JP5205047B2

JP5205047B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP5205047B2
Application number: JP2007326319A
Authority: JP
Inventors: 光彦酒井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: JP2009152240A

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、電流注入で２色発光可能な半導体発光素子に関する。

複数の異なる色の光を発光することのできる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。

さらに、一つの光取り出し口から複数の異なる色（多波長）の光を得ることのできる多波長発光半導体素子についても、既に開示されている（特許文献４参照。）。

特許文献４に開示された多波長発光半導体素子は、図１４に示すように、ＧａＡｓ基板６００上に配置されたＧａＩｎＰ活性層６２０と、ＧａＩｎＰ活性層６２０上に配置されたＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層６３０と、ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層６３０上に配置されたＡｌＧａＡｓ発光層６４０とを備える。ＡｌＧａＡｓ発光層６４０のバンドギャップはＧａＩｎＰ活性層６２０のバンドギャップよりも小さいため、ＧａＩｎＰ活性層６２０で発生した光は、ＡｌＧａＡｓ発光層６４０を通ることによって、ＡｌＧａＡｓ発光層６４０が励起され、ＡｌＧａＡｓ発光層６４０からそのバンドギャップに応じた波長を持つ光が発生し、この光も光取り出し口から外部に出射される。すなわち、特許文献４に開示された多波長発光半導体素子は、第１の発光素子（ＬＥＤ１）と、第１の発光素子（ＬＥＤ１）の上方に配置された第２の発光素子（ＬＥＤ２）からなり、２つの発光層を有する。然るに、電流注入で発光するのは第１の発光素子（ＬＥＤ１）のみであり、第２の発光素子（ＬＥＤ２）における発光は光励起による発光であり、これでは１素子で、２色同時発光しかできない。

本発明の目的は、電流注入で２色発光可能な半導体発光素子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、導電性基板上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第１のｎ型半導体層と、前記第１のｎ型半導体層上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第１の活性層と、前記第１の活性層上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第１のｐ型半導体層と、前記第１のｐ型半導体層上に配置された第１のアノード電極と、前記導電性基板上に前記第１のｎ型半導体層に隣接して配置されたｎ型不純物をドープされた第２のｎ型半導体層と、前記第２のｎ型半導体層上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第２の活性層と、前記第２の活性層上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第２のｐ型半導体層と、前記第２のｐ型半導体層上に配置された第２のアノード電極と、前記導電性基板の前記第１及び第２のｎ型半導体層が配置された表面と反対側の裏面上に配置された共通のカソード電極とを備え、前記第１の活性層は、 (Ａｌ _x Ｇａ _1-x ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐからなるウェル層と(Ａｌ _v Ｇａ _1-v ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ(０≦ｘ＜ｖ＜０．８)からなるバリア層の多重量子井戸構造を備え、前記第２の活性層は、(Ａｌ _x Ｇａ _1-x ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐからなるウェル層と(Ａｌ _w Ｇａ _1-w ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ(０≦ｘ＜ｗ＜０．９) からなるバリア層からなり、かつ前記第１の活性層とは異なる組成を有する多重量子井戸構造を備え、前記第１のｐ型半導体層は、第１のｐ型ＧａＰウィンドウ層を含み、前記第２のｐ型半導体層は、第２のｐ型ＧａＰウィンドウ層を含み、前記第１のｐ型ＧａＰウィンドウ層及び前記第２のｐ型ＧａＰウィンドウ層の厚さは、共に２μｍであることを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明によれば、電流注入で２色発光可能な半導体発光素子を提供することができる。

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。

[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素子は、図１に示すように、導電性基板１００と、導電性基板１００上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第１のｎ型半導体層１２０と、第１のｎ型半導体層１２０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第１の活性層１３０と、第１の活性層１３０上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第１のｐ型半導体層１４０と、第１のｐ型半導体層１４０上に配置された第１のアノード電極２とを備える。

