(57)【要約】  【課題】  透光性半導体基板上の１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層を複数層並べて形成することにより、色度、色調の経時的な変化、及び発光層同士での光の吸収を抑えることができる多波長発光型の発光素子、及びその製造方法を提供すること。  【解決手段】  発光素子は、下面の表層の一部に構成原子の欠損部１２を有する透光性半導体基板１０と、その上面に形成された第１導電型（ｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層１３と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３上の欠損部１２に重なる部位に形成された第１の発光層１４ａと、欠損部１２に重ならない部位に形成された、第１の発光層１４ａと発光波長が異なる第２の発光層１４ｂと、第１及び第２の発光層１４ａ，１４ｂの上に形成された第２導電型（ｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層１５と、を具備している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面の表層の一部に構成原子の欠損部を有する透光性半導体基板と、前記透光性半導体基板の上面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上の前記欠損部に重なる部位に形成された第１の発光層と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上の前記欠損部に重ならない部位に形成された、前記第１の発光層と発光波長が異なる第２の発光層と、前記第１及び第２の発光層の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、を具備している発光素子。
【請求項２】
前記透光性半導体基板はＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、前記欠損部は窒素欠損部である請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記透光性半導体基板は、ＺｎＯ，ＳｉＣまたはβ−Ｇａ2Ｏ3から成る請求項１記載の発光素子。
【請求項４】
透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程と、加熱された透光性半導体基板の上面に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上に同種の原料ガスを供給して、前記欠損部に重なる部位に第１の発光層を形成するとともに、前記欠損部に重ならない部位に前記第１の発光層と発光波長が異なる第２の発光層を形成する工程と、前記第１及び第２の発光層の上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、を具備する発光素子の製造方法。
【請求項５】
透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程において、前記透光性半導体基板の下面の一部を熱処理することによって前記欠損部を形成する請求項４記載の発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理の温度が４００℃乃至１２００℃である請求項５記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程において、前記透光性半導体基板の下面の一部にプラズマ暴露処理を施すことによって前記欠損部を形成する請求項４記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物系化合物半導体（窒化ガリウム系化合物半導体）は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンドギャップを持つため、青色光、青紫色光または紫色光の発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）等の発光素子、フォトディテクターや火炎センサー等の受光素子として利用されている。
【０００３】
また、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor），ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor  ＦＥＴ），ＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-Semiconductor  ＦＥＴ），高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）等の電子素子においては、窒化ガリウム系化合物半導体はＧａＡｓに近いキャリア輸送特性を有し、ワイドバンドギャップを持ち破壊電界が高いことから、高周波及び高出力トランジスタの材料として有望視されている。
【０００４】
特に、近年は青色光発光素子、紫色光発光素子、紫外光発光素子等の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子からの発光を受け、光を発する蛍光体及び燐光体を設けた照明装置の製品開発が進んでいる。このような照明装置においては、蛍光体及び燐光体を励起して波長を変換するとき、その変換に伴うエネルギーの損失が問題になる。その結果、蛍光体及び燐光体で波長変換された光の発光強度は、必ずしも励起光源である発光素子の発光強度と比例関係にはならない。従って、このような場合、励起光源の波長とは異なる、適度な波長の発光素子の光を用いて捕色することにより、色度、色調を調整する。
【０００５】
また、同じ発光素子において多波長の光を発光可能とすることが試みられている。例えば、図２に示すように、発光波長のそれぞれ異なる発光層を複数層積層した発光素子が提案されている。基板２０上に、ｎ型クラッド層２１、第１の発光層２２、第２の発光層２３、第３の発光層２４、ｐ型クラッド層２５が積層されており、ｎ型クラッド層２１の上面の露出部にｎ型電極２６が形成され、ｐ型クラッド層２５の上面の一部にｐ型電極２７が形成されている。
【０００６】
