JP3305509B2 - 半導体発光素子およびその作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は画像や文字の表示、光通
信等に用いられる半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子は、電力を光に変換する
効率が高く、消費電力が少なく、また入力信号に対する
応答性が高い等の多くの利点を持つているため、画像や
文字の表示、光通信等に幅広く利用されている。可視光
を出力する半導体発光素子は、パイロットランプ用の豆
電球と置き換わるばかりでなく、電光表示板や車の補助
ストップランプ等にも用いられている。ＡlＧaＡsを利
用した赤色発光素子、ＧaＰを利用した緑黄色発光素子
は古くから実用化されている。また、近年になってＧa
Ｎを利用した青色発光素子も良品質のものが報告されて
いる（Ｓ．Ｎakamura：Ｃonference digest of ７th Ｉ
nternational Ｃonference on Ｍetalorganic Ｖapor
Ｐhase Ｅpitaxy，Ｙokohama １９９４，Ａ９-１）。こ
の青色発光素子の実用化により、光の３原色すべてを半
導体発光素子により作り出すことができ、半導体発光素
子を用いた表示の多色化が原理的には可能となった。赤
・緑・青の３原色から白色光を初めとするさまざまな色
を作るためには、近接した位置でそれぞれの原色を発光
させなくてはならない。従来技術で実用化されている発
光素子を用いて白色光を得るためには、素子のサイズの
制約から一つの画素が大きくなり、小型の表示画面を作
製することが難しい。現在の半導体成長技術では、青色
発光素子に用いられている窒化物系の半導体は、結晶成
長温度が１０００℃程度と極めて高い。そのため、他の
色の発光素子構造と一緒に作製しようとすると、上記の
温度では他の色の発光素子構造は破壊されてしまうとい
う問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したごとく従来技
術においては、赤・緑・青の３原色から白色光を初めと
するさまざまな色を作るためには、近接した位置でそれ
ぞれの原色を発光させるようにしなくてはならないの
で、素子のサイズの制約から一つの画素が大きくなり、
小型の表示画面を作製することは困難であるという問題
があった。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消し、同一の基板上に複数の色を発光し得る素
子構造を作製することができ、発光素子のサイズの制約
をなくし、単一の素子構造で多色化が可能な半導体発光
素子およびその製造方法を提供することにある。具体的
には、緑・青で発光する窒化物半導体よりなる構造を、
ヒ素あるいはリンを含む素子構造の上に直接成長するこ
とが可能な半導体発光素子構造を提案する。また、本発
明の半導体発光素子の作製方法は、ヒ素またはリンを含
む半導体からなる発光する素子構造を破壊することな
く、窒化物による緑色・青色発光する素子構造を成長さ
せ、多色で発光する半導体発光素子を作製する方法を提
供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、複数の色を
近接して発光させるために、同一基板上に異なる発光波
長をもつ素子構造を作製することを知見した。すなわ
