多波長発光素子及びその製造方法
【課題】従来にない新規な多波長発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】多波長発光素子１０は、発光波長が異なる第１及び第２発光領域Ａ１，Ａ２が構成されている。第１発光領域Ａ１では、第１半導体下地層１４１と、その上に積層された第１半導体発光層１５１とが設けられている。第２発光領域Ａ２では、第１半導体下地層１４１の上に配置された第１半導体下地層１４１と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層１４２と、その上に積層された第２半導体発光層１５２とが設けられている。
【解決手段】多波長発光素子１０は、発光波長が異なる第１及び第２発光領域Ａ１，Ａ２が構成されている。第１発光領域Ａ１では、第１半導体下地層１４１と、その上に積層された第１半導体発光層１５１とが設けられている。第２発光領域Ａ２では、第１半導体下地層１４１の上に配置された第１半導体下地層１４１と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層１４２と、その上に積層された第２半導体発光層１５２とが設けられている。
【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】
本発明の課題は、従来にない新規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】
【０００７】
本発明の多波長発光素子は、発光波長が異なる第１及び第２発光領域が構成されたものであって、
上記第１発光領域では、第１半導体下地層と、その上に積層された第１半導体発光層と、が設けられ、
上記第２発光領域では、上記第１半導体下地層の上に配置された該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層と、その上に積層された第２半導体発光層と、が設けられている。
【０００８】
本発明の多波長発光素子の製造方法は、第１半導体下地層を形成し、その上に、該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で第２半導体下地層を、該第１半導体下地層の一部分が露出した状態に形成した後、露出した第１半導体下地層の一部分の上及び第２半導体下地層の上にそれぞれ第１及び第２半導体発光層を同時に形成するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、第１発光領域において、第１半導体下地層の上に第１半導体発光層が積層されて設けられ、第２発光領域において、第１半導体下地層の上に配置された第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層の上に第２半導体発光層が積層されて設けられた構成を有する従来にない新規な多波長発光素子である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る多波長発光素子の断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第１説明図である。
【図３】実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第２説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第３説明図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第４説明図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第５説明図である。
【図７】実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第６説明図である。
【図８】実施形態２に係る多波長発光素子の断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態２に係る多波長発光素子の製造方法の説明図である。
【図１０】実施形態３に係る多波長発光素子の断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態３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】
【００１１】
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１２】
［実施形態１］
（多波長発光素子）
図１は実施形態１に係る多波長発光素子１０を示す。
【００１３】
＜基板＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０はベースとなる基板１１を備えている。
【００１４】
基板１１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。
【００１５】
基板１１の主面（基板１１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１１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１１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１１は、表面に結晶成長面１２を有している。基板１１の結晶成長面１２は、基板１１の主面であってもよく、また、図１に示すように、基板１１に形成された凹溝１１ａの側面であってもよい。凹溝１１ａ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。凹溝１１ａ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。凹溝１１ａ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、結晶成長面１２は、その他の凹部の側面や凸部乃至突条の側面で構成されていてもよい。
【００１７】
＜ｕ-半導体層＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、基板１１上に積層されるように設けられたｕ-半導体層１３を備えている。このｕ-半導体層１３は、結晶成長面１２を起点として、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。
【００１８】
ｕ-半導体層１３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。ｕ-半導体層１３の厚さは例えば２〜２０μｍである。
【００１９】
ｕ-半導体層１３の主面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、及びｍ面＜｛１−１００｝面＞のいずれであってもよく、また、ｒ面＜｛１−１０２｝面＞や（２０−２１）、（１１−２２）、（１−１０１）等の他の結晶面であってもよい。さらに、ｕ-半導体層１３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）傾斜した面であってもよい。ｕ-半導体層１３の主面は、厚さ方向の分極を防止する観点からは、ａ面＜｛１１−２０｝面＞やｍ面＜｛１−１００｝面＞の無極性面又は（２０−２１）、（１１−２２）、（１−１０１）面等の半極性面であることが好ましい。
【００２０】
なお、基板１１とｕ-半導体層１３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。
【００２１】
＜ｎ型半導体層、半導体発光層、及びｐ型半導体層＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、ｕ-半導体層１３の上に積層されるように設けられた第１ｎ型半導体層１４１（第１半導体下地層）、第１ｎ型半導体層１４１の表面の一部分を露出させて、第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるように設けられた第１半導体発光層１５１、及び第１半導体発光層１５１の上に積層されるように設けられた第１ｐ型半導体層１６１を備えている。第１ｎ型半導体層１４１は、ｕ-半導体層１３の主面を起点として、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。第１半導体発光層１５１は、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として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。第１ｐ型半導体層１６１は、第１半導体発光層１５１の主面を起点として、ｐ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１ｎ型半導体層１４１、第１半導体発光層１５１、及び第１ｐ型半導体層１６１は、ｕ-半導体層１３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２２】
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、第１ｐ型半導体層１６１の表面の一部分を除いて、第１ｐ型半導体層１６１の上に積層されるように設けられた第２ｎ型半導体層１４２（第２半導体下地層）、第２ｎ型半導体層１４２の表面の一部分を露出させて、第２ｎ型半導体層１４２の上に積層されるように設けられた第２半導体発光層１５２、及び第２半導体発光層１５２の上に積層されるように設けられた第２ｐ型半導体層１６２を備えている。第２ｎ型半導体層１４２は、第１ｐ型半導体層１６１の主面を起点として、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。第２半導体発光層１５２は、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として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。第２ｐ型半導体層１６２は、第２半導体発光層１５２の主面を起点として、ｐ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２ｎ型半導体層１４２、第２半導体発光層１５２、及び第２ｐ型半導体層１６２は、第１ｐ型半導体層１６１、よって、ｕ-半導体層１３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２３】
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、第２ｐ型半導体層１６２の表面の一部分を除いて、第２ｐ型半導体層１６２の上に積層されるように設けられた第３ｎ型半導体層１４３（第３半導体下地層）、第３ｎ型半導体層１４３の表面の一部分を露出させて、第３ｎ型半導体層１４３の上に積層されるように設けられた第３半導体発光層１５３、及び第３半導体発光層１５３の上に積層されるように設けられた第３ｐ型半導体層１６３を備えている。第３ｎ型半導体層１４３は、第２ｐ型半導体層１６２の主面を起点として、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。第３半導体発光層１５３は、第３ｎ型半導体層１４３の主面を起点として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。第３ｐ型半導体層１６３は、第３半導体発光層１５３の主面を起点として、ｐ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３ｎ型半導体層１４３、第３半導体発光層１５３、及び第３ｐ型半導体層１６３は、第２ｐ型半導体層１６２、よって、ｕ-半導体層１３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２４】
