JP2010073962A

JP2010073962A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2010073962A
Application number: JP2008240893A
Authority: JP
Inventors: Armitage Robert; ロバート・アーミテイジ
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP5341446B2

Abstract

【課題】直線偏光を高い発光効率で得られるようにする。
【解決手段】基板上に、ｎ型ＧａＮ層１、ＩｎＧａＮ活性層２、ｐ型ＧａＮ層３を有するウルツ構造の半導体結晶４がｃ軸成長されて成る半導体発光素子において、前記の各層１，２，３による半導体結晶４を、基板からナノサイズのシート状に立設する。したがって、大きなアスペクト比の差で成長させることで、図１（ｂ）で示すように、ＩｎＧａＮ活性層２が、両側の層１，層３よりも格子定数が大きいために、短手（厚み）方向では外部に膨出して応力が緩和されているのに対して、図１（ｃ）で示すように、長手（幅）方向では変形しておらず、応力緩和が許容されない。これによって、応力無印加時には縮退している２つの価電子帯ＨＨとＬＨとが互いに分離し、ＨＨ帯へのキャリア遷移によるｃ軸と垂直方向に伝播する直線偏光した光１１〜１４を支配的に発光させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に液晶のバックライト光源などとして好適に用いられ、直線偏光を発するものに関する。

半導体結晶構造体内で電子と正孔とを結合させて光を発生させる半導体固体発光素子において、前記液晶のバックライト光源用などで、偏光光を得るための従来技術として、たとえば以下の３つの手法が一般的に用いられている。第１の手法は、最も典型的な非偏光光源に偏光フィルタを用いるものである。その概略構造を図４に示す。すなわち、蛍光灯や通常のＬＥＤのような非偏光光源５１から出た光を入力側の偏光板５２で直線偏光に変換して液晶５３に入射し、その液晶５３では透明電極５４，５５間に電圧を印加することで該液晶６３の偏光方向を変化させ、出力側の偏光板５６を通過させるか否かを制御するものである。

第２の手法は、ｃ軸方向に成長させたＧａＮ−ＬＥＤの側面からの発光を利用する直線偏光光源である。また、第３の手法は、ａ軸もしくはｍ軸方向に成長させた無極性ＧａＮ−ＬＥＤからの発光を利用する直線偏光光源である。

しかしながら、第１の手法は、現在の液晶のパックライト光源として広く使われている手法であるが、無偏光の発光光から、所定の直線偏光成分のみを利用するものであり、光の利用効率が極めて悪く、必要以上の明るさの光源が必要になる。一方、第２および第３の手法は、ＬＥＤの小型軽量、高効率、長寿命、省消費電力という特徴を活用するために、現在盛んに開発が進んでいる状況であり、第２の手法は、前記第１の手法より光の利用効率は向上するものの、ＬＥＤチップ側面からの光を利用するので、光学系が複雑になり、光学系でのロスを考えると、最大７０％の効率にとどまる。また、第３の手法については、これが実現すれば、９０％程度の効率が期待できるが、無極性ＧａＮの結晶成長は難しく、低コストで発光効率の高いＬＥＤチップが実現できるかどうか、今のところ定かではない。

そこで、特許文献１には、ｎ型層、発光層、ｐ型層が積層されて成る発光ダイオードにおいて、ｎ型層とｐ型層の内、外側（光取出し側）となる方に、ナノスケールの金属パターンを形成し、光の進行経路を変化させて光取出し効率を高めることが示されている。
特開２００６−３３９６５６号公報

上述の従来技術は、発光ダイオードからは偏光光が出射されるものの、発光自体は無偏光で行われている。すなわち、量子井戸からは無偏光な光が発生し、それを導波路を通過させることで偏光光に変換している。したがって、外部の偏光板や光学系は不要になるものの、発光ダイオードの発光効率自体が低いという問題がある。また、金属による反射によって、偏光方向が変わってしまう可能性もある。