ち、窒化物からなる緑色・青色で発光する半導体の結晶
成長温度を、ヒ素またはリンを含む半導体からなる素子
構造を破壊しない温度にまで下げる手法を見出し、青色
で発光する素子構造と他の色で発光する素子構造とを同
一基板上に作製して多色で発光する半導体発光素子構造
とするものである。本発明の目的を達成するために、本
発明は特許請求の範囲に記載されているような構成とす
るものである。すなわち、請求項１に記載のように、赤
色および青色の発光を独立に制御して発光することがで
きる半導体発光素子において、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧ
ａＡｓ層およびＧａＡｓ層で構成される赤色発光素子の
最上層となるｎ−ＧａＡｓ保護層の上に、ｎ−ＧａＮバ
ッファ層を最下層とするＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層で
構成される青色発光素子が直接結晶成長させて積み重な
った構造を有する半導体発光素子とするものである。ま
た、請求項２に記載のように、黄色または緑色もしくは
青色の発光を独立に制御して発光することができる半導
体発光素子において、ＧａＰ基板上にＧａＡｓＰ層およ
びＧａＰ層で構成される黄色または緑色の発光素子の最
上層となるｎ−ＧａＰ保護層の上に、ｎ−ＧａＮバッフ
ァ層を最下層とするＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層で構成
される青色発光素子が直接結晶成長させて積み重なった
構造を有する半導体発光素子とするものである。また、
請求項３に記載のように、赤色および緑色の発光を独立
に制御して発光することができる半導体発光素子におい
て、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ層およびＧａＡｓ層
で構成される赤色発光素子の最上層となるｎ−ＧａＡｓ
保護層の上に、ｎ−ＧａＮバッファ層を最下層とするＩ
ｎＧａＮ層およびＧａＮ層で構成される緑色発光素子が
直接結晶成長させて積み重なった構造を有する半導体発
光素子とするものである。また、請求項４に記載のよう
に、赤色、青色、および緑色の発光を独立に制御して発
光することができる半導体発光素子において、ＧａＡｓ
基板上にＡｌＧａＡｓ層およびＧａＡｓ層で構成される
赤色発光素子の最上層となるｎ−ＧａＡｓ保護層の上
に、ｎ−ＧａＮバッファ層を最下層とするＧａＮ層およ
びＡｌＧａＮ層で構成される青色発光素子、およびｎ−
ＧａＮバッファ層を最下層とするＩｎＧａＮ層およびＧ
ａＮ層で構成される緑色発光素子の各々が直接結晶成長
させて積み重なった構造を有する半導体発光素子とする
ものである。また、請求項５に記載のように、請求項１
ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子
の作製方法であって、有機金属気相成長法により、Ｇａ
ＡｓもしくはＧａＰ基板上に窒素を含む半導体からなる
発光素子を形成する方法において、窒素もしくはアンモ
ニアを原料として高周波プラズマにより活性窒素を発生
させる工程と、上記ＧａＡｓもしくはＧａＰ基板の温度
を５００℃〜７００℃に調整し、有機金属ガスと上記活
性窒素とを反応させて、上記ＧａＡｓもしくはＧａＰ基
板上に窒素を含む半導体からなる積層構造を作製する工
程とを、含む半導体発光素子の作製方法とするものであ
る。