また、導電性基板１００上に第１のｎ型半導体層１２０に隣接して配置され，ｎ型不純物をドープされた第２のｎ型半導体層１６０と、第２のｎ型半導体層１６０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第２の活性層１７０と、第２の活性層１７０上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第２のｐ型半導体層１８０と、第２のｐ型半導体層１８０上に配置された第２のアノード電極３と、導電性基板１００の第１のｎ型半導体層１２０及び第２のｎ型半導体層１６０が配置された表面と反対側の裏面上に配置された共通のカソード電極４とを備える。

導電性基板１００，第１のｎ型半導体層１２０，第１の活性層１３０および第１のｐ型半導体層１４０からは第１の発光素子（ＵＷ：赤色）が形成される。

導電性基板１００，前記第２のｎ型半導体層１６０，第２の活性層１７０および第２のｐ型半導体層１８０からは第２の発光素子（ＹＧ：黄緑色）が形成される。

第１の発光素子（赤色）および前記第２の発光素子（黄緑色）は、導電性基板１００を共通のカソード領域とすることを特徴とする。回路構成上は、図１（ｂ）に示すように、カソード電極４は共通電極である。アノード電極２、３は、それぞれ第１のＬＥＤ（赤色）、第２のＬＥＤ（黄緑色）によって、分離されている。結果として、共通カソード構成の２色ＬＥＤ（赤色、黄緑色）が構成されている。

また、第１の活性層１３０は、(Ａｌ₀Ｇａ_1.0)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第１の発光素子（赤色）の発光ピーク波長は、例えば約６２０ｎｍ程度が得られている。

また、第２の活性層１７０は、(Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第２の発光素子（黄緑色）の発光ピーク波長は、例えば約５７０ｎｍ程度が得られている。

また、導電性基板１００と第１のｎ型半導体層１２０との間に配置された第１の反射積層膜１４と、導電性基板１００と第２のｎ型半導体層１６０との間に配置された第２の反射積層膜１５とをさらに備えていても良い。

また、ｐ型不純物は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）であり、ｎ型不純物は、例えばシリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする。

導電性基板１００は、例えばＧａＡｓ基板を適用することができる。

第１の反射積層膜１４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１３０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。

第２の反射積層膜１５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。

ｎ型半導体層１２０，１６０、活性層１３０，１７０及びｐ型半導体層１４０，１８０はそれぞれ(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる。ｎ型半導体層１２０は、電子を活性層１３０に供給し、ｐ型半導体層１４０は、正孔（ホール）を活性層１３０に供給する。同様に、ｎ型半導体層１６０は、電子を活性層１７０に供給し、ｐ型半導体層１８０は、正孔（ホール）を活性層１７０に供給する。

供給された電子及び正孔が活性層１３０、１７０で再結合することにより、光が発生する。

反射積層膜１４、１５で反射された光は、導電性基板１００とは反対側の表面側から取り出される。

（製造方法）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、図５（ａ）〜（ｆ）に示すように、導電性基板１０上に第１の活性層を含む第１のエピタキシャル成長層５００を形成する工程と、第１のエピタキシャル成長層５００をパターニング後、第１のエピタキシャル成長層５００をエッチングにより除去し、導電性基板１０の表面を露出する工程と、第１のエピタキシャル成長層５００上にＧａＡｓ層（エッチングストップ層）２８を形成する工程と、導電性基板１０の表面およびＧａＡｓ層２８上に第２の活性層を含む第２のエピタキシャル成長層５２０を形成する工程と、第２のエピタキシャル成長層５２０をパターニング後、第２のエピタキシャル成長層５２０をＧａＡｓ層２８までエッチングにより除去する工程と、ＧａＡｓ層２８を除去後、第１のエピタキシャル成長層５００と第２のエピタキシャル成長層５２０との間を分離する工程とを有する。