本発明の目的は、直線偏光を高い発光効率で得ることができる半導体発光素子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、少なくともｐ型層、活性層、ｎ型層を有するウルツ構造の半導体結晶がｃ軸成長されて成る半導体発光素子において、前記の各層による半導体結晶が、基板からナノサイズのシート状に立設されることを特徴とする。

上記の構成によれば、ウルツ構造の半導体結晶は、２つのエネルギーの高い価電子帯を有しており、これをＨＨおよびＬＨ帯と呼ぶ。ＨＨ帯から放出されるフォトンは結晶のｃ軸に対して垂直な方向に直線偏光しており、ＬＨ帯から放出されるフォトンは結晶のｃ軸に対して平行な方向に直線偏光している。しかしながら、通常ではこれら２つの価電子帯ＨＨおよびＬＨの頂点は略重なっており（室温でのエネルギーである２４ｍｅＶよりも近い）、ホールはそれら２つの価電子帯ＨＨおよびＬＨ間を自由に行き来する。このため、放出される光は、２つの価電子帯ＨＨおよびＬＨのそれぞれから放出されるフォトンの混合したものとなり、価電子帯ＨＨからの前記ｃ軸に対して垂直な方向の直線偏光と、価電子帯ＬＨからの前記ｃ軸に対して平行な方向の直線偏光とが略等しく発生し、際立った直線偏光は見られない。そこで本発明では、少なくともｐ型層、活性層、ｎ型層がｃ軸成長されて成る前記ウルツ構造の半導体結晶を、基板から、ナノサイズの薄いシート（壁）状に立設する。

したがって、３層を積層した際、各層の格子定数の差による歪みは、前記シート（壁）の短手（厚さ）方向に対しては活性層がｐ型層およびｎ型層に比べて膨張することで緩和されており、長手（幅）方向に対しては前記膨張が困難なことから残存していることになる。このように非対称（２軸）な応力、特に圧縮応力が印加されると、ＨＨ帯はＬＨ帯に比べて、前記室温でのエネルギーを超えた、かなりエネルギーの高い位置にシフトするので、ＨＨ帯へのキャリアの遷移が支配的になり、その結果、結晶のｃ軸に対して垂直な方向に直線偏光した発光が支配的になる。これに対して、従来からよく用いられているｃ軸成長のプレーナ型のＧａＮ結晶では、ｃ軸まわりの対称性が高く、非対称な応力を印加することは非常に困難であり、無偏光となる。

こうして、前記ナノサイズのシート状結晶によって、強い非対称（２軸）応力が印加されたｃ軸成長の半導体結晶を実現することができ、直線偏光を高い発光効率で得ることができる。しかも前記ナノサイズのシート状結晶は、従来の安定的な結晶成長技術を用いて、比較的容易かつ低コストに作成することができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記ナノサイズのシート状結晶の長手方向の軸が、ｍ軸またはａ軸に平行であることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記ナノサイズのシート状結晶の長手（幅）方向の軸が、ｍ軸またはａ軸に平行であることで、安定的に結晶成長を行うことができるとともに、結晶構造に起因するメカニズムを有効に活用し、より強い直線偏光光源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では、前記ナノサイズのシート状結晶は、前記ｐ型層、活性層、ｎ型層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮから、それぞれ成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、ウルツ構造の半導体結晶の中でも、上記の材料は、ＨＨ帯とＬＨ帯との差が大きいので、好適である。

また、本発明の半導体発光素子では、前記ナノサイズのシート状結晶は、１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下の厚さに形成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記ナノサイズのシート状結晶の厚さが、１ｎｍ未満および３０ｎｍより大きいと、前記非対称応力が小さくなるので、上記の範囲に選ぶことで、前記直線偏光を得ることができる強い非対称応力を得ることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記ナノサイズのシート状結晶は、前記基板上に、複数のアレイ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、更に高出力で小型の直線偏光光源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、前記ナノサイズのシート状結晶は、２次元フォトニック結晶配列となっていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ナノサイズのシート状結晶の屈折率と大気の屈折率とで定まる光取り出し可能なエスケープコーン領域を広げることができ、光取り出し効率を向上させ、より高効率な直線偏光光源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では、アレイ状に形成された各ナノサイズのシート状結晶において、ｐ型層が、該結晶の成長に伴い、相互に隣接する結晶間が結合されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、各ナノサイズのシート状結晶に、共通のｐ型電極を容易に形成することができ、低コストかつ信頼性の高い直線偏光光源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ｐ型層とｐ型電極との間に透明導電膜を備え、この透明導電膜は活性層から発光された波長の光に対して、７０％以上の透過率および１ｋｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ以下のシート抵抗を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、高出力に適した縦型（結晶の相対する面にそれぞれｐ，ｎ電極を有するＬＥＤ構造とすることができ、より高出力な直線偏光光源を実現することができる。

本発明の半導体発光素子は、以上のように、基板上に、少なくともｐ型層、活性層、ｎ型層を有するウルツ構造の半導体結晶がｃ軸成長されて成る半導体発光素子において、少なくともｐ型層、活性層、ｎ型層がｃ軸成長されて成る前記ウルツ構造の半導体結晶を、基板から、ナノサイズの薄いシート（壁）状に立設する。

それゆえ、３層を積層した際、各層の格子定数の差による歪みは、前記シート（壁）の短手（厚さ）方向に対しては活性層がｐ型層およびｎ型層に比べて膨張することで緩和されており、長手（幅）方向に対しては前記膨張が困難なことから残存していることになり、ＨＨ帯はＬＨ帯に比べてエネルギーの高い位置にシフトし、ＨＨ帯へのキャリアの遷移が支配的になり、その結果、結晶のｃ軸に対して垂直な方向に直線偏光した発光が支配的になる。これによって、直線偏光を高い発光効率で得ることができる。しかも前記ナノサイズのシート状結晶は、従来の安定的な結晶成長技術を用いて、比較的容易かつ低コストに作成することができる。

図１は、本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子の構造を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の切断面線ｂ−ｂから見た断面図、（ｃ）は（ａ）の切断面線ｃ−ｃから見た断面図である。注目すべきは、本実施の形態の半導体発光素子では、図示しない基板上に、少なくともｎ型ＧａＮ層１、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層（活性層）２、ｐ型ＧａＮ層３から成るナノサイズの薄いシート（壁）状ＧａＮ結晶４が、多数立設されて構成されることである。前記シート状ＧａＮ結晶４は、ウルツ構造を有し、長手（幅）方向の軸が、ｍ軸またはａ軸に平行であり、ｃ軸成長されて成る。そして、たとえば長手方向の幅が１００ｎｍ、短手方向の厚さは１ｎｍ、高さは１μｍに、後述する従来からの安定的な結晶成長技術を用いて作成される。

したがって、注目すべきは、本実施の形態では、上述のような大きなアスペクト比の差を持たせてウルツ型結晶を成長させることで、図１（ｂ）で示すように、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層（活性層）２が、両側のｎ型ＧａＮ層１およびｐ型ＧａＮ層３よりも格子定数が大きいために、短手（厚み）方向では外部に膨出して、応力が緩和されているのに対して、図１（ｃ）で示すように、長手（幅）方向では、変形しておらず、その格子結晶の変形による応力緩和が許容されていないことである。このため、長手（幅）方向に大きな圧縮応力が残存している。なお、図１（ｂ）および図１（ｃ）における縞模様は、応力分布を示すものであり、ｎ型ＧａＮ層１からｐ型ＧａＮ層３への実際の積層状態を示すものではない。

ここで、図２に、前記ウルツ型ＧａＮ結晶のエネルギーバンド図を示す。図２（ａ）は、通常のｃ軸成長のプレーナ型のＧａＮ結晶を示し、ｃ軸まわりの対称性が高く、対称な応力が印加されている状態を示すものであり、図２（ｂ）は、上述のｃ軸成長のナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４を示し、非対称（２軸）な応力が印加されている状態を示すものである。上下の帯電帯ＣＢ−ＣＢ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）間の幅は、同じである。これらの図２（ａ）および図２（ｂ）において、図２（ｃ）で示すように、横軸は電子価数（ｋ）で、縦軸はエネルギーである。

このように、ウルツ構造の半導体結晶は、２つのエネルギーの高い価電子帯を有しており、これをＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）およびＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）帯と呼ぶ。ＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）帯から放出されるフォトンは、図１（ａ）において、参照符号１１〜１４で示すように結晶のｃ軸に対して垂直な方向で、電界に垂直な方向に直線偏光しており、ＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）帯から放出されるフォトンは、参照符号１５で示すように、結晶のｃ軸に対して平行な方向に直線偏光している。

そして、ホールはＣＢ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）帯から近いＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）帯に落ちる可能性が高いが、図２（ａ）で示すように、通常では２つの価電子帯ＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）およびＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）の頂点は略重なっており、それらのエネルギーギャップが室温での熱のエネルギー（２４ｍｅＶ）より近ければ、ホールはそれら２つの価電子帯ＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）およびＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）間を自由に行き来し、ホールにとっては一番エネルギーの低い所であるＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）帯にも落ちる。これによって、図１（ａ）において、参照符号１１〜１４で示すＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）帯によるｃ軸と垂直方向に伝播する光と、図１（ａ）において、参照符号１５で示すＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）帯によるｃ軸と平行方向に伝播する光とが混ざり合ってしまい、ランダム（無偏光）な光が出ることが非特許文献１（Intrinsic photoluminescence of M-plane GaN films on LiAlO₂substrates（J. Appl. Phys. 101, 053527 (2007); DOI:10.1063/1.2710355 Published 15 March 2007））で知られている。

ところが、図２（ｂ）で示すように、ＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）帯とＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）帯とのエネルギーギャップが開いていれば、伝導帯ＣＢからのキャリアの結合にはこのＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）帯のホールが用いられる。したがって、ｐ型ＧａＮ層３からｎ型ＧａＮ層１へ順方向バイアスを印加すると、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層（活性層）２から、前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４の高さ方向に偏光面を持ち、ｃ軸と垂直方向に伝播する偏光光が支配的に放出されることになる。したがって、ウルツ型結晶構造を有するＧａＮ結晶をｃ軸成長させるにあたって、上述のようにナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４として成長させ、非対称（２軸）な応力、特に圧縮応力を発生させておくことで、無印加時には縮退していた２つの価電子帯ＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）とＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）とは互いに分離し、ＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）帯はＬＨ（Ｅｐａｒａｌｌｅｌ）帯に比べて、前記室温でのエネルギーを超えた、かなりエネルギーの高い位置にシフトさせることができる。これによって、ＨＨ（Ｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）帯へのキャリアの遷移が支配的になり、その結果、図１（ａ）で示すように、ｃ軸と垂直方向に伝播する直線偏光した光１１〜１４を支配的に発光させることができる。

こうして、前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４によって、強い非対称（２軸）応力が印加されたｃ軸成長のＧａＮ結晶を実現することができ、その応力印加によるエネルギー帯の制御で、直線偏光（特定の極性のフォトン）を高い発光効率で得ることができる。しかも前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４は、従来の安定的な結晶成長技術を用いて、比較的容易かつ低コストに作成することができる。

また、前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４の長手（幅）方向の軸が、ｍ軸またはａ軸に平行であることで、安定的に結晶成長を行うことができるとともに、結晶構造に起因するメカニズムを有効に活用し、より強い直線偏光光源を実現することができる。さらにまた、前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４は、１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下の厚さに形成されることが好ましい。それは、１ｎｍ未満および３０ｎｍより大きいと、前記非対称応力が小さくなり、前記の直線偏光を得難くなるためである。

図３は、上述のように作成されるシート状ＧａＮ結晶４を用いる一例の半導体発光素子２１の作成手順を示す断面図である。この図３において、図１の構成に対応する部分には、同一の参照符号を付して示す。先ず、ＭＢＥ装置によって、図３（ａ）で示すように、ｃ面サファイア基板２２上に、ｎ型ＧａＮ層２３を４μｍ成長させる。

次に、このウェハ上に電子ビームリソグラフィを用いて、幅６０ｎｍ、長さはウェハ全長、ピッチ（ストライプ中心間）１００ｎｍのレジストから成るストライプラインパターンを形成する。これらのストライプパターンはサファイア基板２２のｍ軸に直交する方向に形成するものとする。その後、このウェハ上に電子ビーム蒸着によって、厚さ４０ｎｍのＣｒ薄膜を蒸着し、アセトンを用いたリフトオフによってストライプラインパターン以外の部分にＣｒ薄膜を転写すると、図３（ｂ）で示すように、幅７０ｎｍ、長さはウェハ全長、ピッチ（ストライプ中心間）１００ｎｍのウィンドウ部を有するＣｒ薄膜層２４が形成される。

前記Ｃｒ薄膜層２４を形成したウェハをＭＢＥ装置のチャンバーに入れ、Ｃｒ薄膜層２４のウィンドウ部に、図３（ｃ）で示すように、ｎ型ＧａＮ層１のナノシートアレイを形成する。それには、たとえば基板温度８２０℃、Ｇａビーム圧力３×１０^−７ｔｏｒｒ、ＲＦＮ_２プラズマ源４００Ｗ、Ｎ_２フロー１ｓｃｃｍの成長条件によって、１時間で、高さ５００ｎｍのｎ型ＧａＮ層１のナノシートアレイが形成される。引き続き、前記ｎ型ＧａＮ層１のナノシートアレイの上に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層（活性層）２を形成する。それには、たとえば基板温度６００℃、Ｉｎビーム圧力２×１０^−６ｔｏｒｒ、Ｇａビーム圧力８×１０^−８ｔｏｒｒ、ＲＦＮ_２プラズマ源４００Ｗ、Ｎ_２フロー１ｓｃｃｍの成長条件によって、３分で高さ３ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層が形成される。形状から明らかなように、このＩｎＧａＮ量子井戸層には、ナノシートの長軸方向（ｍ軸方向）に２軸性非対称応力が印加されることになる。なお、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層（活性層）２は、ＧａＮ層と前記ＩｎＧａＮ層とを複数層積層したものである。

その後、ｐ型ＧａＮ層３を形成する。それには、基板温度６５０℃、Ｇａビーム圧力３×１０^−７ｔｏｒｒ、Ｍｇビーム圧力１×１０^−６ｔｏｒｒの条件によって、前記ｐ型ＧａＮ層３から連続して、図３（ｄ）で示すように、上方に向かうにつれて徐々に幅が拡がってゆき、隣接するナノシート同士を結合した共通のｐ型プレーナＧａＮ層２５が形成される。

以後は、通常の電極形成工程によって、図３（ｅ）および図３（ｆ）で示すように、ｎ型電極２６、ｐ型電極２７を形成するが、ナノシート側面から光を取り出す場合は、透明導電膜（ＩＴＯなど）２８を前記ｐ型プレーナＧａＮ層２５上に積層する。なお、図２（ｆ）は前記ナノシートを長手方向で切った断面を示す。また、サファイア面から光を取り出す場合は、前記ｐ型プレーナＧａＮ層２５上に、前記透明導電膜層（ＩＴＯなど）２８に加えて反射層（Ａｇなど）を形成し、ｐ型電極２７の面から光を取り出す場合には、これらの図３（ｅ）および図３（ｆ）で示すように、ｐ型プレーナＧａＮ層２５上に、透明導電膜層（ＩＴＯなど）２８を形成し、さらにサファイア基板２２の裏面（ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４と相対する面）に、反射層（Ａｇなど）２９を形成する。

