(57)【要約】【課題】高輝度の白色光が得られる半導体発光素子をより安価に提供できるようにする。【解決手段】バリア層１０５と下部活性層１０６とバリア層１０７とで第１発光構造を形成し、バリア層１０７と中部活性層１０８とバリア層１０９とで第２発光構造を形成し、バリア層１０９と上部活性層１１０とバリア層１１１とで第３発光構造を形成する。各発光構造の発光波長は、第１発光構造を最も短く、第３発光構造を最長とする。【選択図】　　　　図１
2004022969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１クラッド層と、
この第１クラッド層上に形成された第１発光構造と、
この第１発光構造上に形成された第２発光構造と、
この第２発光構造上に形成された第２クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第１発光構造は、バリア層に挟まれた第１活性層から構成され、
前記第２発光構造は、バリア層に挟まれた第２活性層から構成され、
前記第１発光構造と前記第２発光構造とは、各々異なる発光波長を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子において、
前記第１活性層と前記第２活性層とは、異なる組成比のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１記載の半導体発光素子において、
前記第１活性層と前記第２活性層とは、異なる膜厚のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項２または３に記載の半導体発光素子において、
前記バリア層は、前記第１，第２活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
基板上に形成された第１クラッド層と、
この第１クラッド層上に形成された第１発光構造と、
この第１発光構造上に形成された第２発光構造と、
この第２発光構造上に形成された第３発光構造と、
この第３発光構造上に形成された第２クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第１発光構造は、バリア層に挟まれた第１活性層から構成され、
前記第２発光構造は、バリア層に挟まれた第２活性層から構成され、
前記第３発光構造は、バリア層に挟まれた第３活性層から構成され、
記第１発光構造と前記第２発光構造と前記第３発光構造とは、各々異なる発光波長を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５記載の半導体発光素子において、
前記第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる組成比のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項５記載の半導体発光素子において、
前記第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる膜厚のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項６または７に記載の半導体発光素子において、
前記バリア層は、前記第１〜第３活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
基板上に形成された下部クラッド層，下部バリア層，第１活性層，上部バリア層，及び上部クラッド層の順に積層された第１発光部と、
前記基板上に形成された下部クラッド層，下部バリア層，第２活性層，上部バリア層，及び上部クラッド層の順に積層された第２発光部と、
前記基板上に形成された下部クラッド層，下部バリア層，第３活性層，上部バリア層，及び上部クラッド層の順に積層された第３発光部と
を少なくとも備え、
前記第１発光部と、前記第２発光部と、前記第３発光部とは、各々異なる発光波長を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体発光素子において、
前記第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる組成比のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項９記載の半導体発光素子において、
前記第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる膜厚のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の半導体発光素子において、前記下部バリア層及び上部バリア層は、前記第１〜第３活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成されたものである
ことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視域の光を発する半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、白色光源として用いることができる半導体発光素子には、３種類の構造があった。第１は、光の三原色である赤色，緑色，及び青色の光をそれぞれ発する３種類の発光ダイオードを用い、これらより発生される光を重ねて白色光源とする構造である。
【０００３】
第２は、ＺｎＳｅ基板上に結晶成長したＺｎＣｄＳｅを井戸層とする量子井戸構造を有する青緑色発光ダイオードの発光を、基板であるＺｎＳｅを通して外部に引き出すことで、白色光源とする構造である。これは、上記量子井戸からは青緑色の発光を取り出し、取り出した光によりＺｎＳｅ基板中に存在する欠陥からＳＡ発光と呼ばれる深い準位からの榿色の発光を取り出し、これらの二つの光の混合することで、白色光を得る構造である。
【０００４】
第３は、青色発光する発光ダイオードの半導体チップを蛍光体粉末を混ぜたプラスチックでモールドした構造である。上記蛍光体粉末は、黄色から赤色を発光する蛍光体材料から構成されたものである。半導体チップ（発光ダイオード）から発した青色によりプラスチックモールド中の蛍光体が励起され、黄色から赤色の光を発光する。この第３の構造では、蛍光体からの黄色から赤色の光と、半導体チップからの青色の光とを混合することで、白色光を得るようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
第１の構造では、三色の光用に各々発光ダイオードチップを用意する必要がある。実際に用いる構成としては、赤色，緑色，青色の光を発する合計３個の発光ダイオードチップを集積化している。第１の構造では、３色の発光ダイオードチップは、各々異なった材料で構成され、独立に３色の素子を作成した後で、同一の基板上に集積されている。更に、第１の構造では、３個の発光ダイオードチップより発生された光の和が白色となるように、３個の発光ダイオードチップの光出力を調整する必要がある。例えば、各々の発光ダイオードチップに対する注入電流を、各々調整していた。このように、第１の構造では、素子数が多くこれらを集積する必要があり、また、各素子に対する注入電流の調整が必要であるなど、量産性を阻害するという問題があった。
【０００６】
つぎに、第２の構造では、広く用いられているＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板より一桁程度高価なＺｎＳｅ基板が必要なため、素子の価格が高くなるという問題があった。更に、ＺｎＳｅ基板を用いて半導体発光素子を製造する場合、ｐ形の不純物（キャリア）がドーピングされた結晶層を形成するためには、分子線エピタキシャル成長方法（ＭＢＥ）が必要となる。また、ＭＢＥを用いてドーピングされ多結晶層が製造できても、発光効率を高くするためにドーピングしたキャリアを活性化できるような結晶を得るためには、まず、結晶成長前の基板処理として亜鉛酸化物を造らない特殊な酸による基板のエッチングと、基板表面を荒らさない水素プラズマ処理によるＭＢＥ成長室内での基板酸化膜の除去とが必要となる。
【０００７】
