JP2013239718A - 半導体光素子アレイおよびその製造方法 - Google Patents

半導体光素子アレイおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】基板上に形成された微細柱状結晶の位置および形状を高精度に制御して微細柱状結晶の発光波長あるいは光吸収波長を制御し得る構造を有する半導体光素子アレイおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】複数の凹部が形成された主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の当該主面上に形成され、かつ前記複数の凹部の直上にそれぞれ複数の開口部を有するマスクパターンと、前記複数の凹部から前記複数の開口部を介して前記マスクパターンの上方に向けて成長したIII族窒化物半導体からなる複数の微細柱状結晶と、前記複数の微細柱状結晶上にそれぞれ成長した活性層と、前記各活性層を被覆する半導体層と、を備える半導体光素子アレイが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光素子アレイおよびその製造方法に関する。
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのIII族窒化物半導体は、高品質の短波長発光を出力し得る発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子を実現できる半導体材料として注目されている。半導体発光素子は、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法などの結晶成長技術を用いて、基板上にIII族窒化物半導体からなる積層構造を形成することで作製される。
ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの公知の結晶成長技術は、積層構造を生成する際にその積層方向に良好な制御性を有している。基板の面内方向に沿った構造を形成するためには、結晶加工技術を使用して積層構造を加工する必要がある。結晶加工技術は、大別して、トップダウン型とボトムダウン型とがある。トップダウン型は、結晶成長後に結晶を加工して構造を形成する技術であり、これに対してボトムアップ型は、結晶成長前に下地基板を予め加工しておき、この下地基板上に結晶を成長させることで結晶成長と同時に構造を形成する技術である。トップダウン型のプロセスには、加工により結晶がダメージを受けやすく、特に、微細構造を形成したときにその微細構造の表面積が大きくなるという問題がある。一方、ボトムアップ型のプロセスでは、微細構造と良好な結晶品質とが共に得られやすい。
特許文献１（特開２００８−１０８９２４号公報）には、ボトムアップ型のプロセスを用いて、基板上にナノメータスケールの微細柱状結晶（ナノコラム）を形成する方法が開示されている。この方法は、スピネル基板上に多数の島状のＦｅ粒を形成し、各Ｆｅ粒から基板の上方にＧａＮナノコラムを成長させるというものである。ナノコラムの形成方法に関する先行技術文献は、特許文献１の他に、たとえば、非特許文献１（M. Yoshizawa et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol.36, No.4B (1997) pp.L459-L462）や非特許文献２（H. Sekiguchi et al., Journal of Crystal Growth, 300 (2007) pp.259-262）が挙げられる。
特開２００８−１０８９２４号公報
M. Yoshizawa, A. Kikuchi, M. Mori, N. Fujita and K. Kishino, "Growth of Self-Organized GaN Nanostructures on Al2O3 (0001) by RF-Radical Source Molecular Beam Epitaxy", Jpn. J. Appl. Phys., Vol.36, No.4B (1997) pp.L459-L462. H. Sekiguchi, T. Nakazato, A. Kikuchi and K. Kishino, "Structural and optical properties of GaN nanocolumns grown on (0001) sapphire substrates by rf-plasma-assisted molecular-beam epitaxy", Journal of Crystal Growth, 300 (2007) pp.259-262.
特許文献１に開示されている方法で形成されたＧａＮナノコラムの各々は、ｎ型層、発光層およびｐ型層が積層された発光構造を有している。これらＧａＮナノコラムの集合体により半導体発光素子が構成される。
しかしながら、各ＧａＮナノコラムは、基板上の島状のＦｅ粒を核として形成されるので、ＧａＮナノコラムの位置および形状にバラツキが生じやすく、ＧａＮナノコラムを規則的に配列させることが難しい。このようなバラツキは、半導体発光素子の特性のバラツキを生じさせ得る。たとえば、ＧａＮナノコラムの発光波長にバラツキが生じて所望の発光色が得られないという問題がある。
上記に鑑みて本発明は、基板上に形成された微細柱状結晶の位置および形状を高精度に制御して微細柱状結晶の発光波長あるいは光吸収波長を制御し得る構造を有する半導体光素子アレイおよびその製造方法を提供するものである。
本発明者らは、III族窒化物半導体からなるナノメータオーダーの微細柱状結晶（「ナノコラム」、「ナノロッド」あるいは「ナノピラー」と呼ばれる。）の位置制御および形状制御に関し、複数の開口部を有するマスクパターンを基板上に形成した後に、これら開口部から微細柱状結晶を選択的に成長させる工程に着目した。本発明者らは、かかる工程を鋭意研究して微細柱状結晶の発光波長あるいは光吸収波長を制御できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明によれば、複数の凹部が形成された主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の当該主面上に形成され、かつ前記複数の凹部の直上にそれぞれ設けられた複数の開口部を有するマスクパターンと、前記複数の凹部から前記複数の開口部を介して前記マスクパターンの上方に向けて成長したIII族窒化物半導体からなる複数の微細柱状結晶と、前記複数の微細柱状結晶上にそれぞれ成長した活性層または光吸収層と、前記各活性層または光吸収層を被覆する半導体層と、を備える半導体光素子アレイが提供される。
本発明の半導体光素子アレイは、半導体基板の凹部からマスクパターンの開口部を介してマスクパターンの上方に向けて成長したIII族窒化物半導体からなる複数の微細柱状結晶を備えている。このような構成とすることで、微細柱状結晶の径を制御することができ、所望の発光波長あるいは吸収波長の半導体光素子アレイを得ることができる。
特に、発光波長のピーク波長は、前記各微細柱状結晶の径が大きいほど長波長側にシフトし、前記各微細柱状結晶の径が小さいほど短波長側にシフトするように定めることができる。
ここで、微細柱状結晶は、径が１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
また、本発明によれば、半導体基板上に複数の開口部を有するマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをエッチングマスクとして前記半導体基板をエッチングすることにより前記半導体基板の主面に複数の凹部を形成する工程と、各凹部から各開口部を介して前記マスクパターンの上方に向けて複数の微細柱状結晶を成長させる工程と、前記微細柱状結晶上に活性層または光吸収層を成長させる工程と、前記活性層または光吸収層を被覆する半導体層を形成する工程と、を含む半導体光素子アレイの製造方法も提供できる。
本発明によれば、半導体基板上に形成された微細柱状結晶の位置を、マスクパターンの開口部の位置を調整することで制御することができる。また、各開口部の直下の凹部の径を調整することで微細柱状結晶の径を制御し、これにより、活性層から放出される光のピーク波長、あるいは光吸収層で吸収される光の波長を所望の波長に定めることが可能である。したがって、基板上に形成された微細柱状結晶の位置および形状を高精度に制御して微細柱状結晶の発光波長、あるいは光の吸収波長を制御し得る構造を持つ半導体光素子アレイおよびその製造方法を提供することができる。
