７となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層９１０に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
【０１１６】
上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、結晶基板９０１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層９１０の露出領域に膜厚５０ｎｍのアルミニウム，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極９１８を形成する。
以上説明したことにより、ｎ形金属電極９１１までを形成した後、単結晶基板９０１を厚さ２００μｍにまで研磨して薄くして鏡面に仕上げ、これらを洗浄し、ダイヤモンド・スクライバを用いて単結晶基板９０１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。素子の寸法は、例えば約５００μｍ角である。
【０１１７】
切り出した素子の、ｐ形金属電極９１７とｎ型金属電極９１８を、各々陽極と陰極として所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板９０１の裏面側より発光光が得られる。得られる発光光は、例えば、青みがかった白色光である。このように、本実施の形態で得られる発光は、青みがかった白色となるが、活性層を構成する結晶層の組成や活性層の厚さを適宜制御することにより、所望の特性の発光色を得ることができる。
【０１１８】
また、図９の半導体発光素子では、バリア層を介して３つの活性層を積層したが、これに限るものではなく、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
【０１１９】
＜実施の形態４＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図１０は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。ここでは、発振波長０．４μｍ以上の半導体レーザを例にとり、導波光が共振器内で往復する方向、すなわち、共振器の軸に垂直な断面を示す。
【０１２０】
この半導体レーザは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板１００１の表面に、窒化深さ１．２ｎｍの窒化層１００２を介してＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層１００３、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層１００４、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１００５を備えている。なお、単結晶基板１００１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【０１２１】
また、クラッド層１００５の上には、Ｓｉがドープされたｎ形のＧａＮからなる膜厚０．６μｍの導波路層１００６を備え、この上に、ＩｎＮからなる複数の島状部分が同一平面に配列された構造の層から構成された活性層１００７が形成されている。活性層１００７を構成する複数の島状部分は、例えば、図１（ｂ）に示した島状部分１０５ａと同様に、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分の寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分の寸法によって、活性層１００７による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分の大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【０１２２】
なお、島状部分は半球形状に限るものではなく、円柱や角柱などの形状であってもよい。また、島状部分は、等間隔で配列されていてもよく、各島状部分の間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分は、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分を構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分は、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【０１２３】
以上のように形成された活性層１００７の上には、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層１００８、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．５５μｍの導波路層１００９、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１０１０、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１０１１が形成されている。
【０１２４】
また、コンタクト層１０１１の上には、電流注入領域を制限するための幅２μｍ程度の溝を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０１２が形成されている。なお、上記溝は、本半導体レーザの共振器における光の往復方向に平行に形成されている。電流制限絶縁層１０１２の上には、上記溝を介してコンタクト層１０１１に接触するｐ形金属電極１０１３が形成されている。ｐ形金属電極１０１３は、図示しないが、コンタクト層１０１１に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【０１２５】
なお、電極層１００４は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極１０１４を備えている。ｎ形金属電極１０１４は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。また、図１０に示す半導体レーザの共振器長は、約５００μｍである。
【０１２６】
以上に説明した図１０の半導体レーザを、ジャンクション・アップでヒートシンクの上に載置し、室温で直流電流で測定した光出力−電流特性（ＣＷ特性）、及び、電圧−電流特性の結果を図１１に示す。図１０の半導体レーザは、室温で閾値電流８０ｍＡでＣＷ発振した。この発振波長は、１．６０μｍであった。このときの動作電圧は２．７Ｖであった。また、ビルトイン電圧Ｖｂは、１．５Ｖ程度である。
【０１２７】
従来のように、活性層を含む発光構造にＩｎ１−ＸＧａＸＮ（０＜Ｘ＜０．４）を用いた場合、ビルトイン電圧Ｖｂは４Ｖ弱である。これに比較し、図１０に示す半導体レーザのビルトイン電圧が低いのは、活性層１００７にバンドギャップの小さいＩｎＮを用いているためである。なお、図１０の半導体レーザでは、活性層１００７にＩｎＮを用いる例を示したが、活性層にＩｎＮよりバンドギャップの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を用いてもよく、この場合、例えば波長０．４μｍと、発振波長のより短波長化が可能である。
なお、本実施の形態においても、活性層１００７を、複数の島状部分からなる層と成長カバー層（バリア層）とを複数層積層した構造としてもよい。
【０１２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、半導体発光素子の活性層を、オージェ効果が小さく、分離した状態で結晶成長しやすいＩｎＧａＡｌＮ系の材料からなる複数の島状部分から構成した。この結果、本実施の形態によれば、発光特性がよいＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物半導体材料を用いた半導体発光素子を、より特性が良くより製造しやすい状態で提供できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び部分的な斜視図（ｂ）である。
【図２】気相成長時の各温度における気相と固相の原料組成比の比較を示す特性図である。
【図３】実験と計算とから求めたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を示す相図である。
【図４】窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比アンモニア／Ｉｎを変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを示す特性図である。
【図５】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。
【図６】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示す特性図である。
【図７】Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）のＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。
【図８】本発明の他の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び部分的な斜視図（ｂ）である。
【図１１】図１０の半導体レーザを、ジャンクション・アップでヒートシンクの上に載置し、室温で直流電流で測定した光出力−電流特性（ＣＷ特性）、及び、電圧−電流特性の結果を示す特性図である。
【図１２】キャリア・オーバーフローを説明するための模式的なバンド図である。
【符号の説明】
１０１…単結晶基板、１０２…バッファ層、１０３…電極層、１０４…クラッド層、１０５…活性層、１０５ａ…島状部分、１０６…成長カバー層、１０７…クラッド層、１０８…コンタクト層、１０９…電流制限絶縁層、１１０…ｐ形金属電極、１１１…ｎ形金属電極。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層から構成された半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤色，黄色，緑色，青色などの光を発する半導体発光素子の発光層（活性層）は、一般に二次元に連続して広がった半導体層から構成されている。この発光層をバルクの半導体層から構成する場合、用いる半導体材料は、発光波長に対応したバンドギャップエネルギーを持ち、また、結晶層が二次元方向に成長するものであることが前提となる。しかしながら、任意の波長で発光する半導体発光素子を作製しようとしても、結晶成長における二次元成長及び材料の選択の観点から、適当な材料が存在しない場合が多くある。
【０００３】
一方、発光を量子井戸構造の半導体層から構成する場合、量子井戸構造の量子準位が発光波長に対応することになり、井戸層のバンドギャップエネルギーは、バリア層のバンドギャップエネルギーより小さい必要がある。この場合にも、得ようとする発光波長によっては、これを実現するための井戸層とバリア層の材料選択が困難な場合があった。更に、非常に薄い井戸層を必要とする場合、結晶成長技術の関係で、井戸層とバリア層の組み合わせやこれらの組成によっては、連続した膜を形成することが困難な場合がある。これは、薄い結晶の膜を積層しようとする場合、各層の間の格子不整合率と、各層の材料の弾性定数によって、連続した膜で結晶層が成長する臨界膜厚が決定されるためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の半導体発光素子では、任意の波長の光を発する発光素子の構造設計上、種々の制限があり、実現が困難な波長域があった。また、素子が作製できたとしても、発光効率が低く、作成歩留りが低く、また、素子の寿命が短いという実用に耐えない状態であった。
このような状況について、より詳細に説明する。はじめに、可視光領域の発光素子における従来技術の問題点について述べる。まず、従来では、波長６７０ｎｍより短い青色，緑色，黄色などの発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）の特性が低いという問題があった。従来、青色のＬＥＤと緑色のＬＥＤについては、ＩｎＧａＮを井戸層とする量子井戸構造で作製されて既に市販されている。
【０００５】
ところが、これらに用いられているＩｎＧａＮは、例えばＩｎＧａＮからなる井戸層の中で相分離を生じ、組成比の異なる微小な複数の領域（ドット）が存在していることが確認されている。このドットは、各々大きさが異なっているため、結果として得られる発光のスペクトル幅が広くなっている。
また、従来の可視光領域の発光素子においては、品質の良い黄色のＬＥＤが得られていないという問題もあった。従来のＩｎＧａＮを用いた黄色ＬＥＤでは、得られる発光が青や緑より一桁以上弱い。これは、黄色領域では、ＩｎＧａＮの相分離が激しく起こり、結晶性が不良になるためである。
【０００６】