また、第２の構造を実現するためには、結晶表面の再配列を制御する必要があり、このために、成長時に同時に反射高速電子回折像を観察し、ＩＩ族とＶＩ族の原料供給比ＶＩ／ＩＩを１．１〜１．３程度に制御する必要がある。これらの高度な製造技術により、初めて、第２の構造を実現するための高品質な結晶の成長が可能となる。発明者らは、この技術を１９９７年に開発し、ＺｎＳｅ基板上での半導体レーザの開発に世界で初めて成功した（Ａ．Ｏｈｋｉ，Ｔ．Ｏｈｎｏ　ａｎｄ　Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＺｎＳｅ−Ｂａｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅｓ　Ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａ１１ｙＧｒｏｗｎ　ｏｎ　Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ＺｎＳｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３，１１，ｐｐ．９９０−９９１（１９９７）．　Ｔ．Ｏｈｎｏ，Ａ．Ｏｈｋｉ　ａｎｄ　Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ＣＷ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆＩＩ−ＶＩ　Ｌａｓｅｒ　Ｇｒｏｗｎ　ｏｎ　ＺｎＳｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｃｌｅａｎｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｐｌａｓｍａ”，Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ，１８４／１８５，ｐｐ．５５０−５５３（１９９８）．　Ｔ．Ｏｈｎｏ，Ａ．Ｏｈｋｉ　ａｎｄ　Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｐｌａｓｍａ　ｆｏｒ　Ｌｏｗ−Ｄｅｆｅｃｔ−Ｄｅｎｓｉｔｙ　ＺｎＳｅ　Ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ”，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ．，１６，４，ｐｐ．２５３９−２５４５（１９９８）．）。
【０００８】
しかし、上記開発の後、工業会及び学界レベルにおいて、第２の構造に関する大きな進歩がない。これは、材料に関わる基本的な問題として、結晶自体がもろく欠陥が入りやすいためである。また、第２の構造においては、ＳＡ発光強度の問題がある。第２の構造により白色の光を得るためには、ＺｎＳｅ基板の厚さを制御し、基板上の発光ダイオード構造から出力される青色の強さとＳＡ発光強度との比を調整する必要がある。ＳＡ発光の強度は、材料の特性に大きく依存するため、この調整は、素子作製の度に毎回ＺｎＳｅ基板の特性に合わせて行う必要があり、量産性を阻害する要因となっている。
【０００９】
第３の構造では、注入電力の光への変換効率が、半導体チップの発光効率と蛍光体の発光効率との積となり、各発光効率が１００％となることがないため、光への変換効率が低くなるという問題がある。例えば、半導体光素子の発光効率は４０％程度であり、蛍光体の発光効率は５０％程度であるため、第３の構造による白色発光素子における注入電力の光への変換効率は、２０％程度と低い。このような第３の構造では、効率が白熱電灯と同程度であり、蛍光灯より低いため、半導体光素子（ＬＥＤ）の利点が減少してしまう。
【００１０】
上述したように、従来の技術では、白色光の半導体発光素子を製造するにあたって、まず、製造工程が多く、また白色光を得るための調整が必要であるなど、高輝度の白色半導体発光素子を安価に提供することが困難であった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高輝度の白色光が得られる半導体発光素子をより安価に提供できるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に形成された第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形成された第１発光構造と、この第１発光構造上に形成された第２発光構造と、この第２発光構造上に形成された第２クラッド層とを少なくとも備え、第１発光構造は、バリア層に挟まれた第１活性層から構成され、第２発光構造は、バリア層に挟まれた第２活性層から構成され、第１発光構造と第２発光構造とは、各々異なる発光波長を有するようにしたものである。
この半導体発光素子は、第１発光構造から出射される第１の光と、これと異なる波長の第２発光構造から出射される第２の光とを合成した光を出射する。
【００１２】
上記半導体発光素子において、第１活性層と第２活性層とは、異なる組成比のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成してもよく、また、第１活性層と第２活性層とは、異なる膜厚のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成してもよい。
また、上記半導体発光素子において、バリア層は、第１，第２活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成されたものである。
【００１３】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に形成された第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形成された第１発光構造と、この第１発光構造上に形成された第２発光構造と、この第２発光構造上に形成された第３発光構造と、この第３発光構造上に形成された第２クラッド層とを少なくとも備え、第１発光構造は、バリア層に挟まれた第１活性層から構成され、第２発光構造は、バリア層に挟まれた第２活性層から構成され、第３発光構造は、バリア層に挟まれた第３活性層から構成され、記第１発光構造と第２発光構造と第３発光構造とは、各々異なる発光波長を有するようにしたものである。
この半導体発光素子は、第１発光構造から出射される第１の光と、これと異なる波長の第２発光構造から出射される第２の光と、第１，第２の光と異なる波長の第３発光構造から出射される第３の光とを合成した光を出射する。
【００１４】
上記半導体発光素子において、第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる組成比のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成すればよい。また、第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる膜厚のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成してもよい。
上記半導体発光素子において、バリア層は、第１〜第３活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成する。
【００１５】
本発明の半導体発光素子は、基板上に形成された下部クラッド層，下部バリア層，第１活性層，上部バリア層，及び上部クラッド層の順に積層された第１発光部と、基板上に形成された下部クラッド層，下部バリア層，第２活性層，上部バリア層，及び上部クラッド層の順に積層された第２発光部と、基板上に形成された下部クラッド層，下部バリア層，第３活性層，上部バリア層，及び上部クラッド層の順に積層された第３発光部とを少なくとも備え、第１発光部と、第２発光部と、第３発光部とは、各々異なる発光波長を有するようにしたものである。
この半導体発光素子は、第１発光部から出射される第１の光と、これと異なる波長の第２発光部から出射される第２の光と、第１，第２の光と異なる波長の第３発光部から出射される第３の光とを合成した光を出射する。
【００１６】
上記半導体発光素子において、第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる組成比のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成すればよい。また、第１活性層，第２活性層，及び第３活性層は、各々異なる膜厚のＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から構成してもよい。
上記半導体発光素子において、下部バリア層及び上部バリア層は、第１〜第３活性層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。この半導体発光素子は、３層の発光層を備えている白色発光ダイオードであり、図１では、結晶成長の膜厚方向に切断した断面を模式的に示している。この発光ダイオードは、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板１０１の上に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層１０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層１０３、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層（第１クラッド層）１０４を備えている。なお、単結晶基板１０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００１８】
