JP2007201020A - 窒化物系半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの発光素子によって高効率かつ高輝度に白色系の発光を生じ得る発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体発光素子において、六方晶の窒化物系半導体積層構造が支持基板（３４）の一主面上に設けられており、その半導体積層構造は活性層を含む複数の窒化物系半導体層からなり、その活性層は結晶学的に異なる複数の面に平行な複数の発光部分（５１、５２、５３）を含み、活性層中の複数の発光部分は互いに異なる波長（λ１、λ２、λ３）の光を放射し得ることを特徴としている。
【選択図】図５

Description

本発明は窒化物系半導体発光素子とその製造方法に関し、特に異種基板上に成長させられた活性層から複数の波長の光が放出され得る窒化ガリウム系発光ダイオードとその製造方法に関するものである。

窒化ガリウム系半導体発光素子は、紫外、青色、緑色、黄色、白色などの様々な色（波長）で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）として実用化され、日常生活の至る所で用いられるようになった。特に、白色ＬＥＤは、蛍光灯に代わる次世代の照明装置として大きな市場が予測されている。

現在の白色ＬＥＤは、窒化ガリウム系青色発光ダイオードの表面にＹＡＧ（イットリウム・アルミニューム・ガーネット）系蛍光体を混合した樹脂層を形成することにより白色光を得るものがほとんどである。近年では、窒化ガリウム系ＬＥＤの発光出力を高めることや、単体の（蛍光体を含まない）素子から異なる波長の光を放射し得る窒化ガリウム系ＬＥＤがユーザから要望されている。このような要望に答えるために、活性層の構成に工夫を加える幾つかの試みがなされている（たとえば、特許文献１の特開２００１−２８４５８号公報および非特許文献１のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８７，Ｎｅｔ速報番号１３１９１１，２００５を参照）。

図８は、特許文献１に開示されたＬＥＤを模式的な断面図で示している。このＬＥＤは、Ｃ面サファイア基板８１、バッファ層８２、ｎ型コンタクト層８３、複数の第１量子井戸層８４、第２量子井戸層８５、ｐ型クラッド層８６、ｐ型コンタクト層８７、ｐ型用電極８８、およびｎ型用電極８９を含んでいる。ＩｎＧａＮから成る第１量子井戸層のＩｎ組成比に比べて第２量子井戸層のＩｎ組成比を大きくすることによって、第１量子井戸層からは４５０〜５００ｎｍのピーク波長を得て、第２量子井戸層からは５６０〜６７０ｎｍのピーク波長を得ている。これら２つのピーク波長が互いに補色関係となるように設定すれば、２つの光が混色して白色光が得られる。

図９の模式的な断面図は、非特許文献１に開示されたＬＥＤの製造過程を模式的に示している。この図９の製造段階において、Ｃ面サファイア基板９１上に、ＧａＮ下地層９２、ＳｉＯ₂膜９３、ピラミッド状選択成長層９４、およびＩｎＧａＮ量子井戸層９５が形成されている。この例では、選択成長によってピラッミッド状の結晶成長をさせるときに、ＩｎＧａＮ量子井戸層９５の厚さがピラッミッドの頂点に近い位置に向かうにつれて連続的に厚くなる現象を利用している。そして、波長分布が４００ｎｍから６５０ｎｍまでのブロードなカソードルミネッセンススペクトルが得られている。図１０のグラフは、この場合における量子井戸層厚と発光ピーク波長との相関の計算例を示している。

一般に、サファイア基板上に成長した窒化物系半導体膜中には、それらの基板と膜との結晶格子不整合に起因して１０⁹〜１０¹⁰個／ｃｍ²もの貫通転位が存在する。これらの貫通転位は非発光センターになり、電流のリークパスの原因ともなる。貫通転位密度の低減を図る方法の一つとして、基板面に平行な方向への選択的結晶成長を利用するラテラル（横方向）成長法がある。この方法は、基板面上に部分的な結晶成長防止マスクを設けて選択成長させることにより、非マスク部からラテラル結晶成長を行わせ、転位密度が低減された高品質の結晶層を得る方法である（例えば、特許文献２の特許第３１３９４４５号公報参照）。一般に、この方法はＬＥＯＧ（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法と呼ばれている。また、周期溝を形成した基板（凹凸基板）の溝上へ
結晶層をラテラル成長させる例もある（例えば、特許文献３の特許第３５５６９１６号公報参照）。一般に、この方法はＬＥＰＳ（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）法と呼ばれている。これらの方法では、結晶成長中に発生する貫通転位が層厚方向に平行な縦方向に伝播し、横方向に伝播する転位が少なくなることを利用している。

