JP2007027298A - 半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ナノコラムを複数有して成る半導体発光素子において、貫通転位を持たないというナノコラムの利点を活かした高効率な半導体発光素子を実現する。
【解決手段】 基板１上にシリコン酸化膜２を形成し（図１（ａ））、ナノコラム７の成長に先立って、成長させる部分を開口部４としたマスク（シリコン酸化膜パターン５）を形成する（図１（ｂ）〜図１（ｃ））。そのマスクで覆ったまま、ナノコラム７の各層を成長させる（図１（ｄ））と、前記開口部４内は単結晶のナノコラム７として成長し、マスク上は多結晶のＧａＮ層６で成長し、エッチングによってマスク上のＧａＮ層６を除去する（図１（ｅ））ことで、ナノコラム７間の空隙に絶縁体が充填されることになる。その後、前記マスク内の開口部４に露出したナノコラム７の先端部に、連続してｐ型電極（透明電極８）を形成するとともに、前記基板１にｎ型電極９を形成する（図１（ｆ））。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法に関し、特に前記半導体発光素子としては、ナノコラムと称される柱状結晶構造体を複数有して成るものに関する。

近年、III−Ｎ化合物半導体（以下、ナイトライドと呼ぶ）または酸化物半導体を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて発光させる固体発光素子の発展が目覚しい。しかしながら、これらの固体発光素子の作製においては、以下に述べる課題を有する。

たとえば、ナイトライドに関して言及すると、結晶成長が抱える根本的な課題として、異種材料基板上への結晶成長が主であるということが挙げられる。ナイトライドのヘテロエピタキシャル成長に関する一般的な成長モデルとしては、先ず基板上に薄く堆積された低温バッファ層上に三次元核が形成され、さらに成長が進むと核が大きくなり、隣接する核と結合して平坦な面が形成される。以降、平坦な面を維持しながら２次元成長を継続する。しかしながら、隣接する核が結合する際、それぞれの核が独立して形成されているので、成長面が完全に一致せず、結合後、核界面に多くの欠陥を形成する。欠陥の多くは貫通転位として結晶表面にまで達する。この貫通転位は非発光再結合中心として作用し、固体発光素子の発光効率を著しく減少させる。

このような課題に対して、従来から、貫通転位を減少させるための様々な取り組みがなされてきた。その結果、当初、ナイトライド結晶内に１０^１０ｃｍ^−２程度あった転位を、１０^５ｃｍ^−２程度まで減少させるに至っている。

さらなる低転位化技術として、柱状結晶構造体（以下、ナノコラムと呼ぶ）が注目され始めている。ナノコラムは、１００ｎｍ程度の直径を有し、隣接する核が結合することなく、独立して柱状の結晶を形成している。したがって、ナノコラムにはその結晶内にほとんど貫通転位を含まず、非常に高品質な結晶を得ることができる。また、ナノコラムは表面積が薄膜に比べて格段に大きく、円筒形状をしているので、通常の薄膜の発光素子に比べて、光取り出し効率の向上が期待されている。

そのようなナノコラムを用いた固体発光素子の製作が試みられた一例として、図９に非特許文献１の構造を示す。その従来技術によれば、ＲＦ−ＭＢＥ（高周波分子線エピタキシー）装置によって、シリコン基板４３上に、ｎ型ＧａＮナノコラム層４４、発光層４５を形成し、ナノコラム径を広げながらｐ型ＧａＮコンタクト層４６をエピタキシャル成長させた上に、半透明ｐ型電極のＮｉ（２ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）を形成させている。
菊池、野村、岸野「窒化物半導体ナノコラム結晶を用いた新しい機能性デバイス材料の開発」（応用物理学会２００４年秋季大会予稿集第１分冊４Ｐ−Ｗ−１）