また、クラッド層１０４上には、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層１０５、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）においてＹ＝０としたＩｎ１−ＸＧａＸＮからなる下部活性層（第１活性層）１０６、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層１０７、Ｉｎ１−Ｘ’ＧａＸ’Ｎからなる中間活性層（第２活性層）１０８、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層１０９、Ｉｎ１−Ｘ”ＧａＸ”Ｎからなる上部活性層（第３活性層）１１０，ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層１１１が形成されている。バリア層１１１上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層（第２クラッド層）１１２、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層１１３が形成されている。
【００１９】
また、コンタクト層１１３上には、直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１１４が形成され、電流制限絶縁層１１４上には、上記開口窓を介してコンタクト層１１３に接触するｐ形金属電極１１５が形成されている。ｐ形金属電極１１５は、図示しないが、コンタクト層１１３に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
なお、電極層１０３は、この上の各層を一部エッチング除去することで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極１１６が形成されている。ｎ形金属電極１１６は、図示しないが、上記露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００２０】
このように構成した本実施の形態における半導体発光素子は、バリア層１０５と下部活性層１０６とバリア層１０７とで第１発光構造を形成し、バリア層１０７と中部活性層１０８とバリア層１０９とで第２発光構造を形成し、バリア層１０９と上部活性層１１０とバリア層１１１とで第３発光構造を形成している。各発光構造の発光波長は、後述するように、各活性層の組成や厚さを制御することで、第１発光構造が最も短く、第３発光構造が最長としている。すなわち、光が出射する単結晶基板１０１に近い方の発光構造の発光波長が短くなるように（バンドギャップが大きくなるように）形成されている。従って、第３発光構造から放射された光は、第２発光構造と第１発光構造とに吸収されることなく、単結晶基板１０１の裏面から出射される。
【００２１】
第２発光構造から放射された光において、第１発光構造側へ出射された光は、第１発光構造に吸収されることなく単結晶基板１０１の裏面から出射される。一方、第２発光構造から放射された光において、第３発光構造側へ出射された光は、第３発光構造で吸収される。この吸収された光は、第３発光構造で発せられる光の波長に変換され、第３発光構造からの光として、単結晶基板１０１の裏面から出射される。
【００２２】
第１発光構造から放射された光において、単結晶基板１０１側に出た光は、上述したような吸収も受けることなく、単結晶基板１０１の裏面から出射される。一方、第１発光構造から放射された光において、単結晶基板１０１とは反対側へ出射した光は、第２発光構造あるいは第３発光構造で吸収される。これら吸収された各々の光は、第２発光構造あるいは第３発光構造で発せられる光の波長に変換され、各々、単結晶基板１０１の裏面から出射される。
【００２３】
なお、図１に示した半導体発光素子では、活性層（井戸層）にＩｎＧａＮを用いるようにしたが、これに限るものではない。活性層の厚さとバリア層の組成とを適宜設定することで、活性層にＩｎＮを用いることも可能である。
【００２４】
以上に説明したように、図１の半導体発光素子では、各発光構造の積層順を、光の取り出し方向との位置関係を考慮して設計することにより、損失が抑制された高効率の白色発光が得られる。また、図１の半導体発光素子では、三色の光用に各々個別の素子チップを用意する必要が無く、特殊な製造装置や製造方法を必要とせず、複雑な調整も必要としない。従って、図１の半導体発光素子によれば、より安価に素子を提供することが可能となる。
【００２５】
加えて、図１の半導体発光素子では、従来より小さな面積で素子が形成できるので、例えば、同一の基板上に複数の素子を同時に形成し、これらを切り出すことで半導体発光素子チップを得ようとする場合、より多くのチップを得ることが可能となる。この点においても、一般にいわれる量産効果などにより、より安価に素子を提供することが可能となる。また、素子も薄く形成することができるので、より小型な装置への実装も可能となる。
【００２６】
ところで、図１に示す層構成により半導体レーザ共振器を実現することも可能である。この場合、図１は、半導体レーザ共振器の出射端面を示す側面図となる。この場合、電流制限絶縁層１１４には、図１の紙面の法線方向に延在する幅２μｍの溝が素子の両端に至るように形成され、これに沿ってｐ形金属電極１１５が形成されたものとなる。また、図１に示す出射端面は、劈開により切り出した面となり、この出射端面より、図１の紙面の法線方向に光出力が取り出される。
【００２７】
つぎに、図１に示した半導体発光素子の製造方法を説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料には、アンモニアを用い、キャリアガスには、Ｉｎを含む層の成長時には窒素ガスを用い、Ｉｎを含まない層の成長時には水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
初めに基板温度を１０５０℃としてサファイアからなる単結晶基板１０１の表面をアンモニア雰囲気中で窒化し、この後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させてバッファ層１０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。
【００２８】
引き続き、単結晶基板１０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層１０２の単結晶化を行う。つぎに、単結晶基板１０１の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮ及びＳｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、電極層１０３及びクラッド層１０４を形成する。アルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。また、Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる。なお、以降に説明する各層の成長工程におけるＳｉの添加にも、同じ原料を用いる。
【００２９】
引き続き、バリア層１０５，下部活性層１０６，バリア層１０７，中部活性層１０８，バリア層１０９，上部活性層１１０，バリア層１１１を、連続した結晶成長（有機金属気相成長法）により形成する。これらのインジウムを含む層の成長において、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、成長温度を５００℃程度とする。インジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、これらのインジウムを含む層の成長におけるガリウム原料としては、ＴＥＧを用いる。これは、ＴＥＧが、ＴＭＧに比較し、低温で分解して蒸気圧が低く、結晶層の組成制御に適しているからである。
【００３０】
ここで、インジウムを含む各層の成長において、金属インジウムの析出を防止して高品質な合金からなる層を成長するために、窒素原料であるアンモニアとＩＩＩ族原料（ＴＭＩ＋ＴＭＡ＋ＴＥＧ）との比（Ｖ／ＩＩＩ）は、６６００００とする。また、このインジウムを含む層の成長では、キャリアガス及びバブリングガスを窒素とする。これは、水素をキャリアガスなどに用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである（文献１：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。
【００３１】
上記インジウムを含む各層を成長させた後、引き続き、原料ガスを変更してＭｇを添加したｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びＭｇを添加したｐ形のＧａＮを成長し、クラッド層１１２及びコンタクト層１１３を形成する。Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、通常用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００３２】