このようにして、サファイア基板２２上に、前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４から、半導体発光素子２１（発光ダイオード）を作成することができる。この半導体発光素子２１は、液晶のバックライトをはじめとする偏光発光光源として好適に用いることができ、現在安定的に実現されている結晶成長技術を用いて、かつ高効率な直線偏光発光光源を実現することにより、より顧客ニーズにマッチした高品質かつ低価格な液晶バックライトを実現することができる。

また、前記Ｃｒ薄膜層２４のパターニングは、前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４が、サファイア基板２２上に、複数のアレイ状に形成されるように行われる。これによって、更に高出力で小型の直線偏光光源を実現することができる。さらにまた、前記ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４は、２次元フォトニック結晶配列とされる。これによって、ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４の屈折率と大気の屈折率とで定まる光取り出し可能なエスケープコーン領域を広げることができ、光取り出し効率を向上させ、より高効率な直線偏光光源を実現することができる。

また、アレイ状に形成された各ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４において、ｐ型ＧａＮ層３が、該結晶４の成長に伴い、相互に隣接する結晶４間で結合されるので、各ナノサイズのシート状ＧａＮ結晶４に、共通のｐ型電極２７を容易に形成することができ、低コストかつ信頼性の高い直線偏光光源を実現することができる。さらにまた、前記ｐ型プレーナＧａＮ層２５上とｐ型電極２７との間に、透明導電膜層（ＩＴＯなど）２８を備え、この透明導電膜２８が活性層２から発光された波長の光に対して、７０％以上の透過率および１ｋｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ以下のシート抵抗を有することで、高出力に適した縦型（結晶４の相対する面にそれぞれｐ，ｎ電極を有するＬＥＤ構造とすることができ、より高出力な直線偏光光源を実現することができる。

上述の説明において、ナノサイズのシート状結晶４の材料として、ｐ型層３、活性層２、ｎ型層１が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮを例にとっているが、これに限定されることはなく、他にも、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＮなども用いることができる。これらのウルツ構造の半導体結晶の中でも、前記ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの材料は、ＨＨ帯とＬＨ帯との差が大きいので、好適である。また本発明は、発光ダイオードに限らず、低閾値電流密度をもつレーザダイオードへも応用が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子の構造を説明するための図である。ウルツ型ＧａＮ結晶のエネルギーバンド図である。本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子の作成手順を示す断面図である。従来技術の液晶のバックライト光源を説明するための模式的な断面図である。

符号の説明

１ｎ型ＧａＮ層
２ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層（活性層）
３ｐ型ＧａＮ層
４ナノサイズの薄いシート（壁）状ＧａＮ結晶
２１半導体発光素子
２２ｃ面サファイア基板
２３ｎ型ＧａＮ層
２４Ｃｒ薄膜層
２５ｐ型プレーナＧａＮ層
２６ｎ型電極
２７ｐ型電極
２８透明導電膜
２９反射層

Claims

基板上に、少なくともｐ型層、活性層、ｎ型層を有するウルツ構造の半導体結晶がｃ軸成長されて成る半導体発光素子において、
前記の各層による半導体結晶が、基板からナノサイズのシート状に立設されることを特徴とする半導体発光素子。
前記ナノサイズのシート状結晶の長手方向の軸が、ｍ軸またはａ軸に平行であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記ナノサイズのシート状結晶は、前記ｐ型層、活性層、ｎ型層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮから、それぞれ成ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
前記ナノサイズのシート状結晶は、１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下の厚さに形成され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。
前記ナノサイズのシート状結晶は、前記基板上に、複数のアレイ状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
前記ナノサイズのシート状結晶は、２次元フォトニック結晶配列となっていることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
アレイ状に形成された各ナノサイズのシート状結晶において、ｐ型層が、該結晶の成長に伴い、相互に隣接する結晶間が結合されている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。
前記ｐ型層とｐ型電極との間に透明導電膜を備え、この透明導電膜は活性層から発光された波長の光に対して、７０％以上の透過率および１ｋｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ以下のシート抵抗を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。