JP2008166567A - 化合物半導体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 - Google Patents

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上に種結晶層となるＡｌＮ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ＡｌＮ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、種結晶層と、該種結晶層上に吸着・結合されて成長することによって該種結晶層上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、前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜する工程と、前記種結晶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、前記種結晶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種結晶層上に前記化合物半導体材料を吸着・結合させて該種結晶層上に前記柱状結晶構造体を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、たとえばシリコンなどの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、それらの元素を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆくＡｌＮなどを化合物種結晶層として前記基板上に形成しておく。その後、前記種結晶層上に、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、前記種結晶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種結晶層上で吸着されてそれらの元素が結合し、やがて前記柱状結晶構造体に成長してゆく。こうして、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、前記柱状結晶構造体の成長に、たとえばＧａＮナノコラムの場合、ＭＢＥやＭＯＶＰＥを用いた気相による成長法だけでなく、Ｎａフラックスを用いた液相法によって成長を行わせることができる。ここで、一般に気相成長より液相成長の方が、出来上がりの結晶品質は優れたものになる。それは、構成原子が成長基板や成長した結晶の表面付近を拡散（漂う）する時間が長く、最適の位置に原子が収まる確率が高いので、欠陥が少なく高品質のナノコラムを形成するためである。また、絶縁膜の貫通孔のアスペクト比が大きいと、気相成長では種結晶に材料ガスが届く前に、開口部、もしくは貫通孔の途中で反応してしまい、前記開口部もしくは貫通孔中間部を多結晶もしくはアモルファスＧａＮで塞いでしまう恐れがあるが、先に液相成長させて種結晶上にＧａＮナノコラムを形成し、貫通孔のアスペクト比を充分小さくした後に、ｎ型層、発光層、ｐ型層を気相成長させることで、このような課題を解決することが可能であるためである。

さらにまた、本発明の化合物半導体素子では、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。

さらにまた、本発明の化合物半導体素子の製造方法では、前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程は、先に液相成長を行わせた後に気相成長を行わせることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記種結晶層上に前記柱状結晶構造体を成長させるにあたって、先に液相成長によって、貫通孔内の所定深さより深い部分を隙間無く良質な結晶で充填することができ、その上に、前記発光層などの成長に好都合な気相成長によって結晶を成長させる。

したがって、良好な結晶品質で、かつ発光層の厚み、すなわち発光波長などが高精度に制御された結晶に成長させることができる。

本発明の化合物半導体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、それらの元素を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆくＡｌＮなどを化合物種結晶層として前記基板上に形成しておき、その後、前記種結晶層上に、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、前記種結晶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種結晶層上で吸着されてそれらの元素が結合し、やがて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、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、種結晶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、本発明の化合物半導体素子は、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。

さらにまた、本発明の化合物半導体素子の製造方法は、以上のように、前記柱状結晶構造体を結晶成長させるにあたって、先に液相成長によって貫通孔内の所定深さより深い部分を隙間無く良質な結晶で充填し、その上に、前記発光層などの成長に好都合な気相成長によって結晶を成長させる。

それゆえ、良好な結晶品質で、かつ発光層の厚み、すなわち発光波長などが高精度に制御された結晶に成長させることができる。

［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、本実施の形態では、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（１１１））から成る基板１上に、ＭＢＥ成長によって、種結晶層となるＡｌＮ膜２が５０ｎｍ蒸着される。具体的には、このＭＢＥ装置はＡｌのＫセル（以下Ａｌセルと呼ぶ）と、Ｎ_２源から不活性なＮ_２を活性化して導入できるＲＦプラズマセル（以下Ｎ_２プラズマセルと呼ぶ）とを、少なくとも備えている。そして、最初にＳｉ（１１１）基板１を真空中で１０００℃にて１０分間アニールし、その後Ｓｉ（１１１）基板１を８００℃まで冷却する。次いで、真空度が７×１０^−７Ｔｏｒｒになるように設定し、Ａｌの分子線を飛ばしつつ、Ｎ_２プラズマセルのヒーター電源を４００ＷにしてこのセルにＮ_２ガスを０．５ｓｃｃｍの流量で供給する。この時、Ｓｉ（１１１）基板１表面が間違って窒化されないように、Ｎ_２プラズマセルのシャッターを開ける１０秒前にＡｌセルを開ける。この状態で、Ａｌ分子線とＮ_２プラズマ分子線とをＳｉ（１１１）基板１に５分間照射すると、上述のようにＳｉ（１１１）基板１上にＡｌＮ薄膜２が５０ｎｍ成長する。