さらに詳細には、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、図５（ａ）〜（ｆ）に示すように、導電性基板１０上に第１の反射積層膜１４を形成する工程と、第１の反射積層膜１４上に第１の活性層を含む第１のエピタキシャル成長層５００を形成する工程と、第１のエピタキシャル成長層５００をパターニング後、第１のエピタキシャル成長層５００および第１の反射積層膜１４をエッチングにより除去し、導電性基板１０の表面を露出する工程と、導電性基板１０の表面上に第２の反射積層膜１５を形成する工程と、第１のエピタキシャル成長層５００上にＧａＡｓ層（エッチングストップ層）２８を形成する工程と、第２の反射積層膜１５およびＧａＡｓ層２８上に第２の活性層を含む第２のエピタキシャル成長層５２０を形成する工程と、第２のエピタキシャル成長層５２０をパターニング後、第２のエピタキシャル成長層５２０をＧａＡｓ層２８までエッチングにより除去する工程と、ＧａＡｓ層２８を除去後、第１のエピタキシャル成長層５００と第２のエピタキシャル成長層５２０との間および第１の反射積層膜１４と第２の反射積層膜１５との間を分離する工程とを有する。

以下、図５を参照して製造方法を説明する。

（ａ）まず、図５（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１０を準備し、ＧａＡｓ基板１０上に、第１の反射積層膜（ＤＢＲ）１４を形成し、さらに第１の反射積層膜（ＤＢＲ）上に第１のエピタキシャル成長層５００を形成する。

（ｂ）次に、図５（ｂ）に示すように、第１のエピタキシャル成長層５００上にレジスト層３２を塗布後、パターニングする。

（ｃ）次に、図５（ｃ）に示すように、ＧａＡｓ基板をエッチングストップ層として、第１のエピタキシャル成長層５００および第１の反射積層膜（ＤＢＲ）１４を希塩酸でエッチングにより除去し、ＧａＡｓ基板１０の表面を露出する。

（ｄ）次に、図５（ｄ）に示すように、レジスト層３２を除去後、第２の反射積層膜１５、ＧａＡｓ層２８および第２のエピタキシャル成長層５２０を形成する。

（ｅ）次に、図５（ｅ）に示すように、レジスト層３３を塗布後、第１のＬＥＤ（赤色）の最表面のＧａＡｓ層２８をエッチングストップ層として、第２のエピタキシャル成長層５２０を希塩酸でエッチングにより除去する。

（ｆ）次に、図５（ｆ）に示すように、レジスト層３３を除去後、ＧａＡｓ層２８も除去し、第１のＬＥＤ（赤色）と第２のＬＥＤ（黄緑色）を分離する。

上記の製造方法においては、第１のエピタキシャル成長層５００を第２のエピタキシャル成長層５２０よりも先に形成する例を開示したが、第１のエピタキシャル成長層５００を第２のエピタキシャル成長層５２０よりも後に形成しても同様に形成することができる。

（具体的構成例）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子に適用可能な第１のＬＥＤ（赤色）は、図６に示すように、ＧａＡｓ基板１０と、ＧａＡｓ基板１０上に配置されたＧａＡｓバッファ層１２と、ＧａＡｓバッファ層１２上に配置されたＡｌＩｎＰ／（ＡｌＧａ）ＩｎＰの積層構造からなる第１の反射積層膜（ＤＢＲ）１４と、第１の反射積層膜１４上に配置され，例えばＡｌＩｎＰからなるｎ型クラッド層１６と、ｎ型クラッド層１６上に配置され，(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１８と、活性層１８上に配置され，例えばＡｌＩｎＰからなるｐ型クラッド層２０と、ｐ型クラッド層２０上に配置されたＩｎＧａＡｌＰ層２２と、ＩｎＧａＡｌＰ層２２上に配置されたＧａＰウィンドウ層２４と、ＧａＰウィンドウ層２４上に配置され，エッチングストップ層となる（ＡｌＧａ）ＩｎＰ層２６と、（ＡｌＧａ）ＩｎＰ層２６上に配置されたＧａＡｓ層２８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素子に適用可能な第２のＬＥＤ（黄緑色）は、図７に示すように、ＧａＡｓ基板１０と、ＧａＡｓ基板１０上に配置されたＧａＡｓバッファ層１２と、ＧａＡｓバッファ層１２上に配置されたＡｌＩｎＰ／（ＡｌＧａ）ＩｎＰの積層構造からなる第２の反射積層膜１５と、第２の反射積層膜１５上に配置され，例えばＡｌＩｎＰからなるｎ型クラッド層１７と、ｎ型クラッド層１７上に配置され，(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の活性層１９と、活性層１９上に配置され，例えばＡｌＩｎＰからなるｐ型クラッド層２１と、ｐ型クラッド層２１上に配置されたＩｎＧａＡｌＰ層２３と、ＩｎＧａＡｌＰ層２３上に配置されたＧａＰウィンドウ層２５と、ＧａＰウィンドウ層２５上に配置され，エッチングストップ層となる（ＡｌＧａ）ＩｎＰ層２７と、（ＡｌＧａ）ＩｎＰ層２７上に配置されたＧａＡｓ層２９とを備える。

