JP2007027448A - 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】 サファイア基板１上に、低温バッファ層を介して、ｎ型ＧａＮエピ層２、ｎ型ＧａＮナノコラム３、多重量子井戸ナノコラム４、ｐ型ＧａＮナノコラム５を、順次積層成長させる（図１（ａ））。次に、シリコンＣＭＰ技術を用いて回転研磨を行い、均一な高さのナノコラム６を形成し（図１（ｂ））、ｐ型ＧａＮナノコラム５上に、ｐ型ＧａＮ基板７を積層し、加熱・加圧して貼合わせる（図１（ｃ））。その後、抵抗値を抑えるためにｐ型ＧａＮ基板７を薄膜化してｐ型ＧａＮ電極形成領域８とし（図１（ｄ））、ｐ型電極１１およびｎ型電極１２を、蒸着、リソグラフィ、ドライエッチングを用いて形成する（図１（ｅ））。したがって、ｐ型電極側からも、貫通転位を無くすことができる。
【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５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。

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、単結晶基板上に、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て成る半導体発光素子において、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、これらとオーミックコンタクトを取ることができる導電性基板を貼合わせて成るｐ型電極を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、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型電極を、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とオーミックコンタクトを取ることができる導電性基板の貼合わせで実現する。具体的には、前記ナノコラムの先端を研磨して高さを揃えて平坦にし、導電性基板を密着させて、加圧および加熱する。

したがって、導電性基板から成るｐ型電極内には、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を面方向に成長させて該ｐ型電極とした場合に生じるような貫通転位はなく、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は、前記単結晶基板と前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層との間にはｎ型基板層が介在され、前記柱状結晶構造体の成長後に前記単結晶基板が除去され、代りに前記ｎ型基板層とオーミックコンタクトを取ることができる導電性基板を貼合わせて成るｎ型電極をさらに有することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記単結晶基板を除去した後のｎ型基板層に対して、該ｎ型基板層と同じ型の不純物をドープして作成されたｎ型の導電性基板を貼合わせてｎ型電極とする。

したがって、ｎ型電極からｐ型電極まで、素子の厚み方向に電流を流すことができ、より一層高輝度の半導体発光素子を実現することができる。また、安価ではあるけれども、ナノコラムの発光波長において光を吸収してしまうＳｉ基板などの基板も、吸収を伴わない導電性基板に置換えることで、ナノコラムを成長させる基板として使用することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記ｐ型電極またはｎ型電極の一方は、分布型ブラッグ多層膜を含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を成長させて電極とした場合、前記分布型ブラッグ多層膜を形成しようとすると、III族材料の層とＶ族材料の層とを積層することになり、それらの材料の間の屈折率の差が小さいので、多くの層を積層しなければならないのに対して、導電性基板を貼合わせて電極とする場合、前記分布型ブラッグ多層膜を形成するにあたって、II族材料の層とVI族材料の層とを積層することで実現することができる。

したがって、それらの材料間は屈折率の差が大きいので、所望の反射率を得るにあたっての多層膜の層数を少なくすることができる。

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。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、単結晶基板上に、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て成る半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を平坦に研磨する工程と、研磨した前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上に導電性基板を積層し、加圧および加熱することでそれらを貼合わせ、前記導電性基板をｐ型電極に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、単結晶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、複数の柱状結晶構造体（ナノコラム）を有し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、導電性基板の貼合わせで作成する。具体的には、その貼合わせにあたって、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を、化学的もしくは物理的に研磨して高さを揃えて平坦にし、その後、前記導電性基板を積層し、加圧および加熱して貼合わせる。

したがって、導電性基板から成るｐ型電極内には、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、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製造することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記導電性基板を貼合わせる工程の前に、該導電性基板および柱状結晶構造体の少なくとも一方の貼合わせ面側に、窒素原子を含むプラズマを照射する工程をさらに行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、導電性基板を貼合わせる前に、その貼合わせる面を活性化しておくことで、表面原子同士の結合力を強固にすることができ、貼合わせ時の圧力や温度を低くして、素子へのダメージを低減することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記導電性基板を貼合わせる工程を、１０^−６Ｐａ以下の高真空中で行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層と導電性基板との貼合わせ面の清浄度を高め、表面原子同士の結合力を強固にすることができる。これによって、貼合わせ時の圧力や温度を低くすることができ、素子へのダメージを低減することができる。