【０００６】

【作用】半導体発光素子の発光する素子構造は、基板上
に薄膜結晶を成長することにより作製されている。緑色
・青色で発光するバンドギャップの大きな半導体を赤色
で発光する素子構造の上に作製した場合、バンドギャッ
プの大きな半導体は波長の長い赤色光を吸収しないた
め、赤色光は減衰することなく表面から取り出すことが
できる。しかし従来の結晶成長技術において、青色で発
光する窒化物系の半導体は結晶成長温度が１０００℃程
度と極めて高い。この温度では、赤色で発光するＡlＧa
Ａs／ＧaＡs系半導体は表面からヒ素が蒸発したり、素
子構造の界面やドーピングした不純物の分布が熱拡散に
よって変化したりする等のダメージが顕著になり、発光
素子構造は破壊されてしまう。緑色発光素子の材料であ
るＧaＰ系半導体や、赤外で発光し光通信素子に用いら
れているＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ系の半導体も同様に高温に
は耐えられないという欠点がある。窒化物半導体の成長
に高い温度を必要とする理由には、窒素原料の分解温度
が高いこと、III族元素と窒素原子の結合力が強いため
低温では表面での原子の移動距離が短いこと、等が挙げ
られる。本発明の半導体発光素子は、請求項１、請求項
２、請求項３または請求項４に記載のように、Ｖ族元素
としてヒ素とリンを単独もしくは同時に含むIII-Ｖ族化
合物半導体からなる素子構造の上に、Ｖ族元素として窒
素を含む半導体からなる素子構造を直接成長した構造の
半導体発光素子とするものであり、このような発光素子
構造とすることにより、青・緑を含む複数の色で発光す
る素子構造を同一基板上に作製することができ、多色で
発光する小型の表示画面等を実現することが可能とな
る。また、請求項５に記載のように、Ｖ族元素としてヒ
素とリンを単独もしくは同時に含むIII-Ｖ族化合物半導
体からなる素子構造の上に、Ｖ族元素として窒素を含む
半導体からなる素子構造を直接成長させて半導体発光素
子を作製する方法において、上記窒素を含む半導体から
なる素子構造を作製する過程で、プラズマにより生成し
た活性窒素原子を窒素原料として用いるものである。こ
のように、窒化物の原料としてプラズマ分解により生成
した活性窒素原子を用いると、活性窒素原子は、反応性
が高いため低温でも結晶成長が可能となり、また活性原
子は大きな運動エネルギーを持っているため、結晶成長
の表面での原子の移動を促進し、結晶成長中の表面を平
坦にすると共に、結晶中の欠陥も低減する。活性原子の
使用により、窒化物系の半導体の成長温度を５００〜７
００℃程度にまで低くすることができる。この温度は、
ＡlＧaＡs系の半導体の結晶成長温度と同程度であり、
本発明の半導体発光素子構造であるＡlＧaＡs系半導体
の赤色発光構造を破壊することなく、その上に窒化物半
導体の青色発光構造を直接成長することが可能となり、
