JP2005142315A - ＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子の層構造内にて白色光の実現が可能な素子構造とされるＧａＮ系半導体発光素子において、その取出す白色光の発光強度などの光特性を有為に確保することを可能とするＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 シリコン基板１の主表面上にて面内に、酸化シリコン層２を分散形成し、該酸化シリコン層２上にＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部４を形成するとともに、酸化シリコン層２に発光層部４からの紫外領域または青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光を誘起させる発光源物質を分散形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法に関し、詳細には、ＧａＮ系半導体化合物のバンドギャップエネルギーに対応して発光層部から得られる紫外領域または青色領域の発光を用いて白色光を取出す素子構造に適したＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年、ＧａＮ系半導体発光素子を用いて白色光を実現させる試みが多くなされている。それらは、ＧａＮ系半導体発光素子から取出される紫外領域や青色領域の発光を併用して白色光を実現させる形のものと、ＧａＮ系半導体発光素子の層構造内にて白色光を実現させる形のものとの２つに大別することができる。具体的に述べると、前者については、ＧａＮ系半導体発光素子から得られる紫外領域や青色領域の発光の一部を励起光として、モールド樹脂に含有させたＹＡＧ（Yittrium Aluminum Garnet）系蛍光剤などの蛍光剤を励起して青色領域、緑色領域、赤色領域などの発光を得るとともに、これら発光と発光素子固有の発光との組み合わせにて白色光を得るものなどである（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記したモールド樹脂に蛍光剤を含有させる方法では、モールド樹脂が必須要件となるとともに、蛍光剤の偏在などを理由にして、得られる白色光の集光性などの光特性を十分に再現よく得ることができない問題があった。そこで、ＧａＮ系半導体発光素子の層構造内にて白色光を実現させる、つまり発光素子自体から白色光を取出す方法が種々図られるようになってきている。その具体的なものとしては、ＧａＮ系半導体発光素子の内部に蛍光剤からなる蛍光体層を形成させるものなどがある（例えば、特許文献２、３参照）。

特開平７−９９３４５号公報 特開２００２−１７０９８９号公報 特開２００１−１１１１０９号公報

上記のように蛍光剤からなる蛍光体層を発光素子内部に形成することで、確かに、ＧａＮ系半導体発光素子自体から白色光を取出すことは設計上可能となる。しかしながら、蛍光体層の構成材料は、所望の波長領域の発光を得るために、上記したＹＡＧ系蛍光剤などの蛍光剤から適宜選択する必要があり、該蛍光体層を形成する際の下地層に対する形成の容易性を確保するのが困難となりやすく、ひいては、蛍光体層の品質を十分に確保し難い。また、蛍光体層において十分な発光強度を得るためには、ミクロンオーダ（例えば１μｍ程度）といった過大な層厚が必要とされる場合があり、さらに蛍光体層の品質を確保し難い状況を招く。蛍光体層の品質低下は、該蛍光体層における発光強度の低下や所望の波長領域の発光が得られないなどの問題に繋がる。また、蛍光体層が発光素子内部に形成されている場合、該蛍光体層の品質の低下は、電気的特性などの低下に伴い、ＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部の発光特性が低下する問題にも繋がる。

上記問題を考慮してなされたのが本発明であり、本発明の課題は、発光素子の層構造内にて白色光の実現が可能な素子構造とされるＧａＮ系半導体発光素子において、その取出す白色光の発光強度などの光特性を有為に確保することを可能とするＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段・発明の効果

上記課題を解決するための本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、
シリコン基板の主表面直上にて面内に分散形成された酸化シリコン層と、該酸化シリコン層上に形成されたＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部とを有し、
前記酸化シリコン層には、前記発光層部からの紫外領域もしくは青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光を誘起させる発光源物質が分散形成されてなることを特徴とする。

