JP2011109050A - 棒状構造発光素子、棒状構造発光素子の製造方法、バックライト、照明装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で電極接続が容易にできる発光効率の高い微細な棒状構造発光素子を提供する。
【解決手段】断面円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア１１と、上記半導体コア１１の一部を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層１２とを備える。上記半導体コア１１の一部の外周面が露出している。
【選択図】図１

Description

この発明は、棒状構造発光素子、棒状構造発光素子の製造方法、バックライト、照明装置および表示装置に関する。

従来、棒状構造の発光素子としては、化合物半導体からなる棒状のコア部と、そのコア部を囲む化合物半導体からなる筒状のシェル部でヘテロ構造を形成したナノオーダーサイズのものがある(例えば、特開２００８−２３５４４３号公報(特許文献１)参照)。この発光素子は、コア部自体が活性層となり、外周面から注入された電子および正孔がコア部内で再結合して発光する。

上記発光素子と同様の製造方法を用いて、ｎ型半導体からなるコア部とｐ型半導体からなるシェル部とを有し、コア部の外周面とシェル部の内周面とのｐｎ接合部で電子および正孔が再結合して発光する棒状構造発光素子を製造した場合、コア部が両端面しか露出していないため、コア部と電極との接続が困難であるという問題がある。

特開２００８−２３５４４３号公報

そこで、この発明の課題は、簡単な構成で電極接続が容易にできる発光効率の高い微細な棒状構造発光素子および棒状構造発光素子の製造方法を提供することにある。

また、この発明の課題は、上記棒状構造発光素子を用いることにより薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを提供することにある。

また、この発明の課題は、上記棒状構造発光素子を用いることにより薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力な照明装置を提供することにある。

また、この発明の課題は、上記棒状構造発光素子を用いることにより薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力な表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の棒状構造発光素子は、
棒状の第１導電型の半導体コアと、
上記半導体コアを覆うように形成された第２導電型の半導体層と
を備え、
上記半導体コアの一部の外周面が露出していることを特徴とする。

上記構成によれば、棒状の第１導電型の半導体コアを覆うように、かつ、半導体コアの一部の外周面が露出するように第２導電型の半導体層を形成することによって、マイクロオーダーサイズやナノオーダーサイズの微細な棒状構造発光素子であっても、半導体コアの露出部分を一方の電極に接続し、半導体コアを覆う半導体層の部分に他方の電極を接続することが可能となる。この棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分に一方の電極を接続し、半導体層に他方の電極を接続して、半導体コアの外周面と半導体層の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。この棒状構造発光素子では、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高い。したがって、簡単な構成で電極接続が容易にできる発光効率の高い微細な棒状構造発光素子を実現できる。この棒状構造発光素子は、基板と一体でないので、装置への実装の自由度が高い。

ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体コアの一端側の外周面が露出している。

上記実施形態によれば、半導体コアの一端側の外周面が露出していることによって、半導体コアの一端側の外周面の露出部分に一方の電極を接続し、半導体コアの他端側の半導体層に電極を接続することが可能となり、両端に電極を離して接続でき、半導体層に接続する電極と半導体コアの露出部分が短絡するのを容易に防止できる。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体コアの他端側の端面を上記半導体層により覆っている。

上記実施形態によれば、半導体コアの他端側の端面を半導体層により覆っていることにより、半導体コアの露出領域と反対の側の端面を覆う半導体層の部分に、半導体コアと短絡させることなく電極を容易に接続できる。これにより、微細な棒状構造発光素子の両端に電極を容易に接続することが可能となる。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体層は、上記半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも上記半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚い。

上記実施形態によれば、半導体コアの他端側の端面を覆う半導体層側に接続する電極を、半導体コアとオーバーラップさせずに半導体層に接続することが可能になるため、電極が発光領域を遮るのを防ぎ、半導体コアの側面全体の光の取り出し効率を向上できる。または、半導体コアの他端側の端面を覆う半導体層側に接続する電極が、半導体コアとオーバーラップした場合であっても、オーバーラップ量を低減することができるので、光の取り出し効率を向上できる。また、上記半導体層は、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚いため、半導体コアの他端側の端面を覆う半導体層の部分の抵抗が高くなり、半導体コアの他端側に発光が集中せず、半導体コアの側面領域の発光を強めることができると共に、半導体コアの他端側の端面を覆う半導体層の部分におけるリーク電流を抑制できる。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体コアの露出領域の外周面が、上記半導体層に覆われた領域の最外周面の延長面と略一致している。

上記実施形態によれば、半導体コアの露出領域の外周面が、半導体層に覆われた領域の最外周面の延長面と略一致していることによって、微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して長手方向が平行になるように実装するとき、半導体層の外周面と半導体コアの外周面の露出部分との間に段差がないので、半導体コアの露出部分と電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体コアと上記半導体層との間に量子井戸層を形成した。

上記実施形態によれば、半導体コアと半導体層との間に量子井戸層を形成することによって、量子井戸層の量子閉じ込め効果により発光効率をさらに向上できる。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体コアの一端側の外周面が露出すると共に、
上記半導体コアの他端側の端面が上記半導体層により覆われており、
上記半導体コアと上記半導体層との間に形成された量子井戸層を備え、
上記量子井戸層は、上記半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも上記半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚い。

上記実施形態によれば、半導体コアの他端側の端面を覆う半導体層側に接続する電極を、半導体コアとオーバーラップさせずに半導体層に接続することが可能になるため、電極が発光領域を遮るのを防ぎ、半導体コアの側面全体の光の取り出し効率を向上できる。または、半導体コアの他端側の端面を覆う半導体層側に接続する電極が、半導体コアとオーバーラップした場合であっても、オーバーラップ量を低減することができるので、光の取り出し効率を向上できる。また、上記量子井戸層は、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚いため、半導体コアの他端側の電界集中を緩和でき、耐圧向上ならびに発光素子の寿命を改善できると共に、半導体コアの他端側の端面を覆う量子井戸層の部分におけるリーク電流を抑制できる。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体層を覆うように透明電極を形成した。

上記実施形態によれば、半導体層を覆うように透明電極を形成することによって、半導体層を透明電極を介して電極に接続することにより、電極接続部分に電流が集中して偏ることがなく、広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。

また、一実施形態の棒状構造発光素子では、
上記半導体コアはｎ型半導体からなると共に、
上記半導体層はｐ型半導体からなり、
上記透明電極は、上記半導体層の略全体を覆うように形成されている。

ｎ型半導体からなる半導体コアの外周面と、ｐ型半導体からなる半導体層の内周面との間のｐｎ接合部が形成された構成では、ｐ型半導体からなる半導体層が不純物濃度を上げにくく抵抗が大きいため、半導体層の一部に電極を接続した場合に電極接続部分に電流が集中して偏り、全体発光が阻害される。しかしながら、上記実施形態によれば、ｎ型半導体からなる半導体コアを覆うようにｐ型半導体からなる半導体層を形成した棒状構造発光素子において、半導体層の略全体を覆うように透明電極を形成することによって、半導体層を透明電極を介して電極に接続することにより、電極接続部分に電流が集中して偏ることがなく、広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。

また、この発明の棒状構造発光素子の製造方法では、
第１導電型の基板上に島状の触媒金属層を形成する触媒金属層形成工程と、
上記島状の触媒金属層が形成された上記基板上に、上記島状の触媒金属層と上記基板との界面から第１導電型の半導体を結晶成長させることにより棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
上記半導体コアの先端に上記島状の触媒金属層を保持した状態で、上記半導体コアの外周面および上記島状の触媒金属層と上記半導体コアとの界面からの結晶成長により上記半導体コアの表面を覆う第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
上記半導体コアの上記基板側の外周面を露出させる露出工程と、
上記露出工程において露出された露出部分を含む上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と
を有することを特徴とする。

ここで、「第１導電型の基板」は、第１導電型の半導体からなる基板であってもよいし、下地基板表面に第１導電型の半導体膜が形成されたものであってもよい。

上記構成によれば、第１導電型の基板上に島状の触媒金属層を形成した後、島状の触媒金属層が形成された基板上に、島状の触媒金属層と基板との界面から第１導電型の半導体を結晶成長させることにより棒状の第１導電型の半導体コアを形成する。その後、上記半導体コアの先端に島状の触媒金属層を保持した状態で、半導体コアの外周面および島状の触媒金属層と半導体コアとの界面からの結晶成長により半導体コアの表面を覆う第２導電型の半導体層を形成する。このとき、半導体コアの外周面よりも触媒金属層と半導体コアとの界面からの結晶成長が促進されるので、半導体層は、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚くなる。

次に、上記半導体コアの基板側の外周面を露出させた後、露出部分を含む半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離す。このようにして基板から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分に一方の電極を接続し、半導体層に他方の電極を接続して、半導体コアの外周面と半導体層の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。

上記島状の触媒金属層を除去せずに半導体コアの先端に島状の触媒金属層を保持した状態で、半導体コアの表面を覆うように第２導電型の半導体層を形成することによって、触媒金属層により結晶成長が促進されるので、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚い半導体層を容易に形成することができる。

このようにして、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造できる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。

また、この発明の棒状構造発光素子の製造方法では、
第１導電型の基板上に島状の触媒金属層を形成する触媒金属層形成工程と、
上記島状の触媒金属層が形成された上記基板上に、上記島状の触媒金属層と上記基板との界面から第１導電型の半導体を結晶成長させることにより棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
上記半導体コアの先端に上記島状の触媒金属層を保持した状態で、上記半導体コアの外周面および上記島状の触媒金属層と上記半導体コアとの界面からの結晶成長により上記半導体コアの表面を覆う量子井戸層を形成する量子井戸層形成工程と、
上記量子井戸層の表面を覆う第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
上記半導体コアの上記基板側の外周面を露出させる露出工程と、
上記露出工程において露出された露出部分を含む上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と
を有することを特徴とする。

上記構成によれば、第１導電型の基板上に島状の触媒金属層を形成した後、島状の触媒金属層が形成された基板上に、島状の触媒金属層と基板との界面から第１導電型の半導体を結晶成長させることにより棒状の第１導電型の半導体コアを形成する。その後、上記半導体コアの先端に島状の触媒金属層を保持した状態で、半導体コアの外周面および島状の触媒金属層と半導体コアとの界面からの結晶成長により半導体コアの表面を覆う量子井戸層を形成する。このとき、半導体コアの外周面よりも触媒金属層と半導体コアとの界面からの結晶成長が促進されるので、量子井戸層は、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚くなる。

次に、上記量子井戸層の表面を覆う第２導電型の半導体層を形成し、半導体コアの基板側の外周面を露出させる。上記半導体コアの基板側の外周面を露出させた後、露出部分を含む半導体コアを、例えば超音波により基板を振動させたり切断工具を用いたりして基板から切り離す。このようにして基板から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コアの露出部分に一方の電極を接続し、半導体層に他方の電極を接続して、半導体コアの外周面と半導体層の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。

上記島状の触媒金属層を除去せずに半導体コアの先端に島状の触媒金属層を保持した状態で、半導体コアの表面を覆うように量子井戸層を形成することによって、触媒金属層により結晶成長が促進されるので、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚い量子井戸層を容易に形成することができる。

このようにして、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造できる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。

また、この発明のバックライトでは、
上記のいずれか１つの棒状構造発光素子を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、上記棒状構造発光素子を用いることによって、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを実現できる。

また、この発明の照明装置では、
上記のいずれか１つの棒状構造発光素子を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、上記棒状構造発光素子を用いることによって、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力な照明装置を実現できる。

また、この発明の表示装置では、
上記のいずれか１つの棒状構造発光素子を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、上記棒状構造発光素子を用いることによって、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力な表示装置を実現できる。

以上より明らかなように、この発明の棒状構造発光素子によれば、簡単な構成で電極接続が容易にできる発光効率の高い微細な棒状構造発光素子および棒状構造発光素子の製造方法を実現することができる。

また、この発明のバックライトによれば、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを実現することができる。

また、この発明の照明装置によれば、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを実現することができる。

また、この発明の表示装置によれば、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを実現することができる。

図１はこの発明の第１実施形態の棒状構造発光素子の斜視図である。 図２はこの発明の第２実施形態の棒状構造発光素子の斜視図である。 図３はこの発明の第３実施形態の棒状構造発光素子の斜視図である。 図４はこの発明の第４実施形態の棒状構造発光素子の斜視図である。 図５は上記棒状構造発光素子の断面図である。 図６は上記棒状構造発光素子の電極接続を説明するための断面図である。 図７は他の断面六角形の棒状の棒状構造発光素子の斜視図である。 図８は他の断面六角形の棒状の棒状構造発光素子の斜視図である。 図９は他の断面六角形の棒状の棒状構造発光素子の斜視図である。 図１０は他の断面六角形の棒状の棒状構造発光素子の斜視図である。 図１１はこの発明の第５実施形態の棒状構造発光素子の断面図である。 図１２は上記棒状構造発光素子の要部の断面模式図である。 図１３は比較例の棒状構造発光素子の要部の断面模式図である。 図１４はこの発明の第６実施形態の棒状構造発光素子の断面図である。 図１５は上記棒状構造発光素子の要部の断面模式図である。 図１６は比較例の棒状構造発光素子の要部の断面模式図である。 図１７Ａはこの発明の第７実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１７Ｂは図１７Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１７Ｃは図１７Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１７Ｄは図１７Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１７Ｅは図１７Ｄに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１８Ａはこの発明の第８実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１８Ｂは図１８Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１８Ｃは図１８Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１８Ｄは図１８Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１８Ｅは図１８Ｄに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１９Ａはこの発明の第９実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１９Ｂは図１９Ａに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１９Ｃは図１９Ｂに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１９Ｄは図１９Ｃに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図１９Ｅは図１９Ｄに続く棒状構造発光素子の製造方法の工程図である。 図２０はこの発明の第１０実施形態の棒状構造発光素子を備えたバックライト、照明装置および表示装置に用いる絶縁性基板の平面図である。 図２１は図２０のXXI−XXI線から見た断面模式図である。 図２２は上記棒状構造発光素子を配列する原理を説明する図である。 図２３は上記棒状構造発光素子を配列するときに電極に与える電位を説明する図である。 図２４は上記棒状構造発光素子を配列した絶縁性基板の平面図である。 図２５は上記表示装置の平面図である。 図２６は上記表示装置の表示部の要部の回路図である。

以下、この発明の棒状構造発光素子、棒状構造発光素子の製造方法、バックライト、照明装置および表示装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。なお、この実施の形態では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としたが、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよい。

〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態の棒状構造発光素子の斜視図を示している。この第１実施形態の棒状構造発光素子は、図１に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア１１と、上記半導体コア１１の一部を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層１２とを備えている。上記半導体コア１１は、一端側の外周面が露出する露出部分１１aが形成されている。また、半導体コア１１の他端側の端面は、半導体層１２に覆われている。

上記棒状構造発光素子は、次のように製造する。

まず、ｎ型ＧaＮからなる基板上に、成長穴を有するマスクを形成する。マスクには、酸化シリコン(ＳiＯ₂)あるいは窒化シリコン(Ｓi₃Ｎ₄)など半導体コア１１および半導体層１２に対して選択的にエッチング可能な材料を用いる。成長穴の形成は、通常の半導体プロセスに使用する公知のリソグラフィー法とドライエッチング法が利用できる。

次に、マスクの成長穴により露出した基板上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア１１を形成する。ＭＯＣＶＤ装置の温度を９５０℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ₃)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ₃)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コアを成長させることができる。この際、成長する半導体コア１１の直径は、上記マスクの成長穴の径で決めることができる。

次に、棒状の半導体コア１１を覆うように基板全面にｐ型ＧaＮからなる半導体層を形成する。ＭＯＣＶＤ装置の温度を９６０℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を、ｐ型不純物供給用にビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Ｃp₂Ｍg)を用いることによってマグネシウム(Ｍg)を不純物とするｐ型ＧaＮを成長させることができる。

次に、リフトオフにより半導体層のうち半導体コアを覆う部分を除く領域とマスクを除去して、棒状の半導体コア１１の基板側の外周面を露出させて露出部分１１aを形成する。この状態で、上記半導体コア１１の基板と反対の側の端面は、半導体層１２により覆われている。マスクが酸化シリコン(ＳiＯ₂)あるいは窒化シリコン(Ｓi₃Ｎ₄)で構成されている場合、フッ酸(ＨＦ)を含んだ溶液を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができ、マスクとともにマスク上の半導体層(半導体層のうち半導体コアを覆う部分を除く領域)をリフトオフにより除去することができる。この実施形態においては、除去されたマスクの膜厚によって、半導体コア１１の露出部分１１aの長さが決まる。この実施形態の露出工程では、リフトオフを用いたがエッチングにより半導体コアの一部を露出させてもよい。

次に、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板を基板平面に沿って振動させることにより、基板上に立設する半導体コア１１の基板側に近い根元を折り曲げるように、半導体層１２に覆われた半導体コア１１に対して応力が働いて、半導体層１２に覆われた半導体コア１１が基板から切り離される。

こうして、ｎ型ＧaＮからなる基板から切り離なされた微細な棒状構造発光素子を製造することができる。

さらに、上記棒状構造発光素子は、半導体層１２が半導体コア１１の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層１２により半導体コア１１を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。

上記構成の棒状構造発光素子によれば、棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア１１を覆うように、かつ、半導体コア１１の一部の外周面が露出するようにｐ型ＧaＮからなる半導体層１２を形成することによって、マイクロオーダーサイズやナノオーダーサイズの微細な棒状構造発光素子であっても、半導体コア１１の露出部分１１aをｎ側電極に接続し、半導体コア１１を覆う半導体層１２の部分にｐ側電極を接続することが可能となる。この棒状構造発光素子は、半導体コア１１の露出部分１１aにｎ側電極を接続し、半導体層１２にｐ側電極を接続して、半導体コア１１の外周面と半導体層１２の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるようにｐ側電極からｎ側電極に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。この棒状構造発光素子では、半導体層１２で覆われた半導体コア１１の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高い。したがって、簡単な構成で電極接続が容易にできる発光効率の高い微細な棒状構造発光素子を実現することができる。また、上記棒状構造発光素子は、基板と一体でないので、装置への実装の自由度が高い。

ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍ〜３０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。

また、上記半導体コア１１の一端側の外周面が、例えば軸方向に１μｍ〜５μｍ程度露出していることによって、半導体コア１１の一端側の外周面の露出部分１１aに一方の電極を接続し、半導体コア１１の他端側の半導体層１２に電極を接続することが可能となり、両端に電極を離して接続でき、半導体層１２に接続する電極と半導体コア１１の露出部分が短絡するのを容易に防止することができる。

また、上記半導体コア１１の他端側の端面を半導体層１２により覆っていることにより、半導体コア１１の露出部分１１aと反対の側の端面を覆う半導体層１２の部分に、半導体コア１１と短絡させることなくｐ側電極を容易に接続できる。これにより、微細な棒状構造発光素子の両端に電極を容易に接続することが可能となる。

また、上記半導体コア１１の半導体層１２に覆われた領域の外周面と半導体コア１１の露出領域の外周面とが連続していることによって、半導体コア１１の露出領域が半導体層１２の外径よりも細くなっているので、製造工程において基板上に立設するように形成された半導体コア１１の露出領域の基板側で折れやすくなり、製造が容易になる。

〔第２実施形態〕
図２はこの発明の第２実施形態の棒状構造発光素子の斜視図を示している。この第２実施形態の棒状構造発光素子は、図２に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア２１と、上記半導体コア２１の一部を覆うように形成されたｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層２２と、上記量子井戸層２２を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層２３とを備えている。上記半導体コア２１は、一端側の外周面が露出する露出部分２１aが形成されている。また、半導体コア２１の他端側の端面は、量子井戸層２２と半導体層２３に覆われている。

上記第２実施形態の棒状構造発光素子では、第１実施形態の棒状構造発光素子と同様に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧaＮからなる基板上にｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア２１を形成する。

上記第２実施形態の棒状構造発光素子は、第１実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

また、上記半導体コア２１と半導体層２３との間に量子井戸層２２を形成することによって、量子井戸層２２の量子閉じ込め効果により発光効率をさらに向上できる。ＭＯＣＶＤ装置内で前述のようにｎ型ＧａＮの半導体コアを成長させた後、発光波長に応じて設定温度を６００℃から８００℃に変更し、キャリアガスに窒素(Ｎ₂)、成長ガスにＴＭＧおよびＮＨ₃、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を供給することで、ｎ型ＧaＮの半導体コア２１上にＩnＧaＮ量子井戸層２２を形成することができる。その後、さらに設定温度を９６０℃にし、前述のように、成長ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ₃を使用し、ｐ型不純物供給用にＣp₂Ｍgを用いることによって、ｐ型ＧaＮからなる半導体層２３を形成することができる。なお、この量子井戸層は、ＩnＧaＮ層とｐ型ＧaＮ層の間に電子ブロック層としてｐ型ＡlＧaＮ層を入れてもよい、また、ＧaＮの障壁層とＩnＧaＮの量子井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよい。

〔第３実施形態〕
図３はこの発明の第３実施形態の棒状構造発光素子の斜視図を示している。この第３実施形態の棒状構造発光素子は、図３に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア１１と、上記半導体コア１１の一部を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層１２と、上記半導体層１２を覆うように形成された透明電極１３とを備えている。上記半導体コア１１は、一端側の外周面が露出する露出部分１１aが形成されている。また、半導体コア１１の他端側の端面は、半導体層１２と透明電極１３に覆われている。上記透明電極１３は、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ(錫添加酸化インジウム)により形成されている。ＩＴＯの成膜は蒸着法あるいはスパッタ法を用いることができる。ＩＴＯ膜を成膜後、５００℃から６００℃で熱処理を行うことで、ｐ型ＧaＮからなる半導体層１２とＩＴＯからなる透明電極１３のコンタクト抵抗をさげることができる。なお、透明電極は、これに限らず、例えば厚さ５ｎｍのＡg／Ｎiの積層金属膜などを用いてもよい。成膜には蒸着法あるいはスパッタ法を用いることができる。より電極層の抵抗を下げるために、上記ＩＴＯ膜上にＡg／Ｎiの積層金属膜を積層してもよい。

上記第３実施形態の棒状構造発光素子では、第１実施形態の棒状構造発光素子と同様に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧaＮからなる基板上にｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア１１を形成する。

上記第３実施形態の棒状構造発光素子は、第１実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

また、上記半導体層１２の略全体を覆うように透明電極１３を形成することによって、半導体層１２を透明電極１３を介して電極に接続することにより、電極接続部分に電流が集中して偏ることがなく、広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。特に、ｎ型半導体からなる半導体コアとｐ型半導体からなる半導体層の構成では、ｐ型半導体からなる半導体層が不純物濃度を上げにくく抵抗が大きいが、透明電極により広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。

〔第４実施形態〕
図４はこの発明の第４実施形態の棒状構造発光素子の斜視図を示している。この第４実施形態の棒状構造発光素子は、図４に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア２１と、上記半導体コア２１の一部を覆うように形成されたｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層２２と、上記量子井戸層２２を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層２３と、上記半導体層２３を覆うように形成された透明電極２４とを備えている。上記半導体コア２１は、一端側の外周面が露出する露出部分２１aが形成されている。また、図５の断面図に示すように、半導体コア２１の他端側の端面は、量子井戸層２２と半導体層２３と透明電極２４に覆われている。これにより、透明電極２４の半導体コア２１の露出部分２１aと反対の側の端に電極(または配線)を接続することにより、その電極と半導体コア２１とが短絡するのを容易に防止できると共に、透明電極２４に接続される電極(または配線)を太く、あるいは断面積を大きくできるので、電極(または配線)を介して熱を効率よく放熱できる。

また、上記棒状構造発光素子は、図６に示すように、半導体コア２１の露出部分２１aにｎ側電極２５を接続し、他端側の透明電極２４にｐ側電極２６を接続している。ｐ側電極２６が透明電極２４の端に接続されているので、発光領域を電極で遮る面積を最小限にでき、光の取り出し効率を高めることができる。

上記第４実施形態の棒状構造発光素子では、第１実施形態の棒状構造発光素子と同様に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧaＮからなる基板上にｎ型ＧaＮを結晶成長させて棒状の半導体コア２１を形成する。

上記第４実施形態の棒状構造発光素子は、第２実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

また、上記半導体層２３の略全体を覆うように透明電極２４を形成することによって、半導体層２３を透明電極２４を介してｐ側電極２６に接続することにより、電極接続部分に電流が集中して偏ることがなく、広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。特に、ｎ型半導体からなる半導体コアとｐ型半導体からなる半導体層の構成では、ｐ型半導体からなる半導体層が不純物濃度を上げにくく抵抗が大きいが、透明電極により広い電流経路を形成して、素子全体を発光させることができ、発光効率がさらに向上する。

上記第１〜第４実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを用いたが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。ｎ型ではＧe、ｐ型ではＺnなどを用いることができる。

なお、上記第１〜第４実施形態では、断面ほぼ円形の棒状の半導体コア１１,２１に半導体層や量子井戸層を被覆した棒状構造発光素子について説明したが、例えば断面ほぼ六角形などの他の多角形の棒状の半導体コアに半導体層や量子井戸層などを被覆した棒状構造発光素子についてこの発明を適用してもよい。ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、基板表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、ほぼ六角柱形状の半導体コアが得られる。成長方向や成長温度などの成長条件に依存するが、成長させる半導体コアの直径が数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度の小さい場合に断面がほぼ円形に近い形状になりやすい傾向があり、直径が０．５μｍ程度から数μｍに大きくなると断面がほぼ六角形で成長させることが容易になる傾向がある。

例えば、図７に示すように、断面ほぼ六角形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア３１と、上記半導体コア３１の一部を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層３２とを備えている。上記半導体コア３１は、一端側の外周面が露出する露出部分３１aが形成されている。また、半導体コア３１の他端側の端面は、半導体層３２に覆われている。

また、図８に示すように、断面ほぼ六角形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア４１と、上記半導体コア４１の一部を覆うように形成された量子井戸層４２と、上記量子井戸層４２を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層４３とを備えている。上記半導体コア４１は、一端側の外周面が露出する露出部分４１aが形成されている。また、半導体コア４１の他端側の端面は、量子井戸層４２と半導体層４３に覆われている。

また、図９に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア３１と、上記半導体コア３１の一部を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層３２と、上記半導体層３２を覆うように形成されたＩＴＯからなる透明電極３３とを備えている。上記半導体コア３１は、一端側の外周面が露出する露出部分３１aが形成されている。また、半導体コア３１の他端側の端面は、半導体層３２と透明電極３３に覆われている。

また、図１０に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア４１と、上記半導体コア４１の一部を覆うように形成されたｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層４２と、上記量子井戸層４２を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層４３と、上記半導体層４３を覆うように形成されたＩＴＯからなる透明電極４４とを備えている。上記半導体コア４１は、一端側の外周面が露出する露出部分４１aが形成されている。また、図５に示すように、半導体コア４１の他端側の端面は、量子井戸層４２と半導体層４３と透明電極４４に覆われている。

〔第５実施形態〕
図１１はこの発明の第５実施形態の棒状構造発光素子の断面図を示している。この第５実施形態の棒状構造発光素子は、図１１に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア５１と、上記半導体コア５１の一部を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層５２とを備えている。上記半導体コア５１は、一端側の外周面が露出する露出部分５１aが形成されている。また、半導体コア５１の他端側の端面は、半導体層５２に覆われている。

上記半導体層５２は、半導体コア５１の外周面を覆う部分５２bの径方向の厚さよりも半導体コア５１の他端側の端面を覆う部分５２aの軸方向の厚さが厚くなるように形成されている。

図１２は上記棒状構造発光素子の要部の断面模式図を示しており、半導体層５２において、半導体コア５１の外周面を覆う部分５２bの径方向の厚さＴ１よりも半導体コア５１の他端側の端面を覆う部分５２aの軸方向の厚さＴ２が厚くなっている。

これにより、半導体コア５１の他端側の端面を覆う半導体層５２側に接続する電極５３を、半導体コア５１とオーバーラップさせずに半導体層５２に接続できるため、半導体コア５１の側面全体の光の取り出し効率を向上できる。または、半導体コア５１の他端側の端面を覆う半導体層５２側に接続する電極５３が、半導体コア５１とオーバーラップした場合であっても、オーバーラップ量を低減することができるので、光の取り出し効率を向上できる。また、上記半導体層５２は、半導体コア５１の外周面を覆う部分５２bの径方向の厚さＴ１よりも半導体コア５１の他端側の端面を覆う部分５２aの軸方向の厚さＴ２が厚いため、半導体コア５１の他端側の端面を覆う半導体層５２の部分５２aの抵抗が高くなり、半導体コア５１の他端側に発光が集中せず、半導体コア５１の側面領域の発光を強めることができると共に、半導体コア５１の他端側の端面を覆う半導体層５２の部分５２aにおけるリーク電流を抑制できる。

これに対して、例えば、図１３の比較例の棒状構造発光素子の要部の断面模式図に示すように、半導体層１０５２において、半導体コア１０５１の外周面を覆う部分１０５２bの径方向の厚さＴ１１と、半導体コア１０５１の他端側の端面を覆う部分１０５２aの軸方向の厚さＴ１２がほぼ同じ厚さとなっている場合、半導体コア１０５１の他端側に発光が集中して、半導体コア１０５１の側面領域の発光が低下したり、半導体コア１０５１の他端側の端面を覆う半導体層１０５２の部分１０５２aにおいてリーク電流が発生したりする可能性がある。また、電極１０５３が半導体コア１０５１と大きくオーバーラップするので、光の取り出し効率が低くなる。

上記第５実施形態の棒状構造発光素子は、第１実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

〔第６実施形態〕
図１４はこの発明の第６実施形態の棒状構造発光素子の断面図を示している。この第６実施形態の棒状構造発光素子は、図２に示すように、断面ほぼ円形の棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア６１と、上記半導体コア６１の一部を覆うように形成されたｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層６２と、上記量子井戸層６２を覆うように形成されたｐ型ＧaＮからなる半導体層６３とを備えている。上記半導体コア６１は、一端側の外周面が露出する露出部分６１aが形成されている。また、半導体コア６１の他端側の端面は、量子井戸層６２と半導体層６３に覆われている。

上記量子井戸層６２は、半導体コア６１の外周面を覆う部分６２bの径方向の厚さよりも半導体コア６１の他端側の端面を覆う部分６２aの軸方向の厚さが厚くなるように形成されている。

図１５は上記棒状構造発光素子の要部の断面模式図を示しており、量子井戸層６２において、半導体コア６１の外周面を覆う部分６２bの径方向の厚さＴ２１よりも半導体コア６１の他端側の端面を覆う部分６２aの軸方向の厚さＴ２２が厚くなっている。

これにより、半導体コア６１の他端側の端面を覆う半導体層６３側に接続する電極６４を、半導体コア６１とオーバーラップさせずに半導体層６３に接続できるため、半導体コア６１の側面全体の光の取り出し効率を向上できる。または、半導体コア６１の他端側の端面を覆う半導体層６３側に接続する電極６４が、半導体コア６１とオーバーラップした場合であっても、オーバーラップ量を低減することができるので、光の取り出し効率を向上できる。また、上記量子井戸層６２は、半導体コア６１の外周面を覆う部分６２bの径方向の厚さＴ２１よりも半導体コア６１の他端側の端面を覆う部分６２aの軸方向の厚さＴ２２が厚いため、半導体コア６１の他端側の角部に発生する電界集中を緩和でき、耐圧向上ならびに発光素子の寿命を改善できると共に、半導体コア６１の他端側の端面を覆う量子井戸層６２の部分６２aにおけるリーク電流を抑制できる。

これに対して、例えば、図１６の比較例の棒状構造発光素子の要部の断面模式図に示すように、量子井戸層１０６２において、半導体コア１０６１の外周面を覆う部分１０６２bの径方向の厚さＴ３１と、半導体コア１０５１の他端側の端面を覆う部分１０５２aの軸方向の厚さＴ３２がほぼ同じ厚さとなっている場合、半導体コア６１の他端側の角部に電界集中が生じて耐圧が低下したり、半導体コア１０６１の他端側の端面を覆う量子井戸層１０６２の部分１０６２aにおいてリーク電流が発生したりする可能性がある。また、電極１０６４が半導体コア１０６１と大きくオーバーラップするので、光の取り出し効率が低くなる。

上記第６実施形態の棒状構造発光素子は、第１実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

〔第７実施形態〕
図１７Ａ〜図１７Ｅはこの発明の第７実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図を示している。この実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを用いるが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。

まず、図１７Ａに示すように、ｎ型ＧaＮからなる基板７０上に、島状の触媒金属層７５を形成する(触媒金属層形成工程)。この触媒金属層には、Ga,Ｎ,Ｉn,Ａlなどの化合物半導体材料並びにＳi,Ｍgなどの不純物材に対して、これらを溶解して取り込み、かつ自身とは化合物を形成しにくいＮi,Ｆe,Ａuなどの材料が使用できる。島状のパターンの形成は、基板７０上に触媒金属層を厚さ１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度形成した後、リソグラフィー法とドライエッチングにより、半導体コアを成長させるべき、直径１μｍ程度の島状に適宜間隔を開けてパターニングする。

次に、図１７Ｂに示すように、上記島状の触媒金属層７５が形成された基板７０上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、島状の触媒金属層７５と基板７０との界面からｎ型のＧaＮを結晶成長させることにより棒状のｎ型のＧaＮからなる半導体コア７１を形成する(半導体コア形成工程)。成長温度を８００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ₄)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ₂)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コア７１を成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、基板７０表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の半導体コアが得られる。

次に、図１７Ｃに示すように、半導体コア７１の先端に島状の触媒金属層７５を保持した状態で、半導体コア７１の外周面および触媒金属層７５と半導体コア７１との界面からの結晶成長により半導体コア７１の表面を覆うｐ型のＧaＮからなる半導体層７２を形成する(半導体層形成工程)。この半導体層形成工程では、形成温度を９００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を、ｐ型不純物供給用にビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Ｃp₂Ｍg)を用いることによってマグネシウム(Ｍg)を不純物とするｐ型ＧaＮを成長させることができる。

次に、図１７Ｄに示すように、ドライエッチングにより半導体コア７１の基板７０の外周面を露出させる(露出工程)。このとき、島状の触媒金属層７５を除去すると共に、半導体コア７１の上端の一部が除去されるが、半導体層７２において、半導体コア７１の外周面を覆う部分７２bの径方向の厚さよりも半導体コア７１の他端側の端面を覆う部分７２aの軸方向の厚さが厚くなっている。この露出工程では、ドライエッチングのＲＩＥ(Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング)にＳiＣl₄を用いることにより、容易にＧaＮに異方性を持ってエッチングすることができる。

次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板７０を基板平面に沿って振動させることにより、基板７０上に立設する半導体コア７１の基板７０側に近い根元を折り曲げるように、半導体層７２に覆われた半導体コア７１に対して応力が働いて、図１７Ｅに示すように、半導体層７２に覆われた半導体コア７１が基板７０から切り離される。

こうして、基板７０から切り離なされた微細な棒状構造発光素子を製造することができる。この第７実施形態では、棒状構造発光素子の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている(図１７Ａ〜図１７Ｅでは図を見やすくするために棒状構造発光素子の長さを短く描いている)。

さらに、上記棒状構造発光素子は、半導体層７２が半導体コア７１の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層７２により半導体コア７１を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。

このようにして基板７０から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コア７１の露出部分７１aに一方の電極を接続し、半導体層７２に他方の電極を接続して、半導体コア７１の外周面と半導体層７２の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。

上記半導体層形成工程において、島状の触媒金属層７５を除去せずに半導体コア７１の先端に島状の触媒金属層７５を保持した状態で、半導体コア７１の表面を覆うｐ型の半導体層７２を形成することによって、半導体コア７１の外周面よりも触媒金属層７５と半導体コア７１との界面からの結晶成長が促進されるので、半導体コア７１の外周面を覆う部分７２bの径方向の厚さよりも半導体コア７１の他端側の端面を覆う部分７２aの軸方向の厚さが厚い半導体層７２を容易に形成することができる。

上記棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造することができる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。

なお、半導体層７２を形成する半導体層形成工程の前に、島状の触媒金属層７５を除去せずに半導体コア７１の先端に島状の触媒金属層７５を保持した状態で、半導体コア７１の表面を覆うように量子井戸層を形成してもよい。これによって、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚い量子井戸層を容易に形成することができる。

上記第７実施形態の棒状構造発光素子は、第５実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

また、上記半導体層７２において、半導体コア７１の外周面を覆う部分７２bの径方向の厚さよりも半導体コア７１の他端側の端面を覆う部分７２aの軸方向の厚さを厚くすることによって、半導体コア７１の他端側の端面を覆う半導体層７２側に接続する電極を、半導体コア７１の他端側の端面の位置までオーバーラップせずに半導体層７２の部分７２aのみに接続することが可能になるため、半導体コア７１の側面全体の光の取り出し効率を向上できる。また、上記半導体層７２は、半導体コア７１の外周面を覆う部分７２bの径方向の厚さよりも半導体コア７１の他端側の端面を覆う部分７２aの軸方向の厚さが厚いため、半導体コア７１の他端側の端面を覆う半導体層７２の部分７２aの抵抗が高くなり、半導体コア７１の他端側に発光が集中せず、半導体コア７１の側面領域の発光を強めることができると共に、半導体コア７１の他端側の端面を覆う半導体層７２の部分７２aにおけるリーク電流を抑制できる。

〔第８実施形態〕
図１８Ａ〜図１８Ｄはこの発明の第８実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図を示している。この実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを用いるが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。

まず、図１８Ａに示すように、下地基板８０上に、ｎ型ＧaＮからなる半導体膜８４を形成し、その半導体膜８４上に島状の触媒金属層８５を形成する(触媒金属層形成工程)。この触媒金属層には、Ga,Ｎ,Ｉn,Ａlなどの化合物半導体材料並びにＳi,Ｍgなどの不純物材に対して、これらを溶解して取り込み、かつ自身とは化合物を形成しにくいＮi,Ｆe,Ａuなどの材料が使用できる。島状のパターンの形成は、半導体膜８４上に触媒金属層を厚さ１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度形成した後、リソグラフィー法とドライエッチングにより、半導体コアを成長させるべき、直径１μｍ程度の島状に適宜間隔を開けてパターニングする。

次に、図１８Ｂに示すように、上記島状の触媒金属層８５が形成された半導体膜８４上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、島状の触媒金属層８５と半導体膜８４との界面からｎ型のＧaＮを結晶成長させることにより棒状のｎ型のＧaＮからなる半導体コア８１を形成する (半導体コア形成工程)。成長温度を８００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ₄)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ₂)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コア８１を成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、半導体膜８４表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の半導体コアが得られる。

次に、図１８Ｃに示すように、半導体コア８１の先端に島状の触媒金属層８５を保持した状態で、半導体コア８１の外周面および触媒金属層８５と半導体コア８１との界面からの結晶成長により半導体コア８１の表面を覆うｐ型の半導体層８２を形成する(半導体コア形成工程)。この半導体層形成工程では、形成温度を９００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を、ｐ型不純物供給用にビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Ｃp₂Ｍg)を用いることによってマグネシウム(Ｍg)を不純物とするｐ型ＧaＮを成長させることができる。

次に、図１８Ｄに示すように、ドライエッチングにより下地基板８０表面および半導体コア８１の下地基板８０の外周面を露出させる(露出工程)。このとき、島状の触媒金属層８５を除去すると共に、半導体コア８１の上端の一部が除去されるが、半導体層８２において、半導体コア８１の外周面を覆う部分８２bの径方向の厚さよりも半導体コア８１の他端側の端面を覆う部分８２aの軸方向の厚さが厚くなっている。この露出工程では、ドライエッチングのＲＩＥにＳiＣl₄を用いることにより、容易にＧaＮに異方性を持ってエッチングすることができる。

次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて下地基板８０を基板平面に沿って振動させることにより、下地基板８０上に立設する半導体コア８１の下地基板８０側に近い根元を折り曲げるように、半導体層８２に覆われた半導体コア８１に対して応力が働いて、図１８Ｅに示すように、半導体層８２に覆われた半導体コア８１が下地基板８０から切り離される。

こうして、下地基板８０から切り離なされた微細な棒状構造発光素子を製造することができる。この第８実施形態では、棒状構造発光素子の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている(図１８Ａ〜図１８Ｅでは図を見やすくするために棒状構造発光素子の長さを短く描いている)。

さらに、上記棒状構造発光素子は、半導体層８２が半導体コア８１の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層８２により半導体コア８１を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。

このようにして下地基板８０から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コア８１の露出部分８１aに一方の電極を接続し、半導体層８２に他方の電極を接続して、半導体コア８１の外周面と半導体層８２の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。

上記半導体層形成工程において、島状の触媒金属層８５を除去せずに半導体コア８１の先端に島状の触媒金属層８５を保持した状態で、半導体コア８１の表面を覆うｐ型の半導体層８２を形成することによって、半導体コア８１の外周面よりも触媒金属層８５と半導体コア８１との界面からの結晶成長が促進されるので、半導体コア８１の外周面を覆う部分８２bの径方向の厚さよりも半導体コア８１の他端側の端面を覆う部分８２aの軸方向の厚さが厚い半導体層８２を容易に形成することができる。

上記棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造することができる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。

また、半導体層８２の外周面と半導体コア８１の露出部分８１aの外周面とが段差なく連続しているので、切り離し後の微細な棒状構造発光素子を、電極が形成された絶縁性基板上に基板平面に対して軸方向が平行になるように実装するとき、半導体層８２の外周面と半導体コア８１の露出部分８１aの外周面との間に段差がないので、半導体コア８１の露出部分８１aと電極とを確実かつ容易に接続することが可能となる。

なお、半導体層８２を形成する半導体層形成工程の前に、島状の触媒金属層８５を除去せずに半導体コア８１の先端に島状の触媒金属層８５を保持した状態で、半導体コア８１の表面を覆うように量子井戸層を形成してもよい。これによって、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚い量子井戸層を容易に形成することができる。

上記第８実施形態の棒状構造発光素子は、第５実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

また、上記半導体層８２において、半導体コア８１の外周面を覆う部分８２bの径方向の厚さよりも半導体コア８１の他端側の端面を覆う部分８２aの軸方向の厚さを厚くすることによって、半導体コア８１の他端側の端面を覆う半導体層８２側に接続する電極を、半導体コア８１の他端側の端面の位置までオーバーラップせずに半導体層８２の部分８２aのみに接続することが可能になるため、半導体コア８１の側面全体の光の取り出し効率を向上できる。また、上記半導体層８２は、半導体コア８１の外周面を覆う部分８２bの径方向の厚さよりも半導体コア８１の他端側の端面を覆う部分８２aの軸方向の厚さが厚いため、半導体コア８１の他端側の端面を覆う半導体層８２の部分８２aの抵抗が高くなり、半導体コア８１の他端側に発光が集中せず、半導体コア８１の側面領域の発光を強めることができると共に、半導体コア８１の他端側の端面を覆う半導体層８２の部分８２aにおけるリーク電流を抑制できる。

〔第９実施形態〕
図１９Ａ〜図１９Ｅはこの発明の第９実施形態の棒状構造発光素子の製造方法の工程図を示している。この実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを用いるが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。

まず、図１９Ａに示すように、ｎ型ＧaＮからなる基板９０上に、成長穴９４aを有するマスク９４を形成する。マスク９４には、酸化シリコン(ＳiＯ₂)あるいは窒化シリコン(Ｓi₃Ｎ₄)など半導体コアおよび半導体層に対して選択的にエッチング可能な材料を用いることができる。成長穴９４aの形成は、通常の半導体プロセスに使用する公知のリソグラフィー法とドライエッチング法が利用できる。この際、成長する半導体コアの径はマスク９４の成長穴９４aのサイズに依存する。

次に、マスク９４の成長穴９４aにより露出した基板９０上に、島状の触媒金属層９５を形成する(触媒金属層形成工程)。この触媒金属層には、Ga,Ｎ,Ｉn,Ａlなどの化合物半導体材料並びにＳi,Ｍgなどの不純物材に対して、これらを溶解して取り込み、かつ自身とは化合物を形成しにくいＮi,Ｆe,Ａuなどの材料が使用できる。成長穴９４ａに露出した基板９０上への島状の触媒金属層９５は、上記成長穴９４ａをリソグラフィー法とドライエッチング法により形成するときに用いたレジスト(図示せず)をマスク９４上に残したまま、上記レジストおよび基板９０上に触媒金属層を厚さ１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度形成し、リフトオフ法により、上記レジストとともにレジスト上の触媒金属層を除去することによって得られる。

次に、図１９Ｂに示すように、上記島状の触媒金属層９５が形成された基板９０上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、島状の触媒金属層９５と基板９０との界面からｎ型のＧaＮを結晶成長させることにより棒状のｎ型のＧaＮからなる半導体コア９１を形成する(半導体コア形成工程)。成長温度を８００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ₄)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ₂)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コア９１を成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、基板９０表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の半導体コアが得られる。

次に、図１９Ｃに示すように、半導体コア９１の先端に島状の触媒金属層９５を保持した状態で、半導体コア９１の外周面および触媒金属層９５と触媒金属層９５との界面からの結晶成長により半導体コア９１の表面を覆うｐ型の半導体層９２を形成する(半導体層形成工程)。この半導体層形成工程では、形成温度を９００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ₃)を、ｐ型不純物供給用にビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Ｃp₂Ｍg)を用いることによってマグネシウム(Ｍg)を不純物とするｐ型ＧaＮを成長させることができる。

次に、図１９Ｄに示すように、露出工程において、エッチングにより半導体層９２の半導体コア９１を覆う部分を除く領域とマスク９４(図１９Ｃに示す)を除去して、棒状の半導体コア９１の基板９０側の外周面を露出させて露出部分９１aを形成する。この状態で、島状の触媒金属層９５を除去すると共に、半導体コア９１の上端の一部が除去されるが、半導体層９２において、半導体コア９１の外周面を覆う部分９２bの径方向の厚さよりも半導体コア９１の他端側の端面を覆う部分９２aの軸方向の厚さが厚くなっている。

マスクが酸化シリコン(ＳiＯ₂)あるいは窒化シリコン(Ｓi₃Ｎ₄)で構成されている場合、フッ酸(ＨＦ)を含んだ溶液を用いることにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができ、マスクとともにマスク上の半導体層(半導体層のうち半導体コアを覆う部分を除く領域)をリフトオフにより除去することができる。この実施形態の露出工程では、ＣＦ₄やＸeＦ₂を用いたドライエッチングにより、容易に半導体コアおよび半導体コアを 覆う半導体層部分に影響を与えずにマスクをエッチングすることができ、マスクとともにマスク上の半導体層(半導体層のうち半導体コアを覆う部分を除く領域)を除去することができる。

次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて基板９０を基板平面に沿って振動させることにより、基板９０上に立設する半導体コア９１の基板９０側に近い根元を折り曲げるように、半導体層９２に覆われた半導体コア９１に対して応力が働いて、図１９Ｅに示すように、半導体層９２に覆われた半導体コア９１が基板９０から切り離される。

こうして、基板９０から切り離なされた微細な棒状構造発光素子を製造することができる。この第８実施形態では、棒状構造発光素子の直径を１μｍ、長さを１０μｍとしている(図１９Ａ〜図１９Ｅでは図を見やすくするために棒状構造発光素子の長さを短く描いている)。

さらに、上記棒状構造発光素子は、半導体層９２が半導体コア９１の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層９２により半導体コア９１を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。

このようにして基板９０から切り離なされた棒状構造発光素子は、半導体コア９１の露出部分９１aに一方の電極を接続し、半導体層９２に他方の電極を接続して、半導体コア９１の外周面と半導体層９２の内周面とのｐｎ接合部で電子と正孔の再結合が起きるように電極間に電流を流すことにより、ｐｎ接合部から光が放出される。

上記半導体層形成工程において、島状の触媒金属層９５を除去せずに半導体コア９１の先端に島状の触媒金属層９５を保持した状態で、半導体コア９１の表面を覆うｐ型の半導体層９２を形成することによって、半導体コア９１の外周面よりも触媒金属層９５と半導体コア９１との界面からの結晶成長が促進されるので、半導体コア９１の外周面を覆う部分９２bの径方向の厚さよりも半導体コア９１の他端側の端面を覆う部分９２aの軸方向の厚さが厚い半導体層９２を容易に形成することができる。

上記棒状構造発光素子の製造方法によれば、装置への実装の自由度が高い微細な棒状構造発光素子を製造することができる。ここで、微細な棒状構造発光素子とは、例えば直径が１μｍで長さ１０μｍのマイクロオーダーサイズや、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子である。また、上記棒状構造発光素子は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力なバックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。

なお、半導体層９２を形成する半導体層形成工程の前に、島状の触媒金属層９５を除去しないで、半導体コア９１の先端に島状の触媒金属層９５を保持した状態で、半導体コア９１の表面を覆うように量子井戸層を形成してもよい。これによって、半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚い量子井戸層を容易に形成することができる。

上記第９実施形態の棒状構造発光素子は、第５実施形態の棒状構造発光素子と同様の効果を有する。

また、上記半導体層９２において、半導体コア９１の外周面を覆う部分９２bの径方向の厚さよりも半導体コア９１の他端側の端面を覆う部分９２aの軸方向の厚さを厚くすることによって、半導体コア９１の他端側の端面を覆う半導体層９２側に接続する電極を、半導体コア９１の他端側の端面の位置までオーバーラップせずに半導体層９２のみに接続することが可能になるため、半導体コア９１の側面全体の光の取り出し効率を向上できる。また、上記半導体層９２は、半導体コア９１の外周面を覆う部分９２bの径方向の厚さよりも半導体コア９１の他端側の端面を覆う部分９２aの軸方向の厚さが厚いため、半導体コア９１の他端側の端面を覆う半導体層９２の部分９２aの抵抗が高くなり、半導体コア９１の他端側に発光が集中せず、半導体コア９１の側面領域の発光を強めることができると共に、半導体コア９１の他端側の端面を覆う半導体層９２の部分９２aにおけるリーク電流を抑制できる。

〔第１０実施形態〕
次に、この発明の第１０実施形態の棒状構造発光素子を備えたバックライト、照明装置および表示装置について説明する。この第１０実施形態では、上記第１〜第９実施形態の棒状構造発光素子を絶縁性基板に配列する。この棒状構造発光素子の配列は、本出願人が特願２００７−１０２８４８(特開２００８−２６００７３号公報)で出願した「微細構造体の配列方法及び微細構造体を配列した基板、並びに集積回路装置及び表示素子」の発明の技術を用いて行う。

図２０はこの第１０実施形態のバックライト、照明装置および表示装置に用いる絶縁性基板の平面図を示している。図２０に示すように、絶縁性基板１００の表面に、金属電極１０１,１０２を形成している。絶縁性基板１００はガラス、セラミック、酸化アルミニウム、樹脂のような絶縁体、またはシリコンのような半導体表面にシリコン酸化膜を形成し、表面が絶縁性を有するような基板である。ガラス基板を用いる場合は、表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような下地絶縁膜を形成するのが望ましい。

上記金属電極１０１,１０２は、印刷技術を利用して所望の電極形状に形成している。なお、金属膜および感光体膜を一様に積層し、所望の電極パターンを露光し、エッチングして形成してもよい。

図２０では省略されているが、金属電極１０１,１０２には外部から電位を与えられるように、パッドを形成している。この金属電極１０１,１０２が対向する部分(配列領域)に棒状構造発光素子を配列する。図２０では、棒状構造発光素子を配列する配列領域が２×２個配列されているが、任意の個数を配列してよい。

図２１は図２０のXXI−XXI線から見た断面模式図である。

まず、図２１に示すように、絶縁性基板１００上に、棒状構造発光素子１１０を含んだイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)１１１を薄く塗布する。ＩＰＡ１１１の他に、エチレングリコール、プロピレングリコール、メタノール、エタノール、アセトン、またはそれらの混合物でもよい。あるいは、ＩＰＡ１１１は、他の有機物からなる液体、水などを用いることができる。

ただし、液体を通じて金属電極１０１,１０２間に大きな電流が流れてしまうと、金属電極１０１,１０２間に所望の電圧差を印加できなくなってしまう。そのような場合には、金属電極１０１,１０２を覆うように、絶縁性基板１００表面全体に、１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の絶縁膜をコーティングすればよい。

棒状構造発光素子１１０を含むＩＰＡ１１１を塗布する厚さは、次に棒状構造発光素子１１０を配列する工程で、棒状構造発光素子１１０が配列できるよう、液体中で棒状構造発光素子１１０が移動できる厚さである。したがって、ＩＰＡ１１１を塗布する厚さは、棒状構造発光素子１１０の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。塗布する厚さは薄すぎると、棒状構造発光素子１１０が移動し難くなり、厚すぎると、液体を乾燥する時間が長くなる。また、ＩＰＡの量に対して、棒状構造発光素子１１０の量は、１×１０⁴本／ｃｍ³〜１×１０⁷本／ｃｍ³が好ましい。

棒状構造発光素子１１０を含むＩＰＡ１１１を塗布するために、棒状構造発光素子１１０を配列させる金属電極の外周囲に枠を形成し、その枠内に棒状構造発光素子１１０を含むＩＰＡ１１１を所望の厚さになるように充填してもよい。しかしながら、棒状構造発光素子１１０を含むＩＰＡ１１１が粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。

ＩＰＡやエチレングリコール、プロピレングリコール、…、またはそれらの混合物、あるいは、他の有機物からなる液体、または水などの液体は、棒状構造発光素子１１０の配列工程のためには粘性が低いほど望ましく、また加熱により蒸発しやすい方が望ましい。

次に、金属電極１０１,１０２間に電位差を与える。この第１０実施形態では、１Ｖの電位差とするのが適当であった。金属電極１０１,１０２の電位差は、０．１〜１０Ｖを印加することができるが、０．１Ｖ以下では棒状構造発光素子１１０の配列が悪くなり、１０Ｖ以上では金属電極間の絶縁が問題になり始める。したがって、１〜５Ｖが好ましく、更には１Ｖ程度とするのが好ましい。

図２２は上記棒状構造発光素子１１０が金属電極１０１,１０２上に配列する原理を示している。図２２に示すように、金属電極１０１に電位ＶLを印加し、金属電極１０２に電位ＶR(ＶL＜ＶR)を印加すると、金属電極１０１には負電荷が誘起され、金属電極１０２には正電荷が誘起される。そこに棒状構造発光素子１１０が接近すると、棒状構造発光素子１１０において、金属電極１０１に近い側に正電荷が誘起され、金属電極５２に近い側に負電荷が誘起される。この棒状構造発光素子１１０に電荷が誘起されるのは静電誘導による。すなわち、電界中に置かれた棒状構造発光素子１１０は、内部の電界が０となるまで表面に電荷が誘起されることによる。その結果、各電極と棒状構造発光素子１１０との間に静電力により引力が働き、棒状構造発光素子１１０は、金属電極１０１,１０２間に生じる電気力線に沿うと共に、各棒状構造発光素子１１０に誘起された電荷がほぼ等しいので、電荷による反発力により、ほぼ等間隔に一定方向に規則正しく配列する。しかしながら、例えば、第１実施形態の図１に示す棒状構造発光素子では、半導体層１２に覆われた半導体コア１１の露出部分１１a側の向きは一定にならず、ランダムになる(他の実施形態の棒状構造発光素子でも同様)。

以上のように、棒状構造発光素子１１０が金属電極１０１,１０２間に発生した外部電場により、棒状構造発光素子１１０に電荷を発生させ、電荷の引力により金属電極１０１,１０２に棒状構造発光素子１１０を吸着させるので、棒状構造発光素子１１０の大きさは、液体中で移動可能な大きさであることが必要である。したがって、棒状構造発光素子１１０の大きさは、液体の塗布量(厚さ)により変化する。液体の塗布量が少ない場合は、棒状構造発光素子１１０はナノオーダーサイズでなければならないが、液体の塗布量が多い場合は、マイクロオーダーサイズであってもかまわない。

棒状構造発光素子１１０が電気的に中性ではなく、正または負に帯電している場合は、金属電極１０１,１０２間に静的な電位差(ＤＣ)を与えるだけでは、棒状構造発光素子１１０を安定して配列することができない。例えば、棒状構造発光素子１１０が正味として正に帯電した場合は、正電荷が誘起されている金属電極１０２との引力が相対的に弱くなる。そのため、棒状構造発光素子１１０の配列が非対象になる。

そのような場合は、図２３に示すように、金属電極１０１,１０２間にＡＣ電圧を印加することが好ましい。図２３においては、金属電極１０２に基準電位を、金属電極１０１には振幅ＶPPL／２のＡＣ電圧を印加している。こうすることにより、棒状構造発光素子１１０が帯電している場合でも、配列を対象に保つことができる。なお、この場合の金属電極１０２に与える交流電圧の周波数は、１０Ｈz〜１ＭＨzとするのが好ましく、５０Ｈz〜１ｋＨzとするのが最も配列が安定し、より好ましい。さらに、金属電極１０１,１０２間に印加するＡＣ電圧は、正弦波に限らず、矩形波、三角波、ノコギリ波など、周期的に変動するものであればよい。なお、ＶPPLは１Ｖ程度とするのが好ましかった。

次に、金属電極１０１,１０２上に、棒状構造発光素子１１０を配列させた後、絶縁性基板１００を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子１１０を金属電極１０１,１０２間の電気力線に沿って等間隔に配列させて固着させる。

図２４は上記棒状構造発光素子１１０を配列した絶縁性基板１００の平面図を示している。この棒状構造発光素子１１０を配列した絶縁性基板１００を、液晶表示装置などのバックライトに用いることにより、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを実現することができる。また、この棒状構造発光素子１１０を配列した絶縁性基板１００を照明装置として用いることにより、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力な照明装置を実現することができる。

また、図２５は上記棒状構造発光素子１１０を配列した絶縁性基板を用いた表示装置の平面図を示している。図２５に示すように、表示装置２００は、絶縁性基板２１０上に、表示部２０１、論理回路部２０２、論理回路部２０３、論理回路部２０４および論理回路部２０５を備える構成となっている。上記表示部２０１には、マトリックス状に配置された画素に棒状構造発光素子１１０を配列している。

図２６は上記表示装置２００の表示部２０１の要部の回路図を示しており、上記表示装置２００の表示部２０１は、図２６に示すように、互いに交差する複数の走査信号線ＧＬ(図２６では１本のみを示す)と複数のデータ信号線ＳＬ(図２６では１本のみを示す)とを備えており、隣接する２本の走査信号線ＧＬと隣接する２本のデータ信号線ＳＬとで包囲された部分に、画素がマトリクス状に配置されている。この画素は、ゲートが走査信号線ＧＬに接続され、ソースがデータ信号線ＳＬに接続されたスイッチング素子Ｑ１と、そのスイッチング素子Ｑ１のドレインにゲートが接続されたスイッチング素子Ｑ２と、上記スイッチング素子Ｑ２のゲートに一端が接続された画素容量Ｃと、上記スイッチング素子Ｑ２により駆動される複数の発光ダイオードＤ１〜Ｄｎ(棒状構造発光素子１１０)とを有している。

上記棒状構造発光素子１１０のｐｎの極性は、一方に揃っておらず、ランダムに配列されている。このため、駆動時は交流電圧により駆動されて、異なる極性の棒状構造発光素子１１０が交互に発光することになる。

また、上記表示装置の製造方法によれば、独立した電位が夫々与えられる２つの電極１０１,１０２を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板１００を作成し、その絶縁性基板１００上にナノオーダーサイズまたはマイクロオーダーサイズの棒状構造発光素子１１０を含んだ液体を塗布する。その後、２つの電極１０１,１０２に独立した電圧を夫々印加して、微細な棒状構造発光素子１１０を２つの電極１０１,１０２により規定される位置に配列させる。これにより、上記棒状構造発光素子１１０を所定の絶縁性基板１００上に容易に配列させることができる。

また、上記表示装置の製造方法では、使用する半導体の量を少なくできると共に、薄型化と軽量化が可能な表示装置を製造することができる。また、上記棒状構造発光素子１１０は、半導体層で覆われた半導体コアの全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な表示装置を実現することができる。

上記第１〜第４実施形態では、半導体コア１１,２１,３１,４１の一端側の外周面が露出した露出部分１１,２１,３１,４１を有する棒状構造発光素子について説明したが、これに限らず、半導体コアの両端の外周面が露出した露出部分を有するものでもよいし、半導体コアの中央部分の外周面が露出した露出部分を有するものでもよい。

また、上記第１〜第９実施形態では、半導体コアと半導体層にＧaＮを母材とする半導体を用いたが、ＧaＡs,ＡlＧaＡs,ＧaＡsＰ,ＩnＧaＮ,ＡlＧaＮ,ＧaＰ,ＺnＳe,ＡlＧaＩnＰなどを母材とする半導体を用いた発光素子にこの発明を適用してもよい。また、半導体コアをｎ型とし、半導体層をｐ型としたが、導電型が逆の棒状構造発光素子にこの発明を適用してもよい。また、六角柱形状の半導体コアを有する棒状構造発光素子について説明したが、これに限らず、断面が円形または楕円の棒状であってもよいし、断面が三角形などの他の多角形状の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光素子にこの発明を適用してもよい。

また、上記第１〜第９実施形態では、棒状構造発光素子の直径を１μｍとし長さを１０μｍ〜３０μｍのマイクロオーダーサイズとしたが、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子でもよい。上記棒状構造発光素子の半導体コアの直径は５００ｎｍ以上かつ５０μｍ以下が好ましく、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの棒状構造発光素子に比べて半導体コアの直径のばらつきを抑えることができ、発光面積すなわち発光特性のばらつきを低減でき、歩留まりを向上できる。

また、上記第１〜第４,第７〜第９実施形態では、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体コアを結晶成長させたが、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル)装置などの他の結晶成長装置を用いて半導体コアを形成してもよい。また、成長穴を有するマスクを用いて半導体コアを基板上に結晶成長させたが、基板上に金属種を配置して、金属種から半導体コアを結晶成長させてもよい。

また、上記第１〜第４,第７〜第９実施形態では、半導体層に覆われた半導体コアを超音波を用いて基板から切り離したが、これに限らず、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に折り曲げることによって切り離してもよい。この場合、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。

また、上記第１０実施形態では、絶縁性基板１００の表面に形成された２つの金属電極１０１,１０２に電位差を与えて、金属電極１０１,１０２間に棒状構造発光素子１１０を配列させたが、これに限らず、絶縁性基板の表面に形成された２つの電極間に、第３の電極を形成し、３つの電極に独立した電圧を夫々印加して、棒状構造発光素子を電極により規定される位置に配列させてもよい。

また、上記第１０実施形態では、棒状構造発光素子を備えた表示装置について説明したが、これに限らず、この発明の棒状構造発光素子をバックライトや照明装置などの他の装置に適用してもよい。

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１〜第１０実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１１,２１,３１,４１,５１,６１,７１,８１,９１…半導体コア
１１a,２１a,３１a,４１a,５１a,６１a,７１a,８１a,９１a…露出部分
１２,２３,３２,４３,５２,６３,７２,８２,９２…半導体層
２２,４２,６２…量子井戸層
１３,２４,３３,４４…透明電極
７０,９０…基板
７５,８５,９５…触媒金属層
８０…下地基板
８４…半導体膜
９４…マスク
１００…絶縁性基板
１０１,１０２…金属電極
１１０…棒状構造発光素子
２００…表示装置

Claims (14)

1. 棒状の第１導電型の半導体コアと、
   上記半導体コアを覆うように形成された第２導電型の半導体層と
   を備え、
   上記半導体コアの一部の外周面が露出していることを特徴とする棒状構造発光素子。
2. 請求項１に記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体コアの一端側の外周面が露出していることを特徴とする棒状構造発光素子。
3. 請求項２に記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体コアの他端側の端面を上記半導体層により覆っていることを特徴とする棒状構造発光素子。
4. 請求項３に記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体層は、上記半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも上記半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚いことを特徴とする棒状構造発光素子。
5. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体コアの露出領域の外周面が、上記半導体層に覆われた領域の最外周面の延長面と略一致していることを特徴とする棒状構造発光素子。
6. 請求項１から５までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体コアと上記半導体層との間に量子井戸層を形成したことを特徴とする棒状構造発光素子。
7. 請求項１に記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体コアの一端側の外周面が露出すると共に、
   上記半導体コアの他端側の端面が上記半導体層により覆われており、
   上記半導体コアと上記半導体層との間に形成された量子井戸層を備え、
   上記量子井戸層は、上記半導体コアの外周面を覆う部分の径方向の厚さよりも上記半導体コアの他端側の端面を覆う部分の軸方向の厚さが厚いことを特徴とする棒状構造発光素子。
8. 請求項１から７までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体層を覆うように透明電極を形成したことを特徴とする棒状構造発光素子。
9. 請求項８に記載の棒状構造発光素子において、
   上記半導体コアはｎ型半導体からなると共に、
   上記半導体層はｐ型半導体からなり、
   上記透明電極は、上記半導体層の略全体を覆うように形成されていることを特徴とする棒状構造発光素子。
10. 第１導電型の基板上に島状の触媒金属層を形成する触媒金属層形成工程と、
    上記島状の触媒金属層が形成された上記基板上に、上記島状の触媒金属層と上記基板との界面から第１導電型の半導体を結晶成長させることにより棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
    上記半導体コアの先端に上記島状の触媒金属層を保持した状態で、上記半導体コアの外周面および上記島状の触媒金属層と上記半導体コアとの界面からの結晶成長により上記半導体コアの表面を覆う第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
    上記半導体コアの上記基板側の外周面を露出させる露出工程と、
    上記露出工程において露出された露出部分を含む上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と
    を有することを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
11. 第１導電型の基板上に島状の触媒金属層を形成する触媒金属層形成工程と、
    上記島状の触媒金属層が形成された上記基板上に、上記島状の触媒金属層と上記基板との界面から第１導電型の半導体を結晶成長させることにより棒状の第１導電型の半導体コアを形成する半導体コア形成工程と、
    上記半導体コアの先端に上記島状の触媒金属層を保持した状態で、上記半導体コアの外周面および上記島状の触媒金属層と上記半導体コアとの界面からの結晶成長により上記半導体コアの表面を覆う量子井戸層を形成する量子井戸層形成工程と、
    上記量子井戸層の表面を覆う第２導電型の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
    上記半導体コアの上記基板側の外周面を露出させる露出工程と、
    上記露出工程において露出された露出部分を含む上記半導体コアを、上記基板から切り離す切り離し工程と
    を有することを特徴とする棒状構造発光素子の製造方法。
12. 請求項１から９までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子を備えたことを特徴とするバックライト。
13. 請求項１から９までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子を備えたことを特徴とする照明装置。
14. 請求項１から９までのいずれか１つに記載の棒状構造発光素子を備えたことを特徴とする表示装置。

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