一方、ＩｎＧａＡｌＰから構成された黄色のＬＥＤが、アメリカ合衆国を中心として、既に交通信号機の黄色に一部使われている。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＰの材料を用いた場合、黄色の波長域では、発光層（活性層）とｐ形の領域のクラッド層（キャリア閉じ込め層）とのヘテロ構造中の伝導帯のバンド不連続ΔＥｃが小さい。このため、注入した電流の光への変換効率が低くなるという問題がある。また、ＩｎＧａＡｌＰ系の材料を用いた発光素子は、発光の面から見ると、無効な電流が発熱を引き起こすため、この熱による素子劣化の問題も生じている。
【０００７】
加えて、可視光領域の発光素子における従来技術の問題として、実用的な半導体レーザが実現されていないという問題がある。例えば、６３０ｎｍ台より長い波長域の半導体レーザであれば、実験室レベルで作製されているが、青から橙色の波長域では、ＬＥＤを作製できても、実用レベルのレーザが作製できていない。従来からある半導体材料では、低閾値電流で発振する素子構造を構成することが困難なためである。
【０００８】
これに対し、６６０ｎｍの波長域のレーザは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いて実用化されている。しかし、この場合でも、発光層とクラッド層（キャリア閉じ込め層）間での伝導帯のバンド不連続ΔＥｃが小さいため、ｐ形クラッド層にＭｕｌｔ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｂａｒｒｉｅｒ（通称、ＭＱＢ）と呼ばれる多重量子井戸からなる電子波干渉による電子の反射器を用いて電子のオーバーフローを防止している。しかし、ＭＱＢを用いると、伝導帯に多数のバンド不連続が存在するため、素子の駆動電圧が高くなる。
【０００９】
また、活性層の多重量子井戸の層数は通常１〜３層であるのに対し、多重量子井戸の層数がＭＱＢでは数十層程度必要であり、また、各層の厚さの誤差が１０分の１ｎｍオーダーでなげればならない。このように、上述した従来の素子では、発光素子の活性層となる多重量子井戸に比較して、ＭＱＢの作製が困難であることも問題となっている。
【００１０】
他方、光通信用光源として用いられている半導体発光素子においても、つぎに示すような問題があった。例えば、石英系ガラスファイバを伝送媒体とする光通信における波長域は、古くは０．８μｍ帯が用いられる場合もあったが、現在では、１．３〜１．５μｍ帯が主流である。これら光通信用光源には、波長の安定性が要求される。波長域１．３〜１．５μｍ帯の光通信用光源としては、Ｉｎ，Ｇａ，Ａ１，Ａｓ，及びＰなどの元素からなる結晶で構成された半導体レーザが用いられている。特に、ＩｎＸＧａ１−ＸＡｓＹＰ１−Ｙ（０＜Ｘ≦１，０≦Ｙ＜１）（以下、ＩｎＧａＡｓＰと記す）は、半導体レーザによく用いられている材料である。
【００１１】
ところが、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いて半導体レーザの必須構造であるヘテロ構造を構成すると、バンド構造における伝導帯でのバンド不連続が小さいため、素子の使用温度の影響を受けやすい。このため、現状では、上記材料を用いた半導体レーザは、実用上重要な特性の一つである特性温度が低いという問題があった。この特性温度は、閾値電流との関係がつぎの式で示される。
【００１２】
Ｉｔｈ＝Ｉ０ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）
なお、上式において、Ｉｔｈは、温度Ｔにおける閾値電流であり、Ｉ０は絶対零度での閾値電流である。
【００１３】
従来からあるＩｎＧａＡｓＰ系レーザでは、Ｔ０の値は４０〜６０Ｋである。Ｔ０がこのように小さい理由は、材料にあり、ＩｎＧａＡｓＰが、大きなオージェ効果を有するためである。大きなオージェ効果を有すると、使用環境の温度が高いほど、上記材料で構成された活性層において発生した電子は、結晶格子にエネルギーを与え、また近隣の電子を励起し、非発光再結合する。価電子帯でも同様な効果が起きる。
【００１４】
特に、閃亜鉛鉱型結晶構造のＩｎＧａＡｓＰ系材料では、価電子帯のΓ点におけるヘビーホールとライトホールとの間のエネルギーギャップ、すなわちスピンスプリット・オフ・エネルギーΔｓｐがないため、オージェ効果が大きい。この結果、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体レーザは、温度特性が良くない。このため、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる半導体レーザを使用する場合、使用環境の温度が高くなると、閾値電流も高くなる。従って、上記半導体レーザ（素子）の温度は、環境温度の高温化に加え、高くなる動作電流による発熱でより高くなり、素子温度の高温化に伴って、素子の発光波長が長くなる。
【００１５】
光通信では、通信に用いている光の波長変化は、光ファイバ中での光伝送速度の波長分散のために、通信特性の劣化につながる。このような状態では、例えば、長距離通信の場合に、送信側での時系列の２個の光パルスが、受信側では区別がつかなくなることになる。また、大容量のデータを伝送する場合には、光パルスの間隔が狭いため、短距離伝送であっても、送信側で発した時系列の２個のパルスが受信側で区別がつかなくなる。また、波長多重通信（いわゆるＷＤＭ）の場合、用いる波長の間隔が１〜１０ｎｍ程度と狭いため、光源の波長が変動すると、混信の原因となる。
【００１６】
これらのように、光通信においては、通信光の波長変化は、大きな問題となり、波長の安定性が極めて重要である。このため、実際の光通信では、ペルチェ素子などに光源となる半導体レーザを搭載し、温度制御をしている。これにより、動作温度の安定化を実現し、波長の安定性を確保している。従って、現状では、通信システムの信頼性確保のため、ペルチェ素子などの温度制御手段の信頼性も重要な項目となっている。また、ペルチェ素子の搭載コスト，ペルチェ素子制御用回路のコスト，及びペルチェ素子用電力供給が、通信システムのコスト上昇を招いている。加えて、ペルチェ素子の存在により、部品点数が増加し、通信システム全体としての信頼性の低下を招いている。
【００１７】
また、前述した材料系を用いた従来の光通信用光源では、高い出力が得られていないと言う問題もあった。光通信システムでは、光源の高出力も望まれている。当然のことながら、光源の光出力が高ければ、伝送距離は伸びる。また、大容量通信の場合には、信号の光パルス幅が狭いので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の良い通信のために、光パルスのエネルギーを大きくする必要がある。パルス幅の狭い光パルスのエネルギーを大きくするためには、光出力の大きな光源が必要である。このため、大電力の注入が可能な光源（半導体発光素子）が必要とされている。
【００１８】
ところが、従来からあるＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いると、図１２に示すように、半導体レーザを構成するダブルヘテロ構造における伝導帯でのバンド不連続ΔＥｃが小さいため、大電流注入下ではキャリア・オーバーフローが容易に起きる。キャリア・オーバーフローは、キャリアが、発光層で発光再結合することなく、発光層を通過してしまう現象であり、図１２では、キャリアである電子が、ｎ形キャリア閉じ込め層から発光層を通過してｐ形キャリア閉じ込め層へ通り抜けてしまう現象を示している。
【００１９】
このように、従来のＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた半導体レーザでは、大きな電流を注入しても光出力は高まらず、発熱を生じるだけであった。これを改善するため、発光層に隣接するｐ形キャリア閉じ込め層にＡｌが添加された化合物半導体を用いる試みがある。これにより、伝導帯でのバンド不連続が多少大きくなり、半導体レーザの特性が改善されている。しかし、この技術による半導体レーザの光出力は、１．５５μｍ帯で１００ｍＷ台に留まっている。
【００２０】
上述した２つの問題に加え、従来のＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた半導体発光素子では、希土類としてエルビウムが添加された１．５５μｍ帯の光ファイバ増幅器の最も励起効率の良い波長である１．４８μｍで発光する素子を実現することが非常に困難であった。この理由は、１．５５μｍ帯の波長域で発光する結晶の組成が、ＩｎＧａＡｓＰ系においては熱力学的非混和領域にあるためである。非混和和領域にある結晶を無理に得るためには、熱力学的に非平衡な条件で成長する必要がある。熱平衡ではない条件で非混和領域にある結晶を得ることができたとしても、熱平衡条件で成長した結晶に比較して結晶性が悪い。実際に素子が作製されているが、結晶性が良くないため、光出力は小さく、発光効率も低く、素子寿命も短い。
【００２１】
以上に説明したように、所望とする発光波長が得られる実用的な半導体発光素子を得ようとすると、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた場合、バンド不連続ΔＥｃが小さいことによる様々の問題がある。これに対し、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料は、バンド不連続ΔＥｃが大きいため、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料における問題を解消することができる可能性を有している。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料を用いようとする場合、つぎに示すような問題がある。
【００２２】
ＩｎＧａＮなどのＩｎＧａＡｌＮ系の材料は、ＩｎＰやＧａＡｓまたＺｎＳｅなどの半導体材料に比較し、結晶成長において二次元成長よりも三次元成長が起きやすい材料である。このため、連続膜の成長が難しいものとなっている。また、ＩｎＧａＡｌＮ系の同一材料からなる基板が得られていないことも、結晶成長を困難なものとしている。現状では、本来３次元成長が起きやすい状態である上に、下地との格子不整合が抑制されない状態であるため、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料は、島状に成長しやすく、このことも連続膜の成長を困難にしている。
【００２３】
格子不整合が大きいことは、高密度の転位の発生源となっており、現在得られているＩｎＧａＡｌＮ系の材料の半導体層における転位密度は、１０１０〜１０１２／ｃｍ２と、前述した他の半導体材料の１０４／ｃｍ２に比較して遙かに多いものとなっている。この転位密度は、発光に関しては内部量子効率の低下を引き起こしている。
【００２４】
半導体レーザにおいては、内部量子効率の低下は、閾値電流の上昇に直接つながり問題となる。ＩｎＧａＡｌＮ系などの窒化物材料は、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布の発生までの注入キャリア量が理論的に多い材料である。従って、転位密度が高い状態がますます閾値電流を高くしている。これらのことが、現在の窒化物半導体を用いた半導体レーザの素子寿命が、１００００時間あまりにしか達していない原因となっている。
【００２５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物半導体材料を用いた半導体発光素子を、より特性が良くより製造しやすい状態で提供できるようにすることを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に形成された第１導電形の第１半導体層と、この第１半導体層の上の同一平面に配列された複数の島状部分よりなる層から構成された活性層を含む発光構造と、この発光構造上に形成された第２導電形の第２半導体層とを少なくとも備え、島状部分は、例えばＩｎＮなど、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである。
この半導体発光素子によれば、活性層が、オージェ効果の小さいＩｎＧａＡｌＮ系の材料からなる複数の島状部分から構成され、ＩｎＧａＡｌＮ系の材料が結晶成長しやすい分離した構造となっている。
【００２７】
上記半導体発光素子において、島状部分は、各々が離散した状態に配列されているものである。
また、上記半導体発光素子において、同一平面に配列された複数の島状部分よりなる層は、島状部分よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）からなるバリア層に覆われている。上記半導体発光素子において、活性層は、同一平面に配列された複数の島状部分からなる層と、バリア層とが複数積層された積層構造体であってもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す断面図（ａ）及び部分を示す斜視図（ｂ）である。ここでは、ＬＥＤ（発光ダイオード）を例にして説明する。図１に示すＬＥＤは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなり、表面及び裏面の両面が鏡面に研磨された単結晶基板１０１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層１０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層１０３、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層（第１半導体層）１０４を備えている。なお、単結晶基板１０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００２９】