上記本発明のＧａＮ系半導体発光素子は、該素子自体にて白色光の取出しを可能とするものである。そこで、本発明のＧａＮ系半導体発光素子においては、まずＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部にて紫外領域もしくは青色領域の発光を誘起させる。そして、この紫外領域もしくは青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光を、シリコン基板の主表面直上に分散形成された酸化シリコン層にて得る。具体的には、紫外領域もしくは青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光が誘起される発光源物質（以下、単に発光源物質とも言う）を、酸化シリコン層に分散形成させてなる。つまり、酸化シリコン層をガラスマトリックスとし、該ガラスマトリックス内に微粒子として発光源物質を分散形成させて、該微粒子からフォトルミネッセンス発光を得る公知の微粒子発光に対応する。ここで、酸化シリコン層に分散形成させる発光源物質としては、紫外領域の発光を励起光とする場合には、少なくとも青色領域、緑色領域および赤色領域の波長領域のフォトルミネッセンス発光が誘起されるものを適宜選択し、青色領域の発光を励起光とする場合には、少なくとも緑色領域および赤色領域の波長領域のフォトルミネッセンス発光が誘起されるものを適宜選択する。このような酸化シリコン層と発光層部とを発光素子内部に形成することで、発光素子自体から白色光を効果的に得ることができる。
また、本発明においては、酸化シリコン層を、シリコン基板の主表面直上に形成させてなるので、該酸化シリコン層における緻密性などの品質を優れたものとできるとともに、その層厚を品質の低下を招くことなく増加させることも可能となる。その結果、酸化シリコン層における発光源物質からのフォトルミネッセンス発光を、所望の発光領域にて発光強度などの光特性に優れたものとでき、ひいては、発光層部の結晶品質を十分に確保できることも相乗して、発光素子から取出す白色光の発光強度などの光特性を有為に確保することが可能となる。

上記した酸化シリコン層に分散形成させる発光源物質としては、その種類の選別以外にも、形成密度や粒径などにて、得られるフォトルミネッセンス発光の発光強度、発光波長の半値幅や発光効率などを調整することができる。そこで、特には、分散形成させる発光源物質の粒径としては、量子サイズ効果が期待できる、例えばナノスケール（１〜５０ｎｍ程度）といった過小なものとするのが望ましい。量子サイズ効果が得られれば、フォトルミネッセンス発光の発光効率を効果的に向上させることが可能となるからである。

また、上記したように、発光層部には紫外領域もしくは青色領域の発光が誘起されるが、発光層部の具体的な構成材料としては、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）と、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）およびＩｎＮ（窒化インジウム）の少なくとも１種との混晶化合物を用いればよい。ここで、該混晶化合物におけるＧａＮに対するＡｌＮやＩｎＮの混晶率を適宜調整することで、発光層部から紫外領域（３００〜３８０ｎｍ程度）や青色領域（３８０〜４９０ｎｍ程度）の発光を得ることができる。

また、上記した酸化シリコン層の具体的な構成材料としては、例えばアモルファスのＳｉＯ_２（二酸化シリコン）を挙げることができる。アモルファスの二酸化シリコンは、シリコン基板の主表面直上に、より簡便に緻密性などの品質よく形成することができるので、好適な材料と言える。また、アモルファスの二酸化シリコンは、紫外領域（３００〜３８０ｎｍ程度）や可視領域（３８０〜７６０ｎｍ程度）の光に対する吸収係数が小さく、透光性に優れた材料であるので、効率よく酸化シリコン層にてフォトルミネッセンス発光を得る観点からも、好適な材料と言える。

なお、本明細書における紫外領域および青色領域の具体的な波長領域は上記した範囲とされるが、緑色領域は、４９０〜６３０ｎｍ程度、赤色領域は、６３０〜７６０ｎｍ程度の波長領域に対応するものとされる。また、微粒子として酸化シリコン層に分散形成されてなる発光源物質の粒径は１〜５０ｎｍ程度のものとされる。

次に、本発明のＧａＮ系半導体発光素子における、酸化シリコン層に分散形成される発光源物質は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちの１種又は２種以上とされることを特徴とする。

上記したように、酸化シリコン層に分散形成させる発光源物質としては、紫外領域または青色領域の励起光に対して、青色領域、緑色領域、赤色領域といった波長領域のフォトルミネッセンス発光が誘起されるものが適宜選択される。そこで、具体的な発光源物質としては、特にはＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（錫）のうちの１種又は２種以上を用いるのが望ましい。これら、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎは、酸化シリコン層におけるシリコンと同一元素または同族元素であるので、特に酸化シリコン層の品質の低下を招くことなく簡便に微粒子として分散形成できる材料と言える。そして、これらＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちから１種または２種以上を、励起光の波長などを考慮して適宜選択することで、光特性がより優れたフォトルミネッセンス発光を酸化シリコン層より得ることができる。