青・緑を含む複数の色で発光する素子構造を同一基板上
に作製することができる。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。 〈実施例１〉図４は、本発明の半導体発光素子構造を作
製する結晶成長装置の構成の一例を示す模式図である。
結晶成長装置は、ガス混合・供給部３８、活性原子供給
部４１、結晶成長部４５、真空排気部４９、排ガス処理
部５０よりなる。ガス混合・供給部３８では、原料ガス
流量調整器等集合ボックス３９により、各種の原料ガス
の流量の制御を行い、所定量の原料ガスを活性原子供給
部４１および反応容器４６へと供給する。活性原子供給
部４１では、石英管４４中にプラズマを閉じ込め、プラ
ズマ領域で生成する活性原子は、ガス流により同伴され
て反応容器４６へ供給される。高周波発振器４２から供
給される高周波は導波路４３を通り、電磁場調整器によ
り、プラズマ領域における高周波の吸収が最大となるよ
う調整される。結晶成長部４５では、反応容器４６内で
半導体基板４７を所定温度に保ち、供給される原料ガス
および活性原子から基板上に半導体結晶薄膜が成長す
る。真空排気部４９は、真空ポンプと遮断バルブからな
り、反応容器４６内の圧力を一定に保つ。排ガス処理部
５０では、反応容器４６およびガス混合・供給部３８よ
り発生する有毒なガスを無毒化した後に放出する。上記
の結晶成長装置を用いて、III族金属を含む有機金属ガ
ス、アルシン等のＶ族水素化物、ドーピングガスを使用
してＡlＧaＡs系の半導体を成長させ、その上に直接、
窒化物系の半導体を成長させた。そして、活性窒素原子
を窒化物半導体の結晶成長に用いることに本発明の特徴
がある。以下に示す実施例では、窒素ガスまたはアンモ
ニアガスを窒素原料ガスとして用い、活性原子供給装部
４１へ導入することにより活性窒素原子を生成させた。
活性窒素原子の供給開始前に、不活性ガス（アルゴン）
のプラズマを点火しておき、そのプラズマ領域に窒素原
料を供給することにより、活性窒素原子の供給を開始し
た。この活性原子の供給方法による活性窒素原子の供給
の開始・停止の精度は、秒単位以上にまで向上されてい
る〔Ｍ．Ｓato：１９９４ Ｉnternational Ｃonference
on Ｓolid Ｓtate Ｄevices and Ｍaterials，Ｙokoha
ma，１９９４ Ｓ-Ｉ-１-（３）〕。この活性窒素原子供
給法により、ＡlＧaＡs系半導体の成長後に窒化物半導
体の成長を開始する際の、活性窒素原子の供給開始操作
に伴う成長の中断を最小限にとどめることができ、界面
への不純物の蓄積を抑制することができる。反応容器４
６内の圧力などの条件を変化させずに、活性窒素原子の
供給を開始できるため、反応容器４６内のガスの置換お
よび半導体表面の状態等、結晶成長の初期条件を、再現
性よく制御することができる構造になっている。

