(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物系化合物より成る半導体層の積層により形成され、発光する層を含む多重層、ｐ型半導体層、及びｎ型半導体層を有する発光素子において、
発光する層を含む前記多重層は、
III族窒化物系化合物半導体より成る量子障壁形成バリヤ層とIII族窒化物系化合物半導体より成る量子障壁形成ウェル層とを交互に周期的に積層した多層構造を有し、トンネル効果によって特定の運動エネルギーを有するキャリアを選択的に通過させて透過率を制御する多重量子障壁層と、
それぞれ互いに相異なる発光波長を有する複数の井戸層と
を備え、
前記複数の井戸層は、それぞれ互いに前記多重量子障壁層により隔てられており、
前記量子障壁形成ウェル層は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ＜0.１，0.８＜ｙ＜１，０＜１-x-y＜0.１）より成る
ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記量子障壁形成バリヤ層は、
前記複数の井戸層の各発光波長に対応する各バンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記量子障壁形成ウェル層又は前記量子障壁形成バリヤ層の膜厚は、
０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記量子障壁形成バリヤ層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜0.５）より成る
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
駆動電圧の変化により、発光色が変化する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
井戸層から発光された光を受けてその光よりも波長が長い光を発光する蛍光体を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
井戸層から発光された光を受けてその光よりも波長が長い光を発光する不純物添加半導体層を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
前記不純物添加半導体層に添加する不純物として、少なくとも、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、又はゲルマニウム（Ｇｅ）の内の１種類以上の元素を用いた
ことを特徴とする請求項７に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項９】
前記不純物添加半導体層で、ｎ型半導体層、ｎ型コンタクト層、又は高キャリア濃度ｎ+層を構成し、
電極成膜形態又は電極接続形態を、基板側が光取出面となるフリップチップ型とした
ことを特徴とする請求項８に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１０】
発光する前記半導体層は、光取出面に近付く程発光波長が短くなる順に積層されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに相異なる発光波長を有する複数の井戸層を備えた III族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば白色ＬＥＤを量産する等の目的で従来より、互いに相異なる発光波長を有する複数の井戸層を備えた半導体発光素子の研究が行われている。
図１３に、発光波長の相異なる２層の井戸層を有する従来の半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムを例示する。
ここで、（ａ）のダイヤグラムは、任意或いは適当な相異なる発光波長を持つ２層の井戸層の間に量子障壁形成バリヤ層が無い場合の例である。一方、（ｂ）のダイヤグラムは、任意或いは適当な相異なる発光波長を持つ２層の井戸層の間に単純な量子障壁形成バリヤ層を設けた場合の例である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、図１３（ａ）の様に、２層の井戸層の間に量子障壁形成バリヤ層が無いと、電子や正孔がバンドギャップエネルギーの小さい長波長側に集中し易くなり、このため、２層の井戸層を略均等に発光させる等の「各井戸層間における所望の発光強度比の実現」が困難となる。このため、多色発光に基づいた光の合成によって所望の発光色を実現することが難しくなる。
【０００４】
一方、図１３（ｂ）の様に、単純な障壁層を設けた場合には、電子が分配され易い井戸層と正孔が分配され易い井戸層とが相異に発現してしまうため、例え所望の発光強度比を実現することができたとしても、各井戸層において双方とも発光効率が低下してしまう。即ち、素子全体としての絶対的な発光強度や、十分な発光効率を得ることができないと言う問題が生じる。
【０００５】
また、図１３（ａ），（ｂ）の様に、両側のｐ／ｎ型半導体層のエネルギー障壁を高くすることで、キャリヤのオーバーフローを効果的に防ごうとすれば、ｐ／ｎ型半導体層の膜厚やアルミニウム（Ａｌ）組成比を必然的に高くしなければならなくなり、その様な構成がクラック発生の主要因となっていた。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、発光波長の相異なる複数の井戸層を有する半導体発光素子において「各井戸層間における所望の発光強度比の実現」が容易で、かつ、発光効率や耐久性の高い素子構造を具現することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、第１の手段は、III族窒化物系化合物より成る半導体層の積層により形成され、発光する層を含む多重層、ｐ型半導体層、及びｎ型半導体層を有する発光素子において、発光する層を含む多重層に、III族窒化物系化合物半導体より成る量子障壁形成バリヤ層とIII族窒化物系化合物半導体より成る量子障壁形成ウェル層とを交互に周期的に積層した多層構造を有し、トンネル効果によって特定の運動エネルギーを有するキャリアを選択的に通過させて透過率を制御する多重量子障壁層と、それぞれ互いに相異なる発光波長を有する複数の井戸層とを備え、この複数の井戸層を、それぞれ互いに上記の多重量子障壁層により隔て、量子障壁形成ウェル層をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ＜0.１，0.８＜ｙ＜１，０＜１-x-y＜0.１）より形成することである。
【０００８】
ただし、ここで言う「 III族窒化物系化合物半導体」一般には、２元、３元、又は４元の「Ａｌx Ｇａy Ｉｎ(1-x-y) Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される任意の混晶比の半導体が含まれ、更に、これらの組成比ｘ，ｙ等を殆ど左右しない程度の微量若しくは少量のｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体も、本明細書の「 III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