（特性例）
図８（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の発光スペクトル例であって、光出力Ｐ_oと波長との関係を示す。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の発光スペクトル例を得た２色ＬＥＤ（ＵＷ：赤色、ＹＧ：黄緑色）の平面パターン構成例を示す。

図８（ａ）から明らかなように、発光波長ピークとして、例えば約５７０ｎｍ程度と約６２０ｎｍ程度の２つのピークが得られており、赤色ＬＥＤと黄緑色ＬＥＤの特性例が示されている。図８（ａ）の特性例は、前述の図５に示したように、２回のエピタキシャル成長により形成した、２色発光の半導体発光素子の構造によって得られたものである。また、赤色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２４の厚さおよび黄緑色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２５の厚さを共に約２μｍ程度に形成した場合の半導体発光素子における結果である。

図９は、本発明の比較例に係る半導体発光素子の発光スペクトル例であって、光出力Ｐ_oと波長との関係を示す。図９の特性例も、前述の図５に示したように、２回のエピタキシャル成長により形成した、２色発光の半導体発光素子の構造によって得られたものである。

図９において、細い曲線の特性例は、赤色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２４の厚さおよび黄緑色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２５の厚さを共に約６μｍ程度に形成した場合の半導体発光素子における結果である。一方、太い曲線の特性例は、赤色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２４の厚さおよび黄緑色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２５の厚さをそれぞれ約２μｍ程度および約６μｍ程度に形成した場合の半導体発光素子における結果である。

赤色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２４の厚さおよび黄緑色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２５の厚さは、共に約６μｍ程度では、所望の特性が得られていない。赤色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２４の厚さおよび黄緑色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２５の厚さが、共に約２μｍ程度と薄く形成した場合には、図８（ａ）のように、発光スペクトルの半値幅も狭く、良好な発光スペクトルパターンが得られる。

図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の順方向特性を示す。

図１０において、細い曲線の特性例は、赤色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２４の厚さおよび黄緑色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２５の厚さを共に約６μｍ程度に形成した場合の半導体発光素子における結果であり、図９の細い曲線の特性例を得た半導体発光素子に対応している。

図１０において、太い曲線の特性例は、赤色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２４の厚さおよび黄緑色ＬＥＤのＧａＰウィンドウ層２５の厚さが、共に約２μｍ程度に形成した場合の２色発光の半導体発光素子における結果であり、図８の特性例を得た半導体発光素子に対応している。図１０の太い曲線の特性例では、赤色ＬＥＤと黄緑色ＬＥＤの順方向特性は、共にリーク電流が低減され、略同等の順方向特性を示している。また、成膜レートを上昇させて、熱履歴を少なくするなどの工夫を実施することによっても、リーク電流を低減することができる。また、成膜温度を下げるなどの工夫を実施することによっても、リーク電流を低減することができる。

図８および図１０の特性が得られた本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、２００μｍ×３００μｍの寸法を有する。このような微細パターンを有する２色発光の半導体発光素子によって、赤色と黄緑色の２色発光が可能となった。

赤色と黄緑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、パッシ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の実施の形態に係る半導体発光素子を用いることで、例えば約１．５ｍｍ×１．３ｍｍ角程度のパッシージを、例えば約１．０ｍｍ×０．６ｍｍ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の実施の形態に係る半導体発光素子においては、第１および第２の活性層は両方ともに、ＧａＰよりも発光効率の良い，(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した点に特徴を有する。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子においては、第１および第２の活性層は両方ともに、(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、２色発光を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子においては、第１および第２の活性層は両方ともに、(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、組成比ｘ，ｙを調整することによって、波長範囲約５５０ｎｍ〜７００ｎｍ程度において、所望の発光波長ピークを有する２色発光の半導体発光素子を得ることができる。

