JP2009158812A

JP2009158812A - 半導体発光装置

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Publication number: JP2009158812A
Application number: JP2007337343A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiko Sakai; 光彦酒井; Shunji Nakada; 俊次中田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】１チップで、平坦化され、高輝度、多色発光可能な半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体基板２０と、半導体基板２０上に配置された第１の半導体発光素子５０と、第１の半導体発光素子５０上に配置された第１のアノード電極３４と、半導体基板２０に形成された溝の内部に配置された基板１０と、基板１０上に配置された第２の半導体発光素子４０と、第２の半導体発光素子４０上に配置された第２のアノード電極１００と、第１のアノード電極３４および第２のアノード電極１００が配置された側と反対側の半導体基板２０上に配置されたカソード電極４００とを備えることを特徴とする半導体発光装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特に、多色発光可能な半導体発光装置に関する。

複数の異なる色の光を発光することのできる発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの多波長半導体発光素子が開発されている。

例えば、１つの半導体基板上に異なる半導体材料により発光層形成部が少なくとも２個形成される１チップ型の半導体発光素子の製法に関しては、既に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の半導体発光素子においては、少なくとも２個形成される発光層形成部の一方は、ＡｌＧａＩｎＰの４元系化合物半導体層で形成され、他方はＧａＰからなる化合物半導体層で形成されている。

一方、例えば、一つの基板上に２波長の発光素子を実現して、白色または多様な混合色を形成できかつ、簡単な工程で製作することのできる白色発光ダイオード及びその製造方法についても、既に開示されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２の白色発光ダイオードにおいては、第１の発光部を構成する活性層は、ＡｌＧａＩｎＰの４元系化合物半導体層で形成され、第２の発光部を構成する活性層は、ＩＩ―ＶＩ族の化合物半導体層で形成されている。結果として、基板上に６３５〜７８０ｎｍの波長領域を有するIII−Ｖ族の化合物半導体と、４５０〜５５０ｎｍの波長領域を有するＩＩ―ＶＩ族の化合物半導体とを成長させることで、白色及び多様な可視光領域の波長帯を実現している。

さらに、例えば、ＩｎＡｌＧａＮが積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、特に１チップで多色発光可能にできる発光素子についても、既に開示されている（例えば、特許文献３参照。）。特許文献３の発光素子においては、ＩｎＡｌＧａＮからなる活性層にドーピングを実施することによって、多色発光を実現している。

従来は２色以上の発光には、エピタキシャル成長を２回行うか、１度のエピタキシャル成長で発光波長の違う活性層を作りこむ必要があった。

図２０（ａ）は、第１の半導体発光素子５０と第２の半導体発光素子４０を形成する際、エピタキシャル成長を２回行うことによって、発光波長の違う活性層を作りこむ従来構造例を模式的に示し、図２０（ｂ）は、第１の半導体発光素子５０と第２の半導体発光素子４０を形成する際、連続したエピタキシャル成長を行い、１度のエピタキシャル成長で発光波長の違う活性層を作りこむ従来構造例を模式的に示す。

しかしながら、青色〜緑色発光のＬＥＤは窒化ガリウム系半導体材料で形成し、黄緑色〜赤色発光のＬＥＤはＩｎＧａＡｌＰ系半導体材料で形成する必要があり、材料系が違うため、高効率なエピタキシャル成長層を使うことが難しかった。
特許第３８１７３２３号特開２００２−４３６２４号公報特許番号第２９１００２３号

本発明の目的は、リセス構造を利用して平坦化され、１チップ化され、高輝度、多色発光可能な半導体発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に配置された第１の半導体発光素子と、前記第１の半導体発光素子上に配置された第１のアノード電極と、前記第１の半導体基板に形成された溝の内部に配置され基板と、前記基板上に配置された第２の半導体発光素子と、前記第２の半導体発光素子上に配置された第２のアノード電極と、前記第１のアノード電極および前記第２のアノード電極が配置された側と反対側の前記半導体基板上に配置されたカソード電極とを備えることを特徴とする半導体発光装置が提供される。

本発明の実施の形態に係る半導体発光装置においては、窒化ガリウム系のＬＥＤとＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤを、リセス構造を利用して１チップ化し、２色以上の半導体発光装置を実現することができる。

基板電極を共通カソード電極とすることで、カソードコモン構成で、窒化ガリウム系のＬＥＤとＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤの光を上側に取り出すことが可能である。

本発明によれば、リセス構造を利用して平坦化され、１チップ化され、高効率のＬＥＤを使うことで輝度が向上し、多色発光可能な半導体発光装置を提供するができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