図２の発光素子において、複数層からなる第１の発光層２２〜第３の発光層２４は、基板２０側からバンドギャップが順次大きくなるように積層した構成である。このような構成では、それぞれの発光層２２〜２４で発光した光の成分は、互いに他の発光層２２〜２４に吸収されることなく、外部に取り出される。
【０００７】
また図３に示すように、単一の発光層を有するダブルへテロ構造の発光部を、基板上に複数個積層した発光素子が提案されている。基板３０上に、第１のｎ型クラッド層３１、第１のｎ型発光層３２、第１のｐ型クラッド層３３、第２のｎ型発光層３４、第２のｐ型クラッド層３５、第３のｎ型発光層３６、第３のｐ型クラッド層３７が順次積層されている。また、第１のｎ型クラッド層３１の上面の露出部にｎ型電極３９が形成されている。第１のｐ型クラッド層３３、第２のｐ型クラッド層３５、及び第３のｐ型クラッド層３７の上には、それぞれｐ型電極３８が形成されている。
【特許文献１】特開平１１−８７７７３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６８３８４号公報
【特許文献３】特開平７−１８３５７６号公報
【特許文献４】特開平６−５３５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、複数の発光素子を光源として用いる場合、駆動電圧が発光波長ごとに異なるため、発光素子の駆動回路が複雑になる。また、劣化も発光素子ごとに異なるため、全体の色度、色調も経時的に変化する。
【０００９】
また、図２の構成の発光素子においては、基板２０側に出射した光は下側の発光層で吸収されるため、効率よく外部に光を取り出すことができない。
【００１０】
図３の構成の発光素子においては、ｐｎ接合構造の発光部を複数積層することになり、サイリスター構造になる可能性があり、発光素子として機能し難くなる場合がある。
【００１１】
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、透光性半導体基板上の１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層を複数層並べて形成することにより、色度、色調の経時的な変化、及び発光層同士での光の吸収を抑えることができる多波長発光型の発光素子、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発光素子は、下面の表層の一部に構成原子の欠損部を有する透光性半導体基板と、前記透光性半導体基板の上面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上の前記欠損部に重なる部位に形成された第１の発光層と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上の前記欠損部に重ならない部位に形成された、前記第１の発光層と発光波長が異なる第２の発光層と、前記第１及び第２の発光層の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、を具備しているものである。
【００１３】
また、本発明の発光素子は好ましくは、前記透光性半導体基板はＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、前記欠損部は窒素欠損部である。
【００１４】
また、本発明の発光素子は好ましくは、前記透光性半導体基板は、ＺｎＯ，ＳｉＣまたはβ−Ｇａ2Ｏ3から成る。
【００１５】
本発明の発光素子の製造方法は、透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程と、加熱された透光性半導体基板の上面に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上に同種の原料ガスを供給して、前記欠損部に重なる部位に第１の発光層を形成するとともに、前記欠損部に重ならない部位に前記第１の発光層と発光波長が異なる第２の発光層を形成する工程と、前記第１及び第２の発光層の上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、を具備するものである。
【００１６】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程において、前記透光性半導体基板の下面の一部を熱処理することによって前記欠損部を形成する。
【００１７】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、前記熱処理の温度が４００℃乃至１２００℃である。
【００１８】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程において、前記透光性半導体基板の下面の一部にプラズマ暴露処理を施すことによって前記欠損部を形成する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の発光素子は、下面の表層の一部に構成原子の欠損部を有する透光性半導体基板と、透光性半導体基板の上面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上の欠損部に重なる部位に形成された第１の発光層と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上の欠損部に重ならない部位に形成された、第１の発光層と発光波長が異なる第２の発光層と、第１及び第２の発光層の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、を具備していることから、基板上の１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層を複数層並べて形成することができ、その結果、色度、色調の経時的な変化、及び発光層同士での光の吸収を有効に抑えることができる。
【００２０】
即ち、１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層が複数存在するために、それらの発光層は劣化する場合には同じように劣化が進むことから、色度、色調の経時的な変化を抑えることができる。
【００２１】