また、クラッド層１０４の上には、図１（ｂ）に示すように、活性層１０５が形成されている。活性層１０５は、ＩｎＮからなる複数の島状部分１０５ａが同一平面に配列された構造の層であり、島状部分１０５ａは、例えば、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分１０５ａの寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分１０５ａの寸法によって、活性層１０５による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分１０５ａの大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【００３０】
なお、図１（ｂ）では、島状部分１０５ａを半球形状としているが、これに限るものではない。円柱や角柱などの形状であってもよい。また、図１（ｂ）では、島状部分１０５ａが等間隔で配列されているようにしたが、これに限るものではなく、各島状部分１０５ａの間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分１０５ａは、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分１０５ａを構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分１０５ａは、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【００３１】
以上のように複数の島状部分１０５ａから構成された活性層１０５は、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層（バリア層）１０６により覆われている。
また、成長カバー層１０６の上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層（第２半導体層）１０７、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１０８が形成されている。また、コンタクト層１０８の上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０９が形成されている。
【００３２】
また、電流制限絶縁層１０９の上には、上記開口窓を介してコンタクト層１０８に接触するｐ形金属電極１１０が形成されている。ｐ形金属電極１１０は、コンタクト層１０８に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。なお、電極層１０３は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極１１１を備えている。ｎ形金属電極１１１は、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのアルミニウム層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００３３】
つぎに、図１に示した本実施の形態における半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料は、アンモニアを用い、キャリアガスには水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【００３４】
はじめに、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板１０１の表面をアンモニア雰囲気で窒化した後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層１０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。引き続き、単結晶基板１０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層１０２の単結晶化を行う。
【００３５】
つぎに、単結晶基板の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮおよびＳｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、電極層１０３，クラッド層１０４を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。また、Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる。
【００３６】
次いで、クラッド層１０４の上にＩｎＮを島状に成長させて複数の島状部分１０５ａからなる活性層１０５を形成する。この島状部分１０５ａの形成では、まず、クラッド層１０４の上に膜状あるいは膜状に近い状態でＩｎＮを成長させる。このＩｎＮ成長においては、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、基板温度を５００℃とする。また、この気相成長におけるインジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。これらの成長にあたっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。これは、水素をキャリアガスとして用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである。
【００３７】
以上のようにして、ＩｎＮを膜状に成長させた後、この膜に対して窒素雰囲気において７００℃・２０分間の加熱処理を行う。この加熱処理により、膜状のＩｎＮの層が、複数の島状部分１０５ａとなる。
また、つぎのようにして島状部分１０５ａを形成するようにしてもよい。上述した原料ガスを用い、金属インジウムの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長させ、かつ、下地上に吸着したインジウム原子のマイグレーションを促進させることを観点としてＶ／ＩＩＩ比と成長速度を設計し、島状にＩｎＮを成長させる。
【００３８】
次いで、活性層１０５に対するエッチングやこの層の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、島状部分１０５ａを覆うように成長カバー層１０５を形成する。成長カバー層１０５は、ＩｎＮからなる複数の島状部分１０５ａに対するバリア層となる。
【００３９】
成長カバー層１０６を形成した後、基板温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層１０６の高品質化を図り、引き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びマグネシウムが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層１０７，コンタクト層１０８を形成する。Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００４０】
クラッド層１０７，コンタクト層１０８を形成した後、これらの層の添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層１０８の上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０９を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、開口窓を形成する。
【００４１】
電流制限絶縁層１０９に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層１０９の上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極１１０となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層１０３に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
【００４２】
上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、結晶基板１０１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層１０３の露出領域に膜厚５０ｎｍのアルミニウム，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極１１１を形成する。
以上説明したことにより、ｎ形金属電極１１１までを形成した後、これらを洗浄し、ダイヤモンド・スクライバを用いて単結晶基板１０１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。切り出した素子に所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板１０１の裏面側より発光光が得られる。
【００４３】
上述したように、本実施の形態においては、活性層１０５を、島状に離散した複数の島状部分１０５ａから構成するようにした。言い換えると、活性層１０５は、離散した量子井戸層の集合体あるいは、複数の量子ドットから構成されたものである。このように構成した半導体発光素子では、島状部分１０５ａの形状と、島状部分１０５ａを覆うように形成されている層（成長カバー層１０６）の組成と厚さとに依存して発光波長が変化する。これは、ＩｎＮからなる島状部分１０５ａに対する三次元的に加わる圧力（静水圧）によって、島状部分１０５ａを構成するＩｎＮのバンドギャップエネルギーが変化することによっている。
【００４４】
ＩｎＮなどのＩｎＧａＡｌＮ系の材料では、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料以上に広い範囲に渡って格子定数が異なっており、組成を変化させた層で覆うことで大きな静水圧を容易に加えることが可能である。従って、島状部分１０５ａのバンドギャップエネルギーを、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料に比較してより大きく変化させることが可能となる。
このように大きくバンドギャップエネルギーを変化させることができるので、図１に示した本実施の形態の半導体発光素子によれば、ＩｎＮのバンドギャップ波長である１．６μｍ近傍から紫外域に至る広い波長範囲の発光光を得ることが可能となる。
【００４５】
ところで、島状部分１０５ａは、ＩｎＧａＮなど他のＩｎＧａＡｌＮ系の材料から構成しても、上述と同様の効果が得られる。ＩｎＮよりバンドギャップの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）より島状部分１０５ａを構成することで、より短波長の発光光の半導体発光素子が得られる。ただし、ＩｎＧａＮを用いた場合に比較し、島状部分１０５ａをＩｎＮから構成することで、島状部分１０５ａの製造における高い再現性や面内均一性などが得られる。これは、ＩｎＮ以外の例えばＩｎＧａＮでは、これを気相成長させるときの各元素の気相中の組成と固相の組成とが大きく異なっていることを原因としている。
【００４６】
例えば、ＩｎＧａＮを気相成長させたときの、供給原料の比率と結晶成長したＩｎＧａＮの組成比との関係を調査した結果を図２に示す。トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とトリエチルガリウム（ＴＥＧ）との供給比（ＴＭＩ／（ＴＭＩ＋ＴＥＧ））を変化させ、ＴＭＩの供給量を増加させると、ＩｎＧａＮにおけるＩｎの比率が増加する。
【００４７】
この気相と固相との関係が、成長温度５００℃では、線形関係となっているが、成長温度を高くし、成長温度８００℃の場合、高濃度のＩｎ組成のＩｎＧａＮを成長させる場合、気相と固相との関係は非線形となり、また、高温ほどインジウムの取り込まれ方が減少する。これは、ＩｎＮにおける窒素の蒸気圧が、ＧａＮにおける窒素の蒸気圧より５桁ほど高いことを原因としている。
【００４８】
また、ＩｎＧａＮの場合、図３に示すように相分離がしばしば発生する。図３は、ＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実験と計算から求めた結果を示す特性図である（文献１：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｐｈａｓｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｗｕｒｔｚｉｔｅ Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ”，ＭＲＳＩｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ． Ｒｅｓ．３，５４（１９９８））。図３では、６００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を一点鎖線で示し、８００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を実線で示し、１０００℃で成長するときのＩｎＧａＡｌＮの非混和領域を破線で示し、各線の内側の領域が非混和領域である。