ここまでに、本発明のＧａＮ系半導体発光素子について述べたが、次に、本発明の製造方法について述べる。そこで、本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、
シリコン基板の主表面直上にて面内に分散形成された酸化シリコン層と、該酸化シリコン層上に形成されたＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部とを有するＧａＮ系半導体発光素子の製造方法であって、
シリコン基板の主表面直上に酸化シリコン膜を形成する酸化シリコン膜形成工程と、
前記酸化シリコン膜をパターンニング処理することにより、前記シリコン基板の主表面直上にて面内に酸化シリコン層を分散形成する酸化シリコン層分散形成工程と、
前記酸化シリコン膜または前記酸化シリコン層に発光源物質となるべきイオンを分散形態にてイオン注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程の後、前記酸化シリコン膜または前記酸化シリコン層に熱処理を施し、前記発光源物質を析出させる析出熱処理工程と、
前記酸化シリコン層上にＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部を形成する発光層部形成工程と、
を含み、前記発光源物質は、前記酸化シリコン層にて、前記発光層部からの紫外領域もしくは青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光を誘起させるものであることを特徴とする。

上記本発明の製造方法は、上述した本発明のＧａＮ系半導体発光素子と同様の発光素子を対象とするものである。そこで、本発明の製造方法であるが、まず、酸化シリコン膜形成工程にて、シリコン基板の主表面直上に酸化シリコン膜を形成する。この酸化シリコン膜の形成方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や、スパッタリング法や、熱酸化法などを採用することができる。これらいずれの方法を採用しても、簡便に良質な酸化シリコン膜を、シリコン基板の主表面直上に形成することができる。このうちでも、シリコン基板を熱酸化処理することにより、該シリコン基板の主表面直上に酸化シリコン膜を形成させる熱酸化法が、より簡便に良質な酸化シリコン膜を形成できるので、特に望ましい方法であると言える。ここで、酸化シリコン膜としては、多結晶といった結晶化をなしたものとして形成してもよいが、アモルファスとして形成するのが、より簡便に形成できる点において望ましいと言える。また、熱酸化法を採用した場合、より簡便にアモルファスの二酸化シリコンからなる酸化シリコン膜を良質に形成できる利点も有する。

上記した酸化シリコン膜形成工程にて酸化シリコン膜を形成した後、該酸化シリコン膜をパターンニング処理することにより、シリコン基板の主表面直上にて面内に酸化シリコン層を分散形成する酸化シリコン層分散形成工程を行う。ここで、パターニング処理する方法としては、公知のフォトリソグラフィーやフォトエッチングを採用することができる。このような方法にてパターンニング処理することで、シリコン基板の主表面直上にて面内に所望の被覆率からなる酸化シリコン層を分散形成させることができる。なお、この酸化シリコン層分散形成工程は、上記酸化シリコン膜形成工程と後述するイオン注入工程との間にて行ってもよいし、該イオン注入工程と後述する析出熱処理工程との間にて行ってもよいし、該析出熱処理工程の後にて行ってもよい。

また、上記した酸化シリコン膜形成工程にて酸化シリコン膜を形成した後、該酸化シリコン膜または上記した酸化シリコン層に、発光源物質となるべきイオンを分散形態にてイオン注入するイオン注入工程を行う。このイオン注入は、公知のイオン打ち込み法にて行うことができる。この際、所望の発光源物質のイオン種からなるイオンビームを酸化シリコン膜または酸化シリコン層に照射することにより、該イオン種がイオン注入されることになるが、イオンビームの照射時間を調整することでイオンの注入量（ドーズ量）を、打ち込むイオンのエネルギー（加速電圧）を調整することでイオンの打ち込み深さを、適宜調整することができる。このようにして、注入すべきイオンの注入量や打ち込み深さなどを適宜調整することで、酸化シリコン膜または酸化シリコン層に発光源物質となるべきイオンを分散形態にて注入することができる。

