多波長発光素子及びその製造方法
【課題】効率的な製造が可能な多波長発光素子を提供する。
【解決手段】多波長発光素子100は、表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面121,122を有する基板110と、基板110上に第１結晶成長面121から半導体が結晶成長して形成された第１半導体層131と、第１半導体層131上に半導体が結晶成長して形成された第１半導体発光層151と、基板110上に第２結晶成長面122から半導体が結晶成長して形成された第１半導体層131の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層132と、第２半導体層132上に、第１半導体発光層151を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された第２半導体発光層152とを備える。
【解決手段】多波長発光素子100は、表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面121,122を有する基板110と、基板110上に第１結晶成長面121から半導体が結晶成長して形成された第１半導体層131と、第１半導体層131上に半導体が結晶成長して形成された第１半導体発光層151と、基板110上に第２結晶成長面122から半導体が結晶成長して形成された第１半導体層131の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層132と、第２半導体層132上に、第１半導体発光層151を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された第２半導体発光層152とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多波長発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光波長が相互に異なる複数の半導体発光層を同一基板上に形成した多波長発光素子が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、同一基板上に、ＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる発光ダイオード部を少なくとも１個積層し、その発光ダイオード部上に、ＧａＮ系化合物半導体からなる発光ダイオード部を１個以上積層した多波長発光素子が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、１つの基板材料上に少なくとも２種類以上の半導体発光素子を形成し、各々の半導体発光素子上に、それぞれの素子の発光波長に反応する蛍光体を複数種類塗布し、各々の半導体発光素子を同時に発光させることにより、広範囲の発光波長を有する可視光を発光する多波長発光装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−５５５３８号公報
【特許文献２】特開２００８−７１８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された技術では、発光波長が相互に異なる複数の半導体層を積層するため、それらの複数の半導体層を別々の工程で形成する必要がある。また、特許文献２に記載された技術でも、基板上に、第１の半導体発光素子を形成した後、別工程で第２の半導体発光素子を形成する。
【０００７】
本発明の課題は、効率的な製造が可能な多波長発光素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の多波長発光素子は、
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有すると共に該第１及び第２結晶成長面に対応する第１及び第２発光領域が構成された基板と、
上記基板上の上記第１発光領域に積層されるように設けられ上記第１結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された第１半導体層と、
上記第１半導体層上に積層されるように設けられ半導体が結晶成長して形成された所定の波長の光を発光する第１半導体発光層と、
上記基板上の上記第２発光領域に積層されるように設けられ上記第２結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された、上記第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層と、
上記第２半導体層上に積層されるように設けられ上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体が結晶成長して形成され且つ上記第１半導体発光層とは層厚が異なる、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層と、
を備える。
【０００９】
本発明の多波長発光素子の製造方法は、
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有する基板を準備する準備工程と、
上記準備工程で準備した基板の第１結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第１発光領域を構成して積層するように第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備した基板の第２結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第２発光領域を構成して積層するように、第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、
上記第１半導体層形成工程で形成した第１半導体層上に積層するように半導体を結晶成長させて所定の波長の光を発光する第１半導体発光層を形成すると同時に、上記第２半導体層形成工程で形成した第２半導体層上に積層するように、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体を結晶成長させて、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第１半導体発光層とは層厚が異なるように結晶成長させて、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層を形成する第１及び第２半導体発光層形成工程と、
を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面から半導体が結晶成長して形成された、主面の結晶面が相互に異なる第１及び第２半導体層上には、同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長しても、及び／又は、同一の構成元素の半導体が層厚が異なって結晶成長しても、発光波長が異なる第１及び第２半導体発光層が形成され得ることから、第１及び第２半導体発光層を同一工程で形成することができ、従って、多波長発光素子の効率的な製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る多波長発光素子の平面図である。
【図２】図１におけるII-II断面図である。
【図３】図１におけるIII-III断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は基板及び第１〜第３ｕ-半導体層の具体例の断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は実施形態に係る多波長発光素子の製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１３】
（多波長発光素子）
図１〜３は本実施形態に係る多波長発光素子１００を示す。
【００１４】
＜基板＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００はベースとなる基板１１０を備えている。
【００１５】
基板１１０としては、例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板等が挙げられる。これらのうち汎用性の観点からＡｌ2Ｏ3のコランダム構造の単結晶基板であるサファイア基板が好ましい。基板１１０の主面（基板の厚さ方向を法線方向とし、それに直交する面）は、法線方向がａ軸であるａ面＜｛１１−２０｝面＞、法線方向がｃ軸であるｃ面＜｛０００１｝面＞、及び法線方向がｍ軸であるｍ面＜｛１−１００｝面＞のいずれであってもよく、また、ｒ面＜｛１−１０２｝面＞、ｎ面＜｛１１−２３｝面＞等の他の結晶面であってもよい。さらに、基板１１０の主面は、ａ軸等が主面の法線方向に対して所定の角度（例えば４５°や６０°、あるいは数度以内の微少角）傾斜したミスカット面であってもよい。つまり、基板１１０はミスカット基板であってもよい。なお、ａ面、ｃ面、及びｍ面は面方位が相互に直交する。
【００１６】
基板１１０は、表面に面方位が相互に異なる第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３を有しており、それらの第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３に対応する第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３が構成されている。なお、基板１１０は、表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面１２１，１２２のみを有し、それらの第１及び第２結晶成長面１２１，１２２に対応する第１及び第２発光領域Ａ１，Ａ２が構成されたものであってもよい。また、基板１１０は、表面に第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３とは面方位が異なる結晶成長面を有し、その結晶成長面に対応する発光領域が１つ乃至複数構成されていてもよい。つまり、発光領域が３つよりも多く構成されていてもよい。
【００１７】
第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３は、基板１１０の主面、基板１１０に形成された第１凹溝１１１の一方の側面、第１凹溝１１１の延びる方向に角度（典型的には９０°）を有して延びる第２凹溝１１２の一方の側面によって構成されている。第１及び第２凹溝１１１，１１２は、側面を有せば、コの字溝であってもよく、Ｖ字溝であってもよく、台形溝であってもよい。第１及び第２凹溝１１１，１１２は、例えば、溝開口幅が０．５〜１０μｍ、溝深さが０．７５〜１００μｍ、及び溝側面の主面に対してなす角度が７０〜１２０°である。第１及び第２凹溝１１１，１１２は、１本だけが形成されていてもよく、また、複数本が相互に間隔をおいて並行に延びるように形成されていてもよい。後者の場合、溝間隔は例えば１〜１００μｍである。なお、第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３は、その他の凹部の側面や凸部乃至凸状の側面で構成されていてもよい。
【００１８】
具体的には、例えば、基板１１０がサファイア基板であるとき、図４（ａ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるａ面、第２結晶成長面１２２がｍ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交してｃ軸方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第１構成、図４（ｂ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるｃ面、第２結晶成長面１２２がｍ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交してａ軸方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第２構成、図４（ｃ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるｎ面、第２結晶成長面１２２がｍ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面であるｃ面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交する方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第３構成、並びに、図４（ｄ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるｒ面、第２結晶成長面１２２がａ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交する方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第４構成が挙げられる。