ところで、現在実用化されている窒化ガリウム系発光ダイオードのほとんどは、六方晶系のサファイアＣ面（すなわち、｛０００１｝面）またはＡ面（すなわち、｛１１−２０｝面）上に成長したＣ面の窒化物系半導体層を利用している。ＧａＮ結晶のＣ面ではＧａ原子面とＮ原子面とが交互に重なっており、Ｇａ原子とＮ原子との電気陰性度の相違によって結晶内に自発分極が発生し、さらに結晶歪が生じた場合には圧電（ピエゾ）分極が重畳される。このように内部電界がかかった量子井戸層内の電子と正孔はその井戸層の両側に分離し、その結果として発光効率の低下を招く。

図１１の模式的断面図は、サファイアＲ面（すなわち、｛０１−１２｝面）基板上にラテラル成長技術を取り入れて成長させた非極性Ａ面の活性層を有する窒化ガリウム系ＬＥＤを示している（特許文献４のＵＳ２００５／０２１４９９２Ａ１参照）。この窒化物ＬＥＤにおいては、サファイアＲ面基板１０１の上面にＡ面ＧａＮ下地層１０２が形成されている。このＡ面ＧａＮ下地層１０２上には周期的なストライプ状の結晶成長防止マスク（ＳｉＯ₂）１０３が周期窓１０４を伴って形成されている。そして、それらのマスク１０３および窓１０４を覆うように、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０５、ｎ型ＧａＮクラッド層１０６、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８、ｐ型ＧａＮクラッド層１０９、およびｐ⁺型ＧａＮコンタクト層１１０が順次結晶成長させられている。

図１１の窒化物ＬＥＤは、ｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕなど）１１２およびｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕなど）１１３をも含み、縦の平行線で表された貫通転位密度が高い領域１１１をも含んでいる。すなわち、従来のＬＥＯＧ法やＬＥＰＳ法などによって転位密度低減を図ったＬＥＤにおいては、チップ全面での平均転位密度は１０⁷〜１０⁸／ｃｍ²とまだ高く、内部量子効率が十分ではない。これは、特に結晶成長防止マスク１０３のない窓部１０４の上方の結晶領域およびラテラル成長合体部では転位密度が高く、これらの領域中の活性層１０７をも発光させるからである。
特開２００１−２８４５８号公報 特許第３１３９４４５号公報 特許第３５５６９１６号公報 ＵＳ２００５／０２１４９９２Ａ１ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８７，Ｎｅｔ速報番号１３１９１１，２００５

異なる発光波長を有する複数の発光素子を同一ステム上に配置して白色光を得る場合、混色性（光を混合したときに１つの色として一様に見える見え方）を向上させるために複数の発光素子同士を近接配置する必要があるが、この近接距離には限界がある。また、異なる発光波長を有する複数の発光素子間で異なる系の半導体材料を利用した場合、それらの発光素子の温度特性や駆動電圧が互いに異なるなどの種々の問題が生じ得る。

他方、蛍光体を利用して白色光を得る場合、発光素子に蛍光体を付着させる必要があり、製造工程が複雑となる。また、発光素子からの青色発光とこの青色光で励起される蛍光発光との組み合わせで白色光を得る場合では、異なる発光波長を有する複数の発光素子で
白色光を得る場合と比較して、理論的に発光効率が低くなる（蛍光体による変換効率や光吸収に依存して、発光素子全体としての発光効率が低下する）。

蛍光体を利用することなく１つの発光素子で白色系の発光を可能ならしめる試みとして上述の図８の発光素子があるが、２種類の量子井戸層８４と８５の一方で発光した光が他方の量子井戸層で吸収されるなどの問題があって、未だ実用化されていない。