【００４９】
図３に示すように、熱平衡条件下では、成長できない組成領域、すなわち相分離が起こる広い領域がある。しかしながら、ＩｎＮは、二元化合物であるため、上述したような相分離が原理的に起きない。この結果、ＩｎＮを用いることで、島状部分１０５ａの製造における高い再現性や面内均一性などが得られる。
なお、図１では、活性層１０５を、複数の島状部分１０５ａを１層としたが、これを成長カバー層１０６を介して複数層積層するようにしてもよい。
【００５０】
ここで、上述した実施の形態において用いたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）について説明する。従来、橙色より長い波長域の光を得ようとする半導体発光素子に、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を適用しようとする技術思想がなかった。これは、この材料系の中で最もバンドギャップ（Ｅｇ）の小さい材料はＩｎＮであり、このＥｇが１．９〜２．１ｅＶとされていたためである。
【００５１】
このＥｇが測定された時代には、多結晶ＩｎＮしかなかった（文献２：Ｋ．Ｏｓａｍｕｒａ，Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ ａｎｄ Ｙ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍ．，１１（１９７２）６１７、文献３：Ｎ．Ｐｕｙｃｈｅｖｒｉｅｒ ａｎｄ Ｍ．Ｍｅｎｏｒｅｔ，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，３６（１９７６）１４１、文献４：Ｔ．Ｌ．Ｔａｎｓｌｅｙ ａｎｄ Ｃ．Ｐ．Ｆｏ１ｅｙ，Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，５９（１９８６）．）。
【００５２】
これらの時代においては、反応性スパッタなどの方法によりＩｎＮを形成しようとしていたため、多結晶ＩｎＮしか形成できなかった。Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を構成する化合物ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮの中で、ＩｎＮの固相上における窒素の平衡蒸気圧は、他より５桁高い（文献５：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．Ｓａｓａｋｉ ａｎｄ Ａ．Ｋａｔｓｕｉ，”Ｗｉｄｅ−Ｇａｐ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ （Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＧａＡｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，（Ｋａｒｕｉｚａｗａ，Ｊａｐａｎ，１９８９）；ｉｎ Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．，１０６．ｐｐ．１４１−１４６）。
【００５３】
このような特性のＩｎＮは、膜の形成を行う容器内の圧力を高くすることができない反応性スパッタなどの方法では、良質な結晶を形成することがほぼ不可能である。また、上述した時代においては、ガラス基板の上にＩｎＮの膜を形成しようとしていたため、単結晶成長のための格子の情報が得られず、単結晶を成長させることができない状態であった。
【００５４】
以上のことに対し、発明者らは、１９８８年に、単結晶サファイア基板の上に、窒素圧を加えられる有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥと記す）を用いて、ＩｎＮの単結晶成長を試み、単結晶成長に世界で初めて成功した。１９８９年にこの結果を学会発表した（文献６：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。
【００５５】
しかし、この時の単結晶成長は結晶性が不十分であり、ＩｎＮの光学特性を得るには至らなかった。この後、発明者は種々の技術改良により、２００１年に世界で初めて光学特性を測定できる良質のＩｎＮの単結晶成長に成功した（松岡隆志，中尾正史，岡本浩，播磨弘，栗本英治，萩原恵美，”ＩｎＮのバンドギャップ・エネルギ”，第４９回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．３９２（２９ｐ−ＺＭ−１）（２００２）、応用物理学会の原稿締切は、２００２年１月８日。学会の開催は、３月２７日〜３０日、発表日は３月２９日）。
【００５６】
上記良質なＩｎＮの単結晶成長のための第１の技術改良点は、サファイアからなる基板の上にサファイアとＩｎＮとの中間の格子定数を持つＧａＮを形成しておき、このＧａＮ層の上にＩｎＮを成長した点である。この場合、ＧａＮ層には結晶性の高さが要求される。このため、以下に示す点について、ＧａＮの成長条件の最適化を図った。
【００５７】
１．サファイア基板表面の成長炉内でのクリーニング
２．サファイア表面のアンモニアによる窒化
３．サファイアとＧａＮとの間の格子不整を緩和するためのバッファ層としての低温成長ＧａＮの成長
４．上記バッファ層の単結晶化を図るための高温アニール
５．高温での高品質ＧａＮ成長
【００５８】
また、技術改良の第２は、上記のようにして最適化を図られた条件で成長されたＧａＮの上で、ＩｎＮの成長条件の検討を行ったことである。検討した項目は、成長温度，成長速度，Ｖ族原料とＩｎ原料との比，及び成長炉中のガス流速等である。これらの各項目の検討結果として、ようやく、光学特性が測定可能なＩｎＮの成長に初めて至った。現在では、ＧａＮ層を介することなく、サファイア基板の上に直接ＩｎＮの層を形成することが可能となっている。
【００５９】
ＩｎＮにおける成長条件と結晶性の関係の例として、窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／ＩＩＩ（インジウム／アンモニア）を変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを図４に示す。図４は、ω−２θスキャンスペクトルを示している。図４（ａ），（ｂ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを１６００００以下及びＶ／ＩＩＩを３２００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムからの信号が見られる。これに対し、図４（ｃ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムのピークは消失しており、金属インジウムが含まれていないことが判る。
【００６０】
ここで、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の特性を図５と図６に示す。図５は、形成した膜における、吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。図５に示すように、上記条件によるＩｎＮ膜では、明確に吸収端が検出されている。この関係がほぼ直線的であることから、ＩｎＮは直線遷移型であり、Ｅｇは０．８ｅＶと推定できる。
【００６１】
また、図６は、上記条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示すものであり、波長１．５９μｍ（０．８ｅＶ）近傍で発光していることが判る。これら図５，４に示されている吸収及びフォトルミネッセンスの結果は、ともに上記条件で形成したＩｎＮ膜のＥｇが、０．８ｅＶであることを示している。これらの結果から、ＩｎＮのＥｇは、０．８ｅＶ近傍にあると推定できる。
【００６２】
以上述べた種々の技術改良と長年の努力により、初めて、単結晶ＩｎＮのＥｇが、旧来の測定結果の約半分である０．８ｅＶであることが判明した。図７は、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）のＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。図７において、破線は旧来のデータであり、実線は発明者が求めたデータ（Ｅｇ＝０．８ｅＶ）を反映した結果である。
【００６３】
図５に示したようにＩｎＮのＥｇが０．８ｅＶ近傍にあることから、ＩｎＮ、あるいは、Ｅｇの小さなＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を井戸層（活性層）とし、これらより大きなＥｇを有する材料Ｉｎ１−Ｘ’−Ｙ’ＧａＸ’ＡｌＹ’Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）をバリア層とする量子井戸構造を用い、活性層の厚さとこれらの層の組成を選択することにより、赤外から紫外までの発光を実現できる。
【００６４】
このような構成の中で、活性層を複数の島状部分から構成し、これらを活性層（井戸層）と異なる組成の材料の層（バリア層）で覆うことにより、複数の島状部分に歪みを加えることができる。この歪みの大きさは、バリア層の組成と厚さによって制御できる。このことにより、複数の島状部分から構成された活性層におけるバンドギャップエネルギーを、これをバルク半導体から構成した場合の値から変化させることが可能となる。また、活性層を構成する複数の島状部分の寸法を、電子の波動関数の広がり以下とする、すなわち量子ドットとすると、量子準位を利用することが可能となる。
【００６５】
＜実施の形態２＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図８は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。この半導体発光素子は、３層の発光層を備えている白色発光ダイオードであり、図８では、結晶成長の膜厚方向に切断した断面を模式的に示している。この発光ダイオードは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板８０１の上に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層８０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層８０３を備えている。なお、単結晶基板８０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００６６】
また、電極層８０３の上には、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層８０４、ＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる量子井戸となっている下部活性層８０５，ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層８０６、ＩｎＹＧａ１−ＹＮからなる量子井戸となっている中部活性層８０７、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層８０８を備えている。なお、下部活性層８０５と中部活性層８０７とにおいて、Ｘ＜Ｙである。なお、バリア層８０６，８０８は、例えば、他の層より少ないＳｉが添加されたｎ−形としておけばよい。
【００６７】
また、バリア層８０８の上にＩｎＮからなる複数の島状部分が同一平面に配列された構造の層から構成された上部活性層８０９が形成されている。
上部活性層８０９を構成する複数の島状部分は、例えば、図１（ｂ）に示した島状部分１０５ａと同様に、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分の寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分の寸法によって、上部活性層８０９による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分の大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【００６８】
なお、島状部分は半球形状に限るものではなく、円柱や角柱などの形状であってもよい。また、島状部分は、等間隔で配列されていてもよく、各島状部分の間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分は、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分を構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分は、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【００６９】
以上のように形成された複数の島状部分よりなる上部活性層８０９は、Ｍｇが添加されたｐ形のＩｎＧａＡｌＮからなる膜厚０．５μｍのバリア層８１０で覆われ、バリア層８１０の上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層８１１，Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層８１２が形成されている。