また、透光性半導体基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する際に、その混晶組成によって成長温度が変化する。従って、成長温度が異なると窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成も異なることになる。また、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度は、透光性半導体基板の温度とほぼ等しく、透光性半導体基板はサセプターからの熱接触と熱輻射により加熱される。透光性半導体基板の場合、サセプター等からの熱輻射の吸収が少ない。本発明の発光素子においては、透光性半導体基板の下面の表層に構成元素の欠損部を有しており、欠損部ではサセプター等からの熱輻射の吸収が増加する。従って、透光性半導体基板の構成元素の欠損部を有する部位と、欠損部を有しない部位では透光性半導体基板の温度が異なり、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度も異なる。それに伴い、発光層を形成する際に欠損部に重なる部位と欠損部に重ならない部位とで、窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成比に違いが生じ、１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる複数の発光層を有する発光素子を作製することができる。
【００２２】
また、本発明の発光素子は好ましくは、透光性半導体基板はＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、欠損部は窒素欠損部であることから、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎのような３族元素の欠損部に比べ、窒素欠損部の方が容易に形成できる。
【００２３】
また、本発明の発光素子は好ましくは、透光性半導体基板は、ＺｎＯ，ＳｉＣまたはβ−Ｇａ2Ｏ3から成ることから、ＺｎＯから成る透光性半導体基板及びＳｉＣから成る透光性半導体基板においては（０００１）面を成長面とし、β−Ｇａ２Ｏ３から成る透光性半導体基板においては（１００）面を成長面とすることにより、（０００１）面を表面とする窒化ガリウム系化合物半導体層を成長することができる。さらに、ＺｎＯから成る透光性半導体基板とβ−Ｇａ２Ｏ３透光性半導体基板においては酸素欠損部、ＳｉＣから成る透光性半導体基板においてはＳｉ欠損部を容易に形成することができる。
【００２４】
本発明の発光素子の製造方法は、透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程と、加熱された透光性半導体基板の上面に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上に同種の原料ガスを供給して、欠損部に重なる部位に第１の発光層を形成するとともに、欠損部に重ならない部位に第１の発光層と発光波長が異なる第２の発光層を形成する工程と、第１及び第２の発光層の上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、を具備することから、透光性半導体基板上の１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層を複数層並べて形成することができ、その結果、色度、色調の経時的な変化、及び発光層同士での光の吸収を有効に抑えることができる。
【００２５】
即ち、透光性半導体基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する際に、その混晶組成によって成長温度が変化する。従って、成長温度が異なると窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成も異なることになる。また、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度は、透光性半導体基板の温度とほぼ等しく、透光性半導体基板はサセプターからの熱接触と熱輻射により加熱される。透光性半導体基板の場合、サセプター等からの熱輻射の吸収が少ない。本発明の発光素子においては、透光性半導体基板の下面の表層に構成元素の欠損部を有しており、欠損部ではサセプター等からの熱輻射の吸収が増加する。従って、透光性半導体基板の構成元素の欠損部を有する部位と、欠損部を有しない部位では透光性半導体基板の温度が異なり、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度も異なる。それに伴い、発光層を形成する際に欠損部に重なる部位と欠損部に重ならない部位とで、窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成比に違いが生じ、１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる複数の発光層を有する発光素子を作製することができる。
【００２６】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程において、透光性半導体基板の下面の一部を熱処理することから、透光性半導体基板の構成元素が下面の表層から離脱し、欠損部を容易に形成することができる。
【００２７】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、熱処理の温度を４００℃乃至１２００℃とすることにより、より容易に欠損部を形成することができる。
【００２８】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、透光性半導体基板の下面の表層の一部に構成原子の欠損部を形成する工程において、透光性半導体基板の下面の一部にプラズマ暴露処理を施すことから、透光性半導体基板の下面の表層に電離したイオンが衝突し、表層から透光性半導体基板の構成元素を離脱させることにより、欠損部を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本実施の形態の発光素子及びその製造方法について以下に詳細に説明する。
【００３０】
図１（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の発光素子の製造方法の１例を示すものであり、発光素子の各製造工程における断面図である。