前述の図９の例では、選択結晶成長の起点となる非マスク部から伝搬する高密度の貫通転位が量子井戸層９５を横切るので、内部発光効率が低下するという欠点がある。

非極性のＡ面を量子井戸層としかつ貫通転位密度を減少させた図１１の発光素子においては、平均転位密度は減少するものの、非マスク部１０４から伝搬する貫通転位が量子井戸層１０７を横切るので、内部発光効率向上には限界がある。したがって、量子井戸層１０７を非極性にした効果が十分には発揮されないという欠点がある。

すなわち、従来のいずれの構成の発光素子でも白色光源として十分ではなく、さらに高効率かつ高輝度に白色発光可能な発光素子を提供することが求められている。かかる課題に鑑み、本発明は、１つの発光素子によって高効率かつ高輝度に白色系の発光を生じ得る発光素子を提供することを目的としている。

本発明による窒化物系半導体発光素子においては、六方晶の窒化物系半導体積層構造が支持基板の一主面上に設けられており、その半導体積層構造は活性層を含む複数の窒化物系半導体層からなり、その活性層は結晶学的に異なる複数の面に平行な複数の発光部分を含み、活性層中の複数の発光部分は互いに異なる波長の光を放射し得ることを特徴としている。

なお、半導体積層構造は複数の窒化ガリウム系半導体層を含み得る。また、活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる量子井戸構造を有し得る。活性層における複数の発光部分の少なくとも１つは支持基板の主面に垂直であり得る。支持基板の主面に垂直な発光部分の端部は、半導体積層構造の表面に露出していることが好ましい。そして、半導体積層構造の発光部が露出した表面には、反射防止膜が形成されていることが好ましい。

支持基板上の半導体積層構造は選択的横方向結晶成長の結果としての長方形断面形状を有し、その主面はＣ面であって、その側面はＡ面およびＭ面であり得て、それらの側面同士が対面接触していないことが好ましい。半導体積層構造の上面から見た形状において、Ａ面の側面部分とＭ面の側面部分が渦巻きを形成するように交互に連結していることが好ましい。

支持基板上の半導体積層構造は選択的横方向結晶成長の結果としての長方形断面形状を有し、その主面はＡ面であって、その側面はＣ面およびＭ面であり得て、それらの側面同士が対面接触していないことが好ましい。半導体積層構造の上面から見た形状において、Ｃ面の側面部分とＭ面の側面部分が渦巻きを形成するように交互に連結していることが好ましい。

支持基板上の半導体積層構造は選択的横方向結晶成長の結果としての長方形断面形状を有し、その主面はＭ面であって、その側面はＣ面およびＡ面であり得て、それらの側面同士が対面接触していないことが好ましい。半導体積層構造の上面から見た形状において、Ｃ面の側面部分とＡ面の側面部分が渦巻きを形成するように交互に連結していることが好
ましい。

半導体積層構造の光放射側面上に設けられた表面電極をさらに含み、この表面電極は直交する線分が連続した渦巻き形状を有することが好ましい。

活性層中の複数の発光部分は互いに異なるピーク波長の光を発し、発光素子はこれらのピーク波長の光が混色した色の光を放射し得る。

上述のような窒化物系半導体発光素子を製造するための方法において、半導体積層構造は、下地層としての窒化ガリウム結晶層の凸部を起点として、互いに直交する横方向へ同時に結晶成長させることによって形成されることが好ましい。半導体積層構造の表面上で下地層の凸部に対応する領域に電流ブロック膜が形成され、それによって、活性層のうちで横方向成長した領域内のみに電流を流すことが可能である。異種基板上に結晶成長させた半導体積層構造の表面上に放熱性ウエハを支持基板として接着した後に、その異種基板を除去することが好ましい。

なお、上述の半導体発光素子から発する光を波長変換する蛍光体をも含んでもよく、それによって、全体として演色性の改善された白色光を放射し得る白色発光装置を得ることもできる。