次に、少なくとも上記イオン注入工程を行った後、酸化シリコン膜または酸化シリコン層に熱処理を施し、発光源物質を析出させる析出熱処理工程を行う。この析出熱処理工程を行うことにより、発光源物質のイオン種として打ち込まれたイオンを、エネルギー的に安定した単一元素または、その集合体（クラスター）として析出させることができる。その結果、酸化シリコン膜や酸化シリコン層に発光源物質を微粒子として分散形成させることができる。また、析出熱処理工程における熱処理温度や処理時間を適宜調整することで、析出させる発光源物質とされる微粒子の粒径や形成密度を調整することが可能とされる。

上記した工程を経ることにより、シリコン基板の主表面直上にて面内に分散形成された酸化シリコン層が形成されるとともに、該酸化シリコン層に発光源物質が分散形成された形態とすることができる。そして、このような酸化シリコン層を形成した後、該酸化シリコン層上にＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部を形成させる発光層部形成工程を行う。この発光層部形成工程にて形成する発光層部の構成材料としては、上記同様にして、例えばＧａＮとＩｎＮ及びＡｌＮの１種以上との混晶化合物を用いる。そして、該混晶化合物におけるＧａＮに対するＡｌＮやＩｎＮの混晶率を適宜調整することで、発光層部から紫外領域（３００〜３８０ｎｍ程度）や青色領域（３８０〜４９０ｎｍ程度）の発光を得ることができる。なお、酸化シリコン層上に発光層部を形成する方法としては、酸化シリコン層上に発光層部を公知のエピタキシャル成長法にて形成させる方法や、酸化シリコン層とは別途形成した発光層部を、酸化シリコン層上に公知の貼り合わせ法を用いて形成させる方法を用いることができる。

また、酸化シリコン層に分散形成される発光源物質としては、該酸化シリコン層にて、発光層部からの紫外領域または青色領域の発光を励起光とするフォトルミネッセンス発光を誘起するものとされ、紫外領域の発光を励起光とする場合は、少なくとも青色領域、緑色領域および赤領域のフォトルミネッセンス発光を誘起するもの、青色領域の発光を励起光とする場合は、少なくとも緑色領域および赤領域のフォトルミネッセンス発光を誘起するものが適宜選択される。

上記のように発光層部およぶ酸化シリコン層を発光素子内部に形成することで、発光層部からは紫外領域または青色領域の発光を、酸化シリコン層からは青色領域、緑色領域や赤色領域の発光を得ることができ、ひいては、発光素子から白色光を効果的に取出すことが可能となる。また、酸化シリコン層を緻密性などの品質に優れたものとして形成でき、さらに、酸化シリコン層上に発光層部をエピタキシャル成長させる場合にも、該発光層部の結晶品質を十分に確保できる。その結果、発光素子から取出す白色光の発光強度等の光特性を有為に確保することが可能となる。

次に、本発明の製造方法における、酸化シリコン層に分散形成させる発光源物質は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちの１種又は２種以上とされることを特徴とする。

本発明の製造方法においても、酸化シリコン層に分散形成させる発光源物質は、励起光の波長領域を考慮して、青色領域、緑色領域や赤領域の波長のフォトルミネッセンス発光が誘起されるものが適宜選択されればよい。具体的には、例えば、公知のガラスマトリックス中の微粒子発光に対応する、例えば単一元素からなる微粒子を発光源物質として用いればよい。特に限定するならば、発光源物質はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちの１種又は２種以上とするのが望ましい。これら、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎは、酸化シリコン層におけるシリコンと同一元素または同族元素であるので、析出熱処理工程において、特に酸化シリコン層の品質の低下を招くことなく簡便に微粒子として分散形成できる材料と言える。その結果、発光素子から取出す白色光の光特性をより有為に確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明のＧａＮ系半導体発光素子の一実施形態を説明するための発光素子要部の積層構造を模式的に示すものである。図１に示すように、シリコン基板１の主表面上にて面内に、酸化シリコン層２が分散形成されてなり、該酸化シリコン層２上に、バッファ層３を介して発光層部４が形成されてなる。ここで、発光層部４は、ｎ型クラッド層５、活性層６およびｐ型クラッド層７から構成されるダブルへテロ構造とされる。また、酸化シリコン層２には、発光層部４からの紫外領域または青領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光を誘起させる発光源物質が分散形成されてなる。