次に、図１（ｂ）で示すように、同じくＥＢ蒸着によって、絶縁膜となる透明なＳｉＯ_２薄膜３が１μｍ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１００ｎｍ、間隔、たとえば１００ｎｍで、前記ＡｌＮ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１０００℃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、Ｇａ／Ｎフラックス比を１よりはるかに小さな値、たとえば１／１０００にして、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ＡｌＮ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、ＡｌＮ薄膜２上で互いに結合して、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、ＡｌＮ薄膜２上のみ、前記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、たとえば成長レートが３ｎｍ／ｍｉｎで、約６時間成長させると、高さ１．１μｍ、コラム基底部の幅が前記１００ｎｍのＧａＮナノコラム結晶５が得られる。したがって、そのＧａＮナノコラム５は、図１（ｄ）で示すように、前記貫通孔４から、０．１μｍ程度の僅かに突出することになる。そして、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を含んだＩｎＧａＮ層と含まない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０．１５μｍ形成し、全体で前記１．１μｍの高さになるように調整する。こうして、ＳｉＯ_２薄膜３から突出している０．１μｍの柱状結晶部分はすべて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種結晶層は、種結晶層が化合物半導体材料および添加物材料を吸着してそれらを結合させ、かつそれらの材料と合成物を作らない材料に選ばれる必要がある。たとえば、種結晶層としては、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ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、種結晶層の薄膜は、材料を吸着し、結合させる種結晶層としての機能を発揮することができる厚さ、たとえば５〜１００ｎｍに形成され、好ましくは前記５０ｎｍ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。ここで、前記特許文献１では、柱径７０ｎｍ、高さ１μｍ程度のナノコラムを作成しているが、間隙のアスペクト比（深さ／直径）は１０を超える値になり、その間隙に透明絶縁物を均一かつ一様に埋め込むのは極めて困難である。

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２５が、ＺｎＯから成ることである。先ず、図２（ａ）で示すように、サファイア基板２１上に、ＧａＮ単結晶薄膜２２を５μｍ形成したものを本実施の形態の成長基板として用いる。これはすでに市販されているものを用いてもよいし、サファイア基板２１上にＭＯＣＶＤにより周知の技術によって形成してもよい。そして、サファイア基板２１上に形成したこのＧａＮ単結晶薄膜２２が前記ＡｌＮ膜２に代わり、ＺｎＯナノコラム２５の成長のための種結晶となる。

次に、図２（ｂ）で示すように、サファイア／ＧａＮ基板２１，２２の上に、同じく前記ＥＢ蒸着によって、絶縁膜となる透明なＳｉＯ_２薄膜３が１μｍ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２５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１００ｎｍ、間隔、たとえば１００ｎｍで、前記ＧａＮ単結晶薄膜２２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、ＧａＮ単結晶薄膜２２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、露出したＧａＮ単結晶薄膜２２上で互いに結合して、ＺｎＯ結晶格子を形成し、図２（ｃ）で示すようにＺｎＯナノコラム２５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、前記ＧａＮ単結晶薄膜２２上にのみ、ＺｎＯナノコラム２５が成長する。

さらに６０分ほど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（全長１．１μｍ）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０．１μｍの柱状結晶部分はすべてｐ型層２９である。

その後、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、Ａｇ薄膜３１を３００ｎｍ積層し、一方、ｐ型Ｓｉ基板３２上にＮｉ薄膜３３を１００ｎｍ形成して支持基板を作成しておき、前記ナノコラム２５の形成基板２１とその支持基板とを導電性樹脂３４を介して接合する。これは、たとえば温度１５０℃で３０分加熱保持することで、前記導電性樹脂３４が熱硬化することで実現できる。

続いて、図２（ｆ）で示すように、当該分野ではすでに周知の技術であるレーザリフトオフ技術を用いて、サファイア基板２１を除去し、除去した面に透明導電膜としてＺｎＯ３５を２５ｎｍ蒸着し、その上にＴｉ薄膜３６を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜３７を３００ｎｍ積層した後に、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Ｔｉ薄膜３６およびＡｕ薄膜３７を、ワイヤボンディングと電流拡散とに必要な部分を部分的に残して、ｎ電極のパターン形成を行う。たとえば、該発光ダイオードの中心に半径１００μｍを持つ幅５０μｍの十字パターン状に前記Ｔｉ／Ａｕ積層膜３６，３７を形成し、これを該発光ダイオードのｎ型電極とする。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。

［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。本実施の形態は、前述の図１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。

［実施の形態４］
図４は、本発明の実施の他の形態に係る化合物半導体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および図２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４５の前記貫通孔４の基底部側が、液相成長によって作成されることである。すなわち、前記図１（ａ）および図１（ｂ）と同様に、Ｓｉ（１１１）から成る基板１上に、ＭＢＥ成長によって、種結晶層となるＡｌＮ膜２が５０ｎｍ蒸着され、さらに同じＥＢ蒸着によって、絶縁膜となる透明なＳｉＯ_２薄膜３が１μｍ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および間隔で、前記ＡｌＮ膜２が露出するまで、貫通孔４が穿設される。

図１では、この後、ＭＯＣＶＤ装置を用いた気相成長であったが、本実施の形態では、前述のように液相成長が行われる。具体的には、前記の多孔質のＳｉＯ_２薄膜３および種結晶層となるＡｌＮ膜２の積層された基板１は、アルミナルツボに入れられ、そのアルミナルツボにはまた、フラックス成分の金属Ｎａおよび出発原料の金属Ｇａも予め定められた分量が入れられており、そのアルミナルツボを図４（ｃ）で示すようにＳＵＳチューブ内４１に封入する。続いて、ＳＵＳチューブ４１を電気炉４２内に設置し、圧力調整機４３を介したガスボンベ４４と接続する。ここでガスは、窒素原子を含むガスであり、具体的には、窒素ガスやアンモニアガスである。またアンモニアガスと窒素ガスの混合ガスでもよい。