しかしながら、上述の従来技術では、ｐ型電極を形成するために面方位の異なる結晶が混在して成長し、たとえナノコラム内に貫通転位が無くとも、ｐ型電極形成層（ｐ型ＧａＮコンタクト層４６）に多数の貫通転位が発生してしまうという問題がある。その貫通転位で、発光層４５で発生した光の多くが、基板４３やｐ型電極領域に吸収されてしまい、光取り出し効率が、期待される程、向上できていないのが実情である。

一方、ｎ型ＧａＮナノコラム層４４と同程度の径を持つｐ型ＧａＮナノコラム層を形成し、その上にｐ型電極を連続して形成したとしても、ナノコラム間の空隙からｐ型電極用の金属材料がシリコン基板４３側へと進入して、発光層４５を跨いで、ｐ型ＧａＮナノコラム層部分とｎ型ＧａＮナノコラム層４４部分とを短絡し、固体発光素子として機能させなくしてしまう。また、短絡しないまでも、ナノコラムの側壁を通じて漏れ電流が増加し、発光効率の著しい低下を招く。

本発明の目的は、光取り出し効率を一層向上することができる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子において、少なくとも前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の部分に、隣接する柱状結晶構造体との間の空隙に充填される絶縁体を含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上にｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子において、そのナノコラムの先端側に設けるべきｐ型電極には、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の連続膜を用いるのではなく、ｐ型電極（該ｐ型電極側を光取出し面とする場合の透明導電膜を含む）の連続膜を用いる。ただし、そのｐ型電極の形成にあたっては、少なくとも前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の部分に、隣接するナノコラム間の空隙に絶縁体を充填しておく。

したがって、通常の蒸着などの技術で、ｐ型電極を連続して形成しても、発光層を跨いで、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とが該ｐ型電極用の材料で短絡されてしまうことを防止することができる。これによって、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を活かした高効率な半導体発光素子を実現することができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記柱状結晶構造体は、そのｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層がテーパ状に形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ナノコラム先端をテーパ状に形成することで、前記空隙を大きくすることができる。したがって、前記絶縁体を充填し易くなるだけでなく、発光層から発生した光を、より効率的に取出すことができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記柱状結晶構造体は、その先端領域が前記発光層を含んだ球状に形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ナノコラム先端を球状に形成することで、先端側で前記空隙を大きくすることができる。したがって、前記絶縁体を充填し易くなるだけでなく、球の中に発光層を含めることで、発光層でどのような方向に発生した光も外部へ取出すことができ、発光層から発生した光をより効率的に取出すことができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記絶縁体は、蛍光材料を有して成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記絶縁体内に蛍光材料を含ませることで、ナノコラムの励起光と異なる波長を持つ高効率な発光素子の実現が可能になる。

さらにまた、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、貫通転位を持たない高効率な半導体発光素子を用いることで、同じ光束（輝度、照度）を得るにも、小型で低消費電力な照明装置を実現することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に前記柱状結晶構造体を形成すべき部分を開口部としてマスクを形成する工程と、前記柱状結晶構造体の各層を順に積層する工程と、前記マスク上の各層を除去する工程と、前記マスク内の開口部に露出した前記柱状結晶構造体の先端部に、連続してｐ型電極を形成するとともに、前記基板にｎ型電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上に柱状構造を維持したまま、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層、発光層、およびｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を順に成長させることで、複数のナノコラムを有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子を製造するにあたって、ナノコラムの成長に先立って、その成長させる部分を開口部としたマスクを形成し、そのマスクで覆ったまま、前記柱状結晶構造体の各層を成長させる。これによって、前記開口部内は単結晶のナノコラムとして成長し、マスク上は多結晶で成長し、エッチングによってマスク上の層を除去することで、ナノコラム間の空隙に絶縁体が充填されることになる。その後、前記マスク内の開口部に露出した前記柱状結晶構造体の先端部に、連続してｐ型電極を形成するとともに、前記基板にｎ型電極を形成する。