酸化シリコン層２は、シリコン基板１の主表面直上に、公知のＣＶＤ法やスパッタリング法または熱酸化法などにて酸化シリコン膜を形成した後、所望の被覆率となるように、該酸化シリコン膜を公知のフォリソグラフィーなどにてパターンニング処理することにより形成できる。酸化シリコン層２におけるシリコン基板１の面内に対する被覆率は、シリコン基板１と発光層部４との間の電気的導通性が十分に確保できれば特に限定されないが、例えば面内の全面積に対する面積比率にて２０〜５０％程度としておけばよい。ここで、酸化シリコン層２の構成材料としては、酸化シリコンのうちでも、簡便に良質なものが形成できる二酸化シリコンが望ましく、さらには、発光層部からの紫外領域や青色領域の発光に対する吸収係数が小さい、つまり透光性が良好であるともに、簡便に形成できるアモルファスの二酸化シリコンが特に望ましいと言える。

酸化シリコン層２には発光源物質が分散形成されてなるが、この発光源物質は、例えば、公知のガラスマトリックス中においてフォトルミネッセンス発光が誘起される微粒子に対応するものである。そこで、発光源物質としては、発光層部４からの紫外領域の発光を励起光とする場合は、少なくとも青色領域、緑色領域、赤色領域の波長を含み、青色領域の発光を励起光とする場合は、少なくとも緑色領域、赤色領域の波長を含むフォトルミネッセンス発光が誘起されるものが適宜選択される。また、発光源物質としては、１種類の物質（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうち１種）を用いるのではなく、得られるフォトルミネッセンス発光の波長領域や発光強度などを考慮して、２種類以上の物質（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうち２種以上）を用いても勿論よい。このような発光源物質を酸化シリコン層２に分散形成させる方法としては、公知のイオン打ち込み法にて、発光源物質のイオン種を打ち込むとともに、熱処理にて発光源物質を析出させることにより行うことができる。また、この熱処理における処理温度や処理時間などを調整することにより酸化シリコン層２に分散形成される発光源物質の粒径や形成密度を調整することが可能となる。そこで、酸化シリコン層に分散形成される発光源物質の平均粒径としては、１〜５０ｎｍ程度、形成密度としては面内の全面積に対する平均形成面積率にて５〜２０％程度としておけばよい。また、分散形成される発光源物質の形成形態としては、単一元素が析出した形や、それらの集合体（クラスター）が析出した形などの形態とされる。さらに、本明細書において発光源物質が誘起するフォトルミネッセンス発光とは、微粒子として形成される発光源物質の電子準位に固有する発光の他に、発光源物質と酸化シリコンとの界面における、例えば欠陥準位に固有する発光も含むものとする、つまり、発光源物質を形成することにより必然的に発生するエネルギー準位間の緩和光をフォトルミネッセンス発光とする。

酸化シリコン層２の層厚は、発光源物質から得られるフォトルミネッセンス発光の発光強度や発光効率を考慮して調整されるものであるが、例えば、０．１〜１μｍ程度としておけばよい。また、酸化シリコン層２は、シリコン基板１の主表面直上に良質に形成することができるので、酸化シリコン層２の層厚をミクロンオーダとしても品質を十分に確保することが可能である。その結果、発光源物質の形成領域の総計を効果的に増加させることができ、ひいては、得られるフォトルミネッセンス発光の発光強度を効果的に高めることができる。

次に、バッファ層３および発光層部４は、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などの公知の気相成長法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成できる。ここで、バッファ層３は、ＧａＮといったＧａＮ系半導体化合物より構成される。また、バッファ層３は、シリコン基板１の主表面に形成される領域を有するので、格子整合性が確保された状態で形成させることができる。その結果、バッファ層３、さらには発光層部４の結晶品質を十分に確保することが可能である。ここで、バッファ層３は、シリコン基板１の主表面からの酸化シリコン層２の層厚以上の形成領域における、例えば、酸化シリコン層２の直上領域を公知の横成長方法を用いて選択成長させる方法を用いてもよい。この横成長方法を用いた場合、バッファ層３の結晶品質をさらに高めることが可能となる。