その後、前記ガスによってＳＵＳチューブ４１内を所定の圧力（３０〜４５ａｔｍ）に加圧した後、電気炉４２を数時間で育成温度（５００〜１０００℃、好ましくは８５０〜８７０℃）まで昇温させて、所定の育成時間、その温度を保持する。前記育成時間は、昇温末期の所定の温度となってからの時間で、通常５分程度で、高さ０．８μｍ、コラム基底部の幅（柱径）が前記１００ｎｍのＧａＮナノコラム４５が得られる。このＧａＮナノコラム４５は、ＳｉＯ_２薄膜３の貫通孔４内を充填するように成長する。また、このＧａＮナノコラム４５は、前記の育成時間で、ＳｉＯ_２薄膜３より０．２μｍほど低く成長することになる。

育成後、電気炉４２の温度が室温まで下がった後、ＳＵＳチューブ４１の内圧を常圧まで下げ、ＳＵＳチューブ４１をカットし、ルツボを取り出す。その後、育成した結晶、フラックスや残留金属の入ったルツボをエタノールと水とに浸漬させることで、金属Ｎａを前記エタノールや水に反応させて除去することができる。続いてアルカリ金属やアルカリ土類金属を除去した後に、濃塩酸等を用いて金属Ｇａを除去し、その後に、図４（ｄ）で示すようなＧａＮナノコラム４５が成長した基板１を取り出す。

その後は、このＧａＮナノコラム４５の成長基板１を、ＭＯＣＶＤ装置に入れて気相によって引き続きＧａＮナノコラム４５の成長を行う。この成長方法については図１の場合と同様であるので詳細は省略する。その成長過程では、図４（ｄ）で示すように、最初にＳｉをドーピングすることでｎ型層４７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４８を形成する。さらに、今度はＭｇをドープしてｐ型層４９を０．１５μｍ形成し、全体で１．１μｍの高さになるように調整する。したがって、ＳｉＯ_２薄膜３から突出している０．１μｍの柱状結晶部分はすべてｐ型層４９となる。

この後、スパッタ蒸着によって、図４（ｆ）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、Ａｇ薄膜３１を３００ｎｍ積層し、一方、ｐ型Ｓｉ基板３２上にＮｉ薄膜３３を１００ｎｍ形成して支持基板を作成しておき、前記ナノコラム４５の形成基板１とその支持基板とを導電性樹脂３４を介して接合する。

続いて、図４（ｇ）で示すように、レーザリフトオフ技術を用いて、Ｓｉ基板１を除去し、除去した面に透明導電膜としてＺｎＯ３５を２５ｎｍ蒸着し、その上にＴｉ薄膜３６を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜３７を３００ｎｍ積層した後に、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Ｔｉ薄膜３６およびＡｕ薄膜３７を部分的に残して、ｎ電極のパターン形成を行う。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。

このように種結晶層となるＡｌＮ膜２上にＧａＮナノコラム４５を成長させるにあたって、先に液相成長を行わせることで、貫通孔４内の所定深さより深い部分を隙間無く良質な結晶で充填することができ、前記貫通孔４のハイアスペクト比に対応することができ、その上に、前記発光層４８などの成長に好都合な気相成長によって結晶を成長させることで、該発光層４８の厚み、すなわち発光波長などが高精度に制御された結晶に成長させることができる。

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、本発明のように種結晶層２やＧａＮ単結晶薄膜２２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、Ｓｉ基板１やサファイア基板２１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。 本発明の実施の他の形態に係る化合物半導体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。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ ＡｌＮ膜
３ ＳｉＯ_２薄膜
４ 貫通孔
５，５’，４５ ＧａＮナノコラム
７，２７，４７ ｎ型層
８，２８，４８ 活性層
９，２９，４９ ｐ型層
１０ ＩＴＯ薄膜
１１，３６ Ｔｉ薄膜
１２，１４，３７ Ａｕ薄膜
１３，３３ Ｎｉ薄膜
２１ サファイア基板
２２ ＧａＮ単結晶薄膜
２５ ＺｎＯナノコラム
３１ Ａｇ薄膜
３２ ｐ型Ｓｉ基板
３４ 導電性樹脂
３５ ＺｎＯ
４１ ＳＵＳチューブ
４２ 電気炉
４３ 圧力調整機
４４ ガスボンベ

Claims (5)

1. 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、種結晶層と、該種結晶層上に吸着・結合されて成長することによって該種結晶層上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素子。
2. 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素子。
3. 前記請求項１または２記載の化合物半導体素子を用いることを特徴とする照明装置。
4. 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、前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜する工程と、
   前記種結晶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、前記種結晶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種結晶層上に前記化合物半導体材料を吸着・結合させて該種結晶層上に前記柱状結晶構造体を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。
5. 前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程では、先に液相成長を行わせた後に気相成長を行わせることを特徴とする請求項４記載の化合物半導体素子の製造方法。

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