したがって、通常の蒸着などの技術で、ｐ型電極を連続して形成しても、発光層を跨いで、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とが該ｐ型電極用の材料で短絡されてしまうことを防止することができる。これによって、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を活かした高効率な半導体発光素子を実現することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、少なくとも前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の部分に、隣接する柱状結晶構造体との間の空隙に絶縁体を充填する工程を行った後、前記絶縁体から露出した前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の先端面に、連続してｐ型電極を形成する工程を行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上に柱状構造を維持したまま、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層、発光層、およびｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を順に成長させることで、複数のナノコラムを有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子を製造するにあたって、そのナノコラムの先端側に設けるべきｐ型電極を形成する前に、少なくとも前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の部分に、隣接するナノコラム間の空隙に絶縁体を充填しておく。

したがって、通常の蒸着などの技術で、ｐ型電極を連続して形成しても、発光層を跨いで、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とが該ｐ型電極用の材料で短絡されてしまうことを防止することができる。これによって、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を活かした高効率な半導体発光素子を実現することができる。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、基板上にｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子において、そのナノコラムの先端側に設けるべきｐ型電極には、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の連続膜を用いるのではなく、ｐ型電極（該ｐ型電極側を光取出し面とする場合の透明導電膜を含む）の連続膜を用いるようにし、そのｐ型電極の形成にあたっては、少なくとも前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の部分に、隣接するナノコラム間の空隙に絶縁体を充填しておく。

それゆえ、通常の蒸着などの技術で、ｐ型電極を連続して形成しても、発光層を跨いで、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とが該ｐ型電極用の材料で短絡されてしまうことを防止することができる。これによって、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を活かした高効率な半導体発光素子を実現することができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。

それゆえ、貫通転位を持たない高効率な半導体発光素子を用いることで、同じ光束（輝度、照度）を得るにも、小型で低消費電力な照明装置を実現することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、基板上に柱状構造を維持したまま、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層、発光層、およびｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を順に成長させることで、複数のナノコラムを有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子を製造するにあたって、ナノコラムの成長に先立って、その成長させる部分を開口部としたマスクを形成し、そのマスクで覆ったまま前記柱状結晶構造体の各層を成長させ、多結晶で成長したマスク上の層をエッチングによって除去し、前記マスク内の開口部に露出した前記柱状結晶構造体の先端部に、連続してｐ型電極を形成するとともに、前記基板にｎ型電極を形成する。

それゆえ、通常の蒸着などの技術で、ｐ型電極を連続して形成しても、発光層を跨いで、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とが該ｐ型電極用の材料で短絡されてしまうことを防止することができる。これによって、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を活かした高効率な半導体発光素子を実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードＤ１の製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、ナノコラム７の形成にあたっては、フォトリソグラフィが用いられるが、その形成方法は本方法に限定されるものではなく、たとえば電子ビーム露光などの方法を用いても良いことは言うまでもない。また、本実施の形態および後述する他の実施の形態では、ナノコラム７の成長は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって行うことを前提としているが、ナノコラム７の成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）等の装置を用いてもナノコラムが作製可能であることは公知である。以下、特に断らない限り、ＭＯＣＶＤ装置を用いるものとする。

先ず、図１（ａ）で示すように、ｎ型の導電性基板１上に、スパッタ法などによってシリコン酸化膜２が形成される。このとき、シリコン酸化膜２の厚さは、前記ナノコラム７に必要な高さよりも厚くすることが必要であり、たとえば１μｍ以上に形成される。そのシリコン酸化膜２上には、図１（ｂ）で示すように、フォトレジスト３が塗布され、通常のフォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成が行われる。次に、形成されたフォトレジスト３をマスク材として、フッ酸等の薬品を用いて、図１（ｃ）で示すように、レジスト開口部４のシリコン酸化膜をエッチングし、その後レジスト３を除去することで、シリコン酸化膜パターン５が形成される。レジスト開口部４の密度は、任意に調整可能である。

この状態で、前記ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮの結晶から成る前記ナノコラム７の成長が行われる。その成長は、成長温度を通常のＧａＮ成長の温度より上げ、窒素過剰雰囲気とすることで行われ、ＧａＮ結晶が柱状に成長する。この成長において、通常のエピ成長による発光ダイオードの作製のドーピング技術を用いると、ｎ型ＧａＮ層１１、発光層１２、ｐ型ＧａＮ層１３を、順次積層成長させることができる。

