JP4637534B2 - 発光ダイオード素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体層からなる 発光ダイオード素子およびその製造方法に関し、特に異種基板上に形成される窒化ガリウム系半導体層からなる発光ダイオード素子において、活性層から発光波長が異なる複数の発色の光を出射させるものである。

近年、窒化ガリウム系半導体層からなる窒化物半導体素子は、青色、緑色、白色、紫外光など、様々な色や波長で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）として、多岐に亘り実用化され、日常生活の至る所に用いられるようになっている。特に白色ＬＥＤは、蛍光灯に変わる次世代の照明装置として期待も非常に大きい。

ところで、従来広く用いられている窒化ガリウム系半導体層からなる窒化物半導体素子は、サファイア基板のＣ面上に第１導電型（ｎ型）窒化ガリウム系半導体層、活性層、第２導電型（ｐ型）窒化ガリウム系半導体層を積層させている。このような窒化物半導体素子が広く用いられている理由としては、サファイアＣ面上には比較的窒化ガリウムが成長しやすく、結晶性のよい窒化ガリウムが得られるからである。このような窒化ガリウム系半導体層からなる窒化物半導体素子を実用化するためには、窒化ガリウムの結晶性が良好であることが重要である。この際に用いられる窒化ガリウムは、ウルツ鉱型の結晶構造であり、窒化ガリウムの成長面はＣ面である。

前記のように、窒化物半導体発光素子の用途が拡大されるに伴い、ユーザからは窒化物半導体素子の発光出力を高めることや、単一の窒化物半導体素子から異なる発光波長の出射光を得るような要請もなされている。このような要請に対処するために、活性層の構成に種々の工夫を加えて、特色のある光源を作製しようとする試みがなされている。

特許文献１では、インジウム（Ｉｎ）を含む量子井戸の活性層表面に凹凸を形成し、活性層とクラッド層との界面で縦横両方向でキャリアが閉じ込められて量子箱効果を発生させている。このため、発光素子の発光スペクトル中に１ｍｅＶ〜１００ｍｅＶの間隔で複数の発光ピークが出現して、発光出力を向上させることが記載されている。

また、特許文献２には、基板に対して縦方向に第１の井戸層および第２の井戸層の多重量子井戸構造を形成し、各井戸層から発光波長の異なる複数の発色の出射光を得ることが記載されている。この例では、ｎ型クラッド層に近い第１の井戸層からは青色を発光させている。また、ｐ型クラッド層に近い第２の井戸層からは、黄色を発光させている。

特開平９−３３１１１６号公報 特開２００１−２８４５８号公報

特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子は、活性層に凹凸を形成することにより、複数の発光ピークを出現させているが、基本的には同一色の発光出力を向上させる構成であり、異なる色を発色させるものではない。このため、単体の窒化物半導体発光素子で、発光波長が異なる複数の発色の出射光を利用したいという要請には対応できないという問題があった。

また、特許文献２に記載の窒化物半導体発光素子は、単体の窒化物半導体発光素子から、発光波長が異なる複数の発色の出射光を得ているが、第１の井戸層および第２の井戸層の多重量子井戸構造を積層するものであり、異なる波長を発光する井戸層を障壁層を介して設けている。このため、積層方向のスペースが大きくなるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みて、異種基板上に形成される窒化ガリウム系半導体層からなる発光ダイオード素子において、活性層から発光波長が異なる複数の発色の光を出射させてこれらの光を混色させることにより、種々の演色性を得ることを目的とするものである。

本発明の窒化物半導体素子と窒化物半導体素子の製造方法は、次のような構成からなる。

[１] 基板と、基板の主面上に単層または複数層の第１導電型の窒化ガリウム系半導体層と、窒化ガリウム系活性層と、単層または複数層の第２導電型の窒化ガリウム系半導体層とが積層されてなる、複数色を発色させる発光ダイオード素子において、
前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層のＣ面となる主面に凹部が形成され、
該第１導電型の窒化ガリウム系半導体層は、前記凹部内および凹部外に形成される窒化ガリウム系活性層と２つ以上の異なる面方位で接しており、
前記第１の窒化ガリウム系半導体層が窒化ガリウム系活性層と接する面は少なくとも、
前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、
前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とであることを特徴とする、発光ダイオード素子。
[２]前記第１導電型はｎ型で、第２導電型はｐ型であることを特徴とする、[１]に記載の発光ダイオード素子。
[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井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、[１]に記載の発光ダイオード素子。
[４]前記窒化ガリウム系活性層はＣ面とＡ面とＭ面の３面の面方位で接する形態であることを特徴とする、[１]に記載の発光ダイオード素子。
[５]前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面は、窒化ガリウム系半導体のＡ面もしくはＭ面であることを特徴とする、[１]に記載の発光ダイオード素子。
[６] 前記記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の上面から見て、面と面のなす角が３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、２１０°、２４０°、２７０°、３００°、または３３０°の連続した複数のＭ面もしくはＡ面を有することを特徴とする、[５]に記載の発光ダイオード素子。
[７] 前記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第１導電型の半導体層の上面から見て、ストライプ状のＭ面もしくはＡ面を有することを特徴とする、[５]に記載の発光ダイオード素子。
[８] 前記Ｃ面上の窒化ガリウム系活性層とＡ面またはＭ面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例することを特徴とする、[５]〜[７]のいずれかに記載の発光ダイオード素子。
[９] 前記窒化ガリウム系活性層は、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層と接する面方位で、前記第２導電型の前記窒化ガリウム系半導体層と接していることを特徴とする、[１]に記載の発光ダイオード素子。
[１０] 前記発光ダイオード素子は、第２導電型の窒化ガリウム系半導体層と前記窒化ガリウム系活性層とがエッチングされて露出された第１導電型の半導体層表面の少なくとも一部に第１の電極が形成され、前記第２導電型の窒化ガリウム系半導体層表面の少なくとも一部に第２の電極が形成されてなるることを特徴とする、[１]に記載の発光ダイオード素子。
[１１] 前記窒化ガリウム系活性層は２つ以上の異なる主ピーク波長の光を発し、これらの主ピーク波長の光が混色した色を呈することを特徴とする、[１]に記載の発光ダイオード素子。
[１２] 成長基板に第１導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第１の工程、第１の工程後、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層にエッチングによりＣ面となる凹部を形成する第２の工程、第２の工程後、第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の２つ以上の異なる面方位に接しており、前記接する面は少なくとも、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とである窒化ガリウム系活性層を形成する第３の工程、第２導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第４の工程、を含み、
前記第1の工程の成長基板は、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、前記基板のＣ面上に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を成長させ、複数色を発色させることを特徴とする、発光ダイオード素子の製造方法。
[１３]前記第２の工程の凹部は、窒化ガリウム系半導体層のＭ面または／およびＡ面を露出させて形成することを特徴とする、[１２]に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
[１４]前記窒化ガリウム系活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体層からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、[１２]に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
[１５]前記窒化ガリウム系活性層はＣ面とＡ面とＭ面の３面の面方位で接するように形成されることを特徴とする、[１２]に記載のダイオード発光素子の製造方法。
[１６]前記Ｃ面上の窒化ガリウム系活性層とＡ面またはＭ面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例するように形成されることを特徴とする[１３]〜[１５]のいずれかに記載の発光ダイオード素子の製造方法。