また、発光層部４は、ＧａＮと、ＡｌＮおよびＩｎＮのうち一種以上との混晶化合物より構成される。但し、それぞれｎ型クラッド層５およびｐ型クラッド層においては、活性層６よりもバンドギャプエネルギーが高くなるようにＧａＮに対するＡｌＮやＩｎＮの混晶率が適宜調整される。また、活性層６においては、紫外領域もしくは青色領域の発光が得られるように、ＧａＮに対するＡｌＮやＩｎＮの混晶率が適宜調整される。

上記のようにして形成されてなる酸化シリコン層２および発光層部４から、それぞれ得られる発光を組み合わせることにより、効果的に白色光を発光素子から取出すことが可能となる。具体的に図２の模式図を用いて説明する。図２（ａ）は発光層部の発光が青色領域の波長とされる場合であり、この青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光が酸化シリコン層より得られる。また、該フォトルミネッセンス発光は、緑色領域および赤色領域の波長領域を含んだものとなる。その結果、発光素子から取出される発光は、これら発光層部の発光（図中実線）とフォトルミネッセンス発光（図中破線）との重ね合わせとなるので、白色光を発光素子から取出すことが可能となる。図２（ｂ）は発光層部の発光が紫外領域の波長とされる場合であり、この紫外領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光が酸化シリコン層より得られる。また、該フォトルミネッセンス発光は、青色領域、緑色領域および赤色領域の波長領域を含んだものとなる、その結果、白色光を発光素子から取出すことが可能となる。なお、本明細書における、発光層部および酸化シリコン層から得られる発光の重ね合わせにて取出される白色光とは、それぞれ青色領域、緑色領域および赤色領域に、発光層部の発光および酸化シリコン層のフォトルミネッセンス発光のうち少なくともいずれかの発光が存在するものを指す。つまり、白色に視認される範囲であればよく、自然光のように可視領域における波長スペクトルが連続的である必要はない。

以上のようにして発光層部４の形成が終了すれば、図３に示すように金属電極とされるｐ型電極８およびｎ型電極９を形成することにより、ＧａＮ系半導体発光素子１００が得られる。この際、光取出しは主に発光層部４側から行われる。ここまでに、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、請求項の記載に基づく技術的範囲を逸脱しない限り、種々の変形ないし改良を付加することができる。例えば、図１では発光層部がダブルへテロ型とされるが、シングルへテロ型のものとしてもよいし、図１ではシリコン基板側よりｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層の順に形成される形であるが、シリコン基板側よりｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層の順に形成される形としてもよい。また、図３に示す発光層部とｐ型電極との間に、電流拡散層やＩＴＯ電極膜を形成する形態としてもよい。

次に、図１に示す積層構造を１例とした詳細な製造方法を、本発明の製造方法の一実施形態として説明する。図４は、本発明の製造方法に係わる製造工程を示す概略図である。まず、酸化シリコン膜形成工程とされる工程（１）にて、シリコン基板１の主表面直上に酸化シリコン膜２’を、例えば熱酸化法にて形成する。その際の処理温度としては、１０００〜１１００℃程度とする。その結果、アモルファスの二酸化シリコンからなる酸化シリコン膜２’を簡便に緻密性よく形成できる。次に、イオン注入工程とされる工程（２）にて、公知のイオン打ち込み法にて、発光源物質のイオン種（例えば、シリコンイオン、ゲルマニウムイオン、錫イオンなど）を酸化シリコン膜２’に対して打ち込む。その際、イオン種の種別に応じて、イオンビームの照射時間を調整することでイオンの注入量（ドーズ量）を、打ち込むイオンのエネルギー（加速電圧）を調整することでイオンの打ち込み深さを、適宜調整することにより、発光源物質のイオン種を酸化シリコン膜２’に分散形成する。次に、酸化シリコン層分散形成工程とされる工程（３）にて、公知のフォトリソグラフィー法やフォトエッチング法を用いて、酸化シリコン膜２’をパターニング処理することにより、酸化シリコン層２をシリコン基板１の主表面上の面内にて分散形成させる。次に、析出熱処理工程とされる工程（４）にて、酸化シリコン層２に熱処理を施すことにより、酸化シリコン層２に注入された発光源物質のイオン種をエネルギー的に安定な単一元素または、その集合体（クラスター）などの形態からなる発光源物質として析出させる。その際、イオン種の種別に応じて熱処理温度や処理時間を調整することにより、析出させる発光源物質の粒径や、形成密度を調整する。また、熱処理は、酸化を防止させる観点より、不活性ガス雰囲気となる、例えばアルゴンガス雰囲気下にて行うことが望ましい。工程（４）の後、工程（５）にて、バッファ層３および発光層部４を、ＭＯＶＯＰＥ法などの気相成長法を用いてエピタキシャル成長させることにより、図１と同様の積層構造が形成されることになる。