【００７０】
また、コンタクト層８１２の上には、直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層８１３が形成され、電流制限絶縁層８１３の上には、上記開口窓を介してコンタクト層８１２に接触するｐ形金属電極８１４が形成されている。ｐ形金属電極８１４は、図示しないが、コンタクト層８１２に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００７１】
なお、電極層８０３は、この上の各層を一部エッチング除去することで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極８１５が形成されている。ｎ形金属電極８１５は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。なお、上述した半導体発光素子は、前述した図１に示す実施の形態の半導体発光素子と同様な手法により製造することができる。
【００７２】
このように構成した本実施の形態における半導体発光素子は、バリア層８０４と下部活性層８０５とバリア層８０６とで第１発光構造を形成し、バリア層８０６と中部活性層８０７とバリア層８０８とで第２発光構造を形成し、バリア層８０８と上部活性層８０９とバリア層８１０とで第３発光構造を形成している。
【００７３】
各発光構造の発光波長は、後述するように、各活性層の組成や厚さを制御することで、第１発光構造が最も短く、第３発光構造が最長としている。すなわち、光が出射する単結晶基板８０１に近い方の発光構造の発光波長が短くなるように（バンドギャップが大きくなるように）形成されている。従って、第３発光構造から放射された光は、第２発光構造と第１発光構造とに吸収されることなく、単結晶基板８０１の裏面から出射される。
【００７４】
また、第２発光構造から放射された光において、第１発光構造側へ出射された光は、第１発光構造に吸収されることなく、単結晶基板８０１の裏面から出射される。一方、第２発光構造から放射された光において、第３発光構造側へ出射された光は、一部が第３発光構造で吸収される。この第３発光構造に吸収された光により第３発光構造は励起されて発光する。すなわち、第２発光構造から出射されて第３発光構造に吸収された光は、第３発光構造で発せられる光の波長に変換される。この光は、第２，第１発光構造に吸収されることなく、単結晶基板８０１の裏面から出射される。
【００７５】
また、第１発光構造から放射された光のうち単結晶基板８０１側に出た光は、このまま単結晶基板８０１の裏面から出射される。一方、第１発光構造から出射された光において、第２及び第３発光構造側へ出射された光は、一部が各々の発光構造で吸収され、各々の発光構造で発せられる光の波長に変換される。これら変換された光は、前述したように、各々の発光構造からの光として単結晶基板８０１の裏面から出射される。このように、発光層の積層順を光の取り出し方向との位置関係を考慮して設計することにより、高効率な発光光の取り出しが可能となる。なお、各発光構造間の発光波長の関係は、上述に限るものではなく、例えば、第２発光構造の発光波長を最も長くするようにしてもよい。
【００７６】
例えば、ｐ形金属電極８１４とｎ形金属電極８１５とを各々陽極と陰極とし、これらに電流を流して動作させ、単結晶基板８０１裏面より出射される光を観測すると、青みがかった白色の光となっている。本半導体発光素子により得られる発光の色は、各活性層の構造因子、すなわち、各々の層の組成，厚さ，島状部分の径，各々の領域の周辺の結晶層（バリア層）の組成，厚さを制御することにより、変化させることが可能である。
【００７７】
また、図８の半導体発光素子では、バリア層を介して３つの活性層を積層したが、これに限るものではなく、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
また、下部活性層８０５や中部活性層８０７を、ＩｎＧａＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしても良く、ＩｎＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしてもよい。
【００７８】
ここで、上述した、活性層から構成された複数の発光構造を積層した半導体発光素子に関して説明する。
従来より一般には、白色光源として用いることができる半導体発光素子には、３種類の構造があった。第１は、光の三原色である赤色，緑色，及び青色の光をそれぞれ発する３種類の発光ダイオードを用い、これらより発生される光を重ねて白色光源とする構造である。
【００７９】
第２は、ＺｎＳｅ基板の上に結晶成長したＺｎＣｄＳｅを井戸層とする量子井戸構造を有する青緑色発光ダイオードの発光を、基板であるＺｎＳｅを通して外部に引き出すことで、白色光源とする構造である。これは、上記量子井戸からは青緑色の発光を取り出し、取り出した光によりＺｎＳｅ基板中に存在する欠陥からＳＡ発光と呼ばれる深い準位からの榿色の発光を取り出し、これらの２つの光の混合することで、白色光を得る構造である。
【００８０】
第３は、青色発光する発光ダイオードの半導体チップを蛍光体粉末を混ぜたプラスチックでモールドした構造である。上記蛍光体粉末は、黄色から赤色を発光する蛍光体材料から構成されたものである。半導体チップ（発光ダイオード）から発した青色によりプラスチックモールド中の蛍光体が励起され、黄色から赤色の光を発光する。この第３の構造では、蛍光体からの黄色から赤色の光と、半導体チップからの青色の光とを混合することで、白色光を得るようにしている。
【００８１】
第１の構造では、三色の光用に各々発光ダイオードチップを用意する必要がある。実際に用いる構成としては、赤色，緑色，青色の光を発する合計３個の発光ダイオードチップを集積化している。第１の構造では、３色の発光ダイオードチップは、各々異なった材料で構成され、独立に３色の素子を作成した後で、同一の基板の上に集積されている。更に、第１の構造では、３個の発光ダイオードチップより発生された光の和が白色となるように、３個の発光ダイオードチップの光出力を調整する必要がある。
【００８２】
例えば、各々の発光ダイオードチップに対する注入電流を、各々調整していた。このように、第１の構造では、素子数が多くこれらを集積する必要があり、また、各素子に対する注入電流の調整が必要であるなど、量産性を阻害するという問題があった。
【００８３】
つぎに、第２の構造では、広く用いられているＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板より一桁程度高価なＺｎＳｅ基板が必要なため、素子の価格が高くなるという問題があった。更に、ＺｎＳｅ基板を用いて半導体発光素子を製造する場合、ｐ形の不純物（キャリア）がドーピングされた結晶層を形成するためには、分子線エピタキシャル成長方法（ＭＢＥ）が必要となる。ＭＢＥは、他の成長法に比較してスループットが小さいという問題がある。
【００８４】
また、ＭＢＥを用いてドーピングされた結晶層が製造できても、発光効率を高くするためにドーピングしたキャリアを活性化できるような結晶を得るためには、まず、結晶成長前の基板処理として亜鉛酸化物を造らない特殊な酸による基板のエッチングと、基板表面を荒らさない水素プラズマ処理によるＭＢＥ成長室内での基板酸化膜の除去とが必要となる。
【００８５】
また、第２の構造を実現するためには、結晶表面の再配列を制御する必要があり、このために、成長時に同時に反射高速電子回折像を観察し、ＩＩ族とＶＩ族の原料供給比ＶＩ／ＩＩを１．１〜１．３程度に制御する必要がある。これらの高度な製造技術により、初めて、第２の構造を実現するための高品質な結晶の成長が可能となる。
【００８６】
発明者らは、この技術を１９９７年に開発し、ＺｎＳｅ基板の上での半導体レーザの開発に世界で初めて成功した（Ａ．Ｏｈｋｉ，Ｔ．Ｏｈｎｏ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＺｎＳｅ−Ｂａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ Ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａ１１ｙ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ＺｎＳｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３，１１，ｐｐ．９９０−９９１（１９９７）． Ｔ．Ｏｈｎｏ，Ａ．Ｏｈｋｉ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＣＷ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＩ−ＶＩ ＬａｓｅｒＧｒｏｗｎ ｏｎ ＺｎＳｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｃｌｅａｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｌａｓｍａ”，Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１８４／１８５，ｐｐ．５５０−５５３（１９９８）． Ｔ．Ｏｈｎｏ，Ａ．Ｏｈｋｉ ａｎｄ Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｌｅａｎｉｎｇｗｉｔｈ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｌａｓｍａ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｄｅｆｅｃｔ−Ｄｅｎｓｉｔｙ ＺｎＳｅ Ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ”，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ．，１６，４，ｐｐ．２５３９−２５４５（１９９８）．）。
【００８７】
しかし、上記開発の後、工業会及び学界レベルにおいて、第２の構造に関する大きな進歩がない。これは、材料に関わる基本的な問題として、結晶自体がもろく欠陥が入りやすいためである。また、第２の構造においては、ＳＡ発光強度の問題がある。第２の構造により白色の光を得るためには、ＺｎＳｅ基板の厚さを制御し、基板上の発光ダイオード構造から出力される青色の強さとＳＡ発光強度との比を調整する必要がある。ＳＡ発光の強度は、材料の特性に大きく依存するため、この調整は、素子作製の度に毎回ＺｎＳｅ基板の特性に合わせて行う必要があり、量産性を阻害する要因となっている。
【００８８】
第３の構造では、注入電力の光への変換効率が、半導体チップの発光効率と蛍光体の発光効率との積となり、各発光効率が１００％となることがないため、光への変換効率が低くなるという問題がある。例えば、半導体光素子の発光効率は４０％程度であり、蛍光体の発光効率は５０％程度であるため、第３の構造による白色発光素子における注入電力の光への変換効率は、２０％程度と低い。このような第３の構造では、効率が白熱電灯と同程度であり、蛍光灯より低いため、半導体光素子（ＬＥＤ）の利点が減少してしまう。
【００８９】
上述したように、従来の技術では、白色光の半導体発光素子を製造するにあたって、まず、製造工程が多く、また白色光を得るための調整が必要であるなど、高輝度の白色半導体発光素子を安価に提供することが困難であった。
これに対し、図８に示す半導体発光素子によれば、三色の光用に各々個別の素子チップを用意する必要が無く、特殊な製造装置や製造方法を必要とせず、複雑な調整も必要としない。従って、図８の半導体発光素子によれば、より安価に素子を提供することが可能となる。
【００９０】
加えて、図８に示す本実施の形態における半導体発光素子では、従来より小さな面積で素子が形成できるので、例えば、同一の基板の上に複数の素子を同時に形成し、これらを切り出すことで半導体発光素子チップを得ようとする場合、より多くのチップを得ることが可能となる。この点においても、一般にいわれる量産効果などにより、より安価に素子を提供することが可能となる。また、素子も薄く形成することができるので、より小型な装置への実装も可能となる。
【００９１】
＜実施の形態３＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図９は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。この半導体発光素子は、３層の発光層を備えている白色発光ダイオードであり、図９では、結晶成長の膜厚方向に切断した断面を模式的に示している。この発光ダイオードは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板９０１の上に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層９０２、ＧａＮからなる膜厚１μｍの半導体層９０３を備えている。なお、単結晶基板９０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００９２】