従来の白色系ＬＥＤは、窒化ガリウム系青色発光ダイオードの表面にＹＡＧ系蛍光体を混合した樹脂層を形成することにより白色光を得るものがほとんどである。本発明の白色系ＬＥＤでは、その直接放射光を利用するので蛍光体の変換効率や光吸収を考慮する必要がなく、高輝度の白色光を得ることができる。

ただし、本発明によるＬＥＤではその白色光に含まれるの赤色成分が十分ではないので、赤色用蛍光体を塗布すればさらに高演色性の白色光を得ることができる。

また、本発明のＬＥＤはラテラル結晶成長の低転位密度領域の量子井戸活性層のみを利用し、高転位密度領域の量子井戸活性層には電流を流さないので、注入した電流が有効に利用されて高輝度化に寄与し得る。

本発明では、上述の従来技術における課題を解決するために、貫通転位が少なくかつ厚みおよび特性の異なる２以上の領域を含む量子井戸活性層を１回の結晶成長で形成することにより、高効率の白色系ＬＥＤ（発光ダイオード）を提供する。

特性の異なる２つ以上の領域を含む量子井戸活性層を１回の結晶成長で形成する方法として、前述の凹凸基板上のラテラル成長を行うＬＥＰＳ法を利用し、結晶成長面方位によって成長速度およびＩｎ原子の取り込み率が異なる現象を利用する。具体的例示として、サファイア基板のＣ面およびＲ面を使用した場合のそれぞれについて、特性の異なる２以上の領域を含む量子井戸活性層を形成できる原理について説明する。

図１の模式的断面図は、Ｃ面サファイア基板を使用した場合においてＬＥＰＳ法によるラテラル結晶成長の様子を図解している。

図１（ａ）は、Ｃ面サファイア基板のｍ軸方向（すなわち［１−１００］方向）に平行に形成されたストライプ状凸部上にＬＥＤ用窒化物系半導体積層構造をエピタキシャル成長させた場合の断面形状を示している。すなわち、図１（ａ）の構造は、Ｃ面サファイア
基板１、その上のＣ面ＧａＮ下地層２、そのＣ面ＧａＮ層２の凹部に形成された結晶成長防止膜３、Ｃ面ＧａＮ層２のｍ軸方向に形成されたストライプ状凸部４、その凸部４のＧａＮ結晶を種結晶としてエピタキシャル成長した量子井戸活性層６を含む半導体積層構造５、およびＣ面ＧａＮ層２が内包する貫通転位を引き継いだ高密度転位領域７を含んでいる。

この半導体積層構造５は矩形状の断面を有し、その上表面はＣ面であって、側面はＡ面である。Ａ面積層方向（Ａ面に直交する方向）とＣ面積層方向（Ｃ面に直交する方向）の結晶成長速度の関係をＡ面とＣ面で表せば、Ａ面＞Ｃ面の関係にある。なお、半導体積層構造５中のＭ面は、図１（ａ）の紙面に平行である。

図１（ｂ）は、Ｃ面ＧａＮ下地層２のａ軸方向（すなわち［１１−２０］方向）に平行に形成されたストライプ状凸部４上にＬＥＤ用窒化物系半導体積層構造をエピタキシャル成長させた場合の断面形状を示している。半導体積層構造５の上方向にはＣ面積層方向の結晶成長が起こり、横方向にはＭ面積層方向の結晶成長が起こる。それらのＣ面積層方向とＭ面積層方向の結晶成長速度は、Ｃ面＞Ｍ面の関係にある。なお、半導体積層構造５中のＡ面は、図１（ｂ）の紙面に平行である。

したがって、Ｃ面ＧａＮ下地層２にｍ軸方向とａ軸方向の凸部を混在させた場合、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層６にはＡ面、Ｃ面、およびＭ面に平行な領域が混在することになる。それらの領域の層厚は、成長速度の違いに依存してＡ面＞Ｃ面＞Ｍ面の関係となり、それと同時にＩｎ組成比の大小関係もＡ面＞Ｃ面＞Ｍ面の関係となる。そして、それぞれの領域における発光波長の長さもＡ面＞Ｃ面＞Ｍ面の順となり、３つのピーク波長を得ることができる。また、Ｃ面ＧａＮ下地層２の凸部４におけるｍ軸方向とａ軸方向の長さの割合やＣ面の面積を変えることによって、それぞれの領域の発光強度を調整することができる。このようにして、単体のＬＥＤチップから白色系の発光を得ることができる。