【００３１】
本実施の形態の発光素子は、下面の表層の一部に構成原子の欠損部１２を有する透光性半導体基板１０と、透光性半導体基板１０の上面に形成された第１導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層１３と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３上の欠損部１２に重なる部位に形成された第１の発光層１４ａと、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３上の欠損部１２に重ならない部位に形成された、第１の発光層１４ａと発光波長が異なる第２の発光層１４ｂと、第１及び第２の発光層１４ａ，１４ｂの上に形成された第２導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層１５と、を具備している。
【００３２】
上記の構成により、透光性半導体基板１０上の１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層１４ａ，１４ｂを複数層並べて形成することができ、その結果、色度、色調の経時的な変化、及び発光層１４ａ，１４ｂ同士での光の吸収を有効に抑えることができる。
【００３３】
即ち、１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層１４ａ，１４ｂが複数存在するために、それらの発光層１４ａ，１４ｂは劣化する場合には同じように劣化が進むことから、色度、色調の経時的な変化を抑えることができる。
【００３４】
また、透光性半導体基板１０上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する際に、その混晶組成によって成長温度が変化する。従って、成長温度が異なると窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成も異なることになる。また、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度は、透光性半導体基板１０の温度とほぼ等しく、透光性半導体基板１０はサセプターからの熱接触と熱輻射により加熱される。透光性半導体基板１０の場合、サセプター等からの熱輻射の吸収が少ない。本実施の形態の発光素子においては、透光性半導体基板１０の下面の表層に構成元素の欠損部１２を有しており、欠損部１２ではサセプター等からの熱輻射の吸収が増加する。従って、透光性半導体基板１０の構成元素の欠損部１２を有する部位と、欠損部１２を有しない部位では透光性半導体基板１０の温度が異なり、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度も異なる。それに伴い、発光層１４ａ，１４ｂを形成する際に欠損部１２に重なる部位と欠損部１２に重ならない部位とで、窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成比に違いが生じ、１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる複数の発光層１４ａ，１４ｂを有する発光素子を作製することができる。
【００３５】
なお、図１において、１１は欠損部１２を形成するためのマスク、１６は第１導電型電極、１７は第２導電型電極である。
【００３６】
透光性半導体基板１０は、ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、欠損部１２は窒素欠損部であることが好ましい。この場合、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎのような３族元素の欠損部１２に比べ、窒素欠損部１２の方が容易に形成できる。
【００３７】
透光性半導体基板１０がＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（ただし、ｘ≧０、ｙ≧０、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成る場合、具体的には、透光性半導体基板１０はＧａＮ，ＡｌＮ等から成る。
【００３８】
窒素欠損部１２の厚みは０．３〜１０μｍ程度が好ましい。この厚みの範囲内とすることによって、窒素欠損部１２におけるサセプター等からの熱輻射の吸収が充分となる。なお、０．３〜１０μｍ程度の窒素欠損部１２の厚みは、サセプター等の温度が３００℃〜１５００℃程度である場合の輻射光の波長に対応している。
【００３９】
窒素欠損部１２は、それ以外の部位と比べて窒素の含有率が０．１〜３原子%程度小さいことが好ましい。この含有率の範囲内とすることによって、窒素欠損部１２におけるサセプター等からの熱輻射の吸収が充分となる。
【００４０】
窒素欠損部１２の存在は陽電子消滅法等によって分析し特定することができる。
【００４１】
また、透光性半導体基板１０は、ＺｎＯ，ＳｉＣまたはβ−Ｇａ2Ｏ3から成ることが好ましい。この場合、ＺｎＯから成る透光性半導体基板１０及びＳｉＣから成る透光性半導体基板１０においては（０００１）面を成長面とし、β−Ｇａ２Ｏ３から成る透光性半導体基板１０においては（１００）面を成長面とすることにより、（０００１）面を表面とする窒化ガリウム系化合物半導体層を成長することができる。さらに、ＺｎＯから成る透光性半導体基板１０とβ−Ｇａ２Ｏ３透光性半導体基板１０においては酸素欠損部、ＳｉＣから成る透光性半導体基板１０においてはＳｉ欠損部を容易に形成することができる。
【００４２】
本実施の形態の発光素子の製造方法は、透光性半導体基板１０の下面の表層の一部に構成原子の欠損部１２を形成する工程と、加熱された透光性半導体基板１０の上面に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３を形成する工程と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３上に同種の原料ガスを供給して、欠損部１２に重なる部位に第１の発光層１４ａを形成するとともに、欠損部１２に重ならない部位に第１の発光層１４ａと発光波長が異なる第２の発光層１４ｂを形成する工程と、第１及び第２の発光層１４ａ，１４ｂの上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１５を形成する工程と、を具備する。