また、半導体層９０３の上には、ＡｌＧａＮからなる膜厚１μｍのクラッド層９０４、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９０５、ＩｎＮからなる複数の島状部分が同一平面に配列された構造の層から構成された下部活性層９０６が形成されている。下部活性層９０６を構成する複数の島状部分は、例えば、図１（ｂ）に示した島状部分１０５ａと同様に、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分の寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分の寸法によって、下部活性層９０６による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分の大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【００９３】
なお、島状部分は半球形状に限るものではなく、円柱や角柱などの形状であってもよい。また、島状部分は、等間隔で配列されていてもよく、各島状部分の間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分は、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分を構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分は、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【００９４】
以上のように形成された複数の島状部分よりなる下部活性層９０６は、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９０７で覆われ、バリア層９０７上には、ＩｎＹＧａ１−ＹＮからなる量子井戸となっている中部活性層９０８、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９０９を備えている。
【００９５】
また、バリア層９０９の上には、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる電極層９１０が形成され、この上に、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９１１が形成され、バリア層９１１の上には、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる量子井戸となっている上部活性層９１２が形成されている。なお、中部活性層９０８と上部活性層９１２とにおいて、Ｘ＜Ｙである。
【００９６】
また、上部活性層９１２上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層９１３が形成され、バリア層９１３の上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層９１４，Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層９１５が形成されている。
【００９７】
また、コンタクト層９１５の上には、直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層９１６が形成され、電流制限絶縁層９１６の上には、上記開口窓を介してコンタクト層９１５に接触するｐ形金属電極９１７が形成されている。ｐ形金属電極９１７は、図示しないが、コンタクト層９１５に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００９８】
なお、電極層９１０は、この上の各層を一部エッチング除去することで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極９１８が形成されている。ｎ形金属電極９１８は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。なお、上述した半導体発光素子は、前述した図１に示す実施の形態の半導体発光素子と同様な手法により製造することができる。
【００９９】
このように構成した本実施の形態における半導体発光素子は、バリア層９０５と下部活性層９０６とバリア層９０７とで第１発光構造を形成し、バリア層９０７と中部活性層９０８とバリア層９０９とで第２発光構造を形成し、バリア層９１１と上部活性層９１２とバリア層９１３とで第３発光構造を形成している。
【０１００】
各発光構造の発光波長は、各活性層の組成や厚さを制御することで、第１発光構造が最も長く、第３発光構造が最短としている。すなわち、光が出射する単結晶基板９０１より離れる発光構造の発光波長が短くなるように（バンドギャップが大きくなるように）形成されている。従って、電流注入により第３発光構造から放射された一部の光は、第２発光構造と第１発光構造とに吸収され、吸収されない部分が、単結晶基板９０１の裏面から出射される。
【０１０１】
第２発光構造で吸収された光により第２発光構造は励起され、第２発光構造から独自の波長の発光が生じる。この第２発光構造で生じた一部の発光は、第１発光構造に吸収され、第１発光構造に吸収されない部分が、単結晶基板９０１から出射される。最後に、第１発光構造では、前述した第３発光構造からの光と第２発光光層からの光とが吸収され、吸収された光により第３発光構造が励起され、第３発光構造においても独自の波長の発光が生じる。この光も、単結晶基板９０１の裏面から出射される。
【０１０２】
このように、図９の半導体発光素子でも、第１〜第３発光構造の積層順を光の取り出し窓となる単結晶基板９０１との位置関係を考慮して設計することにより、損失が少なく高効率な白色光の発光を得ることが可能となる。単結晶基板９０１の裏面からは、第１〜第３発光構造を適宜設計することにより、赤外から可視および紫外へと広い波長範囲に渡って発光を得ることが可能となる。なお、各発光構造間の発光波長の関係は、上述に限るものではなく、例えば、第２発光構造の発光波長を最も長くするようにしてもよい。
【０１０３】
例えば、ｐ形金属電極９１７とｎ形金属電極９１８とを各々陽極と陰極とし、これらに電流を流して動作させ、単結晶基板９０１裏面より出射される光を観測すると、青みがかった白色の光となっている。本半導体発光素子により得られる発光の色は、各活性層の構造因子、すなわち、各々の層の組成，厚さ，島状部分の径，各々の領域の周辺の結晶層（バリア層）の組成，厚さを制御することにより、変化させることが可能である。
【０１０４】
また、図９の半導体発光素子では、バリア層を介して３つの活性層を積層したが、これに限るものではなく、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
また、下部活性層９０６や中部活性層９０８を、ＩｎＧａＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしても良く、ＩｎＮからなる複数の島状部分から構成されたものとしてもよい。
【０１０５】
つぎに、製造方法について説明する。なお、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料は、アンモニアを用いる。なお、断らない限り、キャリアガスには水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【０１０６】
はじめに、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板９０１の表面をアンモニア雰囲気で窒化した後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層９０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。引き続き、単結晶基板９０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層９０２の単結晶化を行う。
【０１０７】
つぎに、単結晶基板の温度を１０２０℃とし、ＧａＮおよびＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、半導体層９０３，クラッド層９０４を形成する。これら気相成長におけるアルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。
【０１０８】
次いで、クラッド層９０４の上に、ＩｎＧａＡｌＮ，ＩｎＸＧａ１−ＸＮ，ＩｎＧａＡｌＮ，ＩｎＹＧａ１−ＹＮ，ＩｎＧａＡｌＮ，Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮ，Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮを連続して成長し、バリア層９０５，下部活性層９０６，バリア層９０７，中部活性層９０８，バリア層９０９，電極層９１０，バリア層９１１を形成する。
【０１０９】
インジウムを含む層の結晶成長においては、ＩｎＮの固相上のＮ平衡蒸気圧が高いので、成長温度（基板温度）を５５０℃とする。また、この気相成長におけるインジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。インジウムを含む層の成長におけるＧａ原料としては、ＴＥＧを用いる。ＴＭＧと比較し、ＴＥＧは低温で分解し、蒸気圧が低いので、上述した結晶層の組成制御に適している。
【０１１０】
上述した各層の結晶成長にあたっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩ＋ＴＭＡ＋ＴＥＧとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。これは、水素をキャリアガスとして用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである（文献６）。また、Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる。
【０１１１】
次いで、バリア層９１１上に、ＩｎＮを島状に成長させて複数の島状部分からなる活性層９１２を形成する。この島状部分の形成では、まず、バリア層９１１の上に膜状あるいは膜状に近い状態でＩｎＮを成長させる。このＩｎＮ成長においては、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、基板温度を５００℃とする。また、この気相成長におけるインジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。この成長にあたっては、金属Ｉｎの析出を防止して高品質ＩｎＮを成長するために、アンモニアとＴＭＩとの比、すなわち、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とする。また、キャリアガス及びバブリングガスともに窒素とする。
【０１１２】
以上のようにして、ＩｎＮを膜状に成長させた後、この膜に対して窒素雰囲気において７００℃・２０分間の加熱処理を行う。この加熱処理により、膜状のＩｎＮの層が、複数の島状部分となる。
次いで、活性層９１２上に、Ｍｇが添加されたｐ形のＩｎＧａＡｌＮを成長し、島状部分を覆うようにバリア層９１３を形成する。
【０１１３】
バリア層９１３を形成した後、低き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びマンガンが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層９１４，コンタクト層９１５を形成する。Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、一般に用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【０１１４】
バリア層９１３，クラッド層９１４，コンタクト層９１５を形成した後、これらの層の添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。
上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層９１５の上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層９１６を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、開口窓を形成する。
【０１１５】
電流制限絶縁層９１６に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層９１６の上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極９１７となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にノボラック系のポジ型フォトレジストのパタンを形成し、このパタンをマスクとして下層をエッチングし、電極層９１０に露出領域を形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。
【０１１６】
上記露出領域を形成するエッチングを行い、フォトレジストのパタンを除去し、結晶基板９０１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層９１０の露出領域に膜厚５０ｎｍのアルミニウム，膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極９１８を形成する。