本発明の窒化ガリウム系半導体層からなる発光ダイオード素子によると、特に異種基板上に形成される窒化ガリウム系半導体層からなる発光ダイオード素子において、活性層からは発光波長が異なる複数の発色の光を効率良く出射させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図を用いて詳細に説明する。図１は本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示す斜視図である。図２は活性層を成長させる例の模式図である。図３は活性層を成長させる例の説明図である。図４は本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示す模式図である。図５、図６は本発明の窒化物半導体素子を図４の垂直な面で切り取ったときの断面を示す模式図である。図５、図６は後述するようにそれぞれ異なる実施形態に対応した模式図である。図７は、本発明の窒化物半導体素子を、図４の水平な面（Ａ−Ａ’）で切り取ったときの断面の一部を平面視で示す模式図である。また、他の実施の形態を示す図８、図９も、図７と同じく図４の水平な面（Ａ−Ａ’）で切り取ったときの断面の一部を平面視で示す模式図である。図１０はサファイア基板の面方位を示す模式図である。図１１はサファイア基板とＧａＮの面方位の位置関係を示す模式図である。図１２は井戸層膜厚と発光ピーク波長の関係を示す特性図である。図１３は井戸層膜厚の説明図である。図１４は内部電界の説明図である。

次に、図１０〜図１４により本発明の基本的な原理について説明する。図１０はサファイア基板の面方位を示す模式図である。窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体層からなる窒化物半導体素子は、一般には前記のようにサファイア基板のＣ面上に第１導電型（ｎ型）窒化ガリウム系半導体層、活性層、第２導電型（ｐ型）窒化ガリウム系半導体層を積層させている。ここで、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板の面方位は、図１０に示されているように白丸の酸素（Ｏ）を格子点として表される。

サファイア基板上に成長されるＧａＮ系半導体層の面方位は、図１１のように示される。図１１を参照すると、サファイア基板のＡ面とＧａＮ系半導体層Ｍ面が一致するように成長し、サファイア基板のＭ面にはＧａＮ系半導体層のＡ面が一致するように成長する。しかしながら、いずれの場合でもＣ軸方向はサファイア基板とＧａＮ系半導体層では一致する。本発明においては、後述するようにサファイア基板のＣ面上にｎ型窒化ガリウム系半導体層をＣ面を主面として成長させ、このｎ型窒化ガリウム系半導体層にエッチング加工して凹部を形成し、主面であるＣ面とは異なる面方位を露出させる。この露出させたＣ面とは異なる面方位の面上、凹部底面および凹部外の上面に活性層を成長させることを特徴としている。

次に、ダブルヘテロ接合の窒化物半導体発光素子は、図１３に示すようなエネルギーバンドを有しており、一例として多重量子井戸を構成する。ここで、ｄは量子井戸幅であり、ｄを変えると図１２の特性図に示されているように発光ピーク波長が変化する。なお、図１２は単一量子井戸構造の場合の特性図を示している。

図１２は、ボーイングパラメータを２．０ｅＶとし、ＧａＮのバンドギャップエネルギーを３．４０ｅＶ、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーを１．８９ｅＶとして井戸層幅に対する発光ピーク波長を示した図である。ＧａＮとＩｎＮとのボーイングパラメータは未だ解明されておらず、様々な報告があるが、ここではその中の１つとして、２．０ｅＶを用いる。

曲線αはＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層を、曲線βはＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ活性層を、曲線γはＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ活性層を示している。曲線αでは、本来のバンドギャップエネルギーでは４００ｎｍ付近の発光を示すが、井戸層の幅を小さくすることにより発光ピーク波長が短くなることがわかる．この傾向はＩｎの含有量が多いほど顕著にあらわれ、例えば、曲線γでは、本来のバンドギャップエネルギーでは約５８０ｎｍであるが、井戸層幅を小さくすると、４００ｎｍ程度まで波長が短くなる。

このように、窒化物半導体発光素子においては活性層の膜厚により発光ピーク波長が変化する。そして、異なる発色が得られる。本発明においては、窒化ガリウム系半導体層に形成される活性層は、面方位により成長速度が相違することを利用している。すなわち、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のＣ面とは異なる面方位を露出させ、露出させた面およびＣ面に活性層を成長させると、活性層はＣ面およびＣ面とは異なる面の複数の面で接することになる。

したがって、活性層が接触する面により活性層の成長速度が相違するので、その結果、それぞれの面で形成される量子井戸幅が変化する。このため、図１２で示したような原理に基づいて、窒化ガリウム系半導体層の活性層から発光波長が異なる複数の波長の光を出射させることができる。また、複数の発色の光を出射させることができる。一般に窒化物半導体素子においては、活性層が接する面方位によって成長速度は相違しており、成長時の温度や反応炉内の圧力、さらにはＩＩＩ−Ｖ比（ガリウムと窒素との比）などにより成長速度が決まる。窒化ガリ
ウム系半導体のＣ、Ａ、Ｍの各面について、例えば成長速度をＣ＞Ａ＞Ｍのように、Ｃ面での成長速度を最も速くしたり、逆にＣ面での成長速度を最も遅くしたりすることができる。当然のことながら、成長速度が遅い場合には、成長速度が速い場合と比べて、同一時間で形成される活性層の膜厚は小さくなる。