そして、実施形態１に係る多波長発光素子１０では、第１ｐ型半導体層１６１の露出部分が第１発光領域Ａ１、第２ｐ型半導体層１６２の露出部分が第２発光領域Ａ２、及び第３ｐ型半導体層１６３の積層部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成されている。
【００２５】
−第１〜第３ｎ型半導体層−
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、同一の構成元素の半導体で形成されている。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
【００２６】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっている。具体例としては、例えば、第１ｎ型半導体層１４１がＩｎ0.05ＧａＮ、第２ｎ型半導体層１４２がＩｎ0.2ＧａＮ、及び第３ｎ型半導体層１４３がＩｎ0.3ＧａＮでそれぞれ形成された構成が挙げられる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
これらの第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、後述の第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の下地層を構成するものであり、例えばＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造などのように欠陥の伝搬及び発生を防ぐ構造を有していてもよい。
【００３０】
−第１〜第３半導体発光層−
第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、相互に同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成されていてもよく、また、相互に異なる構成元素の半導体で形成されていてもよい。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、相互に同一の構成元素の半導体で形成され、層厚が異なっていてもよい。これにより、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、発光波長が相互に異なるように構成されている。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
【００３１】
第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３が相互に元素組成比が異なるＩｎＧａＮで形成されている場合、第１半導体発光層１５１を形成するＩｎＧａＮよりも第２半導体発光層１５２を形成するＩｎＧａＮの方がＩｎＮ混晶比が高く、また、第２半導体発光層１５２を形成するＩｎＧａＮよりも第３半導体発光層１５３を形成するＩｎＧａＮの方がＩｎＮ混晶比がさらに高いことが好ましい。ここで、ＩｎＧａＮの発光波長は、ＩｎＮ混晶比に依存し、ＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。従って、第１半導体発光層１５１のみを含む第１発光領域Ａ１、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２を含む第２発光領域Ａ２、並びに第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を含む第３発光領域Ａ３は相互に発光波長が異なり、しかも、この順に全体を平均したＩｎＮ混晶比が高くなるので、発光波長もこの順に長くなる。
【００３２】
第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、 単一層で構成されていてもよく、また、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層構造を有していてもよい。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の厚さは例えば３〜１００ｎｍである。
【００３３】
なお、第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３は、例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、及びＢ（青）の光を発光するようにそれぞれ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。
【００３４】
−第１〜第３ｐ型半導体層−
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、相互に同一の構成元素の半導体で形成されていてもよく、また、相互に異なる構成元素の半導体で形成されていてもよい。前者の場合、第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を形成する半導体は同一の元素組成比を有していてもよい。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
＜ｎ型電極及びｐ型電極＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するようにそれぞれ設けられた第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それぞれ設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
（多波長発光素子の製造方法）
実施形態１に係る多波長発光素子１０の製造方法について図２〜７に基づいて説明する。以下の実施形態１に係る多波長発光素子１０の製造方法では、ウエハ１１’（基板１１）上に形成した凹溝１１ａの側面から結晶成長させたｕ-半導体層１３としてのｕ-ＩｎＧａＮ層、第１ｎ型半導体層１４１としてのＳｉをドープした第１ｎ型ＩｎＧａＮ層、第１半導体発光層１５１としての第１ＩｎＧａＮ層、及び第１ｐ型半導体層１６１としてのＭｇをドープした第１ｐ型ＩｎＧａＮ層の各半導体層を順に形成し、次いで、第２ｎ型半導体層１４２としてのＳｉをドープした第２ｎ型ＩｎＧａＮ層、第２半導体発光層１５２としての第２ＩｎＧａＮ層、及び第２ｐ型半導体層１６２としてのＭｇをドープした第２ｐ型ＩｎＧａＮ層の各半導体層を順に形成し、続いて、第３ｎ型半導体層１４３としてのＳｉをドープした第３ｎ型ＩｎＧａＮ層、第３半導体発光層１５３としての第３ＩｎＧａＮ層、及び第３ｐ型半導体層１６３としてのＭｇをドープした第３ｐ型ＩｎＧａＮ層の各半導体層を順に形成し、そして、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１及び第２ｐ型半導体層１６１，１６２のそれぞれが露出するようにエッチングを行った後、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上に、それぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成するものを例とする。
【００４１】
＜ウエハ（基板）準備工程＞
ウエハ１１’の各多波長発光素子１０の形成領域において、図２（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２０のパターニングを形成し、図２（ｂ）に示すように、フォトレジスト２０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１１’の表面に凹溝１１ａを形成した後、フォトレジスト２０を除去する。
【００４２】
このとき、ウエハ１１’の各多波長発光素子１０の形成領域には、表面に結晶成長面１２を構成する凹溝１１ａの側面が露出する。
【００４３】
＜半導体層形成工程＞
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。
【００４４】
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１１’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。
【００４５】
−ｕ-半導体層形成工程−
上記ＭＯＶＰＥ装置を用い、表面に凹溝１１ａを形成加工したウエハ１１’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１１’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１１’をサーマルクリーニングする。
【００４６】
次いで、ウエハ１１’の温度を９００〜１１５０℃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）、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。
【００４７】
このとき、図３に示すように、結晶成長条件の選択により、結晶成長面１２である凹溝１１ａの側面を起点として、アンドープのＩｎＧａＮが基板１１の上に積層されるように結晶成長してｕ-半導体層１３が形成される。
【００４８】
なお、ｕ-半導体層１３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１１’の温度を４００〜５００℃としてＧａＮを結晶成長させればよい。
【００４９】
−第１ｎ型半導体層形成工程−
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を所定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）、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）、並びにｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ4）を、それぞれ適量の供給流量で流す。
【００５０】
このとき、図４（ａ）に示すように、結晶成長条件の選択により、ｕ-半導体層１３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ＩｎＧａＮがｕ-半導体層１３の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第１ｎ型半導体層１４１が形成される。
【００５１】
−第１半導体発光層形成工程−
ウエハ１１’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。
【００５２】
このとき、図４（ｂ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として、ＩｎＧａＮが第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第１半導体発光層１５１が形成される。
【００５３】