以下の本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、「透明」とは、透過率が約５０％以上であるものと定義する。「透明」とは、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置において、可視光線に対して、無色透明という意味で使用する。可視光線は波長約３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ程度、エネルギー約３．４ｅＶ〜１．５ｅＶ程度に相当し、この領域で吸収および反射,散乱を起こさなければ、透明である。

透明性はバンドギャップＥ_gとプラズマ周波数ω_pによって決定される。バンドギャップＥ_gが約３．１ｅＶ以上である場合、可視光線では電子のバンド間遷移が起こらないため、可視光線を吸収せずに透過する。一方、プラズマ周波数ω_pよりも低エネルギーの光は、プラズマ内部に進入できないため、プラズマとみなせるキャリアによって、反射される。プラズマ周波数ω_pは、キャリア密度をｎ、電荷をｑ、誘電率をε、有効質量をｍ^*とすると、ω_p＝（ｎｑ²／εｍ^*）^1/2で表され、キャリア密度の関数である。

[第１の実施の形態]
（素子構造）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置は、図１（ａ）に示すように、半導体基板２０と、半導体基板２０上に配置された第１の半導体発光素子５０と、第１の半導体発光素子５０上に配置された第１のアノード電極３４と、半導体基板２０に形成された溝の内部に配置され基板１０と、基板１０上に配置された第２の半導体発光素子４０と、第２の半導体発光素子４０上に配置された第２のアノード電極１００と、第１のアノード電極３４および第２のアノード電極１００が配置された側と反対側の半導体基板２０上に配置されたカソード電極（半導体基板電極）４００とを備える。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置は、図１（ａ）に示すように、溝の内部に配置された電極１９をさらに備える。

また、基板１０は、半導体基板２０と溝内において、電極１９を介して接続される。
また、基板１０は、ＳｉＣ基板若しくはＧａＮ基板からなる。
また、半導体基板２０は、ＧａＡｓ基板若しくはＧａＰ基板からなる。
また、第１の半導体発光素子５０および第２の半導体発光素子４０は、発光ピークの波長が１波長、若しくは２波長の半導体発光素子で構成されていても良い。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置においては、例えば第１の半導体発光素子５０として、ＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤ（赤色若しくは黄緑色）を適用し、第２の半導体発光素子４０として、窒化ガリウム系のＬＥＤ（青色）を適用し、２色以上の半導体発光装置を実現することができる。

ここで、第２の半導体発光素子４０は、図４に示すように、窒化ガリウム系のＬＥＤ（青色）を適用する場合、基板１０上に配置されており、第２の半導体発光素子４０上には、第２のアノード電極１００が配置される。このような第２の半導体発光素子４０は、基板１０の形状を、例えば図１（ａ）に示すように、逆テーパ形状を有する台形状に加工することで、半導体基板２０に形成された溝内に、安定的に載置することができる。

ここで、半導体基板２０として、ＧａＡｓ基板を用いた場合には、半導体基板２０は、ＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤ（赤色若しくは黄緑色）からの光に対して透明ではなく、ＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤ（赤色若しくは黄緑色）からの光は、半導体基板２０で吸収される。

一方、半導体基板２０として、ＧａＰ基板を用いた場合には、ＧａＰ基板２０は、ＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤ（赤色若しくは黄緑色）からの光に対して透明である。

第２の半導体発光素子４０として、窒化ガリウム系のＬＥＤ（青色）を適用する場合、基板１０として、導電性の基板を使用する必要がある。基板１０として、導電性の基板を使用することで、窒化ガリウム系のＬＥＤ（青色）のカソード電極を基板１０側から取り出すためである。

また、第２の半導体発光素子４０のカソード電極を共通のカソード電極４００とすることで、図１（ｂ）に示すように、コモンカソード構成の回路構成とすることができ、後述するように、平面パターン構成も、上部表面上、電極パッドが第１のアノード電極３４と、第２のアノード電極１００の２個のみとなり、平面パターン構成が簡単化されるとともに
パッケージ全体も縮小化可能である。

前述の通り、基板１０としては、ＳｉＣ基板若しくはＧａＮ基板を適用することができる。基板１０は、例えばＡｇペーストなどからなる電極１９を介して、半導体基板２０と電気的に接続され、第２の半導体発光素子４０のカソード領域（ｎ型半導体層１２）を共通のカソード電極４００に接続することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置においては、例えば第１の半導体発光素子５０として、ＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤ（赤色若しくは黄緑色）を適用し、第２の半導体発光素子４０として、窒化ガリウム系のＬＥＤ（青色）を適用し、第１の半導体発光素子５０および第２の半導体発光素子４０のいずれからも、半導体基板２０とは反対側の上部方向に光を取り出すことができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置においては、例えば第１のアノード電極３４および第２のアノード電極１００の配置幅を狭く形成して、上部表面側からの外部発光効率を高めることも可能である。