【００４３】
上記の構成により、透光性半導体基板１０上の１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる発光層１４ａ，１４ｂを複数層並べて形成することができ、その結果、色度、色調の経時的な変化、及び発光層１４ａ，１４ｂ同士での光の吸収を有効に抑えることができる。
【００４４】
即ち、透光性半導体基板１０上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する際に、その混晶組成によって成長温度が変化する。従って、成長温度が異なると窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成も異なることになる。また、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度は、透光性半導体基板１０の温度とほぼ等しく、透光性半導体基板１０はサセプターからの熱接触と熱輻射により加熱される。透光性半導体基板１０の場合、サセプターからの熱輻射の吸収が少ない。本実施の形態の発光素子においては、透光性半導体基板１０の下面の表層に構成元素の欠損部１２を有しており、欠損部１２ではサセプターからの熱輻射の吸収が増加する。従って、透光性半導体基板１０の構成元素の欠損部１２を有する部位と、欠損部１２を有しない部位では透光性半導体基板１０の温度が異なり、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度も異なる。それに伴い、発光層１４ａ，１４ｂを形成する際に欠損部１２に重なる部位と欠損部１２に重ならない部位とで、窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶組成比に違いが生じ、１層の窒化ガリウム系化合物半導体層内に発光波長の異なる複数の発光層１４ａ，１４ｂを有する発光素子を作製することができる。
【００４５】
透光性半導体基板１０の下面の表層の一部に構成原子の欠損部１２を形成する工程において、透光性半導体基板１０の下面の一部を熱処理することが好ましい。この場合、透光性半導体基板１０の構成元素が下面の表層から離脱し、欠損部１２を容易に形成することができる。
【００４６】
透光性半導体基板１０の下面の表層の一部に構成原子の欠損部１２を形成する工程において、透光性半導体基板１０の下面の一部を熱処理する場合、熱処理の温度を４００℃乃至１２００℃とすることが好ましい。この場合、より容易に欠損部１２を形成することができる。
【００４７】
また、熱処理の時間は５分〜１０分程度が好ましい。この熱処理の時間の範囲内とすることによって、サセプター等からの熱輻射の吸収が充分な欠損部１２を形成することができる。
【００４８】
また、透光性半導体基板１０の下面の表層の一部に構成原子の欠損部１２を形成する工程において、透光性半導体基板１０の下面の一部にプラズマ暴露処理を施すことが好ましい。この場合、透光性半導体基板１０の下面の表層に電離したイオンが衝突し、表層から透光性半導体基板１０の構成元素を離脱させることにより、欠損部１２を容易に形成することができる。
【００４９】
プラズマ暴露処理とは、アルゴンガスなどの希ガス中または真空中に設置した透光性半導体基板１０に高周波電界を印加することによりプラズマを励起させ、透光性半導体基板１０の表面にプラズマを触れさせることにより物理的にクリーニングする処理である。
【００５０】
本実施の形態の発光素子の製造方法について以下に具体的に説明する。
【００５１】
図１（ａ）に示すように、透光性半導体基板１０の上面及び下面にマスク１１となるＳｉＯ２等から成る膜を蒸着法、スパッタリング法などによって成膜し、フォトリソグラフィー技術を用いて透光性半導体基板１０の上面の全面と下面の一部にパターン形成処理を行い、リフトオフ工程を経てマスク１１を形成する。
【００５２】
次に、熱処理炉または半導体成長装置などを用いて、マスク１１を形成した透光性半導体基板１０を水素ガス等の還元性雰囲気または真空中などにおいて熱処理することにより、透光性半導体基板１０から構成原子の離脱が生じ、マスク１１の非形成部に欠損部１２を形成する。そして、図１（ｂ）に示すように、マスク１１を除去することにより欠損部１２を形成する。
【００５３】
または、プラズマアッシング装置またはイオンエッチング装置などを用いて、マスク１１を形成した透光性半導体基板１０にプラズマ暴露処理を施して、マスク１１の非形成部に欠損部１２を形成する。そして、図１（ｂ）に示すように、マスク１１を除去することにより欠損部１２を形成する。
【００５４】
次に、図１（ｃ）に示すように、透光性半導体基板１０の上面に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３を形成し、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３上の欠損部１２に重なる部位に第１の発光層１４ａ、欠損部１２に重ならない部位に第２の発光層１４ｂを形成する。
【００５５】
第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３は、例えばｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体層である。窒化ガリウム系化合物半導体をｎ型とするには、元素周期律表において４（IV）族の元素であるシリコン（Ｓｉ）等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。
【００５６】
第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３の上面の欠損部１２と重なる部位では、透光性半導体基板１０の下面側から放射された熱輻射は、構成原子サイトの空孔子の非弾性散乱を受けて、光子のエネルギー損失が熱エネルギーとなり、透光性半導体基板１０に熱輻射が吸収される。その結果、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３の上面における欠損部１２に重なる部位の成長温度と、欠損部１２に重ならない部位とでは成長温度が異なり、熱輻射を吸収し易い欠損部１２に重なる部位の成長温度の方が高くなる。
【００５７】