−第１ｐ型半導体層の形成工程−
ウエハ１１’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を所定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）、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）、並びにｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ2Ｍｇ）を、それぞれ適量の供給流量で流す。
【００５４】
このとき、図４（ｃ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１半導体発光層１５１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ＩｎＧａＮが第１半導体発光層１５１の上に積層されるように結晶成長して第１ｐ型半導体層１６１が形成される。
【００５５】
−第２ｎ型半導体層形成工程−
反応ガスの供給流量を変更することを除いて第１ｎ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００５６】
このとき、図５（ａ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１ｐ型半導体層１６１の主面を起点として、第１ｎ型半導体層１４１と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なるＩｎＧａＮが第１ｐ型半導体層１６１の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第２ｎ型半導体層１４２が形成される。なお、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ことから、第１ｎ型半導体層１４１よりもＩｎＮ混晶比を高めるためには、第１ｎ型半導体層形成工程よりもIII族元素供給源２（ＴＭＩ）の供給流量を増やすことが好ましい。
【００５７】
−第２半導体発光層形成工程−
第１半導体発光層形成工程と同様の操作を行う。
【００５８】
このとき、図５（ｂ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として、第１半導体発光層１５１とは元素組成比が異なる半導体で形成された、及び／又は、第１半導体発光層１５１とは層厚が異なるＩｎＧａＮが第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第２半導体発光層１５２が形成される。
【００５９】
−第２ｐ型半導体層の形成工程−
第１ｐ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００６０】
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２半導体発光層１５２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ＩｎＧａＮが第２半導体発光層１５２の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第２ｐ型半導体層１６２が形成される。
【００６１】
−第３ｎ型半導体層形成工程−
反応ガスの供給流量を変更することを除いて第１及び第２ｎ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００６２】
このとき、図６（ａ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第２ｐ型半導体層１６２の主面を起点として、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なるＩｎＧａＮが第２ｐ型半導体層１６２の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第３ｎ型半導体層１４３が形成される。なお、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ことから、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２よりもＩｎＮ混晶比を高めるためには、第１及び第２ｎ型半導体層形成工程よりもIII族元素供給源２（ＴＭＩ）の供給流量を増やすことが好ましい。
【００６３】
−第３半導体発光層形成工程−
第１及び第２半導体発光層形成工程と同様の操作を行う。
【００６４】
このとき、図６（ｂ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第３ｎ型半導体層１４３の主面を起点として、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２とは元素組成比が異なる半導体で形成された、及び／又は、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２とは層厚が異なるＩｎＧａＮが第３ｎ型半導体層１４３の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第３半導体発光層１５３が形成される。
【００６５】
−第３ｐ型半導体層の形成工程−
第１及び第２ｐ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００６６】
このとき、図６（ｃ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第３半導体発光層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ＩｎＧａＮが第３半導体発光層１５３の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第３ｐ型半導体層１６３が形成される。
【００６７】
＜電極形成及び劈開工程＞
図７に示すように、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１及び第２ｐ型半導体層１６１，１６２のそれぞれが露出するように反応性イオンエッチングし、露出した第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上に、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法により、それぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成する。なお、第１ｎ型半導体層１４１、第１半導体発光層１５１、及び第１ｐ型半導体層１６１からなり第１ｐ型半導体層１６１が露出した部分が第１発光領域Ａ１、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２、並びに第１及び第２ｐ型半導体層１６１，１６２からなり第２ｐ型半導体層１６２が露出した部分が第２発光領域Ａ２、また、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３、並びに第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３からなり第３ｐ型半導体層１６３が露出した部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成される。
【００６８】
そして、ウエハ１１’を劈開することにより個々に分断し、実施形態１に係る多波長発光素子１０が製造される。
【００６９】
［実施形態２］
（多波長発光素子）
図８は実施形態２に係る多波長発光素子１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は実施形態１と同一符号で示す。
【００７０】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、ｕ-半導体層１３の上に積層されるように設けられた第１ｎ型半導体層１４１（第１半導体下地層）、第１ｎ型半導体層１４１の表面の一部分を露出させて、第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるように設けられた第１半導体発光層１５１、第１半導体発光層１５１の表面の一部分を除いて、第１半導体発光層１５１の上に積層されるように設けられた第２ｎ型半導体層１４２（第２半導体下地層）、第２ｎ型半導体層１４２の表面の一部分を露出させて、第２ｎ型半導体層１４２の上に積層されるように設けられた第２半導体発光層１５２、第２半導体発光層１５２の表面の一部分を除いて、第２半導体発光層１５２の上に積層されるように設けられた第３ｎ型半導体層１４３（第３半導体下地層）、及び第３ｎ型半導体層１４３の表面の一部分を露出させて、第３ｎ型半導体層１４３の上に積層されるように設けられた第３半導体発光層１５３を備えている。第１ｎ型半導体層１４１は、ｕ-半導体層１３の主面を起点として、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。第１半導体発光層１５１は、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として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。第２ｎ型半導体層１４２は、第１半導体発光層１５１の主面を起点として、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。第２半導体発光層１５２は、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として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。第３ｎ型半導体層１４３は、第２半導体発光層１５２の主面を起点として、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。第３半導体発光層１５３は、第３ｎ型半導体層１４３の主面を起点として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。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっている。なお、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の下地層を構成するものであり、例えばＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造などのように欠陥の伝搬及び発生を防ぐ構造を有していてもよい。
【００７１】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、第１半導体発光層１５１の第２ｎ型半導体層１４２が積層されていない部分、第２半導体発光層１５２の第３ｎ型半導体層１４３が積層されていない部分、及び第３半導体発光層１５３の上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。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、それぞれ第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の主面を起点として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。