この時、図１（ｄ）で示すように、前記レジスト開口部４には、上述のようにして単結晶のナノコラム７が形成されるが、シリコン酸化膜２上ではエピタキシャル成長できないので、多結晶のＧａＮ層６が形成される。ここで、ＧａＮの単結晶から成るナノコラム７は、シリコン酸化膜パターン５の厚さよりも厚くならないようにする必要がある。

その後、たとえば２５０℃の燐酸・硫酸混合溶液を用いて、図１（ｅ）で示すように、シリコン酸化膜パターン５上の多結晶のＧａＮ層６のみがエッチングによって除去される。これは、多結晶のＧａＮ層６は、単結晶のＧａＮから成るナノコラム７に比べ、酸に対するエッチングレートが大きく、表面積も大きいので、選択的に除去可能となるためである。

こうして、隣接するナノコラム７の空隙間に、絶縁体としてのシリコン酸化膜２が埋込まれることになり、図１（ｆ）で示すように、それらのナノコラム７およびシリコン酸化膜２上に、たとえばＮｉ／Ａｕから成り、ナノコラム７の先端のｐ型ＧａＮ層１３とオーミックコンタクトすることができる透明電極８が、蒸着などで連続形成されてｐ型電極となり、導電性基板１の裏面には、たとえばＴｉ／Ａｌから成り、該導電性基板１とオーミックコンタクトすることができるｎ型電極９が蒸着などで連続形成されて、本実施の形態の発光ダイオードＤ１の構造が完成する。

このように構成することで、ナノコラム７の先端にｐ型電極を形成するにあたって、各ナノコラム７は結合せずに独立しており、ナノコラム７の先端のｐ型ＧａＮを面方向に成長させてｐ型電極とした場合に生じるような貫通転位はなく、かつそのｐ型電極を連続して形成しても、発光層１２を跨いで、ｎ型ＧａＮ層１１とｐ型ＧａＮ層１３とが該ｐ型電極用の材料で短絡されてしまうことを防止することができ、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を活かした高効率な発光ダイオードを製造することができる。

［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードＤ２の製造工程を模式的に示す断面図である。注目すべきは、本実施の形態では、ナノコラム２４を通常通り成長させた後、各ナノコラム２４間の空隙に、絶縁体であるＳＯＧ（Spin on Glass）や液状のＳｉＯ_２等（以下、ＳＯＧで説明する）２５が充填されることである。

先ず、図２（ａ）で示すように、ＳｉＣ（炭化ケイ素）基板２０上に、ｎ型ＧａＮ層２１、発光層２２、ｐ型ＧａＮ層２３が順次積層された前記ナノコラム２４が形成される。ここでは、青よりも長波長側で透明となるＳｉＣ基板２０で一実施形態を述べるが、基板はＳｉＣに限定されず、導電性を有し、かつ発光波長に対して透光性を持つものであればよい。たとえば、前記導電性を有し、かつ可視光域で透明となる窒化ガリウム、酸化ガリウムなどを用いることができる。またこの種のナノコラム２４の作製方法については、当業者には公知であり、ここでの詳しい説明は省略する。

次に、回転塗布によって、前記ＳＯＧ２５を塗布すると、これは液状であるので、図２（ｂ）で示すように、各ナノコラム２４間の隙間に侵入し、ナノコラム２４の間隔、ＳＯＧ２５の粘性などを制御することで、ナノコラム２４のｐ型ＧａＮ層２３よりＳｉＣ基板２０側へ侵入させることは容易である。

この後、ＳＯＧを４００℃で焼成して固化し、バッファードフッ酸を用いて、ナノコラム２４のｐ型ＧａＮ層２３のみが露出するようにＳＯＧ２５を全面エッチングすると、図２（ｃ）で示すように、少なくともｐ型ＧａＮ層２３と発光層２２とをカバーする形でＳＯＧ埋込層２６が形成される。