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に係る一実施形態の半導体素子の製造工程を概略的に示す断面図である。 マスクパターンに形成される開口部のパターンの一例を示す図である。 ナノコラムのパターンの一例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、微細柱状結晶の先端部の中心軸に沿った断面形状を概略的に示す図である。 テンプレート基板に形成された凹部の径とナノコラムの発光波長との間の関係を示すグラフである。 ＰＬ発光波長と光強度との間の関係を示すグラフである。 ナノコラム径（Nanocolumn Size）と検出されたピーク波長（Peak Wavelength）との関係を表すグラフである。 ＦＩＢ法を用いてテンプレート基板に凹部を形成した場合のドーズ量（Doze）と凹部の深さ（Nanohole depth）との関係を示すグラフである。 ドーズ量（Doze）と凹部の径（Nanohole size）との関係を示し、ドーズ量（Doze）とナノコラムの径（Nanocolumn size）との関係を示すグラフである。 正方格子状に規則的に配列されたナノコラムの走査型電子顕微鏡像を示す図である。 正方格子状に規則的に配列されたナノコラムの走査型電子顕微鏡像を示す図である。 ナノコラムから放出されたＣＬ（カソードルミネッセンス）光のスペクトルの測定結果を示すグラフである。 （Ａ）は、ナノコラムの上面視からのＳＥＭ像を示し、（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ異なる波長のＣＬ像（カソードルミネッセンス像）の上面視図である。 （Ａ）は、ナノコラムを横方向から撮像したＳＥＭ像を示し、（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、それぞれ異なる波長の断面ＣＬ像を示す図である。 （Ａ）は、図１２と同じＣＬスペクトルを示すグラフであり、（Ｂ）は、ナノコラムの先端部の構成を模式的に示す図である。 ナノコラムの径とナノコラムの表面積との関係を示し、ナノコラムの径と発光ピーク波長との関係を示すグラフである。 ナノコラムのＰＬ発光波長に関する光強度分布を示すグラフである。 ナノコラムの先端部の高さと発光ピーク波長との関係を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｆ）は、三角格子状に規則的に配列されたナノコラム群の上面視でのＳＥＭ像を示す図である。 図１９（Ａ）〜（Ｆ）のナノコラム群のＰＬ発光波長に関する光強度分布の測定結果を示すグラフである。 コラム周期と図２０の光強度分布の発光ピーク波長との関係を示すグラフである。 三角格子状に規則的に配列されたナノコラム群の上面視でのＳＥＭ像を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、第２の実施形態の半導体発光素子の構成の一部を概略的に示す図である。 本発明に係る第３の実施形態の半導体発光素子の構成の一部を示す斜視図である。 本発明に係る第３の実施形態の半導体発光素子の構成の一部を示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に係る一実施形態の半導体光素子アレイ１０の製造工程を概略的に示す断面図である。図１（Ｄ）には、本実施形態の半導体光素子アレイ１０の構造が概略的に示されている。
図１（Ｄ）に示されるように、半導体光素子アレイ１０は、テンプレート基板、複数の開口部を有するマスクパターン１３Ｐ、および複数のナノコラム２３を有している。テンプレート基板は、サファイア基板などの下地基板１１上にIII族窒化物半導体層１２Ｐをエピタキシャル成長させてなる半導体基板である。たとえば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ法により、下地基板１１上に窒化ガリウムや窒化アルミニウムなどのバッファ層（図示せず）を低温プロセスで成長させ、このバッファ層上にIII族窒化物半導体層を成長させることでテンプレート基板が形成される。
III族窒化物半導体層１２Ｐの表面側の主面には複数の凹部１４，...，１４（図１（Ｃ））が形成されている。
マスクパターン１３Ｐは、このIII族窒化物半導体層１２Ｐの主面上に形成されており、複数の凹部１４，...，１４の直上にそれぞれ開口部（以下、マスク開口部と呼ぶ。）を有している。すなわち、開口部が凹部１４にかさなりあい、開口部から凹部１４が露出するように凹部１４が形成される。
半導体光素子アレイ１０は、微細柱状結晶２０と、この微細柱状結晶２０上に設けられた活性層２１と、活性層２１を被覆する半導体被覆層２２とを含んで構成される半導体素子（ナノコラム２３）を複数備えるものである。
複数の細柱状結晶２０，...，２０は、III族窒化物半導体層１２Ｐの凹部１４，...，１４からマスク開口部を介してマスクパターン１３Ｐの上方に向けて成長したIII族窒化物半導体からなる。微細柱状結晶２０上には活性層２１が形成され、さらに活性層２１を被覆する半導体被覆層２２が形成されている。微細柱状結晶２０、活性層２１および半導体被覆層２２によってナノコラム２３が構成される。
微細柱状結晶２０および半導体被覆層２２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのIII族窒化物半導体からなる。あるいは、微細柱状結晶２０および半導体被覆層２２は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される４元混晶材料やボロン窒化物で構成されてもよい。４元混晶材料は、組成比ｘ，ｙに応じて、室温で0.63eV〜6.2eVの広いバンドギャップを有するので、４元混晶を使用すれば、紫外域から可視光域を含み、赤外光域までをカバーする発光ダイオードやレーザダイオードを作製することができる。
微細柱状結晶２０は、径が１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。なかでも、７００ｎｍ以下、さらには、６５０ｎｍ以下、より好ましくは６００ｎｍ以下であることが好ましい。７００ｎｍ以下、特に６００ｎｍ以下とすれば、貫通転位の発生を抑制しやすくなる。
微細柱状結晶２０の径とは、マスク開口部から露出した柱状部２０１の径である。柱状部２０１の径は、柱状部２０１が円柱形状の場合には、その径である。円柱形状以外の場合には、柱状部２０１を半導体基板の基板面側から平面視した際の重心点（平面中心）を通るとともに、柱状部２０１と２点で交差する直線のうち、交点間の距離が最も長い直線の長さをいう。
微細柱状結晶２０は、柱状部２０１と、この柱状部２０１の先端に設けられたファセット構造２０２とを備える。柱状部２０１の形状は、特に限定されないが、たとえば、円柱形状、四角柱形状、六角柱形状等とすることができる。
また、微細柱状結晶２０は、製造安定性の観点から、結晶構造が六方晶の材料で構成されていることが好ましい。
活性層２１は、微細柱状結晶２０のファセット構造２０２を覆うように設けられている。この活性層２１は、たとえば、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＮからなる。より具体的には、活性層２１は、たとえば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ（障壁層：ＩｎＧａＮ、井戸層：ＧａＮ）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ（障壁層：ＡｌＧａＮ、井戸層：ＧａＮ）、またはＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造または単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有していればよい。ここで、量子井戸構造とは、量子井戸層と、この量子井戸層を挟み込む障壁層とを含むものである。障壁層のバンドギャップは、量子井戸層のそれよりも大きい。
半導体被覆層２２は、活性層２１上に設けられており、活性層２１を完全に被覆している。
本実施形態では、活性層２１から放出される光のピーク波長を、活性層２１が形成される直前の微細柱状結晶２０の径Δに応じた波長に定めることができる。活性層２１から放出される光のピーク波長は、各微細柱状結晶２０の径Δが大きいほど長波長側にシフトし、各微細柱状結晶２０の径Δが小さいほど短波長側にシフトするように定めることが可能である。すなわち、径Δが大きな微細柱状結晶２０上の活性層２１から放出される光のピーク波長は、径Δが小さな微細柱状結晶２０上の活性層２１から放出される光のピーク波長よりも長波長である。
よって、微細柱状結晶２０の径Δを制御することで所望の発光波長を得ることができる。後述するようにこの微細柱状結晶２０の径Δは、テンプレート基板のIII族窒化物半導体層１２Ｐに形成された各凹部１４の径δ（図１（Ｃ））を調整することで所望の値にすることができる。凹部１４の径δは、マスク開口部の大きさに依存するので、予めマスク開口部の大きさを定めておけば、この大きさに応じた径δを得ることができる。
さらに、活性層２１から放出される光のピーク波長は、各ナノコラム２３の微細柱状結晶２０の先端部（ファセット構造２０２）の表面積に応じた波長に定めることができる。活性層２１から放出される光のピーク波長は、ファセット構造の表面積が大きいほど長波長側にシフトし、ファセット構造の表面積が小さいほど短波長側にシフトするように定めることができる。すなわち、ファセット構造の表面積が大きな微細柱状結晶２０上の活性層２１から放出される光のピーク波長は、ファセット構造の表面積が小さな微細柱状結晶２０上の活性層２１から放出される光のピーク波長よりも長波長である。