本発明の半導体発光素子は、以上のように、単結晶基板上に、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て成る半導体発光素子において、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、導電性基板を貼合わせて成るｐ型電極を設ける。

それゆえ、導電性基板から成るｐ型電極内には、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を面方向に成長させて該ｐ型電極とした場合に生じるような貫通転位はなく、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。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、単結晶基板上に、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て成る半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を平坦に研磨した後、導電性基板を積層し、加圧および加熱することでそれらを貼合わせ、前記導電性基板をｐ型電極に形成する。

それゆえ、導電性基板から成るｐ型電極内には、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、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製造することができる。

［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。先ず、サファイア基板１上に、図示しない低温バッファ層を介して、ｎ型基板層であるｎ型ＧａＮエピ層２を形成し、このｎ型ＧａＮエピ層２の表面には、将来ｎ型電極とコンタクトを取るため、ｎ型不純物Ｓｉを高濃度にドープしておく。このｎ型ＧａＮエピ層２がｎ型の導電性基板となり、その上にナノコラム６を形成する。

本実施の形態および後述する他の実施の形態では、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって作製を行うことを前提としているが、ナノコラム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。

次に、前記ｎ型ＧａＮエピ層２の表面を、窒素プラズマで窒化し、成長温度を通常のＧａＮ成長の温度より上げ、窒素過剰雰囲気下でＧａＮを成長させると、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ナノコラム３、多重量子井戸ナノコラム４（発光層を形成する。以下、ＭＱＷナノコラムと呼ぶ）、ｐ型ＧａＮナノコラム５を、順次積層成長させることができる。こうして、図１（ａ）に示すように、ナノコラム３〜５を成長させることができる。

注目すべきは、本発明では、ｐ型ＧａＮナノコラム５上に、図１（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＮ基板７を貼合わせることである。しかしながら、前記図１（ａ）に示すように、ナノコラム３〜５は成長させた状態では高さは揃っていないので、貼合わせを行うことができない。そこで、多層半導体を作製する際に広く用いられるシリコンＣＭＰ技術を用い、前記ナノコラム３〜５の全体をダイヤモンドペーストを用いて回転研磨を行い、図１（ｂ）に示すような均一な高さのナノコラム６を形成する。研磨には、他の手法が用いられてもよい。

このナノコラムの６の先端部に、同様に研磨によって表面を平坦にした前記ｐ型ＧａＮ基板７を積層し、貼合せ用のグラファイトの治具を用いて、８ＭＰａ程度の圧力を貼合わせ面に垂直に加え、その状態で炉に入れ、窒素雰囲気で１時間程度、適度な温度を加えると、前記図１（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＮ基板７とナノコラム６とを貼合わせることができる。

この貼合わせを行う前に、ｐ型ＧａＮ基板７およびナノコラム６の少なくとも一方に窒素プラズマを照射して貼合わせ面を活性化したり、貼合わせを１０^−６Ｐａ以下の超高真空で行うことで、さらに良好な貼合わせを行うことができる。前者は表面の活性化によって、後者は貼合わせ面の清浄度を高めることによって、いずれも表面原子同士の結合力を強固にする。これによって、貼合わせ時の圧力や温度を低くすることができ、素子へのダメージを低減することができる。

続いて、上記と同様に、ダイヤモンドペーストを用いた回転研磨によってｐ型ＧａＮ基板７を薄膜化して、図１（ｄ）で示すように、ｐ型ＧａＮ電極形成領域８とする。薄膜化の理由は、ｐ型ＧａＮはｎ型ＧａＮに比べて極めて高抵抗であり、薄膜化しないと電流経路が高抵抗化し、発光ダイオードの発光効率を劣化させるためである。