そして、この上に、図２（ｄ）で示すように、たとえばＮｉ／Ａｕから成り、ナノコラム２４の先端のｐ型ＧａＮ層２３とオーミックコンタクトすることができる透明電極が、蒸着などで連続形成されてｐ型電極２７となり、ＳｉＣ基板２０の裏面には、たとえばＴｉ／Ａｌから成り、該ＳｉＣ基板２０とオーミックコンタクトすることができるｎ型電極２８が蒸着などで連続形成されて、本実施の形態の発光ダイオードＤ２の構造が完成する。

このように構成してもまた、通常の蒸着などの技術でｐ型電極２７を連続して形成しても、発光層２２を跨いで、ｎ型ＧａＮ層２１とｐ型ＧａＮ層２３とが該ｐ型電極２７用の材料で短絡されてしまうことを防止することができる。絶縁体となるＳＯＧ２５は、ナノコラム２４の全長に亘って（基端部側まで）充填されている必要はなく、少なくともｐ型ＧａＮ層２３の一部が塞がっていて、ｐ型電極２７の金属がｎ型ＧａＮ層２１に侵入できなければよい。

［実施の形態３］
図３は、本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードＤ３の製造工程を模式的に示す断面図である。この発光ダイオードＤ３の構造において、前述の発光ダイオードＤ２の構造に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。図３（ａ）〜図３（ｄ）の各工程も、前述の図２（ａ）〜図２（ｄ）の各工程に対応している。注目すべきは、本実施の形態では、ナノコラム２４ａの先端のｐ型ＧａＮ層２３ａがテーパ状に形成されていることである。

前記テーパ状は、図３（ａ）のＭＯＣＶＤの際に流す有機金属ガスのＶ／III比を変化することで実現することができる。詳しくは、ナノコラム２４ａの径は、前記Ｖ／III比を小さくすることで大きくなり、前記Ｖ／III比を大きくすることで小さくなり、図４で示すように、ｐ型ＧａＮ層２３ａの先端を形成する時刻ｔ１までは前記Ｖ／IIIを一定とし、その先端を形成する時刻ｔ１から前記Ｖ／IIIを時間と共に増加させると、エピ終了時刻ｔ２では、図３で示すようにｐ型ＧａＮ層２３ａは先端に行くにつれて徐々に細くなるテーパを持った形状となり、本実施の形態の構造を実現することができる。

このようにナノコラム２４ａの先端をテーパ状に形成することで、ナノコラム２４ａ間の空隙を大きくすることができ、絶縁体である前記ＳＯＧ２５を充填し易くなるだけでなく、発光層２２から発生した光を、より効率的に取出すことができる。

［実施の形態４］
図５は、本発明の実施の第４の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードＤ４の製造工程を模式的に示す断面図である。この発光ダイオードＤ４の構造において、前述の発光ダイオードＤ３の構造に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。図５（ａ）〜図５（ｄ）の各工程も、上述の図３（ａ）〜図３（ｄ）の各工程に対応している。注目すべきは、本実施の形態では、ナノコラム２４ｂの先端領域が発光層２２ｂを含んだ球状に形成されていることである。

前記球状は前記図３のテーパ状と同様に、図５（ａ）のＭＯＣＶＤの際に流す有機金属ガスのＶ／III比を変化することで実現することができる。詳しくは、図６で示すように、ｎ型ＧａＮ層２１ｂの先端を形成する時刻ｔ１１までは前記Ｖ／IIIを一定とし、続いて発光層２２ｂを形成する時刻ｔ１２までは前記Ｖ／III比を時間と共に減少させてナノコラム２４ｂの径を太くして球の下半分を形成し、その後、時刻ｔ１３まで、同じ時間をかけてＶ／III比を元に戻すことで、ナノコラム２４ｂの径は、前記ｎ型ＧａＮ層２１ｂの基端側の径と等しくなる。この時刻ｔ１１〜ｔ１３のＶ／III比の変化の間に、ｎ型ＧａＮ層２１ｂ、発光層２２ｂ、ｐ型ＧａＮ層２３ｂを形成すると、図５で示すような球状のＧａＮの積層形状を形成することができる。さらにｐ型ＧａＮ層２３ｂの先端を完全に球形にするためには、時刻ｔ１３〜ｔ１４で示すように、前記Ｖ／III比を急峻に増加させればよい。