（変形例１）
本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光装置は、図２（ａ）に示すように、半導体基板２０と、半導体基板２０上に配置された第１の半導体発光素子５０と、第１の半導体発光素子５０上に配置された第１のアノード電極３４と、半導体基板２０に形成された溝の内部に配置され基板１０と、基板１０上に配置された第２の半導体発光素子４０と、第２の半導体発光素子４０上に配置された第２のアノード電極１００と、第１のアノード電極３４および第２のアノード電極１００が配置された側と反対側の半導体基板２０上に配置されたカソード電極４００とを備える。

第１の半導体発光素子５０は、例えば図５に示すように、半導体基板２０上に配置された反射積層膜２４と、反射積層膜２４上に配置され,ＡｌＩｎＰからなるｎ型クラッド層２６と、ｎ型クラッド層２６上に配置された活性層２８と、活性層２８上に配置され, ＡｌＩｎＰからなるｐ型クラッド層３０と、ｐ型クラッド層３０上に配置されたＧａＰウィンドウ層３２とを備える。

反射積層膜２４は、例えばＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層／(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層の積層構造からなる赤色光用のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）膜を用いることができる。ここで、活性層２８からの発光波長をλとすると、Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層の厚さｄ１および(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層の厚さｄ２は、ｄ１＝λ／４ｎ₁、ｄ２＝λ／４ｎ₂となるように形成する。ここで、ｎ₁はＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層の屈折率であり、ｎ₂は(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層の屈折率である。活性層２８からの発光波長が黄緑色の場合においても、反射積層膜２４は、例えばＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層／(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層の積層構造からなる黄緑色光用のＤＢＲ膜を用いることができる。各層の厚さ、発光波長、屈折率の関係は、上記と同様に設定することができる。

積層構造を形成するための他の材料としては、ＴｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃などを用いることもできる。さらにまた、積層構造を形成するための他の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）を用いることもできる。

本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光装置は、図２（ａ）に示すように、溝の内部に配置された電極１９をさらに備える。

本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光装置においても、その他の構成は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置と同様であるため、説明を省略する。

（変形例２）
本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光装置は、図３（ａ）に示すように、半導体基板２０と、半導体基板２０上に配置された第１の半導体発光素子５０と、第１の半導体発光素子５０上に配置された第１のアノード電極３４と、半導体基板２０に形成された溝の内部に配置され基板１０と、基板１０上に配置された第２の半導体発光素子４０と、第２の半導体発光素子４０上に配置された第２のアノード電極１００と、第１のアノード電極３４および第２のアノード電極１００が配置された側と反対側の半導体基板２０上に配置されたカソード電極４００とを備える。

第１の半導体発光素子５０は、図５に示すように、半導体基板２０上に配置された反射積層膜２４と、反射積層膜２４上に配置され,ＡｌＩｎＰからなるｎ型クラッド層２６と、ｎ型クラッド層２６上に配置された活性層２８と、活性層２８上に配置され, ＡｌＩｎＰからなるｐ型クラッド層３０と、ｐ型クラッド層３０上に配置されたＧａＰウィンドウ層３２とを備える。

反射積層膜２４は、変形例１と同様に構成することができる。

第２の半導体発光素子４０は、図３（ａ）に示すように、基板１０上に配置されたバッファ層１６と、バッファ層１６上に配置され、ｎ型不純物が不純物添加されたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に配置された活性層１３と、活性層１３上に配置されたｐ型半導体層１４とを備える。

また、図３（ａ）に示すように、ｐ型半導体層１４上には、透明電極１５をさらに備えていても良い。

また、図３（ａ）に示すように、透明電極１５上には、反射積層膜１８を配置しても良い。

透明電極１５は、例えば厚さ約０．１μｍ〜１０μｍ程度のＺｎＯ膜で形成する。さらに、望ましくは、透明電極１５は、約１μｍ程度のＺｎＯ膜で形成すると良い。他の透明電極１５の材料としては、ＩＴＯ、酸化インジウムなどを適用することができる。

反射積層膜１８は、反射積層膜２４と同様に、λ／４ｎ₁とλ／４ｎ₂の積層構造（ｎ₁，ｎ₂は積層する層の屈折率）を有するＤＢＲ膜で構成することができる。積層構造に用いる材料としては、例えばλ＝４５０ｎｍの青色光に対して、ＺｒＯ₂(ｎ＝２．１２)とＳｉＯ₂(ｎ＝１．４６)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ＺｒＯ₂を、例えば約５３ｎｍ、ＳｉＯ₂を、例えば約７７ｎｍとしている。積層構造を形成するための他の材料としては、ＴｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃などを用いることもできる。

本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光装置は、図３（ａ）に示すように、溝の内部に配置された電極１９をさらに備える。

本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光装置においても、その他の構成は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置と同様であるため、説明を省略する。

（具体的構成例）
―赤色ＬＥＤ―
本発明の第１の実施の形態およびその変形例１、２に係る半導体発光装置に適用可能な赤色ＬＥＤは、図６に示すように、ＧａＡｓからなる半導体基板２０と、半導体基板２０上に配置されたＧａＡｓバッファ層２２と、ＧａＡｓバッファ層２２上に配置されたＡｌＩｎＰ／（ＡｌＧａ）ＩｎＰの積層構造からなる反射積層膜（ＤＢＲ）２４と、反射積層膜２４上に配置され，例えばＡｌＩｎＰからなるｎ型クラッド層２６と、ｎ型クラッド層２６上に配置され，例えば(Ａｌ₀Ｇａ_1.0)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウェル層と(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリア層の多重量子井戸構造の活性層２８と、活性層２８上に配置され，例えばＡｌＩｎＰからなるｐ型クラッド層３０と、ｐ型クラッド層３０上に配置されたＩｎＧａＡｌＰ層３１と、ＩｎＧａＡｌＰ層３１上に配置されたＧａＰウィンドウ層３２と、ＧａＰウィンドウ層３２上に配置され，エッチングストップ層となる（ＡｌＧａ）ＩｎＰ層３６と、（ＡｌＧａ）ＩｎＰ層３６上に配置されたＧａＡｓ層（エッチングストップ層）３８とを備える。エピタキシャル成長層５００は、連続した結晶成長によって形成される。

―黄緑色ＬＥＤ―
本発明の第１の実施の形態およびその変形例１、２に係る半導体発光装置に適用可能な黄緑色ＬＥＤは、図６の構造と同様に構成可能である。ただし、活性層２８の構造を、例えば(Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウェル層と(Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリア層の多重量子井戸構造とすれば良い。その他の構造は図６と同様であるため、説明を省略する。

―青色ＬＥＤ―
本発明の本発明の第１の実施の形態およびその変形例１、２に係る半導体発光装置に適用可能な青色ＬＥＤは、図７（ａ）に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたバッファ層１６と、バッファ層１６上に配置され、ｎ型不純物が不純物添加されたｎ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１２上に配置され、ｎ型半導体層１２より低い濃度でｎ型不純物が不純物添加されたブロック層１７と、ブロック層１７上に配置された活性層１３と、活性層１３上に配置されたｐ型半導体層１４と、ｐ型半導体層１４上に配置された透明電極１５とを備える。

活性層１３は、図７（ｂ）に示すように、バリア層３１１〜３１ｎ、３１０とそのバリア層３１１〜３１ｎ、３１０よりバンドギャップが小さい井戸層３２１〜３２ｎが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層１３に含まれる第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎを総称して「バリア層」という。また、活性層１３に含まれるすべての井戸層３２１〜３２ｎを総称して「井戸層」という。

上記の積層構造の最上層の最終バリア層３１０の膜厚は、その最終バリア層３１０以外の積層構造に含まれる他のバリア層（第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ）の厚さより厚く形成されていてもよい。

図７に示した半導体発光素子では、最終バリア層３１０のｐ型ドーパンドの濃度が、ｐ型半導体層１４に接する最終バリア層３１０の第１主面から最終バリア層３１０の膜厚方向に沿って漸減し、第１主面に対向する第２主面においてｐ型ドーパンドが存在しない。

基板１０には、例えば、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ｃ面（０００１）,０．２５°オフのサファイア基板などが採用可能である。

ｎ型半導体層１２、活性層１３及びｐ型半導体層１４はそれぞれＩＩＩ族窒化物系半導体からなり、基板１０上にバッファ層１６、ｎ型半導体層１２、ブロック層１７、活性層１３及びｐ型半導体層１４が順次積層される。

ｐ型半導体層１４は、図７（ａ）に示すように、活性層１３の上部に配置され,ｐ型不純物を含む第１窒化物系半導体層４１と、第１窒化物系半導体層４１上に配置され,第１窒化物系半導体層４１のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第２窒化物系半導体層４２と、第２窒化物系半導体層４２上に配置され,第２窒化物系半導体層４２のｐ型不純物よりも高濃度のｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３と、第３窒化物系半導体層４３上に配置され,第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４とを備える。

