JP2008108757A

JP2008108757A - 化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法

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Publication number: JP2008108757A
Application number: JP2006287123A
Authority: JP
Inventors: Armitage Robert; ロバート・アーミテイジ
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】基板上にナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成る化合物半導体素子において、絶縁物を柱状結晶構造体による極微細間隙へ確実かつ均一に充填できるようにする。
【解決手段】先ず、図１（ａ）で示すように、Ｓｉ基板１上にカタリスト材料層となるＮｉ薄膜２を蒸着する。次に、図１（ｂ）で示すように、絶縁膜となる透明なＳｉＯ_２薄膜３を蒸着し、ナノコラム５を成長させるべき配置位置に、成長させるべき直径および間隔でＮｉ薄膜２が露出するまで貫通孔４を穿設しておく。したがって、図１（ｃ）で示すようにＧａＮナノコラム５が成長すると、ＳｉＯ_２をナノコラム５間の極微細間隙へ確実かつ均一に充填することができ、ボイドの発生を抑え、またリーク電流を抑え、信頼性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、III−Ｖ族化合物半導体などの化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法に関し、特に半導体素子としては、基板上にナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成るものに関する。

近年、窒化物半導体もしくは酸化物半導体で構成された発光層を有する化合物半導体発光素子が注目されている。この発光素子の構造は、一例として、サファイア基板を用い、発光層の下部にシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ^＋−ＧａＮ層から成るｎ−クラッド層およびコンタクト層、発光層の上部にマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮから成る電子ブロック層、電子ブロック層の上部にｐ−ＧａＮのコンタクト層がそれぞれ形成されて構成されている。これらのいわゆるバルク結晶を用いる発光素子は、基板のサファイアと、窒化物や酸化物の半導体層との格子定数が大きく異なり、かつ基板上に薄膜として形成されるので、結晶内に非常に多くの貫通転位を含んでおり、発光素子の効率を増加させるのは困難であった。

そこで、このような問題を解決する手法の従来例として、特許文献１が知られている。この従来例では、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮバッファ層を形成した後、アレイ状に配列された多数の前記柱状結晶構造体（ナノコラム）を形成しており、そのＧａＮナノコラム間に、柱状結晶構造の保護等のために透明絶縁物層を埋め込んだ後、透明電極および電極パッドが成膜されて構成されている。特にＧａＮナノコラムは、ｎ型ＧａＮナノコラム、ＩｎＧａＮ量子井戸、ｐ型ＧａＮナノコラムから構成されている。このナノコラムを用いれば、前述のバルク結晶が有する貫通転位をほとんど無くすまでに低減することができ、前記貫通転位による非発光再結合が減少して、発光効率を向上することができる。
特開２００５−２２８９３６号公報

上述のように構成される化合物半導体発光素子では、まず最初に基板上にナノコラムを形成し、その後、ＳＯＧ、ＳｉＯ_２、もしくはエポキシ樹脂などの透明絶縁物を、スピンコートなどで埋め込んで、その上にナノコラムと連結された透明電極を形成してナノコラムＬＥＤを形成している。

したがって、この方法は、ＣＶＤ法よりもまだ実現が容易と考えられるけれども、液体状にした透明絶縁物には表面張力が働き、上手くナノコラム間の間隙中に入れ込むことは、前記スピンコーティングを用いても困難である。前記透明絶縁物が確実かつ均一に充填されていなければ、間隙内に他の不純物元素の混入によるショート不良などのボイドが発生したり、上部に透明絶縁物が付いているだけで間隙は埋められないまま、発光層が保護されず、ナノコラム表面のリーク電流の原因になるなど、信頼性的に課題を有する。

本発明の目的は、絶縁物を柱状結晶構造体による極微細間隙へ確実かつ均一に充填することで素子の信頼性を向上することができるとともに、前記絶縁物を所望とする深さまで容易に埋込むことができ、上部電極を容易に形成することができる化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法を提供することである。