このようにナノコラム２４ｂの先端を球状に形成しても、その先端部ではナノコラム２４ｂ間の空隙を大きくすることができ、絶縁体である前記ＳＯＧ２５を充填し易くすることができる。また、球の中に発光層２２ｂを含めることで、該発光層２２ｂでどのような方向に発生した光も外部へ取出すことができ、該発光層２２ｂから発生した光を、より効率的に取出すことができる。

［実施の形態５］
図７は、本発明の実施の第５の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードＤ５の製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態は、前述の図２で示す発光ダイオードＤ２、図３で示す発光ダイオードＤ３、図５で示す発光ダイオードＤ４のいずれの構成にも適用可能であるが、図３で示す発光ダイオードＤ３に適用した場合について説明する。したがって、図７（ａ）〜図７（ｄ）の各工程は、図３（ａ）〜図３（ｄ）の各工程と同一であり、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、ナノコラム２４ａ間に充填されるＳＯＧ２５ａには、蛍光体粉末２９が溶かし込まれていることである。

このように構成することで、ナノコラム２４ａの励起光と異なる波長を持つ高効率な発光ダイオードを実現することができる。なお、より多量の蛍光体粉末２９を充填するためには、ｐ型ＧａＮ層２３ａの部分だけでなく、発光層２２さらにはｎ型ＧａＮ層２１の部分（ナノコラム２４ａの基端部側）までＳＯＧ２５ａを充填することが好ましい。

［実施の形態６］
図８は、本発明の実施の第６の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードＤ６の製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態は、前述の図２で示す発光ダイオードＤ２、図３で示す発光ダイオードＤ３、図５で示す発光ダイオードＤ４、図７で示す発光ダイオードＤ５のいずれの構成にも適用可能であるが、図３で示す発光ダイオードＤ３に適用した場合について説明する。注目すべきは、本実施の形態では、サファイア基板３０に対して、ｎ型電極３７が、ｐ型電極２７と同じ面に形成されていることである。

先ず、図８（ａ）で示すように、サファイア基板３０上に、ｎ型ＧａＮ層３１が形成される。このｎ型ＧａＮ層３１は、前記ｎ型電極３７とオーミックコンタクトをとるために設けられ、ドナーとなるＳｉを高濃度にドープして低抵抗化されている。その後は、前述の発光ダイオードＤ３と同様なプロセスによって、前記ｎ型ＧａＮ層２１、発光層２２、ｐ型ＧａＮ層２３ａ、ＳＯＧ埋込層２６およびｐ型電極２７が形成される。

そして、通常のフォトリソグラフィとエッチングとを用いて、図８（ｂ）で示すように、将来ｎ型電極３７を形成する領域３６が、ｎ型ＧａＮ層３１に到達するまで掘り込まれる。このプロセスは、従来の絶縁性基板、たとえばサファイアを用いた通常の発光ダイオードの作製プロセスと同様であり、当業者にとっては公知の方法である。

その後、ウェハ全面にフォトレジストを塗布し、将来ｎ型電極３７となる領域３６のみのフォトレジストを露光・現像によって取除き、次いで全面にｎ型電極３７用の金属、たとえばＴｉ／Ａｌを蒸着して、リフトオフ法によってレジスト上の金属をレジストと共に取除くと、図８（ｃ）で示すようにｎ型電極３７が形成される。