従って、例えば２元系や或いは３元系の「 III族窒化物系化合物半導体」の場合、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮや、或いは、任意又は適当な混晶比のＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ等は言うまでもなく、これらの各種半導体の組成比を殆ど左右しない程度の微量若しくは少量のｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体も、本明細書の「 III族窒化物系化合物半導体」に含まれる。
【０００９】
また、更に、上記の III族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の内の一部をボロン（Ｂ）やタリウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換したりした半導体等もまた、本明細書の「 III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
また、上記のｐ型の不純物としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）や、或いはカルシウム（Ｃａ）等を添加することができる。
また、上記のｎ型の不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、或いはゲルマニウム（Ｇｅ）等を添加することができる。
また、これらの不純物は、同時に２元素以上を添加しても良いし、同時に両型（ｐ型とｎ型）を添加しても良い。
また、上記の井戸層は、ＳＱＷ構造のものであっても、ＭＱＷ構造のものであっても良い。
【００１０】
図１は、本発明に用いられる多重量子障壁層の作用原理を説明するグラフであり、（ａ）はこの多重量子障壁層のエネルギーバンドダイヤグラムを例示している。ここで、Ｗｂはこの多重量子障壁層を構成する量子障壁形成バリヤ層の厚さを、Ｗｗはこの多重量子障壁層を構成する量子障壁形成ウェル層の厚さを、Ｖｂはこの量子障壁形成バリヤ層のエネルギー準位をそれぞれ示している。
【００１１】
例えば、この様な多重量子障壁層を構成し、図面左側より電子を入射した場合、それらの電子が図面左側へ反射される確率（反射率）は、古典的には図１（ｂ）に示す様になるものと考えられる。ただし、ここで図１（ｂ）、（ｃ）の横軸Ｅは、入射された電子の順方向（図面左右方向）の運動エネルギーである。
【００１２】
しかし、実際には、電子は量子論的に振る舞うため、トンネル効果や電子波の干渉作用等により、上記の反射率は図１（ｃ）に示す量子論的なシミュレーション結果に概ね一致する。ただし、ここで、ｍｅ（＝0.２）は、本シミュレーションにおいて仮定された、上記の多重量子障壁層における電子の静止質量に対する伝導電子の有効質量の比である。
【００１３】
多重量子障壁層を構成する各量子障壁形成バリヤ層の積層周期の１／２（図１では２.5nm）の長さをｄとし、入射される伝導電子の波長をλとする。この時、この多重量子障壁層は、次式（１）を満たす伝導電子に対して高い反射率を示す。
【数１】
ｄ＝λ／４，３λ／４                                        …（１）
また、次式（２）を満たす伝導電子に対して低い反射率を示す。
【数２】
ｄ＝λ／２                                                  …（２）
【００１４】
即ち、これらの障壁作用を奏する上記の様な多重量子障壁層を導入すれば、実効的な障壁の高さは、古典的な障壁の高さを大きく上回る結果となり、また同時に、古典的な障壁の高さに達していない伝導電子であっても、特定の運動エネルギーＥを有すれば、トンネル効果により、この様な多重量子障壁層を選択的に通過できることになる。例えば、図１（ｃ）においては、λ＝２ｄ＝５nmを満たす伝導電子（Ｅ≒0.３eV付近の伝導電子）が、トンネル効果を大いに受託して、低い反射率を示す結果となっている。
【００１５】
したがって、この様な多重量子障壁層の導入により、ｐ／ｎ型半導体層のアルミニウム（Ａｌ）組成比や膜厚を従来よりも削減しても、キャリヤのオーバーフローが効果的に抑制され、キャリヤの各井戸層への配分も最適化又は好適化されるので、発光効率や耐久性が従来よりも高い、複数の発光ピークを有する半導体発光素子を作ることが可能となる。
【００１６】
図２は、本発明の半導体発光素子における、上記の様な多重量子障壁層の作用効果を説明するエネルギーバンドダイヤグラムである。ただし、図中の●印は電子を、○印は正孔をそれぞれイメージしたシンボルである。
本図２に例示する様に、多重量子障壁層を用いて任意或いは適当な相異なる発光波長を持つ２層の井戸層を隔てた場合、図１に例示した量子論的な作用原理に従って、キャリヤーの行き先が確率的に決定される。このことは、本図２に例示する様に、正孔に付いても同様である。
【００１７】
したがって、予期されるキャリヤの運動量（運動エネルギーＥ）に応じて適当な反射率を示す適当な多重量子障壁層を上記の本発明の第１の手段により導入すれば、発光波長の相異なる複数の井戸層を有する半導体発光素子において「各井戸層間における所望のキャリヤ配分比（発光強度比）の実現」が容易で、かつ、発光効率や耐久性の高い素子構造を具現することができる。
【００１８】
また、上記の多重量子障壁層は、素子内に発生する歪に基づいて井戸層に働く応力を緩和する作用をも有するため、上記の手段を用いた上記の構成は、結晶性の良好な半導体層を成長させたり、井戸層等の結晶性を良質に維持する上でも一定以上の効果を発揮する。また、上記の第１の手段において、多重量子障壁層を構成する個々の半導体層の膜厚、積層周期、組成比、又は積層数の、キャリヤの運動量に対する最適化又は好適化を実施すれば、キャリヤを複数の井戸層にそれぞれ略均等若しくは所望の比率に分配することができる。更に、より具体的には、例えば、以下の手段が有効である。
【００１９】
即ち、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記の量子障壁形成バリヤ層のバンドギャップを、上記の複数の井戸層の各発光波長に対応する各バンドギャップよりも大きく設定することである。
【００２０】
また、本発明の第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、上記の量子障壁内量子障壁形成ウェル層又は量子障壁形成バリヤ層の膜厚を０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下にすることである。
【００２２】
また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、上記の量子障壁形成バリヤ層をＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜0.５）より形成することである。
【００２３】
即ち、本発明の半導体発光素子において、所望の発光色を具現するには、上記の第２乃至第４の各手段を任意に選択して効果的に組み合わせると良い。
例えば、上記の多重量子障壁層の構成として、「複数の井戸層の各発光波長に対応する各バンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する量子障壁形成バリヤ層を周期的に積層した構成」を採用したり、或いは更に「量子障壁形成ウェル層をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ＜0.１，0.８＜ｙ＜１，０＜１-x-y＜0.１）より形成し、量子障壁形成バリヤ層をＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜0.５）より形成し、量子障壁形成ウェル層及び量子障壁形成バリヤ層の各層の膜厚を０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とし、この量子障壁形成ウェル層と量子障壁形成バリヤ層を周期的に積層する構成」を採用したりすることにより、発光波長の相異なる複数の井戸層に対してキャリヤをそれぞれ均等若しくは所望の比率にて分配することが可能になる。したがって、上記の手段によれば、所望の発光色を具現することができる。
【００２４】
図３は、多重量子障壁層を好適又は最適に形成する構成基準を例示するグラフである。例えば、多重量子障壁層の量子障壁形成ウェル層を「Ａｌx Ｇａy Ｉｎ(1-x-y) Ｎ（０≦ｘ＜0.１，0.８＜ｙ≦１，０≦１−ｘ−ｙ＜0.１）」成る半導体から形成し、また、多重量子障壁層の量子障壁形成バリヤ層を「Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ＜0.５）」成る半導体から形成する場合、キャリヤ（電子及び正孔）の透過率は、ほぼ本図３に例示する様な傾向を示す。
【００２５】
ただし、本図３に例示する関係は、以下に示す条件下で求めたものである。
（仮定条件１）多重量子障壁層での電子の有効質量比：ｍｅ＝0.２
（仮定条件２）量子障壁形成バリヤ層の積層周期：量子障壁形成バリヤ層の膜厚の２倍（Ｗｂ＝Ｗｗ）
（仮定条件３）量子障壁形成バリヤ層の積層数：８
（仮定条件４）駆動電圧：３Ｖ
（仮定条件５）発光素子温度：略常温
（仮定条件６）伝導電子の入射方向の運動エネルギー：0.２〜0.５ｅＶ近辺
【００２６】
したがって、本図３からも判る様に、例えば、量子障壁形成バリヤ層の膜厚を２.5ｎｍとし、量子障壁形成バリヤ層のＡｌ組成比をｘ＝0.３とすれば、キャリヤの透過率を約１／２程度にすることができる。従って、この多重量子障壁層の上下（図２では左右）には、略均等にキャリヤを供給することができる様になる。
また、３層以上の井戸層を隔てる複数の多重量子障壁層についても略同様に、キャリヤに関する各井戸層への所望の配分率が概ね満たされる様に、それぞれの多重量子障壁層の透過率を最適或いは好適に設定することにより、各井戸層の発光強度を均一若しくは所望の比率にすることができる。
この様な最適化（若しくは好適化）は、例えば、キャリヤの各運動量毎に「各多重量子障壁層の透過率に基づいた、キャリヤの各井戸層への配分率」を求める計算等に基づいて行っても良いし、その他の各種のシミュレーションや実験等に基づいて行っても良い。
【００２７】
例えば上記の様に、本発明の手段を用いれば、発光波長の相異なる複数の井戸層を有する半導体発光素子において、発光効率が高く、各井戸層間における所望の発光強度比の実現（即ち、発光色の調整）が容易な素子構造の、定量的な最適化（若しくは好適化）が可能或いは容易となる。
【００２８】
尚、上記の仮定条件１〜６の各条件は、それぞれ全て、本発明を実施する上での必要条件ではない。従って、例えば、「Ｗｂ＞Ｗｗ」成る多重量子障壁層、即ち、量子障壁形成バリヤ層の方が量子障壁形成ウェル層よりも故意に厚く構成された多重量子障壁層を導入することも十分に可能である。
即ち、これらの各条件（仮定条件１〜６）は、所望とされる発光素子の特性、仕様等に応じて最適又は好適な値を設定すれば良い。
【００２９】
また、本発明の第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、駆動電圧を変化させることにより、発光色を変化させることである。
【００３０】
多重量子障壁層の透過率や反射率は、例えば図１などからも判る様に電子の運動量等にも依存する。従って、多重量子障壁層の透過率や反射率は、前記の（仮定条件４）にも例示した様に、発光素子の駆動電圧にも依存する。このため、発光素子の駆動電圧を変化させれば、各井戸層へのキャリヤの配分比を変化させることができる。したがって、発光素子の駆動電圧を変化させれば、各井戸層の発光強度の比率を制御することが可能となる。
【００３１】
発光素子の発光色は、各井戸層から出力される光の色の合成（発光強度の比率）により決定される。従って、上記の第５の手段により、発光素子の発光色を変化させることができる。
従って、以上の様に各井戸層へのキャリヤの配分比を所望の比率に制御することにより、適当に制御された駆動電圧に応じて、所望の幾種類かの色を１チップ（一塊の結晶）で出力できる半導体発光素子を製造することも十分に可能となる。
【００３２】
即ち、例えば従来の屋外用の大画面テレビ等では、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤの３種類のＬＥＤを用意しなければ、画面を構成することができなかったが、上記の様な所望の幾種類かの色を１チップ（一塊の結晶）で出力できる半導体発光素子を得ることにより、大画面テレビを１種類乃至は２種類のＬＥＤを用意するだけで構成することも可能となる。
【００３３】
また、本発明の第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、井戸層から発光された光を受けてその光よりも波長が長い光を発光する蛍光体を備えることである。
これにより、発光素子が出力する不要な比較的短波長の光（例：紫外線）の量を削減できると同時に、その光に換えて比較的長波長の光を出力することができるため、例えば、蛍光体による変換後の発光色が所望の波長（発光色）である場合等に特に有効である。
或いは、この様な手段は、蛍光体による変換後の発光色を合成前の発光色の１つに追加したい場合等にも有効である。即ち、上記の手段により、発光素子の発光色を補正することも可能である。
【００３４】
また、第７の手段は、上記の第１乃至第６の何れか１つの手段において、井戸層から発光された光を受けてその光よりも波長が長い光を発光する不純物添加半導体層を備えることである。
【００３５】
これにより、発光素子が出力する不要な比較的短波長の光（例：紫外線）の量を削減できると同時に、その光に換えて比較的長波長の光を出力することができるため、例えば、蛍光体による変換後の発光色が所望の波長（発光色）である場合等に特に有効である。
或いは、この様な手段は、不純物添加半導体層による変換後の発光色を合成前の発光色の１つに追加したい場合等にも有効である。即ち、上記の手段により、発光素子の発光色を補正することも可能である。
【００３６】
この様な不純物添加半導体層を用いる手段は、前記の蛍光体を用いる手段と併用しても良く、例えばその様な併用により初めて十分な補正効果が得られる場合も有る。しかし、特に不純物添加半導体層による発光波長変換後の発光が高輝度に得られる場合等には、この第７の手段を単独で用いても一定以上、或いは十分な効果が得られることもある。
【００３７】
また、第８の手段は、上記の第７の手段の不純物添加半導体層に、少なくとも、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、またはゲルマニウム（Ｇｅ）の内の１種類以上の元素を不純物元素として添加することである。これらの不純物元素は、例えば紫外線等の比較的波長の短い光を効率よく可視光に変換するものであり、これらの不純物元素の添加により、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００３８】
例えば、これらのｎ型の不純物を適当量添加した半導体層（例：ＧａＮ層等）に紫外領域の光を照射することにより、可視領域のフォトルミネッセンス発光が得られる。したがって、上記の手段は特に紫外線を可視領域の発光に変換したい場合等に有効である。
また、例えば、ＵＶ発光する井戸層と青色発光する井戸層とを有する半導体発光素子に、ＵＶ光を受けて黄色発光する不純物添加半導体層を追加することにより、白色発光する半導体発光素子を製造することも可能である。
【００３９】
また、第９の手段は、上記の第８の手段において、上記の不純物添加半導体層で、ｎ型半導体層、ｎ型コンタクト層、又は高キャリア濃度ｎ+層を構成し、電極成膜形態又は電極接続形態を、基板側が光取出面となるフリップチップ型とすることである。
この様な構成によれば、出力される紫外領域の光は、上記の変換を行う不純物添加半導体層を必ず通過することになるため、紫外線を可視光に変換する際の変換量が、ワイヤーボンディング型の発光素子よりも多くなる。
従って、この手段によれば、波長変換による発光色の補正効果を更に能く引き出すことができる。
【００４０】
また、例えば、青色波長の光子が赤色発光の井戸層に照射されると、赤色発光の井戸層の発光機構（バンドギャップ）において電子が励起されることがあり、それらの電子は再びその発光機構において赤色発光に寄与する。この作用によれば、青色発光の一部が赤色発光に変換される。例えばこの様な、短波長から長波長への発光の変換量は、長波長で発光する井戸層への短波長の光の照射量が、大きくなる程大きくなる。このことは、上記の不純物添加半導体層についても同様である。また、この短波長の光の長波長で発光する井戸層への照射量は、発光する各半導体層の積層順序に大きく依存する。
【００４１】
即ち、これらの積層順序も、素子の発光色や発光効率等の最適化のパラメータとなるため、これらの調整（最適化若しくは好適化）により素子の発光色をより白色に近付けることが可能又は容易となる。
【００４２】
また、第１０の手段は、上記の第１乃至第９の何れか１つの手段において、発光する半導体層を光取出面に近付く程発光波長が短くなる順に積層することである。ただし、「発光する半導体層」とは主に、自発的に発光する上記の井戸層等のことであるが、しかし、例えば蛍光作用等により二次的、他発的、或いは間接的に、紫外線等の比較的短波長の光をより長波長の可視光に変換することにより発光する半導体層（例：上記の不純物添加半導体層等）をも、この「発光する半導体層」に含むものとする。
この様な構成に依れば、上記の短波長から長波長への発光の変換量を少なめに抑制することができるともに、光の取出効率が高くなる。
【００４３】
したがって、例えば、これらの発光波長の変換による、素子の発光色に関する不測の変化も回避し易くなる。即ち、この手段によれば、これらの２次的な作用（変換作用）による発光素子の特性である発光色への影響を複雑に考慮する必要性が低減でき、発光素子の設計を比較的簡単にすることができる等の効果も得られ、色度の制御性が向上する。
【００４４】
また、この第１０の手段は、例えば青色等の短波長の可視光を出力する井戸層の発光強度が比較的弱い場合等に、その短波長の可視光の出力を弱めない様にする手段としても有効である。ただし、これらの発光波長の長短は、勿論、相対的な尺度でしかない。
以上の手段により、前記の課題を解決し、本発明の前記の目的を効果的に達成することができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
図４に、本発明の第１〜第３実施例に係わる半導体発光素子１００，２００，３００に共通する素子概要の模式的な断面図を示す。これらの半導体発光素子（１００，２００，３００）の構成は、発光する層を含む多重層１０５の内部の積層構造（図５、図８、図１１）以外は、それぞれ本図４に示される様な同一の構造を有するものである。
【００４６】
（第１実施例）
本第１実施例の半導体発光素子１００では、本図４に示す様に、厚さ約３００μｍのサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム(AlN) から成る膜厚約１０ｎｍのバッファ層１０２が成膜され、その上にシリコン(Si)ドープのＧａＮから成る膜厚約４μｍのｎ型コンタクト層１０３（高キャリヤ濃度ｎ+ 層）が形成されている。
【００４７】
また、このｎ型コンタクト層１０３の上には、膜厚約１００ｎｍのＳｉドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎから成るｎ型半導体層１０４が形成され、更にその上には、本第１実施例の最大の特徴部分となる発光する層を含む多重層１０５が形成されている。
本多重層１０５の内部の積層構成は、後から図５を用いて詳細に説明する。
【００４８】
更に、この発光する層を含む多重層１０５の上には、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎから成る膜厚約３０ｎｍのｐ型半導体層１０６が形成されており、また、ｐ型半導体層１０６の上には、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎから成る膜厚約７０ｎｍのｐ型コンタクト層１０７が形成されている。
【００４９】
又、ｐ型コンタクト層１０７の上には金属蒸着による透光性薄膜正電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０３上には負電極１４０が形成されている。透光性薄膜正電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０７に直接接合する膜厚約15Åのコバルト(Co)より成る薄膜正電極第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約60Åの金（Ａｕ）より成る薄膜正電極第２層１１２とで構成されている。
【００５０】
厚膜正電極１２０は、膜厚約１７５Åのバナジウム（Ｖ）より成る厚膜正電極第１層１２１と、膜厚約１５０００Åの金（Ａｕ）より成る厚膜正電極第２層１２２と、膜厚約１００Åのアルミニウム（Ａｌ）より成る厚膜正電極第３層１２３とを透光性薄膜正電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。
【００５１】
多層構造の負電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０３の一部露出された部分の上から、膜厚約１７５Åのバナジウム(V) 層１４１と、膜厚約１０００Åのアルミニウム(Al)層１４２と、膜厚約５００Åのバナジウム(V) 層１４３と、膜厚約５０００Åのニッケル(Ni)層１４４と、膜厚８０００Åの金（Ａｕ）層１４５とを順次積層させることにより構成されている。
【００５２】
また、最上部には、ＳｉＯ2 膜より成る保護膜１３０が形成されている。
サファイヤ基板１０１の底面に当たる反対側の最下部には、膜厚約５０００Åのアルミニウム（Ａｌ）より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Ｒｈ，Ｔｉ，Ｗ等の金属の他、ＴｉＮ，ＨｆＮ等の窒化物でも良い。
【００５３】
以下、本第１実施例の最大の特徴部分となる発光する層を含む多重層１０５の内部の積層構成について、図５を用いて詳細に説明する。
図５は、本第１実施例の半導体発光素子１００の発光する層を含む多重層１０５の模式的な断面図である。
【００５４】
青色発光のＳＱＷを構成する第１井戸層Ａ１は、膜厚約４ｎｍのＩｎ0.17Ｇａ0.83Ｎより形成されており、上記のｎ型半導体層１０４の上に積層されている。第１井戸層Ａ１の上に積層される多重量子障壁層Ａ２は、合計１５層の半導体層から形成されている。即ち、多重量子障壁層Ａ２は、膜厚約２.5ｎｍのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎより成る量子障壁形成バリヤ層ａ２１と、膜厚約２.5ｎｍのＡｌ0.06Ｉｎ0.01Ｇａ0.93Ｎより成る量子障壁形成ウェル層ａ２２とを交互に７．５周期繰り返し積層することにより形成されている。
また、多重量子障壁層Ａ２の上には、Ａｌ0.06Ｉｎ0.01Ｇａ0.93Ｎより膜厚約４ｎｍのＳＱＷを構成するＵＶ発光の第２井戸層Ａ３が積層されている。
【００５５】
図１〜図３を用いて説明した前記の本発明の作用・効果等からも判る様に、上記の多重量子障壁層Ａ２は、半導体発光素子１００に対する印加電圧３Ｖの元で、約１／２の透過率を示す。この時の、順方向電流は約２０ｍＡであった。
【００５６】
図６は、この時の半導体発光素子１００の発光スペクトルを示すグラフである。本図６からも判る様に、上記の構造を有する半導体発光素子１００は、波長が約３２０ｎｍ付近の紫外光近傍と、波長が約４７０ｎｍ付近の青色光近傍において発光強度（発光出力）のピークを有する。また、両ピーク付近における発光強度は、本図６からも判る様に略同等であった。
尚、第１井戸層Ａ１と、第２井戸層Ａ３との積層順序は入れ換えても良い。
【００５７】
図７は、この半導体発光素子１００を用いて構成したＬＥＤ１８０の物理的な構成図である。このＬＥＤ１８０は、金属カップ内に載置された半導体発光素子１００の周囲に、紫外領域の光（紫外線）を黄色光に変換する蛍光体を入れたものであり、使用する蛍光体の化学組成比や使用量等を調整することにより、発光色の色度を変化させることができる。また、複数の種類の蛍光体を同時に用いても良い。
【００５８】
したがって、このような構成によれば、半導体発光素子１００の第２井戸層Ａ３が出力したＵＶ光（紫外線）から蛍光体の作用により間接的に得られる黄色光（約５６０〜５８０ｎｍ付近）と、半導体発光素子１００の第１井戸層Ａ１から直接出力される青色光（約３８０〜５２０ｎｍ付近）とが合成され、その結果、白色光を得ることができる。
【００５９】
また、以下の調整手段（Ｍ１）〜（Ｍ７）により、発光出力の発光色や、或いは発光強度を調整することが可能である。
（Ｍ１）第１井戸層Ａ１（青色発光）の絶対的な出力（発光強度）を変える。
（Ｍ２）第２井戸層Ａ３（ＵＶ発光）の絶対的な出力（発光強度）を変える。
これら(M1),(M2) は、井戸層の膜厚や積層数等により調整可能である。また、ＭＱＷ構造を導入しても良い。
（Ｍ３）多重量子障壁層Ａ２の透過率を調整する。
例えば、量子障壁形成バリヤ層ａ２１の膜厚、積層周期（積層間隔）、積層数、組成比等により調整することができる。
【００６０】
（Ｍ４）第１井戸層Ａ１と第２井戸層Ａ３の積層順序を最適化する。
例えば、黄色発光（ＵＶ発光）の方が青色発光よりも弱い場合には、上記の発光素子１００の様に光取り出し側に近い方にＵＶ発光する層を含む多重層（第２井戸層Ａ３）を配置した方が有利である。
（Ｍ５）蛍光体の化学組成比や使用量等を調整する。
（Ｍ６）同様の蛍光作用を示すｎ型不純物添加半導体層を設ける。
（Ｍ７）駆動電圧、稼動温度等を変更する。
これにより、キャリヤの運動エネルギーの分布を制御できるため、多重量子障壁層Ａ２の透過率を調整することが可能である。
ただし、一般に、多重量子障壁層を構成する量子障壁形成ウェル層や量子障壁形成バリヤ層の膜厚は、稼動温度に依存するため、上記の(7) 等においては、それらの膜厚の変化に起因する多重量子障壁層の透過率への影響にも、幾らか注意を払う必要がある。
【００６１】
（第２実施例）
本第２実施例の発光素子２００は、上記の第１実施例の発光素子１００を用いて製造した１チップ白色ＬＥＤによる照明では見ることができなかった赤色が見える（照らし出せる）様に、上記の発光する層を含む多重層１０５を改良したものである。
図８に、本第２実施例の半導体発光素子２００の発光する層を含む多重層１０５の模式的な断面図を示す。
【００６２】
赤色発光のＳＱＷを構成する第１井戸層Ｂ１は、膜厚約４ｎｍのＩｎ0.82Ｇａ0.18Ｎより形成されており、図４のｎ型半導体層１０４の上に積層されている。第１井戸層Ｂ１の上に積層される多重量子障壁層Ｂ２は、合計１５層の半導体層から形成されている。即ち、多重量子障壁層Ｂ２は、膜厚約２.5ｎｍのＡｌ0.10Ｉｎ0.02Ｇａ0.88Ｎより成る量子障壁形成バリヤ層ｂ２１と、膜厚約２.5ｎｍのＡｌ0.02Ｉｎ0.01Ｇａ0.97Ｎより成る量子障壁形成ウェル層ｂ２２とを交互に７．５周期繰り返し積層することにより形成されている。
【００６３】
また、多重量子障壁層Ｂ２の上には、Ｉｎ0.38Ｇａ0.62Ｎより膜厚約４ｎｍのＳＱＷを構成する緑色発光の第２井戸層Ｂ３が積層されている。
更に、第２井戸層Ｂ３の上には、上記と同一構造の多重量子障壁層Ｂ２が、再度積層され、更にその上には、Ｉｎ0.17Ｇａ0.83Ｎより膜厚約４ｎｍのＳＱＷを構成する青色発光の第３井戸層Ｂ４が積層されている。
【００６４】
前述の図３からも概算可能な様に、多重量子障壁層Ｂ２の透過率は、量子障壁形成バリヤ層ｂ２１の膜厚とＡｌ組成比より、約0.６程度であることが判る。
この時、ｐ／ｎ型半導体層（１０４、１０６）や多重量子障壁層Ｂ２により反射されて進行方向が逆転されたキャリヤの、その後の更なる二次的な透過現象（遅延反射）は無視し、また、多重量子障壁層Ｂ２の透過前後におけるキャリヤの運動量の変化量をも無視して、本第２実施例における発光する層を含む多重層１０５（図８）の作用を簡単に考察すると、この単純化モデルにおける第１〜第３井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）に対する伝導電子の配分比は（0.40：0.24：0.36）となる。
【００６５】
また、正孔についても同様に考えると、第１〜第３井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）に対する正孔の配分比は（0.36：0.24：0.40）となる。したがって、第１〜第３井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）の各発光強度比は、上記の簡単な考察から（0.36：0.24：0.36）＝（３：２：３）程度に成るものと概算的には予測される。
【００６６】
図９に、本第２実施例の半導体発光素子２００の発光スペクトルを示す。本測定を行った際の印加電圧は３Ｖ、順方向電流は２０ｍＡであった。本グラフより、赤色発光の第１井戸層Ｂ１から発光される光は６５０ｎｍ付近に鋭いピークを持ち、緑色発光の第２井戸層Ｂ３から発光される光は５２０ｎｍ付近に鋭いピークを持ち、青色発光の第３井戸層Ｂ４から発光される光は４６０ｎｍ付近に鋭いピークを持つことが判る。
【００６７】
また、上記の透過率（0.６）の場合、真ん中の井戸層には上記の様にキャリヤの配分量が若干少なくなるものと概算されていたにも係わらず、緑色発光の強度が他の色に対して特段遜色がないのは、緑色発光の井戸層においては、元来より高い発光効率が得られ易いためだと考えられるが、上記の配分比等に関する計算を厳密に行うことは容易でなく、現段階ではこれらの正確な因果関係は定量的に厳密には明確になっていない。
【００６８】
或いは、緑色発光の強度が他の色に対して特段遜色がないのは、各ｐ／ｎ型半導体層に反射された各キャリヤが、各多重量子障壁層を再度透過して、真ん中の第２井戸層Ｂ３にある程度集中したためだとも考えられる。
【００６９】
或いは、緑色発光の強度が他の色に対して特段遜色がないのは、多重量子障壁層Ｂ２が歪緩和作用を奏するために、これらで挟まれている真ん中の井戸層には、基板１０１等による下方からの応力や、或いは正電極や保護膜（１１０、１２０、１３０）等による上方からの応力が緩和されて、第２井戸層Ｂ３に掛かる応力が効果的に抑制されるので、その結果、第２井戸層Ｂ３の結晶性が比較的良質に維持されているためだとも考えられる。
【００７０】
図１０は、本第２実施例の半導体発光素子２００により照らされる被照物体の色再現範囲を示した色度図である。図中の記号Ｒ，Ｇ，Ｂは、上記の各光のピーク値付近における色度を表している。
例えば上記の様に、第１〜第３井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）へのキャリヤの配分等を適当に設定することにより、本半導体発光素子２００においては、色度座標の明度による加重平均座標（ｘ，ｙ）が白色点Ｗの座標（1/3,1/3 ）に略一致する様に構成されている。
【００７１】
これにより、白色照明等に利用した際に色再現範囲が十分に広いフルカラー対応の１チップ白色ＬＥＤを実現することができた。即ち、本半導体発光素子２００を照明として使用すれば、本色度図中央の三角形内部の任意の色をこの照明により再現することができる。
【００７２】
また、上記の発光素子２００の様に、井戸層を光取出面に近付く程発光波長が短くなる順に積層すれば、各井戸層から発光された光が光取出面側に存在する井戸層で吸収される光吸収作用が防止され、光の取出効率が高くなるともに、色度の制御性が向上する。
【００７３】
尚、例えば、図１０に例示される様に、計３層の井戸層により色度図上の多角形（よって三角形）を構成する場合においては、赤色発光井戸層、緑色発光井戸層、及び青色発光井戸層の３層で各井戸層を構成することにより、最も広範囲の色を再現することが可能となる。ただし、この青色発光井戸層は、青色(455nm〜485nm)よりも若干発光波長の短い青紫色(380nm〜455nm)の光を発光する井戸層であっても良い。
【００７４】
また、上記の第２実施例では、井戸層を赤色発光、緑色発光、青色発光の計３層としたが、黄色発光や、或いは青緑色発光の井戸層を更に設けても良い。この様に発光波長の異なる井戸層の層数を増やせば、図１０の三角形をより広範な多角形（四角形や五角形等）に拡張することができるので、より広範囲の色度を再現可能なフルカラー対応の１チップ白色ＬＥＤを実現することができる。
【００７５】
即ち、この様な多角形を色度図上に広範に確保することにより、全井戸層から発光される各光の色度図上における色度座標の明度による加重平均座標を白色点座標（1/3,1/3 ）に略一致する様に調整すれば、光の合成作用により、白色照明等に利用した際に色再現範囲が十分に広いフルカラー対応の１チップ白色ＬＥＤを実現することができる。
【００７６】
また、上記の第１及び第２実施例では、各発光波長別の光の明度を各井戸層の膜厚で調整しているが、各発光波長別の光の明度は、各発光波長別の井戸層の層数により調整しても良い。
【００７７】
また、第２実施例の半導体発光素子２００によれば、紫外線、及び赤外線が殆ど発光されないので、従来の白色ＬＥＤよりもエネルギー効率が高く、眼に優しいフルカラー対応の照明を１チップで実現することができる。
【００７８】
尚、上記の実施例においては、ワイヤボンディング型の１チップ白色ＬＥＤを示したが、本発明はフリップチップ型等の任意の型の１チップ白色ＬＥＤとして適用することができる。
【００７９】
例えば、フリップチップ型の場合においては、複数の井戸層を上記の実施例とは逆の積層順序で積層する。これによりフリップチップ型の場合においても、井戸層を光取出面に近付く程発光波長が短くなる順で積層できるので、各井戸層から発光された光が光取出面側に存在する井戸層で吸収される光吸収作用が防止される。従って、上記の実施例と同様に光の取出効率が高く、色再現範囲が十分に広いフルカラー対応の１チップ白色ＬＥＤを得ることができる。
【００８０】
また、フリップチップ型の場合には、反射金属層１５０は不要であり、透光性薄膜正電極１１０の代わりに、ロジウム(Rh)等の反射率の良好な金属を用いた膜厚約２０００Å程度の非透光性の厚膜電極を形成する。この場合には、厚膜正電極１２０は不要である。
【００８１】
また、本半導体発光素子２００に付いても、前記の発光素子１００と同様に、前記の調整手段（Ｍ１）〜（Ｍ７）により、各井戸層の発光強度を調整することが可能である。
【００８２】
（第３実施例）
図１１に、本第３実施例の半導体発光素子３００の多重層１０５の模式的な断面図を示す。本第３実施例の半導体発光素子３００の多重層１０５の内部的積層構成は、上記の第２実施例の半導体発光素子２００の多重層１０５の積層構成と殆ど同じであり、多重量子障壁層を構成する各量子障壁形成バリヤ層の混晶比だけが、半導体発光素子２００とは若干異なっている。
【００８３】
即ち、図１１に示す様に、発光素子３００の第１多重量子障壁層Ｃ２を構成する７層の量子障壁形成バリヤ層ｃ２１は、膜厚約２.5ｎｍのＡｌ0.60Ｇａ0.40Ｎより形成されており、また、第２多重量子障壁層Ｃ４を構成する７層の量子障壁形成バリヤ層ｃ４１は、膜厚約２.5ｎｍのＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎより形成されており、これらの各量子障壁形成バリヤ層（ｃ２１、ｃ４１）の組成比は、前記の半導体発光素子２００の多重量子障壁層Ｂ２の量子障壁形成バリヤ層ｂ２１の組成比とは若干異なっているが、その他の積層構成は、上記の半導体発光素子２００の発光する層を含む多重層のものと全く同じである。
【００８４】
この様に、各多重量子障壁層（Ｃ２，Ｃ４）を構成する各量子障壁形成バリヤ層のアルミニウム組成比を比較的高くすることにより、図３からも判る様に、これらの多重量子障壁層の透過率は、発光素子２００の多重量子障壁層Ｂ２の透過率（約0.６０）に対し、略半分かそれ以下と大幅に小さく設定されている。
【００８５】
この設定のため、駆動電圧を通常の３Ｖ程度に固定して駆動すると、第１〜第３井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）に対する伝導電子の配分は、この順に（大：中：小）となる。また、各井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）に対する正孔の配分は、この順に（小：中：大）となる。従って、駆動電圧が約３Ｖの場合には、伝導電子と正孔とが最もバランス良く配分される第２井戸層Ｂ３の発光強度が最も強くなり、本発光素子３００は、緑色発光を呈する。
【００８６】
しかしながら、駆動電圧を５Ｖ程度に固定して駆動すると、注入されるキャリヤの運動量が全体的に増加傾向を示し、キャリヤの運動量が占める範囲は全体的にシフトして前記のトンネル効果を十分に受託できる領域にまで達する様になる。したがって、各多重量子障壁層（Ｃ２，Ｃ４）の透過率は発光素子２００の多重量子障壁層Ｂ２の透過率と概ね同程度となり、発光素子２００と略同様に白色発光を呈する様になる。
また、この場合には、キャリヤの配分が理想的なバランスを保つため、効率や強度の高い白色発光を得ることができる。
【００８７】
更に、駆動電圧を７Ｖ程度に固定して駆動すると、キャリヤの運動量が占める範囲は、多重量子障壁の干渉作用によってキャリヤのオーバーフローが効果的に抑制される「オーバーフロー阻止対象のエネルギー領域」と略一致する様になる。したがって、各多重量子障壁層（Ｃ２，Ｃ４）の反射率が非常に高くなって、キャリヤは各多重量子障壁層を透過し難くなる。また、この傾向は、ｐ型半導体層１０６側から注入される正孔の方に、より一層顕著に発現する。このため、第１〜第３井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）に対する伝導電子の配分はこの順に（大：小：小）となり、また、各井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）に対する正孔の配分はこの順に（微：小：大）となる。
よって、駆動電圧が約７Ｖの場合には、第３井戸層Ｂ４による発光（強度）が支配的となり、発光素子３００は青色発光を呈する様になる。
【００８８】
したがって、本第３実施例の発光素子３００は、駆動電圧を３Ｖ→５Ｖ→７Ｖの順に上昇させると、緑色→白色→青色の順に発光色が変化する。
また、第１〜第３井戸層（Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４）の積層順序を適当に入れ換えれば、これらの各色や変色順序を所望の並びに変更することができることは、上記の発光素子３００がキャリヤの配分比に応じて変色発光する作用原理より明らかである。
【００８９】
即ち、例えば、基板側から順に、緑色発光井戸層Ｂ３、赤色発光井戸層Ｂ１、青色発光井戸層Ｂ４の順に、各井戸層の積層順序を入れ換えれば、本第３実施例の発光素子３００は、駆動電圧を３Ｖ→５Ｖ→７Ｖの順に上昇させると、赤色→白色→青色の順に発光色が変化する。
【００９０】
また、例えば、基板側から順に、青色発光井戸層Ｂ４、赤色発光井戸層Ｂ１、緑色発光井戸層Ｂ３の順に、各井戸層の積層順序を入れ換えれば、本第３実施例の発光素子３００は、駆動電圧を３Ｖ→５Ｖ→７Ｖの順に上昇させると、赤色→白色→緑色の順に発光色が変化する。
【００９１】
また、例えば、基板側から順に、青色発光井戸層Ｂ４、緑色発光井戸層Ｂ３、赤色発光井戸層Ｂ１の順に、各井戸層の積層順序を入れ換えれば、本第３実施例の発光素子３００は、駆動電圧を３Ｖ→５Ｖ→７Ｖの順に上昇させると、緑色→白色→赤色の順に発光色が変化する。
【００９２】
尚、これらの井戸層の積層数には、特段の制限が無い。即ち、必要或いは所望の任意の数の井戸層を積層して、上記と同様の半導体発光素子を作成しても、上記と略同様に、本発明の手段により本発明の作用・効果を得ることができる。また、これらの各井戸層の発光波長の設定についても同様に任意である。
【００９３】
また、本半導体発光素子３００に付いても、前記の発光素子１００と同様に、前記の調整手段（Ｍ１）〜（Ｍ７）により、各井戸層の発光強度を調整することが可能である。
【００９４】
（第４実施例）
図１２は、本発明の第４実施例の半導体発光素子４００の発光する層を含む多重層周辺の模式的なエネルギーバンドダイヤグラムである。例えば、この半導体発光素子４００の様に、本発明を実施する際には、多重量子障壁層で隔てられる各井戸層をＭＱＷ構造（多重量子井戸構造）としても良い。
【００９５】
また、これらのＭＱＷ構造を構成するバリア層には、ＧａＮ層等を用いることができるが、その他にも、井戸層よりもエネルギーバンドギャップが大きい層、即ち、例えば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＩｎＡｌＧａＮ層等を用いることができる。
【００９６】
本発明の発光する層を含む多重層に用いられるＭＱＷ構造内においては、それを構成する各量子障壁形成ウェル層間の電子波が干渉し合う構造であっても、なくても良い。即ち、本発明における各々の井戸層は、単一量子井戸構造であっても、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）であっても良く、また、本発明の各々の井戸層は、その井戸層の中に更に膜厚の薄いバリア層を備えていても良い。また、本発明の井戸層は、互いに各々相互干渉するものであっても良く、また、互いに各々相互干渉しないものであっても良い。
【００９７】
即ち、本発明はこれらの任意の構造を有する半導体発光素子に適用することができ、本発明を実施する上でＳＱＷ構造、ＭＱＷ構造等の各種の井戸層の積層構成に関する特段の制約は無い。
したがって、公知或いは任意の形態の井戸層を、本発明の井戸層に導入することができ、勿論、何れの構成においても本発明の作用・効果を一定以上に得ることができる。
【００９８】
また、発光する層を含む多重層を構成する各半導体層の「混晶比、膜厚、積層数、或いは不純物の種類や濃度」等を各々最適又は好適に調整することにより、発光される各波長の色度図上における色度座標の明度による加重平均座標を白色点座標（1/3,1/3 ）に略一致する様に構成することができる。
例えば、各井戸層の発光波長（発光スペクトル）は、その井戸層の組成比（混晶比）や組成比の空間的なバラツキや、或いは添加する不純物の種類や添加量、濃度等により決定することができる。
【００９９】
井戸層への不純物の添加は、例えば、ＤＡＰ（Donor to Acceptor Pair）発光により比較的長波長の光を出力させたい場合等に有効で、例えば、赤色発光を期待する場合等には、Ｚｎ又はＭｇ等のアクセプタ不純物と、Ｓ，Ｓｉ又はＴｅ等のドナー不純物とをそれぞれ適当量添加する。また、ＢＦ（Bound to Free ）発光や、ＦＢ（Free to Bound ）発光等を目的として、井戸層に不純物を添加しても良い。したがって、これらのアクセプタ不純物やドナー不純物は、その何れか一方だけを添加する様にしても良い。
【０１００】
例えば、赤色発光を期待する場合等には、その井戸層をＡｌy Ｉｎ1-y Ｎ（０≦ｙ≦0.1 ）で形成し、その結晶成長時にＺｎ又はＭｇ等のアクセプタ不純物と、Ｓ，Ｓｉ又はＴｅ等のドナー不純物とをそれぞれ適当量添加する、等の手段も有効、或いは適用可能である。これらの手段によれば、設備投資面等でコスト高となりがちな砒素（Ａｓ）、又は砒素化合物等を使用せずに、再現色範囲の広い白色照明等に有用な長波長の可視光（赤色）を得ることができる。
【０１０１】
上記のアクセプタ不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）の他にも、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）或いはバリウム（Ｂａ）等のII族元素又は、IV族元素を用いることができる。また、上記のドナー不純物としては、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）、テルル（Ｔｅ）の他にも、例えば、炭素（Ｃ）、スズ（Ｓｎ）或いはセレン（Ｓｅ）等のIV族元素、VI族元素を用いることができる。
また、これらのアクセプタ不純物、或いはドナー不純物を添加する場合、その添加濃度は、それぞれ１×1017／cm3 〜１×1021／cm3 程度で良い。例えば、ＤＡＰ（Donor to Acceptor Pair）発光の場合、これらの範囲で不純物レベル間の遷移による発光が得られる。
【０１０２】
また、各井戸層の発光強度や、各井戸層間の発光強度比は、各井戸層の膜厚や積層数等だけでなく、例えば前記の様に、各多重量子障壁層の透過率（或いは反射率）を好適又は最適に設定することによっても、制御（調整）することが可能である。
即ち、以上の様に、各井戸層の混晶比や、或いは添加不純物の種類、添加不純物の濃度等は、各井戸層の発光波長を決定するパラメーターとなり得、また、各井戸層の膜厚や各発光波長別の層数は、各発光波長毎の発光強度（明度）を決定するパラメーターとなり得る。
【０１０３】
従って、上記の各種パラメーターを各井戸層毎に各々最適に調整すれば、これらの各井戸層から発光される光の色度座標点（ｘi ，ｙi ）を各頂点とする色度図上における多角形の内部に位置する任意の色をこれらの光の合成により全て再現することが可能となる。
したがって、この様な各種の調整項目の最適化又は好適化によれば、効率よく白色発光する半導体発光素子を生産することが可能又は容易となる。
【０１０４】
また、発光される各波長の色度図上における色度座標の明度による加重平均座標を、上記の不純物添加半導体層の「混晶比、膜厚、積層数、或いは不純物の種類や濃度」等を各々最適又は好適に調整することにより、白色点座標（1/3,1/3 ）に略一致する様に構成することが可能である。
即ち、これらの調整により、上記の紫外線を可視光に変換する際の変換効率や変換量を最適化することができるため、素子の発光効率を向上させると共に、発光色をより白色に近付けることが可能又は容易となる。
【０１０５】
更に、発光される各波長の色度図上における色度座標の明度による加重平均座標を、発光する半導体層の積層順序を最適又は好適に調整することにより、白色点座標（1/3,1/3 ）に略一致させることもできる。
【０１０６】
また、結晶成長の基板の材料としては、上記のサファイアの他に、例えば、スピネル、酸化マンガン、酸化ガリウムリチウム（ＬｉＧａＯ2 ）、硫化モリブデン（ＭｏＳ）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＭｇＯ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 等の公知或いは任意の基板材料が有用、若しくは使用可能である。
【０１０７】
また、前記のバッファ層１０２にはＡｌＮを用いたが、バッファ層１０２にはその他にも、AlGaN 、GaN 、InAlGaN 等を用いることができる。
また、窒化ガリウム（ＧａＮ）等からなるバルク結晶基板を用いて結晶成長を行う場合等には、必ずしも前記の様にバッファ層を成膜する必要はない。
【０１０８】
また、特に、導電性基板を用いる場合には、正負の各電極を基板や発光する層を含む多重層を挟んで互いに対向する面に各々形成することができる等の、導電性基板に関する公知或いは各種の一通りの利点を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる多重量子障壁層の作用原理を説明するグラフ。
【図２】本発明の半導体発光素子における多重量子障壁層の作用効果を説明するエネルギーバンドダイヤグラム。
【図３】多重量子障壁層を好適又は最適に形成する構成基準を例示するグラフ。
【図４】本発明の第１〜第３実施例に係わる半導体発光素子１００，２００，３００の模式的な断面図。
【図５】第１実施例の半導体発光素子１００の発光する層を含む多重層１０５の模式的な断面図。
【図６】第１実施例の半導体発光素子１００の発光スペクトルを示すグラフ。
【図７】第１実施例の半導体発光素子１００を用いて構成したＬＥＤ１８０の物理的な構成図。
【図８】第２実施例の半導体発光素子２００の発光する層を含む多重層１０５の模式的な断面図。
【図９】第２実施例の半導体発光素子２００の発光スペクトルを示すグラフ。
【図１０】第２実施例の半導体発光素子２００により照らされる被照物体の色再現範囲を示した色度図。
【図１１】第３実施例の半導体発光素子３００の発光する層を含む多重層１０５の模式的な断面図。
【図１２】第４実施例の半導体発光素子４００の発光する層を含む多重層周辺の模式的なエネルギーバンドダイヤグラム。
【図１３】発光波長の相異なる２層の井戸層を有する従来の半導体発光素子のエネルギーバンドダイヤグラム。
【符号の説明】
ｍｅ  …  電子の静止質量に対する有効質量比
４００，３００，２００，
１００  …  半導体発光素子
１０１  …  サファイヤ基板
１０２  …  バッファ層
１０３  …  高キャリア濃度ｎ+ 層
１０４  …  ｎ型半導体層
１０５  …  発光する層を含む多重層
１０６  …  ｐ型半導体層
１０７  …  ｐ型コンタクト層
１１０  …  透光性薄膜正電極
１２０  …  正電極
１３０  …  保護膜
１４０  …  負電極
１５０  …  反射金属層
Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｃ４  …  多重量子障壁層
ａ２１，ｂ２１，ｃ２１，ｃ４１  …  量子障壁形成バリヤ層
ａ２２，ｂ２２  …  量子障壁形成ウェル層
Ｂ１  …  井戸層（赤色発光）
Ｂ３  …  井戸層（緑色発光）
Ａ１，Ｂ４  …  井戸層（青色発光）
Ａ３  …  井戸層（ＵＶ発光）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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