【０００８】〈実施例２〉図４に示す結晶成長装置を用
い、ＡlＧaＡs系赤色発光構造の上に、ＧaＮ系青色発光
構造を作製した。III族原料としてトリエチルアルミニ
ウムおよびトリエチルガリウム、Ｖ族原料としてアルシ
ンおよび窒素ガス、キャリアガスとして水素ガスを用い
た。基板としてｐ型ＧaＡs基板を用い、基板の温度は５
００℃から７００℃、反応容器４６内の圧力は５０Ｐa
（１Ｐaは約１／１０００００気圧）で結晶の成長を行
った。作製した素子構造を、図２に示す。図２におい
て、ｐ−ＧａＡｓ半導体基板２６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ閉
じ込め層（Ａｌ＝０．５）２７、ｐ−ＡｌＧａＡｓ活性
層（Ａｌ＝０．３）２８、ｎ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層
（Ａｌ＝０．５）２９、ｎ−ＧａＡｓ保護層３０は、代
表的なＡlＧaＡs系の赤色発光素子構造であり、ｎ−Ｇ
ａＮバッファ層３１、ｎ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ
＝０．２）３２、ｐ−ＧａＮ活性層３３、ｐ−ＡｌＧａ
Ｎ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２）３４は、代表的なＧaＮ
系の青色発光素子構造である。従来の赤色発光素子にお
いて、ｎ−ＧａＡｓ保護層３０は、酸化され易いＡlＧa
Ａsを保護するために成長させるが、本発明の発光素子
構造においては、酸化に対する保護の他に、ＧaＮ系半
導体成長プロセスの間に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層
（Ａｌ＝０．５）２７、ｐ− ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａ
ｌ＝０．３）２８、ｎ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ
＝０．５）２９の赤色発光に直接関与する層からヒ素が
抜けていくのを防ぐ役割も合わせ持っている。ｎ−Ｇａ
Ａｓ保護層３０の層を成長した後に、III族原料および
Ｖ族原料（アルシン）の供給を停止し、反応容器４６内
を置換した後に、まず活性窒素原子の供給を開始して、
ｎ−ＧaＡs層３０の最表面を窒化し、初期条件を整え
る。その後に、III族原料の供給を開始して、ｎ−Ｇａ
Ｎバッファ層３１を成長する。結晶成長終了後、基板表
面にレジストを塗布し、リソグラフィにより所定の領域
のみレジストを残したパターンを形成する。これをドラ
イエッチングし、部分的にｎ−ＧaＡs保護層３０を露出
させた後に、電極３６を形成する。レジストを塗布する
前の図２に示す２６から３４までの半導体層からなる構
造のフォトルミネッセンススペクトルを図３に示す。フ
ォトルミネッセンスとはバンドギャップよりも高いエネ
ルギーをもつ光を半導体に照射し、光のエネルギーによ
り生成する電子と正孔が再結合する際に出す光のスペク
トルである。測定は室温で行い、励起光として波長３２
５nｍのＨe−Ｃdレーザを用いた。