発光層１４ａ，１４ｂを成す窒化ガリウム系化合物半導体層の組成は、所望の発光波長が得られる適当なものに設定すればよい。例えば、ＩｎＧａＮから成る量子井戸構造を呈する発光層１４ａ，１４ｂを成長させた場合、原料ガスの種類及び供給量が同じであっても、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３の上面の欠損部１２に重なる部位では成長温度が高いため、Ｉｎ混晶組成が低いＩｎＧａＮから成る第１の発光層１４ａが形成される。その結果、第１の発光層１４ａの発光波長は第２の発光層１４ｂの発光波長より短波長になる。一方、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１３の上面の欠損部１２に重ならない部位では成長温度が低いため、Ｉｎ混晶組成が高いＩｎＧａＮから成る第２の発光層１４ｂが形成される。その結果、第２の発光層１４ｂの発光波長は第１の発光層１４ａの発光波長より長波長になる。
【００５８】
例えば、Ｉｎ混晶組成が低いＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎから成る第１の発光層１４ａの発光波長は３７０〜４１０ｎｍ程度となり、Ｉｎ混晶組成が高いＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎから成る第２の発光層１４ｂの発光波長は４１０〜５１０ｎｍ程度となる。
【００５９】
次に、図１（ｄ）に示すように、第１の発光層１４ａ及び第２の発光層１４ｂの上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１５を形成する。その後、透光性半導体基板１０の下面に第１導電型電極１６を形成し、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１５の上面に第２導電型電極１７を形成する。
【００６０】
第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１５は、例えばｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層である。窒化ガリウム系化合物半導体をｐ型とするには、元素周期律表において２（II）族の元素であるマグネシウム（Ｍｇ）等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。
【００６１】
第１導電型電極１６は、例えばｎ型の電極であり、透光性半導体基板１０と良好なオーミック接続をとれるものがよい。そのような材質のものとしては、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3），金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金，金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金，金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金，金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金等から成るものがよい。
【００６２】
第２導電型電極１７は、例えばｐ型の電極であり、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層１５と良好なオーミック接続がとれるものがよい。そのような材質のものとしては、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3），金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金，金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金，金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金，金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金等からなるものがよい。
【００６３】
このような発光素子は次のように動作する。即ち、発光層１４ａ，１４ｂを含む窒化ガリウム系化合物半導体にバイアス電流を通電することにより、第1の発光層１４ａからは長波長の光が出射し、第２の発光層１４ｂからは短波長の光が出射する。そして、蛍光体及び燐光体を励起して波長を変換しない場合には、２つの波長の光の発光強度はバイアス電流の値とともに増加する。
【００６４】
なお、本実施の形態の発光素子及びその製造方法は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更及び改良等を施すことはなんら差し支えない。例えば、透光性半導体基板１０の下面の表層に形成される欠損部１２の領域を発光素子のサイズに限定せずに、複数の発光素子領域を有する母透光性半導体基板において、ある発光素子領域全体に欠損部１２を形成してもよい。この場合、一つの母透光性半導体基板上に、発光波長の異なる発光素子を複数作製することができる。また、透光性半導体基板１０の下面の表層の欠損部１２の欠損の程度を調整して、一つの透光性半導体基板１０に複数種の欠損部１２を形成することにより、３波長以上の光が発光可能な多波長発光素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態の発光素子の製造方法について一例を示す各製造工程における発光素子の断面図である。
【図２】従来の多波長発光素子の一例を示す断面図である。
【図３】従来の多波長発光素子の他例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０：透光性半導体基板
１２：欠損部
１３：第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
１４ａ：第１の発光層
１４ｂ：第２の発光層
１５：第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
１６：第１導電型電極
１７：第２導電型電極
【図１】
2009218529.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009218529.tif 000005