半導体発光素子および半導体発光装置
【課題】発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子および半導体発光装置を提供することを可能にする。
【解決手段】基板１上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層４と、第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層８と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられ、第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子ドット６ａを含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層６と、を備えている。
【解決手段】基板１上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層４と、第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層８と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられ、第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子ドット６ａを含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層６と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子および半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系半導体は、その光学遷移が直接遷移型であるため高効率の発光再結合が可能である。最も良く用いられる窒化ガリウム系半導体であるＩｎｘＧａｌ−ｘＮからなる３元混晶は、Ｉｎの組成比ｘを調節することにより、禁止帯幅（バンドギャップエネルギー）をＧａＮの３．４ｅＶ（３６４ｎｍ）からＩｎＮの０．７ｅＶ（１７７０ｎｍ）まで変えることができる。このため、ＩｎＧａＮからなる混晶材料のみで近紫外域、可視光、近赤外域までの波長帯をカバーする発光素子の活性層として用いることができる。現在のところ、このＩｎＧａＮからなる混晶材料を発光層として用いたＬＥＤ(Light Emitting Diode)が実現され、また半導体レーザにおいても電流注入によるレーザ発振が実現されている。
【０００３】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料による短波長半導体レーザあるいは可視発光ダイオード（ＬＥＤ）は、発光再結合の効率が飛躍的に向上し、実用化され、青色や白色の発光が可能となり、ＬＥＤの適用範囲が大きく広がっている。このなかで白色発光素子は、液晶表示装置のバックライトへの適用にとどまらず、白熱電灯や蛍光灯に取って代わる可能性を秘めており、これまでに多くの提案がなされている。しかし、ＩｎＧａＮからなる混晶材料の問題点として、結晶成長が困難とされるミスシビリティギャップの存在がある。このため、現在のところ実現されている可視光ＬＥＤは、ＩｎＧａＮの混晶材料からなる発光層を薄膜化して歪み格子系の接合を形成し、この格子歪エネルギーによって得られる準安定領域を用いてその結晶成長を可能にしている。しかしながら、このようにして成長した混晶は、もともと不安定であるために、電流注入により発生する熱やデバイスの使用環境条件などの影響を受けやすく、これらが原因で特性劣化を起こしてしまうという問題があった。また、特に緑色や黄色に対応する長波長の発光素子では、Ｉｎの組成比ｘが高い混晶が必要とされるが、結晶の安定性はＩｎの組成比の増加と共に低下していく。従って、従来はこれらの混晶系を用いた半導体発光素子において、高出力と長寿命とを実現することが困難であった。
【０００４】
これに対して、ＧａＮの量子ドットを形成して、この量子ドットのサイズを変えることにより、青色から赤色の発光、さらにこれらを組み合わせ白色の発光を得た実験結果が示されている（例えば、非特許文献１参照）。この実験結果では、ＧａＮの量子ドットから発光する光の波長がバルク材料のＧａＮ（バンドギャップエネルギー（３．４ｅＶ））の発光波長よりも長くなるのは、ＡｌＮに挟まれたＧａＮが、格子不整合から生じる大きな歪みを受け、ピエゾ電界効果により、非常に強いビルトイン電界（例えば、約５．５ＭＶ／ｃｍ）を受け、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ(Quantum Confined Stark Effect)）により、発光波長が長波長側にシフトしたためと説明されている。
【０００５】
また、ＩｎＧａＮの量子井戸からなる活性層を用いた青色ＬＥＤと、黄色を中心に発光するＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体とを組み合わせる白色発光素子が、提案されている（例えば特許文献１参照）。この白色発光素子では、ＹＡＧ蛍光体を青色光で励起し、青色光と黄色光との混合によって白色光を得る。
【０００６】
また、ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体内の単一層領域において２つ以上の発光スペクトルピークを発光する発光素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この発光素子では、単一層内においてＩｎ組成比が異なる２以上の混晶領域を形成し、各混晶領域でバンドギャップが相違すること、すなわち発光波長が変化することを利用する。
【０００７】
また、窒化物半導体の発光層内に２以上のスペクトルピークを含む光を発光する多重構造を備えた発光素子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この多重構造を含む発光層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸からなっている。この２つ以上のスペクトルピークを含む光は混合されて、白色光を提供する。
【０００８】
現在、人間の身の回りにありふれている目に見える光、すなわち可視光を使って通信を行う光通信技術が検討、普及しようとしている。オフィスや家の中や道路上の照明や、交通信号機や広告用電光掲示、ディスプレイ、電子機器の表示などの可視光を発する装置に使用されるＬＥＤを高速変調させることにより、データ送信する。したがって、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色のＬＥＤ、または青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの２色（ＢＹ）のＬＥＤを組み合わせた白色発光素子は、照明などの機能だけでなく、それぞれのＬＥＤでデータ通信が行え、また色多重化による伝送容量の増大を図ることが期待できる。
【非特許文献１】B. Damilano et al., Applied Physics Letters, volume 75,No.7,p.962 (1999)
【特許文献１】特開平５−１５２６０９号公報
【特許文献２】特開２０００−１９６１４２号公報
【特許文献３】特開２００２−１７６１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の従来例では、以下のような問題がある。
【００１０】
非特許文献１では、形成したＧａＮの量子ドットのサイズを変化させることにより青色から赤色の発光が得られているが、ここでピエゾ電界を発光層に印加することにより発光される発光波長をバルクのバンド端波長から大きく変化させている。Ｉｎの混晶比が低くても、長波長側に大きく発光波長をシフトさせることができるようになるという利点を持つ反面、量子ドット（井戸）層内に生じるピエゾ電界が大きくなると、電子と正孔が空間的に分離され、それに伴い、電子と正孔のそれぞれの波動関数の重なる領域の積分値が小さくなり、発光再結合が著しく低下するという問題がある。
【００１１】
また、特許文献１乃至特許文献３の蛍光体を用いた白色発光素子では次のような問題がある。（１）蛍光材料の寿命が１万時間程度と短い、（２）蛍光体の光変換効率が１００％にならず（ストークスシフト(Stokes Shift)）、発光効率に原理的制約がある、（３）青色光の強度の増加につれて蛍光材料の発光強度が飽和する、などの問題がある。
【００１２】
また、単一層内のＩｎの組成比が異なる混晶材料を用いて２つ以上の発光ピークを得る発光素子では、Ｉｎの組成不安定領域が形成される成長条件を用いて発光層を形成する。このため、Ｉｎの組成比の異なる混晶領域を安定して再現することができない。また、多重量子井戸構造により２つ以上の発光ピークを含む光を出す発光素子では、複数の井戸に電流注入して発光させるため、縦方向の電気抵抗が高くなることが避けられない。
【００１３】
また、赤色、緑色、青色の３色（ＲＧＢ）のＬＥＤ、または青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの２色（ＢＹ）のＬＥＤを組み合わせた白色発光素子では、それぞれのＬＥＤでデータ通信を行い、色多重化による伝送容量の増大が図ることが期待できるが、各ＬＥＤから出射される光はスペクトル幅が広く、青−緑、緑−赤など近接する波長において発光スペクトルが重畳し、各種フィルタなどを用いても分離できないという問題があり、白色発光素子において色多重化による伝送容量の増大は難しかった。ＬＥＤの発光スペクトルの狭帯域化を行うために、共振器構造を組み込んだＲＣ−ＬＥＤ(Resonant-Cavity Light Emitting Diode)を用いることが有効であり、しかもこのＲＣ−ＬＥＤは高速変調も可能となることから通信には好適であるが、白色発光素子のように複数個のＬＥＤをＲＣ−ＬＥＤに置き換えることは、多くの機器においてコストの面から導入は難しいと考えられる。
【００１４】
本発明は、上記の課題を鑑み、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子および半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様による半導体発光素子は、基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子ドットを含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
なお、複数の量子ドットは実質的に均一なサイズであってもよい。
【００１７】
なお、前記量子ドットは、サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の第２の態様による半導体発光素子は、基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料からなる実質的に均一な幅の複数の量子細線を含む発光層と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第３の態様による半導体発光素子は、基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子細線を含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
なお、前記量子細線は、厚みおよび幅が１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００２１】
なお、前記発光層は複数の波長で発光強度のピークを有し、
前記第１および第２半導体層の少なくとも一方の半導体層の前記発光層
とは反対側に設けられ、前記複数の波長の少なくとも一つの波長での発光波長の幅を狭くして各波長の分離が可能な多層膜反射鏡を更に備えていてもよい。
【００２２】
なお、前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＺｒＢ２のうちのいずれかの材料からなっていてもよい。
【００２３】
また、本発明の第４の態様による半導体発光装置は、同一基板上に設けられた請上記の半導体発光素子を複数個備え、前記半導体発光素子の駆動電流を変化させることにより、基底準位あるいは励起準位からの発光輝度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子および半導体発光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による半導体発光素子の断面を図１に示す。本実施形態の半導体発光素子はＬＥＤ（発光ダイオード）であって、発光層６は、周りの半導体の禁止帯幅（バンドギャップエネルギー）より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の３次元量子構造である量子ドット構造を有している。
【００２７】
本実施形態のＬＥＤは、厚さ３００μｍの（０００１）面のサファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなり表面及び裏面の両面が鏡面に研磨された単結晶基板１上に形成される。この単結晶基板１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層２と、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層３と、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４と、が順次設けられている。なお、単結晶基板１は、サファイアに限るものではなく、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や、リチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）、ＺｒＢ２などの結晶から構成するようにしてもよい。また、ｎ型クラッド層４上には、活性層６が設けられている。この活性層６は、図２に示すように、Ｉｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの組成からなる複数の実質的に均一なサイズに制御された量子ドット６ａが同一平面に配列された構造の層であり、ここでは、量子ドット６ａは直径２０ｎｍ、高さ４ｎｍの大きさに形成されている。量子ドット６ａは、下地テンプレートを用いた選択成長の手法により形成され、その直径および高さは、同一面内での原子間力顕微鏡による測定から、平均直径２０ｎｍ、平均高さ４ｎｍに対して、それぞれの値の±５％の範囲内に半値幅が存在する分布となるように寸法制御されている。図２では、量子ドット６ａを半球形状としているが、これに限るものではない。箱、円柱や角柱などの形状であってもよい。また図２では、量子ドット６ａが下地テンプレートを用いて等間隔で、均一な密度に配列されているが、これに限るものではなく、各量子ドット６ａの間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、量子ドット６ａは、量子ドット６ａを構成するＩｎＧａＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、量子ドット６ａは、ほぼ同寸法に形成されているものである。以上のように複数の量子ドット６ａから構成された活性層６は、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層（バリア層）７により覆われている。なお、本実施形態においては、活性層６と成長カバー層７との積層膜が３層に積層された構造となっており、第１の活性層は、クラッド層４上に形成され、第２および第３の活性層は成長カバー層７上に形成されている。成長カバー層７は量子ドット６ａよりもバンドギャップエネルギーが大きい材料からなっている。
【００２８】
また、最上層の成長カバー層７上には、Ｍｇが添加されたｐ型のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのｐ型クラッド層８と、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９とが順次設けられている。また、コンタクト層９上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０が設けられている。この電流制限絶縁層１０上には、上記開口を介してコンタクト層９に接触するｐ形金属電極１１が設けられている。このｐ形金属電極１１は、コンタクト層９に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層と、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３は、この電極層３上の各層を一部エッチングすることによって設けられた露出領域３ａを有し、この露出領域３ａにｎ形金属電極１２が設けられている。このｎ形の金属電極１２は、露出領域３ａ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。
【００２９】
このように構成された本実施形態による半導体発光素子においては、発光層６は、ＩｎＧａＮからなる複数の量子ドット６ａを有している。これらの量子ドット６ａのサイズ、すなわち外径および高さが実質的に均一な構造となっている。なお、本明細書では、量子ドット６ａの外径および高さが実質的に均一であるとは、外径および高さのそれぞれが、それぞれの平均値の±５％の範囲内に半値幅が存在する分布となっていることを意味する。
【００３０】
このような量子ドットの発光原理を、図３を参照して説明する。発光層６は、ｐ型半導体層（本実施形態ではｐ型クラッド層８）とｎ型半導体層（本実施形態ではｎ型クラッド層４）とに挟まれており、外側から順方向電圧が印加され電流が注入されると、発光層６内にそれぞれの半導体層における多数キャリアが注入される。これらキャリアは、バンドギャップが小さい量子ドット中に流れ込み、量子ドット中に閉じ込められる。量子ドット内では、伝導帯に位置する電子と価電子帯に位置する正孔とが再結合して光を放出する。量子ドットのバンドギャップエネルギーは周囲の半導体層のバンドギャップエネルギーより小さいので、キャリアの閉じ込めが生じる。
【００３１】
他方、発光層の形態を変えた場合の、エネルギーと状態密度との関係を図４（ａ）乃至図４（ｈ）を参照して説明する。図４（ａ）に示すように発光層がバルクのときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｂ）に、図４（ｃ）に示すように発光層が量子膜のときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｄ）に、図４（ｅ）に示すように発光層が量子細線のときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｆ）に、図４（ｇ）に示すように発光層６が量子ドットのときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｈ）に示す。図４（ａ）乃至図４（ｈ）からわかるように、発光層がバルク、量子膜、量子細線、量子ドットと微少化されるにつれて、取り得るエネルギーも連続状態から離散状態に変化していく。
【００３２】
図４（ｇ）、（ｈ）に示すように、量子ドットの場合は、微小領域へ電子、正孔が三次元的に閉じ込められ、伝導帯、価電子帯に量子サイズ効果により離散的なエネルギー準位が形成される。これにより、伝導帯、価電子帯の電子、正孔は、基底準位、第２準位などの完全に離散化された量子準位のみに局在し、量子ドットに電流を注入にして発光させる際に、駆動電流値を変化させると基底準位、第２準位などからの異なる遷移エネルギーからの電子・正孔再結合による発光が得られ、複数の波長が得られることになる（図３参照）。
【００３３】