【００１９】
＜第１〜第３ｕ-半導体層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、基板１１０上の第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３に積層されるように設けられた第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３を備えている。これらの第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３は、第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３を起点として、それぞれアンドープの半導体が結晶成長して形成されたものである。
【００２０】
第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３を形成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３は、同一の半導体で形成されていてもよく、また、異なる半導体を含んで形成されていてもよい。第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の厚さは例えば２〜１００μｍである。
【００２１】
第１ｕ-半導体層１３１は、基板１１０の主面の結晶面と同じ結晶面を主面としてもよく、また、基板１１０の主面の結晶面と異なる結晶面を主面としてもよい。第２ｕ-半導体層１３２は、第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする。第３ｕ-半導体層１３３は、第１及び第２半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする。
【００２２】
具体的には、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３を形成する半導体がＧａＮのとき、第１構成の場合、図４（ａ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のａ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ｃ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｍ軸方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、ｍ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-半導体層１３３として、ａ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２３】
第２構成の場合、図４（ｂ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のｃ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ｃ面（又はｍ面）を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｍ軸（又はｃ軸）方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、ｍ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-ＧａＮ層１３３として、ｃ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２４】
第３構成の場合、図４（ｃ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のｎ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ｃ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｍ軸方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、半極性｛０−１０１｝面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸とｍ軸との中間の方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-半導体層１３３として、ａ面とｃ面との中間の結晶面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸とｃ軸との中間の方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２５】
第４構成の場合、図４（ｄ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のｒ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ａ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、｛１１−２２｝面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸とｃ軸との中間の方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-半導体層１３３として、ｍ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｃ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２６】
なお、基板１１０と第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３との間には、厚さが２０〜３０ｎｍ程度の低温バッファ層が設けられていてもよい。また、上記で構成された第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の高さは結晶成長の困難さより揃わないことも予想され、その場合は研磨等を施すことによって高さを揃えてもよい。
【００２７】
＜第１〜第３ｎ型半導体層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３に積層されるように設けられた第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を備えている。これらの第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面を起点として、それぞれｎ型ドーパントがドープされた半導体がエピタキシャル結晶成長して形成されたものである。従って、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２８】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を構成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、同一の半導体で構成されていてもよく、また、異なる半導体を含んで構成されていてもよい。
【００２９】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に含まれるｎ型ドーパントとしては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。ｎ型ドーパントの濃度は例えば１．０×１０17〜２０×１０17／ｃｍ3である。
【００３０】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、単一層で構成されていてもよく、また、ｎ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の厚さは例えば２〜１０μｍである。
【００３１】
＜第１〜第３発光層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に積層されるように設けられた第１〜第３発光層１５１〜１５３を備えている。これらの第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の主面を起点として、それぞれ半導体がエピタキシャル結晶成長して形成されたものである。従って、第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３及び第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００３２】
第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３井戸層（第１〜第３半導体発光層）１５１ａ〜１５３ａと第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂとの交互積層構造を有する多重量子井戸層によって構成されている。第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａ及び第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂの層数は例えば５〜１５層である。
【００３３】
第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａを形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等が挙げられる。第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａの厚さは例えば１〜２０ｎｍである。
【００３４】
第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂを形成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ(ただし、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａのバンドギャップより大きい)等が挙げられる。第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂの厚さは例えば５〜２０ｎｍである。
【００３５】
第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａが同一の構成元素（例えば、構成元素がＩｎ、Ｇａ、及びＮで同一である。）からなる半導体が結晶成長して形成されていると共に、第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂも同一の構成元素（例えば、構成元素がＧａ及びＮで同一である。）からなる半導体が結晶成長して形成されている。第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａは、相互に異なる結晶面を主面とする第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３、従って、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とするので、例えばＩｎＧａＮで形成されている場合、層内へのＩｎＮの取り込まれ効率（ＩｎＮ混晶比）が相異し、そのため、元素組成比が相互に異なることとなり、及び／又は、層厚が相互に異なることとなり、その結果、相互に異なる波長の光を発光するように構成されている。