第２窒化物系半導体層４２の厚さは、第１窒化物系半導体層４１、或いは第３窒化物系半導体層４３乃至第４窒化物系半導体層４４の厚さよりも厚く形成される。

活性層１３は、図７（ｂ）に示すように、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ及び最終バリア層３１０でそれぞれ挟まれた第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎを有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である（ｎ：自然数）。つまり、活性層１３は、井戸層を井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をｎ回積層したｎペア構造を有する。

具体的には、第１井戸層３２１は第１バリア層３１１と第２バリア層３１２の間に配置され、第２井戸層３２２は第２バリア層３１２と第３バリア層３１３の間に配置される。そして、第ｎ井戸層３２ｎは第ｎバリア層３１ｎと最終バリア層３１０の間に配置される。活性層１３の第１バリア層３１１は、ｎ型半導体層１２上にブロック層１７を介して配置され、活性層１３の最終バリア層３１０上にはｐ型半導体層１４（４１〜４４）が配置される。

井戸層３２１〜３２ｎは、例えばＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層によって形成され、バリア層３１１〜３１ｎ，３１０は、例えばＧａＮ層によって形成される。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置およびその変形例１、２に適用可能な別の青色ＬＥＤは、図８に示すように、ｐ型半導体層１４が、活性層１３の上部に配置されたｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３と、第３窒化物系半導体層４３上に配置され、第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４とからなる２層構造で形成されている点に特徴を有する。その他の構造は図７と同様であるため、説明を省略する。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置およびその変形例１、２に適用可能な青色ＬＥＤは、図９に示すように、ｐ型半導体層１４に電圧を印加するｐ側電極（第２のアノード電極）１００を更に備える。ｎ型半導体層１２には電圧を印加するｎ側電極は特に設けられてはいない。

ｎ型半導体層１２は、図１に示すように、基板１０および半導体基板２０に形成された溝の内壁に配置される電極１９を介して、カソード電極４００に接続される。

図１および図９に示す構造においては、基板１０には、例えば、導電性のＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などが採用可能である。

ｐ側電極（第２のアノード電極）１００は、ｐ型半導体層１４上に透明電極１５を介して配置される。或いはまた、ｐ側電極（第２のアノード電極）１００は、ｐ型半導体層１４上に直接配置されていても良い。第４窒化物系半導体層４４上に配置される透明電極１５は、例えば、ＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかを含む。

基板１０の裏面には、アルミニウム（Ａｌ）膜、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｎi／Ａｌの多層膜からなる電極構造を形成しても良い。上記電極構造は、バッファ層１６を介して、ｎ型半導体層１２に、オーミック接続される。

また、ｐ側電極（第２のアノード電極）１００は、例えばＡｌ膜、パラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金膜、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜からなる。ｐ側電極（第２のアノード電極）１００は、透明電極１５を介してｐ型半導体層１４に、それぞれオーミック接続される。

或いはまた、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置およびその変形例１、２に適用可能な青色ＬＥＤは、図８の構成において、図１０に示すように、ｐ型半導体層１４に電圧を印加するｐ側電極（第２のアノード電極）１００を更に備えていても良い。その他の構成は、図９と同様であるため、説明を省略する。

図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置およびその変形例１、２に適用可能な青色ＬＥＤを実装する際、ｐ側電極（第２のアノード電極）１００の配置幅を狭く形成して、上部表面側からの外部発光効率を高めた模式的断面構造を示す。図１１の構造において、透明電極１５としてＺｎＯを形成している。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例１、２に係る半導体発光装置は、２００μｍ×３００μｍの寸法を有する。このような微細パターンを有する多色発光の半導体発光装置によって、赤色、黄緑色、青色の２色発光、３色発光などの多色発光が可能となった。

赤色、黄緑色、青色の素子を個別に小さく形成しても、それを搭載するパッケージ台座の分、パッケージ全体の大きさが小さくならない。しかし、本発明の第１の実施の形態およびその変形例１、２に係る半導体発光装置を用いることで、例えば約１．５ｍｍ×１．３ｍｍ角程度のパッケージを、例えば約１．０ｍｍ×１．０ｍｍ角程度まで小さくすることが可能となった。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例１、２に係る半導体発光装置においては、第２の半導体発光素子４０の活性層１３を、例えばＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）／ＧａＮのＭＱＷ構造によって形成し、第１の半導体発光素子５０の活性層２８を、(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体で形成することによって、青色ＬＥＤと赤色若しくは黄緑色ＬＥＤを、実装化することができる。