（平面パターン構成例）
２色発光の半導体発光素子を別々、または同時に発光させるためには、カソード電極を共通とし、アノード電極パッドを別々に構成するカソードコモン構成と、アノード電極を共通とし、カソード電極パッドを別々に構成するアノードコモン構成がある。

機械で認識する際は、電極パッドの反射率で認識するので、形状、もしくは反射率を変える必要がある。この機械認識によって、量産が可能となる。

図１１〜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１１（ａ）は、半円形パターンを有する構成例、図１１（ｂ）は、三角形パターンを有する構成例、図１１（ｃ）は、矩形パターンを有する構成例を示す。

ＧａＡｓ基板１０上に赤色ＬＥＤと黄緑色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１２（ａ）は、逆Ｓ字分離パターンを有する構成例、図１２（ｂ）は、鍵型分離パターンを有する構成例を示す。同様に、ＧａＡｓ基板１０上に赤色ＬＥＤと黄緑色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、凸凹パターンを有する構成例、図１３（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、ＧａＡｓ基板１０上に赤色ＬＥＤと黄緑色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。

２回のエピタキシャル成長を用いて２色発光の半導体発光素子を形成する場合、後からエピタキシャル成長を行う発光素子では導電性基板１００を露出するエッチング工程によって、導電性基板１００がエッチングされるため、導電性基板１００の形状にわずかな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。

（第１の実施の形態の変形例）
本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る半導体発光素子は、図２に示すように、導電性基板２００と、導電性基板２００上に配置された第１の反射積層膜１４と、第１の反射積層膜１４上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第１のｐ型半導体層２２０と、第１のｐ型半導体層２２０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第１の活性層２３０と、第１の活性層２３０上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第１のｎ型半導体層２４０と、第１のｎ型半導体層２４０上に配置された第１のカソード電極６とを備える。

また、導電性基板２００上に第１の反射積層膜１４に隣接して配置された第２の反射積層膜１５と、第２の反射積層膜１５上に配置され，第１のｐ型半導体層２２０に隣接して配置されたｐ型不純物をドープされた第２のｐ型半導体層２６０と、第２のｐ型半導体層２６０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第２の活性層２７０と、第２の活性層２７０上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第２のｎ型半導体層２８０と、第２のｎ型半導体層２８０上に配置された第２のカソード電極７と、導電性基板２００の第１の反射積層膜１４及び第２の反射積層１５膜が配置された表面と反対側の裏面上に配置された共通のアノード電極８とを備える。

導電性基板２００，第１のｐ型半導体層２２０，第１の活性層２３０および第１のｎ型半導体層２４０からは第１の発光素子（赤色）が形成される。

導電性基板２００，第２のｐ型半導体層２６０，第２の活性層２７０および第２のｎ型半導体層２８０からは第２の発光素子（黄緑色）が形成される。

第１の発光素子（赤色）および第２の発光素子（黄緑色）は、導電性基板２００を共通のアノード領域とすることを特徴とする。回路構成上は、図２（ｂ）に示すように、アノード電極８は共通電極である。カソード電極６、７は、それぞれ第１のＬＥＤ（赤色）、第２のＬＥＤ（黄緑色）によって、分離されている。結果として、共通アノード構成の２色ＬＥＤ（赤色、黄緑色）が構成されている。

また、第１の活性層２３０は、(Ａｌ₀Ｇａ_1.0)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第１の発光素子（赤色）の発光ピーク波長は、例えば約６２０ｎｍ程度が得られている。

また、第２の活性層２７０は、(Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第２の発光素子（黄緑色）の発光ピーク波長は、例えば約５７０ｎｍ程度が得られている。

また、導電性基板１００と第１のｐ型半導体層２２０との間に配置された第１の反射積層膜１４と、導電性基板１００と第２のｐ型半導体層２６０との間に配置された第２の反射積層膜１５とをさらに備えていても良い。