［実施の形態７］
以下に、本発明の実施の第７の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードについて説明するが、素子構造は、上述の発光ダイオードＤ１〜Ｄ６のいずれの構造であってもよい。注目すべきは、上述の発光ダイオードＤ１〜Ｄ６では、ナノコラム７，２４，２４ａ，２４ｂは、窒化物半導体層から成るのに対して、本実施の形態では、酸化物半導体層から成ることである。

酸化物半導体であるＺｎＯは、発光素子として非常に優れた特性を有している。励起子の結合エネルギが６０ｍｅＶと、ＧａＮの２〜３倍であり、内部量子効率がＧａＮに比べて高くなる可能性がある上、屈折率は約２であり、ＧａＮの屈折率２．５に比べて小さく、光取出しの点で圧倒的に有利である。また材料自身が安価であることも商業ベースで考えると魅力的である。

そこで、上述の実施の形態１〜６は、窒化物半導体であるＧａＮ系ナノコラムについて述べているが、結晶構造上、よく似ている酸化物半導体であるＺｎＯについても、全く同じ構造の半導体発光素子を、同様に作製することができる。詳述すれば、以下のとおりである。

ＧａＮとＺｎＯとは、共に六方晶系の結晶構造を持ち、結晶の格子定数も近い。バンドギャップも、ＧａＮの３．４に対して、ＺｎＯは３．３と、これもまた近い。両方とも直接遷移型半導体である。したがってＧａＮでナノコラムが形成されるのであれば、ＺｎＯでもナノコラムが形成できる。実際、文献１では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、サファイア基板上にＺｎＯのナノコラム（同文献ではナノロッドと呼んでいる）を形成している（文献１：W.I.Park, Y.H.Jun, S.W.Jung and Gyu-Chul Yi Appl.Phys.Lett. 964(2003)）。

上述のように構成される発光ダイオードＤ１〜Ｄ６を照明装置に用いることで、同じ光束（輝度、照度）を得るにも、小型で低消費電力な照明装置を実現することができる。

本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。 ナノコラムの先端をテーパ状に形成する形成方法を説明するためのグラフである。 本発明の実施の第４の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。 ナノコラムの先端を球状に形成する形成方法を説明するためのグラフである。 本発明の実施の第５の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の第６の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。 典型的な従来技術の発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ ｎ型の導電性基板
２ シリコン酸化膜
３ フォトレジスト
４ レジスト開口部
５ シリコン酸化膜パターン
６ 多結晶のＧａＮ層
７，２４，２４ａ，２４ｂ ナノコラム
８ 透明電極
９ ｎ型電極
１１，２１ ｎ型ＧａＮ層
１２，２２，２２ｂ 発光層
１３，２３，２３ａ ｐ型ＧａＮ層
２０ ＳｉＣ基板
２５，２５ａ ＳＯＧ
２６ ＳＯＧ埋込層
２７ ｐ型電極
２８，３７ ｎ型電極
２９ 蛍光体粉末
３０ サファイア基板
３１ ｎ型ＧａＮ層

Claims (7)

1. 基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子において、
   少なくとも前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の部分に、隣接する柱状結晶構造体との間の空隙に充填される絶縁体を含むことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記柱状結晶構造体は、そのｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層がテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記柱状結晶構造体は、その先端領域が前記発光層を含んだ球状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記絶縁体は、蛍光材料を有して成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
6. 基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、
   前記基板上に前記柱状結晶構造体を形成すべき部分を開口部としてマスクを形成する工程と、
   前記柱状結晶構造体の各層を順に積層する工程と、
   前記マスク上の各層を除去する工程と、
   前記マスク内の開口部に露出した前記柱状結晶構造体の先端部に、連続してｐ型電極を形成するとともに、前記基板にｎ型電極を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
7. 基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有し、前記基板上にｎ型電極が、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上にｐ型電極が、それぞれ形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、
   少なくとも前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の部分に、隣接する柱状結晶構造体との間の空隙に絶縁体を充填する工程を行った後、前記絶縁体から露出した前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層の先端面に、連続してｐ型電極を形成する工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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