例えば第１の半導体発光素子５０の活性層２８を、(Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウェル層と(Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリア層の多重量子井戸構造で形成することによって、黄緑色ＬＥＤを実装化可能となり、或いはまた、 (Ａｌ₀Ｇａ_1.0)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウェル層と(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリア層の多重量子井戸構造で形成することによって、赤色ＬＥＤを実装化可能となる。

組成比などを調整することによって、波長範囲約４５０ｎｍ〜７００ｎｍ程度において、所望の発光波長ピークを有する２色発光、３色発光、多色発光の半導体発光装置を得ることができる。

（平面パターン構成例）
図１２乃至図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の平面パターン構成例である。

図１２（ａ）は、半円形パターンを有する構成例、図１２（ｂ）は、三角形パターンを有する構成例、図１２（ｃ）は、矩形パターンを有する構成例を示す。

半導体基板２０上に赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤが配置され、機械認識のために、電極パッドの形状、もしくは反射率を変えている。

図１３（ａ）は、逆Ｓ字分離パターンを有する構成例、図１３（ｂ）は、鍵型分離パターンを有する構成例を示す。同様に、半導体基板２０上に赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤが配置され、機械認識のために、電極パッドの形状、もしくは反射率を変えている。

図１４（ａ）は、凸凹パターンを有する構成例、図１４（ｂ）は、鋸歯状型分離パターンを有する構成例を示す。同様に、半導体基板２０上に赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤが配置され、機械認識のために、電極パッドの形状、もしくは反射率を変えている。

半導体基板２０内に形成された溝の内部に青色ＬＥＤが配置されて２色発光の半導体発光装置を形成する場合、青色ＬＥＤでは、半導体基板２０に対して、溝に相当する段差形状が形成される。このため、この段差分の電極パッドの高さを認識することで、２つの電極パッドの差を認識することも可能である。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例１、２によれば、リセス構造を利用して平坦化され、１チップ化され、高効率のＬＥＤを使うことで輝度が向上し、多色発光可能な半導体発光装置を提供するができる。

[第２の実施の形態]
（素子構造）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置は、図１（ａ）と同様に、半導体基板２０と、半導体基板２０上に配置された第１の半導体発光素子５０と、第１の半導体発光素子５０上に配置された第１のアノード電極３４と、半導体基板２０に形成された溝の内部に配置され基板１０と、基板１０上に配置された第２の半導体発光素子４０と、第２の半導体発光素子４０上に配置された第２のアノード電極１００と、第１のアノード電極３４および第２のアノード電極１００が配置された側と反対側の半導体基板２０上に配置されたカソード電極４００とを備える。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置は、基板１０をサファイア基板により構成したことを特徴とする。基板１０をサファイア基板とすることで、カソード電極は基板１０側から、共通のカソード電極４００として取り出すことはできない。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置においては、カソード電極を第２の半導体発光素子４０側から取る必要がある。したがって、後述する図１５乃至図１６に示すように、カソード電極２００或いは３００を第２の半導体発光素子４０のｎ型半導体層１２上に配置する。

第２の実施の形態に係る半導体発光装置においても、第１の半導体発光素子５０として、図５乃至図６の構造を適用することができる。

また、第２の実施の形態に係る半導体発光装置においても、第２の半導体発光素子４０として、図７乃至図１１の構造を適用することができる。

その他の構造は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置と同様であり、説明を省略する。

本発明の第２の実施の形態の変形例１，２に係る半導体発光装置も、図２（ａ）、図３（ａ）と同様に構成することができる。

（具体的構成例）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置に適用可能な青色ＬＥＤは、図１５に示すように、ｎ型半導体層１２に電圧を印加するｎ側電極２００と、ｐ型半導体層１４に電圧を印加するｐ側電極（第２のアノード電極）１００を更に備える。図１５に示すように、ｐ型半導体層１４、活性層１３、ブロック層１７、及びｎ型半導体層１２の一部領域をメサエッチングして露出させたｎ型半導体層１２の表面に、ｎ側電極（カソード電極）２００が配置される。

ｎ側電極（カソード電極）２００は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｎi／Ａｌの多層膜からなり、ｐ側電極（第２のアノード電極）１００は、例えばＡｌ膜、パラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金膜、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜からなる。そして、ｎ側電極２００はｎ型半導体層１２に、ｐ側電極（第２のアノード電極）１００は、透明電極１５を介してｐ型半導体層１４に、それぞれオーミック接続される。

