WO2021020378A1 - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

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貴子 須賀
武志 内田
毅 吉岡
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キヤノン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting element and a method for manufacturing the light emitting element.
  • Patent Document 1 discloses a technique for forming a plurality of light emitting elements that emit light having different wavelengths on the same wafer. In this technology, by repeating the process of forming a mask other than the necessary part and then forming an active layer for each wavelength multiple times, it is possible to form a plurality of light emitting regions that emit light of different wavelengths adjacent to each other. it can.
  • the growth process of the active layer occupies a large proportion of the manufacturing cost of the light emitting device.
  • a processing time including installation of a substrate on a crystal growth apparatus, temperature rise to a growth temperature, and the like is required for each growth step, so that the manufacturing cost is significantly increased.
  • an object of the present invention is to provide a light emitting element and a method for manufacturing the light emitting element, which can be manufactured by a simpler process.
  • the first active layer that emits light of the first wavelength by injecting a current and the first wavelength by absorbing the light of the first wavelength.
  • a second active layer that emits light of a second wavelength different from that of the above, and a first reflector whose reflectance of light of the first wavelength is higher than that of light of the second wavelength.
  • the first reflecting mirror emits light emitted from the first active layer or the second active layer to the outside rather than the first active layer and the second active layer.
  • a light emitting element characterized by being arranged at a position close to the emission end.
  • the step of forming the first active layer that emits the light of the first wavelength by injecting a current, and the reflectance of the light of the first wavelength are higher than the reflectance of the light of the second wavelength. It also has a step of forming a high first reflector, wherein the first active layer or the first active layer is more than the first active layer and the second active layer.
  • a method for manufacturing a light emitting element characterized in that the light emitted from the active layer 2 is arranged at a position close to an emission end for emitting light to the outside.
  • the present invention it is possible to provide a light emitting element that can be manufactured by a simple process and a method for manufacturing the light emitting element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the light emitting element according to the present embodiment.
  • the first semiconductor layer 101, the second active layer 102, the second semiconductor layer 103, and the first active layer 104 are placed on the substrate 100.
  • the third semiconductor layer 105 and the first reflector 106 have a laminated structure arranged in this order. Each of these layers can be formed by epitaxial growth.
  • the light emitting element of the present embodiment has a first electrode 107 arranged on the second semiconductor layer 103 and a second electrode 108 arranged on the third semiconductor layer 105.
  • the first active layer 104 emits light having a wavelength distribution in which the first wavelength is the main peak when a current is injected.
  • "light having a wavelength distribution in which the first wavelength is the main peak” may be simply described as "light having the first wavelength”.
  • the second active layer 102 absorbs the light of the first wavelength, it emits the light of the second wavelength different from the first wavelength by photoexcitation.
  • the light having the first wavelength can be, for example, blue light having a wavelength of about 450 nm.
  • the light of the second wavelength can be, for example, green light having a wavelength of about 525 nm.
  • the first active layer 104 and the second active layer 102 may be made of a single layer material, and may be made of a multiple quantum well structure in which a plurality of sets of quantum well layers and barrier layers are alternately laminated. You may. Light of a desired wavelength is obtained by appropriately setting the materials, composition, thickness, number of pairs, etc. of the active layer, quantum well layer, and barrier layer according to the type of the substrate and designing the bandgap so as to obtain a desired band gap. It is possible to realize a light emitting element that emits light. As an example, when the material of the substrate 100 is sapphire and the material of the active layer is InGaN, the central emission wavelength can be changed by changing the proportion of In. As the proportion of In is increased, the central emission wavelength becomes longer.
  • the first semiconductor layer 101 is n-type or i-type
  • the second semiconductor layer 103 is n-type
  • the third semiconductor layer 105 is p-type.
  • the first active layer 104 is sandwiched between a first conductive type (n type) semiconductor layer and a second conductive type (p type) semiconductor layer opposite to the first conductive type.
  • the second active layer 102 is sandwiched between the first conductive type or i-type semiconductor layer and the first conductive type semiconductor layer.
  • the conductive type of the substrate 100 may be any of n-type, p-type and i-type.
  • the i-type semiconductor layer refers to a non-doped (undoped) semiconductor layer.
  • the non-doping may include both those in which the dopant for controlling the conductive type is not intentionally doped during the growth of the semiconductor layer and those in which approximately the same number of p-type and n-type dopants are doped.
  • the carrier concentration in the i-type semiconductor layer is preferably 1 ⁇ 10 16 cm -3 or less.
  • each semiconductor layer is composed of GaN and AlGaN-based materials which are group III nitride semiconductors, Si, Ge and the like are used as n-type dopants, and Mg, Zn and the like are used as p-type dopants. Used.
  • the group II element Mg, Zn, etc.
  • the VI group element Se, etc.
  • IV elements C, Si, etc.
  • the injection end for emitting light to the outside is on the opposite side to the substrate 100, that is, on the upper side in FIG.
  • the first reflector 106 is arranged on the injection end side of the light emitting element.
  • the upper surface of the first reflecting mirror 106 is the injection end of the light emitting element.
  • the first reflector 106 is designed so that the reflectance of the light of the first wavelength is higher than the reflectance of the light of the second wavelength.
  • the first reflector 106 is, for example, a distributed Bragg reflector.
  • the distributed Bragg reflector is referred to as a DBR (Distributed Bragg Reflector).
  • the DBR is a reflector having a structure in which two thin films having different refractive indexes are alternately and periodically formed so as to have an optical film thickness of 1/4 wavelength.
  • the first reflecting mirror 106 may be a plurality of semiconductor layers formed by epitaxial growth, or may be a plurality of dielectric layers. Of these two types of configurations, the configuration using a plurality of dielectric layers is preferable because the difference in refractive index between the two thin films can be increased and a high reflectance can be realized with a small number of pairs. is there.
  • the first electrode 107 and the second electrode 108 are given different potentials so that a current can be injected into the first active layer 104.
  • the first active layer 104 emits light of a first wavelength.
  • the component emitted downward is directly incident on the second active layer 102.
  • the light of the first wavelength emitted from the first active layer 104 a part of the components emitted upward is reflected by the first reflecting mirror 106 and incident on the second active layer 102. ..
  • the reflectance of the first reflecting mirror 106 is designed to be high with respect to the light of the first wavelength, the light of the first wavelength transmitted through the first reflecting mirror 106 is small. Therefore, most of the light of the first wavelength is incident on the second active layer 102.
  • the second active layer 102 absorbs light of the first wavelength and emits light of the second wavelength by photoexcitation. A part of the light of the second wavelength is reflected by the first reflector 106 and returns to the substrate 100 side. However, since the reflectance of the first reflector 106 to the light of the second wavelength is designed to be lower than the reflectance to the light of the first wavelength, most of the light of the second wavelength is the first. It is emitted in the direction perpendicular to the substrate 100 (upper side in FIG. 1) through the reflector 106 of the above. As a result, the light emitting element of the present embodiment can selectively emit light of the second wavelength to the outside.
  • the light emitting element of the present embodiment converts light of the first wavelength into light of the second wavelength by using the first active layer 104, the second active layer 102, and the first reflecting mirror 106. , Can be selectively ejected to the outside.
  • the first reflecting mirror 106 By arranging the first reflecting mirror 106, the above-mentioned effect can be obtained in a state where the first active layer 104 and the second active layer 102 are laminated in the thickness direction. Therefore, the first active layer 104 It is not necessary to perform patterning between the formation of the active layer 102 and the second active layer 102. Therefore, according to the present embodiment, there is provided a light emitting device capable of forming a plurality of active layers in a simple process.
  • the light emitting element of this embodiment is used, for example, as a pixel of a display.
  • the display surface of the display can be formed by manufacturing the light emitting elements of the present embodiment in a size of about several tens to several hundreds of ⁇ m and arranging them so as to form a plurality of rows and a plurality of columns.
  • a display using an LED (Light Emitting Diode) of an inorganic compound semiconductor in this way is sometimes called a ⁇ LED display.
  • the ⁇ LED display is superior to the liquid crystal display and the organic LED display in terms of life, brightness and the like. The effect when the light emitting element of this embodiment is used for the ⁇ LED display will be described.
  • the manufacturing method of the ⁇ LED display there is a method of mounting the light emitting elements manufactured for each color such as blue, green, and red on the substrate of the display.
  • this method since it is necessary to mount a large number of light emitting elements, there may be a problem that the mounting cost is high. Therefore, in order to reduce the mounting cost, it is desirable to form a plurality of color light emitting elements on the same wafer so that the plurality of light emitting elements can be mounted at once.
  • the epitaxial growth process includes time-consuming steps such as mounting the substrate on the crystal growth apparatus and raising the temperature to the growth temperature.
  • time-consuming steps such as mounting the substrate on the crystal growth apparatus and raising the temperature to the growth temperature.
  • the light emitting element of the present embodiment has a structure capable of performing wavelength conversion in a state where the first active layer 104 and the second active layer 102 are laminated in the thickness direction. Therefore, it is not necessary to perform patterning between the formation of the first active layer 104 and the second active layer 102. Therefore, even if the light emitting elements of two colors are formed on the same wafer, the two active layers can be continuously formed by epitaxial growth. Therefore, in the manufacture of the ⁇ LED display using the light emitting element of the present embodiment, a plurality of active layers can be formed by a simple process, so that the cost can be reduced.
  • the two active layers by epitaxial growth, surface contamination due to removal from the crystal growth apparatus or the like is reduced. Therefore, in the production of the light emitting device of the present embodiment, the cleanliness of the growth surface is maintained, so that the effects of improving the yield, stabilizing the production process, and improving the quality of the active layer can also be obtained.
  • the light emitting element of this embodiment can be suitably used as a pixel for a ⁇ LED display and its effect have been described above, but the same applies to other embodiments described later.
  • the applications of the light emitting elements of this embodiment and other embodiments are not limited to this, and may be applied to applications other than displays such as lighting devices.
  • the injection end may be on the side of the substrate 100.
  • the structure or material so that the light absorption rate of the substrate 100 is low. Specific examples of the design include using a material having a low absorption rate with respect to the wavelength of the emitted light for the substrate 100, or making the thickness of the substrate 100 sufficiently thin.
  • the first active layer 104 is arranged closer to the injection end than the second active layer 102, but the order in which the first active layer 104 and the second active layer 102 are laminated is May be reversed.
  • a current is injected into the first active layer 104 at the positions of the first electrode 107 and the second electrode 108. It is necessary to change as appropriate.
  • the first active layer 104 is arranged closer to the injection end than the second active layer 102.
  • the second active layer 102 is arranged between the first active layer 104 and the substrate 100.
  • the contact hole in which the first electrode 107 for current injection is arranged is made shallower as compared with the case where the first active layer 104 and the second active layer 102 are arranged in reverse. There is an advantage that the etching amount can be reduced.
  • the semiconductor layer between the first active layer 104 or the second active layer 102 and the substrate 100 is not doped with a p-type dopant.
  • Doping a p-type dopant in a semiconductor layer may reduce the crystal quality of the semiconductor layer.
  • the quality of the active layer may also deteriorate due to the low crystal quality of the semiconductor layer.
  • the active layer is a GaN-based material, the quality of the active layer has a large effect on the light emission characteristics. Therefore, the light emission characteristics can be improved by not doping the p-type dopant under the active layer.
  • the first semiconductor layer 101 and the second active layer 102 are n-type or i-type without doping with a p-type dopant, and the second semiconductor layer 103 is a p-type dopant. Is undoped n-type. As a result, it is possible to reduce the deterioration of the quality of the active layer due to the p-type dopant for both the first active layer 104 and the second active layer 102, and the light emitting characteristics are improved.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the light emitting element according to the present embodiment.
  • the first semiconductor layer 101 includes a second reflector 201.
  • the second reflecting mirror 201 is arranged on the opposite side of the first active layer 104 and the second active layer 102 from the first reflecting mirror 106.
  • the second reflector 201 like the first reflector 106, is designed so that the reflectance for light of the first wavelength is higher than the reflectance for light of the second wavelength.
  • the second reflector 201 is, for example, a DBR.
  • the second reflecting mirror 201 may be a DBR having two types of semiconductor layers having different refractive indexes laminated alternately. Examples of two different types of semiconductor layers constituting the DBR include AlGaN, InGaN, and the like.
  • the light of the first wavelength emitted from the first active layer 104 is emitted in both the upward direction and the downward direction in FIG.
  • a part of the light of the first wavelength emitted downward from the first active layer 104 is absorbed by the second active layer 102.
  • the second active layer 102 emits light having a second wavelength by photoexcitation.
  • the other part of the light of the first wavelength emitted downward is transmitted without being absorbed by the second active layer 102.
  • the light of the first wavelength transmitted through the second active layer 102 is reflected by the second reflecting mirror 201 and re-entered into the second active layer 102 to excite the light of the second wavelength.
  • the light of the first wavelength emitted upward from the first active layer 104 is reflected by the first reflecting mirror 106 and is reflected by the first reflecting mirror 106, as in the case of the first embodiment, and is reflected by the second active layer. It is incident on 102 and excites light of a second wavelength.
  • the second reflecting mirror 201 is arranged on the opposite side of the first active layer 104 and the second active layer 102 from the first reflecting mirror 106. According to this configuration, the light of the first wavelength emitted downward from the first active layer 104 and transmitted through the second active layer 102 can be returned to the second active layer 102 again. It is possible to improve the conversion efficiency from light of a wavelength to light of a second wavelength. Therefore, the luminous efficiency of the light of the second wavelength is improved. In addition, the leakage of light of the first wavelength can be reduced.
  • each layer of the first reflecting mirror 106 and the second reflecting mirror 201 are set so as to form a resonator for the first wavelength.
  • the thickness of each layer is such that the reciprocating length of light propagating between the first reflector 106 and the second reflector 201 is an integral multiple of half the first wavelength. Should be set. Thereby, the conversion efficiency from the light of the first wavelength to the light of the second wavelength can be further improved.
  • the light emitting element 300a shown in FIG. 3A is a cross-sectional view showing a model used in the simulation of the configuration corresponding to the present embodiment.
  • a GaN / AlInN semiconductor DBR301 (10 pairs)
  • a 1 ⁇ resonator 310 composed of GaN
  • a SiO 2 / SiN dielectric DBR306 (6 pairs) are arranged in this order on a GaN substrate 100. It has a laminated structure.
  • the 1 ⁇ resonator 310 includes a blue quantum well active layer 304 (emission wavelength 450 nm) and a green quantum well active layer 302 (emission wavelength 525 nm).
  • the 1 ⁇ resonator 310 is configured to have an optical film thickness of 1 ⁇ (1 wavelength) including the layer thicknesses of these two active layers.
  • the design wavelength of each DBR and 1 ⁇ resonator 310 is 450 nm, which is the same as the emission wavelength of the blue quantum well active layer 304.
  • the absorption rate of light having a wavelength of 450 nm in the green quantum well active layer 302 is designed so that light having a wavelength of 450 nm is absorbed by 5.8% when it is transmitted from one surface to the other. This design can be made by adjusting the number of quantum wells.
  • the light emitting element 300b shown in FIG. 3B is a cross-sectional view showing a model used in the simulation of a comparative example for the present embodiment.
  • the light emitting element 300b excludes the SiO 2 / SiN dielectric DBR306 from the configuration of the light emitting element 300a, and is a model that does not form a resonator.
  • FIG. 3C is a graph showing a simulation result of the absorption rate in the green quantum well active layer 302 when light is incident on the laminated surface of the semiconductor layer in the direction perpendicular to the laminated surface.
  • the vertical axis of FIG. 3C is the absorption rate in the green quantum well active layer 302, and the horizontal axis is the wavelength of the incident light.
  • FIG. 3C shows the simulation result by the model of the light emitting element 300a (that is, when there is the SiO 2 / SiN dielectric DBR306). Further, in the simulation of the comparative example using the model of the light emitting element 300b, the absorption rate for light having a wavelength of 450 nm was 0.044.
  • FIG. 4 is a graph showing the reflectance characteristics of the SiO 2 / SiN dielectric DBR306 used in the simulation and the reflectance characteristics of the GaN / AlInN semiconductor DBR301.
  • the vertical axis of FIG. 4 is the reflectance, and the horizontal axis is the wavelength of the incident light.
  • the solid line in FIG. 4 shows the reflectance characteristic of the SiO 2 / SiN dielectric DBR306, and the broken line shows the reflectance characteristic of the GaN / AlInN semiconductor DBR301.
  • the reflectance at a wavelength of 450 nm is 0.96, which is a high value.
  • the reflectance at a wavelength of 525 nm is 0.4 or less, which is a low value.
  • the same tendency can be seen although it is not as remarkable as the SiO 2 / SiN dielectric DBR306.
  • the reflectance characteristic in FIG. 4 was obtained by an optical simulation.
  • the absorption rate of light having a wavelength of 450 nm in the green quantum well active layer 302 is increased by about 10 times by providing the SiO 2 / SiN dielectric DBR306. Therefore, by constructing the resonator structure with the two reflectors, the absorption efficiency of the light of the first wavelength (450 nm) can be improved, and the luminous efficiency of the light of the second wavelength (525 nm) can be improved. You can see that you can. Further, since the SiO 2 / SiN dielectric DBR306 has a high reflectance at the first wavelength and a low reflectance at the second wavelength, the leakage of light at the first wavelength can be reduced.
  • the absorption efficiency of the light of the first wavelength can be improved only by providing the DBR without processing the active layer, and the luminous efficiency of the light of the second wavelength can be improved by a simple process. Can be made to.
  • the emission intensity of the light of the second wavelength can be changed depending on whether or not the SiO 2 / SiN dielectric DBR306 is formed in the upper layer. That is, by forming the SiO 2 / SiN dielectric DBR306 at a desired location on the wafer surface, light of the second wavelength is selectively emitted without processing the semiconductor layer under the SiO 2 / SiN dielectric DBR306. Locations can be provided. Therefore, it is possible to form a portion that selectively emits light of the second wavelength by a simple process.
  • 5A and 5B are graphs showing the simulation results of the light emission ratio when the light absorption rate of the green quantum well active layer 302 is changed.
  • the configuration and characteristics of the light emitting element used in this simulation are the same as those shown in FIGS. 3A to 3C and FIG.
  • FIGS. 5A and 5B show the absorption rate of light having a wavelength of 450 nm transmitted from one surface to the other in the green quantum well active layer 302.
  • the vertical axis shows the rate of light emission upward from each active layer of the blue quantum well active layer 304 or the green quantum well active layer 302.
  • the solid line shows the light emission ratio from the green quantum well active layer 302
  • the broken line shows the light emission ratio from the blue quantum well active layer 304.
  • the amount of light emitted from the blue quantum well active layer 304 is 1 in the simulation. Further, when blue light is absorbed by the green quantum well active layer, the light is 100% converted into green light.
  • FIG. 5A is a graph showing a case where a light emitting element is used in a state where the light intensity ratio of green and blue is 1: 1.
  • FIG. 5B is a graph showing a case where a light emitting element is used in a state where the light intensity ratio of green and blue is 1: 3. That is, FIG. 5B shows the value of the emission ratio of the amount of green light tripled.
  • the absorption rate of the green quantum well active layer 302 is adjusted to about 35%. Is preferable.
  • the green emission ratio can be increased by increasing the injection current amount into the green pixel to be larger than the injection current amount into the blue pixel.
  • the light emission ratio of each pixel can be adjusted by changing the reflectance of the DBR. For example, by configuring the SiO 2 / SiN dielectric DBR306 so as to reduce the reflectance of the wavelength corresponding to green, it is possible to increase the emission ratio of green.
  • the difference in luminosity factor between green and blue is taken into consideration.
  • the brightness may be different.
  • the absorption rate of the green quantum well active layer 302 is 3% or more and 7% or less (when the permissible deviation is about ⁇ 30%) from FIG. 5B. )
  • the above-mentioned light intensity ratio is realized.
  • the above-mentioned light amount ratio is more preferably realized by setting it to 4% or more and 6% or less (when the permissible deviation is about ⁇ 10%).
  • the above example is just an example of how to use the light emitting element of this embodiment. Since the design of the absorption rate of the green quantum well active layer 302 can be appropriately changed depending on the reflectance of the reflector, the conversion efficiency of the light excited from the excitation light, the brightness ratio of each color, the degree of reduction of the color mixture rate, etc. A design different from the above example may be made. For example, if the wavelength dependence of the reflectance of the reflector is different from that shown in FIG. 4 used in this simulation, the appropriate absorptivity changes. When the green emission ratio is increased by changing the design of the dielectric DBR and lowering the reflectance at the green wavelength of 525 nm, the appropriate absorption rate range is changed to a range lower than the above value. Will be done.
  • the amount of light emitted is changed instead of a method of removing a part of light such as an optical filter.
  • the absorption efficiency can be improved about 10 times by introducing the resonator structure in the light having a green wavelength. Therefore, a light emitting element capable of more efficient light emission is provided.
  • the light emitting element of the present embodiment includes the light emitting element of the first embodiment or the second embodiment, and can emit light of two different wavelengths from two light emitting regions formed on the same wafer. It is configured so that it can be done.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view schematically showing a first configuration example of the light emitting element according to the present embodiment.
  • the light emitting element of the present embodiment has a first region 501 and a second region 502 in a plan view from a direction perpendicular to the substrate 100.
  • the first region 501 mainly emits light of the first wavelength to the outside.
  • the second region 502 mainly emits light having a second wavelength to the outside.
  • the first region 501 and the second region 502 are formed on the same wafer.
  • a first reflector 106 is arranged on the third semiconductor layer 105 of the second region 502. The first reflector 106 is not arranged on the third semiconductor layer 105 of the first region 501.
  • the structure of the second region 502 is the same as the structure of FIG. 1 of the first embodiment. That is, the second region 502 is provided with a first reflector 106 having a high reflectance of light having a first wavelength.
  • the first active layer 104 emits light having a first wavelength.
  • the second active layer 102 is excited by the light of the first wavelength, and the second active layer 102 emits the light of the second wavelength.
  • the first reflecting mirror 106 has a high reflectance with respect to light having a first wavelength. Therefore, light having a second wavelength is mainly emitted from the second region 502.
  • a third electrode 503 is arranged on the third semiconductor layer 105 as an electrode for injecting a current into the first active layer 104 in the first region 501. ing.
  • a current is injected into the first active layer 104 by the first electrode 107 and the third electrode 503, the first active layer 104 in the first region 501 emits light having a first wavelength.
  • the first electrode 107 is a common electrode that supplies an electric current to the first active layer 104 in the first region 501 and the first active layer 104 in the second region 502.
  • the second electrode 108 and the third electrode 503 are arranged independently of each other.
  • the light emitting device of the present embodiment has a structure in which a current can be independently supplied to the first active layer 104 in the first region 501 and the first active layer 104 in the second region 502. Therefore, the first region 501 and the second region 502 can independently emit light having different wavelengths.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing a second configuration example of the light emitting element according to the present embodiment.
  • the first semiconductor layer 101 includes the second reflector 201, as in the second embodiment.
  • the second reflector 201 is designed to have high reflectance for light of at least the first wavelength.
  • the luminous efficiency of the light of the second wavelength is improved in the second region 502 for the same reason as in the second embodiment.
  • the light of the first wavelength emitted downward from the first active layer 104 is reflected by the second reflecting mirror 201 and returned upward.
  • the luminous efficiency of the light having the first wavelength is improved also in the first region 501.
  • the luminous efficiency can be further improved.
  • the second reflector 201 may be designed to have a high reflectance with respect to light having a second wavelength.
  • the light of the second wavelength emitted downward from the second active layer 102 is also reflected by the second reflector 201 and returned upward.
  • the luminous efficiency of the light of the second wavelength in the second region 502 is further improved.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view schematically showing a third configuration example of the light emitting element according to the present embodiment.
  • This configuration example is one of the configurations for reducing the component of the second wavelength contained in the light emitted from the first region 501.
  • a third reflector 504 is arranged on the third semiconductor layer 105 in the first region 501.
  • the reflectance of the third reflector 504 to light of the second wavelength is higher than the reflectance to light of the first wavelength.
  • Other configurations are the same as those of the first configuration example.
  • the first active layer 104 emits light having a first wavelength.
  • the second active layer 102 emits the light of the second wavelength. Since the light of the second wavelength is reflected by the third reflecting mirror 504, the component of the second wavelength contained in the light emitted from the first region 501 is reduced. Therefore, the proportion of the first wavelength contained in the light emitted from the first region 501 increases and the proportion of the second wavelength decreases, so that the light of the first wavelength and the light of the second wavelength Color mixing is reduced.
  • the first region 501 and the second region 502 that emit light having different wavelengths can be formed on the same wafer. it can.
  • the structure for changing the wavelength of the emitted light is the first reflector 106 arranged on the third semiconductor layer 105. Therefore, by forming the first reflecting mirror 106 at a desired location on the wafer surface, the first region 501 that emits light having different wavelengths from each other without processing the semiconductor layer under the first reflecting mirror 106. And the second region 502 can be formed. Therefore, it is possible to form a light emitting element capable of emitting light of two wavelengths individually by a simple process.
  • the light emitting element of the present embodiment is obtained by modifying the number of light emitting regions of the third embodiment from two to three. That is, the light emitting element of the present embodiment is configured to be capable of emitting light of three different wavelengths from three light emitting regions formed on the same wafer.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the light emitting element according to the present embodiment.
  • the light emitting device of the present embodiment has, in addition to the element structure of the second configuration example (FIG. 6B) of the third embodiment, a third region 601 that mainly emits light of a third wavelength to the outside. Further, in the present embodiment, a third reflector 504 is arranged on the third semiconductor layer 105 of the first region 501 as in the third configuration example (FIG. 6C) of the third embodiment. There is.
  • the cross-sectional structure below the third semiconductor layer 105 is the same as in the first region 501 and the second region 502.
  • a fourth semiconductor layer 604, a third active layer 602, and a fifth semiconductor layer 605 are arranged in this order on the third semiconductor layer 105.
  • a fourth electrode 603 is arranged on the third semiconductor layer 105 as an electrode for injecting a current into the first active layer 104 in the third region 601. ing.
  • the first active layer 104 in the third region 601 emits light having a first wavelength.
  • the light of the first wavelength excites the third active layer 602, and the third active layer 602 emits the light of the third wavelength.
  • the light of the third wavelength can be, for example, red light having a wavelength of about 630 nm.
  • the first region 501, the second region 502, and the third region 601 that emit light having different wavelengths can be formed on the same wafer.
  • the structure for changing the wavelength of the emitted light is such that each layer arranged on the third semiconductor layer 105, that is, the first reflecting mirror 106, the third reflecting mirror 504, and the fourth The semiconductor layer 604, the third active layer 602, and the fifth semiconductor layer 605. Therefore, by forming each of these layers at a desired location on the wafer surface, the first regions 501 and the second regions 501 and the second regions that emit light having different wavelengths from each other without processing the semiconductor layer under the layer. Region 502 and a third region 601 can be formed.
  • light having a third wavelength is emitted by photoexcitation by light emission from the first active layer 104 in the third region 601.
  • the fourth semiconductor layer 604, the third active layer 602, and the fifth semiconductor layer 605 do not need to be electrically connected to the third semiconductor layer 105, and are located at predetermined positions. It should be in. Therefore, it is possible to form a light emitting element capable of individually emitting light of three wavelengths in a simple process.
  • the fourth semiconductor layer 604, the third active layer 602, and the fifth semiconductor layer 605 can be formed on the third semiconductor layer 105 by, for example, epitaxial growth. However, it may be formed by other methods.
  • Another transfer substrate in which the fifth semiconductor layer 605, the third active layer 602, and the fourth semiconductor layer 604 are formed in this order from the substrate side is prepared in advance.
  • This transfer substrate is bonded to the substrate 100 on which the semiconductor layer below the third semiconductor layer 105 is formed, and then only this transfer substrate is removed by wet etching or the like.
  • the fourth semiconductor layer 604, the third active layer 602, and the fifth semiconductor layer 605 can be formed on the third semiconductor layer 105.
  • Doping with a p-type dopant as described above may reduce the crystal quality of the semiconductor layer. Therefore, the crystal quality of a layer formed by epitaxial growth on a semiconductor layer doped with a p-type dopant may also deteriorate.
  • the quality of the third active layer 602 can be improved and the light emission characteristics can be improved.
  • the steps of determining the first region 501 and the second region 502, such as the formation of the first reflecting mirror 106 and the third reflecting mirror 504, include the fourth semiconductor layer 604, the third active layer 602, and the fifth. It is desirable that this is performed after joining the semiconductor layers 605 of the above and determining the position of the third region 601.
  • the substrate can be bonded to a flat substrate immediately after epitaxial growth, instead of the uneven substrate that has undergone the process. As a result, the condition of the joint surface is improved, the process difficulty is lowered, and the yield is improved.
  • the positions of the first region 501 and the second region 502 can be determined by the high position accuracy by photolithography with reference to the position of the third region 601 that has already been formed.
  • the required accuracy in alignment at the time of joining can be lowered as compared with the case where the step of determining the first region 501 and the second region 502 is performed first. Further, as described above, as compared with the method of mounting the light emitting elements manufactured for each color on the substrate of the display, the elements of a plurality of colors can be arranged on the entire surface of the wafer by one bonding. Therefore, the effects of improving the yield and reducing the mounting cost can be obtained.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the light emitting element according to the present embodiment. Since the structure of the light emitting device of the present embodiment is the same as that of the third configuration example (FIG. 6C) of the third embodiment, detailed description of the structure may be omitted or simplified.
  • the light emitting device of this embodiment is formed on a sapphire substrate 700 having an i-type GaN layer 701, an i-type green quantum well active layer 702, an n-type GaN layer 703, an i-type blue quantum well active layer 704, and a p-type. It is formed by sequentially epitaxially growing the GaN layer 705. A buffer layer (not shown) is formed between the sapphire substrate 700 and the GaN layer 701.
  • the green quantum well active layer 702 includes an InGaN well layer and a GaN barrier layer.
  • the In composition of the InGaN well layer is about 20%, and in this case, the central emission wavelength is 525 nm.
  • the blue quantum well active layer 704 also includes an InGaN well layer and a GaN barrier layer.
  • the In composition of the InGaN well layer is about 15%, and in this case, the central emission wavelength is 450 nm.
  • the light emitting element of the present embodiment has a region 711 that emits blue light and a region 712 that emits green light in a plan view from a direction perpendicular to the sapphire substrate 700.
  • the light emitting device is formed with a separation groove for separating the region 711 and the region 712. The depth of the separation groove is set so that the position of the bottom surface of the separation groove is between the upper surface and the lower surface of the GaN layer 703.
  • an n-electrode 707 that gives a potential to each region in common is formed at the bottom of the separation groove.
  • p electrodes 708 and 713 that individually apply potentials to the regions 712 and 711 are formed on the GaN layer 705.
  • a reflector 706 that mainly reflects light having a blue wavelength and a reflector 714 that mainly reflects light having a green wavelength are formed in regions 712 and 711, respectively.
  • the reflector 706 includes 6 pairs of laminated films of SiN and SiO 2 .
  • the film thickness of each layer is determined in consideration of the refractive index of each layer so that the optical film thickness is 1/4 of the wavelength of blue light (450 nm).
  • the reflector 714 contains 6 pairs of laminated films of SiN and SiO 2 . Each film thickness is determined in consideration of the refractive index of each film so that the optical film thickness is 1/4 of the wavelength of green light (525 nm).
  • a light emitting element in which a region 711 that emits light having a blue wavelength and a region 712 that emits light having a green wavelength are formed on the same wafer can be manufactured by a simple process.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the light emitting element according to the present embodiment.
  • the i-type GaN layer 801 includes the i-type DBR layer 802. Since the structures other than this are the same as those in the fifth embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the DBR layer 802 has a laminated structure in which a plurality of pairs of AlGaN layers and GaN layers are alternately laminated.
  • the film thickness of each layer is determined in consideration of the refractive index of each layer so that the optical film thickness is 1/4 of the wavelength of blue light (450 nm). Further, the film thickness and the like of each layer are set so that the DBR layer 802 and the reflector 706 form a resonator for the blue wavelength.
  • blue (wavelength 450 nm) light resonates in the resonator in the region 712.
  • the absorption rate of blue light in the green quantum well active layer 702 increases, and the luminous efficiency of green light from the green quantum well active layer 702 is improved.
  • the light emitted to the sapphire substrate 700 side is reflected by the DBR layer 802 and heads upward, so that the luminous efficiency of the blue light is improved. To do.
  • the luminous efficiency of blue and green light is further improved as compared with the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the light emitting element according to the present embodiment.
  • the light emitting element of the present embodiment further has a region 901 that emits red light in a plan view from a direction perpendicular to the sapphire substrate 700. Since the structure other than this is the same as that of the sixth embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the AlInP clad layer 904, the AlGaInP active layer 902, and the AlInP clad layer 905 are formed on the GaN layer 705 in this order.
  • the ratio of each element of the AlGaInP active layer 902 is adjusted so that the central emission wavelength thereof is 630 nm.
  • a p-electrode 903 that gives a potential to the region 901 is formed.
  • the blue quantum well active layer 704 emits blue light.
  • the AlGaInP active layer 902 is excited by the blue light, and the AlGaInP active layer 902 emits red light. As a result, red light is emitted from the region 901.
  • FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views schematically showing the structure of the transfer substrate according to the present embodiment.
  • the AlInP clad layer 905, the AlGaInP active layer 902, and the AlInP clad layer 904 are formed by epitaxially growing on a GaAs substrate 910 different from the sapphire substrate 700 in this order.
  • patterning is performed by etching the AlInP clad layer 904, the AlGaInP active layer 902, and the AlInP clad layer 905 so as to leave only the portion corresponding to the light emitting region.
  • a polyimide layer (not shown) is formed on the upper surface of FIG. 11B by spin coating.
  • the GaN layer 705 of the sapphire substrate 700 on which the layers up to the GaN layer 705 shown in FIG. 10 are formed and the AlInP clad layer 904 of the transfer substrate are heated in a aligned state so as to face each other.
  • the GaN layer 705 and the AlInP clad layer 904 are joined via the polyimide layer.
  • the GaAs substrate 910 is removed by wet etching.
  • the AlInP clad layer 904, the AlGaInP active layer 902, and the AlInP clad layer 905 are transferred onto the GaN layer 705.
  • the separation groove 906 is formed, the reflectors 706 and 714 are formed, and the like as in the fifth embodiment, and the light emitting element shown in FIG. 10 is completed.
  • the region 711 that emits light having a blue wavelength, the region 712 that emits light having a green wavelength, and the region 901 that emits light having a red wavelength are formed on the same wafer.
  • the light emitting element can be manufactured by a simple process.

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Abstract

電流が注入されることにより、第１の波長の光を発する第１の活性層と、前記第１の波長の光を吸収することにより、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する第２の活性層と、前記第１の波長の光の反射率が前記第２の波長の光の反射率よりも高い第１の反射鏡と、を有し、前記第１の反射鏡は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層よりも、前記第１の活性層又は前記第２の活性層で発せられた光を外部に射出する射出端に近い位置に配されている、発光素子が提供される。

Description

発光素子及び発光素子の製造方法
　本発明は、発光素子及び発光素子の製造方法に関する。
　特許文献１には、異なる波長の光を発する複数の発光素子を同一のウエハ上に形成する技術が開示されている。この技術では、必要な部分以外にマスクを形成してから各波長用の活性層を形成する処理を複数回繰り返すことで、異なる波長の光を発する複数の発光領域を隣接して形成することができる。
特開２００９－７０８９３号公報
　特許文献１に記載されているような同一基板に対して活性層の成長を複数回行う方式では、基板を結晶成長装置に入れて各波長用の活性層を成長させる処理を複数回繰り返して行う必要がある。この場合に、次のような課題が生じ得る。
　まず、活性層の成長時には、成長面を原子レベルで清浄にする必要がある。表面の清浄性は歩留り及び活性層品質に大きく影響するため、活性層の成長を複数回行うことは、歩留りの悪化及び歩留りの不安定性の要因となり得る。
　また、活性層の成長工程は、発光素子の製造コストに対して大きな割合を占めている。活性層の成長を複数回行う場合には、結晶成長装置への基板の設置、成長温度への昇温等を含む処理時間が成長工程ごとに必要となるため、製造コストが大幅に増大する。
　以上のように、活性層の成長を複数回行う方式においては、活性層の品質を保ちつつ、歩留り及び安定性を向上させ、更に製造コストを低減することが課題となり得る。そこで、本発明は、より簡略な工程で製造可能な発光素子及び発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一観点によれば、電流が注入されることにより、第１の波長の光を発する第１の活性層と、前記第１の波長の光を吸収することにより、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する第２の活性層と、前記第１の波長の光の反射率が前記第２の波長の光の反射率よりも高い第１の反射鏡と、を有し、前記第１の反射鏡は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層よりも、前記第１の活性層又は前記第２の活性層で発せられた光を外部に射出する射出端に近い位置に配されていることを特徴とする発光素子が提供される。
　本発明の他の一観点によれば、第１の波長の光を吸収することにより、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する第２の活性層を形成するステップと、電流が注入されることにより、前記第１の波長の光を発する第１の活性層を形成するステップと、前記第１の波長の光の反射率が前記第２の波長の光の反射率よりも高い第１の反射鏡を形成するステップと、を有し、前記第１の反射鏡は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層よりも、前記第１の活性層又は前記第２の活性層で発せられた光を外部に射出する射出端に近い位置に配されていることを特徴とする発光素子の製造方法が提供される。
　本発明によれば、簡略な工程で製造可能な発光素子及び発光素子の製造方法を提供することができる。
第１実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第２実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第２実施形態のシミュレーションに用いた発光素子のモデルを示す断面図である。 第２実施形態のシミュレーションに用いた発光素子のモデルを示す断面図である。 第２実施形態のシミュレーション結果を表すグラフである。 第２実施形態のシミュレーションに用いた分布ブラッグ反射鏡の反射率特性を表すグラフである。 緑色量子井戸活性層の吸収率を変化させたときの発光割合のシミュレーション結果を表すグラフである。 緑色量子井戸活性層の吸収率を変化させたときの発光割合のシミュレーション結果を表すグラフである。 第３実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第３実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第３実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第４実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第５実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第６実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第７実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 第７実施形態に係る転写基板の構造を模式的に示す断面図である。 第７実施形態に係る転写基板の構造を模式的に示す断面図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。なお、複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。
　［第１実施形態］
　図１は、本実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図１に示されるように、本実施形態の発光素子は、基板１００の上に、第１の半導体層１０１、第２の活性層１０２、第２の半導体層１０３、第１の活性層１０４、第３の半導体層１０５及び第１の反射鏡１０６がこの順に配された積層構造を有する。これらの各層はエピタキシャル成長により形成され得る。また、本実施形態の発光素子は、第２の半導体層１０３の上に配された第１の電極１０７と、第３の半導体層１０５の上に配された第２の電極１０８とを有する。
　第１の活性層１０４は、電流が注入されたときに、第１の波長がメインピークとなる波長分布を有する光を発する。なお、本明細書において、「第１の波長がメインピークとなる波長分布を有する光」は、単に「第１の波長の光」と記載されることもある。第２の活性層１０２は、第１の波長の光を吸収したときに、光励起によって第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する。第１の波長の光は、例えば、４５０ｎｍ程度の波長の青色の光であり得る。第２の波長の光は、例えば、５２５ｎｍ程度の波長の緑色の光であり得る。
　第１の活性層１０４及び第２の活性層１０２は、単層の材料により構成されていてもよく、量子井戸層とバリア層とが交互に複数組積層された多重量子井戸構造により構成されていてもよい。基板の種類に応じて、活性層、量子井戸層及びバリア層の材料、組成、厚さ、ペア数等を適宜設定して所望のバンドギャップとなるように設計することにより、所望の波長の光を発する発光素子を実現することができる。一例として、基板１００の材料がサファイアであり、活性層の材料がＩｎＧａＮである場合には、Ｉｎの割合を変えることにより、中心発光波長を変化させることができる。Ｉｎの割合を増加させるほど、中心発光波長が長くなる。
　一例として、第１の半導体層１０１は、ｎ型又はｉ型であり、第２の半導体層１０３はｎ型であり、第３の半導体層１０５はｐ型である。言い換えると、第１の活性層１０４は、第１の導電型（ｎ型）の半導体層と、第１の導電型とは反対の第２の導電型（ｐ型）の半導体層とにより挟まれている。第２の活性層１０２は、第１の導電型又はｉ型の半導体層と、第１の導電型の半導体層とにより挟まれている。なお、基板１００の導電型は、ｎ型、ｐ型及びｉ型のいずれであってもよい。
　なお、本明細書においてｉ型の半導体層とは、ノンドープ（アンドープ）の半導体層を指す。ノンドープとは、半導体層の成長中に、導電型を制御するためのドーパントを意図的にドープしていないものと、ｐ型とｎ型のドーパントをほぼ同数ドーピングしたものとの両方を含み得る。ｉ型の半導体層におけるキャリア濃度は、１×１０１６ｃｍ－３以下であることが望ましい。
　各半導体層がＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮ、ＡｌＧａＮ系材料で構成されている場合には、Ｓｉ、Ｇｅ等がｎ型用のドーパントとして用いられ、Ｍｇ、Ｚｎ等がｐ型用のドーパントとして用いられる。各半導体層がＩＩＩ－Ｖ族半導体であるＡｌＧａＡｓ系材料で構成されている場合には、ＩＩ族元素（Ｍｇ、Ｚｎ等）がｐ型用の、ＶＩ族元素（Ｓｅ等）がｎ型用の、ＩＶ族元素（Ｃ、Ｓｉ等）がｐ型又はｎ型用のドーパントとして用いられる。
　本実施形態の発光素子においては、光を外部に射出する射出端は、基板１００とは反対側であり、すなわち、図１の上側である。第１の反射鏡１０６は、発光素子の射出端側に配される。言い換えると、第１の反射鏡１０６の上面が発光素子の射出端である。第１の反射鏡１０６は、第１の波長の光の反射率が第２の波長の光の反射率よりも高くなるように設計されている。
　第１の反射鏡１０６は、例えば、分布ブラッグ反射鏡である。以下では、分布ブラッグ反射鏡を、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）と呼ぶ。ＤＢＲは、屈折率の異なる２つの薄膜をいずれも１／４波長の光学膜厚となるように交互に周期的に形成した構造の反射鏡である。第１の反射鏡１０６は、エピタキシャル成長により形成された複数の半導体層であってもよく、複数の誘電体層であってもよい。この２種の構成の中では、複数の誘電体層を用いた構成の方が、２つの薄膜の屈折率差を大きくできるため、少ないペア数で高い反射率を実現することができるため好適である。
　第１の電極１０７及び第２の電極１０８には、第１の活性層１０４に電流を注入できるように異なる電位が与えられる。第１の活性層１０４に電流が注入されると、第１の活性層１０４は、第１の波長の光を発する。第１の活性層１０４から発せられた第１の波長の光のうち、下方に射出された成分は、第２の活性層１０２に直接入射される。第１の活性層１０４から発せられた第１の波長の光のうち、上方に射出された成分の一部は、第１の反射鏡１０６により反射され、第２の活性層１０２に入射される。ここで、第１の反射鏡１０６の反射率は、第１の波長の光に対しては高く設計されているので、第１の反射鏡１０６を透過する第１の波長の光は少ない。そのため、第１の波長の光の多くは第２の活性層１０２に入射される。
　第２の活性層１０２は、第１の波長の光を吸収して、光励起により第２の波長の光を発する。第２の波長の光の一部は、第１の反射鏡１０６により反射されて基板１００側へ戻る。しかしながら、第２の波長の光に対する第１の反射鏡１０６の反射率は、第１の波長の光に対する反射率よりも低く設計されているため、第２の波長の光の多くは、第１の反射鏡１０６を透過して、基板１００に対して垂直方向（図１の上側）に射出される。これにより、本実施形態の発光素子は、第２の波長の光を選択的に外部に射出することができる。
　本実施形態の発光素子は、第１の活性層１０４、第２の活性層１０２及び第１の反射鏡１０６を用いることにより、第１の波長の光を第２の波長の光に変換して、選択的に外部に射出することができる。第１の反射鏡１０６を配することにより、第１の活性層１０４と第２の活性層１０２とが厚さ方向に積層された状態で上述の効果が得られるため、第１の活性層１０４と第２の活性層１０２との形成の間にパターニングを行うことを要しない。したがって、本実施形態によれば、簡略な工程で複数の活性層の形成を行うことができる発光素子が提供される。
　本実施形態の発光素子は、例えば、ディスプレイの画素に用いられる。本実施形態の発光素子を数十～数百μｍ程度の大きさで作製し、これを複数の行及び複数の列をなすように配列することでディスプレイの表示面を形成することができる。このように無機化合物半導体のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いたディスプレイはμＬＥＤディスプレイと呼ばれることもある。μＬＥＤディスプレイは、液晶ディスプレイ、有機ＬＥＤディスプレイと比較して、寿命、輝度等の面で優位性がある。本実施形態の発光素子をμＬＥＤディスプレイに用いた場合の効果について説明する。
　μＬＥＤディスプレイの製造方法の一例としては、青色、緑色、赤色等の色ごとに作製された発光素子をディスプレイの基板上に実装する方式が挙げられる。この方式では多数の発光素子を実装する必要があるため実装コストが大きい点が課題となり得る。そこで、実装コスト低減のため、複数の色の発光素子を同一のウエハに形成することにより、複数の発光素子を一括して実装できるようにすることが望ましい。
　複数の発光素子を同一のウエハに形成するためには、同一のウエハに発光波長の異なる複数の活性層を形成する必要がある。特許文献１に記載されているような複数の活性層の形成の間にマスクの形成を行う手法では、製造工程が複雑化して製造コストが増大する。その理由は以下のとおりである。化合物半導体を用いた発光素子の製造工程においては、エピタキシャル成長によって活性層等の半導体層の形成が行われる。複数の活性層の形成の間にマスクの形成を行う工程フローでは、各層のエピタキシャル成長を一括して行うことができず、エピタキシャル成長の処理を複数回に分けて行う必要が生じる。エピタキシャル成長の処理は、結晶成長装置への基板の設置、成長温度への昇温等の時間のかかる工程を含む。エピタキシャル成長の処理を複数回に分けて行うと、この工程数が処理回数に比例して増大するため、製造コストが増大する。
　これに対し、本実施形態の発光素子は、第１の活性層１０４と第２の活性層１０２とが厚さ方向に積層された状態で波長変換を行うことができる構造を有している。そのため、第１の活性層１０４と第２の活性層１０２との形成の間にパターニングを行うことを要しない。したがって、仮に２色の発光素子を同一のウエハに形成した場合であっても２つの活性層を連続的にエピタキシャル成長により形成することができる。したがって、本実施形態の発光素子を用いたμＬＥＤディスプレイの製造においては、簡略な工程で複数の活性層の形成を行うことができるため、コストを低減することができる。
　また、２つの活性層を連続的にエピタキシャル成長により形成することで、結晶成長装置からの取出し等に起因する表面汚染が低減される。したがって、本実施形態の発光素子の製造においては、成長面の清浄性が維持されるため、歩留まりの向上、製造工程の安定化及び活性層の品質向上の効果も得られる。
　以上、本実施形態の発光素子がμＬＥＤディスプレイ用の画素として好適に用いられ得る理由及びその効果について述べたが、これは後述の他の実施形態においても同様である。しかしながら、本実施形態及び他の実施形態の発光素子の用途はこれに限定されるものではなく、照明装置等、ディスプレイ以外の用途に適用されてもよい。
　なお、本実施形態では、射出端が図１における上側（基板１００と反対側）である構成を例示しているが、射出端は、基板１００の側であってもよい。射出端が基板１００の側である場合には、基板１００における光の吸収率が低くなるように構造又は材料を設計することが望ましい。具体的な設計の例としては、射出させる光の波長に対して吸収率の低い材料を基板１００に用いる、あるいは、基板１００の厚さを十分に薄くする等が挙げられる。
　本実施形態では、第１の活性層１０４が第２の活性層１０２よりも射出端に近い側に配されているが、第１の活性層１０４と第２の活性層１０２とを積層する順序は、逆であってもよい。なお、第１の活性層１０４と第２の活性層１０２との順序を入れ替える場合には、第１の電極１０７と第２の電極１０８の位置を第１の活性層１０４に電流が注入されるように適宜変更する必要がある。
　しかしながら、図１に示されているように、第１の活性層１０４は、第２の活性層１０２よりも射出端に近い位置に配されていることが望ましい。言い換えると、第２の活性層１０２は、第１の活性層１０４と基板１００との間に配されていることが望ましい。この構成では、第１の活性層１０４と第２の活性層１０２とが逆に配置されている場合と比較して、電流注入用の第１の電極１０７が配されるコンタクトホールを浅くすることができ、エッチング量を少なくすることができる利点がある。
　第１の活性層１０４又は第２の活性層１０２と、基板１００との間にある半導体層に対しては、ｐ型のドーパントがドーピングされていないことが望ましい。半導体層にｐ型のドーパントをドーピングすると、その半導体層の結晶品質が低下することがある。その半導体層の上に活性層を成長させると、半導体層の結晶品質が低いことに起因して活性層の品質も低下することがある。特に活性層がＧａＮ系材料である場合には、活性層の品質が発光特性に及ぼす影響が大きいため、活性層の下にｐ型ドーパントをドーピングしないことにより、発光特性が向上し得る。
　より具体的には、第１の半導体層１０１と第２の活性層１０２は、ｐ型のドーパントがドーピングされていないｎ型又はｉ型であり、第２の半導体層１０３は、ｐ型のドーパントがドーピングされていないｎ型とする。これにより、第１の活性層１０４及び第２の活性層１０２のいずれに対しても、ｐ型のドーパントに起因する活性層の品質の低下を軽減することができ、発光特性が向上する。
　［第２実施形態］
　本実施形態の発光素子が第１実施形態の発光素子と相違する点は、第２の反射鏡２０１が更に設けられている点である。図２は、本実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。第１の半導体層１０１は、第２の反射鏡２０１を含んでいる。第２の反射鏡２０１は、第１の活性層１０４及び第２の活性層１０２に対して、第１の反射鏡１０６とは反対側に配されている。第２の反射鏡２０１は、第１の反射鏡１０６と同様に、第１の波長の光に対する反射率が第２の波長の光に対する反射率よりも高くなるように設計されている。
　第２の反射鏡２０１は、例えばＤＢＲである。この場合、第２の反射鏡２０１は、屈折率の異なる２種類の半導体層が交互に積層された構成のＤＢＲであり得る。ＤＢＲを構成する異なる２種類の半導体層の例としては、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が挙げられる。
　第１の活性層１０４から発せられた第１の波長の光は、図２における上方向と下方向の両方に射出される。第１の活性層１０４から下方向に射出された第１の波長の光の一部は、第２の活性層１０２により吸収される。このとき、第２の活性層１０２は、光励起により、第２の波長の光を発する。下方向に射出された第１の波長の光の他の一部は、第２の活性層１０２で吸収されずに透過する。第２の活性層１０２を透過した第１の波長の光は、第２の反射鏡２０１により反射されて第２の活性層１０２に再び入射され、第２の波長の光を励起する。一方、第１の活性層１０４から上方向に出射された第１の波長の光は、第１実施形態で述べたものと同様に、第１の反射鏡１０６より反射され、第２の活性層１０２に入射され、第２の波長の光を励起する。
　このように、本実施形態では、第２の反射鏡２０１が、第１の活性層１０４及び第２の活性層１０２に対して、第１の反射鏡１０６とは反対側に配されている。この構成によれば、第１の活性層１０４から下方に射出され第２の活性層１０２を透過した第１の波長の光を再び第２の活性層１０２に戻すことができるため、第１の波長の光から第２の波長の光への変換効率を向上させることができる。したがって、第２の波長の光の発光効率が向上する。また、第１の波長の光の漏出を少なくすることができる。
　ここで、第１の反射鏡１０６と第２の反射鏡２０１は、第１の波長に対する共振器を構成するように、各層の膜厚等が設定されていることが望ましい。具体的には、第１の反射鏡１０６と第２の反射鏡２０１との間を伝搬する光の往復の長さが、第１の波長の半分の整数倍となるように、各層の膜厚が設定されていればよい。これにより、第１の波長の光から第２の波長の光への変換効率を更に向上させることができる。
　第１の反射鏡１０６と第２の反射鏡２０１とが共振器を構成している場合の、シミュレーションの結果を示しつつ、本実施形態の効果をより詳細に説明する。まず、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、発光素子のシミュレーションモデルの層構造について説明する。
　図３Ａに示す発光素子３００ａは、本実施形態に対応する構成のシミュレーションに用いたモデルを示す断面図である。発光素子３００ａは、ＧａＮの基板１００上に、ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ半導体ＤＢＲ３０１（１０ペア）、ＧａＮで構成される１λ共振器３１０、その上にＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６（６ペア）がこの順に配された積層構造を有する。１λ共振器３１０は、青色量子井戸活性層３０４（発光波長４５０ｎｍ）及び緑色量子井戸活性層３０２（発光波長５２５ｎｍ）が含まれている。１λ共振器３１０は、これらの２つの活性層の層厚も含めて光学膜厚が１λ（１波長）となるように構成されている。各ＤＢＲ及び１λ共振器３１０の設計波長は、青色量子井戸活性層３０４の発光波長と同じ４５０ｎｍである。緑色量子井戸活性層３０２における波長４５０ｎｍの光の吸収率は、波長４５０ｎｍの光が片方の面からもう片方の面に透過した際に５．８％吸収されるように設計されている。この設計は量子井戸の数の調整によりなされ得る。
　これに対し、図３Ｂに示す発光素子３００ｂは、本実施形態に対する比較例のシミュレーションに用いたモデルを示す断面図である。発光素子３００ｂは、発光素子３００ａの構成からＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６を除外したものであり、共振器を構成しないモデルとなっている。
　図３Ｃは、半導体層の積層面に対して垂直方向に光が入射したときの緑色量子井戸活性層３０２における吸収率のシミュレーション結果を示すグラフである。図３Ｃの縦軸は緑色量子井戸活性層３０２における吸収率であり、横軸は入射された光の波長である。図３Ｃは、発光素子３００ａのモデル（すなわち、ＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６がある場合）によるシミュレーション結果を示している。また、発光素子３００ｂのモデルによる比較例のシミュレーションでは、波長４５０ｎｍの光に対する吸収率は、０．０４４であった。
　図４は、シミュレーションに用いたＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６の反射率特性と、ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ半導体ＤＢＲ３０１の反射率特性とを示すグラフである。図４の縦軸は反射率であり、横軸は入射光の波長である。図４の実線はＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６の反射率特性を示しており、破線はＧａＮ／ＡｌＩｎＮ半導体ＤＢＲ３０１の反射率特性を示している。ＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６において、波長４５０ｎｍにおける反射率は０．９６であり、高い値を示している。これに対し、波長５２５ｎｍにおける反射率は０．４以下であり、低い値を示している。ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ半導体ＤＢＲ３０１についても、ＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６ほど顕著ではないが同様の傾向が見られる。なお、図４の反射率特性は、光学シミュレーションにより得られたものである。
　以上より理解されるように、緑色量子井戸活性層３０２における、波長４５０ｎｍの光の吸収率は、ＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６を設けることにより、およそ１０倍になる。したがって、２つの反射鏡により共振器構造を構成することにより、第１の波長（４５０ｎｍ）の光の吸収効率を向上させることができ、第２の波長（５２５ｎｍ）の光の発光効率を向上させることができることがわかる。また、ＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６は、第１の波長において高い反射率を有し、第２の波長において低い反射率を有するので、第１の波長の光の漏出を少なくすることができる。
　このように、活性層を加工することなく、ＤＢＲを設けるのみで、第１の波長の光の吸収効率を向上させることができ、簡略な工程で、第２の波長の光の発光効率を向上させることができる。
　また、上層にＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６を形成するか否かにより、第２の波長の光の発光強度を変化させることができる。すなわち、ウエハ面内の所望の場所にＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６を形成することにより、その下の半導体層に対して加工等をすることなく、第２の波長の光を選択的に射出する箇所を設けることができる。したがって、簡略な工程で第２の波長の光を選択的に射出する箇所を形成することができる。
　なお、上述のシミュレーションにおいては光が積層面に対して垂直方向に伝搬することを前提としたものである。しかしながら、斜め方向に伝搬する光に対しても、共振波長の違いは生じるものの、同様の効果を得ることができる。
　図５Ａ及び図５Ｂは、緑色量子井戸活性層３０２の光吸収率を変化させた場合の発光割合のシミュレーション結果を示すグラフである。本シミュレーションに用いた発光素子の構成、特性は、図３Ａから図３Ｃ及び図４に示したものと同一である。
　図５Ａ及び図５Ｂの横軸は、緑色量子井戸活性層３０２において、波長４５０ｎｍの光が片方の面からもう片方の面に透過した際の吸収率を示している。縦軸は、青色量子井戸活性層３０４又は緑色量子井戸活性層３０２の各活性層から上方への発光割合を示す。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、実線は緑色量子井戸活性層３０２からの発光割合を示しており、破線は青色量子井戸活性層３０４からの発光割合を示している。
　発光割合の算出にあたり、シミュレーションでは、青色量子井戸活性層３０４からの発光量が１であるものとしている。また、青色の光が緑色量子井戸活性層で吸収された場合には、その光は緑色の光に１００％変換されるものとしている。
　図５Ａは、緑色と青色の光量比が１対１の状態で発光素子が使用される場合を想定した場合を示しているグラフである。図５Ｂは、緑色と青色の光量比が１対３の状態で発光素子が使用される場合を想定した場合を示しているグラフである。すなわち、図５Ｂは、緑色の光量の発光割合の値を３倍にして示したものである。
　図５Ａより、本実施形態の発光素子が、緑色と青色の輝度比が１対１の状態で使用される場合には、緑色量子井戸活性層３０２の吸収率が３５％程度に調整されていることが好ましい。
　緑色の発光割合が不足している場合の調整の例としては、各画素への注入電流量を調整することで発光割合を調整するという手法が挙げられる。例えば、本実施形態の場合であれば、緑色画素への注入電流量を、青色画素への注入電流量よりも多くすることで緑色の発光割合を増加させることが可能である。また、ＤＢＲの反射率を変えることで、各画素の発光割合を調整することもできる。例えば、緑色に対応する波長の反射率を下げるようにＳｉＯ２／ＳｉＮ誘電体ＤＢＲ３０６を構成することで、緑色の発光割合を増加させることが可能である。
　ところで、本実施形態の発光素子がディスプレイ、照明等のユーザの視感度を考慮した調整を行うことがある装置に用いられる場合、緑色と青色との間の視感度の相違を考慮して両者の輝度を異ならせる場合がある。緑色と青色の光量比が１対３の状態で使用される場合には、図５Ｂより、緑色量子井戸活性層３０２の吸収率が３％以上７％以下（許容偏差が約±３０％の場合）とすることで上述の光量比が実現される。また、４％以上６％以下（許容偏差が約±１０％の場合）とすることでより好適に上述の光量比が実現される。
　上述の例はあくまでも本実施形態の発光素子の使用方法の一例である。反射鏡の反射率、励起光から励起される光の変換効率、各色の輝度比、混色率の低減度合等に応じて、緑色量子井戸活性層３０２の吸収率の設計は適宜変更され得るため、上述の例とは異なる設計が行われる場合もある。例えば、反射鏡の反射率の波長依存性が今回のシミュレーションに用いた図４に示したものとは異なる場合には、適切な吸収率は変化する。誘電体ＤＢＲの設計を変えて緑色の波長である５２５ｎｍにおける反射率を下げることにより、緑色の発光割合を増加させた場合には、適切な吸収率の範囲は上述の値よりも低い範囲に変更される。
　本実施形態では、２つの異なる波長の光（例えば青色と緑色）を生成するにあたり、光フィルタのような一部の光を除去する手法ではなく、発光量そのものを変えている。例えば、本実施形態では、緑色の波長の光において、共振器構造を導入することにより、吸収効率を約１０倍向上させることができる。そのため、より効率的な発光が可能な発光素子が提供される。
　［第３実施形態］
　本実施形態の発光素子は、第１実施形態又は第２実施形態の発光素子を含んでおり、同一のウエハに形成された２つの発光領域から、互いに異なる２つの波長の光を射出することができるように構成されている。図６Ａは、本実施形態に係る発光素子の第１の構成例を模式的に示す断面図である。
　図６Ａに示されるように、本実施形態の発光素子は、基板１００に対して垂直な方向からの平面視において、第１の領域５０１と第２の領域５０２を有する。第１の領域５０１は、主として第１の波長の光を外部に射出する。第２の領域５０２は、主として第２の波長の光を外部に射出する。第１の領域５０１と第２の領域５０２は同一のウエハに形成されている。第２の領域５０２の第３の半導体層１０５の上には、第１の反射鏡１０６が配されている。第１の領域５０１の第３の半導体層１０５の上には、第１の反射鏡１０６が配されていない。
　第２の領域５０２の構造は、第１実施形態の図１の構造と同様である。すなわち、第２の領域５０２には、第１の波長の光の反射率が高い第１の反射鏡１０６が設けられている。第１の電極１０７と第２の電極１０８とにより第１の活性層１０４に電流が注入されると、第１の活性層１０４は、第１の波長の光を発する。第１の波長の光により、第２の活性層１０２が励起され、第２の活性層１０２は第２の波長の光を発する。また、第１の反射鏡１０６は、第１の波長の光に対しては高い反射率を有する。そのため、第２の領域５０２からは主として第２の波長の光が射出される。
　第１の領域５０１の近傍には、第１の領域５０１内の第１の活性層１０４に電流を注入するための電極として、第３の電極５０３が第３の半導体層１０５の上に配されている。第１の電極１０７と第３の電極５０３とにより第１の活性層１０４に電流が注入されると、第１の領域５０１の第１の活性層１０４は、第１の波長の光を発する。第１の電極１０７は、第１の領域５０１の第１の活性層１０４と第２の領域５０２の第１の活性層１０４とに電流を供給する共通の電極である。これに対し、第２の電極１０８と第３の電極５０３は互いに独立に配されている。そのため、本実施形態の発光素子は、第１の領域５０１の第１の活性層１０４と第２の領域５０２の第１の活性層１０４とに独立に電流が供給され得る構造である。したがって、第１の領域５０１と第２の領域５０２は、異なる波長の光を独立に射出することができる。
　本実施形態に係る発光素子の別の構成例を説明する。図６Ｂは、本実施形態に係る発光素子の第２の構成例を模式的に示す断面図である。本構成例では、第２実施形態と同様に、第１の半導体層１０１が第２の反射鏡２０１を含んでいる。第２の反射鏡２０１は、少なくとも第１の波長の光に対して高い反射率を有するように設計されている。
　このような構成とすることにより、第２実施形態と同様の理由により、第２の領域５０２において第２の波長の光の発光効率が向上する。また、第１の領域５０１においても、第１の活性層１０４から下方向に射出された第１の波長の光は、第２の反射鏡２０１により反射され、上方向に戻される。これにより、第１の領域５０１においても第１の波長の光の発光効率が向上する。以上のように、本構成例においては、第１の構成例と同様の効果が得られることに加え、更に発光効率が向上され得る。
　なお、第２の反射鏡２０１は、第２の波長の光に対しても高い反射率を有するように設計されていてもよい。この場合、第２の領域５０２において、第２の活性層１０２から下方向に射出された第２の波長の光も、第２の反射鏡２０１により反射され、上方向に戻される。これにより、第２の領域５０２における第２の波長の光の発光効率が更に向上する。
　本実施形態に係る発光素子の更に別の構成例を説明する。図６Ｃは、本実施形態に係る発光素子の第３の構成例を模式的に示す断面図である。本構成例は、第１の領域５０１から射出される光に含まれる第２の波長の成分を低減させるための構成の１つである。
　本構成例において、第１の領域５０１の第３の半導体層１０５の上には、第３の反射鏡５０４が配されている。第３の反射鏡５０４の第２の波長の光に対する反射率は、第１の波長の光に対する反射率よりも高い。これ以外の構成は第１の構成例と同様である。第１の電極１０７及び第３の電極５０３から第１の領域５０１の第１の活性層１０４に電流が注入されると、第１の活性層１０４は第１の波長の光を発する。第１の波長の光が第２の活性層１０２に吸収されると、第２の活性層１０２は、第２の波長の光を発する。第２の波長の光は第３の反射鏡５０４により反射されるため、第１の領域５０１から射出される光に含まれる第２の波長の成分は低減される。したがって、第１の領域５０１から射出される光に含まれる第１の波長の割合が増加し、第２の波長の割合は低減するため、第１の波長の光と第２の波長の光の混色が低減される。
　以上のように、本実施形態の第１乃至第３の構成例によれば、互いに異なる波長の光を射出する第１の領域５０１と第２の領域５０２とを同一ウエハ上に形成することができる。この構造では、射出される光の波長を変えるための構造は、第３の半導体層１０５の上に配された第１の反射鏡１０６である。そのため、ウエハ面内の所望の場所に第１の反射鏡１０６を形成することにより、その下の半導体層に対して加工等をすることなく、互いに異なる波長の光を射出する第１の領域５０１と第２の領域５０２とを形成することができる。したがって、簡略な工程で２つの波長の光を個別に射出することができる発光素子を形成することができる。
　［第４実施形態］
　本実施形態の発光素子は、第３実施形態の発光領域の個数を２つから３つに変形したものである。すなわち、本実施形態の発光素子は、同一のウエハに形成された３つの発光領域から、互いに異なる３つの波長の光を射出することができるように構成されている。図７は、本実施形態に係る発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。
　本実施形態の発光素子は、第３実施形態の第２の構成例（図６Ｂ）の素子構造に加え、主として第３の波長の光を外部に射出する第３の領域６０１を有する。また、本実施形態では、第１の領域５０１の第３の半導体層１０５の上に、第３実施形態の第３の構成例（図６Ｃ）と同様に第３の反射鏡５０４が配されている。
　第３の領域６０１において、第３の半導体層１０５から下方の断面構造は第１の領域５０１及び第２の領域５０２と同様である。第３の領域６０１において、第３の半導体層１０５の上には、第４の半導体層６０４、第３の活性層６０２及び第５の半導体層６０５がこの順に配される。
　第３の領域６０１の近傍には、第３の領域６０１内の第１の活性層１０４に電流を注入するための電極として、第４の電極６０３が第３の半導体層１０５の上に配されている。第１の電極１０７と第４の電極６０３とにより第１の活性層１０４に電流が注入されると、第３の領域６０１の第１の活性層１０４は、第１の波長の光を発する。第１の波長の光により、第３の活性層６０２が励起され、第３の活性層６０２は第３の波長の光を発する。第３の波長の光は、例えば、６３０ｎｍ程度の波長の赤色の光であり得る。
　本実施形態によれば、互いに異なる波長の光を射出する第１の領域５０１と第２の領域５０２と第３の領域６０１とを同一ウエハ上に形成することができる。この構造では、射出される光の波長を変えるための構造は、第３の半導体層１０５の上に配された各層、すなわち、第１の反射鏡１０６、第３の反射鏡５０４、第４の半導体層６０４、第３の活性層６０２及び第５の半導体層６０５である。そのため、ウエハ面内の所望の場所にこれらの各層を形成することにより、その下の半導体層に対して加工等をすることなく、互いに異なる波長の光を射出する第１の領域５０１と第２の領域５０２と第３の領域６０１とを形成することができる。
　また、本実施形態では、第３の領域６０１における第１の活性層１０４からの発光による光励起にて第３の波長の光が発せられる。これを実現するためには、第４の半導体層６０４、第３の活性層６０２及び第５の半導体層６０５は、第３の半導体層１０５に電気的に接続される必要はなく、所定の位置にあればよい。そのため、簡略な工程で３つの波長の光を個別に射出することができる発光素子を形成することができる。
　なお、第４の半導体層６０４、第３の活性層６０２及び第５の半導体層６０５は、例えば、エピタキシャル成長により第３の半導体層１０５の上に形成され得る。しかしながら、他の方法により形成されるものであってもよい。
　上述の他の手法の例を説明する。あらかじめ第５の半導体層６０５、第３の活性層６０２及び第４の半導体層６０４が基板側からこの順に形成された別の転写基板を準備しておく。この転写基板を第３の半導体層１０５よりも下方の半導体層が形成された基板１００に接合して、その後、この転写基板のみをウェットエッチング等により除去する。この手法によっても、第３の半導体層１０５の上に第４の半導体層６０４、第３の活性層６０２及び第５の半導体層６０５を形成することができる。上述のようにｐ型のドーパントをドーピングするとその半導体層の結晶品質が低下することがある。したがって、ｐ型のドーパントをドーピングした半導体層の上にエピタキシャル成長で形成された層も結晶品質が低下することがある。本手法では、ｐ型の第３の半導体層１０５の上にエピタキシャル成長による半導体層の形成を行う必要がないため、第３の活性層６０２の品質が向上し、発光特性が向上し得る。
　第１の反射鏡１０６と第３の反射鏡５０４の形成等の第１の領域５０１と第２の領域５０２を確定する工程は、第４の半導体層６０４、第３の活性層６０２及び第５の半導体層６０５を接合し、第３の領域６０１の位置を確定した後に行われることが望ましい。この順とすることにより、プロセスを経た凹凸のある基板ではなく、エピタキシャル成長直後の平坦な基板に対して基板接合を行うことができる。これにより、接合面の状態が良好になり、プロセス難易度が低下するため、歩留りが向上する。更に、既に形成された第３の領域６０１の位置を基準にして、フォトリソグラフィーによる高い位置精度によって第１の領域５０１と第２の領域５０２の位置を確定することができる。そのため、第１の領域５０１と第２の領域５０２を確定する工程を先に行う場合と比較して、接合時の位置合わせにおける要求精度を低くすることができる。また上述のように、色ごとに作製された発光素子をディスプレイの基板上に実装する方式に比べて、１回の接合でウエハ全面に複数色の素子を配置することができる。したがって、歩留まりの向上及び実装コストの低減の効果が得られる。
　［第５実施形態］
　第３実施形態において述べた２つの発光領域を有する発光素子について、より具体的な設計例及び製造工程例を第５実施形態として説明する。図８は、本実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態の発光素子の構造は第３実施形態の第３の構成例（図６Ｃ）と同様であるため、構造に関する詳細な説明は省略又は簡略化する場合がある。
　本実施形態の発光素子は、サファイア基板７００上にｉ型のＧａＮ層７０１、ｉ型の緑色量子井戸活性層７０２、ｎ型のＧａＮ層７０３、ｉ型の青色量子井戸活性層７０４、ｐ型のＧａＮ層７０５を順次エピタキシャル成長することにより形成される。サファイア基板７００とＧａＮ層７０１との間には不図示のバッファ層が形成される。
　緑色量子井戸活性層７０２は、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮバリア層とを含む。緑色量子井戸活性層７０２において、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成は約２０％であり、この場合、中心発光波長は、５２５ｎｍである。
　青色量子井戸活性層７０４も、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮバリア層とを含む。青色量子井戸活性層７０４において、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成は約１５％であり、この場合、中心発光波長は、４５０ｎｍである。
　本実施形態の発光素子は、サファイア基板７００に対して垂直な方向からの平面視において、青色の光を発する領域７１１と、緑色の光を発する領域７１２とを有する。発光素子は、ＧａＮ層７０５の形成後に、領域７１１と領域７１２との間を分離するための分離溝が形成される。分離溝の深さは、分離溝の底面の位置がＧａＮ層７０３の上面と下面の間となるように設定される。分離溝の形成後、各領域に共通に電位を与えるｎ電極７０７が分離溝の底に形成される。また、領域７１２、７１１それぞれ個別に電位を与えるｐ電極７０８、７１３がＧａＮ層７０５の上に形成される。更に、主として青色の波長の光を反射する反射鏡７０６と、主として緑色の波長の光を反射する反射鏡７１４とが、領域７１２、７１１にそれぞれ形成される。
　反射鏡７０６は、ＳｉＮとＳｉＯ２の積層膜を６ペア含む。各層の膜厚は、その光学膜厚が青色の光の波長（４５０ｎｍ）の１／４となるように、各層の屈折率を考慮して決定される。反射鏡７１４は、ＳｉＮとＳｉＯ２の積層膜を６ペア含む。各膜厚は、その光学膜厚が緑色の光の波長（５２５ｎｍ）の１／４となるように、各膜の屈折率を考慮して決定される。
　本実施形態によれば、青色の波長の光を射出する領域７１１と緑色の波長の光を射出する領域７１２とが同一ウエハ上に形成された発光素子を簡略な工程により製造することができる。
　［第６実施形態］
　第５実施形態の発光素子に第３実施形態の第２の構成例における第２の反射鏡２０１に相当するＤＢＲを追加したものを第６実施形態として説明する。図９は、本実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態の発光素子においては、ｉ型のＧａＮ層８０１が、ｉ型のＤＢＲ層８０２を含んでいる。これ以外の構造については第５実施形態と同様であるため説明を省略する。
　ＤＢＲ層８０２は、１０ペアのＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に複数組積層された積層構造をなしている。各層の膜厚は、その光学膜厚が青色の光の波長（４５０ｎｍ）の１／４となるように、各層の屈折率を考慮して決定される。また、ＤＢＲ層８０２と反射鏡７０６とが、青色波長に対する共振器を形成するように、各層の膜厚等が設定されている。
　この構成とすることで、領域７１２においては、青色（波長４５０ｎｍ）の光が共振器内を共振する。これにより、緑色量子井戸活性層７０２における青色の光の吸収率が増加し、緑色量子井戸活性層７０２からの緑色の光の発光効率が向上する。一方、領域７１１においては、青色量子井戸活性層７０４で発生した光のうち、サファイア基板７００側に射出された光がＤＢＲ層８０２で反射して上方に向かうため、青色の光の発光効率が向上する。
　したがって、本実施形態では第５実施形態と同様の効果が得られることに加え、第５実施形態よりも更に青色及び緑色の光の発光効率が向上する。
　［第７実施形態］
　第６実施形態の発光素子を、第４実施形態と同様に３色の光を発することができるように変形したものを第７実施形態として説明する。図１０は、本実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態の発光素子は、サファイア基板７００に対して垂直な方向からの平面視において、赤色の光を発する領域９０１を更に有する。これ以外の構造については第６実施形態と同様であるため説明を省略する。
　領域９０１において、ＧａＮ層７０５の上には、ＡｌＩｎＰクラッド層９０４、ＡｌＧａＩｎＰ活性層９０２及びＡｌＩｎＰクラッド層９０５がこの順に形成されている。ＡｌＧａＩｎＰ活性層９０２は、その中心発光波長が６３０ｎｍとなるように、各元素の割合が調整されている。
　領域９０１のＧａＮ層７０５の上には、領域９０１に電位を与えるｐ電極９０３が形成される。ｎ電極７０７とｐ電極９０３とにより青色量子井戸活性層７０４に電流が注入されると、青色量子井戸活性層７０４は青色の光を発する。青色の光によりＡｌＧａＩｎＰ活性層９０２が励起され、ＡｌＧａＩｎＰ活性層９０２は赤色の光を発する。これにより領域９０１から赤色の光が射出される。
　図１１Ａ及び図１１Ｂを更に参照して、本実施形態の発光素子の製造方法の概略を説明する。図１１Ａ及び図１１Ｂは、本実施形態に係る転写基板の構造を模式的に示す断面図である。
　図１１Ａに示されるように、サファイア基板７００とは別のＧａＡｓ基板９１０の上に、ＡｌＩｎＰクラッド層９０５、ＡｌＧａＩｎＰ活性層９０２及びＡｌＩｎＰクラッド層９０４をこの順にエピタキシャル成長させて形成する。次に、図１１Ｂに示されるように、発光領域に対応する部分のみを残すようにＡｌＩｎＰクラッド層９０４、ＡｌＧａＩｎＰ活性層９０２及びＡｌＩｎＰクラッド層９０５をエッチングすることによりパターニングが行われる。その後、図１１Ｂの上面に、不図示のポリイミド層がスピンコートにより形成される。これらの処理により貼り合わせによる転写用の転写基板が完成する。
　その後、図１０に示されるＧａＮ層７０５までの層が形成されたサファイア基板７００のＧａＮ層７０５と、転写基板のＡｌＩｎＰクラッド層９０４とが互いに対向するように位置合わせされた状態で加熱される。これにより、ＧａＮ層７０５とＡｌＩｎＰクラッド層９０４とがポリイミド層を介して接合される。その後、ＧａＡｓ基板９１０がウェットエッチングにより除去される。これにより、ＡｌＩｎＰクラッド層９０４、ＡｌＧａＩｎＰ活性層９０２及びＡｌＩｎＰクラッド層９０５がＧａＮ層７０５の上に転写される。その後、第５実施形態と同様に分離溝９０６の形成、反射鏡７０６、７１４の形成等が行われ、図１０に示される発光素子が完成する。
　本実施形態によれば、青色の波長の光を射出する領域７１１と、緑色の波長の光を射出する領域７１２と、赤色の波長の光を射出する領域９０１とが同一ウエハ上に形成された発光素子を簡略な工程により製造することができる。
　［変形実施形態］
　本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
　上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
　本願は、２０１９年７月３０日提出の日本国特許出願特願２０１９－１３９５５１を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容のすべてをここに援用する。
１０１　　　第１の半導体層
１０２　　　第２の活性層
１０３　　　第２の半導体層
１０４　　　第１の活性層
１０５　　　第３の半導体層
１０６　　　第１の反射鏡

Claims (17)

  1. 　電流が注入されることにより、第１の波長の光を発する第１の活性層と、
    　前記第１の波長の光を吸収することにより、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する第２の活性層と、
    　前記第１の波長の光の反射率が前記第２の波長の光の反射率よりも高い第１の反射鏡と、
    　を有し、
    　前記第１の反射鏡は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層よりも、前記第１の活性層又は前記第２の活性層で発せられた光を外部に射出する射出端に近い位置に配されている
    　ことを特徴とする発光素子。
  2. 　前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも前記射出端に近い位置に配されている
    　ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  3. 　前記第１の波長の光の反射率が前記第２の波長の光の反射率よりも高い第２の反射鏡を更に有し、
    　前記第２の反射鏡は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層に対して、前記第１の反射鏡とは反対側に配されている
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
  4. 　前記第１の反射鏡及び前記第２の反射鏡は、前記第１の波長の光に対する共振器を構成する
    　ことを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
  5. 　前記第２の活性層における前記第１の波長の光の吸収率が、３％以上かつ７％以下である
    　ことを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
  6. 　前記第２の活性層における前記第１の波長の光の吸収率が、４％以上かつ６％以下である
    　ことを特徴とする請求項４又は５に記載の発光素子。
  7. 　前記第１の活性層は、第１の導電型の半導体層と、前記第１の導電型とは反対の第２の導電型の半導体層とにより挟まれている
    　ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光素子。
  8. 　前記第２の活性層は、前記第１の導電型又はｉ型の半導体層と、前記第１の導電型の半導体層とにより挟まれている
    　ことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
  9. 　基板を更に有し、
    　前記第１の活性層と、前記第２の活性層と、前記第１の反射鏡とは、前記基板の上に積層されており、
    　前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの前記基板から遠い方と前記基板との間に配されている半導体層にはｐ型のドーパントがドーピングされていない
    　ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子。
  10. 　平面視において、主として前記第１の波長の光を射出する第１の領域と、主として前記第２の波長の光を射出する第２の領域とを有する
    　ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発光素子。
  11. 　前記平面視において、前記第２の領域には前記第１の反射鏡が配されており、前記第１の領域には前記第１の反射鏡が配されていない
    　ことを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
  12. 　前記第２の波長の光の反射率が前記第１の波長の光の反射率よりも高い第３の反射鏡を更に有し、
    　前記平面視において、前記第１の領域には前記第３の反射鏡が配されている
    　ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の発光素子。
  13. 　前記平面視において、主として、前記第１の波長及び前記第２の波長とは異なる第３の波長の光を射出する第３の領域を更に有する
    　ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の発光素子。
  14. 　前記第３の領域において、前記第３の波長の光を発する第３の活性層を更に有し、
    　前記第３の活性層は、前記第１の活性層よりも前記射出端に近い位置に配されている
    　ことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
  15. 　前記第１の波長の光は青色の光であり、前記第２の波長の光は緑色の光であり、前記第３の波長の光は赤色の光である
    　ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の発光素子。
  16. 　前記第１の反射鏡は、屈折率の異なる複数の誘電体層を含む分布ブラッグ反射鏡である
    　ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の発光素子。
  17. 　第１の波長の光を吸収することにより、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を発する第２の活性層を形成するステップと、
    　電流が注入されることにより、前記第１の波長の光を発する第１の活性層を形成するステップと、
    　前記第１の波長の光の反射率が前記第２の波長の光の反射率よりも高い第１の反射鏡を形成するステップと、
    　を有し、
    　前記第１の反射鏡は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層よりも、前記第１の活性層又は前記第２の活性層で発せられた光を外部に射出する射出端に近い位置に配されている
    　ことを特徴とする発光素子の製造方法。
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