【００７２】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するようにそれぞれ設けられた第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それぞれ設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００７３】
実施形態２に係る多波長発光素子１０では、第１ｐ型電極１８１が設けられた第１ｐ型半導体層１６１の露出部分が第１発光領域Ａ１、第２ｐ型電極１８２が設けられた第２ｐ型半導体層１６２の露出部分が第２発光領域Ａ２、及び第３ｐ型電極１８３が設けられた第３ｐ型半導体層１６３の積層部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成されている。
【００７４】
各層の詳細構成及びその他の構成は実施形態１と同一である。
【００７５】
（多波長発光素子の製造方法）
実施形態２に係る多波長発光素子１０の製造方法では、図９（ａ）に示すように、ウエハ１１’（基板１１）上に形成した凹溝１１ａの側面から結晶成長させたｕ-半導体層１３としてのｕ-ＩｎＧａＮ層、第１ｎ型半導体層１４１としてのＳｉをドープした第１ｎ型ＩｎＧａＮ層、第１半導体発光層１５１としての第１ＩｎＧａＮ層、第２ｎ型半導体層１４２としてのＳｉをドープした第２ｎ型ＩｎＧａＮ層、第２半導体発光層１５２としての第２ＩｎＧａＮ層、第３ｎ型半導体層１４３としてのＳｉをドープした第３ｎ型ＩｎＧａＮ層、及び第３半導体発光層１５３としての第３ＩｎＧａＮ層を順に形成し、次いで、図９（ｂ）に示すように、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１及び第２半導体発光層１５１，１５２のそれぞれが露出するようにエッチングを行った後、図９（ｃ）に示すように、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の露出部分にそれぞれ第１〜第３ｐ型ＩｎＧａＮ層を同時に形成し、さらに、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の露出部分及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上に、それぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成する。
【００７６】
各工程の詳細は実施形態１と同一である。
【００７７】
［実施形態３］
（多波長発光素子）
図１０は実施形態３に係る多波長発光素子１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は実施形態１と同一符号で示す。
【００７８】
実施形態３に係る多波長発光素子１０は、ｕ-半導体層１３の上に積層されるように設けられた第１ｎ型半導体層１４１（第１半導体下地層）、第１ｎ型半導体層１４１の表面の一部分を露出させると共に表面の他の一部分を除いて、第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるように設けられた第２ｎ型半導体層１４２（第２半導体下地層）、及び第２ｎ型半導体層１４２の表面の一部分を露出させると共に表面の他の一部分を除いて、第２ｎ型半導体層１４２の上に積層されるように設けられた第３ｎ型半導体層１４３（第３半導体下地層）を備えている。第１ｎ型半導体層１４１は、ｕ-半導体層１３の主面を起点として、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。第２ｎ型半導体層１４２は、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として、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。第３ｎ型半導体層１４３は、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として、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。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっている。なお、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の下地層を構成するものであり、例えばＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造などのように欠陥の伝搬及び発生を防ぐ構造を有していてもよい。
【００７９】
実施形態３に係る多波長発光素子１０は、第１ｎ型半導体層１４１の第２ｎ型半導体層１４２が積層されていない他の一部分、第２ｎ型半導体層１４２の第３ｎ型半導体層１４３が積層されていない他の一部分、及び第３ｎ型半導体発光層の上に積層されるように設けられた第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を備えている。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、それぞれ第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の主面を起点として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。また、実施形態３に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の上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。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、それぞれ第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の主面を起点として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。
【００８０】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するようにそれぞれ設けられた第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それぞれ設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００８１】
実施形態３に係る多波長発光素子１０は、第１ｐ型電極１８１が設けられた第１ｐ型半導体層１６１の露出部分が第１発光領域Ａ１、第２ｐ型電極１８２が設けられた第２ｐ型半導体層１６２の露出部分が第２発光領域Ａ２、及び第３ｐ型電極１８３が設けられた第３ｐ型半導体層１６３の積層部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成されている。
【００８２】
各層の詳細構成及びその他の構成は実施形態１と同一である。
【００８３】
（多波長発光素子の製造方法）
実施形態３に係る多波長発光素子１０の製造方法では、図１１（ａ）に示すように、ウエハ１１’（基板１１）上に形成した凹溝１１ａの側面から結晶成長させたｕ-半導体層１３としてのｕ-ＩｎＧａＮ層、第１ｎ型半導体層１４１としてのＳｉをドープした第１ｎ型ＩｎＧａＮ層、第２ｎ型半導体層１４２としてのＳｉをドープした第２ｎ型ＩｎＧａＮ層、及び第３ｎ型半導体層１４３としてのＳｉをドープした第３ｎ型ＩｎＧａＮ層を順に形成し、次いで、図１１（ｂ）に示すように、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２のそれぞれが露出するようにエッチングを行った後、図１１（ｃ）に示すように、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の露出部分にそれぞれ第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を同時に形成する。ここで、第１〜第３ｎ型半導体層１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっていることから、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、同一の構成元素で且つ相互に元素組成比が異なる半導体で形成され、及び／又は、同一の構成元素により相互に層厚が異なって形成される。その後、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の上にそれぞれ第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を同時に形成し、さらに、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の露出部分及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上にそれぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成する。
【００８４】
各工程の詳細は実施形態１と同一である。
【００８５】
［その他の実施形態］
上記実施形態では、第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３を有する多波長発光素子１０としたが、特にこれに限定されるものではなく、３つよりも多くの発光領域を有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
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】
【００８７】
１０ 多波長発光素子
１１ 基板
１１ａ 凹溝
１１’ ウエハ
１２ 結晶成長面
１３ ｕ-半導体層
１４１〜１４３ 第１〜第３ｎ型半導体層（第１〜第３半導体下地層）
１５１〜１５３ 第１〜第３半導体発光層
１６１〜１６３ 第１〜第３ｐ型半導体層
１７１〜１７３ 第１〜第３ｎ型電極
１８１〜１８３ 第１〜第３ｐ型電極
２０ 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】
本発明の課題は、従来にない新規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】
【０００７】
本発明の多波長発光素子は、発光波長が異なる第１及び第２発光領域が構成されたものであって、
上記第１発光領域では、第１半導体下地層と、その上に積層された第１半導体発光層と、が設けられ、
上記第２発光領域では、上記第１半導体下地層の上に配置された該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層と、その上に積層された第２半導体発光層と、が設けられている。
【０００８】