クラッド層１１２及びコンタクト層１１３を形成した後、これらの添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。続いて、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層１１３上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１１４を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、開口窓を形成する。電流制限絶縁層１１４に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層１１４上に、膜厚５０ｎｍのパラジウム，膜厚３０ｎｍの白金，膜厚２００ｎｍの金を積層することで、ｐ形金属電極１１５を形成する。
【００３３】
次いで、電流制限絶縁層１１４からクラッド層１０４及び電極層１０３の一部を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより除去し、電極層１０３の一部を露出させ、この露出面にｎ形金属電極１１６を形成する。コンタクト層１１３〜クラッド層１０４などの結晶層のエッチングは、例えば、塩素ガスをエッチングガスとした反応性イオンエッチングにより行えばよい。また、ｎ形金属電極１１６は、電極層１０３の露出面上に、膜厚５０ｎｍのチタン，膜厚３０ｎｍの白金，膜厚２００ｎｍの金を積層し、これら積層体を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによりパターニングすることで形成する。
【００３４】
以上に説明したことにより、ｐ形金属電極１１５及びｎ形金属電極１１６までを形成した後、単結晶基板１０１の裏面を研磨し、単結晶基板１０１を元の厚さ４５０μｍから２００μｍの厚さまで薄くし、また、裏面を鏡面に仕上げる。単結晶基板１０１の裏面を鏡面に研磨した後、これらを洗浄し、ダイヤモンド・スクライバを用いて単結晶基板１０１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。素子サイズは、約５００μｍ角程度とする。
【００３５】
このようにして形成した素子のｐ形金属電極１１５を陽極とし、また、ｎ形金属電極１１６を陰極として電流を流し、単結晶基板１０１の裏面より出射される光を観測すると、青みがかった白色光である。このように、本実施の形態で得られた発光は、青みがかった白色となるが、活性層を構成する結晶層の組成や活性層の厚さを適宜制御することにより、所望の特性の発光色を得ることができる。
【００３６】
また、図１の半導体発光素子では、バリア層を介して３つの活性層を積層したが、これに限るものではなく、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
【００３７】
ここで、上述した実施の形態において用いたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）について説明する。従来、橙色より長い波長域の光を得ようとする半導体発光素子に、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を適用しようとする技術思想がなかった。これは、この材料系の中で最もバンドギャップ（Ｅｇ）の小さい材料はＩｎＮであり、このＥｇが１．９〜２．１ｅＶとされていたためである。このＥｇが測定された時代には、多結晶ＩｎＮしかなかった（文献２：Ｋ．Ｏｓａｍｕｒａ，Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ　ａｎｄ　Ｙ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｃｏｍｍ．，１１（１９７２）６１７、文献３：Ｎ．Ｐｕｙｃｈｅｖｒｉｅｒ　ａｎｄ　Ｍ．Ｍｅｎｏｒｅｔ，Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ，３６（１９７６）１４１、文献４：Ｔ．Ｌ．Ｔａｎｓｌｅｙ　ａｎｄ　Ｃ．Ｐ．Ｆｏ１ｅｙ，Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．，５９（１９８６）．）。
【００３８】
これらの時代においては、反応性スパッタなどの方法によりＩｎＮを形成しようとしていたため、多結晶ＩｎＮしか形成できなかった。Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を構成する化合物ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮの中で、ＩｎＮの固相上における窒素の平衡蒸気圧は、他より５桁高い（文献５：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｔ．Ｓａｓａｋｉ　ａｎｄ　Ａ．Ｋａｔｓｕｉ，”Ｗｉｄｅ−Ｇａｐ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＧａＡｓ　ａｎｄ　Ｒｅｌａｔｅｄ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，（Ｋａｒｕｉｚａｗａ，Ｊａｐａｎ，１９８９）；ｉｎ　Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．，１０６．ｐｐ．１４１−１４６）。このような特性のＩｎＮは、膜の形成を行う容器内の圧力を高くすることができない反応性スパッタなどの方法では、良質な結晶を形成することがほぼ不可能である。また、上述した時代においては、ガラス基板上にＩｎＮの膜を形成しようとしていたため、単結晶成長のための格子の情報が得られず、単結晶を成長させることができない状態であった。
【００３９】
以上のことに対し、発明者らは、１９８８年に、単結晶サファイア基板上に、窒素圧を加えられる有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥと記す）を用いて、ＩｎＮの単結晶成長を試み、単結晶成長に世界で初めて成功した。１９８９年にこの結果を学会発表した（文献１：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。
【００４０】
しかし、この時の単結晶成長は結晶性が不十分であり、ＩｎＮの光学特性を得るには至らなかった。この後、発明者は種々の技術改良により、２００１年に世界で初めて光学特性を測定できる良質のＩｎＮの単結晶成長に成功した（松岡隆志，中尾正史，岡本浩，播磨弘，栗本英治，萩原恵美，”ＩｎＮのバンドギャップ・エネルギ”，第４９回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．３９２（２９ｐ−ＺＭ−１）（２００２）、応用物理学会の原稿締切は、２００２年１月８日。学会の開催は、３月２７日〜３０日、発表日は３月２９日）。
【００４１】
上記良質なＩｎＮの単結晶成長のための第１の技術改良点は、サファイアからなる基板上にサファイアとＩｎＮとの中間の格子定数を持つＧａＮを形成しておき、このＧａＮ層上にＩｎＮを成長した点である。この場合、ＧａＮ層には結晶性の高さが要求される。このため、以下に示す点について、ＧａＮの成長条件の最適化を図った。
【００４２】
１．サファイア基板表面の成長炉内でのクリーニング
２．サファイア表面のアンモニアによる窒化
３．サファイアとＧａＮとの間の格子不整を緩和するためのバッファ層としての低温成長ＧａＮの成長
４．上記バッファ層の単結晶化を図るための高温アニール
５．高温での高品質ＧａＮ成長
【００４３】
また、技術改良の第２は、上記のようにして最適化を図られた条件で成長されたＧａＮ上で、ＩｎＮの成長条件の検討を行ったことである。検討した項目は、成長温度，成長速度，Ｖ族原料とＩｎ原料との比，及び成長炉中のガス流速等である。これらの各項目の検討結果として、ようやく、光学特性が測定可能なＩｎＮの成長に初めて至った。現在では、ＧａＮ層を介することなく、サファイア基板上に直接ＩｎＮの層を形成することが可能となっている。
【００４４】
ＩｎＮにおける成長条件と結晶性の関係の例として、窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／Ｉｎを変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを図２に示す。図２は、ω−２θスキャンスペクトルを示している。図２（ａ），（ｂ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを１６００００以下及びＶ／ＩＩＩを３２００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムからの信号が見られる。これに対し、図２（ｃ）に示すように、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成した膜では、金属インジウムのピークは消失しており、金属インジウムが含まれていないことが判る。
【００４５】