【０００９】図３から明らかなように、図２に示す構造
の発光素子は、６９０nｍ付近の赤色と４７０nｍ付近の
青色の二つの発光ピークを持っている。６９０nｍの発
光はｐ−ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａｌ＝０．３）２８から
のもので、４７０nｍの発光はｐ−ＧａＮ活性層３３か
らのものである。ｎ−ＧａＮバッファ層３１、 ｎ−Ａ
ｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２）３２、ｐ−ＧａＮ
活性層３３、ｐ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．
２）３４に示される窒化物の層は、６９０nｍの赤色光
に対しては透明であるため、ｐ−ＡlＧaＡs活性層（Ａ
ｌ＝０．３）２８からの発光は、上記３１から３４に示
される窒化物の層を通過しても減衰しない。次に、電極
３５、３６、３７を取り付け、電極間に電圧を加えるこ
とにより本素子構造は発光する。ｐ−ＡｌＧａＡｓ活性
層（Ａｌ＝０．３）２８およびｐ−ＧａＮ活性層３３の
活性層は、これらの層よりもバンドギャップが広い閉じ
込め層に挾まれている。そのため、電子と正孔のペアは
活性層に閉じ込められるため高い発光効率が得られる。
電極３６を共通のマイナス極とし、電極３５および３７
にプラスの電圧を加える。電極３５に電圧を加えた時に
は６９０nｍの赤色発光が、電極３７に電圧を加えた時
には４７０nｍの青色発光が得られた。図２に示したよ
うなＡlＧaＡs系の発光素子構造の上に、窒化物半導体
の素子構造を作製することにより、赤・青の２色で発光
する素子構造を実現することができた。

【００１０】〈実施例３〉図２と同様な素子構造を、Ｇ
aＰ系半導体構造と窒化物半導体構造とで作製した。本
実施例では、図２に示されるｐ−ＧａＡｓ半導体基板２
６の代わりに、ＧaＰ基板を、ｐ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込
め層（Ａｌ＝０．５）２７の代わりに、ｐ-ＧaＰを、ｐ
−ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａｌ＝０．３）２８の代わり
に、ｐ-ＧaＡsＰ（Ａs＝０.１）活性層を、ｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５）２９およびｎ−Ｇａ
Ａｓ保護層３０の代わりに、ｎ-ＧaＰ層を用いた。そし
て、ｎ-ＧaＰ上に成長するｎ−ＧａＮバッファ層３１か
らｐ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２）３４まで
の層は、図２と全く同様の半導体層とし、リンの原料と
してはフォスフィンを用いた。ＧaＡsＰはＧaＰよりバ
ンドギャップが狭いため、電子と正孔が閉じ込められて
発光する。電極３５と電極３６の間に電圧をかけると、
５８０nｍを中心とするわずかに緑を帯びた黄色で発光
した。電極３６と電極３７との間に電圧をかけた場合に
は、実施例２と同様に４７０nｍの青色発光が得られ
た。Ａs量の少ないＧaＡsＰは、間接遷移型半導体であ
るため５８０nｍの発光強度は実施例２より落ちる結果
となった。また、ｐ−ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａｌ＝０．
３）２８を、窒素ドープのＧaＰ層とすることにより、
５６５nｍを中心とする緑色の発光が得られた。わずか
に添加された窒素は、ＧaＰ層中でアイソエレクトロニ
ックトラップとして働き、電子を引き付けるために、間
接遷移型の半導体からの発光効率を向上させる効果を持
つ。しかし、ＧaＡsＰを活性層として用いた場合と比較
すると、バンドギャップの差による電子と正孔の閉じ込
めがないため発光素子構造全体としての発光効率は低
い。このように、ＧaＰ系の素子構造の上に、窒化物半
導体の素子構造を作製することにより、黄色あるいは緑
色と青色の２色で発光する素子を実現することができ
た。

【００１１】〈実施例４〉実施例３で緑色発光のために
用いたＧaＰ系の半導体は間接遷移型であり、発光効率
が低い。また、発光波長は５６５nｍとわずかに黄色み
を帯びた緑色である。光の３原色を実現するために、活
性層にＩnＧaＮを用いて純緑色を実現した。作製した発
光素子構造は、図２において、ｐ−ＧａＮ活性層３３
を、ｐ-ＩnGaＮ（Ｉn＝０.２５）活性層とし、ｐ−Ａｌ
ＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２）３４を、ｐ-ＧaＮ閉
じ込め層とした。ＩnＧaＮは、ＧaＮよりバンドギャッ
プが狭い直接遷移型の半導体であり、発光効率はＧaＰ
を用いたものより高くなる。