以上説明したことにより、ｎ形金属電極９１１までを形成した後、単結晶基板９０１を厚さ２００μｍにまで研磨して薄くして鏡面に仕上げ、これらを洗浄し、ダイヤモンド・スクライバを用いて単結晶基板９０１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。素子の寸法は、例えば約５００μｍ角である。
【０１１７】
切り出した素子の、ｐ形金属電極９１７とｎ型金属電極９１８を、各々陽極と陰極として所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板９０１の裏面側より発光光が得られる。得られる発光光は、例えば、青みがかった白色光である。このように、本実施の形態で得られる発光は、青みがかった白色となるが、活性層を構成する結晶層の組成や活性層の厚さを適宜制御することにより、所望の特性の発光色を得ることができる。
【０１１８】
また、図９の半導体発光素子では、バリア層を介して３つの活性層を積層したが、これに限るものではなく、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
【０１１９】
＜実施の形態４＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図１０は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。ここでは、発振波長０．４μｍ以上の半導体レーザを例にとり、導波光が共振器内で往復する方向、すなわち、共振器の軸に垂直な断面を示す。
【０１２０】
この半導体レーザは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板１００１の表面に、窒化深さ１．２ｎｍの窒化層１００２を介してＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層１００３、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層１００４、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１００５を備えている。なお、単結晶基板１００１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【０１２１】
また、クラッド層１００５の上には、Ｓｉがドープされたｎ形のＧａＮからなる膜厚０．６μｍの導波路層１００６を備え、この上に、ＩｎＮからなる複数の島状部分が同一平面に配列された構造の層から構成された活性層１００７が形成されている。活性層１００７を構成する複数の島状部分は、例えば、図１（ｂ）に示した島状部分１０５ａと同様に、径が２ｎｍ程度高さ１ｎｍ程度の大きさに形成されている。このように、島状部分の寸法を電子の波動関数の広がり以下とすることで、量子効果が得られるようになる。また、この島状部分の寸法によって、活性層１００７による半導体発光素子の発光波長がほぼ決定される。なお、島状部分の大きさは、電子の波動関数の広がり以下に制限するものではなく、より大きな寸法としてもよい。
【０１２２】
なお、島状部分は半球形状に限るものではなく、円柱や角柱などの形状であってもよい。また、島状部分は、等間隔で配列されていてもよく、各島状部分の間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、各島状部分は、各々が完全に分離した状態に形成されていても良く、島状部分を構成するＩｎＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、各島状部分は、ほぼ同じ寸法に形成されているものである。
【０１２３】
以上のように形成された活性層１００７の上には、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層１００８、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．５５μｍの導波路層１００９、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層１０１０、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１０１１が形成されている。
【０１２４】
また、コンタクト層１０１１の上には、電流注入領域を制限するための幅２μｍ程度の溝を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０１２が形成されている。なお、上記溝は、本半導体レーザの共振器における光の往復方向に平行に形成されている。電流制限絶縁層１０１２の上には、上記溝を介してコンタクト層１０１１に接触するｐ形金属電極１０１３が形成されている。ｐ形金属電極１０１３は、図示しないが、コンタクト層１０１１に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【０１２５】
なお、電極層１００４は、この上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極１０１４を備えている。ｎ形金属電極１０１４は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。また、図１０に示す半導体レーザの共振器長は、約５００μｍである。
【０１２６】
以上に説明した図１０の半導体レーザを、ジャンクション・アップでヒートシンクの上に載置し、室温で直流電流で測定した光出力−電流特性（ＣＷ特性）、及び、電圧−電流特性の結果を図１１に示す。図１０の半導体レーザは、室温で閾値電流８０ｍＡでＣＷ発振した。この発振波長は、１．６０μｍであった。このときの動作電圧は２．７Ｖであった。また、ビルトイン電圧Ｖｂは、１．５Ｖ程度である。
【０１２７】
従来のように、活性層を含む発光構造にＩｎ１−ＸＧａＸＮ（０＜Ｘ＜０．４）を用いた場合、ビルトイン電圧Ｖｂは４Ｖ弱である。これに比較し、図１０に示す半導体レーザのビルトイン電圧が低いのは、活性層１００７にバンドギャップの小さいＩｎＮを用いているためである。なお、図１０の半導体レーザでは、活性層１００７にＩｎＮを用いる例を示したが、活性層にＩｎＮよりバンドギャップの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を用いてもよく、この場合、例えば波長０．４μｍと、発振波長のより短波長化が可能である。
なお、本実施の形態においても、活性層１００７を、複数の島状部分からなる層と成長カバー層（バリア層）とを複数層積層した構造としてもよい。
【０１２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、半導体発光素子の活性層を、オージェ効果が小さく、分離した状態で結晶成長しやすいＩｎＧａＡｌＮ系の材料からなる複数の島状部分から構成した。この結果、本実施の形態によれば、発光特性がよいＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物半導体材料を用いた半導体発光素子を、より特性が良くより製造しやすい状態で提供できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び部分的な斜視図（ｂ）である。
【図２】気相成長時の各温度における気相と固相の原料組成比の比較を示す特性図である。
【図３】実験と計算とから求めたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を示す相図である。
【図４】窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比アンモニア／Ｉｎを変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを示す特性図である。
【図５】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。
【図６】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示す特性図である。
【図７】Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）のＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。
【図８】本発明の他の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態における半導体発光素子の構成例を概略的に示す模式的な断面図（ａ）及び部分的な斜視図（ｂ）である。
【図１１】図１０の半導体レーザを、ジャンクション・アップでヒートシンクの上に載置し、室温で直流電流で測定した光出力−電流特性（ＣＷ特性）、及び、電圧−電流特性の結果を示す特性図である。
【図１２】キャリア・オーバーフローを説明するための模式的なバンド図である。
【符号の説明】
１０１…単結晶基板、１０２…バッファ層、１０３…電極層、１０４…クラッド層、１０５…活性層、１０５ａ…島状部分、１０６…成長カバー層、１０７…クラッド層、１０８…コンタクト層、１０９…電流制限絶縁層、１１０…ｐ形金属電極、１１１…ｎ形金属電極。
Claims (5)
- 基板上に形成された第１導電形の第１半導体層と、
この第１半導体層上の同一平面に配列された複数の島状部分よりなる層から構成された活性層を含む発光構造と、
この発光構造上に形成された第２導電形の第２半導体層と
を少なくとも備え、
前記島状部分は、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１記載の半導体発光素子において、
前記島状部分は、各々が離散した状態に配列されているものである
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１または２記載の半導体発光素子において、
前記同一平面に配列された複数の島状部分よりなる層は、前記島状部分よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）からなるバリア層に覆われている
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項３に記載の半導体発光素子において、
前記活性層は、前記同一平面に配列された複数の島状部分からなる層と、前記バリア層とが複数積層された積層構造体である
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、
前記島状部分は、ＩｎＮから構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002252837A JP4300004B2 (ja) | 2002-08-30 | 2002-08-30 | 半導体発光素子 |
| KR1020030018788A KR100568701B1 (ko) | 2002-06-19 | 2003-03-26 | 반도체 발광 소자 |
| CNB031075312A CN1324772C (zh) | 2002-06-19 | 2003-03-26 | 半导体发光器件 |
| DE60317862T DE60317862T2 (de) | 2002-06-19 | 2003-04-24 | Lichtemittierende Halbleitervorrichtung |
| EP03090120A EP1389814B1 (en) | 2002-06-19 | 2003-04-24 | Semiconductor light-emitting device |
| US10/426,464 US6927426B2 (en) | 2002-06-19 | 2003-04-30 | Semiconductor light-emitting device for optical communications |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002252837A JP4300004B2 (ja) | 2002-08-30 | 2002-08-30 | 半導体発光素子 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007223427A Division JP2007311831A (ja) | 2007-08-30 | 2007-08-30 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004095724A true JP2004095724A (ja) | 2004-03-25 |
| JP4300004B2 JP4300004B2 (ja) | 2009-07-22 |
Family
ID=32059012