本発明の多波長発光素子の製造方法は、第１半導体下地層を形成し、その上に、該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で第２半導体下地層を、該第１半導体下地層の一部分が露出した状態に形成した後、露出した第１半導体下地層の一部分の上及び第２半導体下地層の上にそれぞれ第１及び第２半導体発光層を同時に形成するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、第１発光領域において、第１半導体下地層の上に第１半導体発光層が積層されて設けられ、第２発光領域において、第１半導体下地層の上に配置された第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層の上に第２半導体発光層が積層されて設けられた構成を有する従来にない新規な多波長発光素子である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る多波長発光素子の断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第１説明図である。
【図３】実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第２説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第３説明図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第４説明図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第５説明図である。
【図７】実施形態１に係る多波長発光素子の製造方法の第６説明図である。
【図８】実施形態２に係る多波長発光素子の断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態２に係る多波長発光素子の製造方法の説明図である。
【図１０】実施形態３に係る多波長発光素子の断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態３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】
【００１１】
以下、実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１２】
［実施形態１］
（多波長発光素子）
図１は実施形態１に係る多波長発光素子１０を示す。
【００１３】
＜基板＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０はベースとなる基板１１を備えている。
【００１４】
基板１１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。
【００１５】
基板１１の主面（基板１１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１１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１１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１１は、表面に結晶成長面１２を有している。基板１１の結晶成長面１２は、基板１１の主面であってもよく、また、図１に示すように、基板１１に形成された凹溝１１ａの側面であってもよい。凹溝１１ａ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。凹溝１１ａ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。凹溝１１ａ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、結晶成長面１２は、その他の凹部の側面や凸部乃至突条の側面で構成されていてもよい。
【００１７】
＜ｕ-半導体層＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、基板１１上に積層されるように設けられたｕ-半導体層１３を備えている。このｕ-半導体層１３は、結晶成長面１２を起点として、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。
【００１８】
ｕ-半導体層１３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。ｕ-半導体層１３の厚さは例えば２〜２０μｍである。
【００１９】
ｕ-半導体層１３の主面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、及びｍ面＜｛１−１００｝面＞のいずれであってもよく、また、ｒ面＜｛１−１０２｝面＞や（２０−２１）、（１１−２２）、（１−１０１）等の他の結晶面であってもよい。さらに、ｕ-半導体層１３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）傾斜した面であってもよい。ｕ-半導体層１３の主面は、厚さ方向の分極を防止する観点からは、ａ面＜｛１１−２０｝面＞やｍ面＜｛１−１００｝面＞の無極性面又は（２０−２１）、（１１−２２）、（１−１０１）面等の半極性面であることが好ましい。
【００２０】
なお、基板１１とｕ-半導体層１３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。
【００２１】
＜ｎ型半導体層、半導体発光層、及びｐ型半導体層＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、ｕ-半導体層１３の上に積層されるように設けられた第１ｎ型半導体層１４１（第１半導体下地層）、第１ｎ型半導体層１４１の表面の一部分を露出させて、第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるように設けられた第１半導体発光層１５１、及び第１半導体発光層１５１の上に積層されるように設けられた第１ｐ型半導体層１６１を備えている。第１ｎ型半導体層１４１は、ｕ-半導体層１３の主面を起点として、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。第１半導体発光層１５１は、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として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。第１ｐ型半導体層１６１は、第１半導体発光層１５１の主面を起点として、ｐ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１ｎ型半導体層１４１、第１半導体発光層１５１、及び第１ｐ型半導体層１６１は、ｕ-半導体層１３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２２】
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、第１ｐ型半導体層１６１の表面の一部分を除いて、第１ｐ型半導体層１６１の上に積層されるように設けられた第２ｎ型半導体層１４２（第２半導体下地層）、第２ｎ型半導体層１４２の表面の一部分を露出させて、第２ｎ型半導体層１４２の上に積層されるように設けられた第２半導体発光層１５２、及び第２半導体発光層１５２の上に積層されるように設けられた第２ｐ型半導体層１６２を備えている。第２ｎ型半導体層１４２は、第１ｐ型半導体層１６１の主面を起点として、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。第２半導体発光層１５２は、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として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。第２ｐ型半導体層１６２は、第２半導体発光層１５２の主面を起点として、ｐ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２ｎ型半導体層１４２、第２半導体発光層１５２、及び第２ｐ型半導体層１６２は、第１ｐ型半導体層１６１、よって、ｕ-半導体層１３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２３】
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、第２ｐ型半導体層１６２の表面の一部分を除いて、第２ｐ型半導体層１６２の上に積層されるように設けられた第３ｎ型半導体層１４３（第３半導体下地層）、第３ｎ型半導体層１４３の表面の一部分を露出させて、第３ｎ型半導体層１４３の上に積層されるように設けられた第３半導体発光層１５３、及び第３半導体発光層１５３の上に積層されるように設けられた第３ｐ型半導体層１６３を備えている。第３ｎ型半導体層１４３は、第２ｐ型半導体層１６２の主面を起点として、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。第３半導体発光層１５３は、第３ｎ型半導体層１４３の主面を起点として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。第３ｐ型半導体層１６３は、第３半導体発光層１５３の主面を起点として、ｐ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３ｎ型半導体層１４３、第３半導体発光層１５３、及び第３ｐ型半導体層１６３は、第２ｐ型半導体層１６２、よって、ｕ-半導体層１３の主面と同一の結晶面を主面とする。
【００２４】
そして、実施形態１に係る多波長発光素子１０では、第１ｐ型半導体層１６１の露出部分が第１発光領域Ａ１、第２ｐ型半導体層１６２の露出部分が第２発光領域Ａ２、及び第３ｐ型半導体層１６３の積層部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成されている。
【００２５】
−第１〜第３ｎ型半導体層−
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、同一の構成元素の半導体で形成されている。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
【００２６】
第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっている。具体例としては、例えば、第１ｎ型半導体層１４１がＩｎ0.05ＧａＮ、第２ｎ型半導体層１４２がＩｎ0.2ＧａＮ、及び第３ｎ型半導体層１４３がＩｎ0.3ＧａＮでそれぞれ形成された構成が挙げられる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
これらの第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、後述の第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の下地層を構成するものであり、例えばＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造などのように欠陥の伝搬及び発生を防ぐ構造を有していてもよい。
【００３０】
−第１〜第３半導体発光層−
第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、相互に同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成されていてもよく、また、相互に異なる構成元素の半導体で形成されていてもよい。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、相互に同一の構成元素の半導体で形成され、層厚が異なっていてもよい。これにより、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、発光波長が相互に異なるように構成されている。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
【００３１】
第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３が相互に元素組成比が異なるＩｎＧａＮで形成されている場合、第１半導体発光層１５１を形成するＩｎＧａＮよりも第２半導体発光層１５２を形成するＩｎＧａＮの方がＩｎＮ混晶比が高く、また、第２半導体発光層１５２を形成するＩｎＧａＮよりも第３半導体発光層１５３を形成するＩｎＧａＮの方がＩｎＮ混晶比がさらに高いことが好ましい。ここで、ＩｎＧａＮの発光波長は、ＩｎＮ混晶比に依存し、ＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。従って、第１半導体発光層１５１のみを含む第１発光領域Ａ１、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２を含む第２発光領域Ａ２、並びに第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を含む第３発光領域Ａ３は相互に発光波長が異なり、しかも、この順に全体を平均したＩｎＮ混晶比が高くなるので、発光波長もこの順に長くなる。
【００３２】
第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、 単一層で構成されていてもよく、また、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層構造を有していてもよい。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の厚さは例えば３〜１００ｎｍである。
【００３３】
なお、第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３は、例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、及びＢ（青）の光を発光するようにそれぞれ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。
【００３４】
−第１〜第３ｐ型半導体層−
第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、相互に同一の構成元素の半導体で形成されていてもよく、また、相互に異なる構成元素の半導体で形成されていてもよい。前者の場合、第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を形成する半導体は同一の元素組成比を有していてもよい。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を形成する半導体としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
＜ｎ型電極及びｐ型電極＞
実施形態１に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するようにそれぞれ設けられた第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それぞれ設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
（多波長発光素子の製造方法）
実施形態１に係る多波長発光素子１０の製造方法について図２〜７に基づいて説明する。以下の実施形態１に係る多波長発光素子１０の製造方法では、ウエハ１１’（基板１１）上に形成した凹溝１１ａの側面から結晶成長させたｕ-半導体層１３としてのｕ-ＩｎＧａＮ層、第１ｎ型半導体層１４１としてのＳｉをドープした第１ｎ型ＩｎＧａＮ層、第１半導体発光層１５１としての第１ＩｎＧａＮ層、及び第１ｐ型半導体層１６１としてのＭｇをドープした第１ｐ型ＩｎＧａＮ層の各半導体層を順に形成し、次いで、第２ｎ型半導体層１４２としてのＳｉをドープした第２ｎ型ＩｎＧａＮ層、第２半導体発光層１５２としての第２ＩｎＧａＮ層、及び第２ｐ型半導体層１６２としてのＭｇをドープした第２ｐ型ＩｎＧａＮ層の各半導体層を順に形成し、続いて、第３ｎ型半導体層１４３としてのＳｉをドープした第３ｎ型ＩｎＧａＮ層、第３半導体発光層１５３としての第３ＩｎＧａＮ層、及び第３ｐ型半導体層１６３としてのＭｇをドープした第３ｐ型ＩｎＧａＮ層の各半導体層を順に形成し、そして、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１及び第２ｐ型半導体層１６１，１６２のそれぞれが露出するようにエッチングを行った後、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上に、それぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成するものを例とする。
【００４１】
＜ウエハ（基板）準備工程＞
ウエハ１１’の各多波長発光素子１０の形成領域において、図２（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２０のパターニングを形成し、図２（ｂ）に示すように、フォトレジスト２０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１１’の表面に凹溝１１ａを形成した後、フォトレジスト２０を除去する。
【００４２】
このとき、ウエハ１１’の各多波長発光素子１０の形成領域には、表面に結晶成長面１２を構成する凹溝１１ａの側面が露出する。
【００４３】
＜半導体層形成工程＞
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。
【００４４】
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１１’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。
【００４５】
−ｕ-半導体層形成工程−
上記ＭＯＶＰＥ装置を用い、表面に凹溝１１ａを形成加工したウエハ１１’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１１’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１１’をサーマルクリーニングする。
【００４６】
次いで、ウエハ１１’の温度を９００〜１１５０℃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）、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。
【００４７】
このとき、図３に示すように、結晶成長条件の選択により、結晶成長面１２である凹溝１１ａの側面を起点として、アンドープのＩｎＧａＮが基板１１の上に積層されるように結晶成長してｕ-半導体層１３が形成される。
【００４８】
なお、ｕ-半導体層１３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１１’の温度を４００〜５００℃としてＧａＮを結晶成長させればよい。
【００４９】
−第１ｎ型半導体層形成工程−
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を所定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）、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）、並びにｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ4）を、それぞれ適量の供給流量で流す。
【００５０】
このとき、図４（ａ）に示すように、結晶成長条件の選択により、ｕ-半導体層１３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ＩｎＧａＮがｕ-半導体層１３の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第１ｎ型半導体層１４１が形成される。
【００５１】
−第１半導体発光層形成工程−
ウエハ１１’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。
【００５２】
このとき、図４（ｂ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として、ＩｎＧａＮが第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第１半導体発光層１５１が形成される。
【００５３】
−第１ｐ型半導体層の形成工程−
ウエハ１１’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を所定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）、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）、並びにｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ2Ｍｇ）を、それぞれ適量の供給流量で流す。
【００５４】
このとき、図４（ｃ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１半導体発光層１５１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ＩｎＧａＮが第１半導体発光層１５１の上に積層されるように結晶成長して第１ｐ型半導体層１６１が形成される。
【００５５】
−第２ｎ型半導体層形成工程−
反応ガスの供給流量を変更することを除いて第１ｎ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００５６】
このとき、図５（ａ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第１ｐ型半導体層１６１の主面を起点として、第１ｎ型半導体層１４１と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なるＩｎＧａＮが第１ｐ型半導体層１６１の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第２ｎ型半導体層１４２が形成される。なお、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ことから、第１ｎ型半導体層１４１よりもＩｎＮ混晶比を高めるためには、第１ｎ型半導体層形成工程よりもIII族元素供給源２（ＴＭＩ）の供給流量を増やすことが好ましい。
【００５７】
−第２半導体発光層形成工程−
第１半導体発光層形成工程と同様の操作を行う。
【００５８】
このとき、図５（ｂ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として、第１半導体発光層１５１とは元素組成比が異なる半導体で形成された、及び／又は、第１半導体発光層１５１とは層厚が異なるＩｎＧａＮが第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第２半導体発光層１５２が形成される。
【００５９】
−第２ｐ型半導体層の形成工程−
第１ｐ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００６０】
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２半導体発光層１５２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ＩｎＧａＮが第２半導体発光層１５２の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第２ｐ型半導体層１６２が形成される。
【００６１】
−第３ｎ型半導体層形成工程−
反応ガスの供給流量を変更することを除いて第１及び第２ｎ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００６２】
このとき、図６（ａ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第２ｐ型半導体層１６２の主面を起点として、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なるＩｎＧａＮが第２ｐ型半導体層１６２の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第３ｎ型半導体層１４３が形成される。なお、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ことから、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２よりもＩｎＮ混晶比を高めるためには、第１及び第２ｎ型半導体層形成工程よりもIII族元素供給源２（ＴＭＩ）の供給流量を増やすことが好ましい。
【００６３】
−第３半導体発光層形成工程−
第１及び第２半導体発光層形成工程と同様の操作を行う。
【００６４】
このとき、図６（ｂ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第３ｎ型半導体層１４３の主面を起点として、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２とは元素組成比が異なる半導体で形成された、及び／又は、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２とは層厚が異なるＩｎＧａＮが第３ｎ型半導体層１４３の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第３半導体発光層１５３が形成される。
【００６５】
−第３ｐ型半導体層の形成工程−
第１及び第２ｐ型半導体層形成工程と同様の操作を行う。
【００６６】
このとき、図６（ｃ）に示すように、結晶成長条件の選択により、第３半導体発光層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ＩｎＧａＮが第３半導体発光層１５３の上に積層されるようにエピタキシャル結晶成長して第３ｐ型半導体層１６３が形成される。
【００６７】
＜電極形成及び劈開工程＞
図７に示すように、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１及び第２ｐ型半導体層１６１，１６２のそれぞれが露出するように反応性イオンエッチングし、露出した第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上に、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法により、それぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成する。なお、第１ｎ型半導体層１４１、第１半導体発光層１５１、及び第１ｐ型半導体層１６１からなり第１ｐ型半導体層１６１が露出した部分が第１発光領域Ａ１、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２、第１及び第２半導体発光層１５１，１５２、並びに第１及び第２ｐ型半導体層１６１，１６２からなり第２ｐ型半導体層１６２が露出した部分が第２発光領域Ａ２、また、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３、並びに第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３からなり第３ｐ型半導体層１６３が露出した部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成される。
【００６８】
そして、ウエハ１１’を劈開することにより個々に分断し、実施形態１に係る多波長発光素子１０が製造される。
【００６９】
［実施形態２］
（多波長発光素子）
図８は実施形態２に係る多波長発光素子１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は実施形態１と同一符号で示す。
【００７０】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、ｕ-半導体層１３の上に積層されるように設けられた第１ｎ型半導体層１４１（第１半導体下地層）、第１ｎ型半導体層１４１の表面の一部分を露出させて、第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるように設けられた第１半導体発光層１５１、第１半導体発光層１５１の表面の一部分を除いて、第１半導体発光層１５１の上に積層されるように設けられた第２ｎ型半導体層１４２（第２半導体下地層）、第２ｎ型半導体層１４２の表面の一部分を露出させて、第２ｎ型半導体層１４２の上に積層されるように設けられた第２半導体発光層１５２、第２半導体発光層１５２の表面の一部分を除いて、第２半導体発光層１５２の上に積層されるように設けられた第３ｎ型半導体層１４３（第３半導体下地層）、及び第３ｎ型半導体層１４３の表面の一部分を露出させて、第３ｎ型半導体層１４３の上に積層されるように設けられた第３半導体発光層１５３を備えている。第１ｎ型半導体層１４１は、ｕ-半導体層１３の主面を起点として、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。第１半導体発光層１５１は、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として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。第２ｎ型半導体層１４２は、第１半導体発光層１５１の主面を起点として、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。第２半導体発光層１５２は、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として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。第３ｎ型半導体層１４３は、第２半導体発光層１５２の主面を起点として、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。第３半導体発光層１５３は、第３ｎ型半導体層１４３の主面を起点として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。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっている。なお、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の下地層を構成するものであり、例えばＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造などのように欠陥の伝搬及び発生を防ぐ構造を有していてもよい。
【００７１】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、第１半導体発光層１５１の第２ｎ型半導体層１４２が積層されていない部分、第２半導体発光層１５２の第３ｎ型半導体層１４３が積層されていない部分、及び第３半導体発光層１５３の上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。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、それぞれ第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の主面を起点として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。
【００７２】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するようにそれぞれ設けられた第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それぞれ設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００７３】
実施形態２に係る多波長発光素子１０では、第１ｐ型電極１８１が設けられた第１ｐ型半導体層１６１の露出部分が第１発光領域Ａ１、第２ｐ型電極１８２が設けられた第２ｐ型半導体層１６２の露出部分が第２発光領域Ａ２、及び第３ｐ型電極１８３が設けられた第３ｐ型半導体層１６３の積層部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成されている。
【００７４】
各層の詳細構成及びその他の構成は実施形態１と同一である。
【００７５】
（多波長発光素子の製造方法）
実施形態２に係る多波長発光素子１０の製造方法では、図９（ａ）に示すように、ウエハ１１’（基板１１）上に形成した凹溝１１ａの側面から結晶成長させたｕ-半導体層１３としてのｕ-ＩｎＧａＮ層、第１ｎ型半導体層１４１としてのＳｉをドープした第１ｎ型ＩｎＧａＮ層、第１半導体発光層１５１としての第１ＩｎＧａＮ層、第２ｎ型半導体層１４２としてのＳｉをドープした第２ｎ型ＩｎＧａＮ層、第２半導体発光層１５２としての第２ＩｎＧａＮ層、第３ｎ型半導体層１４３としてのＳｉをドープした第３ｎ型ＩｎＧａＮ層、及び第３半導体発光層１５３としての第３ＩｎＧａＮ層を順に形成し、次いで、図９（ｂ）に示すように、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３並びに第１及び第２半導体発光層１５１，１５２のそれぞれが露出するようにエッチングを行った後、図９（ｃ）に示すように、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の露出部分にそれぞれ第１〜第３ｐ型ＩｎＧａＮ層を同時に形成し、さらに、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の露出部分及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上に、それぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成する。