【００１２】電極３５と電極３６との間に電圧をかける
と、実施例２と同様、６９０nｍの赤色発光が得られ
た。電極３６と電極３７との間に電圧をかけると５４０
nｍの純粋な緑色の発光が得られた。図２の発光素子構
造において、窒化物半導体構造の活性層に、ＩnＧaＮを
用いることにより、純粋な緑色と赤色で発光する素子が
実現することができた。

【００１３】〈実施例５〉実施例２および実施例４で示
したように、窒化物系半導体構造を用いることにより、
光の３原色で発光する素子構造を同一基板上に作製する
ことができた。これらの素子構造を集積することによ
り、一つの素子構造で総ての色を発色することができる
半導体発光素子を作製した。従来の半導体発光素子を用
いて、光３原色を同時に発光することができる構造を図
５に示す。この構造は、従来技術で作製できる赤・緑・
青の半導体発光素子を、同一のパッケージに収納したも
のである。接地用リード８を共通のマイナス極とし、赤
色発光用リード５、緑色発光用リード６、青色発光用リ
ード７のリード線にプラスの電圧をかけることにより、
赤色発光素子２、緑色発光素子３、青色発光素子４の発
光素子が、それぞれ赤・緑・青に発光する。リード線に
かける電圧を変化させて発光強度を変化させるか、ま
た、パルス状に電圧をかけて素子の点滅間隔を変化させ
ることにより、各色の強度比を変化させ、色を変えるこ
とができる。各色の発光素子は、上面から見ておおむね
０.３ｍｍ角程度の大きさを持つため、近い距離から見
た場合には、それぞれの色が分離して見える。また多数
の発光素子を同一パッケージに収納するのは困難であ
る。本発明の半導体発光素子構造においては、図５に示
した従来の発光素子の集合体と同じ機能をもつ発光素子
を単一の基板上に作製することができ、その素子構造を
図１に示す。その作製方法を以下に示す。半絶縁性Ｇa
Ａs半導体基板９上に、ｐ−ＧａＡｓバッファ層１０、
ｐ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５）１１、ｐ
−ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａｌ＝０．３）１２、ｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５）１３、ｎ−ＧａＡ
ｓ保護層１４を有するＡlＧaＡs系半導体構造を作製す
る。ｎ−ＧａＡｓ保護層１４の最表面を、活性窒素原子
により窒化した後に、Ｇa原料と活性窒素原子を同時に
供給して、ｎ−ＧａＮバッファ層１５、ｎ−ＡｌＧａＮ
閉じ込め層（Ａｌ＝０．２）１６、ｐ−ＧａＮ活性層１
７、ｐ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２）１８か
らなる窒化物半導体構造を作製する。次に、反応容器か
らいったん取り出して、レジスト塗布、パターン形成、
エッチングの行程により、部分的にｎ-ＧaＡs保護層１
４を露出させる。そして、ｎ−ＧａＮバッファ・閉じ込
め層１９、ｐ−ＩｎＧａＮ活性層（Ｉｎ＝０．２５）２
０、ｐ−ＧａＮ閉じ込め層２１の層を成長させる部分以
外に、窒化物の成長を妨げるマスクを設ける。このマス
ク付けが終了した構造を、再び反応容器に入れ、 ｎ-
ＧaＡs保護層１４のマスクから露出している部分を活性
窒素原子で窒化した後に、上記の１９、２０、２１の層
を成長させ素子構造を作製する。この二度目の成長が終
了したものを反応容器から取り出し、マスクを除去す
る。電極２３を付けるために、部分的にｐ−ＡｌＧａＡ
ｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５）１１ないしｎ−ＧａＡｓ
保護層１４の層をエッチングし、また、素子間を分離す
るために電極 ２３のスペースを残して、ｐ−ＧａＡｓ
バッファ層１０の層もエッチングする。次に、接地電極
２２、赤色発光用電極２３、緑色発光用電極２４および
青色発光用電極２５を作製する。以上の行程により、図
１に示す構造の半導体発光素子を作製することができ
る。接地電極２２をマイナス側の接地極とし、赤色発光
用電極２３、緑色発光用電極２４、青色発光用電極２５
に電圧をかけると、ｐ−ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａｌ＝
０．３）１２、ｐ−ＩｎＧａＮ活性層（Ｉｎ＝０．２
５）２０、ｐ−ＧａＮ活性層１７が、それぞれ赤・緑・
青に発光する。本発明の半導体発光素子構造を作製する
に当り、パターンの形成・エッチング・マスク付け・電
極の形成に、ＬＳＩ等の製造に用いられている微細構造
の加工技術を用いることにより、３０ミクロン（０.０
３ｍｍ）角程度の小さな領域に、図１に示す構造すべて
を作製することが可能である。発光する領域間の距離
は、人間の目の分解能力よりも十分に小さいために、発
光領域の色が分離して見えることは避けられる。また、
図１に示す構造は、同一の半導体基板上に、同時に数多
くの素子構造を作製することができるため、多数の発光
素子構造を同一のパッケージに収納することが容易とな
る。この場合には、色を変化させる手法として、各原色
の発光点滅間隔の制御だけではなく、発光している素子
構造の数を変化させることも有効である。これにより、
きめ細かい色の制御が可能となる。ＡlＧaＡs系半導体
構造の上に、窒化物系半導体構造を作製する技術とあわ
せて、微細加工技術を用いることにより、光の３原色す
べてで発光する素子構造を作製することができ、単一の
半導体発光素子で、すべての色を作ることを実現した。