図１６は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置に適用可能な青色ＬＥＤを実装する際、ｐ側電極（第２のアノード電極）１００の配置幅を狭く形成して、上部表面側からの外部発光効率を高めるとともに、ｐ側電極（第２のアノード電極）１００の表面とｎ側電極（カソード電極）３００の表面を、基板１０から測った高さが略同じ高さとなるように形成している。ｎ側電極（カソード電極）３００は、ｎ側電極（カソード電極）２００と同様に、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｎi／Ａｌの多層膜からなる。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置は、２００μｍ×３００μｍの寸法を有する。このような微細パターンを有する多色発光の半導体発光装置によって、赤色、黄緑色、青色の２色発光、３色発光などの多色発光が可能となった。

赤色、黄緑色、青色の素子を個別に小さく形成しても、それを搭載するパッケージ台座の分、パッケージ全体の大きさが小さくならない。しかし、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置を用いることで、例えば約１．５ｍｍ×１．３ｍｍ角程度のパッケージを、例えば約１．０ｍｍ×１．０ｍｍ角程度まで小さくすることが可能となった。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置においては、第２の半導体発光素子４０の活性層１３を、例えばＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）／ＧａＮのＭＱＷ構造によって形成し、第１の半導体発光素子５０の活性層２８を、(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体で形成することによって、青色ＬＥＤと赤色若しくは黄緑色ＬＥＤを実装化することができる。

例えば第１の半導体発光素子５０の活性層２８を、(Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウェル層と(Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリア層の多重量子井戸構造で形成することによって、黄緑色ＬＥＤを実装化可能となり、或いはまた、(Ａｌ₀Ｇａ_1.0)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐウェル層と(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリア層の多重量子井戸構造で形成することによって、赤色ＬＥＤを実装化可能となる。

（平面パターン構成例）
図１７乃至図１９は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の平面パターン構成例である。

図１７（ａ）は、半円形パターンを有する構成例、図１７（ｂ）は、三角形パターンを有する構成例、図１７（ｃ）は、矩形パターンを有する構成例、図１７（ｄ）は４端子回路構成例を示す。

半導体基板２０上に赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤが配置され、機械認識のために、電極パッドの形状、もしくは反射率を変えている。赤色ＬＥＤには、第１のアノード電極３４用の電極パッドが配置されている。青色ＬＥＤには、カソード電極３００および透明電極１５上に第２のアノード電極１００用の電極パッドが配置されている。カソード電極３００は、半導体基板２０に配置されたカソード電極４００と電気的に共通になされていても良い。カソード電極３００をカソード電極４００と電気的に共通にすることによって、図１（ｂ）の回路構成と同様に、カソードコモン構成を形成することができる。或いはまた、図１７（ｄ）に示すように、カソード端子を分離して、４端子回路構成として形成することもできる。

図１８（ａ）は、逆Ｓ字分離パターンを有する構成例、図１８（ｂ）は、鍵型分離パターンを有する構成例を示す。同様に、半導体基板２０上に赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤが配置され、機械認識のために、電極パッドの形状、もしくは反射率を変えている。

図１９（ａ）は、凸凹パターンを有する構成例、図１９（ｂ）は、鋸歯状型分離パターンを有する構成例を示す。同様に、半導体基板２０上に赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤが配置され、機械認識のために、電極パッドの形状、もしくは反射率を変えている。

本発明の第２の実施の形態およびその変形例によれば、リセス構造を利用して平坦化され、１チップ化され、高効率のＬＥＤを使うことで輝度が向上し、多色発光可能な半導体発光装置を提供するができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１乃至第２の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子として、主としてＬＥＤを例に説明したが、レーザダイオード（ＬＤ:Laser Diode）を構成してもよく、その場合には、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）ＬＤ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ＬＤ、面発光ＬＤなどを構成しても良い。

既に述べた実施の形態の説明においては、活性層が、それぞれバリア層で挟まれた複数の井戸層を有するＭＱＷ構造である場合を示したが、活性層が１つの井戸層を含み、この井戸層とｐ型半導体層間に配置された最終バリア層の膜厚を、Ｍｇの拡散距離より厚くした構造であってもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る半導体発光装置は、半導体発光素子を２色、３色のパッケージなどの小型パッケージに組み込み、携帯電話などに組み込む半導体発光装置全般に利用可能である。