【００３６】
第１〜第３発光層１５１〜１５３は、例えば、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、及び（青）の光を発光するように構成されていてもよい。これによりワンチップの白色発光素子（白色ＬＥＤ）を構成することができる。
【００３７】
＜第１〜第３ｐ型半導体層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３発光層１５１〜１５３に積層されるように設けられた第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を備えている。
【００３８】
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を構成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、同一の半導体で構成されていてもよく、また、異なる半導体を含んで構成されていてもよい。
【００３９】
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３に含まれるｐ型ドーパントとしては、例えば、Ｍｇ、Ｃｄ等が挙げられる。ホール効果測定で測定される自由正孔濃度は例えば２．０×１０17〜１０×１０17／ｃｍ3である。
【００４０】
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、単一層で構成されていてもよく、また、ｐ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の厚さは例えば５０〜２００ｎｍである。
【００４１】
＜ｎ型電極及びｐ型電極＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するように設けられた第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３、及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３に電気的に接続するように設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００４２】
第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３の構成電極材料としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等が挙げられる。第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３の厚さは例えばＴｉ／Ａｌ（１０ｎｍ／５００ｎｍ）である。
【００４３】
第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３としては、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等、又はＩＴＯ（酸化インジウム錫）などの酸化物系透明導電材料が挙げられる。なお、第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３の上にはワイヤーボンディング用のパッド電極が必要であり、多くの場合は第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３と同じ材料系が用いられる。第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３の厚さは例えばＩＴＯの場合１０〜２００ｎｍである。
【００４４】
（多波長発光素子の製造方法）
次に、本実施形態に係る多波長発光素子１００の製造方法について図５（ａ）〜（ｆ）に基づいて説明する。以下の本実施形態に係る多波長発光素子１００の製造方法では、ウエハ１１０’（基板１１０）上に第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３としてのｕ-ＧａＮ層、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３としてのＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層、第１〜第３発光層１５１〜１５３としての多重量子井戸層（第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａ：ＩｎＧａＮ層、第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂ：ＧａＮ層）、及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３としてのＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層の各半導体層を順に形成した後、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３及び第１〜第３ｐ型ＧａＮ層１６１〜１６３の上に第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３をそれぞれ形成するものを例とする。
【００４５】
＜ウエハ（基板）準備工程＞
ウエハ１１０’の各多波長発光素子１００の形成領域において、図５（ａ）に示すように、凹溝形成予定部分だけが開口部となるようにフォトレジストのパターニングを形成し、図５（ｂ）に示すように、フォトレジスト２００をエッチングレジストとしてエッチングすることにより、ウエハ１１０’の表面に第１及び第２凹溝１１１，１１２を形成した後、フォトレジスト２００を除去する。
【００４６】
このとき、ウエハ１１０’の各多波長発光素子１００の形成領域には、表面に、相互に面方位が異なる第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面が露出する。
【００４７】
＜半導体層の形成工程＞
以下の各半導体層の形成方法としては、有機金属気相成長法（Metal Organic Ｖapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）等が挙げられ、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した各半導体層の形成方法について説明する。
【００４８】
各半導体層の形成に用いるＭＯＶＰＥ装置は、各々、電子制御される、ウエハ搬送系、ウエハ加熱系、ガス供給系、及びガス排気系で構成されている。ウエハ加熱系は、熱電対及び抵抗加熱ヒータ、その上に設けられた炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタで構成されている。そして、ＭＯＶＰＥ装置は、ウエハ加熱系において、搬送される石英トレイのサセプタの上にセットされたウエハ１１０’上に反応ガスにより半導体層を結晶成長させるように構成されている。
【００４９】
−ｕ-ＧａＮ層形成工程−
上記ＭＯＶＰＥ装置を用い、表面に第１及び第２凹溝１１１，１１２を形成加工したウエハ１１０’を、表面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、ウエハ１１０’を１０５０〜１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてＨ2を流通させ、その状態を数分間保持することによりウエハ１１０’をサーマルクリーニングする。
【００５０】
次いで、ウエハ１１０’の温度を１０５０〜１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ2を１０Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００５１】
このとき、図５（ｃ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面を起点として、アンドープのＧａＮが基板１１０上に積層するように結晶成長して第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、それによって第１発光領域Ａ１が構成される。また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点として、アンドープのＧａＮが基板１１０上に積層するように結晶成長して第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、それによって第２発光領域Ａ２が構成される。さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点として、アンドープのＧａＮが基板１１０上に積層するように結晶成長して第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成され、それによって第３発光領域Ａ３が構成される。
【００５２】
第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３は、それぞれ第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３を起点として結晶成長して形成されることにより相互に異なる面方位の主面を有することとなる。
【００５３】
第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３は、結晶成長条件の選択により、或いは、結晶成長させない部分にマスク等して、個別に結晶成長させて形成してもよく、また、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３のうち２つ又は全部を同時に結晶成長させて形成してもよい。
【００５４】
なお、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３を形成する前に低温バッファ層を形成する場合には、ウエハ１１０’の温度を４００〜５００℃としてＧａＮを結晶成長させればよい。また、ウエハ１１０’における第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３以外の部分にはマスクを設けておいてもよい。
【００５５】
−ｎ型ＧａＮ層形成工程−
反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ2を５〜１５Ｌ／ｍｉｎ（以下、ガス流量は基準状態（０℃、１気圧）での値とする）の流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ4）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び１〜５×１０-3μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００５６】
このとき、図５（ｄ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３の主面を起点として、ｎ型ドーパントであるＳｉがドープされたＧａＮが第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３上に積層するようにエピタキシャル結晶成長して第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３が形成される。従って、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３もまた、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３と同様、相互に異なる面方位の主面を有することとなる。
【００５７】
第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３は、結晶成長条件の選択により、或いは、結晶成長させない部分にマスク等して、個別に結晶成長させて形成してもよく、また、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３のうち２つ又は全部を同時に結晶成長させて形成してもよい。
【００５８】
−発光層形成工程−