ここで、Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の特性を図３と図４に示す。図３は、形成した膜における、吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。図３に示すように、上記条件によるＩｎＮ膜では、明確に吸収端が検出されている。この関係がほぼ直線的であることから、ＩｎＮは直線遷移型であり、Ｅｇは０．８ｅＶと推定できる。
【００４６】
また、図４は、上記条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示すものであり、波長１．５９μｍ（０．８ｅＶ）近傍で発光していることが判る。これら図３，４に示されている吸収及びフォトルミネッセンスの結果は、ともに上記条件で形成したＩｎＮ膜のＥｇが、０．８ｅＶであることを示している。これらの結果から、ＩｎＮのＥｇは、０．８ｅＶ近傍にあると推定できる。
【００４７】
以上述べた種々の技術改良と長年の努力により、初めて、単結晶ＩｎＮのＥｇが、旧来の測定結果の約半分である０．８ｅＶであることが判明した。図５は、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）のＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。図５において、破線は旧来のデータであり、実線は発明者が求めたデータ（Ｅｇ＝０．８ｅＶ）を反映した結果である。
【００４８】
図４に示したようにＩｎＮのＥｇが０．８ｅＶ近傍にあることから、ＩｎＮ、あるいは、Ｅｇの小さなＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を井戸層（活性層）とし、これらより大きなＥｇを有する材料Ｉｎ１−Ｘ’−Ｙ’ＧａＸ’ＡｌＹ’Ｎ（０≦Ｘ’，Ｙ’≦１，０≦Ｘ’＋Ｙ’≦１）をバリア層とする量子井戸構造を用い、活性層の厚さとこれらの層の組成を選択することにより、赤外から紫外までの発光を実現できる。従って、光の三原色を発する三種の量子井戸構造を積層することにより、白色光を発する半導体発光素子が実現できる。
【００４９】
また、これらの構成によれば、同種の材料を用いるので、三種の量子井戸構造を積層することは、容易であり、モノリシックに白色光源を実現できることになる。また、一般に、光源に用いられる白色には、青みがたった白色、太陽光に近い昼光色と呼ばれる白色、赤みがかった暖色系の白色などがあるが、上述した積層した三種の量子井戸構造の各組成と膜厚との組み合わせにより、発光色の調整が可能である。
【００５０】
ところで、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の成長においては、相分離がしばしば起きる。図６に、実験と計算とから求めたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を示している（文献６：Ｔ．Ｍａｔｓｕｏｋａ，”Ｐｈａｓｅ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｗｕｒｔｚｉｔｅ　Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ”，ＭＲＳ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．３，５４（１９９８））。図６では、６００℃で成長するときのＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を一点鎖線で示し、８００℃で成長するときのＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を実線で示し、１０００℃で成長するときのＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を破線で示し、内側の領域が非混和領域である。図６に示すように、熱平衡条件下では、成長できない組成領域がある。しかし、非混和領域の外側の混和領域に示す組成とすれば、量子井戸構造の組成と膜厚を制御して、任意の色の光を発する発光素子を作製できる。
【００５１】
以上に説明したように、活性層にＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）を用いるなど窒化物半導体により半導体発光素子を構成することで、ＺｎＳｅなどの材料を用いる場合に比較して、より安価に半導体発光素子を製造することが可能となる。また、上述したような化合物半導体を用いることで、より効率よく発光を得ることが可能となる。
【００５２】
ところで、図１の半導体発光素子では、電極層１０３上にｎ形金属電極１１６を形成したが、これに限るものではない。３層ある発光部の途中に電極層を設け、ここに金属電極が備えられているようにしてもよい。以下、より詳細に説明する。図７は、本発明の他の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【００５３】
この半導体発光素子（発光ダイオード）は、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる単結晶基板２０１の上に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層２０２、ＧａＮからなる膜厚１μｍの結晶層２０３、ＡｌＧａＮからなる膜厚１μｍのクラッド層（第１クラッド層）２０４を備えている。なお、単結晶基板２０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やＬｉＧａＯ２などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００５４】
また、クラッド層２０４上には、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層２０５、ＩｎＮからなる下部活性層（第１活性層）２０６、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層２０７、ＩｎＮからなる中間活性層（第２活性層）２０８、ＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層２０９、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる電極層２１０、Ｓｉが添加されたｎ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層２１１、ＩｎＮからなる上部活性層（第３活性層）２１２，Ｍｇが添加されたｐ形のＩｎＧａＡｌＮからなるバリア層２１３が形成されている。
【００５５】
また、バリア層２１３上には、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層（第２クラッド層）２１４、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層２１５が形成されている。また、コンタクト層２１５上には、直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層２１６が形成され、電流制限絶縁層２１６上には、上記開口窓を介してコンタクト層２１５に接触するｐ形金属電極２１５が形成されている。ｐ形金属電極２１７は、コンタクト層２１５に直接接触する膜厚５０ｎｍのパラジウム層と、この上に形成された膜厚３０ｎｍの白金層と、この上に形成された膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００５６】
加えて、図７の半導体発光素子において、電極層２１０は、この上の各層を一部エッチング除去することで形成された露出領域を備え、この露出領域にｎ形金属電極２１８を設けている。ｎ形金属電極２１８は、電極層２１０の露出領域に直接接触する膜厚５０ｎｍのチタン層と、膜厚３０ｎｍの白金層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００５７】
以上説明したような積層構造となっている図７の半導体発光素子において、バリア層２０５と下部活性層２０６とバリア層２０７とで第１発光構造を形成し、バリア層２０７と中部活性層２０８とバリア層２０９とで第２発光構造を形成し、バリア層２１１と上部活性層２１２とバリア層２１３とで第３発光構造を形成している。各発光構造の発光波長は、第１発光構造が最も長く、第３発光構造が最短となっている。
【００５８】
従って、第３発光構造から放射された光は、第２発光構造と第１発光構造とに吸収され、各々発光構造を励起する。この結果、第１及び第２の発光構造から、独自波長の発光を放射する。第３発光構造から発生した光の内、第１及び第２発光光図に吸収されなかった光は、単結晶基板２０１の裏面から外部へと出射される。また、第２発光構造より放出された光は、第１発光構造に一部が吸収され、残りが単結晶基板２０１裏面から外部へと出射される。
【００５９】
第１発光構造は、第２発光構造から放出された光によっても励起さる。従って、第１発光構造は、第２及び第３発光構造から放出された光によって励起され、第１発光構造独自の波長の光を放出する。このように、各発光構造を、光の取り出し方向との位置関係を考慮して積層配置することで、損失が抑制された高効率の発光が得られる。第１，第２，第３発光構造を適宜設計することにより、単結晶基板２０１の裏面から、赤外，可視，紫外域へと広い波長範囲にわたって放射光を得ることができる。