図４に示す製造工程や、それぞれの工程における製造方法は１例であるが、例えば、図５や図６に示すような製造工程を採用することも可能である。図５においては、工程（１）および工程（２）は図４のものと同様な工程とされるが、工程（３）にて、酸化シリコン膜２’に対して熱処理を施すことにより、発光源物質を析出させる（析出熱処理工程）。そして、工程（４）にて、発光源物質が分散形成された酸化シリコン膜２’をパターニング処理することで、酸化シリコン層２を形成する（酸化シリコン層分散形成工程）。この工程（４）の後、図４と同様の工程（５）を行い、バッファ層３および発光層部４を形成することで、図１と同様の積層構造を形成することができる。次に、図６においては、工程（１）は図４のものと同様な工程とされるが、工程（２）にて、酸化シリコン膜２’をパターニング処理することで、酸化シリコン層２を形成する（酸化シリコン層分散形成工程）。そして、工程（３）にて、まず、シリコン基板１の主表面直上の面内にて、酸化シリコン層２にて被覆されていない領域に、例えば公知のレジスト材からなるレジスト膜１１をパターンニング形成する。その後、図４の工程（２）と同様のイオン注入工程を行うことにより、発光源物質のイオン種を酸化シリコン層２に分散形成させる。ここで、レジスト膜１１は、打ち込むイオンがシリコン基板１に到達しない役割を担うものである。このように工程（３）にて、酸化シリコン層２にイオン種を分散形成した後、工程（４）を行う。工程（４）では、まず、レジスト膜１１をエッチング除去する。その後、図４の工程（４）と同様の析出熱処理工程を行うことで、酸化シリコン層２に発光源物質を分散形成する。そして、工程（４）の後、図４と同様の工程（５）を行い、バッファ層３および発光層部４を形成することで、図１と同様の積層構造を形成することができる。

ここまでに、本発明のＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法の一実施形態について説明してきたが、エピタキシャル成長にて発光層部を酸化シリコン層上に形成させるものであった。発光層部は、公知の貼り合わせ法を用いて酸化シリコン層上に形成させることも可能であり、その一実施形態について図７を用いて説明する。図７における工程（１）では、貼り合わせ層１と貼り合わせ層２とを形成する。貼り合わせ層１は、例えば図４の工程（４）まで同様の工程を行い、その後、バッファ層３のみをシリコン基板１上にＭＯＶＰＥ法などにてエピタキシャル成長させ、該バッファ層３上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム錫）からなるＩＴＯ膜１２をスパッタリング法にて形成することにより得る。そして、貼り合わせ層２は、シリコン基板１’の主表面上に、例えばＧａＮからなるバッファ層３’および、発光層部４をＭＯＶＰＥ法などにてエピタキシャル成長させることにより得る。そして工程（２）において、貼り合わせ層２におけるシリコン基板１’およびバッファ層３’をエッチングなどにて除去した後、残余の発光層部４と、貼り合わせ層１とをＩＴＯ膜１２を介して、公知の貼り合わせ法を用いて貼り合わせる。このようにして、酸化シリコン層２上に発光層部４が形成される。図７のような貼り合わせ法を用いて酸化シリコン層２上に発光層部４を形成させる利点は、酸化シリコン層２上にエピタキシャル成長させることなく、別途、発光層部４を形成することができるので、発光層部４の結晶品質をより有為に確保できる点にある。ここで、図７における貼り合わせ層２の形成には、シリコン基板１’を使用しているが、ＳｉＣ（炭化シリコン）基板や、サファイア基板などをもちいてもよい。また、発光層部４と貼り合わせ層１とを貼り合わせる際に、ＩＴＯ膜１２を介挿層として用いているが、この介挿層の材質としては、次の２点に留意すれば、特には限定されない。第一は、発光層部とシリコン基板との間の電気的導通性が確保される材質である。つまり、少なくとも導電性材料である。第二は、発光層部からの紫外領域または青色領域の発光に対しての吸収係数が小さい材料である。つまり、発光層部からの発光の波長領域に対して透光性が高い材料である。そこで、ＩＴＯについて言えば、導電性材料であるとともに、青色領域の光に対して、特に透光性の高い材料であるので、好適なものと言える。このことを考慮すれば、発光層部からの取出す発光が青色領域の発光である場合に、特にＩＴＯを材質と選択するのが望ましい。他にも、青色領域の発光であれば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などを用いることも可能であり、上記の２点に留意して適宜選択すればよい。