ところで、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層した窒化物半導体素子であって、特にサファイアのＣ面上に窒化物半導体層を積層した場合には、活性層の井戸層にはピエゾ電界（内部電界）が発生する。図１４はこのような内部電界の説明図である。一般に窒化物半導体は圧電効果が大きな材料で形成されており、圧縮歪が加わるために内部電界が発生する。

この内部電界によりバンドは井戸層内で傾き電子と正孔（ホール）が空間的に分離され、発光波長が変化する。本発明においては、このような内部電界の大きさが窒化物半導体層の面方位により相違することに着眼し、前記Ｃ面とは異なる面方位に活性層を成長させることにより、図１４で説明したように内部電界の大きさが変わり、発光波長が異なる複数の発色の光を出射させるものである。

前記サファイアのＣ面に形成された活性層は、極性面であるので、ピエゾ電界が発生するが、Ａ面やＭ面に形成された活性層はピエゾ電界は発生しない。ここで、活性層の成長速度をＣ＞Ａ＞Ｍとなるような条件では、Ａ面またはＭ面の活性層は成長速度がＣ面よりも小さいことで井戸層幅が小さくなり、発光ピーク波長は短くなる（１）。Ｃ面の活性層はピエゾ電界が発生することにより長波長ヘシフトする（２）。このように、（１）、（２）の相乗的な効果が得られる。このため、活性層の成長速度をＣ＞Ａ＞Ｍとした場合には、発光ピーク波長の差を最も大きく取ることができるので好ましい。また、例えば成長速度がＡ、Ｍ＞Ｃとなる条件で活性層を成長させると、発光ピーク波長の差を小さく取ることができる。

本発明においては、活性層の膜厚制御によって、同一の活性層内で異なる波長の光を出射することを特徴としている。しかしながら、活性層の膜厚制御だけで異なる波長の光を出射することは困難となることもある。本発明においては、前記図１４で説明したようなピエゾ電界による効果、図１２で説明したようなＩｎを含む活性層中のＩｎの存在比、不純物の存在比（活性層の井戸層や障壁層に不純物を混入する）によって、様々なピーク波長の光を出射させることが可能となる。

図１は、本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示す概略の斜視図である。第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層（第１導電型の半導体層）１０２は、成長基板（サファイア基板）上にＣ面を主面として形成される。この窒化ガリウム系半導体層１０２のＣ面に、エッチング加工により複数の凹部１０６を形成する。１０６Ｘは、エッチング加工による凹部の一要素を拡大して示すものである。本発明においては、エッチング加工により凹部を形成して主面のＣ面とは異なる面方位を露出させる。図１の例では、凹部１０６を正三角形の形状で形成し、凹部側面にはＡ面の面方位を露出させている。

次に、本発明においては、このようにしてエッチング加工により凹部を形成して露出させた面方位の面上と、凹部底面および凹部外上面のＣ面に活性層を成長させる。このため、活性層は、Ｃ面と、凹部に露出されたＡ面のニつの異なる面に接することになる。図２は、凹部の露出面に活性層を成長させる例の模式図である。図２（ａ）は、エッチング加工により凹部を形成してＡ面の面方位を露出させ、その露出面に活性層１０３を成長させている。１０２ａは表面のＣ面、１０２ｂは凹部底面のＣ面である。露出面に形成される活性層の成長方向は、主面のＣ面とは直交する方向となる。この例では、露出させた面方位間の角度は例えば６０度である。

図２（ｂ）は、エッチング加工により凹部を形成してＭ面の面方位を露出させ、その露出面に活性層１０３を成長させている。この例では、露出させた面方位間の角度は例えば１２０度である。また、図２（ｃ）は、エッチング加工により凹部を形成してＡ面とＭ面の面方位を露出させ、その露出面に活性層１０３を成長させている。この例では、露出させた面方位間の角度は例えば９０度である。

図３は、窒化ガリウム系半導体層１０２をエッチング加工した際の平面図を示している。この例では、エッチング加工により凹部を形成してストライプ状にＭ面の面方位を露出させている。この露出された面方位の上に図２と同様にして、主面のＣ面とは直交する方向に活性層１０３を成長させる。図２、図３に示すように、活性層１０３は面方位が相違する少なくともニつの層と接することになる。このため、前記したように量子井戸幅が変化すると共に内部電界が相違することにより、活性層からは発光波長が異なる複数の発色の出射光が得られる。

図４は、本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示す模式図、図５、図６は、図４の垂直な面で切り取ったときの断面を示す模式図でそれぞれ異なる例が示されている。図４に示すように、成長基板１００上に、窒化ガリウム系半導体層からなるバッファ層１０１を介して、第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２が形成される。１０３は活性層、１０４は第２導電型のｐ型の窒化ガリウム系半導体層（第２導電型の半導体層）、２０１はｎ電極、２０２はｐ電極である。

図５において、第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２をエッチング加工により凹部を形成した際に露出された面方位の面上、凹部底面および凹部外の上面のＣ面に活性層１０３を成長させる。すなわち、活性層１０３は、凹部内および凹部外に形成される。また、エッチング加工により形成された凹部に成長させた活性層１０３間の空間に、第２導電型のｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４が形成される。前記窒化ガリウム系半導体層１０４には、エッチング加工により設けられた凹部の形状に合わせた溝部Ｚが形成される。なお図６の例では、図５のような溝部を形成せずに、凹部の全面を第２導電型のｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４で被覆している。

このように、本発明の窒化物半導体素子は、活性層１０３において、第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２と第２導電型のｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４と接する。すなわち、ヘテロ接合をしている二つの主面とは異なる端面を複数有し、その端面が素子上面に向いた構造となり、活性層の端面発光を積極的に利用した窒化ガリウム系半導体素子を構成している。