【００６０】
なお、上述では、第１発光構造の発光波長が最も長く、第３発光構造の発光波長が最も短いものとしたが、第２発光構造の発光波長を最も長いものとしてもよい。この場合、発光波長は、第２発光構造＞第１発光構造＞第３発光構造となる。この構成における、光の取り出し方向である単結晶基板１０１の側に伝搬する光について考えると、第３発光構造より放射された光は、前述したように第１及び第２発光構造で吸収される。しかしながら、光の取り出し方向に伝搬する光については、これら以外の吸収は生じない。このため、所望の発光光を得るための発光構造の設計が容易となる。
【００６１】
つぎに、図７に示した半導体発光素子の製造方法を説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料には、アンモニアを用い、キャリアガスには水素を用いる。また、成長圧力は常圧とする。
初めに基板温度を１０５０℃としてサファイアからなる単結晶基板２０１の表面をアンモニア雰囲気中で窒化し、この後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させてバッファ層２０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。
【００６２】
引き続き、単結晶基板２０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層２０２の単結晶化を行う。次いで、バッファ層２０２上にＧａＮを結晶成長させて結晶層２０３を形成する。つぎに、単結晶基板２０１の温度を１０２０℃とし、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを成長させてクラッド層２０４を形成する。アルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。
【００６３】
引き続き、バリア層２０５，下部活性層２０６，バリア層２０７，中部活性層２０８，バリア層２０９，電極層２１０，バリア層２１１，上部活性層２１２，バリア層２１３，クラッド層２１４，コンタクト層を、連続した結晶成長（有機金属気相成長法）により形成する。これらのインジウムを含む層の成長において、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、成長温度を５５０℃程度とする。インジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、これらのインジウムを含む層の成長におけるガリウム原料としては、ＴＥＧを用いる。これは、ＴＥＧが、ＴＭＧに比較し、低温で分解して蒸気圧が低く、結晶層の組成制御に適しているからである。
【００６４】
ここで、インジウムを含む各層の成長において、金属インジウムの析出を防止して高品質な合金からなる層を成長するために、窒素原料であるアンモニアとＩＩＩ族原料（ＴＭＩ＋ＴＭＡ＋ＴＥＧ）との比（Ｖ／ＩＩＩ）は、６６００００とする。また、このインジウムを含む層の成長では、キャリアガス及びバブリングガスを窒素とする。これは、水素をキャリアガスなどに用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである（文献１：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。
【００６５】
また、Ｓｉを所定の層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシランガスＳｉＨ４を用い、Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ２Ｍｇ）を用いる。このＭｇを添加するための原料は液体であり、通常用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００６６】
クラッド層２１４及びコンタクト層２１５を形成した後、これらの添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。続いて、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層２１５上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層２１６を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、開口窓を形成する。電流制限絶縁層２１６に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層２１６上に、膜厚５０ｎｍのパラジウム，膜厚３０ｎｍの白金，膜厚２００ｎｍの金を積層することで、ｐ形金属電極２１７を形成する。
【００６７】
次いで、電流制限絶縁層２１６からバリア層２１１及び電極層２１０の一部を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより除去し、電極層２１０の一部を露出させ、この露出面にｎ形金属電極２１８を形成する。コンタクト層２１５〜バリア層２１１などの結晶層のエッチングは、例えば、塩素ガスをエッチングガスとした反応性イオンエッチングにより行えばよい。また、ｎ形金属電極２１８は、電極層２１０の露出面上に、膜厚５０ｎｍのチタン，膜厚３０ｎｍの白金，膜厚２００ｎｍの金を積層し、これら積層体を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによりパターニングすることで形成する。
【００６８】
以上に説明したことにより、ｐ形金属電極２１７及びｎ形金属電極２１８までを形成した後、単結晶基板２０１の裏面を研磨し、単結晶基板２０１を元の厚さ４５０μｍから２００μｍの厚さまで薄くし、また、裏面を鏡面に仕上げる。単結晶基板２０１の裏面を鏡面に研磨した後、これらを洗浄し、ダイヤモンド・スクライバを用いて単結晶基板２０１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。素子サイズは、約５００μｍ角程度とする。
【００６９】
このようにして形成した素子のｐ形金属電極２１７を陽極とし、また、ｎ形金属電極２１８を陰極として電流を流し、単結晶基板２０１の裏面より出射される光を観測すると、青みがかった白色光である。このように、本実施の形態で得られた発光は、青みがかった白色となるが、活性層を構成する結晶層の組成や活性層の厚さを適宜制御することにより、所望の特性の発光色を得ることができる。また、前述したように、各活性層を構成する結晶の組成やこの厚さを適宜設定し、各々の発光層の発光色を設計することで、バリア層を介して２つの活性層を積層した半導体発光素子でも、ほぼ白色の発光を得ることができる。
【００７０】
＜実施の形態２＞
つぎに、本発明の他の実施の形態について説明する。
図８は、本実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。この半導体発光素子は、同一の単結晶基板上に形成された３個の発光ダイオードから構成されたものである。図８では、結晶成長の膜厚方向に切断した断面を模式的に示している。
この半導体発光素子は、まず、厚さ３３０μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなる両面研磨された単結晶基板３０１の上に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層３０２、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層３０３を備えている。なお、単結晶基板３０１は、サファイアに限るものではなく、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やＬｉＧａＯ２などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００７１】
また、電極層３０３上に、シリコンが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層３０４が、領域Ａ（第１発光部），領域Ｂ（第２発光部），領域Ｃ（第３発光部）各々に形成されている。以上の構成は、領域Ａ，Ｂ，Ｃについて共通であるが、つぎに示すように、発光領域が各々異なる。まず、領域Ａは、クラッド層３０４の上に、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ１−ＸＡＧａＸＡＮからなる膜厚ｄＡｎｍのバリア層３０５ａと、Ｉｎ１−ＹＡＧａＹＡＮからなる活性層３０６ａと、Ａｌ１−ＸＡＧａＸＡＮからなるバリア層３０７ａとを備えている。
【００７２】