各部の構成、平面パターン構成および製造方法などは第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例によれば、波長は５５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で、電流注入で２色発光可能な半導体発光素子を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態およびその変形例によれば、２つの活性層を、(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体で、エピタキシャル成長層の形成工程を２回に分けることで形成し、波長は５５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で電流注入で２色発光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ができる。
[第２の実施の形態]
本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子は、図３に示すように、ｎ型不純物をドープされた第１のカソード領域３００と、第１のカソード領域３００上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第１のｎ型半導体層３２０と、第１のｎ型半導体層３２０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第１の活性層３３０と、第１の活性層３３０上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第１のｐ型半導体層３４０と、第１のｐ型半導体層３４０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第２の活性層３５０と、第２の活性層３５０上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第２のｎ型半導体層３６０と、第２のｎ型半導体層３６０に配置され，ｎ型不純物をドープされた第２のカソード領域３８０と、第１のカソード領域３００上に配置された第１のカソード電極４と、第２のカソード領域３８０上に配置された第２のカソード電極６ａと、第１のｐ型半導体層３４０上に配置された共通のアノード電極３（２）とを備える。

第１のｐ型半導体層３４０，第２の活性層３５０，第２のｎ型半導体層３６０および第２のカソード領域３８０からは第１の発光素子（赤色）が形成される。

第１のカソード領域３００，第１のｎ型半導体層３２０，第１の活性層３３０および第１のｐ型半導体層３４０からは第２の発光素子（黄緑色）が形成される。

第１の発光素子（赤色）および第２の発光素子（黄緑色）は、第１のｐ型半導体層３４０を共通のアノード領域として積層化されたことを特徴とする。

回路構成上は、図３（ｂ）に示すように、アノード電極３（２）は共通電極である。カソード電極４、６は、それぞれ第１の発光素子（赤色）、第２の発光素子（黄緑色）によって、分離されている。結果として、共通アノード構成の２色ＬＥＤ（赤色、黄緑色）が構成されている。

また、第１の活性層３３０は、(Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第２の発光素子（黄緑色）の発光ピーク波長は、例えば約５７０ｎｍ程度が得られている。

また、第２の活性層３５０は、(Ａｌ₀Ｇａ_1.0)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第１の発光素子（赤色）の発光ピーク波長は、例えば約６２０ｎｍ程度が得られている。

ｎ型半導体層３２０，３６０、活性層３３０，３５０及びｐ型半導体層３４０はそれぞれ(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる。ｎ型半導体層３２０は、電子を活性層３３０に供給し、ｐ型半導体層３４０は、正孔（ホール）を活性層３３０に供給する。同様に、ｎ型半導体層３６０は、電子を活性層３５０に供給し、ｐ型半導体層３４０は、正孔（ホール）を活性層３５０に供給する。供給された電子及び正孔が活性層３３０、３５０で再結合することにより、光が発生する。

（製造方法）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、ｎ型不純物をドープされた第１のカソード領域３００上にｎ型不純物をドープされた第１のｎ型半導体層３２０を形成する工程と、第１のｎ型半導体層３２０上に、(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第１の活性層３３０を形成する工程と、第１の活性層３３０上に、ｐ型不純物をドープされた第１のｐ型半導体層３４０を形成する工程と、第１のｐ型半導体層３４０上に、(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第２の活性層３５０を形成する工程と、第２の活性層３５０上にｎ型不純物をドープされた第２のｎ型半導体層３６０を形成する工程と、第２のｎ型半導体層３６０上にｎ型不純物をドープされた第２のカソード領域３８０を形成する工程と、第１のカソード領域３００上に第１のカソード電極４を形成する工程と、第２のカソード領域３８０上に第２のカソード電極６ａを形成する工程と、第１のｐ型半導体層３４０上に共通のアノード電極３（２）を形成する工程とを有する。

各部の具体的構成、平面パターン構成などは第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子においては、第１および第２の活性層は両方ともに、ＧａＰよりも発光効率の良い，(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した点に特徴を有する。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子においては、第１および第２の活性層は両方ともに、(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、２色発光を実現した点に特徴を有する。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子においては、第１および第２の活性層は両方ともに、(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、組成比ｘ，ｙを調整することによって、波長範囲約５５０ｎｍ〜７００ｎｍ程度において、所望の発光波長ピークを有する２色発光を実現した点に特徴を有する。