本発明の化合物半導体発光素子は、基板上にナノスケールの柱状結晶構造体を有する化合物半導体素子において、前記柱状結晶構造体は、カタリスト材料層と、該カタリスト材料層に取込まれて成長することによって該カタリスト材料層下に形成された半導体材料層とを備えて構成され、前記柱状結晶構造体の周囲に、該柱状結晶構造体の成長前に形成され、該柱状結晶構造体を埋設するための貫通孔が穿設された絶縁膜をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の化合物半導体素子の製造方法は、基板上にナノスケールの柱状結晶構造体を有する化合物半導体素子の製造方法において、前記基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、前記カタリスト材料層上に絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に前記絶縁膜をパターニングして、前記カタリスト材料層が露出するように貫通孔を穿設する工程と、前記貫通孔内で露出した前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記基板上に結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上にナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成る化合物半導体素子において、その柱状結晶構造体を成長させるにあたって、Ｇａ，Ｎ，Ｉｎ，Ａｌなどの化合物半導体材料や、Ｍｇ，Ｓｉなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないＮｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕなどのカタリスト材料層を基板上に形成しておく。その後、前記カタリスト材料層上に、ＳｉＯ_２などから成る絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状にその絶縁膜をパターニングして、前記カタリスト材料層が露出するように貫通孔を穿設する。

したがって、前記化合物半導体材料や添加物材料は、前記貫通孔内で露出した前記カタリスト材料層に取込まれ、該カタリスト材料層と基板側との界面で、それらの元素が結合し、種結晶から前記柱状結晶構造体に成長してゆき、前記柱状結晶構造体は、前記絶縁膜に埋設された形となり、その周囲が該絶縁膜によって覆われる。これによって、絶縁物を前記柱状結晶構造体間の極微細間隙へ確実かつ均一に充填することができ、ボイドの発生を抑え、また柱状結晶構造体外周面でのリーク電流を抑え、素子の信頼性を向上することができるとともに、前記絶縁物を所望とする深さまで容易に埋込むことができ、上部電極を容易に形成することもできる。

また、貫通孔、したがって前記柱状結晶構造体の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができ、たとえば発光素子の場合には、結晶欠陥の少ない柱状結晶構造体の利点を生かし、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、前記柱径を調整することで、所望とする波長の光を発生させることができるとともに、所望とする混合色の光、たとえば白色光を発生させることもできる。

さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子では、前記絶縁膜は透明材料から成り、前記柱状結晶構造体は発光層を有し、該柱状結晶構造体の配置および柱径が２次元フォトニック結晶構造に制御されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記柱状結晶構造体の基板上からの平面視における配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径が２次元フォトニック結晶構造に制御されていると、結晶欠陥の少ない柱状結晶構造体の利点を生かし、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。これに対応して、前記絶縁膜を前記ＳｉＯ_２などの透明材料で形成することで、光取出し効率を向上することができるとともに、配光制御が容易な化合物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、前記の化合物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、発光素子の信頼性を向上することができるとともに、その発光素子の上部電極を容易に形成することができる照明装置を実現することができる。

本発明の化合物半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、基板上にナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成る化合物半導体素子において、その柱状結晶構造体を成長させるにあたって、Ｇａ，Ｎ，Ｉｎ，Ａｌなどの化合物半導体材料や、Ｍｇ，Ｓｉなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないＮｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕなどのカタリスト材料層を基板上に形成しておき、その後、前記カタリスト材料層上に、ＳｉＯ_２などから成る絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状にその絶縁膜をパターニングして、前記カタリスト材料層が露出するように貫通孔を穿設する。

それゆえ、前記化合物半導体材料や添加物材料は、前記貫通孔内で露出した前記カタリスト材料層に取込まれ、該カタリスト材料層と基板側との界面で、それらの元素が結合し、種結晶から前記柱状結晶構造体に成長してゆき、前記柱状結晶構造体は、前記絶縁膜に埋設された形となり、その周囲が該絶縁膜によって覆われる。これによって、絶縁物を前記柱状結晶構造体間の極微細間隙へ確実かつ均一に充填することができ、ボイドの発生を抑え、また柱状結晶構造体外周面でのリーク電流を抑え、素子の信頼性を向上することができるとともに、前記絶縁物を所望とする深さまで容易に埋込むことができ、上部電極を容易に形成することもできる。

また、先に絶縁膜を形成し、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に貫通孔を設けるので、カタリスト材料層および絶縁膜が形成された基板を液体中に浸漬し、前記貫通孔の中に液相で柱状結晶構造体を形成することが可能となり、気相成長よりも欠陥も少なく高品質の柱状結晶構造体を作成することができる。

さらにまた、貫通孔、したがって前記柱状結晶構造体の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができる。これによって、たとえば発光素子の場合には、結晶欠陥の少ない柱状結晶構造体の利点を生かし、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、前記柱径を調整することで、所望とする波長の光を発生させることができるとともに、所望とする混合色の光、たとえば白色光を発生させることもできる。

さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子は、以上のように、前記柱状結晶構造体の基板上からの平面視における配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を、２次元フォトニック結晶構造に制御するとともに、前記絶縁膜を前記ＳｉＯ_２などの透明材料で形成する。

それゆえ、結晶欠陥の少ない柱状結晶構造体の利点を生かし、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる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、前記の化合物半導体発光素子を用いる。

それゆえ、発光素子の信頼性を向上することができるとともに、その発光素子の上部電極を容易に形成することができる照明装置を実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る化合物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。本実施の形態では、ナノコラム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）法等を用いてもナノコラムが作製可能である。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、シリコン（Ｓｉ）から成る基板１上に、電子線蒸着によって、カタリスト材料層となるＮｉ薄膜２が５ｎｍ蒸着される。次に、図１（ｂ）で示すように、同じく電子線蒸着によって、絶縁膜となる透明なＳｉＯ_２薄膜３が１００ｎｍ蒸着され、その後、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、前記ＳｉＯ_２薄膜３において、ナノコラム５を成長させるべき配置位置に、成長させるべき直径、たとえば７０ｎｍ、間隔、たとえば１００ｎｍで、前記Ｎｉ薄膜２が露出するまで、貫通孔４が穿設される。

続いて、これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度を９００℃に設定し、この温度を保持しながらＧａＮ結晶成長の成長ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ_３（アンモニア）とを、水素もしくは窒素のキャリアガスにより供給すると、前記貫通孔４内に露出したＮｉ薄膜２の表面に、ＧａとＮとが吸着される。この吸着されたＧａとＮとは、Ｎｉ薄膜２内に取り込まれ、該Ｎｉ薄膜２内を拡散して、該Ｎｉ薄膜２とＳｉ基板１との界面に達し、ここで互いに結合して、ＧａＮ結晶格子を形成し、図１（ｃ）で示すようにＧａＮナノコラム５が成長する。一方、ＳｉＯ_２薄膜３上に堆積したＧａとＮとは、該ＳｉＯ_２薄膜３の表面に長くとどまることができず、該ＳｉＯ_２薄膜３の表面から離脱し、ＳｉＯ_２薄膜３上にはＧａＮ単結晶は形成されない。こうしてＮｉ薄膜２とＳｉ基板１との間にのみＧａＮナノコラム５が成長する。

この状態を維持することによって、前記ＧａＮナノコラム５は前記貫通孔４内を柱状に成長し、図１（ｄ）で示すように、前記貫通孔４から、たとえば０．１μｍ程度の僅かに突出する。このＧａＮナノコラム５の成長時に、最初にＳｉをドーピングすることによってｎ型層７にし、その後、ＩｎをドープしたＩｎＧａＮ層とノンドープのＧａＮ層とを４層積層させて活性層８を形成する。その後、今度はＭｇをドープしてｐ型層９を形成し、全体高さを調整する。こうして、ＳｉＯ_２薄膜３から突出している部分はすべてｐ型層９とする。