図２の模式的断面図は、Ｒ面サファイア基板を使用した場合におけるＬＥＰＳ法によるラテラル結晶成長の様子を図解している。

図２（ａ）は、Ｒ面サファイア基板のｍ軸方向に形成されたストライプ状凸部上にＬＥＤ用窒化物系半導体積層構造をエピタキシャル成長させた場合の断面形状を示している。すなわち、図２（ａ）の構造は、Ｒ面サファイア基板１１、その上のＡ面ＧａＮ下地層１２、そのＡ面ＧａＮ層１２の凹部に形成された結晶成長防止膜１３、Ａ面ＧａＮ層１２のｍ軸方向に形成されたストライプ状凸部１４、その凸部１４のＧａＮ結晶を種結晶としてエピタキシャル成長した量子井戸活性層１６を含む半導体積層構造１５、およびＡ面ＧａＮ層１２が内包する貫通転位を引き継いだ高密度転位領域１７を含んでいる。

この半導体積層構造１５は矩形状の断面を有し、その上表面はＡ面であり、側面はＣ面（ガリウム原子面）および−Ｃ面（窒素原子面）である。それらの面が積層する方向の結晶成長速度は、Ａ面＞Ｃ面＞−Ｃ面の関係にある。なお、半導体積層構造１５中のＭ面は、図２（ａ）の紙面に平行である。

図２（ｂ）は、Ａ面ＧａＮ下地層１２のｃ軸方向に形成されたストライプ状凸部１４上に窒化物系半導体積層構造１５をエピタキシャル成長させた場合の断面形状を示している。この半導体積層構造１５の上方向にはＡ面積層成長が起こり、横方向にはＭ面積層成長が起こる。それらのＡ面積層方向とＭ面積層方向の結晶成長速度は、Ａ面＞Ｍ面の関係にある。なお、半導体積層構造１５中のＣ面は、図２（ｂ）の紙面に平行である。

したがって、Ａ面ＧａＮ下地層１２にｍ軸方向とｃ軸方向の凸部を混在させた場合、Ｉ
ｎＧａＮ量子井戸活性層１６にはＡ面、Ｃ面、−Ｃ面、およびＭ面に平行な領域が混在することになる。そして、それらの領域の層厚は成長速度の違いに依存してＡ面＞Ｃ面＞Ｍ面＞−Ｃ面の関係となり、それと同時にＩｎ組成比もＡ面＞Ｃ面＞Ｍ面＞−Ｃ面の関係となる。その結果、それぞれの発光波長の長さもＡ面＞Ｃ面＞Ｍ面＞−Ｃ面の順となり、４つのピーク波長を得ることができる。また、Ａ面ＧａＮ下地層１２の凸部１４におけるｍ軸方向とｃ軸方向の長さの割合やＡ面の面積を変えることによって、それぞれの領域における発光強度を調整することができる。このようにして、単体のＬＥＤチップから白色系の発光を得ることができる。

［実施例１］
図３は、本発明の実施例１による白色系ＬＥＤの製造プロセスを模式的な断面図で図解している。

図３（ａ）において、サファイアＣ面基板１上のＭＯＣＶＤ法によって、基板温度１１００℃でＣ面ＧａＮ下地層２を１．５μｍの厚さに成長させる。サファイア結晶とＧａＮ結晶ではそれらの格子定数が約１４％程度に大きく異なるので、ＧａＮ下地層２中には貫通転位が１０⁹〜１０¹⁰個／ｃｍ²程度に存在する。

図３（ｂ）では、（図４（ａ）中の凸部４の螺旋状パターンに対応した）フォトレジスト膜３１がＧａＮ下地層２上にフォトリソグラフィ技術によって形成される。その螺旋状パターンは、ＧａＮ下地層２のｍ軸に平行な線分とａ軸に平行な線分とが交互に連続的に連結された構成とし得る。そして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）技術で１．５μｍの深さにエッチングすることによって、螺旋状パターンのＧａＮ凸部４を形成する。凸部４の幅としては、たとえばｍ軸方向では５μｍとしてａ軸方向では３μｍとし得る（図４（ａ）の模式的平面図参照）。また、凸部４の間隔、すなわち凹部の幅は、たとえば１５μｍとし得る。