その後、通常の発光ダイオードの作製と同じ技術を用いて電極形成を行う。すなわち、薄膜化したｐ型ＧａＮ電極形成領域８上にＡｕ／Ｎｉの透明導電膜１０を形成し、さらにフォトリソグラフィ技術、ドライエッチング技術によって、将来、ｎ型電極形成部分となる領域をエッチングして、前記透明導電膜１０、ｐ型ＧａＮ電極形成領域８およびナノコラム６を取り除く。その後、ｐ型電極１１を、蒸着、リソグラフィ、ドライエッチングを用いて形成し、同様にしてｎ型電極１２を形成し、図１（ｅ）で示すような本実施の形態の発光ダイオードＤ１の構造を完成する。

このようにナノコラム６の先端側に設けるべきｐ型電極を、ｐ型ＧａＮ基板７の貼合わせで作成することで、該ｐ型ＧａＮ基板７内には、前記ｐ型ＧａＮナノコラム５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、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。この発光ダイオードＤ２の構造において、前述の発光ダイオードＤ１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２（ａ）は前述の図１（ｃ）と同様に、ナノコラム６の先端にｐ型ＧａＮ基板７を貼合せた状態を示し、注目すべきは、本実施の形態では、前記サファイア基板１が除去されて、ｎ型ＧａＮエピ層２と同じ型の不純物をドープして作成されたｎ型導電性基板１９に交換されることである。

詳しくは、ナノコラム６の先端にｐ型ＧａＮ基板７を貼合せた後、サファイア基板１側からＹＡＧレーザを照射することによって、図２（ｂ）で示すように、該サファイア基板１を除去する。このようなサファイアのレーザリフトオフ技術は、当業者においては周知の技術であるので、詳細は省略する。

そして、前記ｎ型ＧａＮエピ層２とｐｎ接合とならない同じ極性の前記ｎ型導電性基板１９の表面に窒素プラズマを照射し、貼合わせ面の表面原子を活性化したものを前記ｎ型ＧａＮエピ層２の表面に積層する。この際、ｎ型ＧａＮエピ層２は、事前に前述のダイヤモンドペーストを用いた回転研磨によって、表面を十分平坦にしておく。その後、前記グラファイトの治具を用いて、８ＭＰａ程度の圧力を貼合わせ面に垂直に加え、その状態で炉に入れ、窒素雰囲気で１時間、適度な温度を加えると、図２（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＮエピ層２とｎ型導電性基板１９とが貼合わせされる。この際、前述のように超高真空中で貼合せを行うことで、より良好な貼合わせが実現されることは言うまでもない。このｎ型導電性基板１９が本実施の形態の発光ダイオードＤ２でのｎ型電極となる。

そして、第１の実施の形態と同様に、ダイヤモンドペーストを用いた回転研磨によって、図２（ｄ）で示すようにｐ型ＧａＮ基板７を薄膜化して、ｐ型ＧａＮ電極形成領域８とする。薄膜化の理由は、前述のとおりである。その後、ｐ型ＧａＮ電極形成領域８の上に透明導電膜１０を蒸着し、通常の蒸着、リソグラフィ、ドライエッチングを用いて、前記ｐ型電極１１を形成して、図２（ｅ）で示すような本実施の形態の発光ダイオードＤ２の構造を完成する。

このようにナノコラム６を成長させたサファイア基板１を除去し、代わってｎ型ＧａＮエピ層２と同じ極性のｎ型導電性基板１９を貼合せることによって、ｎ型電極からｐ型電極１１まで、素子の厚み方向に電流を流すことができ、より一層高輝度の発光ダイオードを実現することができる。また、安価ではあるけれども、ナノコラム６の発光波長において光を吸収してしまうＳｉ基板などの基板も、吸収を伴わないｎ型導電性基板１９に置換えることで、ナノコラム６を成長させる基板として使用することができる。

この発光ダイオードＤ２は、ｐ型ＧａＮ基板７側から光を取出すので、前記ｎ型導電性基板１９は、発光層（多重量子井戸ナノコラム４）で発生する光の反射率が８０％以上であることが望ましい。前記ｎ型導電性基板１９に代えて、たとえばＣｕＷ合金などから成り、前記ｎ型ＧａＮエピ層２とオーミックコンタクトすることができる金属基板が用いられてもよい。