前記ｎ型層７を形成するためのＳｉ原料としてシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型層９を形成するためのＭｇ原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）、ならびに活性層８のＩｎＧａＮ層を形成するためのＩｎ原料としてトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）などを、前記ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ_３（アンモニア）と合わせて供給することで、前記の各層７〜９を形成することができる。

この後、スパッタ蒸着によって、図１（ｅ）で示すように、透明導電膜であるＩＴＯ薄膜１０を２５ｎｍ形成してｐ型透明電極とする。そのＩＴＯ薄膜１０上部に部分的にボンディングパッドとしてＴｉ薄膜１１を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜１２を５００ｎｍ蒸着して、通常のリソグラフィとエッチングとによって部分的にｐ型電極パッドを形成する。また、Ｓｉ基板１の裏面には、図１（ｆ）で示すように、ｎ型電極として、Ｎｉ薄膜１３を３０ｎｍおよびＡｕ薄膜１４を５００ｎｍ積層して蒸着する。Ｓｉ基板１は、事前にｐドープによって充分な導電性を有するように形成しておくことが可能であるので、この裏面ｎ電極はＧａＮナノコラム５のｎ型層７と電気的に導通をとることができる。こうして、本発明の実施の一形態の発光ダイオードを作成することができる。

なお、基板１はシリコン（Ｓｉ）に限らず、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が使用されてもよい。その場合、絶縁性基板であるサファイア、酸化アルミニウムおよび酸化シリコンでは、成長後に基板を除去し、導電性基板を貼付けるようにすればよい。また、ナノコラム５の結晶も、ＧａＮに限らず、酸化物、酸窒化物、その他の材料についても当てはまることは言うまでもない。さらに、Ｇａ，Ｎの原料ガスには他のガスが使用されてもよく、ドープ材もＳｉ，Ｍｇなどに代えて他の材料が使用されてもよい。ただし、化合物半導体材料および添加物材料ならびに前記カタリスト材料層は、カタリスト材料層が化合物半導体材料および添加物材料を溶解して取込み、かつそれらが合成物を作らない材料に選ばれる必要がある。たとえば、カタリスト材料層としては、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕなどであり、化合物半導体材料としては、Ｇａ，Ｎ，Ｉｎ，Ａｌなどであり、添加物材料としては、Ｍｇ，Ｓｉなどである。

また、カタリスト材料層の薄膜は、材料を取込むカタリスト材料層としての機能を発揮することができる厚さ、たとえば数原子層から、取込んだ材料が拡散することができる厚さ、たとえば２０ｎｍに形成され、好ましくは１〜５ｎｍである。

このようにＧａＮナノコラム５の成長に先立って、先にそのＧａＮナノコラムを成長させるべき貫通孔４が形成されたＳｉＯ_２薄膜３を形成することで、ＳｉＯ_２をＧａＮナノコラム５の間の極微細間隙へ確実かつ均一に充填することができる。これによって、ボイドの発生を抑え、またナノコラム５の外周面でのリーク電流を抑え、素子の信頼性を向上することができるとともに、ＳｉＯ_２薄膜３の高さを高い精度で保持し、かつＧａＮナノコラム５の高さもその成長速度の制御によって高い精度を確保でき、これによって前記ＳｉＯ_２を所望とする深さまで容易に埋込むことができ、ｐ型透明電極を容易かつ安定的に形成することもできる。そして、特にＳｉＯ_２薄膜３の深さが深い場合に好適である。

また、貫通孔４、したがって前記ＧａＮナノコラム５の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができ、結晶欠陥の少ないＧａＮナノコラム５の利点を生かし、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、ＧａＮナノコラム５の前記柱径を調整することで、波長変換のための蛍光体を用いることなく、所望とする波長の光を発生させることができる。しかも、同一のＳｉ基板１上に、多色発光のＧａＮナノコラムＬＥＤを実現することができ、それらの組合わせによって多種多様な発色が可能となると同時に、白色発光も可能になり、さらに同じ白色でもさまざまな色合いを出すことができる。たとえば、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を発生するようにすると、白色光に合成することができ、Ｙ，Ｂの２色を発生するようにすると、疑似白色光に合成することができる。なお、ＧａＮナノコラム５の柱径だけでなく、材料によっても発光色が異なるので、材料に適応して、各波長での発光強度に対応した割合で、各ＧａＮナノコラム５の柱径を設定し、その柱径となるように前記ＳｉＯ_２薄膜３をパターニングすればよい。こうして、白色光に適応した発光ダイオードを実現することができ、前述のように光取出し効率および配光性に優れる点と併せて、該発光ダイオードは照明装置に極めて好適である。

［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の他の形態に係る化合物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。本実施の形態は、前述の図１で示す製造工程に類似している。注目すべきは、本実施の形態では、ナノコラム１５が、ＺｎＯから成ることである。先ず、図２（ａ）で示すように、シリコン（Ｓｉ）から成る基板１上に、電子線蒸着によって、カタリスト材料層となるＮｉ薄膜２が５ｎｍ蒸着される。次に、図２（ｂ）で示すように、同じく電子線蒸着によって、絶縁膜となる透明なＳｉＯ_２薄膜３が蒸着され、その後、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、前記ＳｉＯ_２薄膜３において、ナノコラム１５を成長させるべき配置位置に、成長させるべき直径、たとえば７０ｎｍ、間隔、たとえば１００ｎｍで、前記Ｎｉ薄膜２が露出するまで、貫通孔４が穿設される。以上の工程は、図１（ａ）および図１（ｂ）とそれぞれ同一である。

続いて、これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度を５００℃に設定し、この温度を保持しながらＺｎＯ結晶成長の成長ガスであるＤＥＺｎ（ジエチルジンク）３０ｓｃｃｍとＯ_２（酸素）１００ｓｃｃｍとを供給すると、Ｎｉ薄膜２の表面にはＺｎとＯとが吸着される。吸着されたＺｎとＯとはＮｉ薄膜２内に取り込まれ、該Ｎｉ薄膜２内を拡散して、該Ｎｉ薄膜２とＳｉ基板１との界面に達し、ここで互いに結合して、ＺｎＯ結晶格子を形成し、図２（ｃ）で示すようにＺｎＯナノコラム１５が成長する。一方、ＳｉＯ_２薄膜３上に堆積したＺｎとＯとは、該ＳｉＯ_２薄膜３の表面に長くとどまることができず、該ＳｉＯ_２薄膜３の表面から離脱し、ＳｉＯ_２薄膜３上にはＺｎＯ単結晶は形成されない。こうしてＮｉ薄膜２とＳｉ基板１との間にのみＺｎＯナノコラム２５が成長する。

この状態を維持することによって、前記ＺｎＯナノコラム２５は前記貫通孔４内を柱状に成長し、図２（ｄ）で示すように、前記貫通孔４から、たとえば０．１μｍだけ突出した長さまで成長する。このＺｎＯナノコラム２５の成長時に、最初にＡｌをドーピングすることによってｎ型層２７にし、その後、ＣｄをドープしたＺｎＣｄＯ層とノンドープのＺｎＯ層とを４層積層させて活性層２８を形成する。その後、今度はＰをドープしてｐ型層２９を形成する。したがって、前述のようにＳｉＯ_２薄膜３から突出している部分はすべてｐ型層２９である。

以後、前記図１と同様に、スパッタ蒸着によって、図２（ｅ）で示すように、透明導電膜であるＩＴＯ薄膜１０を２５ｎｍ形成してｐ型透明電極とする。そのＩＴＯ薄膜１０上部に部分的にボンディングパッドとしてＴｉ薄膜１１を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜１２を５００ｎｍ蒸着して、通常のリソグラフィとエッチングとによって部分的にｐ型電極パッドを形成する。また、Ｓｉ基板１の裏面には、図２（ｆ）で示すように、ｎ型電極としてＮｉ薄膜１３を３０ｎｍおよびＡｕ薄膜１４を５００ｎｍを積層して蒸着する。Ｓｉ基板１は、事前にｐドープによって充分な導電性を有するように形成しておくことが可能であるので、この裏面ｎ電極はＺｎＯナノコラム１５のｎ型層２７と電気的に導通をとることができる。こうして、本発明の実施の他の形態の発光ダイオードを作成することができる。