さらに第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２の露出された面方位は、窒化ガリウム系半導体層のＭ面もしくはＡ面とし、また第２導電型のｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４の側面は、窒化ガリウム系半導体層のＭ面もしくはＡ面とする。サファイアなどの異種基板上に窒化ガリウムを成長する際、Ｍ面またはＡ面を主面とする窒化ガリウム系半導体層は成長できないか、もしくは成長できても非常に結晶性が悪い。そこでＣ面を主面とするサファイア基板を用い、窒化ガリウムを成長させる。このとき、サファイアのＣ面上に形成された窒化ガリウムはＣ軸方向に成長していき、主面はＣ面となる。

このような、Ｃ面を主面とする窒化ガリウム系半導体層は非常に結晶性が良好になる。前記Ｃ面を主面とする窒化ガリウム系半導体層を形成後、この窒化ガリウム系半導体層を垂直な面（好ましくは窒化ガリウム系半導体層のＭ面もしくはＡ面）が露出するようにエッチング加工により凹部を形成し、露出させた面方位の面上、凹部底面および凹部外のＣ面の上面に活性層を成長させる。この際に形成される窒化ガリウム系半導体層と活性層との接合面は、Ｃ面とＭ面、またはＣ面とＡ面、Ｃ面とＡ面およびＭ面となる。

露出された面方位の面上に活性層を成長後、さらにｐ型の窒化ガリウム系半導体層を成長させると、活性層とｎ型層との接合面がＭ面の場合は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体層と活性層との接合面も窒化ガリウム系半導体層のＭ面となる。また、活性層とｎ型層との接合面がＡ面の場合は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体層と活性層との接合面も窒化ガリウム系半導体層のＡ面となる。すなわち、ｐ型の窒化ガリウム系半導体層と活性層との接合面は、窒化ガリウム系半導体層のＭ面もしくはＡ面となる。まとめると、活性層と活性層を挟むｎ型層および活性層と活性層を挟むｐ型層のいずれの界面も、Ｍ面もしくはＡ面となる。

本発明は、図５、図６で説明した第１導電型の半導体層（第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２）は、活性層と２つ以上の異なる面方位で接していることを特徴とするものである。次に、活性層が２つ以上の異なる面方位で接している形態について具体的に説明する。

（１）第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層に、エッチングにより形成される凹部が垂直でない場合には、一例としてＲ面が露出されることになり、活性層はＣ面とＲ面の面方位で接する。このように、本発明においては第１導電型の窒化ガリウム系半導体層に形成される凹部は必ずしも垂直な場合には限定されない。第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層にエッチングにより形成される凹部が垂直な場合には、以下の（２）〜（５）の形態とすることができる。

（２）活性層はＣ面とＭ面の面方位で接する形態。第１導電型の半導体層に凹部を形成することによりＡ面またはＭ面を露出させた場合に、Ａ面またはＭ面の特性の違いとしてＭ面の方が結晶性が良い層が得られる。したがって、活性層と接する面方位をＣ面とＭ面の組み合わせとすることによって、結晶性に優れた活性層を成長させることができ、発光効率のよい半導体発光素子を得ることができる。

その他、（３）活性層はＣ面とＡ面の面方位で接する形態、（４）活性層はＡ面とＭ面の面方位で接する形態、（５）活性層はＣ面とＡ面とＭ面の３面の面方位で接する形態、が考えられる。（５）においては、比較的ブロードな発光を得ることができる。これらの形態で、さらに成長条件によって変わる成長速度を考慮すると、いろいろな膜厚差を設けることができるので、得られる２つもしくは複数の発光ピーク波長を離れて形成したり、得られるスペクトル幅を変化させたりすることができる。したがって、結晶性や成長速度を考慮して、それぞれの形態を選択することで、様々な特性の半導体発光素子を得ることができる。

本発明においては、Ｃ面上の活性層とＡ面またはＭ面上の活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例すると考えられる。すなわち、図１において、第１導電型の半導体層をエッチングした場合でも、上面視では、Ｃ面の面積は、エッチング前と同じで一定であることから、Ａ面やＭ面の面積の増減によって、光の光度比を調整することが可能となる。活性層は面発光することから、エッチングで形成される凹部の数、エッチングの深さ（活性層の表面積）などを適宜設定することにより、異なる波長の光の強度比を調整することができる。

また本発明は次のような効果も奏する。従来の窒化ガリウム系半導体素子は、サファイアなどの異種基板上に基板と垂直な方向に活性層も含めた窒化ガリウム系半導体層が形成される。例えば、サファイア基板のＣ面上には窒化ガリウム系半導体のＣ軸方向にのみ窒化ガリウム系半導体が形成されている。このときの窒化ガリウム系半導体素子の問題として、異種基板と窒化ガリウム系半導体との熱膨張係数の差により、それぞれの層の接合面において、圧縮歪みや引張り歪みがかかった状態となる。とくに、この歪みが活性層に与える影響は大きく、歪みによって活性層のバンドギャップが複雑となったり、活性層に結晶欠陥が多数発生し、発光効率をさらに悪くしている。

しかし、本発明によると、活性層１０３は成長基板１００に対して垂直に形成される部分があるので、活性層には大きな歪みがかからない構造となっている。 これにより、従来よりも熱膨張係数に起因する歪みが低減された窒化物半導体素子を得る事ができ、結晶性の良い膜が得られるので、素子の大面積化も容易となる。なお、圧縮歪に起因する内部電界は完全には解消されないが、本発明においては前記のように内部電界が面方位により相違することを積極的に利用して、発光波長が異なる複数の発色の出射光を得ている。

本発明において、ｎ型窒化ガリウム系半導体層の露出面、つまり活性層とｎ型層との接合界面は、好ましくはＭ面もしくはＡ面である。しかしながら、オフ角としてＭ面（もしくはＡ面）に対して７°〜８°以下の範囲であればその接合界面はＭ面が支配的となり、ピエゾ電界が減少する。すなわち、接合界面が真性のＭ面もしくはＡ面である場合より少し劣るがピエゾ電界が減少して同様の効果を示す。また、ｎ型層の側面または凹部側面の８０パーセント以上がＭ面もしくはＡ面であれば、その面が接合界面として支配的となり、同じく少し特性は劣るがピエゾ電界の減少について同様の効果を示す。ｐ型窒化ガリウム系半導体層と活性層との接合界面についても同様である。