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002252837A Expired - Fee Related JP4300004B2 (ja) | 2002-06-19 | 2002-08-30 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4300004B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004207610A (ja) * | 2002-12-26 | 2004-07-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 白色発光素子およびその製造方法 |
| WO2006016731A1 (en) * | 2004-08-13 | 2006-02-16 | Seoul National University Industry Foundation | Growth method of nitride semiconductor layer and light emitting device using the growth method |
| JP2006295128A (ja) * | 2005-04-06 | 2006-10-26 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 窒化物半導体素子 |
| KR100661715B1 (ko) | 2005-06-16 | 2006-12-26 | 엘지전자 주식회사 | 아일랜드(ｉｓｌａｎｄ )형상의 삽입층이 구비된 발광다이오드 및 이의 제조 방법 |
| JP2010503228A (ja) * | 2006-09-08 | 2010-01-28 | エージェンシー フォー サイエンス，テクノロジー アンド リサーチ | 波長可変発光ダイオード |
| JP2011523206A (ja) * | 2008-06-04 | 2011-08-04 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体デバイス |
| JP2012533906A (ja) * | 2009-07-20 | 2012-12-27 | ソイテック | 量子ドット構造および関連構造を用いる半導体構造体および半導体デバイスの製造方法 |
| US9059354B2 (en) | 2010-02-24 | 2015-06-16 | Riken | Light-emitting element having nitride semiconductor multiquantum barrier, and process for production thereof |
| JP2016134612A (ja) * | 2015-01-22 | 2016-07-25 | 国立大学法人名古屋大学 | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子とその製造方法 |
| CN113628953A (zh) * | 2021-06-17 | 2021-11-09 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 氮化物材料的制备方法及氮化物半导体器件 |
-
2002
- 2002-08-30 JP JP2002252837A patent/JP4300004B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004207610A (ja) * | 2002-12-26 | 2004-07-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 白色発光素子およびその製造方法 |
| WO2006016731A1 (en) * | 2004-08-13 | 2006-02-16 | Seoul National University Industry Foundation | Growth method of nitride semiconductor layer and light emitting device using the growth method |
| US7977664B2 (en) | 2004-08-13 | 2011-07-12 | Seoul National University Industry Foundation | Growth method of nitride semiconductor layer and light emitting device using the growth method |
| JP2006295128A (ja) * | 2005-04-06 | 2006-10-26 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 窒化物半導体素子 |
| KR100661715B1 (ko) | 2005-06-16 | 2006-12-26 | 엘지전자 주식회사 | 아일랜드(ｉｓｌａｎｄ )형상의 삽입층이 구비된 발광다이오드 및 이의 제조 방법 |
| JP2010503228A (ja) * | 2006-09-08 | 2010-01-28 | エージェンシー フォー サイエンス，テクノロジー アンド リサーチ | 波長可変発光ダイオード |
| JP2011523206A (ja) * | 2008-06-04 | 2011-08-04 | シャープ株式会社 | 窒化物半導体デバイス |
| JP2012533906A (ja) * | 2009-07-20 | 2012-12-27 | ソイテック | 量子ドット構造および関連構造を用いる半導体構造体および半導体デバイスの製造方法 |
| US9178091B2 (en) | 2009-07-20 | 2015-11-03 | Soitec | Methods of fabricating semiconductor structures and devices using quantum dot structures and related structures |
| US9059354B2 (en) | 2010-02-24 | 2015-06-16 | Riken | Light-emitting element having nitride semiconductor multiquantum barrier, and process for production thereof |
| JP5843238B2 (ja) * | 2010-02-24 | 2016-01-13 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 窒化物半導体多重量子障壁を有する発光素子及びその製造方法 |
| JP2016134612A (ja) * | 2015-01-22 | 2016-07-25 | 国立大学法人名古屋大学 | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子とその製造方法 |
| CN113628953A (zh) * | 2021-06-17 | 2021-11-09 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 氮化物材料的制备方法及氮化物半导体器件 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4300004B2 (ja) | 2009-07-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100568701B1 (ko) | 반도체 발광 소자 | |
| US6345063B1 (en) | Algainn elog led and laser diode structures for pure blue or green emission | |
| US6541293B2 (en) | Semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof | |
| KR100639170B1 (ko) | 수직 구조의 인듐 갈륨 나이트라이드 ｌｅｄ | |
| US7973322B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and method for forming the same | |
| US6984841B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting element and production thereof | |
| US7998773B2 (en) | Method of growing semiconductor heterostructures based on gallium nitride | |
| US20090045394A1 (en) | Semiconductor device and a method of manufacture thereof | |
| US6677617B2 (en) | Semiconductor LED composed of group III nitrided emission and fluorescent layers | |
| JP2000040858A (ja) | 光半導体装置、その製造方法、および半導体ウェハ | |
| JP2001160627A5 (ja) | ||
| KR20030033114A (ko) | 질화물 반도체 발광소자 및 그것을 포함한 광학장치 | |
| JPH1126883A (ja) | 窒化ガリウム系半導体発光素子およびその製造方法 | |
| JP2002314205A (ja) | 窒化物半導体発光素子ならびにそれを用いた光学装置および発光装置 | |
| US6462354B1 (en) | Semiconductor device and semiconductor light emitting device | |
| KR20010076261A (ko) | 반도체 소자 및 그 제조 방법 | |
| JP3740744B2 (ja) | 半導体の成長方法 | |
| JP4300004B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP4631214B2 (ja) | 窒化物半導体膜の製造方法 | |
| JP2002008980A (ja) | 半導体層の成長方法および半導体発光素子の製造方法 | |
| JP4229625B2 (ja) | 窒化物半導体層とそれを含む窒化物半導体素子 | |
| JPH0923026A (ja) | ３−５族化合物半導体発光素子 | |
| JPH11224972A (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
| JPH10144612A (ja) | 半導体の成長方法 | |
| JP2002204035A (ja) | 窒化物半導体発光素子とこれを含む装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040726 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061204 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061212 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070213 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070403 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070604 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070703 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070830 |
|
| A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20070921 |
|
| A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20071026 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070830 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090310 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090420 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4300004 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120424 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130424 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140424 Year of fee payment: 5 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |