CN102187479B - 半导体光学元件阵列及其制造方法 - Google Patents

半导体光学元件阵列及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体光学元件阵列，其包括：具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别在前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层；以及包覆前述各活性层的半导体层。

Description

半导体光学元件阵列及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体光学元件阵列及其制造方法。
背景技术
近年来，氮化镓(GaN)等III族氮化物半导体，作为一种能够实现可输出高品质短波长发光的发光二极管、激光二极管等的半导体发光元件的半导体材料而受到人们的关注。半导体发光元件，采用有机金属化学气相沉积(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、分子束外延(MBE：Molecular Beam Epitaxy)法等晶体生长技术，通过在基板上形成由III族氮化物半导体构成的层叠结构来进行制作。
关于MOCVD、MBE等公知的晶体生长技术，在形成层叠结构时，在其层叠方向上具有良好的控制性。为了形成沿着基板的面内方向的结构，有必要采用晶体加工技术进行加工层叠结构。晶体加工技术，大致分为自上而下式和自下而上式。自上而下式是在晶体生长后进行晶体加工而形成结构的技术，相对于此，自下而上式是在晶体生长前预先加工出基底基板并且在该基底基板上使晶体生长，从而在晶体生长的同时形成结构的技术。在自上而下式的工艺中，晶体因加工而容易受到损伤，特别是在形成微细结构时，存在该微细结构的表面积增大的问题。另一方面，在自下而上式工艺中，能够容易共同获得微细结构和良好的晶体品质。
在专利文献1(日本特开2008-108924号公报)中，公开了一种采用自下而上式工艺在基板上形成纳米级的微细柱状晶体(纳米柱)的方法。该方法是一种在尖晶石基板上形成多个岛状Fe粒并且使GaN纳米柱从各Fe粒出发向基板上方生长的方法。对于涉及纳米柱形成方法的现有技术文献，除了专利文献1外，例如，还可以举出非专利文献1(M.Yoshizawa et al.，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.36，No.4B(1997)pp.L459-L462)、非专利文献2(H.Sekiguchiet al.，Journal of Crystal Growth，300(2007)pp.259-262)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-108924号公报
非专利文献
非专利文献1：M.Yoshizawa，A.Kikuchi，M.Mori，N.Fujita and K.Kishino，″Growth of Self-Organized GaN Nanostructures on Al2O3(0001)byRF-Radical Source Molecular Beam Epitaxy″，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.36，No.4B(1997)pp.L459-L462.
非专利文献2：H.Sekiguchi，T.Nakazato，A.Kikuchi and K.Kishino，“Structural and optical properties of GaN nanocolumns grown on(0001)sapphire substrates by rf-plasma-assisted molecular-beam epitaxy”，Journalof Crystal Growth，300(2007)pp.259-262.
发明内容
由专利文献1公开的方法形成的各个GaN纳米柱，具备层叠有n型层、发光层以及p型层的发光结构。由这些GaN纳米柱的集合体构成了半导体发光元件。
但是，各GaN纳米柱是以基板上的岛状Fe粒为核而形成，因此，在GaN纳米柱的位置和形状方面容易发生偏差，难以使GaN纳米柱有规则地进行排列。该偏差能够使半导体发光元件的特性产生偏差。例如，存在所谓在GaN纳米柱的发光波长方面发生偏差而得不到所需发光色的问题。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种半导体光学元件阵列及其制造方法，该半导体光学元件阵列具备对基板上所形成的微细柱状晶体的位置和形状进行高精度控制而能够对微细柱状晶体的发光波长或光吸收波长进行控制的结构。
关于由III族氮化物半导体构成的纳米级别的微细柱状晶体(被称为“纳米柱(nano-column)”、“纳米棒(nano-rod)”或“纳米支柱(nano-pillar)”)的位置控制和形状控制，本发明人等，着眼于在基板上形成具有多个开口部的掩模图案后使微细柱状晶体有选择性地从这些开口部生长的工序。本发明人等，针对相关工序进行了精心研究，发现能够控制微细柱状晶体的发光波长或光吸收波长，从而完成了本发明。
基于本发明，能够提供一种半导体光学元件阵列，其包括：具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别设置于前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层或者光吸收层；包覆前述各活性层或者光吸收层的半导体层。
本发明的半导体光学元件阵列，具备：从半导体基板的凹部出发，通过掩模图案的开口部，向掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体。基于设置为这种构成，能够控制微细柱状晶体的直径，能够获得所需发光波长或吸收波长的半导体光学元件阵列。
特别是，发光波长的峰值波长能够以下述方式进行设定：前述各微细柱状晶体的直径越大，则偏移至长波长一侧；前述各微细柱状晶体的直径越小，则偏移至短波长一侧。
在此，微细柱状晶体的直径优选为10nm以上、1000nm以下。
另外，基于本发明，还能够提供一种半导体光学元件阵列的制造方法，其包括：在半导体基板上形成具有多个开口部的掩模图案的工序；通过将前述掩模图案作为蚀刻掩膜对前述半导体基板进行蚀刻而在前述半导体基板主面上形成多个凹部的工序；使多个微细柱状晶体从各凹部出发，通过各开口部，向前述掩模图案的上方生长的工序；使活性层或者光吸收层在前述微细柱状晶体上生长的工序；以及形成包覆前述活性层或者光吸收层的半导体层的工序。
基于本发明，能够通过调整掩模图案的开口部位置来控制半导体基板上所形成的微细柱状晶体的位置。另外，通过调整各开口部正下方的凹部直径来控制微细柱状晶体的直径，由此，可以将从活性层放出的光的峰值波长或者由光吸收层吸收的光的波长设定为所需的波长。因此，本发明能够提供一种半导体光学元件阵列及其制造方法，该半导体光学元件阵列具有可高精度控制基板上所形成的微细柱状晶体的位置以及形状而控制微细柱状晶体的发光波长或者光的吸收波长的结构。
附图说明
关于上述目的和其它目的、特征以及优点，通过下述优选实施方式以及附图，进一步进行明确化。
图1(A)～(D)是概要性表示本发明的一个实施方式的半导体元件的制造工序的剖面图。
图2是表示形成于掩模图案上的开口部的图案的一个实例的图。
图3是表示纳米柱的图案的一个实例的图。
图4(A)、(B)是概要性表示微细柱状晶体的尖端部的沿着中心轴的剖面形状的图。
图5是表示形成于模板基板上的凹部直径与纳米柱的发光波长之间关系的曲线图。
图6是表示PL(Photoluminescence：光致发光)发光波长与光强度之间关系的曲线图。
图7是表示纳米柱直径(Nanocolumn Size：纳米柱尺寸)与所检测出的峰值波长(Peak Wavelength)之间关系的曲线图。
图8是表示采用FIB法在模板基板上形成凹部时的剂量(Dose)与凹部深度(Nanohole depth：纳米空穴深度)之间关系的曲线图。
图9是表示剂量(Dose)与凹部直径(Nanohole size：纳米空穴尺寸)之间关系、剂量(Dose)与纳米柱直径(Nanocolumn size：纳米柱尺寸)之间关系的曲线图。
图10是表示有规则地排列成正方网格状的纳米柱的扫描电子显微镜照片的图。
图11是表示有规则地排列成正方网格状的纳米柱的扫描电子显微镜照片的图。
图12是表示由纳米柱放出的CL光(cathodoluminescence：阴极射线致发光)的光谱的检测结果的曲线图。
图13中(A)是表示俯视纳米柱的SEM照片的图，(B)、(C)是分别表示不同波长的CL照片(阴极射线致发光照片)在俯视下的图。
图14中(A)是表示从横向拍摄纳米柱的SEM照片的图，(B)、(C)、(D)是分别表示不同波长的剖面CL照片的图。
图15中(A)是表示与图12相同的CL光谱的曲线图，(B)是表示纳米柱尖端部的构成的示意图。
图16是表示纳米柱直径与纳米柱表面积之间的关系、纳米柱直径与发光峰值波长之间的关系的曲线图。
图17是表示与纳米柱PL发光波长相关的光强度分布的曲线图。
图18是表示纳米柱尖端部的高度与发光峰值波长之间的关系的曲线图。
图19(A)～(F)是表示有规则地排列成三角网格状的纳米柱群在俯视下的SEM照片的图。
图20是表示与图19(A)～(F)的纳米柱群的PL发光波长相关的光强度分布的检测结果的曲线图。
图21是表示柱周期与图20的光强度分布的发光峰值波长之间的关系的曲线图。
图22是表示有规则地排列成三角网格状的纳米柱群在俯视下的SEM照片的图。
图23(A)、(B)是分别概要性表示第二实施方式的半导体发光元件的构成的一部分的图。
图24是表示本发明的第三实施方式的半导体发光元件的构成的一部分的立体图。
图25是表示本发明的第三实施方式的半导体发光元件的构成的一部分的立体图。
具体实施方式
下面，针对本发明的实施方式，基于附图进行说明。
(第一实施方式)
图1(A)～(D)是概要性表示本发明的一实施方式的半导体光学元件阵列10的制造工序的剖面图。在图1(D)中概要性表示出本实施方式的半导体光学元件阵列10的结构。
如图1(D)所示，半导体光学元件阵列10，包括模板基板、具有多个开口部的掩模图案13P、以及多个纳米柱23。模板基板是在蓝宝石基板等的基底基板11上使III族氮化物半导体层12P外延生长而形成的半导体基板。例如，按照有机金属化学气相沉积(MOCVD：Metal-OrganicChemical Vapor Deposition)法、MBE法，采用低温工艺，在基底基板11上，使氮化镓、氮化铝等的缓冲层(未图示)生长并且在该缓冲层上使III族氮化物半导体层生长，由此，形成模板基板。
在III族氮化物半导体层12P的表面侧的主面上，形成有多个凹部14、…、14(图1(C))。
掩模图案13P，形成于该III族氮化物半导体层12P的主面上，分别在多个凹部14、…、14的正上方具有开口部(下称“掩膜开口部”)。即，开口部重叠在凹部14上，以使凹部14从开口部显露出来的方式形成凹部14。
半导体光学元件阵列10，具备多个半导体元件(纳米柱23)，该半导体元件(纳米柱23)通过含有微细柱状晶体20、设置于该微细柱状晶体20上的活性层21以及包覆活性层21的半导体包覆层22来构成。
多个微细柱状晶体20、…、20，是由从III族氮化物半导体层12P的凹部14、…、14出发，通过掩膜开口部，向掩模图案13P的上方生长的III族氮化物半导体构成。在微细柱状晶体20上形成有活性层21，进而形成有包覆活性层21的半导体包覆层22。由微细柱状晶体20、活性层21以及半导体包覆层22构成纳米柱23。
微细柱状晶体20以及半导体包覆层22，是由氮化镓(GaN)等的III族氮化物半导体所构成。或者，微细柱状晶体20以及半导体包覆层22，可以由通式AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1并且0≤x+y≤1)表示的四元混晶材料或硼氮化物构成。四元混晶材料，根据组成比例x、y，在室温下具有0.63eV～6.2eV的宽带隙，因此，只要采用四元混晶就能够制作覆盖从紫外线区包括可见光线区并直至红外光线区的发光二极管、激光二极管。
微细柱状晶体20，优选直径为10nm以上并且1000nm以下。其中，更优选为700nm以下，进一步优选为650nm以下，再优选为600nm以下。只要设定为700nm以下，特别是在600nm以下，就变得容易抑制穿透差排(threading dislocation)的发生。
所谓微细柱状晶体20的直径，是指从掩膜开口部显露出的柱状部201的直径。柱状部201的直径，当柱状部201是圆柱形状时，是指其直径。当是圆柱形状以外的形状时，上述直径是指穿过从半导体基板的基板面侧俯视柱状部201时的重心点(平面中心)并且与柱状部201以2点进行交叉的直线中交点间的距离最长的直线长度。
微细柱状晶体20，具备柱状部201、设置于该柱状部201的尖端的小面结构202。对于柱状部201的形状，并没有特别限定，例如，能够设定为圆柱形状、四方柱形状、六方柱形状等。
另外，从制造稳定性的观点出发，微细柱状晶体20，优选为晶体结构是由六方晶体材料所构成。
活性层21，以覆盖微细柱状晶体20的小面结构202的方式进行设置。该活性层21，例如，由InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、InGaAsN、InN构成。更具体而言，活性层21，例如可以具备由InGaN/GaN(势垒层：InGaN；阱层：GaN)、InxGa1-xN/InyGa1-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)、GaN/AlGaN(势垒层：AlGaN；阱层：GaN)或者AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)构成的多量子阱(MQW)结构或者单量子阱(SQW)结构。在此，所谓量子阱结构，是含有量子阱层和夹持该量子阱层的势垒层的结构。势垒层的带隙，要比量子阱层的带隙大。
半导体包覆层22，设置于活性层21上并且完全包覆活性层21。
在本实施方式中，从活性层21放出的光的峰值波长，能够由相应于即将形成活性层21之前的微细柱状晶体20的直径Δ的波长来确定。从活性层21放出的光的峰值波长，能够确定如下：各微细柱状晶体20的直径Δ越大，就越偏移至长波长一侧，各微细柱状晶体20的直径Δ越小，就越偏移至短波长一侧。即，从直径Δ大的微细柱状晶体20上的活性层21所放出的光的峰值波长，与从直径Δ小的微细柱状晶体20上的活性层21所放出的光的峰值波长相比，是长波长。
因此，通过控制微细柱状晶体20的直径Δ，能够获得所需的发光波长。如后面所述，该微细柱状晶体20的直径Δ，通过对形成于模板基板的III族氮化物半导体层12P上的各凹部14的直径δ(图1(C))进行调整，能够设为所需的值。凹部14的直径δ，依赖于掩膜开口部的大小，因此，只要预先确定了掩膜开口部的大小，就能够获得相应于该大小的直径δ。
另外，从活性层21放出的光的峰值波长，能够由相应于各纳米柱23的微细柱状晶体20的尖端部(小面结构202)的表面积的波长来确定。对于从活性层21所放出的光的峰值波长，能够确定如下：小面结构的表面积越大，就越偏移至长波长一侧，小面结构的表面积越小，就越偏移至短波长一侧。即，从小面结构的表面积大的微细柱状晶体20上的活性层21放出的光的峰值波长，与从小面结构的表面积小的微细柱状晶体20上的活性层21放出的光的峰值波长相比，是长波长。
因此，通过控制微细柱状晶体20尖端部的小面结构的表面积，可获得所需的发光波长。
另外，如图2所示，形成于掩模图案13P的开口部13g、…、13g，周期性地排列于掩模图案13P的面内方向上。
在此，在掩模图案中，在形成了多个开口部的配置密度高的区域、以及前述多个开口部的配置密度低的区域时，从位于开口部的配置密度高的区域中的多个微细柱状晶体20上的活性层21放出的光的峰值波长，与从位于开口部的配置密度低的区域的多个微细柱状晶体20上的活性层21放出的光的峰值波长相比，形成为长波长。
即，对于从活性层21放出的光的峰值波长，能够按如下方式进行确定：微细柱状晶体20、…、20的面内密度越高，就越偏移至长波长一侧；并且，微细柱状晶体20、…、20的面内密度越低，就越偏移至短波长一侧。对于面内密度，微细柱状晶体20、…、20在空间上的周期越短，面内密度就越高；或者，微细柱状晶体20的直径越大，面内密度就越高。
接着，针对本实施方式中的半导体光学元件阵列10的优选制造方法，参照图1(A)～(D)进行下述说明。
首先，按照MOCVD法、MBE法，采用低温工艺，使氮化镓、氮化铝等缓冲层(未图示)在基底基板11上生长，使氮化镓、氮化铝等III族氮化物半导体层12在该缓冲层上生长(图1(A))。该结果是制作出含有基板11和III族氮化物半导体层12的模板基板。接着，在模板基板主面的规定区域中，形成含有钛(Ti)的金属掩膜层13(图1(B))。该金属掩膜层13，可以是钛的自然氧化膜，或者，也可以是氧化钛膜。
此外，基于使微细柱状晶体20进行选择性生长的观点，金属掩膜层13的构成材料优选钛，但并不限于此，可以含有选自于由钛(Ti)、钽(Ta)、铁(Fe)、镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、钴(Co)、钨(W)、钼(Mo)构成的组中的一种或者两种以上的金属。
接着，使金属掩膜层13形成图案，如图1(C)所示，形成具备多个使III族氮化物半导体层12P的表面显露出的开口部的掩模图案13P。该图案的形成能采用光刻法工序来实施。即，在金属掩膜层13上，形成抗蚀剂图案，通过以该抗蚀剂图案为蚀刻掩膜来实施蚀刻，能够形成掩模图案13P。或者，采用FIB(Focused Ion Beam：聚焦离子束)法，将聚焦离子束按照规定的剂量(每单位面积的照射离子量)照射金属掩膜层13，由此能够形成掩模图案13P。
当使金属掩膜层13形成图案时，不仅加工金属掩膜层13而且还加工位于开口部正下方的III族氮化物半导体层12，因此，如图1(C)所示，在掩模图案13P的开口部正下方，形成有点状的凹部(空穴)14、…、14。对于掩模图案13P的开口部的俯视形状(即，凹部14的俯视形状)，并没有特别限定，除如图2所示的正方形状以外，还可以是圆形、多边形等的轴对称形状。
然后，按照MOCVD法、MBE法，使微细柱状晶体20、活性层21以及半导体包覆层22，从多个凹部14出发，通过掩膜开口部，向掩模图案13P的上方连续生长(图1(D))。微细柱状晶体20，在向掩模图案13P的上方生长的同时，还向沿着模板基板的面内方向的横向上生长。因此，纳米柱23的直径Δ，与凹部14的直径δ相比变大。另外，半导体包覆层22是以完全包覆活性层21的形式予以形成，因此，活性层21未含有向外部空间显露的部分。换言之，活性层21完全处于嵌入纳米柱23的尖端部中的状态。因此，可抑制由其显露部分所引起的非辐射复合中心的形成，实现高的内部量子效率。
另外，通过使微细柱状晶体20横向生长，有诸如下述的效果。
通过缩小掩膜开口部直径，会抑制微细柱状晶体20在生长初期发生穿透差排。若此后通过横向生长而使直径增大，则可获得未发生穿透差排的直径较大的微细柱状晶体(例如，直径是1000nm)。
此外，为了使微细柱状晶体20进行横向生长，有相对增加氮供给量的方法、添加Al的方法(例如，形成AlGaN的方法)等。
当使纤锌矿型晶体结构的III族氮化物半导体在被称为c面(＝(0001)面)的极性面方向上生长而形成微细柱状晶体20时，纳米柱23(或者微细柱状晶体20)的俯视形状，如图3所示，形成为六方形。图4(A)、(B)是概要性示出微细柱状晶体20的尖端部的沿着中心轴的剖面形状的图。图4(A)所示的尖端部，形成为小面结构，作为朝向斜上方的小面，具有纤锌矿型晶体结构的半极性面20a所构成的倾斜面。
该尖端部的形状是六方锥形。在此，作为半极性面20a，例如，可以举出(10-1-1)面、(10-1-3)面、(11-22)面、(11-24)面、(10-12)面。另一方面，图4(B)所示的尖端部也形成为小面结构，但是作为朝向斜上方的小面以及朝向正上方的面，具有由纤锌矿型晶体结构的半极性面20a所构成的倾斜面和平坦的极性面20b。根据晶体的生长条件，形成有图4(A)的尖端部形状或图4(B)的尖端部形状中的任一种。
此外，所谓小面结构，是以位于相对于基底基板11水平面的斜方向上的小面为侧面的多面体结构。
微细柱状晶体20的直径越小，越易于形成具有图4(A)所示的六方锥形的尖端部，微细柱状晶体20的直径越大，越易于形成具有如图4(B)所示的尖端部。虽然还依赖于晶体的生长条件，但是，若将微细柱状晶体20的直径设为约300nm以上，则能够在微细柱状晶体20的尖端部上明确地出现平坦的极性面20b。另外，若微细柱状晶体20的直径超过约300nm，直径越大，就越会使平坦的极性面20b的面积扩大。
当采用MBE法使微细柱状晶体20生长时，将含有通过高频等离子激发而生成的活性氮和III族金属的原料气体，导入模板基板的表面上而使微细柱状晶体20生长。此时的生长条件，只要与III族金属相比增大活性氮在实效上的供给量比例而使微细柱状晶体20生长的条件即可。例如，使氮化镓(GaN)构成的微细柱状晶体20生长时，若将晶体生长温度设为600℃以下，则在多数情况下GaN晶体还生长于掩膜开口部以外的生长抑制区域中。另一方面，生长温度越提高，则生长抑制区域中生长的GaN晶体的空间密度越减少。通过将温度设为某一定温度以上，则还可以使GaN不在生长抑制区域中生长。对于使GaN不在生长抑制区域中生长的温度，虽然还依赖于III族金属和活性氮的供给量、比率，但作为示例之一是850℃以上。
为了使微细柱状晶体20生长，优选MBE按下述条件进行。对于温度，虽然根据使生长的III族氮化物半导体的种类进行适当选择，可设为350℃以上并且1200℃以下的范围。例如：使GaN晶体生长时，优选为400℃以上并且1000℃以下；使AlN晶体生长时，优选为500℃以上并且1200℃以下；使InN生长时，优选为350℃以上并且600℃以下。在上述温度范围中，在含氮量高的条件下，通过进行MBE，能够使III族氮化物半导体的微细柱状晶体20生长。
在本实施方式中，未形成有掩膜开口部的掩模图案13P上的区域，是抑制微细柱状晶体20生长的区域(生长抑制区域)。对于晶体在生长抑制区域中的横向生长受到抑制的原因，虽然未必明确，但可推测如下：是由于掩模图案13P表面中的镓(Ga)等的离脱，与模板基板的显露表面上相比更加受到了促进，因此抑制了横向生长。或者，当着眼于Ti以及Pt的物理性质时可知，它们与其它金属相比，熔点、沸点高，共价键结合时的键能高，另外，热传导率比其它金属低。从共价键强度出发来看，Ti和Pt的表面上的未结合键少。由此，还能够推测出不能期待容易地进行键合，抑制了III族氮化物微细柱状晶体生长的开始。
另外，在晶体生长工序中，使活性氮单独或者与III族金属一起同时照射于金属膜表面上。当金属具有形成氮化物的性能时，推测会形成有金属氮化物(例如，TiN、WN)。这些金属氮化物，在化学性上稳定，即，在表面上具有活性的未结合键少，因此，与Ga、GaN等的键合弱。因此，在Ga、GaN等从表面脱离的充分的生长温度时，在所供给的Ga、GaN等形成为足够持续进行晶体生长的充分大小之前就致使脱离，使GaN等的生长受到抑制。
基于上述，作为晶体在生长抑制区域的横向生长受到抑制的原因，据推测，其原因特别在于生长抑制区域中的温度高于基板表面这一点与生长抑制区域上难以形成有GaN的生长核这一点的协同效果。
另一方面，在模板基板的III族氮化物半导体层12P的显露表面上，未发生晶体生长的抑制。形成于模板基板和掩模图案13P的表面上的微细柱状晶体20，能依赖于模板基板或掩模图案13P的材质、掩模图案13P的膜厚或者生长条件进行变化，但在大致垂直于模板基板的主面或者掩模图案13P的表面的方向上竖立起来进行生长。
按本实施方式的方法进行生长的III族氮化物半导体所构成的微细柱状晶体20，是具有纳米级别的直径Δ的柱状结构单晶体。微细柱状晶体20的直径，例如，经确定其大小处于10nm以上并且1000nm以下的范围内。微细柱状晶体20的高度，还能根据掩模图案13P的厚度、晶体的生长条件进行变动，例如，处于0.2μm以上并且5μm以下的范围内。对于掩模图案13P的膜厚，并没有特别限定，但优选设为2nm以上、100nm以下的范围内。其中，微细柱状晶体20的直径以及高度，能根据晶体的生长条件进行改变。
然后，在各微细柱状晶体20上设置活性层21，另外，在活性层21上形成半导体包覆层22。活性层21、半导体包覆层22，能够按照MOCVD法、MBE法来形成。
此外，对于构成活性层21、半导体包覆层22的材料，还沉积于掩模图案13P上。
另外，当形成半导体包覆层22时，优选使在横向上生长且不仅包覆活性层21上面还包覆侧面。
(发光波长的晶体直径依存性)
图5是表示III族氮化物半导体层12P上所形成的凹部14的直径(以下称“空穴直径”)δ与纳米柱23的发光波长之间关系的曲线图。
用于获得图5的曲线图所制作的纳米柱23的制造条件如下所述。在蓝宝石基板11的(0001)面上，采用MOCVD法，使GaN层12P(厚度：约3.5μm)生长而形成模板基板。在该模板基板上，使钛薄膜(厚度：约5nm)进行成膜之后，采用FIB法，在该钛薄膜上，通过设置排列成三角网格状的多个开口部(空间周期(开口部的中心间的距离)：400nm)，形成掩模图案13P。在形成掩膜开口部的同时，在GaN层12P上形成有凹部14。接着，采用RF-MBE法，在900℃的温度条件下，使GaN柱状晶体20(高度：2.5μm)从模板基板的凹部14出发，通过掩膜开口部进行生长。接着，在各微细柱状晶体20上，形成具备含有InGaN膜(厚度：1nm)的多量子阱结构的活性层21。接下来，在该活性层21上形成GaN晶体的半导体包覆层22(厚度：10nm)。
在这种制造条件下，制作13个具备处于50nm～265nm范围内的不同空穴直径δ的半导体发光元件的试样，对于各试样，检测出凹部14的深度(下称“空穴深度”)、PL(Photoluminescence：光致发光)发光波长以及纳米柱23的直径(下称“纳米柱直径”)。该检测结果的曲线图示于图5中。
根据图5的曲线图，可确认存在空穴直径δ越大则空穴深度就越深、空穴直径增大则发光波长变长的趋势。相反，可确认存在空穴直径越小则空穴深度就越浅、纳米柱直径减小则发光波长变短的趋势。
接着，图6是表示对于分别具有166nm、192nm、203nm、226nm、242nm、298nm、236nm的纳米柱直径的半导体元件所检测的PL发光波长(单位：nm)与光强度(单位：任意单位)之间关系的曲线图。用于获得该曲线图所制作的纳米柱23的制造条件，与用于获得图5的曲线图所制作的纳米柱23的制造条件相同。
根据图6的光强度分布，针对各纳米柱直径检测出峰值波长。图7是表示纳米柱直径(Nanocolumn Size：纳米柱尺寸)与所检测出的峰值波长(Peak Wavelength)之间关系的曲线图。可知纳米柱直径越大则峰值波长就越长、纳米柱直径越小则峰值波长就越短。
如上所述，若考虑到放出光的活性层21的结构依赖于微细柱状晶体20的尖端形状，则根据图5至图7的曲线图可以明确如下的理解：对于从活性层21所放出光的峰值波长，在即将形成有活性层21之前的微细柱状晶体20的直径Δ越大，就越偏移至长波长一侧，而微细柱状晶体20的直径Δ越小，就越偏移至短波长一侧。
接着，图8是表示采用FIB法在模板基板上形成凹部(空穴)14时的剂量(Dose(cm-2))与凹部14的深度(Nanohole depth(nm)：纳米空穴深度(nm))之间关系的曲线图。另外，图9是表示剂量(Dose(cm-2))与凹部14的直径(Nanohole size(nm)：纳米空穴深度(nm))δ之间关系、剂量(Dose(cm-2))与纳米柱23的直径(Nanocolumn size(nm)：纳米柱尺寸(nm))之间关系的曲线图。
用于获得图8和图9的曲线图所制作的纳米柱23的制造条件如下所述。在蓝宝石基板11的(0001)面上，采用MOCVD法，使GaN层12P(厚度：约3.5μm)生长而形成模板基板。在该模板基板上，使钛薄膜(厚度：约5nm)进行成膜之后，采用FIB法，在该钛薄膜上设置多个掩膜开口部，由此形成掩模图案13P。在形成掩膜开口部的同时，在GaN层12P形成有凹部14。接着，采用RF-MBE法，在900℃的温度条件下，使GaN柱状晶体20(高度：2.5μm)从模板基板的凹部14出发，通过掩膜开口部生长。接着，在各微细柱状晶体20上，形成具备含有InGaN膜(厚度：1nm)的多量子阱结构的活性层21。接下来，在该活性层21上形成GaN晶体的半导体包覆层22(厚度：10nm)。
按照这种制造条件以及不同的剂量，制作14个半导体发光元件的试样，对于各试样，检测出凹部14的深度、凹部14的直径δ以及纳米柱23的直径。在图8和图9中示出该检测结果的曲线图。
如图8的曲线图所示，针对金属掩膜层13，照射聚焦离子束时的剂量越多则凹部14的深度也越大。另外，如图9的曲线图所示，可知其剂量越多则凹部14的直径(nanohole size：纳米空穴尺寸)就越大，同时纳米柱23的直径(nanocolumn size：纳米柱尺寸)也越大。因而可理解，在凹部14的直径增大的同时，微细柱状晶体20的直径Δ也增大。
图10和图11是示出有规则地排列成正方网格状且拥有不同直径的纳米柱23、…、23的扫描电子显微镜照片(SEM照片)的图。图10是示出俯视纳米柱23、…、23的SEM照片，图11是示出向斜下方俯视这些纳米柱23、…、23时的SEM照片。图10和图11所示的纳米柱群是通过分别单独控制凹部14、…、14的直径而制作出。
(发光波长的尖端形状依存性)
接着，图12是示出从纳米柱23所放出的CL光(阴极射线致发光)的光谱检测结果的曲线图。该曲线图的横轴对应于发光波长，曲线图的纵轴对应于CL强度(任意单位)。图13(A)是示出俯视纳米柱23的SEM照片的图，图13(B)、(C)是分别示出不同波长405nm、510nm的CL照片(阴极射线致发光照片)的俯视图。图14(A)是示出从横向拍摄纳米柱23的SEM照片，图14(B)、(C)、(D)是分别示出不同波长365nm、435nm、500nm的剖面CL照片(图14(A)的纳米柱23的剖面CL照片)的图。
用于获得图12、图13(A)～(C)和图14(A)～(D)所制作出的纳米柱23的制造条件，如下所述。采用MOCVD法，在蓝宝石基板11的(0001)面上，使GaN层12P(厚度：约3.5μm)生长而形成模板基板。在该模板基板上使钛薄膜(厚度：约5nm)进行成膜之后，采用FIB法，在该钛薄膜中，通过设置排列成三角网格状的多个开口部(空间周期：400nm)形成掩模图案13P。在形成掩膜开口部的同时，在GaN层12P形成有凹部14。接着，采用RF-MBE法，在900℃的温度条件下，使GaN柱状晶体20(高度1.8μm、直径180～495nm)从模板基板的凹部14出发，通过掩膜开口部进行生长。接着，在各微细柱状晶体20上，形成具备含有InGaN膜(厚度：3nm)的多量子阱结构的活性层21。接着，在该活性层21上形成GaN晶体的半导体包覆层22(厚度：10nm)。
如图12的曲线图所示，在CL强度分布中，存在来自GaN的发光的峰以及来自InGaN的两个发光的峰(波长：404nm、510nm)。
图13(B)所示的波长405nm的CL照片，示出了来自纳米柱23的活性层21整体的发光。该CL照片被认为示出了来自微细柱状晶体20的尖端部侧面(半极性面)20a(图4(B))上所形成的InGaN的发光。相对于此，图13(C)所示的波长510nm的CL照片，示出了只来自纳米柱23的活性层21中的顶上附近的发光。该CL照片被认为示出了来自微细柱状晶体20的尖端部的平坦面(极性面)20b(图4(B))上所形成的InGaN的发光。
另外，图14(B)所示的波长是365nm的剖面CL照片，示出了来自纳米柱23整体上分布的GaN的发光。图14(C)所示的波长是435nm的剖面CL照片，示出了来自纳米柱23的尖端部整体上的InGaN的发光。该剖面CL照片，被认为主要示出了来自微细柱状晶体20的尖端部侧面(半极性面)20a(图4(B))上所形成的InGaN的发光。另外，图14(D)所示的波长500nm的剖面CL照片，示出了来自纳米柱23的顶上附近的InGaN的发光。该剖面CL照片，被认为主要示出了来自微细柱状晶体20的尖端部平坦面(极性面)20b(图4(B))上所形成的InGaN的发光。
如根据图12、图13(A)～(C)和图14(A)～(D)所进行的理解，在微细柱状晶体20的尖端部的侧面(半极性面)20a上所形成的InGaN的发光波长，不同于该尖端部的平坦面(极性面)20b上所形成的InGaN的发光波长。对于其原因的认识如下所述。
如图15(B)所示，在微细柱状晶体20的侧面20a上所形成的InGaN晶体21s以及平坦面20b上所形成的InGaN晶体21t中，In纳进InGaN晶体中的容易程度不同，因此，平坦面20b所形成的InGaN晶体21t中的In组成比例比较高，而侧面20a所形成的InGaN晶体21s中的In组成比例比较低。因此，形成有图15(A)所示的CL光谱(与图12相同的CL光谱)。另外，载体被封入尖端部附近的带隙窄的InGaN晶体21t中，因此，能使尖端部附近的InGaN晶体21t形成量子点。可以认为这使得侧面20a所形成的InGaN的发光波长与平坦面20b所形成的InGaN的发光波长产生差别。
采用用于获得图12的CL强度分布所制作出的试样，检测出PL(光致发光)强度。作为激发光使用了波长是405nm的CW(Continuous Wave：连续波)光。另外，激发光密度是0.29kW/cm2。PL强度分布的峰值波长，在4K的低温条件下是486.2nm，在300K的高温条件下是486.7nm，PL强度分布的半宽度(FWHM：Full Width at Half Maximum，半峰全宽度)，在4K的低温条件下相当于151.3meV，在300K的高温条件下相当于187.2meV。因而，低温条件与高温条件之间的PL积分强度比(即，内部量子效率)，相对于波长486nm是约77％，确认有非常良好的结晶性。对于实现如此高的内部量子效率的一个原因，认为是由于活性层21(21s、21t)没有朝向外部空间的显露部，抑制了因非辐射复合引起的注入载体的损失。如图15(B)所示，具有窄带隙的InGaN晶体21s、21t，处于完全由具备宽带隙的GaN进行包覆而嵌入纳米柱23中的状态。于是，InGaN晶体21s、21t没有向外部空间的显露部，因此，可认为抑制了非辐射复合中心的形成。假如存在显露部，在该显露部表面的带隙内形成有非辐射复合中心，通过该非辐射复合中心，使电子与空穴一起复合，由此使发光效率降低。
另外，在此虽然已提及具有InGaN晶体21s、21t的纳米柱23，但也可以没有InGaN晶体21t。
即使是这种纳米柱，也确认了能够根据纳米柱的直径控制发光波长。即确认了：从直径小的纳米柱活性层所放出的光的峰值波长，与从直径大的纳米柱上的活性层所放出的光的峰值波长相比，形成为低波长。
图16中示出纳米柱23的直径(柱直径)与纳米柱23的尖端部的小面结构的表面积之间关系并且示出柱直径与发光峰值波长之间关系的曲线图。发光峰值波长，是从PL光的强度分布所检测出的波长。在曲线图中的记号分别有如下表示：记号“○”表示发光峰值波长的检测值，记号“●”表示纳米柱23的尖端部的平坦面(SurfaceC)的面积，记号“▲”表示纳米柱23的尖端部的斜侧面(SurfaceSemi)的面积，记号“■”表示纳米柱23的尖端部的平坦面的面积与斜侧面的面积的合计。
用于获得该图16的曲线图所制作出的纳米柱23的制造条件，如下所述。采用MOCVD法，在蓝宝石基板11的(0001)面上，使GaN层12P(厚度：约3.5μm)生长而形成模板基板。在该模板基板上使钛薄膜(厚度：约5nm)进行成膜之后，采用FIB法，在该钛薄膜上设置排列成三角网格状的多个开口部(空间周期：400nm)，由此形成掩模图案13P。在形成掩膜开口部的同时，在GaN层12P上形成有凹部14。接着，采用RF-MBE法，在900℃的温度条件下，使GaN柱状晶体20(高度：2.5μm)从模板基板的凹部14出发，通过掩膜开口部进行生长。接着，在各微细柱状晶体20上，形成含有InGaN膜(厚度：1nm)的多量子阱结构的活性层21。接着，在该活性层21上形成GaN晶体的半导体包覆层22(厚度：10nm)。
在这种制造条件下，制作出多个具有处于135nm～350nm范围内不同柱直径的纳米柱群的试样，对于各试样，检测出纳米柱23的尖端部的表面积和发光峰值波长。图16中示出了该检测结果的曲线图。
如图16的曲线图所示，在柱直径增大的同时，纳米柱23的尖端部的小面结构的表面积(斜侧面(小面)与平坦面的合计面积)增大。另外，在柱直径处于约135nm～约288nm的范围内，在柱直径的增大的同时，发光峰值波长的值也无波折地增大。因此，在纳米柱23的尖端部的朝向上方的小面的合计面积增大的同时，发光峰值波长的值在增大。活性层21的膜厚和半导体包覆层22的膜厚是薄的，因此，在实质上能够使微细柱状晶体20的尖端部的朝向上方的小面的面积增大，并且使发光峰值波长变长。因而，通过控制微细柱状晶体20的尖端部的朝向上方的小面的面积，可获得所需的发光峰值波长。
另外，如图16的曲线图所示，在柱直径处于约135nm～约260nm的范围中，在纳米柱23的尖端部斜侧面(SurfaceSemi)的面积增大的同时发光峰值波长的值也增大的正相关的关系成立，但是，若柱直径超过约260nm，则该相关关系变得不成立。取而代之，在柱直径处于约260nm～约288nm的范围内，在纳米柱23的尖端部的平坦面(SurfaceC)的面积增大的同时，发光峰值波长的值增大。
接着，图17是示出与具备200nm的柱直径的纳米柱23的PL发光波长相关的光强度分布(单位：任意单位)的曲线图。在曲线图中，实线示出纳米柱23的尖端部斜侧面的高度h是2.1μm时的检测曲线，而虚线示出纳米柱23的尖端部斜侧面的高度h是1.25μm时的检测曲线。图18示出针对相同纳米柱23的高度h与发光峰值波长之间关系的曲线图。图18的曲线图的横轴对应于高度h、纵轴对应于发光峰值波长。
用于获得图17和图18的曲线图所制作出的纳米柱23的制造条件，如下所述。采用MOCVD法，在蓝宝石基板11的(0001)面上，使GaN层12P(厚度：约3.5μm)生长而形成模板基板。在该模板基板上，在使钛薄膜(厚度：约5nm)进行成膜之后，采用FIB法，在该钛薄膜上，通过设置排列成三角网格状的多个开口部(空间周期：400nm)形成掩模图案13P。在形成掩膜开口部的同时，在GaN层12P形成有凹部14。接着，采用RF-MBE法，在900℃的温度条件下，使GaN柱状晶体20(高度：2.5μm)从模板基板的凹部14出发，通过掩膜开口部进行生长。接着，在各微细柱状晶体20上，形成了具备含有InGaN膜(厚度：1nm)的多量子阱结构的活性层21。接着，在该活性层21上形成GaN晶体的半导体包覆层22(厚度：10nm)。
如图17所示，若纳米柱23的尖端部的斜侧面的高度h从1.25μm变化为2.1μm，则光强度分布的峰也偏移至长波长一侧。图18中也显示出了该趋势。
(发光波长的面内密度依存性)
图19(A)～(F)是示出有规则地排列为三角网格状的纳米柱群在俯视下的SEM照片的图。图19(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)分别示出空间周期(各微细柱状晶体20的中心间的距离)是400nm、600nm、800nm、1μm、2μm、4μm时的排列。另外，对应于空间周期是400nm、600nm、800nm、1μm、2μm、4μm的排列，PL发光的峰值波长，经检测分别是508nm、500nm、490nm、480nm、480nm、479nm。
用于获得图19的SEM照片所制作出的纳米柱23的制造条件，如下所述。在蓝宝石基板11的(0001)面上，采用MOCVD法，使GaN层12P(厚度：约3.5μm)生长而形成模板基板。在该模板基板上使钛薄膜(厚度：约5nm)进行成膜之后，采用FIB法，通过在该钛薄膜上设置排列成三角网格状的多个掩膜开口部(各掩膜开口部的直径：167nm)形成掩模图案13P。在形成掩膜开口部的同时，在GaN层12P形成有凹部14。接着，采用RF-MBE法，在900℃的温度条件下，使GaN柱状晶体20(高度是1.5μm、直径是190nm)从模板基板的凹部14出发，通过掩膜开口部进行生长。接着，在各微细柱状晶体20上形成具备含有InGaN膜(厚度：3nm)的多量子阱结构的活性层21。接着，在该活性层21上形成GaN晶体的半导体包覆层22(厚度：10nm)。
如图19(A)～(F)所示，对于峰值波长，纳米柱23、…、23的空间周期(柱周期、配置密度)越短，则越向长波长一侧偏移，并且纳米柱23、…、23的空间周期越长，则越向短波长一侧偏移。
图20是示出与图19(A)～(F)的纳米柱群的PL发光波长有关的光强度分布(单位：任意单位)的检测结果的曲线图。另外，图21是示出柱周期与图20的光强度分布的发光峰值波长之间关系的曲线图。在此，各纳米柱23的柱直径设定为160nm。
如图21所示，在柱周期处于约1μm以下的范围内，在柱周期的增大的同时发光峰值波长的值在减少。若使柱直径保持一定而增大柱周期，则纳米柱23、…、23的面内密度减小，因此，在面内密度减少的同时发光峰值波长变短，在面内密度增大的同时发光峰值波长变长。
图22是示出有规则地排列为三角网格状的纳米柱群在俯视下的SEM照片的图。图22(A)、(B)、(C)、(D)分别示出空间周期是242nm、269nm、298nm、336nm时的排列。另外，对应于空间周期是242nm、269nm、298nm、336nm的排列的PL发光的峰值波长，经检测分别为607nm、643nm、649nm、650nm。
用于获得图22(A)～(D)的SEM照片所制作出的纳米柱23的制造条件，除了掩膜开口部的直径以外，与用于获得图19的SEM照片所制作出的纳米柱23的制造条件相同。用于获得图22的SEM照片所制作出的纳米柱23的直径，以使其在空间周期增大的同时进行增大的方式进行设定。
如图22(A)～(D)所示，在纳米柱23的直径增大的同时，峰值波长的值在增大。在纳米柱23的直径增大的同时，纳米柱23、…、23的面内密度(配置密度)在增大，因此，在面内密度增大的同时发光峰值波长变长，在面内密度减少的同时发光峰值波长变短。
从各纳米柱23的半导体包覆层22的膜厚薄、抑制晶体的横向生长的角度考虑，对于从活性层21所放出的光的峰值波长，微细柱状晶体20、…、20的面内密度越高则越向长波长一侧偏移，并且微细柱状晶体20、…、20的面内密度越低则越向着短波长一侧偏移。因而，通过控制微细柱状晶体20的直径，可获得所需的发光波长。
如以上所述，第一实施方式的半导体光学元件阵列10，通过调整掩模图案13P的开口部的位置，能够控制模板基板上所形成的微细柱状晶体20的位置。另外，通过调整各开口部正下方的凹部14的直径，对微细柱状晶体20的直径进行控制，由此，可将从活性层21所放出的光的峰值波长确定为所需的波长。另外，能够增大各微细柱状晶体20的直径，使峰值波长向长波长一侧偏移，而减小各微细柱状晶体20的直径使峰值波长向短波长一侧偏移。
另外，通过控制微细柱状晶体20的尖端部的小面结构的表面积，可将从活性层21所放出的光的峰值波长确定为所需的波长。能够增大小面结构的表面积，使峰值波长向长波长一侧偏移，而减小小面结构的表面积，使峰值波长向短波长一侧偏移。
另外，能够通过提高有周期性地排列的微细柱状晶体20、…、20的面内密度而使峰值波长向长波长一侧偏移，通过降低微细柱状晶体20、…、20的面内密度而使峰值波长向短波长一侧偏移。对于面内密度的控制，可通过调整微细柱状晶体20、…、20的空间周期(即，形成于掩模图案13P上的开口部的空间周期)、或者调整各微细柱状晶体20的直径(即，形成于掩模图案13P的开口部的直径)来以高精度进行。
(第二实施方式)