また、活性層とｎ型窒化ガリウム系半導体層、およびｐ型窒化ガリウム系半導体層と活性層との接合面が、Ｍ面とＡ面とでは、次の点で異なると考えられる。前記接合面がＭ面である場合、窒化ガリウム系半導体層において、Ｍ面は非常に安定な面とされている。このため、結晶成長を制御しやすく、平坦性が高い面を得ることができ、結晶性のよい活性層を得ることができる点で好ましい。また前記接合面がＡ面である場合、窒化ガリウム系半導体層において、Ｍ面と比べて成長速度が速いので短時間で活性層を得ることができ、生産性の点において優れている。

本発明の目的において、最も好ましくは、活性層とｎ型窒化ガリウム系半導体層、およびｐ型窒化ガリウム系半導体層と活性層との接合面は、いずれも結晶性のよい活性層が得られるＭ面である。その場合、活性層はｎ型窒化ガリウム系半導体層の上面から見て、面と面のなす角が６０°、１２０°、２４０°または３００°の連続した複数のＭ面からなる。もしくは、活性層は、Ｍ面を有し、凹凸部を有するｎ型窒化ガリウム系半導体層の上面から見て、ストライプ状に形成されているものとする。

次に、本発明の具体的な構成を詳細に述べる。

（ｉ）成長基板１００
窒化ガリウムを成長させる基となる成長基板１００としては、サファイアが好ましい。特にＣ面を主面とするサファイアを用いることで、結晶性のよい窒化ガリウム系半導体層が形成できる。さらにサファイア基板のＣ面上に窒化ガリウムを成長させると、エッチングにより凹部を形成して露出させる窒化ガリウムのＭ面もしくはＡ面は、サファイアと垂直な面となることから、製造上比較的容易にそのＭ面を露出させることができる。

さらに製造上において、窒化ガリウムのＭ面のみ、もしくは少なくともＭ面を露出させる場合は、Ｃ面を主面とし、オリエンテーションフラット（オリフラ）面をＡ面とするサファイアを用いることが好ましい。これは、オリフラ面のＡ面を基準とすれば、オリフラ面に平行でかつ、Ｃ面に垂直な面が窒化ガリウムのＭ面となり、容易に窒化ガリウムのＭ面を露出することができるからである。同じように、窒化ガリウムのＡ面のみ、もしくは少なくともＡ面を露出させる場合は、Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＭ面とするサファイアを用いることで、同様に、容易に窒化ガリウムのＡ面を露出することができる。

また、成長基板１００にサファイアを用いる場合、オフアングルされたＣ面を主面として用いても良い。

本発明において、好ましい成長基板１００として、サファイアのＣ面を主面とする基板について説明した。しかしながら、必ずしもこれに限るものではなく、窒化ガリウム系半導体層において、成長基板との接合面がＣ面となるような成長基板なら他の基板でもよい。サファイア基板を用いる場合よりは特性が劣るが、他の成長基板１００として炭化シリコンなどが考えられる。

本発明において、成長基板１００が絶縁性である場合、窒化ガリウム系半導体層の一部、または全てを形成後、レーザ照射などで成長基板を剥離、研磨などで成長基板を除去して、基板を窒化ガリウム基板としてもよい。この窒化ガリウム基板は、主面がＣ面であることを特徴とする。基板として窒化ガリウムを用いる場合は、少なくとも８０μｍ以上の単層のアンドープもしくはＳｉドープの窒化ガリウムが必要である。成長基板を取り除き窒化ガリウム基板とすることで、一方の電極が窒化ガリウム基板に形成される。このため、ｎ電極とｐ電極が反対方向に位置する窒化ガリウム系半導体素子を得ることができ、素子中に均一に電流が流れやすくなる。また素子の小型化が可能となる。

（ｉｉ）エッチング加工による凹部を有する第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２
ｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２としては、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）からなる単一もしくは複数の層を形成する。このｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２は、エッチング加工により露出された面方位が窒化ガリウム系半導体層のＭ面もしくはＡ面であれば良く、さらに好ましくは、その上面は、窒化ガリウム系半導体のＣ面とする。

本発明において、ｎ型の窒化ガリウム系半導体層は少なくとも活性層にキャリアを供給し、活性層内にキャリアを閉じ込めるクラッド層を有している。このクラッド層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、活性層との間に十分なオフセットが得られる材料を適宜選択する。ＩｎＧａＮからなる活性層を形成する場合、ｎ型の窒化ガリウム系半導体層はＧａＮもしくはＡｌＧａＮを用いることで、クラッド層として好ましく機能する。

またｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２は、その他、ｎ電極と良好なオーミック接触するｎ型コンタクト層を形成してもよい。ｎ型コンタクト層は、電極に接する層として、低抵抗であることが好ましく、窒化ガリウム系半導体では、ｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮが好ましい。

またエッチング加工による凹部を有するｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２は、基板上にＣ軸方向に窒化ガリウム系半導体層を積層し、積層後、窒化ガリウム系半導体層のＭ面もしくはＡ面が露出するようにエッチングして、凹部を有するｎ型層としている。また、凹部を有するｎ型の窒化ガリウム系半導体層を第１のｎ型層とし、この凹部を形成後、その露出面のＭ面もしくはＡ面にさらに第２のｎ型層として、ｎ型の窒化ガリウム系半導体層を形成してもよい。第２のｎ型窒化ガリウム系半導体層を設ける場合、この層は発光ダイオ−ド（ＬＥＤ）では、クラッド層として機能させることができ、半導体レーザダイオード（ＬＤ）では、光ガイド層として機能させることができる。

また、凹部に結晶回復層などを形成しても良い。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングによって荒れた面にこの層を形成することで、活性層を結晶性よく形成することができる。前記ｎ型の窒化ガリウム系半導体層のドライエッチングの手段として、ＣＡＩＢＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）を用いることもできる。

前記凹部の形状は、図７〜図９の例で説明するが、必ずしも直線を用いた形状、または直線状に形成することには限定されない。例えば、窒化ガリウム系半導体層に円柱状に切り抜くようにしてエッチングしても良い。窒化ガリウム系半導体層に対して、円柱状に凹部をエッチングしてその側面に活性層を成長させる場合には、窒化ガリウム系半導体の性質上Ａ面またはＭ面が優先されて成長される。優先される面は、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させる成長装置、成長温度やＩＩＩ−Ｖ比、成長時の圧力などの成長条件を適宜選択することにより決定される。