【００７６】
各工程の詳細は実施形態１と同一である。
【００７７】
［実施形態３］
（多波長発光素子）
図１０は実施形態３に係る多波長発光素子１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は実施形態１と同一符号で示す。
【００７８】
実施形態３に係る多波長発光素子１０は、ｕ-半導体層１３の上に積層されるように設けられた第１ｎ型半導体層１４１（第１半導体下地層）、第１ｎ型半導体層１４１の表面の一部分を露出させると共に表面の他の一部分を除いて、第１ｎ型半導体層１４１の上に積層されるように設けられた第２ｎ型半導体層１４２（第２半導体下地層）、及び第２ｎ型半導体層１４２の表面の一部分を露出させると共に表面の他の一部分を除いて、第２ｎ型半導体層１４２の上に積層されるように設けられた第３ｎ型半導体層１４３（第３半導体下地層）を備えている。第１ｎ型半導体層１４１は、ｕ-半導体層１３の主面を起点として、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。第２ｎ型半導体層１４２は、第１ｎ型半導体層１４１の主面を起点として、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。第３ｎ型半導体層１４３は、第２ｎ型半導体層１４２の主面を起点として、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。第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっている。なお、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３は、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の下地層を構成するものであり、例えばＩｎＧａＮ/ＧａＮ超格子構造などのように欠陥の伝搬及び発生を防ぐ構造を有していてもよい。
【００７９】
実施形態３に係る多波長発光素子１０は、第１ｎ型半導体層１４１の第２ｎ型半導体層１４２が積層されていない他の一部分、第２ｎ型半導体層１４２の第３ｎ型半導体層１４３が積層されていない他の一部分、及び第３ｎ型半導体発光層の上に積層されるように設けられた第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を備えている。第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、それぞれ第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の主面を起点として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。また、実施形態３に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の上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。第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３は、それぞれ第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の主面を起点として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。
【００８０】
実施形態２に係る多波長発光素子１０は、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３に電気的に接続するようにそれぞれ設けられた第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それぞれ設けられた第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を備えている。
【００８１】
実施形態３に係る多波長発光素子１０は、第１ｐ型電極１８１が設けられた第１ｐ型半導体層１６１の露出部分が第１発光領域Ａ１、第２ｐ型電極１８２が設けられた第２ｐ型半導体層１６２の露出部分が第２発光領域Ａ２、及び第３ｐ型電極１８３が設けられた第３ｐ型半導体層１６３の積層部分が第３発光領域Ａ３にそれぞれ構成されている。
【００８２】
各層の詳細構成及びその他の構成は実施形態１と同一である。
【００８３】
（多波長発光素子の製造方法）
実施形態３に係る多波長発光素子１０の製造方法では、図１１（ａ）に示すように、ウエハ１１’（基板１１）上に形成した凹溝１１ａの側面から結晶成長させたｕ-半導体層１３としてのｕ-ＩｎＧａＮ層、第１ｎ型半導体層１４１としてのＳｉをドープした第１ｎ型ＩｎＧａＮ層、第２ｎ型半導体層１４２としてのＳｉをドープした第２ｎ型ＩｎＧａＮ層、及び第３ｎ型半導体層１４３としてのＳｉをドープした第３ｎ型ＩｎＧａＮ層を順に形成し、次いで、図１１（ｂ）に示すように、第１及び第２ｎ型半導体層１４１，１４２のそれぞれが露出するようにエッチングを行った後、図１１（ｃ）に示すように、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の露出部分にそれぞれ第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３を同時に形成する。ここで、第１〜第３ｎ型半導体層１４３を形成する半導体は、同一の構成元素を有するが、元素組成比が相互に異なっていることから、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３は、同一の構成元素で且つ相互に元素組成比が異なる半導体で形成され、及び／又は、同一の構成元素により相互に層厚が異なって形成される。その後、第１〜第３半導体発光層１５１〜１５３の上にそれぞれ第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３を同時に形成し、さらに、第１〜第３ｎ型半導体層１４１〜１４３の露出部分及び第１〜第３ｐ型半導体層１６１〜１６３の上にそれぞれ第１〜第３ｎ型電極１７１〜１７３及び第１〜第３ｐ型電極１８１〜１８３を形成する。
【００８４】
各工程の詳細は実施形態１と同一である。
【００８５】
［その他の実施形態］
上記実施形態では、第１〜第３発光領域Ａ１〜Ａ３を有する多波長発光素子１０としたが、特にこれに限定されるものではなく、３つよりも多くの発光領域を有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
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】
【００８７】
１０ 多波長発光素子
１１ 基板
１１ａ 凹溝
１１’ ウエハ
１２ 結晶成長面
１３ ｕ-半導体層
１４１〜１４３ 第１〜第３ｎ型半導体層（第１〜第３半導体下地層）
１５１〜１５３ 第１〜第３半導体発光層
１６１〜１６３ 第１〜第３ｐ型半導体層
１７１〜１７３ 第１〜第３ｎ型電極
１８１〜１８３ 第１〜第３ｐ型電極
２０ 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】
発光波長が異なる第１及び第２発光領域が構成された多波長発光素子であって、
上記第１発光領域では、第１半導体下地層と、その上に積層された第１半導体発光層と、が設けられ、
上記第２発光領域では、上記第１半導体下地層の上に配置された該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層と、その上に積層された第２半導体発光層と、が設けられた多波長発光素子。
【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半導体発光層は、相互に同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成されている多波長発光素子。
【請求項３】
請求項１又は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発光領域とは発光波長が異なる第３発光領域が構成され、
上記第３発光領域では、上記第１及び第２半導体下地層の上に配置された該第１及び第２半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第３半導体下地層と、その上に積層された第３半導体発光層と、が設けられている多波長発光素子。
【請求項４】
第１半導体下地層を形成し、その上に、該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で第２半導体下地層を、該第１半導体下地層の一部分が露出した状態に形成した後、露出した第１半導体下地層の一部分の上及び第２半導体下地層の上にそれぞれ第１及び第２半導体発光層を同時に形成する多波長発光素子の製造方法。
【請求項１】
発光波長が異なる第１及び第２発光領域が構成された多波長発光素子であって、
上記第１発光領域では、第１半導体下地層と、その上に積層された第１半導体発光層と、が設けられ、
上記第２発光領域では、上記第１半導体下地層の上に配置された該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第２半導体下地層と、その上に積層された第２半導体発光層と、が設けられた多波長発光素子。
【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半導体発光層は、相互に同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成されている多波長発光素子。
【請求項３】
請求項１又は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発光領域とは発光波長が異なる第３発光領域が構成され、
上記第３発光領域では、上記第１及び第２半導体下地層の上に配置された該第１及び第２半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で形成された第３半導体下地層と、その上に積層された第３半導体発光層と、が設けられている多波長発光素子。
【請求項４】
第１半導体下地層を形成し、その上に、該第１半導体下地層と同一の構成元素で且つ元素組成比が異なる半導体で第２半導体下地層を、該第１半導体下地層の一部分が露出した状態に形成した後、露出した第１半導体下地層の一部分の上及び第２半導体下地層の上にそれぞれ第１及び第２半導体発光層を同時に形成する多波長発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１９５５２９（Ｐ２０１２−１９５５２９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６０１３３（Ｐ２０１１−６０１３３）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【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１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【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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