（第２の実施の形態の変形例）
本発明の第２の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、図４に示すように、ｐ型不純物をドープされた第１のアノード領域４００と、第１のアノード領域４００上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第１のｐ型半導体層４２０と、第１のｐ型半導体層４２０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第１の活性層４３０と、第１の活性層４３０上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第１のｎ型半導体層４４０と、第１のｎ型半導体層４４０上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第２の活性層４５０と、第２の活性層４５０上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第２のｐ半導体層４６０と、第２のｐ半導体層４６０に配置され，ｐ不純物をドープされた第２のアノード領域４８０と、第１のアノード領域４００上に配置された第１のアノード電極８と、第２のアノード領域４８０上に配置された第２のアノード電極２ａと、第１のｎ型半導体層４４０上に配置された共通のカソード電極７（４）とを備える。

第１のｎ型半導体層４４０，第２の活性層４５０，第２のｐ型半導体層４６０および第２のアノード領域４８０からは第１の発光素子（赤色）が形成される。

第１のアノード領域４００，第１のｐ型半導体層４２０，第１の活性層４３０および第１のｎ型半導体層４４０からは第２の発光素子（黄緑色）が形成される。

第１の発光素子（赤色）および第２の発光素子（黄緑色）は、第１のｎ型半導体層４４０を共通のカソード領域として積層化されたことを特徴とする。

回路構成上は、図４（ｂ）に示すように、カソード電極７（４）は共通電極である。アノード電極２、８は、それぞれ第１の発光素子（赤色）、第２の発光素子（黄緑色）によって、分離されている。結果として、共通カソード構成の２色ＬＥＤ（赤色、黄緑色）が構成されている。

また、第１の活性層４３０は、(Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.85Ｇａ_0.15)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第２の発光素子（黄緑色）の発光ピーク波長は、例えば約５７０ｎｍ程度が得られている。

また、第２の活性層４５０は、(Ａｌ₀Ｇａ_1.0)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるウェル層と(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層の多重量子井戸構造を備えていても良い。このように構成することによって、第１の発光素子（赤色）の発光ピーク波長は、例えば約６２０ｎｍ程度が得られている。

各部の具体的構成、平面パターン構成などは第１および第２の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

本発明の第２の実施の形態およびその変形例によれば、波長は５５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で、電流注入で２色発光可能な半導体発光素子を提供することができる。

本発明の第２の実施の形態およびその変形例によれば、２つの活性層を、(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体で、連続した１度のエピタキシャル成長で形成し、片側はエッチングにより除去することで、波長は５５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で電流注入で２色発光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れぞれ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素子およびその製造方法は、発光素子を２色、３色のパッケージに組み込み、小型パッケージに利用して、携帯電話などに組み込むＬＥＤチップなどの半導体発光素子全般に利用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子であって、（ａ）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の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子であって、（ａ）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２の実施の形態に係る半導体発光素子であって、（ａ）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２の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子であって、（ａ）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素子の製造方法の一工程を説明する模式的断面構造図であって、（ａ）ＧａＡｓ基板上に第１の反射積層膜および第１のエピタキシャル成長層を形成する工程図、（ｂ）レジスト層を塗布後、パターニングする工程図、（ｃ）ＧａＡｓ基板をエッチングストップ層として、第１のエピタキシャル成長層および第１の反射積層膜をエッチングする工程図、（ｄ）レジスト層を除去後、第２の反射積層膜、ＧａＡｓ層および第２のエピタキシャル成長層を形成する工程図、（ｅ）レジスト層を塗布後、第１のＬＥＤ（赤色）の最表面のＧａＡｓ層をエッチングストップ層として、第２のエピタキシャル成長層をエッチングする工程図、（ｆ）レジスト層を除去後、ＧａＡｓ層も除去し、第１のＬＥＤ（赤色）と第２のＬＥＤ（黄緑色）を分離する工程図。本発明の第１乃至第２の実施の形態に係る半導体発光素子に適用可能な第１のＬＥＤ（赤色）の模式的断面構造図。本発明の第１乃至第２の実施の形態に係る半導体発光素子に適用可能な第２のＬＥＤ（黄緑色）の模式的断面構造図。（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の発光スペクトル例であって、光出力Ｐ_oと波長との関係を表す図、（ｂ）（ａ）の発光スペクトル例を得た２色ＬＥＤ（赤色、黄緑色）の平面パターン構成例を示す図。本発明の比較例に係る半導体発光素子の発光スペクトル例であって、光出力Ｐ_oと波長との関係を表す図。本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の順方向特性図。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。従来例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図。