本発明においては、窒化ガリウム系半導体層の前記凹部の露出面に、Ｃ面に垂直な面方位を露出させることを特徴としている。この垂直な面方位のうち、窒化ガリウム系半導体のＡ面とＭ面以外の面では、表面エネルギーが大きく安定していないので、前記活性層は実質的には形成されにくい。したがって、エッチング加工で形成された凹部の露出面は、Ｃ面に垂直な面であればどのような面でも良いが、Ｃ面に垂直な面に成長させる窒化ガリウム系半導体は、Ａ面もしくはＭ面が成長しやすい。

窒化物半導体素子を発光ダイオードとして用いる場合、必要があれば、この層をクラッド層として機能させることができる。また、窒化物半導体素子をストライプ状に形成した場合には、レーザ素子が得られる利点がある。レーザダイオードとして用いる場合、この層を光ガイド層として機能させることもできる。複数の層を形成することで、クラッド層と光ガイド層のそれぞれの機能を持たせることも可能である。光ガイド層としては、活性層内に光を十分に閉じ込められるように材料を適宜選択する。

本発明における凹部の形状としては、露出された面方位の上に形成される活性層との接合面がＭ面もしくはＡ面となるように、素子上面から見て、図７〜図９に示すような形状とする。図７〜図９はいずれもｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２と活性層１０３との接合面、すなわち凹部の段差部と、活性層１０３と第２導電型のｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４との接合面とを示している。ただし、ｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４は図示を省略している。

前記接合面の形状は、図７は平面視の形状が三角形状、図８はストライプ状、図９は連続する側面と側面のなす角を１２０°と２４０°として繰り返して形成される波状としている。図７に示すように、接合面の平面視の形状を三角形とし、活性層１０３が半導体発光素子において複数存在するものでもよい。図７の１０２ａはＣ面の上面、１０２ｂは凹部底面のＣ面である。

図８の例では、ストライプ状に活性層１０３が形成されており、この場合も複数のＭ面を有する活性層が形成されている。いずれの接合面も窒化ガリウム系半導体のＭ面に該当する。１０２ｒ〜１０２ｖはＣ面である。図９の例では、面と面のなす角が１２０°または２４０°の連続した複数のＭ面を有する活性層１０３が形成されており、その活性層１０３が半導体発光素子において複数存在するものである。

図７〜図９に示した加工部の平面視の形状は一例であって、他の形状とすることもできる。以下は図示していないが、全ての露出された面方位がＡ面となる形状、例えば連続する側面と側面のなす角が１２０°と２４０°とが繰り返された波状、連続する側面と側面のなす角が６０°の正三角形としても良い。また、全ての露出された面方位がＭ面もしくはＡ面からなる形状、例えば連続する側面と側面のなす角が、３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、２１０°、２４０°、２７０°、３００°または３３０°のうち、いずれかの角度で繰り返された波状としてもよい。

すなわち、全ての露出された面方位がＭ面もしくはＡ面となる形状であれば、図７〜図９に示した形状に限るものではない。連続する側面と側面のなす角は１２０°であれば、全ての露出された面方位がＭ面、または全ての露出された面方位がＡ面となるので、本発明を適用することができる。

（ｉｉｉ）活性層１０３
活性層としては、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）からなる単一もしくは複数の層を形成する。さらにＧａの一部をＢ、またＮの一部をＰ、Ａｓ等で置換した層としてもよい。活性層は、シングルへテロ接合、ダブルヘテロ接合のいずれを形成してもよい。さらに量子井戸構造として、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれを形成してもよい。高効率や高輝度、高出力の特性を有するＬＥＤやＬＤを得るためには、井戸層と障壁層を繰り返し積層する多重量子井戸構造とすることが好ましい。

（ｉｖ）ｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４
ｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４としては、ｐ型不純物としてＭｇをドープしたＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）からなる単一もしくは複数の層を形成する。このｐ型層は、ｎ型層と活性層によって形成された加工部を完全に埋め込んで形成する。すなわちｐ型層の最上面は、少なくともｎ型層および活性層の最上面と同じに、もしくはそれよりも上に位置するように形成する。好ましくはｐ型層の最上面はｎ型層および活性層の最上面と同じ位置にする。

本発明において、ｐ型の窒化ガリウム系半導体層１０４は、凹部を埋め込んだ層を第１のｐ型層として、さらに、素子の最上面の全面に、第２のｐ型層を形成してもよい。そして第２のｐ型層として、少なくともｐ電極２０２と良好なオーミック接触するｐ型コンタクト層が形成されていてもよい。この第２のｐ型層は、ｐ型不純物としてＭｇをドープしたＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）からなる単一もしくは複数の層からなり、窒化ガリウム系半導体素子の上面の全面に形成するため、ｐ電極が形成しやすい。従来の窒化ガリウム系半導体素子と外観が同じとなり、従来の素子からの変更が容易となるなどの効果を奏する。

この第２のｐ型層は膜厚を小さくすることで、活性層端面から放出される光を窒化ガリウム系半導体素子での吸収を抑え、光取り出し効率の高い素子が得られる点で好ましい。また、これとは逆に膜厚を大きくすることで、窒化ガリウム系半導体素子の表面が平坦になりｐ電極との密着性が良くなるなどの点で好ましい。この第２のｐ型層は第１のｐ型層のＣ面に成長されることで、結晶性のよい窒化ガリウムを成長することができ、ｐ電極との間で良好なオーミック特性を得ることができる。第２のｐ型層を形成しない場合は、第１のｐ型層を形成後、窒化ガリウム系半導体素子の上面の全面にｐ電極を形成してもよい。

（ｖ）その他の層
その他、ｎ型の窒化ガリウム系半導体層およびｐ型の窒化ガリウム系半導体層は複数の層で構成されていても良い。またｎ型の窒化ガリウム系半導体層、活性層、ｐ型の窒化ガリウム系半導体層およびｐ型コンタクト層のそれぞれの層の間に、別の機能を有する層、例えば結晶性回復層を設けてもよい。第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層１０２に凹部を形成するためにエッチング処理を行なった際に生じた側面の表面荒れや、結晶の加工損傷による劣化を修復する。また、本発明の窒化物半導体を発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用する場合には、前記別の機能を有する層として、キャリア閉じ込め層、光閉じ込め層、下地の結晶層を保護するための結晶性保護層などが考えられる。