図３（ｃ）では、基板１の上方全面を覆うように厚さ０．１２μｍのＳｉＯ₂膜をプラズマＣＶＤ法によって成膜し、フォトリソグラフィ技術によって凸部４上のＳｉＯ₂膜を除去する。すなわち、凸部４間の溝部の底面と側面にＳｉＯ₂膜による結晶成長防止膜３を形成する。

図３（ｄ）では、基板温度１１００℃でのＭＯＣＶＤ法によって、凸部４の上面に露出しているＧａＮ結晶を種結晶として、ｎ型ＧａＮコンタクト層、単一量子井戸活性層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、ｐ型ＧａＮクラッド層、およびキャリア濃度の高いｐ⁺型ＧａＮコンタクト層を含む半導体積層構造５を成長させる。ここで、図４（ｂ）は、ＭＯＣＶＤ成長後の図３（ｄ）の断面図に対応する模式的平面図を示している。すなわち、図３（ｄ）は、ｍ軸方向に直交するＭ面に沿った断面を示している。半導体積層構造５の全厚が５μｍに成長するとき、横方向に関しては、ａ軸方向には約６μｍでｍ軸方向には約２μｍのラテラル成長が起こり得る。したがって、量子井戸活性層６の厚さは、縦方向のＣ面積層方向で４ｎｍ、横方向のＡ面積層方向で４．８ｎｍ、そして横方向のＭ面積層方向で１．６ｎｍであると推定される。

隣り合う半導体積層構造体５は互いに合体させず、隙間８を残す（図４（ｂ）をも参照）。溝部の底面と側面を覆う成長防止膜３上には結晶成長が全く起こらず、また、半導体積層構造５の下面にはＭＯＣＶＤ原料ガスの回り込みが少ないので結晶成長がほとんど起こらない。凸部４上の縦方向成長部７では、下地のＧａＮ層２の転位を引き継ぐので、貫通転位密度が１０⁸〜１０¹⁰／ｃｍ²程度に高くなる。他方、溝部上のラテラル成長部における転位密度は、１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²程度に低くされ得る。

図３（ｅ）では、転位密度の高い領域７の成長表面上に、その高転位密度領域７に流れる電流をブロックするためのＳｉＯ₂膜３２をプラズマＣＶＤ法によって形成する。

図３（ｆ）では、ｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕ）３３を真空蒸着法により形成する。
図３（ｇ）では、サファイア基板１および半導体積層構造５を含むウエハのｐ型用電極側と両面がメタライズされた厚さ１００μｍのＳｉウェハ３４とが、それらのウエハの反りが生じないように均等な圧力でＡｕ−Ｓｎ層３５を介して熱圧着される。

図３（ｈ）では、紫外波長２４８．５ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光の断面を線状に整形して、そのレーザ光をサファイア基板１の裏面から全面にスキャンする。そうすれば、サファイア基板１と窒化物系半導体積層構造５との境界における窒化物系半導体（ＧａＮ下地層２の凸部４の一部）が熱分解し、サファイア基板１を分離することができる。このとき、サファイア基板１と窒化物系半導体積層構造５との間の接触部（凸部４）の面積が小さいので、サファイア基板１を容易に分離することができる。

図３（ｉ）では、サファイア基板１の分離によって露出したＧａＮ層２の突起部４を研磨により除去する。その後、転位密度の高い領域７上に渦巻き状パターンのｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）３６を形成する（図４（ｃ）の模式的平面図参照）。最後に、活性層６の端面保護を兼ねた反射防止膜３７が形成される。