［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。注目すべきは、本実施の形態では、前述の図１（ｃ）がナノコラム６の先端にｐ型ＧａＮ基板７を貼合せているのに対して、図３（ａ）で示すように、透明導電材料基板２８を貼合せていることである。

前記透明導電材料基板２８の貼合わせは、前記ｐ型ＧａＮ基板７の貼合せと条件が多少変わるだけで、ほぼ同じ工程で作製することができる。すなわち、前記ナノコラム６の先端部に、同様に研磨によって表面を平坦にした導電性材料基板２８を積層し、グラファイトの治具を用いて、８ＭＰａ程度の圧力を貼合わせ面に垂直に加え、その状態で炉に入れ、窒素雰囲気で１時間、適度な温度を加えると、前記図３（ａ）に示すように、透明導電性材料基板２８をナノコラム６の先端に貼合わせることができる。

この後の作製プロセスは全く第２の実施の形態と同様であり、図３（ｂ）〜図３（ｅ）の各工程は、図２（ｂ）〜図２（ｅ）の各工程にそれぞれ対応している。ただし、ｐ型ＧａＮ基板７と異なり、透明導電材料基板２８は、それ自体でｐ型電極となり得るので、前記透明導電膜１０を形成する必要はない。したがって、サファイア基板１を除去し、ｎ型導電性基板１９を貼合せ、該透明導電材料基板２８を薄膜化することで透明電極層３０となり、その後、ｐ型電極１１が直接形成される。

したがって、前記透明導電膜１０の形成工程を省略することができる。

［実施の形態４］
図４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の構造は、前述の発光ダイオードＤ１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。注目すべきは、本実施の形態では、前述の図１（ｃ）がナノコラム６の先端にｐ型ＧａＮ基板７を貼合せているのに対して、図４（ａ）で示すように、ブラッグ反射多層膜（以下、ＤＢＲミラー層と呼ぶ）３７を積層した透明導電材料基板３８を貼合せていることである。

前記透明導電材料基板３８は、たとえばｐ型ＧａＡｓから成り、前記ＤＢＲミラー層３７は、II−VI族の分布型ブラッグ反射多層膜を形成した導電性基板である。このII−VI族のＤＢＲミラー層は、高い反射率（９０％以上）を持つとともに、導電性であることは周知の事実である（たとえば文献１：A.Murai, L.McCarthey, U.Mishra, S.P.Denbaars, C.Kruse, S.Figge and D.Hommel J.J.Appl. Phys. Vol.43, No.10A,1275(2004)）。

本実施の形態では、貼合わせる基板がｐ型ＧａＮ基板７の代わりにＤＢＲミラー層３７を有する透明導電材料基板３８である点を除けば、図４（ａ）〜図４（ｄ）は、図１（ｃ）〜図１（ｅ）までの工程と全く同じであるので、詳細は省略する。

最終的には、図４（ｄ）に示すように、サファイア基板１上のｎ型ＧａＮエピ層２上に形成されたｎ型電極１２と、ナノコラム６上に形成されたＤＢＲミラー層３７を有する透明導電材料基板３８を薄膜化したｐ型電極形成層４０上に形成されたｐ型電極４１とを電極とする発光ダイオードとなる。

この発光ダイオードＤ４の特徴は、電流は前記ｐ型電極４１からｎ型電極１２に流れ、途中ＭＱＷナノコラム４において電子・正孔の再結合によって光を発生するが、発生した光はＤＢＲミラー層３７でほぼすべて反射され、サファイア基板１側から取出されることである。したがって、透明導電材料基板３８のＧａＡｓ層のバンドギャップが、ＭＱＷナノコラム４を形成するＩｎＧａＮ層のバンドギャップより小さくても問題にならず、該透明導電材料基板３８での光吸収ロスをなくして、全体の発光効率を向上させることができる。