上記のようにして、貼り合わせ法を用いて発光層部を酸化シリコン層上に形成することも可能である。図７の工程（２）に示す積層構造は、図１ものとは介挿層とされるＩＴＯ膜１２が介挿されている点のみが異なるだけである。そこで、ＩＴＯ膜１２といった介挿させる介挿層の厚さであるが、貼り合わせが可能とされる厚さであれば特には限定されず、紫外領域や青色領域といった発光層部からの発光に対する吸収をより低減化させる観点を加味すれば、例えば、該発光の波長の大きさよりも薄くするのが望ましいと言える。

本発明のＧａＮ系半導体発光素子の一実施形態に係わる要部の概略断面図 本発明のＧａＮ系半導体発光素子から取出される白色光に係わる説明図 本発明のＧａＮ系半導体発光素子の一実施形態を示す概略断面図 本発明の製造方法に係わる第一の製造工程を示す概略図 本発明の製造方法に係わる第二の製造工程を示す概略図 本発明の製造方法に係わる第三の製造工程を示す概略図 本発明の製造方法に係わる第四の製造工程を示す概略図

符号の説明

１ シリコン基板
２ 酸化シリコン層
２´ 酸化シリコン膜
４ 発光層部
１００ ＧａＮ系半導体発光素子

Claims (4)

1. シリコン基板の主表面直上にて面内に分散形成された酸化シリコン層と、該酸化シリコン層上に形成されたＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部とを有し、
   前記酸化シリコン層には、前記発光層部からの紫外領域もしくは青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光を誘起させる発光源物質が分散形成されてなることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
2. 前記発光源物質は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちの１種又は２種以上とされることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
3. シリコン基板の主表面直上にて面内に分散形成された酸化シリコン層と、該酸化シリコン層上に形成されたＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部とを有するＧａＮ系半導体発光素子の製造方法であって、
   シリコン基板の主表面直上に酸化シリコン膜を形成する酸化シリコン膜形成工程と、
   前記酸化シリコン膜をパターンニング処理することにより、前記シリコン基板の主表面直上にて面内に酸化シリコン層を分散形成する酸化シリコン層分散形成工程と、
   前記酸化シリコン膜または前記酸化シリコン層に発光源物質となるべきイオンを分散形態にてイオン注入するイオン注入工程と、
   前記イオン注入工程の後、前記酸化シリコン膜または前記酸化シリコン層に熱処理を施し、前記発光源物質を析出させる析出熱処理工程と、
   前記酸化シリコン層上にＧａＮ系半導体化合物からなる発光層部を形成する発光層部形成工程と、
   を含み、前記発光源物質は、前記酸化シリコン層にて、前記発光層部からの紫外領域もしくは青色領域の発光を励起光としたフォトルミネッセンス発光を誘起させるものであることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
4. 前記発光源物質は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちの１種又は２種以上とされることを特徴とする請求項３に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。

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