図５は、本実施例１で得られるＬＥＤを模式的断面図で示している。図５（ａ）は図４（ｃ）における一点鎖線Ａ−Ａに沿った断面を表し、図５（ｂ）は図４（ｃ）における一点鎖線Ｂ−Ｂに沿った断面を表している。ｎ型用電極３６とｐ型用電極３３との間に電圧を印加することによって、量子井戸活性層６に電流が流れて発光が生じる。但し、電流ブロック膜３２が存在しているので、高転位密度領域７中の活性層へは電流が流れない。光放射面に垂直なＡ面量子井戸活性層領域５１からはピーク波長λ１の発光が得られ、光放射面に平行なＣ面量子井戸活性層領域５２からはピーク波長λ２の発光が得られ、そして光放射面に垂直なＭ面量子井戸活性層領域５３からはピーク波長λ３の発光が得られる。本実施例１では、λ１＝５８０ｎｍ、λ２＝５３０ｎｍ、およびλ３＝４５０ｎｍを得ることができる。

図６のグラフは、本実施例１によるＬＥＤにおいて得られる発光スペクトルの一例を示している。すなわち、本実施例１において、３種類の光が混色された白色系のＬＥＤ光を得ることができる。

［実施例２］
本発明の実施例２は、Ｃ面サファイア基板の代わりにＲ面サファイア基板を使用することのみにおいて実施例１の場合と異なっており、その製造プロセスは実施例１の場合と同様である。

すなわち、本実施例２においては、図２を参照して前述されたように量子井戸活性層１６がＡ面、Ｃ面、Ｍ面、および−Ｃ面の領域で構成され、それぞれの領域からの発光のピーク波長として、λ１＝６００ｎｍ、λ２＝５５５ｎｍ、λ３＝４８０ｎｍ、およびλ４＝４２０ｎｍを得ることができる。

図７のグラフは、本実施例２によるＬＥＤにおいて得られる発光スペクトルの一例を示している。すなわち、本実施例２において、４種類の光が混色された白色系のＬＥＤ光を得ることができる。なお、図７に示されているように６００ｎｍまでの長波長が得られることは量子井戸活性層の厚さの変化だけでは説明ができないので、層厚が大きい程ＩｎＧａＮ量子井戸層中のＩｎ組成比も大きくなっているものと考えられる。

なお、以上の実施例ではサファイア基板上に窒化ガリウム系結晶層を成長させる場合について説明したが、本発明は、異種基板としてスピネル、ＳｉＣ、ＧａＡｓなどを使用した場合についても応用することができる。また、サファイア基板上の下地層としての窒化ガリウム系結晶層の主面はＣ面とＡ面に限られず、Ｍ面であってもよい。

以上のように、本発明によれば、１つの発光素子によって高効率かつ高輝度に白色系の発光を生じ得る発光素子を提供することができる。

Ｃ面サファイア基板を使用した場合において、ＬＥＰＳ法による窒化物系半導体積層構造のラテラル結晶成長の様子を図解する模式的断面図である。 Ｒ面サファイア基板を使用した場合において、ＬＥＰＳ法による窒化物系半導体積層構造のラテラル結晶成長の様子を図解する模式的断面図である。 本発明の実施例１によるＬＥＤの製造プロセスを図解する模式的断面図である。 実施例１によるＬＥＤの製造プロセスを図解する模式的平面図である。 実施例１によるＬＥＤの模式的断面図である。 実施例１によるＬＥＤの発光スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施例２によるＬＥＤの発光スペクトルを示すグラフである。 従来技術による多波長窒化ガリウム系発光ダイオードの一例を示す模式的断面図である。 従来技術による他の多波長窒化ガリウム系発光ダイオードの製造過程を示す模式的断面図である。 従来技術における量子井戸層厚と発光ピーク波長との相関の計算例を示すグラフである。 従来技術によるさらに他の窒化物系半導体発光ダイオードを示す模式的断面図である。