接着，针对本发明的第二实施方式进行说明。图23(A)、(B)分别是概要性示出第二实施方式的半导体发光元件的构成的一部分的图。图23(A)、(B)所示的结构，含有上述第一实施方式的半导体光学元件阵列10的结构。
参照图23(A)，形成于基底基板11上的III族氮化物半导体层12P，是导入有n型杂质的n型半导体层。掩模图案13P，与n侧电极(未图示)相连接。在该III族氮化物半导体层12P上，形成有纳米柱，所述纳米柱由含有n型AlGaN等的n型包覆层的微细柱状晶体20、以及活性层21、含有p型AlGaN等的p型包覆层的p型半导体层24所构成。在这些纳米柱间的空间里，嵌入有氧化硅等绝缘膜30。并且，以使电连接于p型半导体层24、…、24的方式，使Ni/Au多层膜、ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)等的p侧电极31进行成膜。来自p侧电极所注入的空穴以及来自n侧电极的电子一起在活性层21进行复合，由此使活性层21放出光。
微细柱状晶体20是由n型半导体层构成，例如，可以由GaN/AlGaN/GaN的三层构成。
另一方面，参照图23(B)，形成于基底基板11上的III族氮化物半导体层12P，是导入有n型杂质的n型半导体层。掩模图案13P，与n侧电极(未图示)相连接。在该III族氮化物半导体层12P上，形成有纳米柱23，所述纳米柱23，由含有n型AlGaN等的n型包覆层的微细柱状晶体20、活性层21、以及含有p型AlGaN等的p型包覆层的p型半导体层25所构成。p型半导体层25，通过促进横向的晶体生长而连续地形成于横向上。
用于促进p型半导体层25在横向上生长的方法，有掺杂Mg的方法、降低生长温度的方法、添加Al的方法等。并且，以使电连接于p型半导体层25的方式，使Ni/Au多层膜、ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)等p侧电极32进行成膜。使来自p侧电极所注入的空穴以及来自n侧电极的电子一起在活性层21进行复合，由此，使活性层21放出光。
当将图23(A)和图23(B)的结构作为激光二极管进行构成时，只要形成对来自活性层21所放出光进行封闭的光谐振器即可。例如，能够在活性层21的上方和下方均分别形成多层膜反射镜，并且由这些多层膜反射镜构成光谐振器。
此外，还可以在p型半导体层25形成光导波路。
另外，可将图23(A)或者图23(B)的结构变形为太阳能电池等光电转换元件。例如，在各纳米柱23中，只要形成pin结构(光吸收结构)代替活性层21即可。在该pin结构中，能够将i型半导体层作为量子点结构。将多个量子点层通过中间层进行层叠而构成i型半导体层，由此，能够提高变换效率。如上所述，通过控制微细柱状晶体20的直径、微细柱状晶体20、…、20的面内密度或微细柱状晶体20的尖端形状，可使pin结构适于所需吸收波长。
(第三实施方式)
接着，针对本发明的第三实施方式进行说明。图24和图25，分别表示第三实施方式的半导体发光元件的构成的一部分的立体图。第三实施方式的半导体发光元件，含有上述第一实施方式的半导体光学元件阵列10的结构。
参照图24，形成于基底基板11上的III族氮化物半导体层12P，是导入有n型杂质的n型半导体层。在掩模图案13P上形成有n侧电极40。在该III族氮化物半导体层12P上，形成有发光波长不同的多种纳米柱群23R、23G、23B。对于构成这些纳米柱群23R、23G、23B的纳米柱，只要具备如图23(B)所示的纳米柱(由含有n型AlGaN等的n型包覆层的n型(第一导电类型)的微细柱状晶体20、活性层21以及含有p型AlGaN等的p型包覆层的p型(第二导电类型)的半导体层25所构成)相同的结构即可。纳米柱群23R、23G、23B，各具有分别放出R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的三原色波长的光的晶体结构。
另外，如图25所示，在纳米柱群23R、23G、23B上，分别使p型半导体层25R、25G、25B进行成膜。并且，这些p型半导体层25R、25G、25B，分别连接有p侧电极42R、42G、42B。p侧电极42R、42G、42B，可以由Ni/Au多层膜、ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)构成。
来自p侧电极42R、42G、42B所注入的空穴与来自n侧电极的电子一起通过纳米柱群23R、23G、23B的活性层进行复合，由此，活性层能够放出光。
当将图25的结构作为激光二极管进行构成时，只要形成对来自活性层所放出光进行封闭的光谐振器即可。例如，能够在活性层的上方和下方均分别形成多层膜反射镜，并且由这些多层膜反射镜构成光谐振器。
第三实施方式的半导体发光元件，能够使放出三原色波长的光的发光体集成于同一基板11上。另外，通过单独调整分别放出R、G、B光的纳米柱群23R、23G、23B的面内密度来控制光强度分布，可使整体的光谱分布近似于太阳光的光谱分布。其结果是能够制作理想的白色发光二极管。
上面，针对本发明的实施方式，参照附图进行了描述，但这些只是本发明的示例，还能够采用除上述以外的各种构成。例如，在上述实施方式中，作为基底基板11使用了蓝宝石基板，但并不限定于此，例如，可以使用硅基板、SiC基板。可以使用氮化镓基板等III族氮化物半导体基板来代替模板基板。
本发明的半导体光学元件阵列，可应用于电子器件以及光学器件的领域中。微细柱状晶体拥有优良的发光特性，有待于应用在发光器件中。本发明的半导体光学元件阵列，例如，能够适用于荧光体、发光二极管、激光二极管或光电转换元件中。

Claims (21)

1.一种半导体光学元件阵列，其包括：
具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；
形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别设置于前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；
从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；
分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层；以及
包覆前述各活性层的半导体层，
并且，
含有不同直径的前述微细柱状晶体；
与从直径大的前述微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长相比，从直径小的前述微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长是低波长。
2.一种半导体光学元件阵列，其包括：
具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；
形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别设置于前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；
从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；
分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层；以及