【００１４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の半
導体発光素子は、プラズマにより生成した活性窒素原子
を用いることにより、窒化物半導体の結晶成長温度を著
しく低くすることができるので、これによりヒ素もしく
はリンを含む他の半導体の素子構造を破壊することな
く、その上に窒化物半導体を成長させることができ、青
・緑を含む複数の色で発光する素子構造を同一基板上に
形成でき、小型で高機能の多色で発光する半導体発光素
子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例５で例示した同一半導体基板上
から光３原色を発することのできる半導体発光素子の断
面構造の一例を示す模式図。

【図２】本発明の実施例２で例示した赤色および青色で
発光する半導体発光素子の断面構造の一例を示す模式
図。

【図３】図２で示した構造の半導体発光素子のフォトル
ミネッセンススペクトルを示す図。

【図４】本発明の実施例において用いた半導体発光素子
を作製する結晶成長装置の構成を示す模式図。

【図５】従来の同一パッケージから光３原色を発するこ
とのできる素子集合体の構成を示す模式図。

【符号の説明】

１…樹脂レンズ ２…赤色発光素子 ３…緑色発光素子 ４…青色発光素子 ５…赤色発光用リード ６…緑色発光用リード ７…青色発光用リード ８…接地用リード ９…半絶縁性ＧａＡｓ半導体基板 １０…ｐ−ＧａＡｓバッファ層 １１…ｐ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５） １２…ｐ−ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａｌ＝０．３） １３…ｎ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５） １４…ｎ−ＧａＡｓ保護層 １５…ｎ−ＧａＮバッファ層 １６…ｎ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２） １７…ｐ−ＧａＮ活性層 １８…ｐ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２） １９…ｎ−ＧａＮバッファ・閉じ込め層 ２０…ｐ−ＩｎＧａＮ活性層（Ｉｎ＝０．２５） ２１…ｐ−ＧａＮ閉じ込め層 ２２…接地電極 ２３…赤色発光用電極 ２４…緑色発光用電極 ２５…青色発光用電極 ２６…ｐ−ＧａＡｓ半導体基板 ２７…ｐ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５） ２８…ｐ−ＡｌＧａＡｓ活性層（Ａｌ＝０．３） ２９…ｎ−ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層（Ａｌ＝０．５） ３０…ｎ−ＧａＡｓ保護層 ３１…ｎ−ＧａＮバッファ層 ３２…ｎ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２） ３３…ｐ−ＧａＮ活性層 ３４…ｐ−ＡｌＧａＮ閉じ込め層（Ａｌ＝０．２） ３５、３６、３７…電極 ３８…ガス混合・供給部 ３９…原料ガス流量調整器等集合ボックス ４０…ガス配管 ４１…活性原子供給部 ４２…高周波発振器 ４３…導波路 ４４…石英管 ４５…結晶成長部 ４６…反応容器 ４７…半導体基板 ４８…ヒータ ４９…真空排気部 ５０…排ガス処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/50 H01L 21/205 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】赤色および青色の発光を独立に制御して発
   光することができる半導体発光素子において、ＧａＡｓ
   基板上にＡｌＧａＡｓ層およびＧａＡｓ層で構成される
   赤色発光素子の最上層となるｎ−ＧａＡｓ保護層の上
   に、ｎ−ＧａＮバッファ層を最下層とするＧａＮ層およ
   びＡｌＧａＮ層で構成される青色発光素子が直接結晶成
   長させて積み重なった構造を有することを特徴とする半
   導体発光素子。
2. 【請求項２】黄色または緑色もしくは青色の発光を独立
   に制御して発光することができる半導体発光素子におい
   て、ＧａＰ基板上にＧａＡｓＰ層およびＧａＰ層で構成
   される黄色または緑色の発光素子の最上層となるｎ−Ｇ
   ａＰ保護層の上に、ｎ−ＧａＮバッファ層を最下層とす
   るＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層で構成される青色発光素
   子が直接結晶成長させて積み重なった構造を有すること
   を特徴とする半導体発光素子。
3. 【請求項３】赤色および緑色の発光を独立に制御して発
   光することができる半導体発光素子において、ＧａＡｓ
   基板上にＡｌＧａＡｓ層およびＧａＡｓ層で構成される
   赤色発光素子の最上層となるｎ−ＧａＡｓ保護層の上
   に、ｎ−ＧａＮバッファ層を最下層とするＩｎＧａＮ層
   およびＧａＮ層で構成される緑色発光素子が直接結晶成
   長させて積み重なった構造を有することを特徴とする半
   導体発光素子。
4. 【請求項４】赤色、青色、および緑色の発光を独立に制
   御して発光することができる半導体発光素子において、
   ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ層およびＧａＡｓ層で構
   成される赤色発光素子の最上層となるｎ−ＧａＡｓ保護
   層の上に、ｎ−ＧａＮバッファ層を最下層とするＧａＮ
   層およびＡｌＧａＮ層で構成される青色発光素子、およ
   びｎ−ＧａＮバッファ層を最下層とするＩｎＧａＮ層お
   よびＧａＮ層で構成される緑色発光素子の各々が直接結
   晶成長させて積み重なった構造を有することを特徴とす
   る半導体発光素子。
5. 【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項に
   記載の半導体発光素子の作製方法であって、有機金属気
   相成長法により、ＧａＡｓもしくはＧａＰ基板上に窒素
   を含む半導体からなる発光素子を形成する方法におい
   て、 窒素もしくはアンモニアを原料として高周波プラズマに
   より活性窒素を発生させる工程と、 上記ＧａＡｓもしくはＧａＰ基板の温度を５００℃〜７
   ００℃に調整し、有機金属ガスと上記活性窒素とを反応
   させて、上記ＧａＡｓもしくはＧａＰ基板上に窒素を含
   む半導体からなる積層構造を作製する工程とを、含むこ
   とを特徴とする半導体発光素子の作製方法。