符号の説明

１、８１、９１ Ｃ面サファイア基板、２ Ｃ面ＧａＮ下地層、３、１３、９３ 成長防止用ＳｉＯ₂膜、４、１４ ＧａＮ下地層の凸部、５、１５ ＬＥＤ用窒化物系半導体積層構造、６、１６ 量子井戸活性層、７、１７ 高貫通転位密度領域、８ ＬＥＤ用窒化物系半導体積層構造間の隙間、１１ Ｒ面サファイア基板、１２ Ａ面ＧａＮ下地層、３１ フォトレジスト膜、３２ 電流ブロック膜、３３ ｐ型用電極、３４ 導電性支持基板、３５ ロー材、３６ ｎ型用電極、３７ 活性層端面保護を兼ねた反射防止膜、５１ Ａ面量子井戸活性層、５２ Ｃ面量子井戸活性層、５３ Ｍ面量子井戸活性層、８２
バッファ層、８３ ｎ型コンタクト層、８４ 第１量子井戸層、８５ 第２量子井戸層、８６ ｐ型クラッド層、８７ ｐ型コンタクト層、８８ ｐ型用電極、８９ ｎ型用電極、９２ Ｃ面ＧａＮ下地層、９４ ピラミッド状選択成長層、９５ ＩｎＧａＮ量子井戸層。

Claims (18)

1. 六方晶の窒化物系半導体積層構造が支持基板の一主面上に設けられており、
   前記半導体積層構造は活性層を含む複数の窒化物系半導体層からなり、
   前記活性層は結晶学的に異なる複数の面に平行な複数の発光部分を含み、
   前記活性層中の前記複数の発光部分は互いに異なる波長の光を放射し得ることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 前記半導体積層構造は複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記活性層における前記複数の発光部分の少なくとも１つは前記支持基板の主面に垂直であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
5. 前記支持基板の主面に垂直な前記発光部分の端部が前記半導体積層構造の表面に露出していることを特徴とする請求項４に記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 前記半導体積層構造の前記発光部が露出した表面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 前記支持基板上の前記半導体積層構造は選択的横方向結晶成長の結果としての長方形断面形状を有し、その主面はＣ面であって、その側面はＡ面およびＭ面であり、それらの側面同士が対面接触していないことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
8. 前記半導体積層構造の上面から見た形状において、前記Ａ面の側面部分と前記Ｍ面の側面部分が渦巻きを形成するように交互に連結していることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系半導体発光素子。
9. 前記支持基板上の前記半導体積層構造は選択的横方向結晶成長の結果としての長方形断面形状を有し、その主面はＡ面であって、その側面はＣ面およびＭ面であり、それらの側面同士が対面接触していないことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
10. 前記半導体積層構造の上面から見た形状において、前記Ｃ面の側面部分と前記Ｍ面の側面部分が渦巻きを形成するように交互に連結していることを特徴とする請求項９に記載の窒化物系半導体発光素子。
11. 前記支持基板上の前記半導体積層構造は選択的横方向結晶成長の結果としての長方形断面形状を有し、その主面はＭ面であって、その側面はＣ面およびＡ面であり、それらの側面同士が対面接触していないことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
12. 前記半導体積層構造の上面から見た形状において、前記Ｃ面の側面部分と前記Ａ面の側面部分が渦巻きを形成するように交互に連結していることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系半導体発光素子。
13. 前記半導体積層構造の光放射側面上に設けられた表面電極をさらに含み、この表面電極は直交する線分が連続した渦巻き形状を有することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
14. 前記活性層中の複数の前記発光部分は互いに異なるピーク波長の光を発し、前記発光素子はこれらのピーク波長の光が混色した色の光を放射することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
15. 請求項１から１４のいずれかの窒化物系半導体発光素子を製造するための方法であって、
    前記半導体積層構造は、下地層としての窒化ガリウム結晶層の凸部を起点として、互いに直交する横方向へ同時に結晶成長させることによって形成されることを特徴とする製造方法。
16. 前記半導体積層構造の表面上で前記下地層の前記凸部に対応する領域に電流ブロック膜が形成され、それによって、前記活性層のうちで前記横方向成長した領域内のみに電流を流すことが可能であることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
17. 前記半導体積層構造の表面上に放熱性ウェハを前記支持基板体として接着した後に、前記下地層を除去することを特徴とする請求項１５または１６に記載の製造方法。
18. 請求項１から１４に記載の窒化物系半導体発光素子から発する光を波長変換する蛍光体をも含み、全体として演色性の改善された白色光を放射し得ることを特徴とする白色発光装置。

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