したがって、本実施形態においては、量子ドット６ａはその禁止帯幅および量子準位（励起準位）に対応した波長の光を発する。そして、量子ドット６ａは、形状、外径、高さが実質的に均一な構造となっており、その寸法に対応した波長の光を発する。また、量子ドット６ａは、そのバンドギャップエネルギーが周囲の半導体のバンドギャップエネルギーより小さく、そのキャリアが閉じ込められるので、高い発光効率で発光させることができる。このときの発光波長は量子ドット６ａの外径に対応する。すなわち、量子ドット６ａにおいては、微小領域への閉じ込めにより、伝導帯や価電子帯におけるエネルギー準位は離散化する。伝導帯、価電子帯の電子、正孔は、基底準位、第２準位などの完全に離散化された量子準位のみに局在することになる。量子ドット６ａに電流を注入して発光させる際に、駆動電流値を変化させると基底準位、第二準位などからの発光が得られ、複数の波長での発光が得られる。
【００３４】
本実施形態によるＬＥＤの駆動電流を変えた場合の、このＬＥＤの出力特性を図５に示す。図５に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（７）と増大したときの本実施形態によるＬＥＤの発光スペクトルを図６に示す。図６からわかるように、基底準位からの発光で中心波長が６７７ｎｍの赤色光、励起準位の（量子ドット６ａの高さ方向に直交する面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が５６２ｎｍの緑色光、さらに励起準位の（量子ドット６ａの高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が４６２ｎｍの青色光が得られる。
【００３５】
また、量子ドット６ａのサイズが、その平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御されていることにより、発光波長は、基底準位からの発光では６７０ｎｍ〜６８４ｎｍの波長、面内方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光では５４７ｎｍ〜５７５ｎｍの波長、高さ方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光は４４３ｎｍ〜４７９ｎｍの波長が得られ、何れの準位でも所望の波長域Ｒ、Ｇ、Ｂの３色が実現できることがわかった。
【００３６】
また、図５および図６からわかるように、本実施形態のＬＥＤに流す電流が少ないと赤色の光が出力され、その後、電流を増大するにつれて赤色の光と、緑色の光が発生し、さらに電流を増大し（７）に対応する状態では赤色、緑色、青色の光が発生し、高輝度の白色の発光が得られる。
【００３７】
なお、本実施形態においては、量子ドット６ａの寸法を電子のドブロイ波長以下とすることで、量子サイズ効果、高効率な発光が得られる。また、この量子ドット６ａの寸法により、半導体発光素子から出射される複数の光の発光波長が決定される。
【００３８】
（変形例）
本実施形態の変形例として、本実施形態において、活性層６を、Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｎの組成からなる複数の量子ドット６ａを、直径１０ｎｍ、高さ４ｎｍの大きさに同一平面に形成したＬＥＤを作成した。なお、本変形例においても、第１実施形態と同様に、量子ドット６ａのサイズが、その平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御されている。
【００３９】
本変形例によるＬＥＤの駆動電流を変えた場合の、本変形例の出力特性を図７に示す。図７に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（７）と増大したときの本変形例によるＬＥＤの発光スペクトルを図８に示す。図８からわかるように、基底準位からの発光で中心波長が５８５ｎｍの黄色光、励起準位の（量子ドットの面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が４８０ｎｍの青色光、さらに励起準位の（量子ドットの高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が４１５ｎｍの青紫色光が得られた。
【００４０】
また、第１実施形態と同様に、量子ドット構造が±５％以下に寸法制御されていることにより、発光波長は、基底準位からの発光では波長５８０ｎｍ〜５９０ｎｍ、量子ドット６ａの高さ方向に直交する面の面内方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光では波長４６５ｎｍ〜４９０ｎｍ、量子ドットの高さ方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光では波長４００ｎｍ〜４３０ｎｍが得られ、何れの準位でも所望の波長域の黄色、青色、青紫色の発光が実現できることがわかった。
【００４１】
そして、図７および図８からわかるように、第１実施形態と同様に、本変形例のＬＥＤを適切な電流で駆動することにより、青色、青紫色、黄色の光が組み合わされ所望の高輝度の白色発光を得ることができる。
【００４２】
（製造方法）
次に、図１に示した第１実施形態による半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施形態においては、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。窒素原料は、アンモニアを用い、キャリアガスには水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【００４３】
まず、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板１の表面をアンモニア雰囲気で窒化した後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層２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。引き続き、単結晶基板１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層２の単結晶化を行う。
【００４４】
次に、単結晶基板１の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮおよびＳｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、電極層３、クラッド層４を形成する。これら気相成長におけ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。
【００４５】
次いで、クラッド層４の上にＩｎＧａＮをドット状に成長させて複数の量子ドット６ａからなる活性層６を形成する。この量子ドット６ａの形成においては、まず、下地となるクラッド層４に、幅７０ｎｍの正方形ナノホールがピッチ周期１５０ｎｍで面方位に沿ってアレイ状に配置されたテンプレート構造を形成する。このテンプレート構造の形成は、電子線リソグラフィを用いて周期パターンを有するレジストパターンの作製およびこのレジストパターンをマスクとして塩素系ガスを用いたクラッド層４のドライエッチングにより行った。このときホールの深さは、所望の量子ドット６ａの高さに合わせ、ドライエッチングの処理時間により調整した。エッチング処理後、レジストパターンを除去し、ウエハの化学薬品による洗浄を行う。その後、ウエハは再度、有機金属気相成長装置に戻され、水素雰囲気中の高温処理により自然酸化膜の除去処理を行った。ナノホールが形成されているクラッド層４上に再度。クラッド層と同じ材料を数モノレイア（ＭＬ）形成後、量子ドットとなるＩｎＧａＮを成長させる。このとき、自己組織化した量子ドットが、ナノホールに選択的に配置、形成される。なお、公知の下地テンプレートを用いた選択成長法により、ドットは直径、高さは、それぞれ±４．８％、±５．０％以内に寸法制御されることが知られている（例えば、S. Kiravittaya et al., Applied Physics Letters 86, 206101 (2005) 参照）。
【００４６】
本実施形態の製造方法によるＩｎＧａＮの成長においては、金属インジウムの析出を防止して高品質ＩｎＧａＮを成長させ、かつ、下地上に吸着したインジウム原子のマイグレーションを促進させることを観点としてＶ族／ＩＩＩ族との比と成長速度を設計し、量子ドット形状にＩｎＧａＮを成長させる。
【００４７】
次いで、活性層６に対するエッチングやこの活性層６の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＧａＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、量子ドット６ａを覆うように成長カバー層７を形成する。成長カバー層７は、ＩｎＧａＮからなる複数の量子ドット６ａに対するバリア層となる。成長カバー層７を形成した後、基板１の温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層７の高品質化を図る。
【００４８】
引き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるクラッド層８およびマグネシウムが添加されたｐ形ＧａＮからなるコンタクト層９を順次形成する。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、一般に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。クラッド層８、コンタクト層９を形成した後、これらの層の添加した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。
【００４９】
次に、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層９上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０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、底面がコンタクト９の表面となる開口を電流制限絶縁層１０に形成する。電流制限絶縁層１０に開口を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口内を含む電流制限絶縁層１０上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ型金属電極１１となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にポジ型フォトレジストのパターンを形成し、このパターンをマスクとして金属層１１をエッチングしてｐ型金属電極１１を形成するとともに、一部の領域の、金属層１１、電流制限絶縁層１０、コンタクト層９、クラッド層８、成長カバー層７、活性層６、およびクラッド層４を除去し、電極層３に露出領域３ａを形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。露出領域３ａを形成するエッチングを行った後、フォトレジストのパターンを除去し、結晶基板１およびこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層３の露出領域３ａに膜厚５０ｎｍのアルミニウム、膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングすることにより、ｎ型金属電極１２を形成する。
【００５０】
以上説明したことにより、ｎ形金属電極１２までを形成した後、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１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。切り出した素子に所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板１の裏面側より光が発光される。
【００５１】
上述したように、本実施形態においては、活性層を、島状に離散した複数の量子ドット６ａから構成するようにした。言い換えると、活性層は、離散した量子井戸層の集合体あるいは、複数の量子ドットから構成されたものである。このように構成した半導体発光素子では、量子ドット６ａの形状と、量子ドット６ａを覆うように形成されている成長カバー層７の組成および厚さとに依存して発光波長が変化する。これは、ＩｎＧａＮからなる量子ドット６ａに対する三次元的に加わる圧力（静水圧）によって、量子ドット６ａを構成するＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーが変化することによっている。ＩｎＧａＡｌＮ系の材料では、従来の赤色用材料であるＩｎＧａＡｓＰ系の材料以上に広い範囲に渡って格子定数が異なっており、組成を変化させた層で覆うことで大きな静水圧を容易に加えることが可能である。従って、量子ドット６ａのバンドギャップエネルギーを、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料に比較してより大きく変化させることが可能となる。このように大きくバンドギャップエネルギーを変化させることができるので、図１に示した本実施形態の半導体発光素子によれば、ＩｎＮのバンドギャップ波長である１．６μｍ近傍からＡｌＮのバンドギャップである紫外域に至る広い波長範囲の発光を得ることが可能となる。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による半導体発光素子の断面を図９に示す。この実施形態の半導体発光素子はレーザであって、次のように形成される。まず、サファイア基板１上に成長させた膜厚２０ｎｍの高品質ＧａＮからなるバッファ層２に、フォトリソグラフィ技術と塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングとにより、幅１０μｍ、深さ１．５μｍ、周期２０μｍの周期溝構造を＜１−１００＞方向に沿って形成した。
【００５４】
続いて、ＡｌＮからなる中間層２１、電極層３、ｎ型クラッド層４、膜厚１２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮからなるガイド層２２、活性層６、膜厚１２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮからなるガイド層２３、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるエッチングブロック層２４、ｐ型クラッド層８、コンタクト層９を順次積層し形成した。活性層６は第１実施形態の場合と同様に、均一なサイズの複数の量子ドット６ａを有している。そして、同一面上に形成された複数の量子ドット６ａは成長カバー層７によって覆われており、同一面上に形成された複数の量子ドット６ａの層と、成長カバー層７とが交互に積層された三層積層構造となっている。
【００５５】
その後、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８を、フォトリソグラフィ技術と塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いてパターニングすることにより、リッジ幅５μｍ、共振器長９００μｍのリッジ導波路型構造２５を形成する。
【００５６】
次に、リッジ導波路型構造２５および露出したエッチングブロック層２４を絶縁膜１３で覆った後、リッジ導波路型構造２５上の絶縁膜１３に、底面がコンタクト層９に到達する開口を設ける。そして、この開口に金属を埋め込みパターニングすることにより、ｐ型金属電極１１を形成する。また、絶縁膜１３、エッチングブロック層２４、ガイド層２３、活性層６、ガイド層２２、クラッド層４、および電極層３をパターニングすることにより、電極層３に露出領域３ａを形成し、この露出領域３ａ上にｎ型金属電極１２を形成する。そして、図１０に示すように端面の全面に反射層２６を形成し、端面出射型のレーザ素子を作製した。
【００５７】
本実施形態のレーザ素子においては、図１０に示すように、活性層６を、Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｎの組成からなる複数の量子ドット６ａを平均直径１０ｎｍ、平均高さ４ｎｍの実質的に均一な大きさで同一平面に形成している。本実施形態においては、活性層６は３層構造となっているが、第１の活性層は、ガイド層２２上に形成され、第２および第３の活性層は成長カバー層７上に形成されている。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、量子ドット６ａのサイズが、その平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御されている。
【００５８】
本実施形態によるレーザ素子の駆動電流を変えた場合の、本実施形態の出力特性を図１１に示す。図１１に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（６）と増大したときの本実施形態によるレーザ素子の発光スペクトルを図１２に示す。図１２からわかるように、基底準位からの黄色域のレーザ発振で中心波長が５８５ｎｍ、励起準位の（量子ドットの面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの青色のレーザ発振で中心波長が４７０ｎｍのレーザ光が得られた。これにより、駆動電流を変化させることにより、黄色および青色の単色でのレーザ発振、青色と黄色が組み合わされた白色のレーザ発振が得られた。
【００５９】
（変形例）
また、変形例として、第２実施形態の活性層６を、Ｉｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの組成からなり直径１０ｎｍ、高さ４ｎｍの実質的に均一な大きさの複数の量子ドット６ａからなる活性層に置き換えたレーザ素子を作成した。
【００６０】
本変形例のレーザ素子に駆動電流を変えた場合の、本変形例の出力特性を図１３に示す。図１３に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（９）と増大したときの本変形例によるレーザ素子の発光スペクトルを図１４に示す。図１４からわかるように、基底準位からの赤色のレーザ発振で中心波長が６３０ｎｍ、励起準位の（量子ドットの面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの緑色のレーザ発振で中心波長が５６０ｎｍ、さらに励起準位の（量子ドットの高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの青色のレーザ発振で中心波長が４７０ｎｍのレーザ光が得られた。
【００６１】
これにより、駆動電流を変化させることにより、赤色、緑色および青色の単色でのレーザ発振に加え、各色を組み合わした多彩な色でのレーザ発振を得ることができる。
【００６２】
また、本変形例のレーザ素子を用いて、駆動電流値の直接変調方式により、赤、緑、青のそれぞれの波長においてデータ通信が行えることを確認した。
【００６３】
なお、第１および第２実施形態における量子ドット６ａは、外径が１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。この理由は以下の通りである。量子ドット６ａの径を小さくしてゆくと、原子（イオン）が規則配列した固体の範疇を超え、伝導帯および価電子帯という概念が成り立たなくなり、図３に示すように、エネルギーバンドは個々の原子のエネルギー準位に離散化される。量子ドットの外径が１ｎｍより小さい場合、バンド理論は適用できなくなり、個々の原子レベルの準位が形成され、可視光域の光の放出は望めなくなる。また、１００ｎｍより大きい場合には、電子の波動性はフォノン散乱などにより失われ、伝導帯や価電子帯のエネルギー準位の離散化、量子準位は生じず、量子ドットの寸法に応じた基底準位、第２準位などの量子準位からの複数の波長の発光は得られない。１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内において、量子ドット６ａの寸法を変えることにより、発光波長を上記寸法に応じて変化させることができる。このため、量子ドット６ａの外径は、１ｎｍ〜１００ｎｍとすることが好ましい。離散化における量子準位のエネルギー変化は、量子サイズが小さいほど大きく、発光波長は短波長化される。したがって、量子ドットの寸法および構成する材料の組成を調整することにより、各量子準位に対応した複数の波長の発光を得ることができる。そして、これら複数の発光波長をＲＧＢ（赤―緑―青）、ＢＹ（青―黄）に対応させ、それぞれの発光強度を調整することにより、優れた演色性の白色光を得ることができる。上記複数波長の発光を混合して得た白色光のスペクトルの一例を図１５に示す。