また、領域Ｂは、クラッド層３０４の上に、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ１−ＸＢＧａＸＢＮからなる厚さｄＢのバリア層３０５ｂと、Ｉｎ１−ＹＢＧａＹＢＮからなる活性層３０６ｂと、Ａｌ１−ＸＢＧａＸＢＮからなるバリア層３０７ｂとを備えている。また、領域Ｃは、クラッド層３０４の上に、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ１−ＸＣＧａＸＣＮからなる厚さｄＣのバリア層３０５ｃと、Ｉｎ１−ＹＣＧａＹＣＮからなる活性層３０６ｃと、Ａｌ１−ＸＣＧａＸＣＮからなるバリア層３０７ｃとを備えている。
加えて、各領域Ａ，Ｂ，Ｃは、バリア層３０７ａ，３０７ｂ，３０７ｃ各々の上に、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのクラッド層３０８、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮからなる膜厚０．１μｍのコンタクト層３０９を備えている。なお、各活性層を構成するＩｎＧａＮは、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）においてＹ＝０とした場合の例である。
【００７３】
また、各領域Ａ，Ｂ，Ｃに共通に、電極注入領域を制限するために直径２０μｍ程度の略円形の開口窓を有するＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層３１０が形成され、開口窓内で各バリア層３０７ａ，３０７ｂ，３０７ｃに接触するｐ形金属電極３１１が形成されている。ｐ形金属電極３１１は、膜厚５０ｎｍのニッケル層と膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
なお、電極層３０３の領域Ａ，Ｂ，Ｃ以外の領域に、ｎ形金属電極３１２が形成されている。ｎ形金属電極３１２は、電極層３０３に直接接触する膜厚５０ｎｍのアルミニウム層と、膜厚２００ｎｍの金層との積層構造となっている。
【００７４】
本実施の形態では、活性層をＩｎＮ、または微量のＧａを含むＩｎＧａＮから構成した。また、各領域Ａ，Ｂ，Ｃ各々で、活性層とバリア層の組成や、活性層の膜厚を制御し、これらを各領域Ａ，Ｂ，Ｃ毎に変えることで、所望の発光色を得ることが可能となる。ＩｎＮを活性層に用いることは、活性層にＩｎＧａＮを用いる場合より、再現性や基板内の面内均一性が飛躍的に向上する。これは、以下に示すように、ＩｎＧａＮ膜は、成長時の気相の組成と固相の組成とが、大きく異なり、制御性があまり良くないことが理由である。なお、バリア層は、活性層よりバンドギャップエネルギーの大きい状態とする。
【００７５】
組成制御の結果を図９に示す。図９に示すように、ＩｎＧａＮを成長させる場合、成長温度（基板温度）５００℃では、気相と固相の組成比は線形関係にある。なお、ＩｎＧａＮの組成は、図６に示す非混和領域の外側の領域で選択する。しかし、成長温度８００℃では、インジウム（ＴＭＩ）の組成比を高くすると、気相と固相の組成比は非線形になる。これらに示されているように、有機金属気相成長法において、成長温度を高温にするほど、成長しているＩｎＧａＮ膜中にインジウムの取り込まれる量が減少する。これらは、ＩｎＮの窒素の蒸気圧が、ＧａＮより５桁ほど高いことに起因する。
以上説明したように、活性層にＩｎＮを用いる場合、ＩｎＧａＮを用いる場合に比較して、組成の制御が不要となり、成長工程の再現性と結晶性の均一性を確保できるようになり、また、相分離が原理的に起きず、均一な組成の層を得ることができる。
【００７６】
以上説明した本実施の形態の半導体発光素子では、単結晶基板３０１の裏面側から出てくる光を、出力光として用いる。ここでは、電流制限絶縁層３１０の開口部の大きさを、領域Ａ、領域Ｂ、及び、領域Ｃにおいて、一律に直径２０μｍφとした。出力光が所望の色調となるように、各領域において、この大きさを変えることができる。また、図８の半導体発光素子では、領域Ａ，Ｂ，Ｃを一直線上に配列したが、これらはどの様に配列しても良いことは当然である。
【００７７】
また、本実施の形態では、領域Ａ，Ｂ，Ｃに同一のｐ形金属電極３１１を接続した例を述べたが、各々個別にｐ形金属電極を設けるようにしてもよい。更に、ここでは、３つの領域を設ける場合について説明したが、４つ以上の領域を同一の基板上に設けるようにし、より大きな光出力が得られるようにしてもよい。この場合、図８に示すような３つの領域を一組とし、これを多数組同一基板上に搭載するようにしてもよく、また、異なった構造の領域を同一基板上に搭載するようにしてもよい。このように構成することで、半導体発光素子より得られる光出力の色調の幅を広げ、また、光出力を向上させることが可能となる。更に、例えば、赤，緑，青に発光する領域を一組とし、複数の組をマトリクス状に配置することで、ディスプレイを構成することもできる。
【００７８】
以上に説明したように、図８の半導体発光素子では、活性層を含む複数の発光部を同一の基板上にモノリシックに形成するようにしたので、三色の光用に各々個別の素子チップを用意する必要が無い。また、図８の半導体発光素子は、特殊な製造装置や製造方法を必要とせず、複雑な調整も必要としない。従って、図８の半導体発光素子によれば、より安価に素子を提供することが可能となる。
【００７９】
加えて、図８の半導体発光素子では、従来より小さな面積で素子が形成できるので、例えば、同一の基板上に複数の素子を同時に形成し、これらを切り出すことで半導体発光素子チップを得ようとする場合、より多くのチップを得ることが可能となる。この点においても、一般にいわれる量産効果などにより、より安価に素子を提供することが可能となる。また、素子も薄く形成することができるので、より小型な装置への実装も可能となる。
【００８０】
つぎに、図８に示した半導体発光素子の製造方法を説明する。まず、各結晶層を形成するための結晶成長には、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用いる。また、窒素原料には、アンモニアを用い、キャリアガスには水素を用いる。また、成長圧力は常圧とする。
初めに基板温度を１０５０℃としてサファイアからなる単結晶基板３０１の表面をアンモニア雰囲気中で窒化し、この後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させてバッファ層３０２を形成する。このＧａＮの成長において、ガリウム原料には比較的ガリウム蒸気圧の低いトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いる。
【００８１】
引き続き、単結晶基板３０１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層３０２の単結晶化を行う。つぎに、単結晶基板３０１の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮを成長させ、電極層３０３を形成する。Ｓｉを各層に添加させるためには、水素で希釈した濃度１ｐｐｍのシランガスＳｉＨ４を用いる。なお、以降に説明する各層の成長工程におけるＳｉの添加にも、同じ原料を用いる。
【００８２】
次いで、領域Ａ以外の領域を酸化シリコン膜で覆い、領域Ａに露出している電極層３０３上に、まず、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ成長させ、クラッド層３０４を形成する。上記酸化シリコン膜は、選択成長マスクとなる。アルミニウム原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ガリウム原料は比較的蒸気圧の高いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。また、領域Ａのクラッド層３０４の上に、連続した結晶成長（有機金属気相成長法）により、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ１−ＸＡＧａＸＡＮ，Ｉｎ１−ＹＡＧａＹＡＮ，Ａｌ１−ＸＡＧａＸＡＮを順次成長させ、バリア層３０５ａ，活性層３０６ａ，バリア層３０７ａを形成する。
【００８３】
バリア層３０７ａまで形成したら、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを成長させてクラッド層３０８を形成し、またこの上に、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮを成長させてコンタクト層３０９を形成する。Ｍｇを添加するための原料としては、メチルカプタン・ビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ２Ｍｇ）を用いる。この原料は液体であり、通常用いられている固体原料であるビスシクロペンタ・ジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）より、Ｍｇの添加濃度の再現性が良い。
【００８４】