包覆前述各活性层的半导体层，
并且，
在前述掩模图案中，存在前述多个开口部的配置密度高的区域和前述多个开口部的配置密度低的区域；
与从位于多个开口部的配置密度低的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长相比，从位于多个开口部的配置密度高的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长是长波长。
3.一种半导体光学元件阵列，其包括：
具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；
形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别设置于前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；
从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；
分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层；以及
包覆前述各活性层的半导体层，
并且，
前述各微细柱状晶体，在尖端部具有小面结构，并且各微细柱状晶体中的前述小面结构的表面积不同；
与从小面结构的表面积大的前述微细柱状晶体放出的光的峰值波长相比，从小面结构的表面积小的前述微细柱状晶体放出的光的峰值波长是低波长。
4.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，前述各微细柱状晶体的直径是10nm以上并且1000nm以下。
5.如权利要求3所述的半导体光学元件阵列，其中，
前述各微细柱状晶体，具有纤锌矿型晶体结构；
构成前述小面结构的小面，含有前述纤锌矿型晶体结构的半极性面。
6.如权利要求5所述的半导体光学元件阵列，其中，前述小面结构，含有前述纤锌矿型晶体结构的极性面。
7.如权利要求3所述的半导体光学元件阵列，其中，
前述各微细柱状晶体，具有纤锌矿型晶体结构；
前述小面结构，含有前述纤锌矿型晶体结构的极性面。
8.如权利要求1、3、5、6、7中的任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，
在前述掩模图案中，存在前述多个开口部的配置密度高的区域和前述多个开口部的配置密度低的区域；
与从位于多个开口部的配置密度低的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长相比，从位于多个开口部的配置密度高的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长是长波长。
9.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，前述活性层，完全被前述半导体层包覆。
10.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，
前述微细柱状晶体的导电类型，是第一导电类型；
前述半导体层含有与前述第一导电类型相反的第二导电类型的III族氮化物半导体层。
11.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，前述多个微细柱状晶体，是由发光波长不同的多个柱状晶体群构成。
12.如权利要求11所述的半导体光学元件阵列，其中，前述多个柱状晶体群，至少含有分别放出三原色波长的光的三个柱状晶体群。
13.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，前述活性层具备量子阱结构，所述量子阱结构含有量子阱层和具有比前述量子阱层大的带隙并且夹持前述量子阱层的势垒层。
14.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，前述掩模图案的构成材料，是选自于由钛、钽、铁、镍、铂、金、钴、钨、以及钼构成的组中的一种或者两种以上的金属。
15.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，前述III族氮化物半导体含有氮化镓。
16.如权利要求1～3中任一项所述的半导体光学元件阵列，其中，前述III族氮化物半导体含有AlxGayIn1-x-yN，其中，0≤x≤1、0≤y≤1且0≤x＋y≤1。
17.如权利要求1所述的半导体光学元件阵列，其中，
在前述掩模图案中，存在前述多个开口部的配置密度高的区域和前述多个开口部的配置密度低的区域；
前述配置密度高的区域的前述微细柱状晶体的直径比前述配置密度低的区域的前述微细柱状晶体的直径大，
与从位于多个开口部的配置密度低的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长相比，从位于多个开口部的配置密度高的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长是长波长。
18.如权利要求2所述的半导体光学元件阵列，其中，前述配置密度高的区域的前述开口部的中心间的距离比前述配置密度低的区域的前述开口部的中心间的距离短。
19.一种半导体光学元件阵列的制造方法，其包括：
在半导体基板上形成具有多个开口部的掩模图案的工序；
通过将前述掩模图案作为蚀刻掩膜，对前述半导体基板进行蚀刻而在前述半导体基板的主面上形成多个凹部的工序；
使多个微细柱状晶体从前述各凹部出发，通过前述各开口部，向前述掩模图案的上方生长的工序；
使活性层在前述微细柱状晶体上生长的工序；以及
形成包覆前述活性层的半导体层的工序，
并且，
在形成前述掩模图案的前述工序中，前述掩模图案具有直径不同的多个前述开口部，
与从直径大的前述微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长相比，从直径小的前述微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长是低波长。
20.一种半导体光学元件阵列的制造方法，其包括：
在半导体基板上形成具有多个开口部的掩模图案的工序；
通过将前述掩模图案作为蚀刻掩膜，对前述半导体基板进行蚀刻而在前述半导体基板的主面上形成多个凹部的工序；
使多个微细柱状晶体从前述各凹部出发，通过前述各开口部，向前述掩模图案的上方生长的工序；
使活性层在前述微细柱状晶体上生长的工序；以及
形成包覆前述活性层的半导体层的工序，
并且，
在前述掩模图案中，存在前述多个开口部的配置密度高的区域和前述多个开口部的配置密度低的区域；
与从位于多个开口部的配置密度低的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长相比，从位于多个开口部的配置密度高的区域中的多个微细柱状晶体上的活性层放出的光的峰值波长是长波长。
21.如权利要求19或20所述的半导体光学元件阵列的制造方法，其中，还包括：在进行使多个微细柱状晶体向前述掩模图案的上方生长的前述工序的同时，使前述微细柱状晶体向沿着前述半导体基板的面内方向的横向方向生长的工序。
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