【００６４】
また、第１および第２実施形態における量子ドット６ａは、ＩｎＮなど他のＩｎＧａＡｌＮ系の材料、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成しても、上述と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、第１および第２実施形態においては、活性層６の量子ドット６ａと成長カバー層７との積層膜を３層積層した構造であったが、量子ドット６ａを単層とする構造、量子ドット６ａと成長カバー層７との積層膜を２層積層した構造、量子ドット６ａと成長カバー層７との積層膜を４層以上の積層構造としてもよい。
【００６６】
次に、量子ドットに用いられる材料Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）について説明する。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。このような構成の中で、活性層を複数の量子ドット６ａから構成し、これらを活性層（井戸層）と異なる組成の材料の層（バリア層）で覆うことにより、複数の量子ドット６ａに歪みを加えることができる。この歪みの大きさは、バリア層の組成と厚さによっても制御できる。このことにより、複数の量子ドット６ａから構成された活性層におけるバンドギャップエネルギーを、これをバルク半導体から構成した場合の値から変化させることも可能となる。
【００６７】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００６８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による半導体発光素子の断面を図１６に示し、発光層の形状を図１７に示す。本実施形態の半導体発光素子はＬＥＤであって、図１に示す第１実施形態のＬＥＤにおいて、発光層６の複数の量子ドット６ａを、図１７に示すように、複数の量子細線６ｂに置き換えた構成となっている。そして、これらの量子細線６ｂからなる発光層６は、１層構造となっている。なお、本実施形態の半導体発光素子においても、量子細線６ｂの厚みおよび幅は、量子ドットの場合と同様の理由で、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることが望ましい。量子細線の厚みおよび幅を１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることにより、量子ドットと同様に、キャリアの閉じ込めおよび量子準位の形成が生じ、複数の波長の発光を得ることができる。また、発光層６を構成する複数の量子細線は、厚みおよび幅は、それぞれの平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御される。すなわち、発光層６を構成する複数の量子細線は、実質的に均一な厚みおよび幅を有している。
【００６９】
次に、本実施形態の半導体発光素子（ＬＥＤ）の具体的な構成を、図１６を参照して説明する。本実施形態のＬＥＤは、まず、厚さ３００μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなり、表面及び裏面の両面が鏡面に研磨された単結晶基板１上に形成される。この単結晶基板１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層２と、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層３と、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４と、が順次形成される。なお、単結晶基板１は、サファイアに限るものではなく、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）、ＺｒＢ２などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００７０】
また、ｎ型クラッド層４上には、活性層６が形成されている。活性層６は、Ｉｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの組成からなる複数の量子細線６ｂが同一平面に配列された構造の層であり、ここでは、細線幅は５０ｎｍ、高さ４ｎｍの大きさに形成されている。本実施形態においては、図１７に示すように、量子細線６ｂは、延在する方向に直交する断面形状が矩形であるが、これに限るものではない。テーパが付いている形状であってもよい。また図１７では、量子細線６ｂが等間隔で配列されているが、これに限るものではなく、各量子細線６ｂの間隔は、不均一な状態で配置されていてもよい。また、量子細線６ｂは、量子細線６ｂを構成するＩｎＧａＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、量子細線６ｂは、実質的に均一な寸法に形成されているものである。
【００７１】
このように複数の量子細線６ｂから構成された活性層６は、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層（バリア層）７により覆われている。この成長カバー層７上には、Ｍｇが添加されたｐ型のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのｐ型クラッド層８と、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９が順次形成されている。
【００７２】
コンタクト層９上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口を有するＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０が形成されている。この電流制限絶縁層１０上には、上記開口を介してコンタクト層９に接触するｐ形金属電極１１が形成されている。ｐ形金属電極１１は、コンタクト層９に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層と、このニッケル層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。
【００７３】
なお、電極層３は、この電極層３上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域３ａを有しており、この露出領域３ａにｎ形金属電極１２が形成されている。ｎ形金属電極１２は、露出領域３ａ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】
本実施形態のＬＥＤの駆動電流を変化させると、基底準位からの黄色の発光で中心波長が５８０ｎｍ、励起準位の（量子細線の高さ方向に直交する面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの緑色の発光で中心波長が５４０ｎｍ、さらに励起準位の（高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの青色の発光で中心波長が４８５ｎｍの光出力が得られた。また、量子細線の寸法により、半導体発光素子から出射される複数の光の発光波長が決定されることがわかった。
【００７５】
（製造方法）
次に、本実施形態における半導体発光素子（ＬＥＤ）の製造方法について説明する。ここでは、結晶成長に関しては、第１実施形態で説明した製造工程と同様であるので、ここでは、量子細線６ｂの作製およびそれ以降の工程について述べる。第１実施形態との違いは、ＩｎＧａＮをドット状ではなく膜状に厚さ４ｎｍで成長し、この膜に対して電子線描画リソグラフィ技術と塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを行うことにより、細線幅５０ｎｍ、周期１００ｎｍの周期溝構造を＜１−１００＞方向に沿って形成した。
【００７６】
次いで、活性層６に対するエッチングやこの活性層の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＧａＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、細線構造を覆うように成長カバー層７を形成する。成長カバー層７は、ＩｎＧａＮからなる複数の量子細線６ｂに対するバリア層となる。成長カバー層７を形成した後、基板温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層７の高品質化を図る。
【００７７】
引き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びマグネシウムが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層８、コンタクト層９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、一般に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。クラッド層８、コンタクト層９を形成した後、これらの層の添加した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。
【００７８】
次に、上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層９上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０を形成し、この電流制限絶縁層１０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し、開口を形成する。電流制限絶縁層１０に開口を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口内を含む電流制限絶縁層１０の上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極１１となる金属層を形成する。
【００７９】
この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、上記金属層の上にポジ型フォトレジストのパターンを形成し、このパターンをマスクとして下層をエッチングし、電極層３に露出領域３ａを形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。上記露出領域３ａを形成するエッチングを行い、フォトレジストのパターンを除去し、単結晶基板１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層３の露出領域３ａに膜厚５０ｎｍのアルミニウム、膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極１２を形成する。
【００８０】
以上説明したことにより、ｎ形金属電極１２までを形成した後、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１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。切り出した素子に所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板１の裏面側より発光光が得られる。
【００８１】
また、第２実施形態の図９に示すレーザ構造の活性層６の量子ドット６ａを量子細線６ｂに置き換えることによって、基底準位および励起準位からの複数の波長での発振が行われるレーザ素子を作製できる。
【００８２】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００８３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による半導体発光素子の断面を図１８に示す。本実施形態の半導体発光素子は、図１に示す第１実施形態の半導体発光素子において、電極層３と、ｎ型クラッド層４との間に多層膜からなる共振器２０を設けた構成となっている。この共振器２０を構成する多層膜はある特定波長に共振するように構成されているので、異なる量子準位からの複数の発光波長に対して、それぞれの発光スペクトルの狭帯域化する。
【００８４】
本実施形態の半導体発光素子は、ＧａＮ基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮからなる電極層３、共振器２０を構成する５対のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層とＧａＮ層との積層構造よりなる多層膜反射鏡、ｎ型クラッド層４、活性層層６、成長カバー層７層、ｐ型クラッド層８、コンタクト層９が順次積層されている。コンタクト層９上に、底部がコンタクト層９に到達する開口を備えた電流制限絶縁層１０が形成され、この開口を埋め込むようにｐ型電極層１１が形成されている。また、ＧａＮからなる電極層３の露出領域３ａ上にｎ型電極１２が形成されている。
【００８５】
活性層６には複数の波長で発光強度のピークを有する発光源が設けられている。本実施形態おいては、活性層６からみてｎ型クラッド層４側に多層膜反射鏡２０を設けているが、活性層６からみてｐ型クラッド層側に多層膜反射鏡層を設けて活性層６を含む共振器構造を設けてもよい。すなわち、多層膜反射鏡層は、活性層６からみて片側に設けてもよいし、両側に設けてもよい。
【００８６】
少なくとも一つの発光強度のピーク波長あるいはそのピークの一部での発光波長幅（スペクトル幅）を狭くすることで、各波長の分離を容易にする。活性層の発光源としては複数のサイズの量子ドットあるいは量子細線でもよく、単一のサイズの量子ドットあるいは量子細線であっても異なる準位を有しているものであっても良い。多層膜反射鏡としてはＧａＮ層とＧａＡｌＮ層とが積層された多層膜反射鏡でも、誘電体多層膜反射鏡でもよい。誘電体多層膜反射鏡としてはＴｉＯ２層とＳｉＯ２層との組み合わせでも、Ｔａ２Ｏ３層とＳｉＯ２層との組み合わせのほか、誘電体と金属の組み合わせでもよい。
【００８７】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００８８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による半導体発光素子の断面を図１９に示す。本実施形態の半導体発光素子は、ｎ型の導電型のＧａＮ基板１上にＳｉ添加のｎ型ＧａＮバッファ層２が形成されている。このバッファ層２上にＧａＮとＡｌＧａＮのペア構造を積層してなる多層膜反射鏡層３１、ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３２、ＧａＮからなるｎ型クラッド層３３が積層されている。ｎ型クラッド層３３上に活性層４０が設けられている。この活性層４０は、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる量子ドット３６をＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０≦ｙ≦１、ｘ＞ｙ）からなる埋め込み層３７で埋め込んだ発光層３８と、ＧａＮからなる量子障壁層３９とが３層に積層された構造となっている。
【００８９】
活性層４０上に、ＧａＮからなる第一クラッド層４１、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第二クラッド層４２、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４３が積層されている。そして、コンタクト層４３上にＩＴＯからなるｐ型透明導電層４４が形成され、この透明導電層４４上にＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とを積層してなる誘電体多層膜反射鏡層４５が形成されている。
【００９０】
更に、全体に二段のメサ構造４６ａ、４６ｂが形成されており、メサ構造４６ａ、４６ｂによりｎ型ＧａＮからなるコンタクト層３２と、ＩＴＯからなるｐ型透明電極層４４との表面が露出されている。更に、全体にＳｉＯ２からなるパッシベーション膜４７が被覆されている。このパッシベーション膜４７に開口を設けることでＧａＮからなるｎ型コンタクト層３２と、ｐ型透明導電層４４の表面が露出されて、それぞれの部分に対してＡｌからなるｎ型金属電極５０と、ＡｌＮｉからなるｐ型金属電極５１が設けられている。
【００９１】
ここで、ＧａＩｎＮからなる量子ドット３６の発光の強度ピークの波長をλ２とし、ＡｌＧａＮとＧａＮを積層してなる多層膜反射鏡層３１の各層の厚さは光路長として波長λ２のｍ／４（ｍは奇数）倍となるよう構成する。また、ＴｉＯ２とＳｉＯ２よりなる誘電体多層膜反射鏡層４５の各層も光路長でλ２のｎ／４（ｎは奇数）倍となるように構成する。更に、ＧａＮコンタクト層３２、ＧａＮクラッド層３３、活性層４０、ＧａＮ第１クラッド層４１、ＡｌＧａＮ第２クラッド層４２、ｐ型ＧａＮコンタクト層４３全体の光路長をλ２の整数倍とし、多層膜反射鏡層３１の表面を低屈折率のＡｌＧａＮ、誘電体多層膜反射鏡層４５の活性層側を低屈折率のＳｉＯ２層とすることで、λ２に対してエタロン構造が形成され、λ２に対して狭線幅化が図れる。
【００９２】
本実施形態の光半導体素子は第１実施形態や第２実施形態と同様の方法で作製可能であり、誘電体多層膜に関しては、通常の電子線を用いた蒸着法や反応性蒸着法などを用いることができる。
【００９３】
ＧａＩｎＮからなる量子ドット３６の基底準位の発光の強度ピークの波長をλ１として、第一励起準位の発光の強度ピークの波長をλ２として第三励起準位の発光強度のピーク波長をλ３とする。この場合、λ１、λ２、λ３の波長重なりが小さくなるので分離が容易に行える。例えば、λ１が赤色の６００ｎｍ〜６５０ｎｍ帯での発光、λ２を５６０ｎｍ帯での発光、更にλ３を青色の４７０ｎｍでの発光の関係を満たすように量子ドット３６のサイズとＩｎの組成を形成する。このように構成された本実施形態の半導体発光素子に注入する電流を変えた場合の特性を図２０乃至図２１を参照して説明する。図２０に示すように注入する電流の大きさを増大させた場合、光出力も増大し、電流を（１）〜（７）のように増大すると、本実施形態の半導体発光素子の発光スペクトルは図２１に示すように変化する。
【００９４】
図２１からわかるように、注入電流密度を変えることで、基底準位での赤色発光、第一励起準位での多層膜反射鏡により狭帯域化された緑色発光、第二励起準位での青色発光が逐次得られる。このような特性は量子ドット３６の高さを７ｎｍ程度、Ｉｎの組成比を５７％程度にすることで得られる。その横方向（高さと直交する方向）のサイズも量子ドット３６の高さと同程度としてよい。
【００９５】
ここで、量子ドット３６の横方向のサイズに関しては、断面が円形であれば直径として定義することができ、正方形であれば一辺の長さとするなど、底面の大きさを示す長さと考えることができる。このようにすると、どの方向の励起準位も同程度のエネルギーを持つので、中間のエネルギーで発光することがなく、高い効率で発光が得られる。
【００９６】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００９７】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施様態による半導体発光素子を説明する。本実施形態の半導体発光素子は、多層膜反射鏡により量子ドットからの複数の波長の発光を狭線幅化して、各波長の光を分離するものであって、その構成は第５実施形態の半導体発光素子と概略同一であり、異なる点について説明する。
【００９８】
ＧａＩｎＮ量子ドットの二つの準位からの発光強度のピークの波長λ１、λ２に対して、多層膜反射鏡の各層の光学膜厚ｄがｄ＝λ１×（２ｍ−１）／４＝λ２×（２ｎ−１）／４ （ｍ，ｎは自然数、ｍ＜ｎ）の関係を満たすと、多層膜反射鏡が波長λ１の光に対して高反射率の膜となる場合には、波長λ２の光に対しても高反射率の膜となる。このため、二つの光に対して同時に高反射率を有する膜を形成することができる。この点を利用してエタロンを形成することで、２種類の波長の比が２ｎ−１と２ｍ−１の狭線幅化した光を放射する光半導体素子を形成することができる。特に、二種類の波長の比がλ１：λ２＝５：３またはλ１：λ２＝７：５としたときにいずれも可視光の光を放出することができる。λ１／λ２がこれよりも大きい場合には一方は可視光で無くなる。λ１／λ２がこれより小さい場合には多層膜反射鏡の光学膜厚のｎ、ｍが大きくなりエタロンの特性が劣化するので、波長の選択性が劣化する。
【００９９】
ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを積層してなる多層膜反射鏡層３１の各層の光路長における厚さ（光学膜厚）は発光波長λ１の３／４倍または５／４倍とする。また、ＴＩＯ２層とＳｉＯ２層よりなる誘電体多層膜反射鏡層４５の各層の光路長おける厚さ（光学膜厚）も発光波長λ１の３／４倍または５／４倍とする。例えば、光学膜厚を青紫色の光の波長４４０ｎｍの５／４倍である５５０ｎｍとすると、赤色の光の波長７３３ｎｍの３／４倍となる。ここで、ＧａＩｎＮからなる量子ドット３６の基底準位の発光の強度ピークの波長をλ１とし、第一励起準位の発光の強度ピークの波長をλ２として、λ１：λ２＝５：３または７：５の関係を満たすように量子ドット３６のサイズとＩｎの組成を形成することで、多層膜反射鏡層３１と誘電体多層膜反射鏡層４５がλ１の波長の光に対して高反射膜である場合にはλ２の波長の光に対しても高反射膜となる。
【０１００】
更に、ＧａＮからなるコンタクト層３２、ＧａＮからなるクラッド層３３、活性層４０、ＧａＮからなる第一クラッド層４１、ＡｌＧａＮからなる第二クラッド層４２、およびｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４３の全体の光路長をλ１の３倍ないし５倍（つまりλ２の５倍ないし７倍）とし、多層膜反射鏡層３１の表面を低屈折率のＡｌＧａＮ、誘電体多層膜反射鏡層４５の活性層側を低屈折率のＳｉＯ２層とすることで、λ１とλ２の二つの波長に対して同時にエタロン構造が形成される。
【０１０１】
このため、λ１とλ２の光が狭線幅化されて基底準位の光と第一励起準位の光のフィルタリングが行え、放出光の混同が起こらない。特にλ２を３９０ｎｍ〜５６０ｎｍとしてλ１をその７／５倍の５５０ｎｍ〜７８０ｎｍとすれば、λ１、λ２ともに可視光となるので、可視のＬＥＤあるいはＬＤとしての２色光源を実現することができる。また、λ２を３９０ｎｍ〜４７０ｎｍとして、λ１をその５／３倍である６５０ｎｍ〜７８０ｎｍとすれば、２色が可視光の範囲内では最も多層膜反射鏡の性能を高くすることができ、エタロンの特性を最も高くすることができ、波長の混合のない光半導体素子を実現することができる。
【０１０２】
このような条件を満たすためには、λ１とλ２の光のエネルギー差が（１２４０／λ２−１２４０／λ１）ｅＶであり、λ１／λ２＝７／５の場合には、０．６２ｅＶ〜０．９２ｅＶとなり、λ１／λ２＝５／３の場合には、１．０５ｅＶ〜１．２７ｅＶとなる。これらの場合、それぞれ量子ドットの量子化エネルギーは０．２ｅＶ〜０．３ｅＶ、０．３５ｅＶ〜０．４ｅＶ程度となる。これらの条件を考慮すると量子ドット３６を構成するＩｎＧａＮのＩｎの組成比は０．６５以上であることが望ましく、量子ドット３６のサイズは２ｎｍ〜３ｎｍ程度となる。
【０１０３】
例えば、λ１／λ２＝５／３として、λ２を４４０ｎｍ、λ１を７３０ｎｍとする場合、Ｉｎの組成を７７％、量子ドット３６の高さを２．３ｎｍとすればよい。また例えば、λ１／λ２＝７／５として、λ２を４７０ｎｍ、λ１を６６０ｎｍとする場合、Ｉｎの組成を６５％、量子ドット３６の高さを２．４ｎｍとすればよい。また例えば、λ１／λ２＝７／５として、λ２を５５０ｎｍ、λ１を７７０ｎｍとする場合、Ｉｎの組成を７３％、量子ドット３６の高さを２．７ｎｍとすればよい。
【０１０４】
量子ドット３６の横方向の直径は高さと同等の２ｎｍ〜３ｎｍとしてもよい。ここで、横方向に関しては側面が円形でなければ径を定義することはできないが、正方形であれば、一辺の長さとするなど、底面の大きさを示す長さと考えることができる。このようにするとどの方向の励起準位も同程度のエネルギーを持つので、中間のエネルギーで発光することがなく、高い効率で発光が得られる光半導体素子を実現することができる。
【０１０５】
また、量子ドット３６の高さを２ｎｍ〜３ｎｍとして横方向の長さを１０ｎｍ以上とすると、室温では横方向への閉じ込めが弱くなり、バンド間のエネルギー差が室温のエネルギーと大差なくなることから、量子ドット３６の高さ方向の準位に対してサブバンド的に機能してエネルギー幅が広くなり、エタロンで定まる発光エネルギーに対して量子ドット３６の高さのマージンが広くなり、実効的に高い発光効率を得ることができる。
【０１０６】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【０１０７】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態による半導体発光装置の概略断面を図２２に示す。本実施形態の半導体発光装置は、図２２に示すように、半導体発光素子６１、６２、６３を備えている。これらの半導体発光素子６１、６２、６３は、第１実施形態の発光素子であって、同一基板１上に設けられている。
【０１０８】
本実施形態の半導体発光装置の出力特性を図２３に示す。図２３に示すように、電流を増大した場合、光出力は増大する。そこで、本実施形態の半導体発光装置の発光素子６１、６２、６３に図２３に示す（１）、（２）、（３）の電流を流した場合の、本実施形態による半導体発光装置の発光スペクトルを図２４に示す。図２４からわかるように、本実施形態による半導体発光装置に（１）の電流を流した場合は波長が６３０ｎｍの赤色光、（２）の電流を流した場合は波長が５５５ｎｍの緑色光、（３）の電流を流した場合は波長が４７５ｎｍの青色光がそれぞれ出力される。したがって、本実施形態の半導体発光装置の発光素子６１に図２３に示す（１）の電流を流した場合は発光素子６１から波長が６３０ｎｍの赤色光、発光素子６２に図２３に示す（２）の電流を流した場合は発光素子６２から波長が５５５ｎｍの緑色光、発光素子６３に図２３に示す（３）の電流を流した場合は発光素子６３から波長が４７５ｎｍの青色光が出力される。なお、本実施形態では、半導体発光素子６１、６２、６３は、第１実施形態の発光素子であったが、第１実施形態の変形例および第２乃至第６実施形態の発光素子のいずれかであってもよい。
【０１０９】
上述したように、量子ドット構造を持つ本実施形態の半導体発光装置による発光素子では、同一基板に形成した各発光素子に印加する駆動電流が異なる場合、異なる色の光を発光させることができる。このため、本実施形態の半導体発光装置は、照明装置に用いることができる。
【０１１０】
現在、様々な照明、ディスプレイにおいて、色の３原色である、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色をそれぞれ段階制御することにより、様々な色を再現している。色の再現性は、制御階調が豊富であるほどより自然な色表現が可能である。本実施形態においては、発光素子の駆動電流を変えることにより、様々な波長の光を制御することが可能であり、１０２４階調制御すれば１０億色以上の色再現が可能である。
【０１１１】
従来の発光装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の発光素子がそれぞれ異なる基板上に作製され、これらを寄せ集めることで作製されている。
【０１１２】
これに対して、本実施形態では、同一基板上に異なる発光素子を作製している。したがって、本実施形態の半導体発光装置では、各色の発光素子のピッチ間隔を小さくすることで高集積化および高精細化が図れるという利点を併せ持っている。このため、本実施形態の半導体発光装置は、発光素子はＬＥＤの場合は、図２２に示す３個の発光素子６１、６２、６３を１画素とし、発光素子６１、６２、６３がＲ、Ｇ、Ｂをそれぞれ表示するサブピクセルである平面表示装置として用いることができる。
【０１１３】
また、本実施形態の半導体発光装置は、発光素子の長寿命化を図る上でも好適である。例えば、白色照明やＬＥＤディスプレイなどに用いる場合、ある期間は発光素子６１からＲ（赤）、発光素子６２からＧ（緑）、発光素子６３からＢ（青）を発光させ、またある期間は発光素子６１からＧ、発光素子６２からＢ、発光素子６３からＲを発光させ、またある期間は発光素子６１からＢ、発光素子６２からＲ、発光素子６３からＧを発光させるように印加する駆動電流を定期的に変えることにより、各発光素子６１、６２、６３に掛かる負荷が均等化とすることが可能となるため、通常のデバイスに比べ長寿命化を図ることができる。
【０１１４】
また、図２２に示す同一基板上に作製した３個の発光素子６１、６２、６３に対し、各発光素子の駆動する電流を変え、赤、緑、青の３色を同時に発生させることにより照明、ディスプレイ用の白色ＬＥＤおよびレーザを実現できることに加え、各発光素子を別々の信号により、それぞれ１０Ｍｂｐｓの速度で変調させ、受信側に、光学バンドパスフィルタなどを用いることで、３色それぞれのデータ通信を行うこともできる。すなわち、通信に本実施形態の半導体発光装置を用いれば、色多重化により伝送容量を増大させることができる。
【０１１５】
本実施形態では、同一基板上に３個の発光素子を作製したが、２個の発光素子または４個以上の発光素子を同一基板上に形成しても、同様の効果が得られることとは明らかである。特に照明やディスプレイの応用では、同一基板上に高密度に集積化できるので、従来のデバイスに比べ非常に大きな利点がある。
【０１１６】
また、本実施形態では、駆動する電流値を変えることにより、３個の発光素子を用いて、赤、緑、青の３色で実証したが、これ以外の様々な色、波長において発光させることが可能であり、従来の発光素子よりも、照明の演色性、ディスプレイにおける色再現性、通信における情報量、伝送容量の増大が期待できる。なお、通信に用いる場合は可視光でなくともよいが、二種類の可視光を用いることにより、いずれの光を用いているときにも、信号の伝送が行われていることを容易に確認することができる。また、２種類の光が同時に放射されている場合（人間の認識において同時に放射されていると認識される場合）色の変化により、二種類の光を用いた通信が行われていることを確認できる。更に、表示デバイスと通信デバイスを兼用する場合、ディスプレイに点灯させたまま通信できる時間が長くなるので、通信をより長時間行えるようになる。
【０１１７】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高く、高速通信が可能な半導体発光装置を提供することができる。
【０１１８】
また、本発明の各実施形態によれば、長寿命で、製造しやすい可視光域の半導体発光素子および半導体発光装置を得ることができる。
【０１１９】
また、本発明の一実施形態による白色発光素子は、基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅（バンドギャップエネルギー）より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の３次元量子構造である量子ドット構造を有し、量子ドットはその禁止帯幅および量子準位（励起準位）に対応した波長の光を発する。量子ドット構造は、形状、外径、高さがほぼ同一に揃った均一性の高い、その寸法に対応した波長の光を発する。量子ドットはバンドギャップエネルギーが周囲の半導体のバンドギャップエネルギーより小さく、そのキャリアが閉じ込められるので、高い発光効率で発光させることができる。発光波長は量子ドットの外径に対応する。すなわち、量子ドットにおいては、微小領域への閉じ込めにより、伝導帯や価電子帯の準位は離散化する。伝導帯、価電子帯の電子、正孔は、基底準位、第２準位などの完全に離散化された量子準位のみに局在することになる。量子ドットに電流を注入して発光させる際に、駆動電流値を変化させると基底準位、第二準位などからの発光が得られ、複数の波長での発光が得られる。
【０１２０】
上記のように、量子ドットの外径は同一でも、複数の量子準位からの発光は、それぞれ異なる波長となる。例えば、赤色光から青色光に渡る波長域の光を発光させ、これらを混合すれば、所望の白色光を得ることができる。したがって、高い演色性を確保することができる。量子ドットからの発光は、上述のように、非常に発光効率が高いことが知られており、優れた発光効率を得ることができる。また、蛍光材料のように寿命を制約する因子がないので、長寿命を得ることができる。上記量子ドットは、成膜条件の制御などにより自発的に自己形成されることが知られており、成膜条件を把握すれば製造は容易である。
【０１２１】
なお、上記量子ドットはＴＥＭ(Transmission Electron Microscopy)、カソードルミネッセンス、ＡＦＭ(Atomic Force Microscopy)などにより容易に観察することができる。また、その他の市販のナノテクノロジ用の観察装置を用いて観察してもよい。この後で説明する量子細線についても同様である。
【０１２２】
本発明の他の実施形態による白色発光素子は、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する線状半導体である量子細線を複数本含む。そして、複数本の量子細線の幅は、同一であり、各量子細線はその量子準位に対応した波長の光を発する。上記量子ドットがキャリアの閉じ込めによる高効率発光の零次元（点）とすると、上記構成における量子細線は、その１次元（線）といえる。このため、製造方法を除いて、上記量子ドットで述べた作用効果をそのまま引用することができる。製造方法については、基板を傾斜させるなどして成膜することにより量子細線を得ることができる。その他、これまでに既知の方法を適用することができる。上記の量子ドットおよび量子細線構造により、波長が単一ではなく複数の波長をもって発光するので、これら複数の波長の光を適宜混合することにより、優れた演色性を確保して、所望のトーンの白色を得ることができる。上記の波長対応寸法は、量子ドットの場合は外径寸法であり、量子細線の場合は細線の幅寸法である。
【０１２３】
また、上記の複数の量子準位から発光する量子構造からなる活性層と共振器構造を組み合わせることにより、発光スペクトルの狭帯化を行う。これにより、複数の波長のそれぞれのスペクトルは重畳することなく発光される。また複数個のＬＥＤが必要された白色発光素子において、本発明の素子では１個の発光素子により、白色発光を実現し、かつ色多重通信により伝送容量の増大が図れる。
【０１２４】
上記の発光波長に対応する量子ドット、量子細線構造の寸法（サイズ）は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。上記半導体の部分の寸法をこの寸法範囲内にすることにより、キャリア閉じ込めの量子効果を得ることができ、伝導帯や価電子帯の離散化による高い発光効率と、複数の発光波長を得ることができる。これら寸法は、上述のＴＥＭ、ＡＦＭ、カソードルミネッセンス観察などを用いて測定することができる。また、上記の発光層は、ｐ型およびｎ型窒化ガリウム系半導体によってはさまれるように配置するのがよい。この構成により、発光層にキャリアを注入することができ、外部からの入力により持続的な発光を行なうことができる。
【０１２５】
また、本発明の各実施形態の発光素子が形成される基板として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＺｒＢ２のうちのいずれかの材料を用いることができる。これらの基板は入手が容易であり、これら基板を用いてエピタキシャル成長した多層構造を形成することが可能となり、発光素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図２】第１実施形態における活性層の量子ドットの配列の一例を示す斜視図。
【図３】本発明の各実施形態における、量子ドットを有する白色発光素子の発光原理を示す図。
【図４】発光層の形態を変えた場合の、エネルギーと状態密度との関係を示す図。
【図５】第１実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図６】第１実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図７】第１実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図８】第１実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図９】本発明の第２実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図１０】第２実施形態による半導体発光素子の活性層の量子ドットの配置の一例を示す斜視図。
【図１１】第２実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図１２】第２実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図１３】第２実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図１４】第２実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図１５】複数波長の発光を混合して得た白色光のスペクトルを示す図。
【図１６】本発明の第３実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図１７】第３実施形態による半導体発光素子の発光層を示す斜視図。
【図１８】本発明の第４実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図１９】本発明の第５実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図２０】第５実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図２１】第５実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合のスペクトルを示す図。
【図２２】本発明の第７実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図２３】第７実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図２４】第７実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合のスペクトルを示す図。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 基板
２ バッファ層
３ 電極層
４ ｎ型クラッド層
６ 活性層層
６ａ 量子ドット
６ｂ 量子細線
７ 成長カバー層（バリア層）
８ ｐ型クラッド層
９ コンタクト層
１０ 電流制限層
１１ ｐ型金属電極
１２ ｎ型金属電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子および半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系半導体は、その光学遷移が直接遷移型であるため高効率の発光再結合が可能である。最も良く用いられる窒化ガリウム系半導体であるＩｎｘＧａｌ−ｘＮからなる３元混晶は、Ｉｎの組成比ｘを調節することにより、禁止帯幅（バンドギャップエネルギー）をＧａＮの３．４ｅＶ（３６４ｎｍ）からＩｎＮの０．７ｅＶ（１７７０ｎｍ）まで変えることができる。このため、ＩｎＧａＮからなる混晶材料のみで近紫外域、可視光、近赤外域までの波長帯をカバーする発光素子の活性層として用いることができる。現在のところ、このＩｎＧａＮからなる混晶材料を発光層として用いたＬＥＤ(Light Emitting Diode)が実現され、また半導体レーザにおいても電流注入によるレーザ発振が実現されている。
【０００３】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料による短波長半導体レーザあるいは可視発光ダイオード（ＬＥＤ）は、発光再結合の効率が飛躍的に向上し、実用化され、青色や白色の発光が可能となり、ＬＥＤの適用範囲が大きく広がっている。このなかで白色発光素子は、液晶表示装置のバックライトへの適用にとどまらず、白熱電灯や蛍光灯に取って代わる可能性を秘めており、これまでに多くの提案がなされている。しかし、ＩｎＧａＮからなる混晶材料の問題点として、結晶成長が困難とされるミスシビリティギャップの存在がある。このため、現在のところ実現されている可視光ＬＥＤは、ＩｎＧａＮの混晶材料からなる発光層を薄膜化して歪み格子系の接合を形成し、この格子歪エネルギーによって得られる準安定領域を用いてその結晶成長を可能にしている。しかしながら、このようにして成長した混晶は、もともと不安定であるために、電流注入により発生する熱やデバイスの使用環境条件などの影響を受けやすく、これらが原因で特性劣化を起こしてしまうという問題があった。また、特に緑色や黄色に対応する長波長の発光素子では、Ｉｎの組成比ｘが高い混晶が必要とされるが、結晶の安定性はＩｎの組成比の増加と共に低下していく。従って、従来はこれらの混晶系を用いた半導体発光素子において、高出力と長寿命とを実現することが困難であった。
【０００４】
これに対して、ＧａＮの量子ドットを形成して、この量子ドットのサイズを変えることにより、青色から赤色の発光、さらにこれらを組み合わせ白色の発光を得た実験結果が示されている（例えば、非特許文献１参照）。この実験結果では、ＧａＮの量子ドットから発光する光の波長がバルク材料のＧａＮ（バンドギャップエネルギー（３．４ｅＶ））の発光波長よりも長くなるのは、ＡｌＮに挟まれたＧａＮが、格子不整合から生じる大きな歪みを受け、ピエゾ電界効果により、非常に強いビルトイン電界（例えば、約５．５ＭＶ／ｃｍ）を受け、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ(Quantum Confined Stark Effect)）により、発光波長が長波長側にシフトしたためと説明されている。
【０００５】
また、ＩｎＧａＮの量子井戸からなる活性層を用いた青色ＬＥＤと、黄色を中心に発光するＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体とを組み合わせる白色発光素子が、提案されている（例えば特許文献１参照）。この白色発光素子では、ＹＡＧ蛍光体を青色光で励起し、青色光と黄色光との混合によって白色光を得る。
【０００６】
また、ＩｎとＧａとを含む窒化物半導体内の単一層領域において２つ以上の発光スペクトルピークを発光する発光素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この発光素子では、単一層内においてＩｎ組成比が異なる２以上の混晶領域を形成し、各混晶領域でバンドギャップが相違すること、すなわち発光波長が変化することを利用する。
【０００７】
また、窒化物半導体の発光層内に２以上のスペクトルピークを含む光を発光する多重構造を備えた発光素子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この多重構造を含む発光層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸からなっている。この２つ以上のスペクトルピークを含む光は混合されて、白色光を提供する。
【０００８】
現在、人間の身の回りにありふれている目に見える光、すなわち可視光を使って通信を行う光通信技術が検討、普及しようとしている。オフィスや家の中や道路上の照明や、交通信号機や広告用電光掲示、ディスプレイ、電子機器の表示などの可視光を発する装置に使用されるＬＥＤを高速変調させることにより、データ送信する。したがって、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色のＬＥＤ、または青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの２色（ＢＹ）のＬＥＤを組み合わせた白色発光素子は、照明などの機能だけでなく、それぞれのＬＥＤでデータ通信が行え、また色多重化による伝送容量の増大を図ることが期待できる。
【非特許文献１】B. Damilano et al., Applied Physics Letters, volume 75,No.7,p.962 (1999)
【特許文献１】特開平５−１５２６０９号公報
【特許文献２】特開２０００−１９６１４２号公報
【特許文献３】特開２００２−１７６１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の従来例では、以下のような問題がある。
【００１０】
非特許文献１では、形成したＧａＮの量子ドットのサイズを変化させることにより青色から赤色の発光が得られているが、ここでピエゾ電界を発光層に印加することにより発光される発光波長をバルクのバンド端波長から大きく変化させている。Ｉｎの混晶比が低くても、長波長側に大きく発光波長をシフトさせることができるようになるという利点を持つ反面、量子ドット（井戸）層内に生じるピエゾ電界が大きくなると、電子と正孔が空間的に分離され、それに伴い、電子と正孔のそれぞれの波動関数の重なる領域の積分値が小さくなり、発光再結合が著しく低下するという問題がある。
【００１１】
また、特許文献１乃至特許文献３の蛍光体を用いた白色発光素子では次のような問題がある。（１）蛍光材料の寿命が１万時間程度と短い、（２）蛍光体の光変換効率が１００％にならず（ストークスシフト(Stokes Shift)）、発光効率に原理的制約がある、（３）青色光の強度の増加につれて蛍光材料の発光強度が飽和する、などの問題がある。
【００１２】
また、単一層内のＩｎの組成比が異なる混晶材料を用いて２つ以上の発光ピークを得る発光素子では、Ｉｎの組成不安定領域が形成される成長条件を用いて発光層を形成する。このため、Ｉｎの組成比の異なる混晶領域を安定して再現することができない。また、多重量子井戸構造により２つ以上の発光ピークを含む光を出す発光素子では、複数の井戸に電流注入して発光させるため、縦方向の電気抵抗が高くなることが避けられない。
【００１３】
また、赤色、緑色、青色の３色（ＲＧＢ）のＬＥＤ、または青色ＬＥＤと黄色ＬＥＤの２色（ＢＹ）のＬＥＤを組み合わせた白色発光素子では、それぞれのＬＥＤでデータ通信を行い、色多重化による伝送容量の増大が図ることが期待できるが、各ＬＥＤから出射される光はスペクトル幅が広く、青−緑、緑−赤など近接する波長において発光スペクトルが重畳し、各種フィルタなどを用いても分離できないという問題があり、白色発光素子において色多重化による伝送容量の増大は難しかった。ＬＥＤの発光スペクトルの狭帯域化を行うために、共振器構造を組み込んだＲＣ−ＬＥＤ(Resonant-Cavity Light Emitting Diode)を用いることが有効であり、しかもこのＲＣ−ＬＥＤは高速変調も可能となることから通信には好適であるが、白色発光素子のように複数個のＬＥＤをＲＣ−ＬＥＤに置き換えることは、多くの機器においてコストの面から導入は難しいと考えられる。
【００１４】
本発明は、上記の課題を鑑み、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子および半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様による半導体発光素子は、基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子ドットを含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
なお、複数の量子ドットは実質的に均一なサイズであってもよい。
【００１７】
なお、前記量子ドットは、サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の第２の態様による半導体発光素子は、基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料からなる実質的に均一な幅の複数の量子細線を含む発光層と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第３の態様による半導体発光素子は、基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子細線を含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
なお、前記量子細線は、厚みおよび幅が１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００２１】
なお、前記発光層は複数の波長で発光強度のピークを有し、
前記第１および第２半導体層の少なくとも一方の半導体層の前記発光層
とは反対側に設けられ、前記複数の波長の少なくとも一つの波長での発光波長の幅を狭くして各波長の分離が可能な多層膜反射鏡を更に備えていてもよい。
【００２２】
なお、前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＺｒＢ２のうちのいずれかの材料からなっていてもよい。
【００２３】
また、本発明の第４の態様による半導体発光装置は、同一基板上に設けられた請上記の半導体発光素子を複数個備え、前記半導体発光素子の駆動電流を変化させることにより、基底準位あるいは励起準位からの発光輝度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子および半導体発光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による半導体発光素子の断面を図１に示す。本実施形態の半導体発光素子はＬＥＤ（発光ダイオード）であって、発光層６は、周りの半導体の禁止帯幅（バンドギャップエネルギー）より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の３次元量子構造である量子ドット構造を有している。
【００２７】
本実施形態のＬＥＤは、厚さ３００μｍの（０００１）面のサファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなり表面及び裏面の両面が鏡面に研磨された単結晶基板１上に形成される。この単結晶基板１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層２と、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層３と、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４と、が順次設けられている。なお、単結晶基板１は、サファイアに限るものではなく、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や、リチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）、ＺｒＢ２などの結晶から構成するようにしてもよい。また、ｎ型クラッド層４上には、活性層６が設けられている。この活性層６は、図２に示すように、Ｉｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの組成からなる複数の実質的に均一なサイズに制御された量子ドット６ａが同一平面に配列された構造の層であり、ここでは、量子ドット６ａは直径２０ｎｍ、高さ４ｎｍの大きさに形成されている。量子ドット６ａは、下地テンプレートを用いた選択成長の手法により形成され、その直径および高さは、同一面内での原子間力顕微鏡による測定から、平均直径２０ｎｍ、平均高さ４ｎｍに対して、それぞれの値の±５％の範囲内に半値幅が存在する分布となるように寸法制御されている。図２では、量子ドット６ａを半球形状としているが、これに限るものではない。箱、円柱や角柱などの形状であってもよい。また図２では、量子ドット６ａが下地テンプレートを用いて等間隔で、均一な密度に配列されているが、これに限るものではなく、各量子ドット６ａの間隔が、不均一な状態で配置されていてもよい。また、量子ドット６ａは、量子ドット６ａを構成するＩｎＧａＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、量子ドット６ａは、ほぼ同寸法に形成されているものである。以上のように複数の量子ドット６ａから構成された活性層６は、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層（バリア層）７により覆われている。なお、本実施形態においては、活性層６と成長カバー層７との積層膜が３層に積層された構造となっており、第１の活性層は、クラッド層４上に形成され、第２および第３の活性層は成長カバー層７上に形成されている。成長カバー層７は量子ドット６ａよりもバンドギャップエネルギーが大きい材料からなっている。
【００２８】
また、最上層の成長カバー層７上には、Ｍｇが添加されたｐ型のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのｐ型クラッド層８と、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９とが順次設けられている。また、コンタクト層９上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口を備えたＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０が設けられている。この電流制限絶縁層１０上には、上記開口を介してコンタクト層９に接触するｐ形金属電極１１が設けられている。このｐ形金属電極１１は、コンタクト層９に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層と、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３は、この電極層３上の各層を一部エッチングすることによって設けられた露出領域３ａを有し、この露出領域３ａにｎ形金属電極１２が設けられている。このｎ形の金属電極１２は、露出領域３ａ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。
【００２９】
このように構成された本実施形態による半導体発光素子においては、発光層６は、ＩｎＧａＮからなる複数の量子ドット６ａを有している。これらの量子ドット６ａのサイズ、すなわち外径および高さが実質的に均一な構造となっている。なお、本明細書では、量子ドット６ａの外径および高さが実質的に均一であるとは、外径および高さのそれぞれが、それぞれの平均値の±５％の範囲内に半値幅が存在する分布となっていることを意味する。
【００３０】
このような量子ドットの発光原理を、図３を参照して説明する。発光層６は、ｐ型半導体層（本実施形態ではｐ型クラッド層８）とｎ型半導体層（本実施形態ではｎ型クラッド層４）とに挟まれており、外側から順方向電圧が印加され電流が注入されると、発光層６内にそれぞれの半導体層における多数キャリアが注入される。これらキャリアは、バンドギャップが小さい量子ドット中に流れ込み、量子ドット中に閉じ込められる。量子ドット内では、伝導帯に位置する電子と価電子帯に位置する正孔とが再結合して光を放出する。量子ドットのバンドギャップエネルギーは周囲の半導体層のバンドギャップエネルギーより小さいので、キャリアの閉じ込めが生じる。
【００３１】
他方、発光層の形態を変えた場合の、エネルギーと状態密度との関係を図４（ａ）乃至図４（ｈ）を参照して説明する。図４（ａ）に示すように発光層がバルクのときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｂ）に、図４（ｃ）に示すように発光層が量子膜のときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｄ）に、図４（ｅ）に示すように発光層が量子細線のときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｆ）に、図４（ｇ）に示すように発光層６が量子ドットのときのエネルギーと状態密度との関係を図４（ｈ）に示す。図４（ａ）乃至図４（ｈ）からわかるように、発光層がバルク、量子膜、量子細線、量子ドットと微少化されるにつれて、取り得るエネルギーも連続状態から離散状態に変化していく。
【００３２】
図４（ｇ）、（ｈ）に示すように、量子ドットの場合は、微小領域へ電子、正孔が三次元的に閉じ込められ、伝導帯、価電子帯に量子サイズ効果により離散的なエネルギー準位が形成される。これにより、伝導帯、価電子帯の電子、正孔は、基底準位、第２準位などの完全に離散化された量子準位のみに局在し、量子ドットに電流を注入にして発光させる際に、駆動電流値を変化させると基底準位、第２準位などからの異なる遷移エネルギーからの電子・正孔再結合による発光が得られ、複数の波長が得られることになる（図３参照）。
【００３３】
したがって、本実施形態においては、量子ドット６ａはその禁止帯幅および量子準位（励起準位）に対応した波長の光を発する。そして、量子ドット６ａは、形状、外径、高さが実質的に均一な構造となっており、その寸法に対応した波長の光を発する。また、量子ドット６ａは、そのバンドギャップエネルギーが周囲の半導体のバンドギャップエネルギーより小さく、そのキャリアが閉じ込められるので、高い発光効率で発光させることができる。このときの発光波長は量子ドット６ａの外径に対応する。すなわち、量子ドット６ａにおいては、微小領域への閉じ込めにより、伝導帯や価電子帯におけるエネルギー準位は離散化する。伝導帯、価電子帯の電子、正孔は、基底準位、第２準位などの完全に離散化された量子準位のみに局在することになる。量子ドット６ａに電流を注入して発光させる際に、駆動電流値を変化させると基底準位、第二準位などからの発光が得られ、複数の波長での発光が得られる。
【００３４】
本実施形態によるＬＥＤの駆動電流を変えた場合の、このＬＥＤの出力特性を図５に示す。図５に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（７）と増大したときの本実施形態によるＬＥＤの発光スペクトルを図６に示す。図６からわかるように、基底準位からの発光で中心波長が６７７ｎｍの赤色光、励起準位の（量子ドット６ａの高さ方向に直交する面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が５６２ｎｍの緑色光、さらに励起準位の（量子ドット６ａの高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が４６２ｎｍの青色光が得られる。
【００３５】
また、量子ドット６ａのサイズが、その平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御されていることにより、発光波長は、基底準位からの発光では６７０ｎｍ〜６８４ｎｍの波長、面内方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光では５４７ｎｍ〜５７５ｎｍの波長、高さ方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光は４４３ｎｍ〜４７９ｎｍの波長が得られ、何れの準位でも所望の波長域Ｒ、Ｇ、Ｂの３色が実現できることがわかった。
【００３６】
また、図５および図６からわかるように、本実施形態のＬＥＤに流す電流が少ないと赤色の光が出力され、その後、電流を増大するにつれて赤色の光と、緑色の光が発生し、さらに電流を増大し（７）に対応する状態では赤色、緑色、青色の光が発生し、高輝度の白色の発光が得られる。
【００３７】
なお、本実施形態においては、量子ドット６ａの寸法を電子のドブロイ波長以下とすることで、量子サイズ効果、高効率な発光が得られる。また、この量子ドット６ａの寸法により、半導体発光素子から出射される複数の光の発光波長が決定される。
【００３８】
（変形例）
本実施形態の変形例として、本実施形態において、活性層６を、Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｎの組成からなる複数の量子ドット６ａを、直径１０ｎｍ、高さ４ｎｍの大きさに同一平面に形成したＬＥＤを作成した。なお、本変形例においても、第１実施形態と同様に、量子ドット６ａのサイズが、その平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御されている。
【００３９】
本変形例によるＬＥＤの駆動電流を変えた場合の、本変形例の出力特性を図７に示す。図７に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（７）と増大したときの本変形例によるＬＥＤの発光スペクトルを図８に示す。図８からわかるように、基底準位からの発光で中心波長が５８５ｎｍの黄色光、励起準位の（量子ドットの面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が４８０ｎｍの青色光、さらに励起準位の（量子ドットの高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの発光で中心波長が４１５ｎｍの青紫色光が得られた。
【００４０】
また、第１実施形態と同様に、量子ドット構造が±５％以下に寸法制御されていることにより、発光波長は、基底準位からの発光では波長５８０ｎｍ〜５９０ｎｍ、量子ドット６ａの高さ方向に直交する面の面内方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光では波長４６５ｎｍ〜４９０ｎｍ、量子ドットの高さ方向の閉じ込めにより形成された第２準位からの発光では波長４００ｎｍ〜４３０ｎｍが得られ、何れの準位でも所望の波長域の黄色、青色、青紫色の発光が実現できることがわかった。
【００４１】
そして、図７および図８からわかるように、第１実施形態と同様に、本変形例のＬＥＤを適切な電流で駆動することにより、青色、青紫色、黄色の光が組み合わされ所望の高輝度の白色発光を得ることができる。
【００４２】
（製造方法）
次に、図１に示した第１実施形態による半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施形態においては、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。窒素原料は、アンモニアを用い、キャリアガスには水素ガスを用いる。また、成長圧力は常圧とする。
【００４３】
まず、基板温度を１０５０°とし、サファイアからなる結晶基板１の表面をアンモニア雰囲気で窒化した後、基板温度を５５０℃とし、ＧａＮを成長させたバッファ層２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。引き続き、単結晶基板１を１０５０℃で９分間アニールし、バッファ層２の単結晶化を行う。
【００４４】
次に、単結晶基板１の温度を１０２０℃とし、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮおよびＳｉが添加されたｎ形のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを順次成長させ、電極層３、クラッド層４を形成する。これら気相成長におけ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。
【００４５】
次いで、クラッド層４の上にＩｎＧａＮをドット状に成長させて複数の量子ドット６ａからなる活性層６を形成する。この量子ドット６ａの形成においては、まず、下地となるクラッド層４に、幅７０ｎｍの正方形ナノホールがピッチ周期１５０ｎｍで面方位に沿ってアレイ状に配置されたテンプレート構造を形成する。このテンプレート構造の形成は、電子線リソグラフィを用いて周期パターンを有するレジストパターンの作製およびこのレジストパターンをマスクとして塩素系ガスを用いたクラッド層４のドライエッチングにより行った。このときホールの深さは、所望の量子ドット６ａの高さに合わせ、ドライエッチングの処理時間により調整した。エッチング処理後、レジストパターンを除去し、ウエハの化学薬品による洗浄を行う。その後、ウエハは再度、有機金属気相成長装置に戻され、水素雰囲気中の高温処理により自然酸化膜の除去処理を行った。ナノホールが形成されているクラッド層４上に再度。クラッド層と同じ材料を数モノレイア（ＭＬ）形成後、量子ドットとなるＩｎＧａＮを成長させる。このとき、自己組織化した量子ドットが、ナノホールに選択的に配置、形成される。なお、公知の下地テンプレートを用いた選択成長法により、ドットは直径、高さは、それぞれ±４．８％、±５．０％以内に寸法制御されることが知られている（例えば、S. Kiravittaya et al., Applied Physics Letters 86, 206101 (2005) 参照）。
【００４６】
本実施形態の製造方法によるＩｎＧａＮの成長においては、金属インジウムの析出を防止して高品質ＩｎＧａＮを成長させ、かつ、下地上に吸着したインジウム原子のマイグレーションを促進させることを観点としてＶ族／ＩＩＩ族との比と成長速度を設計し、量子ドット形状にＩｎＧａＮを成長させる。
【００４７】
次いで、活性層６に対するエッチングやこの活性層６の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＧａＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、量子ドット６ａを覆うように成長カバー層７を形成する。成長カバー層７は、ＩｎＧａＮからなる複数の量子ドット６ａに対するバリア層となる。成長カバー層７を形成した後、基板１の温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層７の高品質化を図る。
【００４８】
引き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるクラッド層８およびマグネシウムが添加されたｐ形ＧａＮからなるコンタクト層９を順次形成する。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、一般に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。クラッド層８、コンタクト層９を形成した後、これらの層の添加した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。
【００４９】
次に、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層９上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０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、底面がコンタクト９の表面となる開口を電流制限絶縁層１０に形成する。電流制限絶縁層１０に開口を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口内を含む電流制限絶縁層１０上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ型金属電極１１となる金属層を形成する。この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、金属層の上にポジ型フォトレジストのパターンを形成し、このパターンをマスクとして金属層１１をエッチングしてｐ型金属電極１１を形成するとともに、一部の領域の、金属層１１、電流制限絶縁層１０、コンタクト層９、クラッド層８、成長カバー層７、活性層６、およびクラッド層４を除去し、電極層３に露出領域３ａを形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。露出領域３ａを形成するエッチングを行った後、フォトレジストのパターンを除去し、結晶基板１およびこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層３の露出領域３ａに膜厚５０ｎｍのアルミニウム、膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングすることにより、ｎ型金属電極１２を形成する。
【００５０】
以上説明したことにより、ｎ形金属電極１２までを形成した後、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１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。切り出した素子に所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板１の裏面側より光が発光される。
【００５１】
上述したように、本実施形態においては、活性層を、島状に離散した複数の量子ドット６ａから構成するようにした。言い換えると、活性層は、離散した量子井戸層の集合体あるいは、複数の量子ドットから構成されたものである。このように構成した半導体発光素子では、量子ドット６ａの形状と、量子ドット６ａを覆うように形成されている成長カバー層７の組成および厚さとに依存して発光波長が変化する。これは、ＩｎＧａＮからなる量子ドット６ａに対する三次元的に加わる圧力（静水圧）によって、量子ドット６ａを構成するＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーが変化することによっている。ＩｎＧａＡｌＮ系の材料では、従来の赤色用材料であるＩｎＧａＡｓＰ系の材料以上に広い範囲に渡って格子定数が異なっており、組成を変化させた層で覆うことで大きな静水圧を容易に加えることが可能である。従って、量子ドット６ａのバンドギャップエネルギーを、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料に比較してより大きく変化させることが可能となる。このように大きくバンドギャップエネルギーを変化させることができるので、図１に示した本実施形態の半導体発光素子によれば、ＩｎＮのバンドギャップ波長である１．６μｍ近傍からＡｌＮのバンドギャップである紫外域に至る広い波長範囲の発光を得ることが可能となる。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による半導体発光素子の断面を図９に示す。この実施形態の半導体発光素子はレーザであって、次のように形成される。まず、サファイア基板１上に成長させた膜厚２０ｎｍの高品質ＧａＮからなるバッファ層２に、フォトリソグラフィ技術と塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングとにより、幅１０μｍ、深さ１．５μｍ、周期２０μｍの周期溝構造を＜１−１００＞方向に沿って形成した。
【００５４】
続いて、ＡｌＮからなる中間層２１、電極層３、ｎ型クラッド層４、膜厚１２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮからなるガイド層２２、活性層６、膜厚１２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮからなるガイド層２３、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるエッチングブロック層２４、ｐ型クラッド層８、コンタクト層９を順次積層し形成した。活性層６は第１実施形態の場合と同様に、均一なサイズの複数の量子ドット６ａを有している。そして、同一面上に形成された複数の量子ドット６ａは成長カバー層７によって覆われており、同一面上に形成された複数の量子ドット６ａの層と、成長カバー層７とが交互に積層された三層積層構造となっている。
【００５５】
その後、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８を、フォトリソグラフィ技術と塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いてパターニングすることにより、リッジ幅５μｍ、共振器長９００μｍのリッジ導波路型構造２５を形成する。
【００５６】
次に、リッジ導波路型構造２５および露出したエッチングブロック層２４を絶縁膜１３で覆った後、リッジ導波路型構造２５上の絶縁膜１３に、底面がコンタクト層９に到達する開口を設ける。そして、この開口に金属を埋め込みパターニングすることにより、ｐ型金属電極１１を形成する。また、絶縁膜１３、エッチングブロック層２４、ガイド層２３、活性層６、ガイド層２２、クラッド層４、および電極層３をパターニングすることにより、電極層３に露出領域３ａを形成し、この露出領域３ａ上にｎ型金属電極１２を形成する。そして、図１０に示すように端面の全面に反射層２６を形成し、端面出射型のレーザ素子を作製した。
【００５７】
本実施形態のレーザ素子においては、図１０に示すように、活性層６を、Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｎの組成からなる複数の量子ドット６ａを平均直径１０ｎｍ、平均高さ４ｎｍの実質的に均一な大きさで同一平面に形成している。本実施形態においては、活性層６は３層構造となっているが、第１の活性層は、ガイド層２２上に形成され、第２および第３の活性層は成長カバー層７上に形成されている。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、量子ドット６ａのサイズが、その平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御されている。
【００５８】
本実施形態によるレーザ素子の駆動電流を変えた場合の、本実施形態の出力特性を図１１に示す。図１１に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（６）と増大したときの本実施形態によるレーザ素子の発光スペクトルを図１２に示す。図１２からわかるように、基底準位からの黄色域のレーザ発振で中心波長が５８５ｎｍ、励起準位の（量子ドットの面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの青色のレーザ発振で中心波長が４７０ｎｍのレーザ光が得られた。これにより、駆動電流を変化させることにより、黄色および青色の単色でのレーザ発振、青色と黄色が組み合わされた白色のレーザ発振が得られた。
【００５９】
（変形例）
また、変形例として、第２実施形態の活性層６を、Ｉｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの組成からなり直径１０ｎｍ、高さ４ｎｍの実質的に均一な大きさの複数の量子ドット６ａからなる活性層に置き換えたレーザ素子を作成した。
【００６０】
本変形例のレーザ素子に駆動電流を変えた場合の、本変形例の出力特性を図１３に示す。図１３に示すように電流を増大した場合光出力は増大し、電流を（１）〜（９）と増大したときの本変形例によるレーザ素子の発光スペクトルを図１４に示す。図１４からわかるように、基底準位からの赤色のレーザ発振で中心波長が６３０ｎｍ、励起準位の（量子ドットの面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの緑色のレーザ発振で中心波長が５６０ｎｍ、さらに励起準位の（量子ドットの高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの青色のレーザ発振で中心波長が４７０ｎｍのレーザ光が得られた。
【００６１】
これにより、駆動電流を変化させることにより、赤色、緑色および青色の単色でのレーザ発振に加え、各色を組み合わした多彩な色でのレーザ発振を得ることができる。
【００６２】
また、本変形例のレーザ素子を用いて、駆動電流値の直接変調方式により、赤、緑、青のそれぞれの波長においてデータ通信が行えることを確認した。
【００６３】
なお、第１および第２実施形態における量子ドット６ａは、外径が１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。この理由は以下の通りである。量子ドット６ａの径を小さくしてゆくと、原子（イオン）が規則配列した固体の範疇を超え、伝導帯および価電子帯という概念が成り立たなくなり、図３に示すように、エネルギーバンドは個々の原子のエネルギー準位に離散化される。量子ドットの外径が１ｎｍより小さい場合、バンド理論は適用できなくなり、個々の原子レベルの準位が形成され、可視光域の光の放出は望めなくなる。また、１００ｎｍより大きい場合には、電子の波動性はフォノン散乱などにより失われ、伝導帯や価電子帯のエネルギー準位の離散化、量子準位は生じず、量子ドットの寸法に応じた基底準位、第２準位などの量子準位からの複数の波長の発光は得られない。１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内において、量子ドット６ａの寸法を変えることにより、発光波長を上記寸法に応じて変化させることができる。このため、量子ドット６ａの外径は、１ｎｍ〜１００ｎｍとすることが好ましい。離散化における量子準位のエネルギー変化は、量子サイズが小さいほど大きく、発光波長は短波長化される。したがって、量子ドットの寸法および構成する材料の組成を調整することにより、各量子準位に対応した複数の波長の発光を得ることができる。そして、これら複数の発光波長をＲＧＢ（赤―緑―青）、ＢＹ（青―黄）に対応させ、それぞれの発光強度を調整することにより、優れた演色性の白色光を得ることができる。上記複数波長の発光を混合して得た白色光のスペクトルの一例を図１５に示す。
【００６４】
また、第１および第２実施形態における量子ドット６ａは、ＩｎＮなど他のＩｎＧａＡｌＮ系の材料、Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）から構成しても、上述と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、第１および第２実施形態においては、活性層６の量子ドット６ａと成長カバー層７との積層膜を３層積層した構造であったが、量子ドット６ａを単層とする構造、量子ドット６ａと成長カバー層７との積層膜を２層積層した構造、量子ドット６ａと成長カバー層７との積層膜を４層以上の積層構造としてもよい。
【００６６】
次に、量子ドットに用いられる材料Ｉｎ１−Ｘ−ＹＧａＸＡｌＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）について説明する。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。このような構成の中で、活性層を複数の量子ドット６ａから構成し、これらを活性層（井戸層）と異なる組成の材料の層（バリア層）で覆うことにより、複数の量子ドット６ａに歪みを加えることができる。この歪みの大きさは、バリア層の組成と厚さによっても制御できる。このことにより、複数の量子ドット６ａから構成された活性層におけるバンドギャップエネルギーを、これをバルク半導体から構成した場合の値から変化させることも可能となる。
【００６７】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００６８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による半導体発光素子の断面を図１６に示し、発光層の形状を図１７に示す。本実施形態の半導体発光素子はＬＥＤであって、図１に示す第１実施形態のＬＥＤにおいて、発光層６の複数の量子ドット６ａを、図１７に示すように、複数の量子細線６ｂに置き換えた構成となっている。そして、これらの量子細線６ｂからなる発光層６は、１層構造となっている。なお、本実施形態の半導体発光素子においても、量子細線６ｂの厚みおよび幅は、量子ドットの場合と同様の理由で、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることが望ましい。量子細線の厚みおよび幅を１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることにより、量子ドットと同様に、キャリアの閉じ込めおよび量子準位の形成が生じ、複数の波長の発光を得ることができる。また、発光層６を構成する複数の量子細線は、厚みおよび幅は、それぞれの平均値の±５％の範囲内に半値幅が分布するように寸法制御される。すなわち、発光層６を構成する複数の量子細線は、実質的に均一な厚みおよび幅を有している。
【００６９】
次に、本実施形態の半導体発光素子（ＬＥＤ）の具体的な構成を、図１６を参照して説明する。本実施形態のＬＥＤは、まず、厚さ３００μｍの（０００１）面サファイア（Ａｌ２Ｏ３の結晶）からなり、表面及び裏面の両面が鏡面に研磨された単結晶基板１上に形成される。この単結晶基板１の表面に、ＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファ層２と、Ｓｉが添加されたｎ形のＧａＮからなる膜厚４μｍの電極層３と、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４と、が順次形成される。なお、単結晶基板１は、サファイアに限るものではなく、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）、ＺｒＢ２などの結晶から構成するようにしてもよい。
【００７０】
また、ｎ型クラッド層４上には、活性層６が形成されている。活性層６は、Ｉｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｎの組成からなる複数の量子細線６ｂが同一平面に配列された構造の層であり、ここでは、細線幅は５０ｎｍ、高さ４ｎｍの大きさに形成されている。本実施形態においては、図１７に示すように、量子細線６ｂは、延在する方向に直交する断面形状が矩形であるが、これに限るものではない。テーパが付いている形状であってもよい。また図１７では、量子細線６ｂが等間隔で配列されているが、これに限るものではなく、各量子細線６ｂの間隔は、不均一な状態で配置されていてもよい。また、量子細線６ｂは、量子細線６ｂを構成するＩｎＧａＮの薄い膜でつながった状態に形成されていても良い。なお、量子細線６ｂは、実質的に均一な寸法に形成されているものである。
【００７１】
このように複数の量子細線６ｂから構成された活性層６は、ノンドープのＧａＮからなる膜厚１０ｎｍの成長カバー層（バリア層）７により覆われている。この成長カバー層７上には、Ｍｇが添加されたｐ型のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる膜厚０．５μｍのｐ型クラッド層８と、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９が順次形成されている。
【００７２】
コンタクト層９上には、電流注入領域を制限するための直径２０μｍ程度の略円形の開口を有するＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０が形成されている。この電流制限絶縁層１０上には、上記開口を介してコンタクト層９に接触するｐ形金属電極１１が形成されている。ｐ形金属電極１１は、コンタクト層９に直接接触する膜厚５０ｎｍのニッケル層と、このニッケル層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。
【００７３】
なお、電極層３は、この電極層３上の各層を一部エッチングすることで形成された露出領域３ａを有しており、この露出領域３ａにｎ形金属電極１２が形成されている。ｎ形金属電極１２は、露出領域３ａ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】
本実施形態のＬＥＤの駆動電流を変化させると、基底準位からの黄色の発光で中心波長が５８０ｎｍ、励起準位の（量子細線の高さ方向に直交する面内方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの緑色の発光で中心波長が５４０ｎｍ、さらに励起準位の（高さ方向の閉じ込めにより形成された）第２準位からの青色の発光で中心波長が４８５ｎｍの光出力が得られた。また、量子細線の寸法により、半導体発光素子から出射される複数の光の発光波長が決定されることがわかった。
【００７５】
（製造方法）
次に、本実施形態における半導体発光素子（ＬＥＤ）の製造方法について説明する。ここでは、結晶成長に関しては、第１実施形態で説明した製造工程と同様であるので、ここでは、量子細線６ｂの作製およびそれ以降の工程について述べる。第１実施形態との違いは、ＩｎＧａＮをドット状ではなく膜状に厚さ４ｎｍで成長し、この膜に対して電子線描画リソグラフィ技術と塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを行うことにより、細線幅５０ｎｍ、周期１００ｎｍの周期溝構造を＜１−１００＞方向に沿って形成した。
【００７６】
次いで、活性層６に対するエッチングやこの活性層の結晶性の劣化を抑制するために、窒素キャリアガスを用いてＩｎＧａＮと同じ成長温度である５００℃でＧａＮを成長し、細線構造を覆うように成長カバー層７を形成する。成長カバー層７は、ＩｎＧａＮからなる複数の量子細線６ｂに対するバリア層となる。成長カバー層７を形成した後、基板温度を１０２０℃に上昇させて成長カバー層７の高品質化を図る。
【００７７】
引き続いて、Ｍｇが添加されたｐ形Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ及びマグネシウムが添加されたｐ形ＧａＮを順次成長させ、クラッド層８、コンタクト層９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、一般に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。クラッド層８、コンタクト層９を形成した後、これらの層の添加した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。
【００７８】
次に、上述した各結晶層を形成した後、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、コンタクト層９上にＳｉＯ２からなる電流制限絶縁層１０を形成し、この電流制限絶縁層１０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し、開口を形成する。電流制限絶縁層１０に開口を形成した後、電子ビーム蒸着装置を用い、開口内を含む電流制限絶縁層１０の上に、膜厚５０ｎｍのニッケル，膜厚１００ｎｍの金を順に蒸着して積層し、ｐ形金属電極１１となる金属層を形成する。
【００７９】
この後、公知のフォトリソグラフィ技術により、上記金属層の上にポジ型フォトレジストのパターンを形成し、このパターンをマスクとして下層をエッチングし、電極層３に露出領域３ａを形成する。このエッチングにおいて、例えば、結晶層のエッチングでは、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより行えばよい。上記露出領域３ａを形成するエッチングを行い、フォトレジストのパターンを除去し、単結晶基板１及びこの上に形成した構造体をクリーニングした後、電極層３の露出領域３ａに膜厚５０ｎｍのアルミニウム、膜厚２００ｎｍの金を順に蒸着してこれらをパターニングし、ｎ型金属電極１２を形成する。
【００８０】
以上説明したことにより、ｎ形金属電極１２までを形成した後、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１を所定の寸法に切断し、素子に切り出す。切り出した素子に所定の電流を印加して動作させれば、単結晶基板１の裏面側より発光光が得られる。
【００８１】
また、第２実施形態の図９に示すレーザ構造の活性層６の量子ドット６ａを量子細線６ｂに置き換えることによって、基底準位および励起準位からの複数の波長での発振が行われるレーザ素子を作製できる。
【００８２】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００８３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による半導体発光素子の断面を図１８に示す。本実施形態の半導体発光素子は、図１に示す第１実施形態の半導体発光素子において、電極層３と、ｎ型クラッド層４との間に多層膜からなる共振器２０を設けた構成となっている。この共振器２０を構成する多層膜はある特定波長に共振するように構成されているので、異なる量子準位からの複数の発光波長に対して、それぞれの発光スペクトルの狭帯域化する。
【００８４】
本実施形態の半導体発光素子は、ＧａＮ基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮからなる電極層３、共振器２０を構成する５対のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層とＧａＮ層との積層構造よりなる多層膜反射鏡、ｎ型クラッド層４、活性層層６、成長カバー層７層、ｐ型クラッド層８、コンタクト層９が順次積層されている。コンタクト層９上に、底部がコンタクト層９に到達する開口を備えた電流制限絶縁層１０が形成され、この開口を埋め込むようにｐ型電極層１１が形成されている。また、ＧａＮからなる電極層３の露出領域３ａ上にｎ型電極１２が形成されている。
【００８５】
活性層６には複数の波長で発光強度のピークを有する発光源が設けられている。本実施形態おいては、活性層６からみてｎ型クラッド層４側に多層膜反射鏡２０を設けているが、活性層６からみてｐ型クラッド層側に多層膜反射鏡層を設けて活性層６を含む共振器構造を設けてもよい。すなわち、多層膜反射鏡層は、活性層６からみて片側に設けてもよいし、両側に設けてもよい。
【００８６】
少なくとも一つの発光強度のピーク波長あるいはそのピークの一部での発光波長幅（スペクトル幅）を狭くすることで、各波長の分離を容易にする。活性層の発光源としては複数のサイズの量子ドットあるいは量子細線でもよく、単一のサイズの量子ドットあるいは量子細線であっても異なる準位を有しているものであっても良い。多層膜反射鏡としてはＧａＮ層とＧａＡｌＮ層とが積層された多層膜反射鏡でも、誘電体多層膜反射鏡でもよい。誘電体多層膜反射鏡としてはＴｉＯ２層とＳｉＯ２層との組み合わせでも、Ｔａ２Ｏ３層とＳｉＯ２層との組み合わせのほか、誘電体と金属の組み合わせでもよい。
【００８７】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００８８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による半導体発光素子の断面を図１９に示す。本実施形態の半導体発光素子は、ｎ型の導電型のＧａＮ基板１上にＳｉ添加のｎ型ＧａＮバッファ層２が形成されている。このバッファ層２上にＧａＮとＡｌＧａＮのペア構造を積層してなる多層膜反射鏡層３１、ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３２、ＧａＮからなるｎ型クラッド層３３が積層されている。ｎ型クラッド層３３上に活性層４０が設けられている。この活性層４０は、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる量子ドット３６をＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０≦ｙ≦１、ｘ＞ｙ）からなる埋め込み層３７で埋め込んだ発光層３８と、ＧａＮからなる量子障壁層３９とが３層に積層された構造となっている。
【００８９】
活性層４０上に、ＧａＮからなる第一クラッド層４１、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第二クラッド層４２、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４３が積層されている。そして、コンタクト層４３上にＩＴＯからなるｐ型透明導電層４４が形成され、この透明導電層４４上にＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とを積層してなる誘電体多層膜反射鏡層４５が形成されている。
【００９０】
更に、全体に二段のメサ構造４６ａ、４６ｂが形成されており、メサ構造４６ａ、４６ｂによりｎ型ＧａＮからなるコンタクト層３２と、ＩＴＯからなるｐ型透明電極層４４との表面が露出されている。更に、全体にＳｉＯ２からなるパッシベーション膜４７が被覆されている。このパッシベーション膜４７に開口を設けることでＧａＮからなるｎ型コンタクト層３２と、ｐ型透明導電層４４の表面が露出されて、それぞれの部分に対してＡｌからなるｎ型金属電極５０と、ＡｌＮｉからなるｐ型金属電極５１が設けられている。
【００９１】
ここで、ＧａＩｎＮからなる量子ドット３６の発光の強度ピークの波長をλ２とし、ＡｌＧａＮとＧａＮを積層してなる多層膜反射鏡層３１の各層の厚さは光路長として波長λ２のｍ／４（ｍは奇数）倍となるよう構成する。また、ＴｉＯ２とＳｉＯ２よりなる誘電体多層膜反射鏡層４５の各層も光路長でλ２のｎ／４（ｎは奇数）倍となるように構成する。更に、ＧａＮコンタクト層３２、ＧａＮクラッド層３３、活性層４０、ＧａＮ第１クラッド層４１、ＡｌＧａＮ第２クラッド層４２、ｐ型ＧａＮコンタクト層４３全体の光路長をλ２の整数倍とし、多層膜反射鏡層３１の表面を低屈折率のＡｌＧａＮ、誘電体多層膜反射鏡層４５の活性層側を低屈折率のＳｉＯ２層とすることで、λ２に対してエタロン構造が形成され、λ２に対して狭線幅化が図れる。
【００９２】
本実施形態の光半導体素子は第１実施形態や第２実施形態と同様の方法で作製可能であり、誘電体多層膜に関しては、通常の電子線を用いた蒸着法や反応性蒸着法などを用いることができる。
【００９３】
ＧａＩｎＮからなる量子ドット３６の基底準位の発光の強度ピークの波長をλ１として、第一励起準位の発光の強度ピークの波長をλ２として第三励起準位の発光強度のピーク波長をλ３とする。この場合、λ１、λ２、λ３の波長重なりが小さくなるので分離が容易に行える。例えば、λ１が赤色の６００ｎｍ〜６５０ｎｍ帯での発光、λ２を５６０ｎｍ帯での発光、更にλ３を青色の４７０ｎｍでの発光の関係を満たすように量子ドット３６のサイズとＩｎの組成を形成する。このように構成された本実施形態の半導体発光素子に注入する電流を変えた場合の特性を図２０乃至図２１を参照して説明する。図２０に示すように注入する電流の大きさを増大させた場合、光出力も増大し、電流を（１）〜（７）のように増大すると、本実施形態の半導体発光素子の発光スペクトルは図２１に示すように変化する。
【００９４】
図２１からわかるように、注入電流密度を変えることで、基底準位での赤色発光、第一励起準位での多層膜反射鏡により狭帯域化された緑色発光、第二励起準位での青色発光が逐次得られる。このような特性は量子ドット３６の高さを７ｎｍ程度、Ｉｎの組成比を５７％程度にすることで得られる。その横方向（高さと直交する方向）のサイズも量子ドット３６の高さと同程度としてよい。
【００９５】
ここで、量子ドット３６の横方向のサイズに関しては、断面が円形であれば直径として定義することができ、正方形であれば一辺の長さとするなど、底面の大きさを示す長さと考えることができる。このようにすると、どの方向の励起準位も同程度のエネルギーを持つので、中間のエネルギーで発光することがなく、高い効率で発光が得られる。
【００９６】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【００９７】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施様態による半導体発光素子を説明する。本実施形態の半導体発光素子は、多層膜反射鏡により量子ドットからの複数の波長の発光を狭線幅化して、各波長の光を分離するものであって、その構成は第５実施形態の半導体発光素子と概略同一であり、異なる点について説明する。
【００９８】
ＧａＩｎＮ量子ドットの二つの準位からの発光強度のピークの波長λ１、λ２に対して、多層膜反射鏡の各層の光学膜厚ｄがｄ＝λ１×（２ｍ−１）／４＝λ２×（２ｎ−１）／４ （ｍ，ｎは自然数、ｍ＜ｎ）の関係を満たすと、多層膜反射鏡が波長λ１の光に対して高反射率の膜となる場合には、波長λ２の光に対しても高反射率の膜となる。このため、二つの光に対して同時に高反射率を有する膜を形成することができる。この点を利用してエタロンを形成することで、２種類の波長の比が２ｎ−１と２ｍ−１の狭線幅化した光を放射する光半導体素子を形成することができる。特に、二種類の波長の比がλ１：λ２＝５：３またはλ１：λ２＝７：５としたときにいずれも可視光の光を放出することができる。λ１／λ２がこれよりも大きい場合には一方は可視光で無くなる。λ１／λ２がこれより小さい場合には多層膜反射鏡の光学膜厚のｎ、ｍが大きくなりエタロンの特性が劣化するので、波長の選択性が劣化する。
【００９９】
ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを積層してなる多層膜反射鏡層３１の各層の光路長における厚さ（光学膜厚）は発光波長λ１の３／４倍または５／４倍とする。また、ＴＩＯ２層とＳｉＯ２層よりなる誘電体多層膜反射鏡層４５の各層の光路長おける厚さ（光学膜厚）も発光波長λ１の３／４倍または５／４倍とする。例えば、光学膜厚を青紫色の光の波長４４０ｎｍの５／４倍である５５０ｎｍとすると、赤色の光の波長７３３ｎｍの３／４倍となる。ここで、ＧａＩｎＮからなる量子ドット３６の基底準位の発光の強度ピークの波長をλ１とし、第一励起準位の発光の強度ピークの波長をλ２として、λ１：λ２＝５：３または７：５の関係を満たすように量子ドット３６のサイズとＩｎの組成を形成することで、多層膜反射鏡層３１と誘電体多層膜反射鏡層４５がλ１の波長の光に対して高反射膜である場合にはλ２の波長の光に対しても高反射膜となる。
【０１００】
更に、ＧａＮからなるコンタクト層３２、ＧａＮからなるクラッド層３３、活性層４０、ＧａＮからなる第一クラッド層４１、ＡｌＧａＮからなる第二クラッド層４２、およびｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４３の全体の光路長をλ１の３倍ないし５倍（つまりλ２の５倍ないし７倍）とし、多層膜反射鏡層３１の表面を低屈折率のＡｌＧａＮ、誘電体多層膜反射鏡層４５の活性層側を低屈折率のＳｉＯ２層とすることで、λ１とλ２の二つの波長に対して同時にエタロン構造が形成される。
【０１０１】
このため、λ１とλ２の光が狭線幅化されて基底準位の光と第一励起準位の光のフィルタリングが行え、放出光の混同が起こらない。特にλ２を３９０ｎｍ〜５６０ｎｍとしてλ１をその７／５倍の５５０ｎｍ〜７８０ｎｍとすれば、λ１、λ２ともに可視光となるので、可視のＬＥＤあるいはＬＤとしての２色光源を実現することができる。また、λ２を３９０ｎｍ〜４７０ｎｍとして、λ１をその５／３倍である６５０ｎｍ〜７８０ｎｍとすれば、２色が可視光の範囲内では最も多層膜反射鏡の性能を高くすることができ、エタロンの特性を最も高くすることができ、波長の混合のない光半導体素子を実現することができる。
【０１０２】
このような条件を満たすためには、λ１とλ２の光のエネルギー差が（１２４０／λ２−１２４０／λ１）ｅＶであり、λ１／λ２＝７／５の場合には、０．６２ｅＶ〜０．９２ｅＶとなり、λ１／λ２＝５／３の場合には、１．０５ｅＶ〜１．２７ｅＶとなる。これらの場合、それぞれ量子ドットの量子化エネルギーは０．２ｅＶ〜０．３ｅＶ、０．３５ｅＶ〜０．４ｅＶ程度となる。これらの条件を考慮すると量子ドット３６を構成するＩｎＧａＮのＩｎの組成比は０．６５以上であることが望ましく、量子ドット３６のサイズは２ｎｍ〜３ｎｍ程度となる。
【０１０３】
例えば、λ１／λ２＝５／３として、λ２を４４０ｎｍ、λ１を７３０ｎｍとする場合、Ｉｎの組成を７７％、量子ドット３６の高さを２．３ｎｍとすればよい。また例えば、λ１／λ２＝７／５として、λ２を４７０ｎｍ、λ１を６６０ｎｍとする場合、Ｉｎの組成を６５％、量子ドット３６の高さを２．４ｎｍとすればよい。また例えば、λ１／λ２＝７／５として、λ２を５５０ｎｍ、λ１を７７０ｎｍとする場合、Ｉｎの組成を７３％、量子ドット３６の高さを２．７ｎｍとすればよい。
【０１０４】
量子ドット３６の横方向の直径は高さと同等の２ｎｍ〜３ｎｍとしてもよい。ここで、横方向に関しては側面が円形でなければ径を定義することはできないが、正方形であれば、一辺の長さとするなど、底面の大きさを示す長さと考えることができる。このようにするとどの方向の励起準位も同程度のエネルギーを持つので、中間のエネルギーで発光することがなく、高い効率で発光が得られる光半導体素子を実現することができる。
【０１０５】
また、量子ドット３６の高さを２ｎｍ〜３ｎｍとして横方向の長さを１０ｎｍ以上とすると、室温では横方向への閉じ込めが弱くなり、バンド間のエネルギー差が室温のエネルギーと大差なくなることから、量子ドット３６の高さ方向の準位に対してサブバンド的に機能してエネルギー幅が広くなり、エタロンで定まる発光エネルギーに対して量子ドット３６の高さのマージンが広くなり、実効的に高い発光効率を得ることができる。
【０１０６】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高い半導体発光素子を提供することができる。
【０１０７】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態による半導体発光装置の概略断面を図２２に示す。本実施形態の半導体発光装置は、図２２に示すように、半導体発光素子６１、６２、６３を備えている。これらの半導体発光素子６１、６２、６３は、第１実施形態の発光素子であって、同一基板１上に設けられている。
【０１０８】
本実施形態の半導体発光装置の出力特性を図２３に示す。図２３に示すように、電流を増大した場合、光出力は増大する。そこで、本実施形態の半導体発光装置の発光素子６１、６２、６３に図２３に示す（１）、（２）、（３）の電流を流した場合の、本実施形態による半導体発光装置の発光スペクトルを図２４に示す。図２４からわかるように、本実施形態による半導体発光装置に（１）の電流を流した場合は波長が６３０ｎｍの赤色光、（２）の電流を流した場合は波長が５５５ｎｍの緑色光、（３）の電流を流した場合は波長が４７５ｎｍの青色光がそれぞれ出力される。したがって、本実施形態の半導体発光装置の発光素子６１に図２３に示す（１）の電流を流した場合は発光素子６１から波長が６３０ｎｍの赤色光、発光素子６２に図２３に示す（２）の電流を流した場合は発光素子６２から波長が５５５ｎｍの緑色光、発光素子６３に図２３に示す（３）の電流を流した場合は発光素子６３から波長が４７５ｎｍの青色光が出力される。なお、本実施形態では、半導体発光素子６１、６２、６３は、第１実施形態の発光素子であったが、第１実施形態の変形例および第２乃至第６実施形態の発光素子のいずれかであってもよい。
【０１０９】
上述したように、量子ドット構造を持つ本実施形態の半導体発光装置による発光素子では、同一基板に形成した各発光素子に印加する駆動電流が異なる場合、異なる色の光を発光させることができる。このため、本実施形態の半導体発光装置は、照明装置に用いることができる。
【０１１０】
現在、様々な照明、ディスプレイにおいて、色の３原色である、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色をそれぞれ段階制御することにより、様々な色を再現している。色の再現性は、制御階調が豊富であるほどより自然な色表現が可能である。本実施形態においては、発光素子の駆動電流を変えることにより、様々な波長の光を制御することが可能であり、１０２４階調制御すれば１０億色以上の色再現が可能である。
【０１１１】
従来の発光装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の発光素子がそれぞれ異なる基板上に作製され、これらを寄せ集めることで作製されている。
【０１１２】
これに対して、本実施形態では、同一基板上に異なる発光素子を作製している。したがって、本実施形態の半導体発光装置では、各色の発光素子のピッチ間隔を小さくすることで高集積化および高精細化が図れるという利点を併せ持っている。このため、本実施形態の半導体発光装置は、発光素子はＬＥＤの場合は、図２２に示す３個の発光素子６１、６２、６３を１画素とし、発光素子６１、６２、６３がＲ、Ｇ、Ｂをそれぞれ表示するサブピクセルである平面表示装置として用いることができる。
【０１１３】
また、本実施形態の半導体発光装置は、発光素子の長寿命化を図る上でも好適である。例えば、白色照明やＬＥＤディスプレイなどに用いる場合、ある期間は発光素子６１からＲ（赤）、発光素子６２からＧ（緑）、発光素子６３からＢ（青）を発光させ、またある期間は発光素子６１からＧ、発光素子６２からＢ、発光素子６３からＲを発光させ、またある期間は発光素子６１からＢ、発光素子６２からＲ、発光素子６３からＧを発光させるように印加する駆動電流を定期的に変えることにより、各発光素子６１、６２、６３に掛かる負荷が均等化とすることが可能となるため、通常のデバイスに比べ長寿命化を図ることができる。
【０１１４】
また、図２２に示す同一基板上に作製した３個の発光素子６１、６２、６３に対し、各発光素子の駆動する電流を変え、赤、緑、青の３色を同時に発生させることにより照明、ディスプレイ用の白色ＬＥＤおよびレーザを実現できることに加え、各発光素子を別々の信号により、それぞれ１０Ｍｂｐｓの速度で変調させ、受信側に、光学バンドパスフィルタなどを用いることで、３色それぞれのデータ通信を行うこともできる。すなわち、通信に本実施形態の半導体発光装置を用いれば、色多重化により伝送容量を増大させることができる。
【０１１５】
本実施形態では、同一基板上に３個の発光素子を作製したが、２個の発光素子または４個以上の発光素子を同一基板上に形成しても、同様の効果が得られることとは明らかである。特に照明やディスプレイの応用では、同一基板上に高密度に集積化できるので、従来のデバイスに比べ非常に大きな利点がある。
【０１１６】
また、本実施形態では、駆動する電流値を変えることにより、３個の発光素子を用いて、赤、緑、青の３色で実証したが、これ以外の様々な色、波長において発光させることが可能であり、従来の発光素子よりも、照明の演色性、ディスプレイにおける色再現性、通信における情報量、伝送容量の増大が期待できる。なお、通信に用いる場合は可視光でなくともよいが、二種類の可視光を用いることにより、いずれの光を用いているときにも、信号の伝送が行われていることを容易に確認することができる。また、２種類の光が同時に放射されている場合（人間の認識において同時に放射されていると認識される場合）色の変化により、二種類の光を用いた通信が行われていることを確認できる。更に、表示デバイスと通信デバイスを兼用する場合、ディスプレイに点灯させたまま通信できる時間が長くなるので、通信をより長時間行えるようになる。
【０１１７】
以上述べたように、本実施形態によれば、発光効率が高く、演色性が高く、高速通信が可能な半導体発光装置を提供することができる。
【０１１８】
また、本発明の各実施形態によれば、長寿命で、製造しやすい可視光域の半導体発光素子および半導体発光装置を得ることができる。
【０１１９】
また、本発明の一実施形態による白色発光素子は、基板上に形成され、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅（バンドギャップエネルギー）より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の３次元量子構造である量子ドット構造を有し、量子ドットはその禁止帯幅および量子準位（励起準位）に対応した波長の光を発する。量子ドット構造は、形状、外径、高さがほぼ同一に揃った均一性の高い、その寸法に対応した波長の光を発する。量子ドットはバンドギャップエネルギーが周囲の半導体のバンドギャップエネルギーより小さく、そのキャリアが閉じ込められるので、高い発光効率で発光させることができる。発光波長は量子ドットの外径に対応する。すなわち、量子ドットにおいては、微小領域への閉じ込めにより、伝導帯や価電子帯の準位は離散化する。伝導帯、価電子帯の電子、正孔は、基底準位、第２準位などの完全に離散化された量子準位のみに局在することになる。量子ドットに電流を注入して発光させる際に、駆動電流値を変化させると基底準位、第二準位などからの発光が得られ、複数の波長での発光が得られる。
【０１２０】
上記のように、量子ドットの外径は同一でも、複数の量子準位からの発光は、それぞれ異なる波長となる。例えば、赤色光から青色光に渡る波長域の光を発光させ、これらを混合すれば、所望の白色光を得ることができる。したがって、高い演色性を確保することができる。量子ドットからの発光は、上述のように、非常に発光効率が高いことが知られており、優れた発光効率を得ることができる。また、蛍光材料のように寿命を制約する因子がないので、長寿命を得ることができる。上記量子ドットは、成膜条件の制御などにより自発的に自己形成されることが知られており、成膜条件を把握すれば製造は容易である。
【０１２１】
なお、上記量子ドットはＴＥＭ(Transmission Electron Microscopy)、カソードルミネッセンス、ＡＦＭ(Atomic Force Microscopy)などにより容易に観察することができる。また、その他の市販のナノテクノロジ用の観察装置を用いて観察してもよい。この後で説明する量子細線についても同様である。
【０１２２】
本発明の他の実施形態による白色発光素子は、発光層を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、発光層は、周りの半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する線状半導体である量子細線を複数本含む。そして、複数本の量子細線の幅は、同一であり、各量子細線はその量子準位に対応した波長の光を発する。上記量子ドットがキャリアの閉じ込めによる高効率発光の零次元（点）とすると、上記構成における量子細線は、その１次元（線）といえる。このため、製造方法を除いて、上記量子ドットで述べた作用効果をそのまま引用することができる。製造方法については、基板を傾斜させるなどして成膜することにより量子細線を得ることができる。その他、これまでに既知の方法を適用することができる。上記の量子ドットおよび量子細線構造により、波長が単一ではなく複数の波長をもって発光するので、これら複数の波長の光を適宜混合することにより、優れた演色性を確保して、所望のトーンの白色を得ることができる。上記の波長対応寸法は、量子ドットの場合は外径寸法であり、量子細線の場合は細線の幅寸法である。
【０１２３】
また、上記の複数の量子準位から発光する量子構造からなる活性層と共振器構造を組み合わせることにより、発光スペクトルの狭帯化を行う。これにより、複数の波長のそれぞれのスペクトルは重畳することなく発光される。また複数個のＬＥＤが必要された白色発光素子において、本発明の素子では１個の発光素子により、白色発光を実現し、かつ色多重通信により伝送容量の増大が図れる。
【０１２４】
上記の発光波長に対応する量子ドット、量子細線構造の寸法（サイズ）は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。上記半導体の部分の寸法をこの寸法範囲内にすることにより、キャリア閉じ込めの量子効果を得ることができ、伝導帯や価電子帯の離散化による高い発光効率と、複数の発光波長を得ることができる。これら寸法は、上述のＴＥＭ、ＡＦＭ、カソードルミネッセンス観察などを用いて測定することができる。また、上記の発光層は、ｐ型およびｎ型窒化ガリウム系半導体によってはさまれるように配置するのがよい。この構成により、発光層にキャリアを注入することができ、外部からの入力により持続的な発光を行なうことができる。
【０１２５】
また、本発明の各実施形態の発光素子が形成される基板として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＺｒＢ２のうちのいずれかの材料を用いることができる。これらの基板は入手が容易であり、これら基板を用いてエピタキシャル成長した多層構造を形成することが可能となり、発光素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図２】第１実施形態における活性層の量子ドットの配列の一例を示す斜視図。
【図３】本発明の各実施形態における、量子ドットを有する白色発光素子の発光原理を示す図。
【図４】発光層の形態を変えた場合の、エネルギーと状態密度との関係を示す図。
【図５】第１実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図６】第１実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図７】第１実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図８】第１実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図９】本発明の第２実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図１０】第２実施形態による半導体発光素子の活性層の量子ドットの配置の一例を示す斜視図。
【図１１】第２実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図１２】第２実施形態による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図１３】第２実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図１４】第２実施形態の変形例による半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の発光スペクトルを示す図。
【図１５】複数波長の発光を混合して得た白色光のスペクトルを示す図。
【図１６】本発明の第３実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図１７】第３実施形態による半導体発光素子の発光層を示す斜視図。
【図１８】本発明の第４実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図１９】本発明の第５実施形態による半導体発光素子の断面図。
【図２０】第５実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図２１】第５実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合のスペクトルを示す図。
【図２２】本発明の第７実施形態による半導体発光装置の断面図。
【図２３】第７実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合の出力特性を示す図。
【図２４】第７実施形態の半導体発光素子の駆動電流を変えた場合のスペクトルを示す図。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 基板
２ バッファ層
３ 電極層
４ ｎ型クラッド層
６ 活性層層
６ａ 量子ドット
６ｂ 量子細線
７ 成長カバー層（バリア層）
８ ｐ型クラッド層
９ コンタクト層
１０ 電流制限層
１１ ｐ型金属電極
１２ ｎ型金属電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子ドットを含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記複数の量子ドットは、実質的に均一なサイズであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記量子ドットは、サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料からなる実質的に均一な幅の複数の量子細線を含む発光層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子細線を含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
前記量子細線は、厚みおよび幅が１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項４または５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光層は複数の波長で発光強度のピークを有し、
前記第１および第２半導体層の少なくとも一方の半導体層の前記発光層
とは反対側に設けられ、前記複数の波長の少なくとも一つの波長での発光波長の幅を狭くして各波長の分離が可能な多層膜反射鏡を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＺｒＢ２のうちのいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
同一基板上に設けられた請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子を複数個備え、前記半導体発光素子の駆動電流を変化させることにより、基底準位あるいは励起準位からの発光輝度を制御することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１】
基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子ドットを含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記複数の量子ドットは、実質的に均一なサイズであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記量子ドットは、サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料からなる実質的に均一な幅の複数の量子細線を含む発光層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
基板上に設けられた第１導電型半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた第２導電型半導体からなる第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１および第２半導体層の半導体の禁止帯幅より小さい禁止帯幅を有する半導体材料の複数の量子細線を含み、駆動電流に応じて基底準位あるいは励起準位に対応した波長の光を発光する発光層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
前記量子細線は、厚みおよび幅が１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項４または５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光層は複数の波長で発光強度のピークを有し、
前記第１および第２半導体層の少なくとも一方の半導体層の前記発光層
とは反対側に設けられ、前記複数の波長の少なくとも一つの波長での発光波長の幅を狭くして各波長の分離が可能な多層膜反射鏡を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＺｒＢ２のうちのいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
同一基板上に設けられた請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子を複数個備え、前記半導体発光素子の駆動電流を変化させることにより、基底準位あるいは励起準位からの発光輝度を制御することを特徴とする半導体発光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００７−１２３７３１（Ｐ２００７−１２３７３１Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１７０３８（Ｐ２００５−３１７０３８）
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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