このように本発明は、窒化物半導体（ＧａＮ）に限らず、酸化物半導体にも適用することができる。また、III族原子と窒素原子に限らず、II族原子と酸素原子およびそれらの組合わせにも適用することができる。酸化物半導体である上記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ーが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。そして、前記ＧａＮナノコラム５と結晶構造上、よく似ているＺｎＯナノコラム１５についても、全く同じ構造の半導体発光素子を、上述のようにして同様に作製することができる。ＺｎＯナノコラムを作成した例としては、文献１では、ＭＯＣＶＤ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.l.Park, Y.H. Jun, S.W.Jung and Gyu-Chul Yi Appl. Phys.Lett. 964(2003)）。

［実施の形態３］
図３は、本発明の実施のさらに他の形態に係る化合物半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、前述の図１や図２で示す実施の形態に類似し、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、該化合物半導体素子は発光素子ではなく、ＧａＮナノコラム５’には前記活性層８、すなわち発光層が形成されていないことである。このような化合物半導体素子は、非特許文献（"GaN-based anion selective sensor:Probing the origin of the induced electrochemical potential",Nikos A Chaniotakls, Appl. Phys. Lett. 86, 164103(2005)）や非特許文献（"GaN resistive hydrogen gas sensors ",Feng Yun, Appl. Phys. Lett. 87, 073507(2005)）などで示されるように、センサなどに使用することができる。

なお、特許文献（特開２００４−１９３５２７号公報）および特許文献（特開２００５−３５３８２８号公報）には、基板上に円柱状の貫通孔が形成された多孔質膜を用い、前記貫通孔内にナノコラムを成長させることで、その成長をコントロールし、所望とする波長で発光させることが示されている。しかしながら、本発明のようにカタリスト材料層を用いて、化合物半導体材料を結合させることは記載も示唆もない。本発明は、このような格別の手法を用いることで、基板１上に、格子定数差から発生する応力を緩和するためのバッファ層を形成する必要が無くなり、そのバッファ層の寄生抵抗による損失や発熱の影響が無く、より高出力なＬＥＤを作製することができる。

本発明の実施の一形態に係る化合物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。本発明の実施の他の形態に係る化合物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。本発明の実施のさらに他の形態に係る化合物半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１Ｓｉ基板
２Ｎｉ薄膜
３ＳｉＯ_２薄膜
４貫通孔
５，５’ ＧａＮナノコラム
７，２７ｎ型層
８，２８活性層
９，２９ｐ型層
１０ＩＴＯ薄膜
１１Ｔｉ薄膜
１２Ａｕ薄膜
１３Ｎｉ薄膜
１４Ａｕ薄膜
２５ＺｎＯナノコラム

Claims

基板上にナノスケールの柱状結晶構造体を有する化合物半導体素子において、
前記柱状結晶構造体は、カタリスト材料層と、該カタリスト材料層に取込まれて成長することによって該カタリスト材料層下に形成された半導体材料層とを備えて構成され、
前記柱状結晶構造体の周囲に、該柱状結晶構造体の成長前に形成され、該柱状結晶構造体を埋設するための貫通孔が穿設された絶縁膜をさらに備えることを特徴とする化合物半導体発光素子。
前記絶縁膜は透明材料から成り、
前記柱状結晶構造体は発光層を有し、該柱状結晶構造体の配置および柱径が２次元フォトニック結晶構造に制御されていることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体発光素子。
前記請求項１または２記載の化合物半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
基板上にナノスケールの柱状結晶構造体を有する化合物半導体素子の製造方法において、
前記基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、
前記カタリスト材料層上に絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に前記絶縁膜をパターニングして、前記カタリスト材料層が露出するように貫通孔を穿設する工程と、
前記貫通孔内で露出した前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記基板上に結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。