（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の模式的断面構造図、（ｂ）（ａ）に対応する回路構成図。（ａ）本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光装置の模式的断面構造図、（ｂ）（ａ）に対応する回路構成図。（ａ）本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る半導体発光装置の模式的断面構造図、（ｂ）（ａ）に対応する回路構成図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用される第１の半導体発光素子の例であって、基板上に青色ＬＥＤを形成した模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用される第２の半導体発光素子の例であって、ＧａＡｓ基板上に赤色ＬＥＤを形成した模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用される赤色ＬＥＤの詳細な模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用される青色ＬＥＤの詳細な模式的断面構造図であって、(ａ) 半導体発光素子部分の模式的断面構造図、（ｂ）活性層部分の拡大された模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用される別の青色ＬＥＤの詳細な模式的断面構造図であって、(ａ) 半導体発光素子部分の模式的断面構造図、（ｂ）活性層部分の拡大された模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用可能な青色ＬＥＤにおいて、ｐ側電極まで形成した模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用可能な別の青色ＬＥＤにおいて、ｐ側電極まで形成した模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置に適用可能な青色ＬＥＤにおいて、ｐ側電極の配置幅を狭く形成して、上部表面側からの外部発光効率を高めた模式的断面構造図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の平面パターン構成例であって、（ａ）半円形パターンを有する構成図、（ｂ）三角形パターンを有する構成図、（ｃ）矩形パターンを有する構成図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の別の平面パターン構成例であって、（ａ）逆Ｓ字分離パターンを有する構成図、（ｂ）鍵型分離パターンを有する構成図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子のさらに別の平面パターン構成例であって、（ａ）凸凹パターンを有する構成図、（ｂ）鋸歯状型分離パターンを有する構成図。本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置に適用可能な青色ＬＥＤにおいて、ｐ側電極およびｎ側電極まで形成した模式的断面構造図。本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置に適用可能な青色ＬＥＤにおいて、ｐ側電極の配置幅を狭く形成して、上部表面側からの外部発光効率を高めるとともに、ｐ側電極およびｎ側電極の高さを略同程度に形成した模式的断面構造図。本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の平面パターン構成例であって、（ａ）半円形パターンを有する構成図、（ｂ）三角形パターンを有する構成図、（ｃ）矩形パターンを有する構成図、（ｄ）４端子回路構成例。本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の別の平面パターン構成例であって、（ａ）逆Ｓ字分離パターンを有する構成図、（ｂ）鍵型分離パターンを有する構成図。本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子のさらに別の平面パターン構成例であって、（ａ）凸凹パターンを有する構成図、（ｂ）鋸歯状型分離パターンを有する構成図。従来例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図であって、（ａ）エピタキシャル成長を２回行うことによって、発光波長の違う活性層を作りこむ例、（ｂ）連続したエピタキシャル成長を行い、１度のエピタキシャル成長で発光波長の違う活性層を作りこむ例。

符号の説明

１０…基板
１２…ｎ型半導体層
１３、２８…活性層
１４…ｐ型半導体層
１５…透明電極
１６…バッファ層
１７…ブロック層
１８、２４…反射積層膜（ＤＢＲ）
１９…電極
２０…半導体基板
２２…ＧａＡｓバッファ層
２６…ｎ型クラッド層
３０…ｐ型クラッド層
３１…ＩｎＧａＡｌＰ層
３２…ＧａＰウィンドウ層
３４…第１のアノード電極（ｐ側電極）
３６…ＡｌＧａＩｎＰ層
３８…ＧａＡｓ層（エッチングストップ層）
４０…第１の半導体発光素子（ＬＥＤ１）
４１…第１窒化物系半導体層
４２…第２窒化物系半導体層
４３…第３窒化物系半導体層
４４…第４窒化物系半導体層
５０…第２の半導体発光素子（ＬＥＤ２）
１００…第２のアノード電極（ｐ側電極）
１２０…ＧｓＡｓバッファ層
２００、３００…カソード電極（ｎ側電極）
３１０…最終バリア層
３１１〜３１ｎ…バリア層
３２１〜３２ｎ…井戸層
４００…カソード電極（半導体基板電極）
５００…エピタキシャル成長層

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第１の半導体発光素子と、
前記第１の半導体発光素子上に配置された第１のアノード電極と、
前記第１の半導体基板に形成された溝の内部に配置され基板と、
前記基板上に配置された第２の半導体発光素子と、
前記第２の半導体発光素子上に配置された第２のアノード電極と、
前記第１のアノード電極および前記第２のアノード電極が配置された側と反対側の半導体基板上に配置されたカソード電極と
を備えることを特徴とする半導体発光装置。
前記溝の内部に配置された電極をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記基板は、前記半導体基板と前記溝内において、前記電極を介して接続されることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
前記基板は、ＳｉＣ基板若しくはＧａＮ基板からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
前記基板は、サファイア基板からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記半導体基板は、ＧａＡｓ基板若しくはＧａＰ基板からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
第１の半導体発光素子および前記第２の半導体発光素子は、発光ピークの波長が１波長、若しくは２波長の半導体発光素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光装置。