ウエハ１１０’の温度を８００℃程度とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＮ2を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びIII族元素供給源２（ＴＭＩ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び２〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。
【００５９】
このとき、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３の主面を起点として、ＩｎＧａＮが第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３に積層するようにエピタキシャル結晶成長して第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａが同時に形成される。
【００６０】
次いで、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3 ）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００６１】
このとき、結晶成長条件の選択により、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａの主面を起点として、ＧａＮが第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａに積層するようにエピタキシャル結晶成長して第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂが同時に形成される。
【００６２】
そして、上記と同様の操作を交互に繰り返すことにより、図５（ｅ）に示すように、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａと第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂとが交互に積層された多重量子井戸層の第１〜第３発光層１５１〜１５３を形成する。
【００６３】
ここで、第１〜第３発光層１５１〜１５３が相互に異なる結晶面を主面とする第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３、従って、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とするので、第１〜第３発光層１５１〜１５３における第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａ内へのＩｎＮの取り込まれ効率が相異し、そのため、元素組成比が相互に異なる、及び／又は、層厚が相互に異なることとなる。その結果、第１〜第３発光層１５１〜１５３は相互に異なる波長の光を発光するように構成されることとなる。なお、第１〜第３発光層１５１〜１５３の発光波長は、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａの井戸幅（厚み）及びＩｎＮ混晶比に依存するが、ＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。ＩｎＮ混晶比はＴＭＩのモル流量／（ＴＭＧのモル流量＋ＴＭＩのモル流量）と成長温度によって決定される。
【００６４】
以上のように、本実施形態に係る多波長発光素子１００の製造方法によれば、面方位が相互に異なる第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３から半導体が結晶成長して形成された、主面の結晶面が相互に異なる第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３上には、同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長しても、及び／又は、同一の構成元素の半導体が層厚が異なって結晶成長しても、発光波長が異なる第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａが形成され得ることから、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を同一工程で形成することができ、従って、多波長発光素子１００の効率的な製造が可能となる。
【００６５】
−ｐ型ＧａＮ層の形成−
ウエハ１１０’の温度を１０００〜１１００℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスのＨ2を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、III族元素供給源３（ＴＭＡ）、及びｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ2Ｍｇ）を、それぞれの供給流量０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、２〜８０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び０．０３〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。
【００６６】
このとき、図５（ｆ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１〜第３発光層１５１〜１５３の主面を起点として、ｐ型ドーパントであるＭｇがドープされたＧａＮが第１〜第３発光層１５１〜１５３上に積層するように結晶成長して第１〜第３ｐ型ＧａＮ層１６１〜１６３が形成される。
【００６７】
＜ｎ型電極及びｐ型電極形成工程＞
ウエハ１１０’上に積層形成した半導体層を部分的に反応性イオンエッチングすることにより第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３を露出させた後、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法により第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３上に第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型ＧａＮ層１６１〜１６３上に第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３をそれぞれ形成する。
【００６８】
そして、ウエハ１１０’を劈開することにより個々に分断し、本実施形態に係る多波長発光素子１００が製造される。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は多波長発光素子及びその製造方法について有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１００ 多波長発光素子
１１０ 基板
１１０’ ウエハ
１１１ 第１凹溝
１１２ 第２凹溝
１２１〜１２３ 第１〜第３結晶成長面
１３１〜１３３ 第１〜第３ｕ-半導体層（第１〜第３ｕ-ＧａＮ層）
１４１〜１４３ 第１〜第３ｎ型半導体層（第１〜第３ｎ型ＧａＮ層）
１５１〜１５３ 第１〜第３発光層
１５１ａ〜１５３ａ 第１〜第３井戸層（第１〜第３半導体発光層）
１５１ｂ〜１５３ｂ 第１〜第３障壁層
１６１〜１６３ 第１〜第３ｐ型半導体層（第１〜第３ｐ型ＧａＮ層）
１７１〜１７３ 第１〜第３ｎ型電極
１８１〜１８３ 第１〜第３ｐ型電極
２００ フォトレジスト
Ａ１〜Ａ３ 第１〜第３発光領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は多波長発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光波長が相互に異なる複数の半導体発光層を同一基板上に形成した多波長発光素子が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、同一基板上に、ＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、またはＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる発光ダイオード部を少なくとも１個積層し、その発光ダイオード部上に、ＧａＮ系化合物半導体からなる発光ダイオード部を１個以上積層した多波長発光素子が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、１つの基板材料上に少なくとも２種類以上の半導体発光素子を形成し、各々の半導体発光素子上に、それぞれの素子の発光波長に反応する蛍光体を複数種類塗布し、各々の半導体発光素子を同時に発光させることにより、広範囲の発光波長を有する可視光を発光する多波長発光装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−５５５３８号公報
【特許文献２】特開２００８−７１８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された技術では、発光波長が相互に異なる複数の半導体層を積層するため、それらの複数の半導体層を別々の工程で形成する必要がある。また、特許文献２に記載された技術でも、基板上に、第１の半導体発光素子を形成した後、別工程で第２の半導体発光素子を形成する。
【０００７】
本発明の課題は、効率的な製造が可能な多波長発光素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の多波長発光素子は、
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有すると共に該第１及び第２結晶成長面に対応する第１及び第２発光領域が構成された基板と、
上記基板上の上記第１発光領域に積層されるように設けられ上記第１結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された第１半導体層と、
上記第１半導体層上に積層されるように設けられ半導体が結晶成長して形成された所定の波長の光を発光する第１半導体発光層と、
上記基板上の上記第２発光領域に積層されるように設けられ上記第２結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された、上記第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層と、
上記第２半導体層上に積層されるように設けられ上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体が結晶成長して形成され且つ上記第１半導体発光層とは層厚が異なる、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層と、
を備える。
【０００９】
本発明の多波長発光素子の製造方法は、
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有する基板を準備する準備工程と、
上記準備工程で準備した基板の第１結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第１発光領域を構成して積層するように第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備した基板の第２結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第２発光領域を構成して積層するように、第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、
上記第１半導体層形成工程で形成した第１半導体層上に積層するように半導体を結晶成長させて所定の波長の光を発光する第１半導体発光層を形成すると同時に、上記第２半導体層形成工程で形成した第２半導体層上に積層するように、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体を結晶成長させて、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第１半導体発光層とは層厚が異なるように結晶成長させて、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層を形成する第１及び第２半導体発光層形成工程と、
を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面から半導体が結晶成長して形成された、主面の結晶面が相互に異なる第１及び第２半導体層上には、同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長しても、及び／又は、同一の構成元素の半導体が層厚が異なって結晶成長しても、発光波長が異なる第１及び第２半導体発光層が形成され得ることから、第１及び第２半導体発光層を同一工程で形成することができ、従って、多波長発光素子の効率的な製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る多波長発光素子の平面図である。
【図２】図１におけるII-II断面図である。
【図３】図１におけるIII-III断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は基板及び第１〜第３ｕ-半導体層の具体例の断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は実施形態に係る多波長発光素子の製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１３】
（多波長発光素子）
図１〜３は本実施形態に係る多波長発光素子１００を示す。
【００１４】
＜基板＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００はベースとなる基板１１０を備えている。
【００１５】
基板１１０としては、例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板等が挙げられる。これらのうち汎用性の観点からＡｌ2Ｏ3のコランダム構造の単結晶基板であるサファイア基板が好ましい。基板１１０の主面（基板の厚さ方向を法線方向とし、それに直交する面）は、法線方向がａ軸であるａ面＜｛１１−２０｝面＞、法線方向がｃ軸であるｃ面＜｛０００１｝面＞、及び法線方向がｍ軸であるｍ面＜｛１−１００｝面＞のいずれであってもよく、また、ｒ面＜｛１−１０２｝面＞、ｎ面＜｛１１−２３｝面＞等の他の結晶面であってもよい。さらに、基板１１０の主面は、ａ軸等が主面の法線方向に対して所定の角度（例えば４５°や６０°、あるいは数度以内の微少角）傾斜したミスカット面であってもよい。つまり、基板１１０はミスカット基板であってもよい。なお、ａ面、ｃ面、及びｍ面は面方位が相互に直交する。
【００１６】
基板１１０は、表面に面方位が相互に異なる第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３を有しており、それらの第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３に対応する第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３が構成されている。なお、基板１１０は、表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面１２１，１２２のみを有し、それらの第１及び第２結晶成長面１２１，１２２に対応する第１及び第２発光領域Ａ１，Ａ２が構成されたものであってもよい。また、基板１１０は、表面に第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３とは面方位が異なる結晶成長面を有し、その結晶成長面に対応する発光領域が１つ乃至複数構成されていてもよい。つまり、発光領域が３つよりも多く構成されていてもよい。
【００１７】
第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３は、基板１１０の主面、基板１１０に形成された第１凹溝１１１の一方の側面、第１凹溝１１１の延びる方向に角度（典型的には９０°）を有して延びる第２凹溝１１２の一方の側面によって構成されている。第１及び第２凹溝１１１，１１２は、側面を有せば、コの字溝であってもよく、Ｖ字溝であってもよく、台形溝であってもよい。第１及び第２凹溝１１１，１１２は、例えば、溝開口幅が０．５〜１０μｍ、溝深さが０．７５〜１００μｍ、及び溝側面の主面に対してなす角度が７０〜１２０°である。第１及び第２凹溝１１１，１１２は、１本だけが形成されていてもよく、また、複数本が相互に間隔をおいて並行に延びるように形成されていてもよい。後者の場合、溝間隔は例えば１〜１００μｍである。なお、第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３は、その他の凹部の側面や凸部乃至凸状の側面で構成されていてもよい。
【００１８】
具体的には、例えば、基板１１０がサファイア基板であるとき、図４（ａ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるａ面、第２結晶成長面１２２がｍ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交してｃ軸方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第１構成、図４（ｂ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるｃ面、第２結晶成長面１２２がｍ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交してａ軸方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第２構成、図４（ｃ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるｎ面、第２結晶成長面１２２がｍ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面であるｃ面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交する方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第３構成、並びに、図４（ｄ）に示すように、第１結晶成長面１２１が基板１１０の主面であるｒ面、第２結晶成長面１２２がａ軸方向に延びる台形溝である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３が第１凹溝１１１に直交する方向に延びる台形溝である第２凹溝１１２の一方の側面である第４構成が挙げられる。
【００１９】
＜第１〜第３ｕ-半導体層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、基板１１０上の第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３に積層されるように設けられた第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３を備えている。これらの第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３は、第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３を起点として、それぞれアンドープの半導体が結晶成長して形成されたものである。
【００２０】
第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３を形成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３は、同一の半導体で形成されていてもよく、また、異なる半導体を含んで形成されていてもよい。第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の厚さは例えば２〜１００μｍである。
【００２１】
第１ｕ-半導体層１３１は、基板１１０の主面の結晶面と同じ結晶面を主面としてもよく、また、基板１１０の主面の結晶面と異なる結晶面を主面としてもよい。第２ｕ-半導体層１３２は、第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする。第３ｕ-半導体層１３３は、第１及び第２半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする。
【００２２】
具体的には、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３を形成する半導体がＧａＮのとき、第１構成の場合、図４（ａ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のａ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ｃ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｍ軸方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、ｍ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-半導体層１３３として、ａ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２３】
第２構成の場合、図４（ｂ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のｃ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ｃ面（又はｍ面）を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｍ軸（又はｃ軸）方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、ｍ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-ＧａＮ層１３３として、ｃ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２４】
第３構成の場合、図４（ｃ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のｎ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ｃ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｍ軸方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、半極性｛０−１０１｝面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がａ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸とｍ軸との中間の方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-半導体層１３３として、ａ面とｃ面との中間の結晶面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸とｃ軸との中間の方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２５】
第４構成の場合、図４（ｄ）に示すように、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面のｒ面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第１ｕ-半導体層１３１として、ａ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がｃ軸方向である第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第２ｕ-半導体層１３２として、｛１１−２２｝面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｍ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸とｃ軸との中間の方向である第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点としてアンドープのＧａＮが結晶成長し、第３ｕ-半導体層１３３として、ｍ面を主面とすると共に、第１凹溝１１１の延びる方向がｃ軸方向で、且つ第２凹溝１１２の延びる方向がａ軸方向である第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成される。
【００２６】
なお、基板１１０と第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３との間には、厚さが２０〜３０ｎｍ程度の低温バッファ層が設けられていてもよい。また、上記で構成された第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の高さは結晶成長の困難さより揃わないことも予想され、その場合は研磨等を施すことによって高さを揃えてもよい。
【００２７】
＜第１〜第３ｎ型半導体層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３に積層されるように設けられた第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を備えている。これらの第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面を起点として、それぞれｎ型ドーパントがドープされた半導体がエピタキシャル結晶成長して形成されたものである。従って、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２８】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を構成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、同一の半導体で構成されていてもよく、また、異なる半導体を含んで構成されていてもよい。
【００２９】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に含まれるｎ型ドーパントとしては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。ｎ型ドーパントの濃度は例えば１．０×１０17〜２０×１０17／ｃｍ3である。
【００３０】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、単一層で構成されていてもよく、また、ｎ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の厚さは例えば２〜１０μｍである。
【００３１】
＜第１〜第３発光層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に積層されるように設けられた第１〜第３発光層１５１〜１５３を備えている。これらの第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の主面を起点として、それぞれ半導体がエピタキシャル結晶成長して形成されたものである。従って、第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３及び第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００３２】
第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３井戸層（第１〜第３半導体発光層）１５１ａ〜１５３ａと第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂとの交互積層構造を有する多重量子井戸層によって構成されている。第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａ及び第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂの層数は例えば５〜１５層である。
【００３３】
第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａを形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等が挙げられる。第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａの厚さは例えば１〜２０ｎｍである。
【００３４】
第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂを形成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ(ただし、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａのバンドギャップより大きい)等が挙げられる。第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂの厚さは例えば５〜２０ｎｍである。
【００３５】
第１〜第３発光層１５１〜１５３は、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａが同一の構成元素（例えば、構成元素がＩｎ、Ｇａ、及びＮで同一である。）からなる半導体が結晶成長して形成されていると共に、第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂも同一の構成元素（例えば、構成元素がＧａ及びＮで同一である。）からなる半導体が結晶成長して形成されている。第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａは、相互に異なる結晶面を主面とする第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３、従って、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とするので、例えばＩｎＧａＮで形成されている場合、層内へのＩｎＮの取り込まれ効率（ＩｎＮ混晶比）が相異し、そのため、元素組成比が相互に異なることとなり、及び／又は、層厚が相互に異なることとなり、その結果、相互に異なる波長の光を発光するように構成されている。
【００３６】
第１〜第３発光層１５１〜１５３は、例えば、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、及び（青）の光を発光するように構成されていてもよい。これによりワンチップの白色発光素子（白色ＬＥＤ）を構成することができる。
【００３７】
＜第１〜第３ｐ型半導体層＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３発光層１５１〜１５３に積層されるように設けられた第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を備えている。
【００３８】
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を構成する半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、同一の半導体で構成されていてもよく、また、異なる半導体を含んで構成されていてもよい。
【００３９】
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３に含まれるｐ型ドーパントとしては、例えば、Ｍｇ、Ｃｄ等が挙げられる。ホール効果測定で測定される自由正孔濃度は例えば２．０×１０17〜１０×１０17／ｃｍ3である。
【００４０】
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、単一層で構成されていてもよく、また、ｐ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の厚さは例えば５０〜２００ｎｍである。
【００４１】
＜ｎ型電極及びｐ型電極＞
本実施形態に係る多波長発光素子１００は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するように設けられた第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３、及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３に電気的に接続するように設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００４２】
第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３の構成電極材料としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等が挙げられる。第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３の厚さは例えばＴｉ／Ａｌ（１０ｎｍ／５００ｎｍ）である。
【００４３】
第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３としては、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等、又はＩＴＯ（酸化インジウム錫）などの酸化物系透明導電材料が挙げられる。なお、第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３の上にはワイヤーボンディング用のパッド電極が必要であり、多くの場合は第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３と同じ材料系が用いられる。第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３の厚さは例えばＩＴＯの場合１０〜２００ｎｍである。
【００４４】
（多波長発光素子の製造方法）
次に、本実施形態に係る多波長発光素子１００の製造方法について図５（ａ）〜（ｆ）に基づいて説明する。以下の本実施形態に係る多波長発光素子１００の製造方法では、ウエハ１１０’（基板１１０）上に第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３としてのｕ-ＧａＮ層、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３としてのＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ層、第１〜第３発光層１５１〜１５３としての多重量子井戸層（第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａ：ＩｎＧａＮ層、第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂ：ＧａＮ層）、及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３としてのＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層の各半導体層を順に形成した後、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３及び第１〜第３ｐ型ＧａＮ層１６１〜１６３の上に第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３をそれぞれ形成するものを例とする。
【００４５】
＜ウエハ（基板）準備工程＞
ウエハ１１０’の各多波長発光素子１００の形成領域において、図５（ａ）に示すように、凹溝形成予定部分だけが開口部となるようにフォトレジストのパターニングを形成し、図５（ｂ）に示すように、フォトレジスト２００をエッチングレジストとしてエッチングすることにより、ウエハ１１０’の表面に第１及び第２凹溝１１１，１１２を形成した後、フォトレジスト２００を除去する。