また本発明において、ｎ型の窒化ガリウム系半導体層にはｎ電極が、ｐ型の窒化ガリウム系半導体層にはｐ電極が形成されている。これらの電極は、接触する窒化ガリウム系半導体層と良好なオーミック接触が得られるように材料、膜厚が選択される。とくにｐ電極については、接触する窒化ガリウム系半導体層と良好なオーミック接触が得られていれば、どのような形状で形成してもよい。

また本発明の窒化物半導体素子は、用途としては様々なものがある。例えば、窒化ガリウム系半導体素子の表面に、活性層のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）からの光の一部もしくは全部を吸収して異なる波長の光を発光する蛍光物質が含有されたコーティング層を形成する。このような構成とすることで、様々な波長の光を発光させることができる。

特にＹＡＧを含有させることで、白色光を発光することができ、照明用光源などに用いることができる。照明用光源として用いる場合、大面積で発光させる必要があり、活性層にかかる歪みの小さい本発明の窒化ガリウム系半導体素子は、非常に有効である。

次に本発明の発光ダイオード素子について、製造方法の観点から説明する。なお、この製造方法は、主として図５の模式図に対応するものである。本発明の製造方法としては、次の（１）〜（９）を特徴とする。

（１）成長基板に第１導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第１の工程、第１の工程後、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層にエッチングによりＣ面となる凹部を形成する第２の工程、第２の工程後、第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の２つ以上の異なる面方位に接しており、前記接する面は少なくとも、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とである窒化ガリウム系活性層を形成する第３の工程、第２導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第４の工程、を含み、
前記第1の工程の成長基板は、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、前記基板のＣ面上に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を成長させ、複数色を発色させることを特徴とする。
（２）本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、（１）であって、さらに前記第２の工程の凹部は、窒化ガリウム系半導体層のＭ面または／およびＡ面を露出させて形成することを特徴とする。
（３）本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、（１）であって、前記活性屑はＩｎを含む窒化ガリウム系半導体層からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする。
（４）本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、（１）乃至（３）のいずれかであって、好ましくは前記第1導電型はｎ型で、前記第２導電型はｐ型であることを特徴とする。
（５）本発明の素発光ダイオード子の製造方法は、（１）乃至（４）のいずれかであって、好ましくは第２の工程の凹部は、非エッチング面に絶縁膜を形成しておき、第１導電型層をエッチングして形成することを特徴とする。
（６）本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、（１）乃至（５）のいずれかであって、好ましくは第４の工程の第２導電型の半導体層は、活性層と第１導電型の半導体層とが接する面方位で、活性層に探して形成することを特徴とする。
（７）本究明の発光ダイオード素子の製造方法は、（１）乃至（６）のいずれかであって、好ましくは第４の工程後、第２導電型の半導体層と活性層とをエッチングして第１導電型半導体層の一部を露出し、該露出面の少なくとも一部に第１の電極を形成し、さらに第２導電型の半導体層表面の少なくとも一部に第２の電極を形成することを特徴とする。
（８）本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、（１）であって、前記窒化ガリウム系活性層はＣ面とＡ面とＭ面の３面の面方位で接するように形成されることを特徴とする。
（９）本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、（８）であって、前記Ｃ面上の窒化ガリウム系活性層とＡ面またはＭ面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例するように形成されることを特徴とする

次に実施例を示すが、本発明はこれに限られるものではない。Ｃ面を主面としオリフラ面をＡ面とするサファイア基板上に、８００℃以下の低温でＡｌＧａＮからなるバッファ層を形成する。バッファ層を形成後、ｎ型層として、ＧａＮを成長させることで、結晶性のよい窒化ガリウム層を得ることができる。

次に、窒化ガリウム系半導体のＭ面が露出されるようなマスクを用い、ＲＩＥによりｎ型層をエッチングし、凹部を形成する。この凹部は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層に図７〜図９のような三角形、ストライプ状、連続した波状の形状で形成されるようにする。

ｎ型窒化ガリウム系半導体層に凹部を形成後、ＡｌＧａＮからなるクラッド層を形成し、さらに続けて井戸層と障壁層がＩｎＧａＮとＧａＮの組み合わせからなる多重量子井戸の活性層を形成する。この活性層は最外層が障壁であっても井戸であってもよい。活性層を成長後、活性層とｐ型窒化ガリウム系半導体層との接合界面が窒化ガリウム系半導体のＭ面のみとなるようにする。

さらに凹部が全て埋まった窒化ガリウム系半導体素子において、凹部のｐ型窒化ガリウム系半導体層を形成後、窒化物半導体素子の上面に第２のｐ型窒化ガリウム系半導体層としてＭｇドープのＧａＮを形成する。第２のｐ型窒化ガリウム系半導体層を形成後、６００℃以上の温度でアニーリングし、低抵抗のｐ型層を得る。次に第２のｐ型窒化ガリウム系半導体層の上に、透光性を有するｐ電極を全面に形成し、ｎ型窒化ガリウム系半導体層にｎ電極を形成する。ｎ電極は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層をエッチングして凹部を形成する際に、一部凹部を形成しないで、その部分をｐ型窒化ガリウム系半導体層まで形成後、エッチングすることでｎ側オーミック電極を形成することができる。これにより、発光効率の高い窒化ガリウム系半導体の発光素子を得る。

本発明においては、基本的には活性層から発光波長が異なる複数の発色の出射光を得るものであるが、ニつの色が混合されて白色に近い出射光を得ることもできる。一例として、活性層がＣ面と接する面からは発光波長が５７０ｎｍの黄色を発色させる。また、活性層がＡ面と接する面からは発光波長が４６０ｎｍの青色を発色させる。この場合には、黄色と青色が混色されて外部には白色に近い色の出射光が得られる。

実施例１と同様にして、ｎ電極およびｐ電極まで形成した窒化ガリウム系半導体の発光素子を得る。この発光素子の表面にＹＡＧを含んだ蛍光体を樹脂と混合させて形成することで、発光効率の高い白色の発光素子を得る。