符号の説明

２、２ａ、３、８…アノード電極
４、６、６ａ、７…カソード電極
１０…ＧａＡｓ基板
１２…ＧｓＡｓバッファ層
１４…第１の反射積層膜（ＤＢＲ）
１５…第２の反射積層膜（ＤＢＲ）
１６、１７…ｎ型クラッド層
１８、１９…活性層
２０、２１…ｐ型クラッド層
２２、２３…ＩｎＧａＡｌＰ層
２４、２５…ＧａＰウィンドウ層
２６、２７…ＡｌＧａＩｎＰ層
２８、２９…ＧａＡｓ層（エッチングストップ層）
３２、３３…レジスト層
１００、２００…導電性基板
１２０、２４０、３２０、４４０…第１の活性層
１３０、２３０、３３０、４３０…第１の多重量子井戸層
１４０、２２０、３４０、４２０…第１のｐ型半導体層
１６０、２８０、３６０…第２のｎ型半導体層
１７０、２７０、３５０、４５０…第２の活性層
１８０、２６０、４６０…第２のｐ型半導体層
３００…第１のカソード領域
３８０…第２のカソード領域
４００…第１のアノード領域
４８０…第２のアノード領域
５００…第１のエピタキシャル成長層
５２０…第２のエピタキシャル成長層

Claims

導電性基板と、
前記導電性基板上に配置され，ｎ型不純物をドープされた第１のｎ型半導体層と、
前記第１のｎ型半導体層上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第１の活性層と、
前記第１の活性層上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第１のｐ型半導体層と、
前記第１のｐ型半導体層上に配置された第１のアノード電極と、
前記導電性基板上に前記第１のｎ型半導体層に隣接して配置されたｎ型不純物をドープされた第２のｎ型半導体層と、
前記第２のｎ型半導体層上に配置され，(Ａｌ_xＧａ_y)_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦x≦０．８５、０≦ｙ≦１）４元系化合物半導体からなる第２の活性層と、
前記第２の活性層上に配置され，ｐ型不純物をドープされた第２のｐ型半導体層と、
前記第２のｐ型半導体層上に配置された第２のアノード電極と、
前記導電性基板の前記第１及び第２のｎ型半導体層が配置された表面と反対側の裏面上に配置された共通のカソード電極と
を備え、
前記第１の活性層は、 (Ａｌ _x Ｇａ _1-x ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐからなるウェル層と(Ａｌ _v Ｇａ _1-v ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ(０≦ｘ＜ｖ＜０．８)からなるバリア層の多重量子井戸構造を備え、前記第２の活性層は、(Ａｌ _x Ｇａ _1-x ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐからなるウェル層と(Ａｌ _w Ｇａ _1-w ) _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ(０≦ｘ＜ｗ＜０．９) からなるバリア層からなり、かつ前記第１の活性層とは異なる組成を有する多重量子井戸構造を備え、
前記第１のｐ型半導体層は、第１のｐ型ＧａＰウィンドウ層を含み、前記第２のｐ型半導体層は、第２のｐ型ＧａＰウィンドウ層を含み、前記第１のｐ型ＧａＰウィンドウ層及び前記第２のｐ型ＧａＰウィンドウ層の厚さは、共に２μｍであることを特徴とする半導体発光素子。
前記導電性基板と前記第１のｎ型半導体層との間に配置された第１の反射積層膜と、
前記導電性基板と前記第２のｎ型半導体層との間に配置された第２の反射積層膜と
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素子。
前記第１のアノード電極の電極パッドと前記第２のアノード電極の電極パッドとは、それぞれの形状もしくは反射率が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。