【００４６】
このとき、ウエハ１１０’の各多波長発光素子１００の形成領域には、表面に、相互に面方位が異なる第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面、及び第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面が露出する。
【００４７】
＜半導体層の形成工程＞
以下の各半導体層の形成方法としては、有機金属気相成長法（Metal Organic Ｖapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）等が挙げられ、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した各半導体層の形成方法について説明する。
【００４８】
各半導体層の形成に用いるＭＯＶＰＥ装置は、各々、電子制御される、ウエハ搬送系、ウエハ加熱系、ガス供給系、及びガス排気系で構成されている。ウエハ加熱系は、熱電対及び抵抗加熱ヒータ、その上に設けられた炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタで構成されている。そして、ＭＯＶＰＥ装置は、ウエハ加熱系において、搬送される石英トレイのサセプタの上にセットされたウエハ１１０’上に反応ガスにより半導体層を結晶成長させるように構成されている。
【００４９】
−ｕ-ＧａＮ層形成工程−
上記ＭＯＶＰＥ装置を用い、表面に第１及び第２凹溝１１１，１１２を形成加工したウエハ１１０’を、表面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、ウエハ１１０’を１０５０〜１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてＨ2を流通させ、その状態を数分間保持することによりウエハ１１０’をサーマルクリーニングする。
【００５０】
次いで、ウエハ１１０’の温度を１０５０〜１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ2を１０Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００５１】
このとき、図５（ｃ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１結晶成長面１２１である基板１１０の主面を起点として、アンドープのＧａＮが基板１１０上に積層するように結晶成長して第１ｕ-ＧａＮ層１３１が形成され、それによって第１発光領域Ａ１が構成される。また、第２結晶成長面１２２である第１凹溝１１１の一方の側面を起点として、アンドープのＧａＮが基板１１０上に積層するように結晶成長して第２ｕ-ＧａＮ層１３２が形成され、それによって第２発光領域Ａ２が構成される。さらに、第３結晶成長面１２３である第２凹溝１１２の一方の側面を起点として、アンドープのＧａＮが基板１１０上に積層するように結晶成長して第３ｕ-ＧａＮ層１３３が形成され、それによって第３発光領域Ａ３が構成される。
【００５２】
第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３は、それぞれ第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３を起点として結晶成長して形成されることにより相互に異なる面方位の主面を有することとなる。
【００５３】
第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３は、結晶成長条件の選択により、或いは、結晶成長させない部分にマスク等して、個別に結晶成長させて形成してもよく、また、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３のうち２つ又は全部を同時に結晶成長させて形成してもよい。
【００５４】
なお、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３を形成する前に低温バッファ層を形成する場合には、ウエハ１１０’の温度を４００〜５００℃としてＧａＮを結晶成長させればよい。また、ウエハ１１０’における第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３以外の部分にはマスクを設けておいてもよい。
【００５５】
−ｎ型ＧａＮ層形成工程−
反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ2を５〜１５Ｌ／ｍｉｎ（以下、ガス流量は基準状態（０℃、１気圧）での値とする）の流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ4）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び１〜５×１０-3μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００５６】
このとき、図５（ｄ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３の主面を起点として、ｎ型ドーパントであるＳｉがドープされたＧａＮが第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３上に積層するようにエピタキシャル結晶成長して第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３が形成される。従って、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３もまた、第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３と同様、相互に異なる面方位の主面を有することとなる。
【００５７】
第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３は、結晶成長条件の選択により、或いは、結晶成長させない部分にマスク等して、個別に結晶成長させて形成してもよく、また、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３のうち２つ又は全部を同時に結晶成長させて形成してもよい。
【００５８】
−発光層形成工程−
ウエハ１１０’の温度を８００℃程度とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＮ2を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びIII族元素供給源２（ＴＭＩ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び２〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。
【００５９】
このとき、結晶成長条件の選択により、第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３の主面を起点として、ＩｎＧａＮが第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３に積層するようにエピタキシャル結晶成長して第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａが同時に形成される。
【００６０】
次いで、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3 ）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００６１】
このとき、結晶成長条件の選択により、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａの主面を起点として、ＧａＮが第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａに積層するようにエピタキシャル結晶成長して第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂが同時に形成される。
【００６２】
そして、上記と同様の操作を交互に繰り返すことにより、図５（ｅ）に示すように、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａと第１〜第３障壁層１５１ｂ〜１５３ｂとが交互に積層された多重量子井戸層の第１〜第３発光層１５１〜１５３を形成する。
【００６３】
ここで、第１〜第３発光層１５１〜１５３が相互に異なる結晶面を主面とする第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３、従って、第１〜第３ｕ-半導体層１３１〜１３３の主面と同一の結晶面を主面とするので、第１〜第３発光層１５１〜１５３における第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａ内へのＩｎＮの取り込まれ効率が相異し、そのため、元素組成比が相互に異なる、及び／又は、層厚が相互に異なることとなる。その結果、第１〜第３発光層１５１〜１５３は相互に異なる波長の光を発光するように構成されることとなる。なお、第１〜第３発光層１５１〜１５３の発光波長は、第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａの井戸幅（厚み）及びＩｎＮ混晶比に依存するが、ＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。ＩｎＮ混晶比はＴＭＩのモル流量／（ＴＭＧのモル流量＋ＴＭＩのモル流量）と成長温度によって決定される。
【００６４】
以上のように、本実施形態に係る多波長発光素子１００の製造方法によれば、面方位が相互に異なる第１〜第３結晶成長面１２１〜１２３から半導体が結晶成長して形成された、主面の結晶面が相互に異なる第１〜第３ｕ-ＧａＮ層１３１〜１３３上には、同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長しても、及び／又は、同一の構成元素の半導体が層厚が異なって結晶成長しても、発光波長が異なる第１〜第３井戸層１５１ａ〜１５３ａが形成され得ることから、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を同一工程で形成することができ、従って、多波長発光素子１００の効率的な製造が可能となる。
【００６５】
−ｐ型ＧａＮ層の形成−
ウエハ１１０’の温度を１０００〜１１００℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスのＨ2を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ3）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、III族元素供給源３（ＴＭＡ）、及びｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ2Ｍｇ）を、それぞれの供給流量０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、２〜８０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び０．０３〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。
【００６６】
このとき、図５（ｆ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１〜第３発光層１５１〜１５３の主面を起点として、ｐ型ドーパントであるＭｇがドープされたＧａＮが第１〜第３発光層１５１〜１５３上に積層するように結晶成長して第１〜第３ｐ型ＧａＮ層１６１〜１６３が形成される。
【００６７】
＜ｎ型電極及びｐ型電極形成工程＞