これらのインジウムを含む層の成長において、ＩｎＮの固相上の窒素平衡蒸気圧が高いので、成長温度を５００℃程度とする。インジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。また、これらのインジウムを含む層の成長におけるガリウム原料としては、ＴＥＧを用いる。これは、ＴＥＧが、ＴＭＧに比較し、低温で分解して蒸気圧が低く、結晶層の組成制御に適しているからである。
【００８５】
ここで、インジウムを含む各層の成長において、金属インジウムの析出を防止して高品質な合金からなる層を成長するために、窒素原料であるアンモニアとＩＩＩ族原料（ＴＭＩ＋ＴＭＡ＋ＴＥＧ）との比（Ｖ／ＩＩＩ）は、６６００００とする。また、このインジウムを含む層の成長では、キャリアガス及びバブリングガスを窒素とする。これは、水素をキャリアガスなどに用いると、アンモニアの分解が抑圧されるためである（文献１：松岡隆志，佐々木徹，佐藤弘次，勝井明憲，”ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＮ薄膜成長”，第３６回応用物理学関係連合講演会予稿集，ｐ．２７０（１ｐ−ＺＮ−１０）（１９８９））。以上のことは、以降に示す領域Ｂ，Ｃにおいても同様である。
【００８６】
次いで、選択成長マスクとして形成した領域Ａ以外を覆う酸化シリコン膜を、例えばフッ酸液を用いて除去し、この後、領域Ｂ以外を覆う酸化シリコンからなる選択成長マスクを形成する。次いで、領域Ｂに露出する電極層３０３上に、まず、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ成長させ、クラッド層３０４を形成する。次いで、領域Ｂのクラッド層３０４の上に、連続した結晶成長により、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ１−ＸＢＧａＸＢＮ，Ｉｎ１−ＹＢＧａＹＢＮ，Ａｌ１−ＸＢＧａＸＢＮを順次成長させ、バリア層３０５ｂ，活性層３０６ｂ，バリア層３０７ｂを形成する。バリア層３０７ｂまで形成したら、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを成長させてクラッド層３０８を形成し、またこの上に、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮを成長させてコンタクト層３０９を形成する。
【００８７】
次いで、領域Ｂ以外を覆う選択成長マスクを除去し、領域Ｃ以外を覆う選択成長マスクを形成してから、上述と同様にして領域Ｃに露出する電極層３０３上に、まず、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ成長させてクラッド層３０４を形成する。次いで、領域Ｃのクラッド層３０４の上に、連続した結晶成長により、Ｓｉが添加されたｎ形のＡｌ１−ＸＣＧａＸＣＮ，Ｉｎ１−ＹＣＧａＹＣＮ，Ａｌ１−ＸＣＧａＸＣＮを順次成長させ、バリア層３０５ｃ，活性層３０６ｃ，バリア層３０７ｃを形成する。バリア層３０７ｂまで形成したら、Ｍｇが添加されたｐ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを成長させてクラッド層３０８を形成し、またこの上に、Ｍｇが添加されたｐ形のＧａＮを成長させてコンタクト層３０９を形成する。
【００８８】
この後、各領域Ａ，Ｂ，Ｃのクラッド層３０８及びコンタクト層３０９に添加したＭｇの活性化を図るために、７００℃の窒素雰囲気中で３０分間アニールする。続いて、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、各領域Ａ，Ｂ，Ｃのコンタクト層３０９上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層３１０を形成し、これを公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工し、各領域Ａ，Ｂ，Ｃ毎に開口窓を形成する。
【００８９】
電流制限絶縁層３１０に開口窓を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口窓内を含む電流制限絶縁層３１０上に、膜厚５０ｎｍのパラジウム，膜厚３０ｎｍの白金，膜厚２００ｎｍの金を積層することで、各領域Ａ，Ｂ，Ｃにわたってｐ形金属電極３１１を形成する。
次いで、電極層３０３の領域Ａ，Ｂ，Ｃ以外の露出面にｎ形金属電極３１２を形成する。ｎ形金属電極３１２は、電極層３０３の露出面上に、膜厚５０ｎｍのアルミニウム，膜厚２００ｎｍの金を積層し、これら積層体を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによりパターニングすることで形成する。
【００９０】
ところで、図８に示す層構成により半導体レーザ共振器を実現することも可能である。この場合、図８は、半導体レーザ共振器の出射端面を示す側面図となる。この場合、電流制限絶縁層３１０には、図８の紙面の法線方向に延在する幅１．５μｍの溝が、各領域Ａ，Ｂ，Ｃの両端に至るように形成され、これに沿ってｐ形金属電極３１１が形成されたものとなる。なお、各領域Ａ，Ｂ，Ｃは、間隔１０μｍに配置する。また、図８に示す出射端面は、劈開により切りだした面となり、この出射端面より、図８の紙面の法線方向に光出力が取り出される。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、同一の基板上に、異なる発光波長の光を出射する３つの部分を備えるようにした。また、光を出射する部分を、各々異なる組成比もしくは異なる膜厚としたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ＜１）からなる活性層により構成した。
この結果、本発明によれば、高輝度の白色光が得られる半導体発光素子をより安価に提供できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【図２】窒素原料であるアンモニアの成長炉への供給量とインジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の供給量との比Ｖ／Ｉｎを変えて成長したＩｎＮのＸ線回折スペクトルを示す特性図である。
【図３】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の吸収の二乗と光子エネルギーとの関係を示す特性図である。
【図４】Ｖ／ＩＩＩを６６００００とした条件で形成したＩｎＮ膜の室温で測定したフォトルミネッセンスを示す特性図である。
【図５】Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）のＥｇとａ軸の格子定数ａとの関係を示す特性図である。
【図６】実験と計算とから求めたＩｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の非混和領域を示す相関図である。
【図７】本発明の他の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を示す模式的な断面図である。
【図９】気相成長時の各温度における気相と固相の原料組成比の比較を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１…単結晶基板、１０２…バッファ層、１０３…電極層、１０４…クラッド層（第１クラッド層）、１０５…バリア層、１０６…下部活性層（第１活性層）、１０７…バリア層、１０８…中間活性層（第２活性層）、１０９…バリア層、１１０…上部活性層（第３活性層）、１１１…バリア層、１１２…クラッド層（第２クラッド層）、１１３…コンタクト層、１１４…電流制限絶縁層、１１５…ｐ形金属電極、１１６…ｎ形金属電極、２０１…単結晶基板、２０２…バッファ層、２０３…結晶層、２０４…クラッド層（第１クラッド層）、２０５…バリア層、２０６…下部活性層（第１活性層）、２０７…バリア層、２０８…中間活性層（第２活性層）、２０９…バリア層、２１０…電極層、２１１…バリア層、２１２…上部活性層（第３活性層）、２１３…バリア層、２１４…クラッド層（第２クラッド層）、２１５…コンタクト層、２１６…電流制限絶縁層、２１７…ｐ形金属電極、２１８…ｎ形金属電極、３０１…単結晶基板、３０２…バッファ層、３０３…電極層、３０４…クラッド層、３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ…バリア層、３０６ａ，３０６ｂ，３０７ｃ…活性層、３０７ａ，３０７ｂ，３０７ｃ…バリア層、３０８…クラッド層、３０９…コンタクト層、３１０…電流制限絶縁層、３１１…ｐ形金属電極、３１２…ｎ形金属電極。
【図１】
2004022969.tif 000003
【図２】
2004022969.tif 000004
【図３】
2004022969.tif 000005
【図４】
2004022969.tif 000006
【図５】
2004022969.tif 000007
【図６】
2004022969.tif 000008
【図７】
2004022969.tif 000009
【図８】
2004022969.tif 000010
【図９】
2004022969.tif 000011