本実施例においては、蛍光体による波長変換と窒化物半導体素子の前記特性とを組み合わせて、より効果的に白色を得ることができる。すなわち、窒化物半導体層のＣ面とＭ面に活性層を形成した場合には、Ｃ面からの発色が長波長となるが、当該Ｃ面からの光の主ピーク波長を吸収して更に長波長の波長が励起されるような蛍光体を用いることで、Ｍ面から発色される短波長の光と、Ｃ面からの励起された長波長の光により白色を得ることができる。

例えば図１２において、活性層の井戸層をＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｎとし、Ｃ面での活性層の井戸層幅を１０ｎｍ、Ｍ面での活性層の井戸層幅を２ｎｍもしくは２ｎｍ以下となるように、活性層を成長させることで、５７０ｎｍと４６０ｎｍ程度の発光波長の差を設けることができる。この場合、Ｃ面での活性層の井戸層はピエゾ電界により、実際は５７０ｎｍよりもさらに長波長側にシフトする。またＭ面のみならず、上面から見て三角形などの形状の凹部を、Ｍ面とＡ面とが露出するように形成し、活性層がＣ面とＡ面とＭ面でｎ型層及びｐ型層と接する窒化物半導体発光素子についても、同様の傾向を得ることができる。

なお、本発明においては、第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層は、単層には限定されず、複数層であっても良い。この場合には、第１導電型の半導体層には、活性層とは接しないものが含まれることになる。

本発明によれば、特に異種基板上に形成される窒化ガリウム系半導体層からなるる発光ダイオード素子およびその製造方法において、活性層から発光波長が異なる複数の発色の光を出射させることができる。

本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示す斜視図である。 活性層を成長させる例の模式図である。 活性層を成長させる例の説明図である。 本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示す模式図である。 本発明の窒化物半導体素子を垂直な面で切り取ったときの断面を示す模式図である。 本発明の窒化物半導体素子を垂直な面で切り取ったときの断面を示す他の例の模式図である。 本発明の他の実施の形態において、窒化物半導体素子を水平な面で切り取ったときの断面を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態において、窒化物半導体素子を水平な面で切り取ったときの断面を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態において、窒化物半導体素子を水平な面で切り取ったときの断面を示す模式図である。 サファイア基板の面方位を示す模式図である。 サファイア基板とＧａＮの面方位の位置関係を示す模式図である。 井戸層膜厚と発光ピーク波長の関係を示す特性図である。 井戸層膜厚の説明図である。 窒化物半導体素子の内部電界の説明図である。

符号の説明

１００・・・成長基板
１０１・・・バッファ層
１０２・・・ｎ型層（第１導電型のｎ型の窒化ガリウム系半導体層）
１０３・・・活性層
１０４・・・ｐ型層（第２導電型のｐ型の窒化ガリウム系半導体層）
１０６・・・エッチング加工で形成される凹部
２０１・・・ｎ電極
２０２・・・ｐ電極

Claims (16)

1. 基板と、基板の主面上に単層または複数層の第１導電型の窒化ガリウム系半導体層と、窒化ガリウム系活性層と、単層または複数層の第２導電型の窒化ガリウム系半導体層とが積層されてなる、複数色を発色させる発光ダイオード素子において、
   前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層のＣ面となる主面に凹部が形成され、
   該第１導電型の窒化ガリウム系半導体層は、前記凹部内および凹部外に形成される窒化ガリウム系活性層と２つ以上の異なる面方位で接しており、
   前記第１の窒化ガリウム系半導体層が窒化ガリウム系活性層と接する面は少なくとも、
   前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、
   前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とであることを特徴とする、発光ダイオード素子。
2. 前記第１導電型はｎ型で、第２導電型はｐ型であることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
3. 前記窒化ガリウム系活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
4. 前記窒化ガリウム系活性層はＣ面とＡ面とＭ面の３面の面方位で接する形態であることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
5. 前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面は、窒化ガリウム系半導体のＡ面もしくはＭ面であることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
6. 前記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の上面から見て、面と面のなす角が３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、２１０°、２４０°、２７０°、３００°、または３３０°の連続した複数のＭ面もしくはＡ面を有することを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード素子。
7. 前記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第１導電型の半導体層の上面から見て、ストライプ状のＭ面もしくはＡ面を有することを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオード素子。
8. 前記Ｃ面上の窒化ガリウム系活性層とＡ面またはＭ面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例することを特徴とする、請求項５〜請求項７のいずれかに記載の発光ダイオード素子。
9. 前記窒化ガリウム系活性層は、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層と接する面方位で、前記第２導電型の窒化ガリウム系半導体層と接していることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
10. 前記発光ダイオード素子は、第２導電型の窒化ガリウム系半導体層と前記窒化ガリウム系活性層とがエッチングされて露出された第１導電型の半導体層表面の少なくとも一部に第１の電極が形成され、前記第２導電型の窒化ガリウム系半導体層表面の少なくとも一部に第２の電極が形成されてなることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
11. 前記窒化ガリウム系活性層は２つ以上の異なる主ピーク波長の光を発し、これらの主ピーク波長の光が混色した色を呈することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード素子。
12. 成長基板に第１導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第１の工程、第１の工程後、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層にエッチングによりＣ面となる凹部を形成する第２の工程、第２の工程後、第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の２つ以上の異なる面方位に接しており、前記接する面は少なくとも、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、前記第１導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とである窒化ガリウム系活性層を形成する第３の工程、第２導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第４の工程、を含み、
    前記第1の工程の成長基板は、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、前記基板のＣ面上に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を成長させ、複数色を発色させることを特徴とする、発光ダイオード素子の製造方法。
13. 前記第２の工程の凹部は、窒化ガリウム系半導体層のＭ面または／およびＡ面を露出させて形成することを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
14. 前記窒化ガリウム系活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体層からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
15. 前記窒化ガリウム系活性層はＣ面とＡ面とＭ面の３面の面方位で接するように形成されることを特徴とする、請求項１２に記載のダイオード発光素子の製造方法。
16. 前記Ｃ面上の窒化ガリウム系活性層とＡ面またはＭ面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例するように形成されることを特徴とする、請求項１３〜請求項１５のいずれかに記載の発光ダイオード素子の製造方法。

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