よって、微細柱状結晶２０の先端部におけるファセット構造の表面積を制御することで所望の発光波長を得ることが可能である。
また、図２に示されるように、マスクパターン１３Ｐに形成される開口部１３ｇ，...，１３ｇは、マスクパターン１３Ｐの面内方向において周期的に配列されている。
ここで、マスクパターンには、複数の開口部の配置密度が高い領域と、前記複数の開口部の配置密度が低い領域とを形成した場合、開口部の配置密度が高い領域にある複数の微細柱状結晶２０上の活性層２１から放出される光のピーク波長は、開口部の配置密度が低い領域にある複数の微細柱状結晶２０上の活性層２１から放出される光のピーク波長よりも長波長となる。
すなわち、活性層２１から放出される光のピーク波長は、微細柱状結晶２０，...，２０の面内密度が高いほど長波長側へシフトし、かつ微細柱状結晶２０，...，２０の面内密度が低いほど短波長側へシフトするように定めることができる。面内密度は、微細柱状結晶２０，...，２０の空間的な周期が短いほど高くなり、あるいは、微細柱状結晶２０の径が大きいほど高くなる。
次に、図１（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、本実施形態における半導体光素子アレイ１０の好適な製造方法を以下に説明する。
先ず、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により、下地基板１１上に窒化ガリウムや窒化アルミニウムなどのバッファ層（図示せず）を低温プロセスで成長させ、このバッファ層上に窒化ガリウムや窒化アルミニウムなどのIII族窒化物半導体層１２を成長させる（図１（Ａ））。この結果、基板１１とIII族窒化物半導体層１２とを含むテンプレート基板が作製される。次に、テンプレート基板の主面の所定領域に、チタン（Ｔｉ）を含む金属マスク層１３を形成する（図１（Ｂ））。この金属マスク層１３は、チタンの自然酸化膜でもよいし、あるいは、酸化チタン膜でもよい。
なお、金属マスク層１３の構成材料は、微細柱状結晶２０を選択成長させる点でチタンが好適であるが、これに限らず、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）よりなる群から選択された１種または２種以上の金属を含むものでもよい。
次に、金属マスク層１３をパターニングして、図１（Ｃ）に示すように、III族窒化物半導体層１２Ｐの表面を露出させる複数の開口部を有するマスクパターン１３Ｐを形成する。このパターニングは、リソグラフィ工程により実行できる。すなわち、金属マスク層１３上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとするエッチングを実行することでマスクパターン１３Ｐを形成できる。あるいは、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）法を用いて集束イオンビームを金属マスク層１３に所定のドーズ量（単位面積当たりの照射イオン量）で照射することでマスクパターン１３Ｐを形成することができる。
金属マスク層１３をパターニングする際に、金属マスク層１３だけでなく、開口部の直下にあるIII族窒化物半導体層１２も加工されるので、図１（Ｃ）に示すようにマスクパターン１３Ｐの開口部の直下にドット状の凹部（ホール）１４，...，１４が形成される。マスクパターン１３Ｐの開口部の上面視形状（すなわち、凹部１４の上面視形状）は、特に限定されるものではなく、図２に示した正方形状のほか、円形状や多角形状などの軸対称形状でもよい。
その後、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により、複数の凹部１４からマスク開口部を介してマスクパターン１３Ｐの上方へ微細柱状結晶２０、活性層２１および半導体被覆層２２を連続的に成長させる（図１（Ｄ））。微細柱状結晶２０は、マスクパターン１３Ｐの上方に成長すると同時に、テンプレート基板の面内方向に沿った横方向にも成長する。それ故、ナノコラム２３の径Δは、凹部１４の径δよりも大きくなる。また、半導体被覆層２２は活性層２１を完全に被覆するように形成されるので、活性層２１は外部空間への露出部を持たない。言い換えれば、活性層２１は、ナノコラム２３の先端部の中に完全に埋め込まれた状態にある。それ故、その露出部に起因する非発光再結合準位の形成が抑制され、高い内部量子効率を実現することが可能となる。
また、微細柱状結晶２０を横方向成長させることで、以下のような効果がある。
マスク開口部径を小さくすることで、微細柱状結晶２０の成長初期での貫通転位の発生が抑制される。その後に横方向成長で径を太くすれば貫通転位のない比較的、径の大きな微細柱状結晶（例えば、直径1000nm）を得ることが可能となる。
なお、微細柱状結晶２０を横方向成長させるためには、相対的に窒素供給量を増加する方法や、Ａｌを添加する方法（たとえば、ＡｌＧａＮとする方法）等がある。
ウルツ鉱型結晶構造のIII族窒化物半導体を、ｃ面（＝（０００１）面）と呼ばれる極性面の方向に成長させて微細柱状結晶２０を形成した場合、ナノコラム２３（または微細柱状結晶２０）の上面視形状は、図３に示されるように六角形となる。図４（Ａ），（Ｂ）は、微細柱状結晶２０の先端部の中心軸に沿った断面形状を概略的に示す図である。図４（Ａ）に示される先端部は、ファセット構造となっており、斜め上方を向いたファセット面として、ウルツ鉱型結晶構造の半極性面２０ａからなる傾斜面を有している。
この先端部の形状は六角錐形状である。ここで、半極性面２０ａとしては、たとえば、（１０−１−１）面、（１０−１−３）面、（１１−２２）面、（１１−２４）面、（１０−１２）面が挙げられる。一方、図４（Ｂ）に示される先端部もファセット構造となっているが、斜め上方を向いたファセット面、および、直上方を向いた面として、ウルツ鉱型結晶構造の半極性面２０ａからなる傾斜面と平坦な極性面２０ｂとを有している。結晶の成長条件に応じて、図４（Ａ）の先端部形状あるいは図４（Ｂ）の先端部形状のいずれかが形成される。
なお、ファセット構造とは、下地基板１１水平面に対して斜めに位置するファセット面を側面とする多面体構造のことである。
微細柱状結晶２０の径が小さければ、図４（Ａ）に示す六角錐形状を持つ先端部が形成されやすく、微細柱状結晶２０の径が大きくなれば、図４（Ｂ）に示すような先端部が形成されやすい。結晶の成長条件にもよるが、微細柱状結晶２０の径を約３００ｎｍ以上にすると、微細柱状結晶２０の先端部に平坦な極性面２０ｂを明確に出現させることができる。また、微細柱状結晶２０の径が約３００ｎｍを超えて大きくなるほど平坦な極性面２０ｂの面積は拡大する。
ＭＢＥ法を用いて微細柱状結晶２０を成長させる場合、高周波プラズマ励起により生成された活性窒素とIII族金属とを含む原料ガスをテンプレート基板の表面上に導入して微細柱状結晶２０を成長させる。この際の成長条件は、III族金属に比べて活性窒素の実効的な供給量比を大きくして微細柱状結晶２０が成長する条件とすればよい。たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる微細柱状結晶２０を成長させる場合は、結晶成長温度を６００℃以下とするとマスク開口部以外の成長抑制領域にもＧａＮ結晶が成長することが多い。一方、成長温度を高くするほど成長抑制領域に成長するＧａＮ結晶の空間密度が減少する。温度をある一定温度以上にすることにより、成長抑制領域にＧａＮを成長させないことも可能である。成長抑制領域にＧａＮを成長させない温度は、III族金属と活性窒素の供給量や比率にも依存するが、一例として、８５０℃以上である。
微細柱状結晶２０を成長させるために、ＭＢＥは以下の条件で行うことが望ましい。温度は、成長させるIII族窒化物半導体の種類に応じて適宜選択されるが、３５０℃以上、１２００℃以下の範囲である。たとえば、ＧａＮ結晶を成長させる場合は４００℃以上１０００℃以下であり、ＡｌＮ結晶を成長させる場合は５００℃以上１２００℃以下であり、ＩｎＮを成長させる場合は３５０℃以上６００℃以下であることが好ましい。上記の温度範囲で、窒素リッチの条件下でＭＢＥを行うことにより、III族窒化物半導体の微細柱状結晶２０を成長させることができる。
本実施形態では、マスク開口部が形成されていないマスクパターン１３Ｐ上の領域は、微細柱状結晶２０の成長が抑制される領域（成長抑制領域）である。成長抑制領域で横方向の結晶成長が抑制される理由は、必ずしも明らかではなく、推測の域を出ないが、マスクパターン１３Ｐの表面におけるガリウム（Ｇａ）などの離脱がテンプレート基板の露出表面上よりも促進されるため、横方向成長が抑制されると推測される。あるいは、ＴｉおよびＰｔの物性に着目した場合、これらは他の金属に比べて融点や沸点が高く、共有結合あたりの結合エネルギーが高く、また、熱伝導率が他の金属に比べて低い。ＴｉおよびＰｔは、共有結合の強さから、表面における未結合の手が少ない。このことから、結合のしやすさが期待できず、III族窒化物微細柱状結晶の成長開始を抑制したと推測することもできる。
また、結晶成長工程において、金属膜表面には活性窒素が単独またはIII族金属と同時に照射される。窒化物形成能を有する金属の場合には、金属窒化物（たとえば、ＴｉＮ、ＷＮ）が形成されると推測される。これらの金属窒化物は化学的に安定、すなわち表面には活性な未結合手が少ないので、ＧａやＧａＮなどとの結合が弱い。したがって、ＧａやＧａＮなどが表面から脱離するに十分な成長温度の場合、供給されたＧａやＧａＮなどが結晶成長を持続するに足る十分な大きさとなる前に脱離してしまい、ＧａＮなどの成長が抑制されるとも考えられる。
以上より、成長抑制領域で横方向の結晶成長が抑制される理由としては、特に、成長抑制領域における温度が基板表面に比べて高い点と、成長抑制領域上にＧａＮの成長核が形成されにくい点との相乗効果が予想される。
一方、テンプレート基板のIII族窒化物半導体層１２Ｐの露出表面上では、結晶成長の抑制が生じない。テンプレート基板およびマスクパターン１３Ｐの表面上に形成される微細柱状結晶２０は、テンプレート基板やマスクパターン１３Ｐの材質、マスクパターン１３Ｐの膜厚あるいは成長条件に依存して変化し得るが、テンプレート基板の主面またはマスクパターン１３Ｐの表面に対して略垂直方向に起立して成長する。
本実施形態の方法によって成長するIII族窒化物半導体からなる微細柱状結晶２０は、ナノメータオーダーの径Δを有する柱状構造の単結晶である。微細柱状結晶２０の直径は、たとえば、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内の大きさに定められる。微細柱状結晶２０の高さは、マスクパターン１３Ｐの厚さや結晶の成長条件によっても変動し得るが、たとえば、０．２μｍ以上５μｍ以下の範囲内である。マスクパターン１３Ｐの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。ただし、微細柱状結晶２０の直径および高さは、結晶の成長条件により変動し得る。
その後、各微細柱状結晶２０上に活性層２１を設け、さらに、活性層２１上に半導体被覆層２２を形成する。活性層２１、半導体被覆層２２は、ＭＯＣＶＤ法や、ＭＢＥ法により形成することができる。
なお、活性層２１や、半導体被覆層２２を構成する材料は、マスクパターン１３Ｐ上にも堆積することとなる。
また、半導体被覆層２２を形成する際には、横方向成長させて、活性層２１上面のみならず、側面を被覆することが好ましい。
（発光波長の結晶径依存性）
図５は、III族窒化物半導体層１２Ｐに形成された凹部１４の径（以下「ホール径」と呼ぶ。）δとナノコラム２３の発光波長との間の関係を示すグラフである。
図５のグラフを得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は以下の通りである。サファイア基板１１の（０００１）面上にＧａＮ層１２Ｐ（厚み：約３．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法で成長させてテンプレート基板を形成した。このテンプレート基板上にチタン薄膜（厚み：約５ｎｍ）を成膜した後、ＦＩＢ法を用いて、このチタン薄膜に、三角格子状に配列された複数の開口部（空間周期（開口部の中心間の距離）：４００ｎｍ）を設けることでマスクパターン１３Ｐを形成した。マスク開口部の形成と同時に、ＧａＮ層１２Ｐには凹部１４が形成された。次に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、９００℃の温度条件下で、テンプレート基板の凹部１４からマスク開口部を介してＧａＮ柱状結晶２０（高さ：２．５μｍ）を成長させた。続けて、各微細柱状結晶２０上にＩｎＧａＮ膜（厚み：１ｎｍ）を含む多重量子井戸構造を持つ活性層２１を形成した。続けて、この活性層２１上にＧａＮ結晶の半導体被覆層２２（厚み：１０ｎｍ）を形成した。
このような製造条件で、５０ｎｍ〜２６５ｎｍの範囲内の異なるホール径δを持つ半導体発光素子のサンプルを１３個作製し、各サンプルについて、凹部１４の深さ（以下「ホール深さ」と呼ぶ。）と、ＰＬ（photoluminescence）発光波長と、ナノコラム２３の径（以下「ナノコラム径」と呼ぶ。）とを測定した。この測定結果を示すグラフが図５である。
図５のグラフから、ホール径δが大きいほど、ホール深さが深く、ホール径が大きく、発光波長が長くなる傾向が確認された。逆に、ホール径が小さいほど、ホール深さが浅く、ナノコラム径が小さく、発光波長が短くなる傾向が確認された。
次に、図６は、１６６ｎｍ，１９２ｎｍ，２０３ｎｍ，２２６ｎｍ，２４２ｎｍ，２９８ｎｍ，２３６ｎｍというナノコラム径をそれぞれ持つ半導体素子について測定されたＰＬ発光波長（単位：ｎｍ）と光強度（単位：任意単位）との間の関係を示すグラフである。このグラフを得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は、図５のグラフを得るために作製されたナノコラム２３の製造条件と同じである。
図６の光強度分布から各ナノコラム径についてピーク波長を検出した。図７は、ナノコラム径（Nanocolumn Size）と検出されたピーク波長（Peak Wavelength）との関係を表すグラフである。ナノコラム径が大きいほどピーク波長が長くなり、ナノコラム径が小さいほどピーク波長が短くなることが分かる。
以上、光を放出する活性層２１の構造が微細柱状結晶２０の先端形状に依存することを考慮すれば、図５乃至図７のグラフから明らかなように、活性層２１から放出される光のピーク波長は、活性層２１が形成される直前の微細柱状結晶２０の径Δが大きいほど長波長側にシフトし、微細柱状結晶２０の径Δが小さいほど短波長側にシフトすることが理解される。
次に、図８は、ＦＩＢ法を用いてテンプレート基板に凹部（ホール）１４を形成した場合のドーズ量（Doze（ｃｍ−２））と凹部１４の深さ（Nanohole depth（ｎｍ））との関係を示すグラフである。また、図９は、ドーズ量（Doze（ｃｍ−２））と凹部１４の径（Nanohole size（ｎｍ））δとの関係を示し、ドーズ量（Doze（ｃｍ−２））とナノコラム２３の径（Nanocolumn size（ｎｍ））との関係を示すグラフである。
図８および図９のグラフを得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は以下の通りである。サファイア基板１１の（０００１）面上にＧａＮ層１２Ｐ（厚み：約３．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法で成長させてテンプレート基板を形成した。このテンプレート基板上にチタン薄膜（厚み：約５ｎｍ）を成膜した後、ＦＩＢ法を用いて、このチタン薄膜に、複数のマスク開口部を設けることでマスクパターン１３Ｐを形成した。マスク開口部の形成と同時に、ＧａＮ層１２Ｐには凹部１４が形成された。次に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、９００℃の温度条件下で、テンプレート基板の凹部１４からマスク開口部を介してＧａＮ柱状結晶２０（高さ：２．５μｍ）を成長させた。続けて、各微細柱状結晶２０上にＩｎＧａＮ膜（厚み：１ｎｍ）を含む多重量子井戸構造を持つ活性層２１を形成した。続けて、この活性層２１上にＧａＮ結晶の半導体被覆層２２（厚み：１０ｎｍ）を形成した。
このような製造条件と、異なるドーズ量とで半導体発光素子のサンプルを１４個作製し、各サンプルについて、凹部１４の深さ、凹部１４の径δおよびナノコラム２３の径を測定した。その測定結果を示すグラフが図８および図９である。
図８のグラフに示されるように、金属マスク層１３に集束イオンビームを照射したときのドーズ量が多くなるほど凹部１４の深さも大きくなる。また、図９のグラフに示されるように、ドーズ量が多くなるほど、凹部１４の径（nanohole size）が大きくなるとともにナノコラム２３の径（nanocolumn size）も大きくなることが分かる。したがって、凹部１４の径の増大とともに微細柱状結晶２０の径Δも増大することが理解される。
図１０および図１１は、正方格子状に規則的に配列された、異なる径を持つナノコラム２３，...，２３の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図である。図１０は、ナノコラム２３，...，２３の上面視からのＳＥＭ像を示し、図１１は、これらナノコラム２３，...，２３を斜めから俯瞰したときのＳＥＭ像である。図１０および図１１に示すナノコラム群は、凹部１４，...，１４の径を個別に制御することにより作製された。
（発光波長の先端形状依存性）
次に、図１２は、ナノコラム２３から放出されたＣＬ（カソードルミネッセンス）光のスペクトルの測定結果を示すグラフである。このグラフの横軸は発光波長に対応し、グラフの縦軸はＣＬ強度（任意単位）に対応している。図１３（Ａ）は、ナノコラム２３の上面視からのＳＥＭ像を示し、図１３（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ異なる波長４０５ｎｍ，５１０ｎｍのＣＬ像（カソードルミネッセンス像）の上面視図である。図１４（Ａ）は、ナノコラム２３を横方向から撮像したＳＥＭ像を示し、図１４（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、それぞれ異なる波長３６５ｎｍ，４３５ｎｍ，５００ｎｍの断面ＣＬ像（図１４（Ａ）のナノコラム２３の断面ＣＬ像）を示す図である。
図１２、図１３（Ａ）〜（Ｃ）および図１４（Ａ）〜（Ｄ）を得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は以下の通りである。サファイア基板１１の（０００１）面上にＧａＮ層１２Ｐ（厚み：約３．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法で成長させてテンプレート基板を形成した。このテンプレート基板上にチタン薄膜（厚み：約５ｎｍ）を成膜した後、ＦＩＢ法を用いて、このチタン薄膜に、三角格子状に配列された複数の開口部（空間周期：４００ｎｍ）を設けることでマスクパターン１３Ｐを形成した。マスク開口部の形成と同時に、ＧａＮ層１２Ｐには凹部１４が形成された。次に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、９００℃の温度条件下で、テンプレート基板の凹部１４からマスク開口部を介してＧａＮ柱状結晶２０（高さ1.8μｍ、径180〜495nm）を成長させた。続けて、各微細柱状結晶２０上にＩｎＧａＮ膜（厚み：３ｎｍ）を含む多重量子井戸構造を持つ活性層２１を形成した。続けて、この活性層２１上にＧａＮ結晶の半導体被覆層２２（厚み：１０ｎｍ）を形成した。
図１２のグラフに示されるように、ＣＬ強度分布には、ＧａＮからの発光のピークと、ＩｎＧａＮからの２つの発光のピーク（波長：４０４ｎｍ、５１０ｎｍ）とがある。
図１３（Ｂ）に示される波長４０５ｎｍのＣＬ像は、ナノコラム２３の活性層２１の全体からの発光を示している。このＣＬ像は、微細柱状結晶２０の先端部の側面（半極性面）２０ａ（図４（Ｂ））上に形成されたＩｎＧａＮからの発光を示すものと考えられる。これに対し、図１３（Ｃ）に示される波長５１０ｎｍのＣＬ像は、ナノコラム２３の活性層２１のうち頂上付近のみからの発光を示している。このＣＬ像は、微細柱状結晶２０の先端部の平坦面（極性面）２０ｂ（図４（Ｂ））上に形成されたＩｎＧａＮからの発光を示すものと考えられる。
さらに、図１４（Ｂ）に示される波長３６５ｎｍの断面ＣＬ像は、ナノコラム２３の全体に分布するＧａＮからの発光を示している。図１４（Ｃ）に示される波長４３５ｎｍの断面ＣＬ像は、ナノコラム２３の先端部全体のＩｎＧａＮからの発光を示している。この断面ＣＬ像は、主に、微細柱状結晶２０の先端部の側面（半極性面）２０ａ（図４（Ｂ））上に形成されたＩｎＧａＮからの発光を示すものと考えられる。また、図１４（Ｄ）に示される波長５００ｎｍの断面ＣＬ像は、ナノコラム２３の頂上付近のＩｎＧａＮからの発光を示している。この断面ＣＬ像は、主に、微細柱状結晶２０の先端部の平坦面（極性面）２０ｂ（図４（Ｂ））上に形成されたＩｎＧａＮからの発光を示すものと考えられる。
図１２、図１３（Ａ）〜（Ｃ）および図１４（Ａ）〜（Ｄ）から理解される通り、微細柱状結晶２０の先端部の側面（半極性面）２０ａ上に形成されたＩｎＧａＮの発光波長と、当該先端部の平坦面（極性面）２０ｂ上に形成されたＩｎＧａＮの発光波長とは異なる。その理由は、以下のように考えられる。
図１５（Ｂ）に示されるように、微細柱状結晶２０の側面２０ａ上に形成されたＩｎＧａＮ結晶２１ｓと平坦面２０ｂ上に形成されたＩｎＧａＮ結晶２１ｔとでは、ＩｎＧａＮ結晶中へのＩｎの取り込みやすさが異なるので、平坦面２０ｂに形成されたＩｎＧａＮ結晶２１ｔ中のＩｎ組成比は比較的高く、側面２０ａに形成されたＩｎＧａＮ結晶２１ｓ中のＩｎ組成比は比較的低いと考えられる。このため、図１５（Ａ）に示されるＣＬスペクトル（図１２と同じＣＬスペクトル）が形成される。また、キャリアは、先端部付近のバンドギャップの狭いＩｎＧａＮ結晶２１ｔに閉じ込められるので、先端部付近のＩｎＧａＮ結晶２１ｔが量子ドットを形成し得る。これが、側面２０ａに形成されたＩｎＧａＮの発光波長と、平坦面２０ｂに形成されたＩｎＧａＮの発光波長との差を生じさせていると考えられる。
図１２のＣＬ強度分布を得るために作製されたサンプルを用いてＰＬ（フォトルミネッセンス）強度を測定した。励起光として波長４０５ｎｍのＣＷ（Continuous Wave）光を使用した。また、励起光密度は０．２９ｋＷ／ｃｍ２であった。ＰＬ強度分布のピーク波長は、４Ｋの低温条件で４８６．２ｎｍ、３００Ｋの高温条件で４８６．７ｎｍであり、ＰＬ強度分布の半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）は、４Ｋの低温条件で１５１．３ｍｅＶに相当し、３００Ｋの高温条件で１８７．２ｍｅＶに相当した。したがって、低温条件と高温条件との間のＰＬ積分強度比すなわち内部量子効率は、波長４８６ｎｍに対して約７７％であり、非常に良好な結晶性が確認された。このような高い内部量子効率が実現された１つの理由は、活性層２１（２１ｓ，２１ｔ）の外部空間への露出部が無くなり、非発光再結合による注入キャリアの損失が抑制されたからだと考えられる。図１５（Ｂ）に示されるように、狭いバンドギャップを持つＩｎＧａＮ結晶２１ｓ，２１ｔは広いバンドギャップを持つＧａＮにより完全に被覆されてナノコラム２３中に埋め込まれた状態にある。それ故、ＩｎＧａＮ結晶２１ｓ，２１ｔの外部空間への露出部が無くなるので、非発光再結合準位の形成が抑制されたと考えることができる。仮に露出部が存在すれば、この露出部の表面のバンドギャップ内に非発光再結合準位が形成され、この非発光再結合準位を介して電子と正孔とが再結合することにより発光効率が低下する。
なお、ここでは、ＩｎＧａＮ結晶２１ｓ，２１ｔを有するナノコラム２３について言及したが、ＩｎＧａＮ結晶２１ｔはなくてもよい。
このようなナノコラムであっても、ナノコラムの径により、発光波長を制御することができることが確認されている。すなわち、径が小さなナノコラムの活性層から放出される光のピーク波長は、径が大きなナノコラム上の活性層から放出される光のピーク波長よりも低波長となることが確認されている。
図１６は、ナノコラム２３の径（コラム径）とナノコラム２３の先端部のファセット構造の表面積との関係を示すとともに、コラム径と発光ピーク波長との関係を示すグラフである。発光ピーク波長は、ＰＬ光の強度分布から検出された波長である。グラフ中、記号「○」が発光ピーク波長の測定値を、記号「●」がナノコラム２３の先端部の平坦面（SurfaceC）の面積を、記号「▲」がナノコラム２３の先端部の傾斜側面（SurfaceSemi）の面積を、記号「■」がナノコラム２３の先端部の平坦面の面積と傾斜側面の面積との合計を、それぞれ示している。
この図１６のグラフを得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は以下の通りである。サファイア基板１１の（０００１）面上にＧａＮ層１２Ｐ（厚み：約３．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法で成長させてテンプレート基板を形成した。このテンプレート基板上にチタン薄膜（厚み：約５ｎｍ）を成膜した後、ＦＩＢ法を用いて、このチタン薄膜に、三角格子状に配列された複数の開口部（空間周期：４００ｎｍ）を設けることでマスクパターン１３Ｐを形成した。マスク開口部の形成と同時に、ＧａＮ層１２Ｐには凹部１４が形成された。次に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、９００℃の温度条件下で、テンプレート基板の凹部１４からマスク開口部を介してＧａＮ柱状結晶２０（高さ：２．５μｍ）を成長させた。続けて、各微細柱状結晶２０上にＩｎＧａＮ膜（厚み：１ｎｍ）を含む多重量子井戸構造を持つ活性層２１を形成した。続けて、この活性層２１上にＧａＮ結晶の半導体被覆層２２（厚み：１０ｎｍ）を形成した。
このような製造条件で、１３５ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲内の異なるコラム径を持つナノコラム群のサンプルを複数個作製し、各サンプルについて、ナノコラム２３の先端部の表面積と、発光ピーク波長とを測定した。この測定結果を示すグラフが図１６である。
図１６のグラフに示されるように、コラム径の増大とともに、ナノコラム２３の先端部のファセット構造の表面積（傾斜側面（ファセット面）と平坦面の合計面積）は増大する。また、コラム径が約１３５ｎｍ〜約２８８ｎｍの範囲内では、コラム径の増大とともに発光ピーク波長の値も単調に増大している。よって、ナノコラム２３の先端部のうち上方を向いたファセット面の合計面積の増大とともに、発光ピーク波長の値が増大する。活性層２１の膜厚と半導体被覆層２２の膜厚は薄いので、実質的に、微細柱状結晶２０の先端部のうち上方を向いたファセット面の面積の増大とともに発光ピーク波長が長くなるということができる。したがって、微細柱状結晶２０の先端部のうち上方を向いたファセット面の面積を制御することで、所望の発光ピーク波長を得ることが可能である。
また、図１６のグラフに示されるように、コラム径が約１３５ｎｍ〜約２６０ｎｍの範囲では、ナノコラム２３の先端部の傾斜側面（SurfaceSemi）の面積の増大とともに発光ピーク波長の値も増大するという正の相関関係が成立するが、コラム径が約２６０ｎｍを超えると、この相関関係が成立しなくなる。この代わりに、コラム径が約２６０ｎｍ〜約２８８ｎｍの範囲では、ナノコラム２３の先端部の平坦面（SurfaceC）の面積の増大とともに発光ピーク波長の値が増大する。
次に、図１７は、２００ｎｍのコラム径を持つナノコラム２３のＰＬ発光波長に関する光強度分布（単位：任意単位）を示すグラフである。グラフ中、実線は、ナノコラム２３の先端部の傾斜側面の高さｈが２．１μｍの場合の測定曲線を、破線は、ナノコラム２３の先端部の傾斜側面の高さｈが１．２５μｍの場合の測定曲線を、それぞれ示している。図１８は、同じナノコラム２３についての高さｈと発光ピーク波長との関係を示すグラフである。図１８のグラフの横軸は高さｈに対応し、縦軸は発光ピーク波長に対応している。
図１７および図１８のグラフを得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は以下の通りである。サファイア基板１１の（０００１）面上にＧａＮ層１２Ｐ（厚み：約３．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法で成長させてテンプレート基板を形成した。このテンプレート基板上にチタン薄膜（厚み：約５ｎｍ）を成膜した後、ＦＩＢ法を用いて、このチタン薄膜に、三角格子状に配列された複数の開口部（空間周期：４００ｎｍ）を設けることでマスクパターン１３Ｐを形成した。マスク開口部の形成と同時に、ＧａＮ層１２Ｐには凹部１４が形成された。次に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、９００℃の温度条件下で、テンプレート基板の凹部１４からマスク開口部を介してＧａＮ柱状結晶２０（高さ：２．５μｍ）を成長させた。続けて、各微細柱状結晶２０上にＩｎＧａＮ膜（厚み：１ｎｍ）を含む多重量子井戸構造を持つ活性層２１を形成した。続けて、この活性層２１上にＧａＮ結晶の半導体被覆層２２（厚み：１０ｎｍ）を形成した。
図１７に示されるようにナノコラム２３の先端部の傾斜側面の高さｈが１．２５μｍから２．１μｍに変化すると、光強度分布のピークも長波長側にシフトしている。図１８にもその傾向が示されている。
（発光波長の面内密度依存性）
図１９（Ａ）〜（Ｆ）は、三角格子状に規則的に配列されたナノコラム群の上面視でのＳＥＭ像を示す図である。図１９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）は、それぞれ、空間周期（各微細柱状結晶２０の中心間の距離）４００ｎｍ，６００ｎｍ，８００ｎｍ，１μｍ，２μｍ，４μｍの場合の配列を示している。また、空間周期４００ｎｍ，６００ｎｍ，８００ｎｍ，１μｍ，２μｍ，４μｍの配列に対応するＰＬ発光のピーク波長は、それぞれ、５０８ｎｍ，５００ｎｍ，４９０ｎｍ，４８０ｎｍ，４８０ｎｍ，４７９ｎｍと測定された。
図１９のＳＥＭ像を得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は以下の通りである。サファイア基板１１の（０００１）面上にＧａＮ層１２Ｐ（厚み：約３．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法で成長させてテンプレート基板を形成した。このテンプレート基板上にチタン薄膜（厚み：約５ｎｍ）を成膜した後、ＦＩＢ法を用いて、このチタン薄膜に、三角格子状に配列された複数のマスク開口部（各マスク開口部の径：１６７ｎｍ）を設けることでマスクパターン１３Ｐを形成した。マスク開口部の形成と同時に、ＧａＮ層１２Ｐには凹部１４が形成された。次に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、９００℃の温度条件下で、テンプレート基板の凹部１４からマスク開口部を介してＧａＮ柱状結晶２０（高さ1.5μｍ、径190nm）を成長させた。続けて、各微細柱状結晶２０上にＩｎＧａＮ膜（厚み：３ｎｍ）を含む多重量子井戸構造を持つ活性層２１を形成した。続けて、この活性層２１上にＧａＮ結晶の半導体被覆層２２（厚み：１０ｎｍ）を形成した。
図１９（Ａ）〜（Ｆ）に示されるように、ピーク波長は、ナノコラム２３，...，２３の空間周期（コラム周期、配置密度）が短いほど長波長側へシフトし、かつナノコラム２３，...，２３の空間周期が長いほど短波長側へシフトしている。
図２０は、図１９（Ａ）〜（Ｆ）のナノコラム群のＰＬ発光波長に関する光強度分布（単位：任意単位）の測定結果を示すグラフである。また、図２１は、コラム周期と図２０の光強度分布の発光ピーク波長との関係を示すグラフである。ここで、各ナノコラム２３のコラム径は１６０ｎｍにされた。
図２１に示されるように、コラム周期が約１μｍ以下の範囲では、コラム周期の増大とともに発光ピーク波長の値が減少している。コラム径が一定のままコラム周期を長くすると、ナノコラム２３，...，２３の面内密度が小さくなるので、面内密度の減少とともに発光ピーク波長が短くなり、面内密度の増大とともに発光ピーク波長が長くなる。
図２２は、三角格子状に規則的に配列されたナノコラム群の上面視でのＳＥＭ像を示す図である。図２２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、それぞれ、空間周期２４２ｎｍ，２６９ｎｍ，２９８ｎｍ，３３６ｎｍの場合の配列を示している。また、空間周期２４２ｎｍ，２６９ｎｍ，２９８ｎｍ，３３６ｎｍの配列に対応するＰＬ発光のピーク波長は、それぞれ、６０７ｎｍ，６４３ｎｍ，６４９ｎｍ，６５０ｎｍと測定された。
図２２（Ａ）〜（Ｄ）のＳＥＭ像を得るために作製されたナノコラム２３の製造条件は、マスク開口部の径を除いて、図１９のＳＥＭ像を得るために作製されたナノコラム２３の製造条件と同じである。図２２のＳＥＭ像を得るために作製されたナノコラム２３の径は、空間周期の増大とともに大きくなるように設定された。
図２２（Ａ）〜（Ｄ）に示されるように、ナノコラム２３の径の増大とともに、ピーク波長の値が増大している。ナノコラム２３の径の増大とともに、ナノコラム２３，...，２３の面内密度（配置密度）が大きくなるので、面内密度の増大とともに発光ピーク波長が長くなり、面内密度の減少とともに発光ピーク波長が短くなる。
各ナノコラム２３の半導体被覆層２２の膜厚は薄く、横方向の結晶成長が抑制されることを考慮すれば、活性層２１から放出される光のピーク波長は、微細柱状結晶２０，...，２０の面内密度が高いほど長波長側へシフトし、かつ微細柱状結晶２０，...，２０の面内密度が低いほど短波長側へシフトする。したがって、微細柱状結晶２０の径を制御することで所望の発光波長を得ることが可能である。
以上説明した通り、第１の実施形態の半導体光素子アレイ１０は、テンプレート基板上に形成された微細柱状結晶２０の位置を、マスクパターン１３Ｐの開口部の位置を調整することで制御することができる。また、各開口部の直下の凹部１４の径を調整することで微細柱状結晶２０の径を制御し、これにより、活性層２１から放出される光のピーク波長を所望の波長に定めることが可能である。また、各微細柱状結晶２０の径を大きくしてピーク波長を長波長側にシフトさせ、各微細柱状結晶２０の径を小さくしてピーク波長を短波長側にシフトさせることができる。
また、微細柱状結晶２０の先端部のファセット構造の表面積を制御することで、活性層２１から放出される光のピーク波長を所望の波長に定めることが可能である。ファセット構造の表面積を大きくしてピーク波長を長波長側にシフトさせ、ファセット構造の表面積を小さくしてピーク波長を短波長側にシフトさせることができる。
さらに、周期的に配列された微細柱状結晶２０，...，２０の面内密度を高くすることでピーク波長を長波長側へシフトさせ、微細柱状結晶２０，...，２０の面内密度を低くすることでピーク波長を短波長側へシフトさせることができる。面内密度の制御は、微細柱状結晶２０，...，２０の空間周期（すなわち、マスクパターン１３Ｐに形成される開口部の空間周期）の調整、あるいは、各微細柱状結晶２０の径（すなわち、マスクパターン１３Ｐに形成される開口部の径）の調整により高精度で行うことが可能である。
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図２３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、第２の実施形態の半導体発光素子の構成の一部を概略的に示す図である。図２３（Ａ），（Ｂ）に示される構造は、上記第１の実施形態の半導体光素子アレイ１０の構造を含むものである。
図２３（Ａ）を参照すると、下地基板１１上に形成されたIII族窒化物半導体層１２Ｐは、ｎ型不純物が導入されたｎ型半導体層である。マスクパターン１３Ｐは、ｎ側電極（図示せず）と接続されている。このIII族窒化物半導体層１２Ｐ上には、ｎ型ＡｌＧａＮなどのｎ型クラッド層を含む微細柱状結晶２０と、活性層２１と、ｐ型ＡｌＧａＮなどのｐ型クラッド層を含むｐ型半導体層２４とからなるナノコラムが形成されている。これらナノコラム間の空間には、酸化珪素などの絶縁膜３０が埋め込まれている。そして、ｐ型半導体層２４，...，２４に電気的に接続されるように、Ｎｉ／Ａｕ多層膜やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などのｐ側電極３１が成膜されている。ｐ側電極から注入された正孔とｎ側電極からの電子とが活性層２１で再結合することにより活性層２１は光を放出する。
微細柱状結晶２０は、ｎ型半導体層で構成されており、たとえば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮの３層構成であってもよい。
一方、図２３（Ｂ）を参照すると、下地基板１１上に形成されたIII族窒化物半導体層１２Ｐは、ｎ型不純物が導入されたｎ型半導体層である。マスクパターン１３Ｐは、ｎ側電極（図示せず）と接続されている。このIII族窒化物半導体層１２Ｐ上には、ｎ型ＡｌＧａＮなどのｎ型クラッド層を含む微細柱状結晶２０と、活性層２１と、ｐ型ＡｌＧａＮなどのｐ型クラッド層を含むｐ型半導体層２５とからなるナノコラム２３が形成されている。ｐ型半導体層２５は、横方向の結晶成長の促進により横方向に連続的に形成されている。
p型半導体層２５を横方向成長を促進させるためには、Ｍｇをドープする方法、成長温度を下げる方法、Ａｌを添加する方法等がある。そして、ｐ型半導体層２５に電気的に接続されるように、Ｎｉ／Ａｕ多層膜やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などのｐ側電極３２が成膜されている。ｐ側電極から注入された正孔とｎ側電極からの電子とが活性層２１で再結合することにより活性層２１は光を放出する。
図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）の構造をレーザダイオードとして構成する場合には、活性層２１から放出された光を閉じ込める光共振器を形成すればよい。たとえば、活性層２１よりも上方と下方とにそれぞれ多層膜反射鏡を形成して、これら多層膜反射鏡で光共振器を構成することができる。
なお、ｐ型半導体層２５に光導波路を形成することもできる。
また、図２３（Ａ）または図２３（Ｂ）の構造を、太陽電池などの光電変換素子に変形することも可能である。たとえば、各ナノコラム２３において、活性層２１の代わりにｐｉｎ構造（光吸収構造）を形成すればよい。このｐｉｎ構造では、ｉ型半導体層を量子ドット構造とすることができる。複数の量子ドット層を中間層を介して積層してｉ型半導体層を構成することにより、変換効率を向上させることができる。上述の通り、微細柱状結晶２０の径、微細柱状結晶２０，...，２０の面内密度あるいは微細柱状結晶２０の先端形状を制御することにより、ｐｉｎ構造を所望の吸収波長に適合させることが可能である。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図２４および図２５は、それぞれ、第３の実施形態の半導体発光素子の構成の一部を示す斜視図である。第３の実施形態の半導体発光素子は、上記第１の実施形態の半導体光素子アレイ１０の構造を含むものである。
図２４を参照すると、下地基板１１上に形成されたIII族窒化物半導体層１２Ｐは、ｎ型不純物が導入されたｎ型半導体層である。マスクパターン１３Ｐ上にはｎ側電極４０が形成されている。このIII族窒化物半導体層１２Ｐ上には、発光波長の異なる複数種のナノコラム群２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂが形成されている。これらナノコラム群２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂを構成するナノコラムは、図２３（Ｂ）に示したような、ｎ型ＡｌＧａＮなどのｎ型クラッド層を含むｎ型（第１導電型）の微細柱状結晶２０と、活性層２１と、ｐ型ＡｌＧａＮなどのｐ型クラッド層を含むｐ型（第２導電型）の半導体層２５とからなるナノコラムと同じ構造を有していればよい。ナノコラム群２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂは、それぞれ、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の３原色の波長の光をそれぞれ放出する結晶構造を有している。
さらに、図２５に示すように、ナノコラム群２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ上には、それぞれ、ｐ型半導体層２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂが成膜されている。そして、これらｐ型半導体層２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂには、それぞれ、ｐ側電極４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂが接続されている。ｐ側電極４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂは、Ｎｉ／Ａｕ多層膜やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で構成すればよい。
ｐ側電極４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂから注入された正孔とｎ側電極からの電子とがナノコラム群２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂの活性層で再結合することにより活性層は光を放出することができる。
図２５の構造をレーザダイオードとして構成する場合には、活性層から放出された光を閉じ込める光共振器を形成すればよい。たとえば、活性層よりも上方と下方とにそれぞれ多層膜反射鏡を形成して、これら多層膜反射鏡で光共振器を構成することができる。
第３の実施形態の半導体発光素子は、３原色の波長の光を放出する発光体を同一の基板１１上に集積することができる。さらに、Ｒ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれ放出するナノコラム群２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂの面内密度を個別に調整することで光強度分布を制御して、全体のスペクトル分布を太陽光のスペクトル分布に近似することが可能である。この結果、理想的な白色発光ダイオードを作製することができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上記実施形態では、下地基板１１としてサファイア基板が使用されるが、これに限定されず、たとえば、シリコン基板やＳｉＣ基板を使用してもよい。テンプレート基板の代わりに、窒化ガリウム基板などのIII族窒化物半導体基板を使用してもよい。
本発明に係る半導体光素子アレイは、電子デバイスおよび光デバイスの分野において応用可能である。微細柱状結晶は優れた発光特性を持ち、発光デバイスへの応用が期待される。本発明に係る半導体光素子アレイは、たとえば、蛍光体、発光ダイオード、レーザダイオードあるいは光電変換素子に適用することができる。
１０ 半導体光素子アレイ
１１ 下地基板
１２，１２Ｐ III族窒化物半導体層
１３ 金属マスク層
１３Ｐ マスクパターン
１３ｇ 開口部
１４ 凹部
２０ 微細柱状結晶
２０ａ 半極性面
２０ｂ 平坦面
２１ 活性層
２２ 半導体被覆層
２３ ナノコラム
２４，２５ ｐ型半導体層
３１，３２ ｐ側電極
４０ ｎ側電極
本発明に係る半導体光素子アレイは、電子デバイスおよび光デバイスの分野において応用可能である。微細柱状結晶は優れた発光特性を持ち、発光デバイスへの応用が期待される。本発明に係る半導体光素子アレイは、たとえば、蛍光体、発光ダイオード、レーザダイオードあるいは光電変換素子に適用することができる。
以下、参考形態の例を付記する。
（１）
複数の凹部が形成された主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の当該主面上に形成され、かつ前記複数の凹部の直上にそれぞれ設けられた複数の開口部を有するマスクパターンと、
前記複数の凹部から前記複数の開口部を介して前記マスクパターンの上方に向けて成長したIII族窒化物半導体からなる複数の微細柱状結晶と、
前記複数の微細柱状結晶上にそれぞれ成長した活性層と、
前記各活性層を被覆する半導体層と、
を備える半導体光素子アレイ。
（２）
（１）に記載の半導体光素子アレイであって、
異なる径の前記微細柱状結晶を含み、
径が小さな前記微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長は、径が大きな前記微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長よりも短波長である半導体光素子アレイ。
（３）
（１）または（２）に記載の半導体光素子アレイであって、
前記マスクパターンには、前記複数の開口部の配置密度が高い領域と、前記複数の開口部の配置密度が低い領域とがあり、
複数の開口部の配置密度が高い領域にある複数の微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長は、複数の開口部の配置密度が低い領域にある複数の微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長よりも長波長である、半導体光素子アレイ。
（４）
（１）に記載の半導体光素子アレイであって、
前記各微細柱状結晶は、先端部にファセット構造を有するとともに、各微細柱状結晶における前記ファセット構造の表面積は異なっており、
ファセット構造の表面積が小さな前記微細柱状結晶から放出される光のピーク波長は、ファセット構造の表面積が大きな前記微細柱状結晶から放出される光のピーク波長よりも短波長である半導体光素子アレイ。
（５）
（４）に記載の半導体光素子アレイであって、
前記各微細柱状結晶は、ウルツ鉱型結晶構造を有しており、
前記ファセット構造を構成するファセット面は、前記ウルツ鉱型結晶構造の半極性面を含む、
半導体光素子アレイ。
（６）
（５）に記載の半導体光素子アレイであって、前記ファセット構造は、前記ウルツ鉱型結晶構造の極性面を含む、半導体光素子アレイ。
（７）
（４）に記載の半導体光素子アレイであって、
前記各微細柱状結晶は、ウルツ鉱型結晶構造を有しており、
前記ファセット構造は、前記ウルツ鉱型結晶構造の極性面を含む、
半導体光素子アレイ。

Claims (21)

  1. 複数の凹部が形成された主面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の当該主面上に形成され、かつ前記複数の凹部の直上にそれぞれ設けられた複数の開口部を有するマスクパターンと、
    前記複数の凹部から前記複数の開口部を介して前記マスクパターンの上方に向けて成長したIII族窒化物半導体からなる複数の微細柱状結晶と、
    前記複数の微細柱状結晶上にそれぞれ成長した活性層または光吸収層と、
    前記各活性層または光吸収層を被覆する半導体層と、
    を備える半導体光素子アレイ。
  2. 請求項１に記載の半導体光素子アレイにおいて、
    前記各微細柱状結晶上には活性層が形成されている半導体光素子アレイ。
  3. 請求項２に記載の半導体光素子アレイにおいて、
    前記各微細柱状結晶の径は、１０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下である半導体光素子アレイ。
  4. 請求項２または３に記載の半導体光素子アレイであって、
    異なる径の前記微細柱状結晶を含み、
    径が小さな前記微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長は、径が大きな前記微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長よりも低波長である半導体光素子アレイ。
  5. 請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体光素子アレイであって、
    前記マスクパターンには、前記複数の開口部の配置密度が高い領域と、前記複数の開口部の配置密度が低い領域とがあり、
    複数の開口部の配置密度が高い領域にある複数の微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長は、複数の開口部の配置密度が低い領域にある複数の微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長よりも長波長である、半導体光素子アレイ。
  6. 請求項２に記載の半導体光素子アレイであって、
    前記各微細柱状結晶は、先端部にファセット構造を有するとともに、各微細柱状結晶における前記ファセット構造の表面積は異なっており、
    ファセット構造の表面積が小さな前記微細柱状結晶から放出される光のピーク波長は、ファセット構造の表面積が大きな前記微細柱状結晶から放出される光のピーク波長よりも低波長である半導体光素子アレイ。
  7. 請求項６記載の半導体光素子アレイであって、
    前記各微細柱状結晶は、ウルツ鉱型結晶構造を有しており、
    前記ファセット構造を構成するファセット面は、前記ウルツ鉱型結晶構造の半極性面を含む、
    半導体光素子アレイ。
  8. 請求項７に記載の半導体光素子アレイであって、前記ファセット構造は、前記ウルツ鉱型結晶構造の極性面を含む、半導体光素子アレイ。
  9. 請求項６に記載の半導体光素子アレイであって、
    前記各微細柱状結晶は、ウルツ鉱型結晶構造を有しており、
    前記ファセット構造は、前記ウルツ鉱型結晶構造の極性面を含む、
    半導体光素子アレイ。
  10. 請求項６乃至９のいずれかに記載の半導体光素子アレイであって、
    前記マスクパターンには、前記複数の開口部の配置密度が高い領域と、前記複数の開口部の配置密度が低い領域とがあり、
    複数の開口部の配置密度が高い領域にある複数の微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長は、複数の開口部の配置密度が低い領域にある複数の微細柱状結晶上の活性層から放出される光のピーク波長よりも長波長である、半導体光素子アレイ。
  11. 請求項２から１０のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子アレイであって、
    前記活性層は、前記半導体層により完全に被覆されている、半導体光素子アレイ。
  12. 請求項２から１１のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子アレイであって、
    前記微細柱状結晶の導電型は、第１導電型であり、
    前記半導体層は、前記第１導電型とは逆の第２導電型のIII族窒化物半導体層を含む、
    半導体光素子アレイ。
  13. 請求項２から１２のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子アレイであって、
    前記複数の微細柱状結晶は、発光波長の異なる複数の柱状結晶群からなる、半導体光素子アレイ。
  14. 請求項１３に記載の半導体光素子アレイであって、
    前記複数の柱状結晶群は、少なくとも、３原色の波長の光をそれぞれ放出する３つの柱状結晶群を含む、半導体光素子アレイ。
  15. 請求項２から１４のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子アレイであって、前記活性層は、量子井戸層と、前記量子井戸層よりも大きなバンドギャップを有し前記量子井戸層を挟み込む障壁層とを含む量子井戸構造を有する、半導体光素子アレイ。
  16. 請求項２から１５のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子アレイであって、前記マスクパターンの構成材料は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）からなる群より選択された１種または２種以上の金属である、半導体光素子アレイ。
  17. 請求項２から１６のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子アレイであって、前記III族窒化物半導体は窒化ガリウムを含む、半導体光素子アレイ。
  18. 請求項２から１７のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子アレイであって、前記III族窒化物半導体はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、半導体光素子アレイ。
  19. 半導体基板上に複数の開口部を有するマスクパターンを形成する工程と、
    前記マスクパターンをエッチングマスクとして前記半導体基板をエッチングすることにより前記半導体基板の主面に複数の凹部を形成する工程と、
    前記各凹部から前記各開口部を介して前記マスクパターンの上方に向けて複数の微細柱状結晶を成長させる工程と、
    前記微細柱状結晶上に活性層または光吸収層を成長させる工程と、
    前記活性層または光吸収層を被覆する半導体層を形成する工程と、
    を備える半導体光素子アレイの製造方法。
  20. 請求項１９に記載の半導体光素子アレイの製造方法であって、前記マスクパターンの上方に向けて複数の微細柱状結晶を成長させる前記工程と同時に、前記微細柱状結晶を前記半導体基板の面内方向に沿った横方向へ成長させる工程をさらに備える半導体光素子アレイの製造方法。
  21. 請求項１９または２０に記載の半導体光素子アレイの製造方法であって、
    前記微細柱状結晶の導電型は、第１導電型であり、
    前記半導体層は、前記第１導電型とは逆の第２導電型のIII族窒化物半導体層を含む
    半導体光素子アレイの製造方法。
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