ウエハ１１０’上に積層形成した半導体層を部分的に反応性イオンエッチングすることにより第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３を露出させた後、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法により第１〜第３ｎ型ＧａＮ層１４１〜１４３上に第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型ＧａＮ層１６１〜１６３上に第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３をそれぞれ形成する。
【００６８】
そして、ウエハ１１０’を劈開することにより個々に分断し、本実施形態に係る多波長発光素子１００が製造される。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は多波長発光素子及びその製造方法について有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１００ 多波長発光素子
１１０ 基板
１１０’ ウエハ
１１１ 第１凹溝
１１２ 第２凹溝
１２１〜１２３ 第１〜第３結晶成長面
１３１〜１３３ 第１〜第３ｕ-半導体層（第１〜第３ｕ-ＧａＮ層）
１４１〜１４３ 第１〜第３ｎ型半導体層（第１〜第３ｎ型ＧａＮ層）
１５１〜１５３ 第１〜第３発光層
１５１ａ〜１５３ａ 第１〜第３井戸層（第１〜第３半導体発光層）
１５１ｂ〜１５３ｂ 第１〜第３障壁層
１６１〜１６３ 第１〜第３ｐ型半導体層（第１〜第３ｐ型ＧａＮ層）
１７１〜１７３ 第１〜第３ｎ型電極
１８１〜１８３ 第１〜第３ｐ型電極
２００ フォトレジスト
Ａ１〜Ａ３ 第１〜第３発光領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有すると共に該第１及び第２結晶成長面に対応する第１及び第２発光領域が構成された基板と、
上記基板上の上記第１発光領域に積層されるように設けられ上記第１結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された第１半導体層と、
上記第１半導体層上に積層されるように設けられ半導体が結晶成長して形成された所定の波長の光を発光する第１半導体発光層と、
上記基板上の上記第２発光領域に積層されるように設けられ上記第２結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された、上記第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層と、
上記第２半導体層上に積層されるように設けられ、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体が結晶成長して形成され且つ上記第１半導体発光層とは層厚が異なる、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層と、
を備えた多波長発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載された多波長発光素子において、
上記第１及び第２結晶成長面のうち一方が上記基板の表面に形成された凹溝の側面である多波長発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載された多波長発光素子において、
上記第１及び第２結晶成長面のうち他方が上記基板の主面である多波長発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された多波長発光素子において、
上記第１及び第２半導体層を形成する半導体がＧａＮであると共に、上記第１及び第２半導体発光層を形成する半導体がＩｎＧａＮである多波長発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載された多波長発光素子において、
上記基板がサファイア基板である多波長発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された多波長発光素子において、
上記基板は、表面に、上記第１及び第２結晶成長面とは面方位が異なる第３結晶成長面を有すると共に該第３結晶成長面に対応する第３発光領域が構成されており、
上記基板上の上記第３発光領域に積層されるように設けられ上記第３結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された、上記第１及び第２半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第３半導体層と、
上記第３半導体層上に積層されるように設けられ、上記第１及び第２半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された、及び／又は、上記第１及び第２半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体が結晶成長して形成され且つ上記第１及び第２半導体発光層とは層厚が異なる、上記第１及び第２半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第３半導体発光層と、
をさらに備えた多波長発光素子。
【請求項７】
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有する基板を準備する準備工程と、
上記準備工程で準備した基板の第１結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第１発光領域を構成して積層するように第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備した基板の第２結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第２発光領域を構成して積層するように、第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、
上記第１半導体層形成工程で形成した第１半導体層上に積層するように半導体を結晶成長させて所定の波長の光を発光する第１半導体発光層を形成すると同時に、上記第２半導体層形成工程で形成した第２半導体層上に積層するように、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体を結晶成長させて、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第１半導体発光層とは層厚が異なるように結晶成長させて、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層を形成する第１及び第２半導体発光層形成工程と、
を備えた多波長発光素子の製造方法。
【請求項１】
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有すると共に該第１及び第２結晶成長面に対応する第１及び第２発光領域が構成された基板と、
上記基板上の上記第１発光領域に積層されるように設けられ上記第１結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された第１半導体層と、
上記第１半導体層上に積層されるように設けられ半導体が結晶成長して形成された所定の波長の光を発光する第１半導体発光層と、
上記基板上の上記第２発光領域に積層されるように設けられ上記第２結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された、上記第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層と、
上記第２半導体層上に積層されるように設けられ、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体が結晶成長して形成され且つ上記第１半導体発光層とは層厚が異なる、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層と、
を備えた多波長発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載された多波長発光素子において、
上記第１及び第２結晶成長面のうち一方が上記基板の表面に形成された凹溝の側面である多波長発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載された多波長発光素子において、
上記第１及び第２結晶成長面のうち他方が上記基板の主面である多波長発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された多波長発光素子において、
上記第１及び第２半導体層を形成する半導体がＧａＮであると共に、上記第１及び第２半導体発光層を形成する半導体がＩｎＧａＮである多波長発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載された多波長発光素子において、
上記基板がサファイア基板である多波長発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された多波長発光素子において、
上記基板は、表面に、上記第１及び第２結晶成長面とは面方位が異なる第３結晶成長面を有すると共に該第３結晶成長面に対応する第３発光領域が構成されており、
上記基板上の上記第３発光領域に積層されるように設けられ上記第３結晶成長面を起点として半導体が結晶成長して形成された、上記第１及び第２半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第３半導体層と、
上記第３半導体層上に積層されるように設けられ、上記第１及び第２半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体が結晶成長して形成された、及び／又は、上記第１及び第２半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体が結晶成長して形成され且つ上記第１及び第２半導体発光層とは層厚が異なる、上記第１及び第２半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第３半導体発光層と、
をさらに備えた多波長発光素子。
【請求項７】
表面に面方位が相互に異なる第１及び第２結晶成長面を有する基板を準備する準備工程と、
上記準備工程で準備した基板の第１結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第１発光領域を構成して積層するように第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、
上記準備工程で準備した基板の第２結晶成長面を起点として半導体を結晶成長させることにより、基板上に第２発光領域を構成して積層するように、第１半導体層の主面とは異なる結晶面を主面とする第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、
上記第１半導体層形成工程で形成した第１半導体層上に積層するように半導体を結晶成長させて所定の波長の光を発光する第１半導体発光層を形成すると同時に、上記第２半導体層形成工程で形成した第２半導体層上に積層するように、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体を結晶成長させて、及び／又は、上記第１半導体発光層を形成する半導体と同一の構成元素の半導体を、上記第１半導体発光層とは層厚が異なるように結晶成長させて、上記第１半導体発光層が発光する光の波長と異なる波長の光を発光する第２半導体発光層を形成する第１及び第２半導体発光層形成工程と、
を備えた多波長発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１９１０１３（Ｐ２０１２−１９１０１３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３３９３（Ｐ２０１１−５３３９３）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
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