通常、高反射率のＤＢＲミラーは、III−Ｖ族で形成するのは極めて困難である。これは、III族材料の層とＶ族材料の層との間の屈折率の差が小さいので、前記高反射率のＤＢＲミラーを作成するためには、多くの層を積層しなければならないからである。したがって、図５で示す従来技術では、ｐ型電極形成層（ｐ型ＧａＮコンタクト層）４６にＤＢＲミラー層を形成するには、前記III−Ｖ族の材料を使用しなければならないのに対して、本発明のように別の透明導電材料基板３８を貼合せることで、屈折率差の大きいII−ＶI族のＤＢＲミラー層３７を使用することができ、所望の反射率を得るにあたって、層数を少なくすることができる。

さらに、貼合わせる透明導電性基板３８について、前もって形成するのは、前記ＤＢＲミラー層３７に限らず、発光波長に対して高反射率の金属層などでも、同様に光取出し面への光の供給効率を向上することができる。また、透明導電性基板３８として、熱伝導率の高い金属基板を用いることで、放熱特性を向上させることができ、発光効率の更なる向上が可能になる。

［実施の形態５］
以下に、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〜Ｄ４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〜Ｄ４では、ナノコラム３〜５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１〜４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。このことに関して、以下に説明する。

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２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２：W.I.Park, Y.H.Jun, S.W.Jung and Gyu-Chul Yi Appl.Phys.Lett. 964(2003)）。

もうひとつの本発明の重要な技術である貼合わせについてであるが、貼合せ技術で重要なことは、平坦化および加熱・加圧である。重要な物性としては熱膨張率であるが、ＧａＮが５．６ｘ１０^−６／Ｋなのに対して、ＺｎＯは２．９ｘ１０^−６／Ｋ（ｃ軸に平行）、４．７ｘ１０^−６／Ｋ（ｃ軸に垂直）と、やはりＧａＮに近い数値を有している。したがって基本的にＧａＮで貼合せが可能な物質は、ＺｎＯでも貼り合せ可能と考えられる。
以上から、実施の形態１〜４で述べた発光ダイオードＤ１〜Ｄ４は、ＺｎＯでも実現可能と考えられる。

上述のように構成される発光ダイオードＤ１〜Ｄ４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。 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。 典型的な従来技術の半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ サファイア基板
２ ｎ型ＧａＮエピ層
３ ｎ型ＧａＮナノコラム
４ 多重量子井戸ナノコラム
５ ｐ型ＧａＮナノコラム
６ ナノコラム
７ ｐ型Ｇａｎ基板
８ ｐ型ＧａＮ電極形成領域
１０ 透明導電膜
１１，４１ ｐ型電極
１２ ｎ型電極
１９ ｎ型導電性基板
２８ 透明導電材料基板
３０ 透明電極層
３７ ブラッグ反射多層膜
３８ 透明導電材料基板
Ｄ１〜Ｄ４ 発光ダイオード

Claims (7)

1. 単結晶基板上に、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て成る半導体発光素子において、
   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、これらとオーミックコンタクトを取ることができる導電性基板を貼合わせて成るｐ型電極を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記単結晶基板と前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層との間にはｎ型基板層が介在され、前記柱状結晶構造体の成長後に前記単結晶基板が除去され、代りに前記ｎ型基板層とオーミックコンタクトを取ることができる導電性基板を貼合わせて成るｎ型電極をさらに有す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ｐ型電極またはｎ型電極の一方は、分布型ブラッグ多層膜を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記請求項１〜３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。
5. 単結晶基板上に、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て成る半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を平坦に研磨する工程と、
   研磨した前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上に導電性基板を積層し、加圧および加熱することでそれらを貼合わせ、前記導電性基板をｐ型電極に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。
6. 前記導電性基板を貼合わせる工程の前に、該導電性基板および柱状結晶構造体の少なくとも一方の貼合わせ面側に、窒素原子を含むプラズマを照射する工程をさらに行うことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記導電性基板を貼合わせる工程を、１０^−６Ｐａ以下の高真空中で行うことを特徴とする請求項５または６記載の半導体発光素子の製造方法。

Images