JP2023010073A - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】柱状半導体層を有する半導体発光素子であっても、主面方向または裏面方向への光取り出し量を増加させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】成長基板（１１）と、成長基板（１１）上に形成された複数の柱状半導体層（１４～１６）と、柱状半導体層（１４～１６）を覆って形成された埋込層（１７）とを備え、柱状半導体層（１４～１６）は、ナノワイヤ層（１４）と、ナノワイヤ層（１４）の外周に形成された活性層（１５）と、活性層（１５）の外周に形成されたｐ型層（１６）を備え、活性層（１５）の側面は成長基板（１１）の主面に対して傾斜して形成されている半導体発光素子（１０）。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関し、特に複数の柱状半導体層を埋込層で埋め込んだ構造を有する半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、窒化物系半導体の結晶成長方法が急速に進展し、この材料を用いた高輝度の青色、緑色発光素子が実用化された。従来から存在した赤色発光素子とこれらの青色発光素子、緑色発光素子を組み合わせることで光の３原色全てが揃い、フルカラーのディスプレイ装置も実現可能となった。即ち、光の３原色全てを混合させると白色の光を得ることもできるようになり、照明用デバイスへの応用も可能である。

照明用途の光源に用いる半導体発光素子では、高電流密度領域において高いエネルギー変換効率と高い光出力を実現できることが望ましく、放出される光の配光特性が安定していることが望ましい。これらの課題を解決するために特許文献１では、成長基板上にｎ型ナノワイヤコアと活性層とｐ型層を成長し、ｐ型層の側面にトンネル接合層を形成し、ｎ型の埋込層で埋め込んだ半導体発光素子が提案されている。

図４は従来から提案されている柱状半導体層を備えた半導体発光素子を示す模式図であり、図４（ａ）は模式断面図であり、図４（ｂ）は光の取り出し方向を示す模式斜視図である。図４（ａ）に示したように半導体発光素子は、成長基板１と、下地層２と、マスク３と、ナノワイヤ層４と、活性層５と、ｐ型層６と、埋込層７と、カソード電極８ｎ、アノード電極８ｐを備えている。ここで、ナノワイヤ層４、活性層５およびｐ型層６は、成長基板１の主面に対して所定角度で立設して形成されており、ダブルヘテロ構造の柱状半導体層を構成している。

このような半導体発光素子では、アノード電極８ｐとカソード電極８ｎとの間に電圧が印加されると、埋込層７からｐ型層６にホールが注入され、下地層２からナノワイヤ層４に電子が注入され、活性層５で発光再結合により所定波長の光が発光する。このような半導体発光素子では、成長基板１の全面に活性層を形成したものよりも各半導体層に生じる結晶欠陥や貫通転位が少なく、高品質な結晶を得られる。また、活性層が柱状半導体層の側面に沿った非極性面であるｍ面をファセットとして有するため、高電流密度における外部量子効率の向上を図ることができる。

特開２０２０－０７７８１７号公報

しかしこのような従来技術では、活性層５が柱状半導体層の側面に沿って形成されており、さらにダブルヘテロ構造も側面に沿っていることから、活性層５で発光された光は図４（ｂ）に示したように、主面方向よりも面内方向に取り出される傾向が強くなる。このような面内方向への光取り出しは、面発光型の半導体発光素子では好ましくない。また、各柱状半導体層から発光した光は、面内を進行するうちに他の柱状半導体層で吸収される場合があり、外部量子効率の向上が困難であるという問題があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、柱状半導体層を有する半導体発光素子であっても、主面方向または裏面方向への光取り出し量を増加させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成された複数の柱状半導体層と、前記柱状半導体層を覆って形成された埋込層とを備え、前記柱状半導体層は、ナノワイヤ層と、前記ナノワイヤ層の外周に形成された活性層と、前記活性層の外周に形成されたｐ型層を備え、前記活性層の側面は、前記成長基板の主面に対して傾斜して形成されていることを特徴とする。

このような本発明の半導体発光素子では、活性層の側面が成長基板の主面に対して傾斜しているため、活性層で発光した光は成長基板の斜め上方に向けて取り出され、主面方向への光取り出し量を増加させることが可能となる。

また本発明の一態様では、前記ナノワイヤ層は、前記主面に対して傾斜した側面である傾斜側面部を有している。

また本発明の一態様では、前記成長基板上にマスクが形成されており、前記ナノワイヤ層は前記マスクに設けられた開口部から選択的に成長されており、かつ前記傾斜側面部は前記マスクを部分的に覆う領域に形成されている。

また本発明の一態様では、前記ナノワイヤ層、前記活性層および前記ｐ型層は、窒化物半導体で構成されている。

また上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子の製造方法は、成長基板上に複数の柱状半導体層を形成する柱状半導体成長工程と、前記柱状半導体層を覆って埋込層を形成する埋込層形成工程とを有し、前記柱状半導体層成長工程は、前記成長基板の主面に対して傾斜した側面である傾斜側面部を有するナノワイヤ層を形成するナノワイヤ層成長工程と、前記傾斜側面部の外周に活性層を形成する活性層成長工程と、前記活性層の外周にｐ型層を形成するｐ型層成長工程とを備えることを特徴とする。

また本発明の一態様では、前記ナノワイヤ層成長工程は、前記成長基板の主面に対して垂直な側面を有するナノワイヤコアを形成するナノワイヤコア成長工程と、前記ナノワイヤコアの外周に傾斜側面部を形成する傾斜側面部成長工程とを備える。

また本発明の一態様では、前記傾斜側面部成長工程では、前記ナノワイヤコア成長工程よりも原料のＶ／ＩＩＩ比を低下させる。

また本発明の一態様では、前記傾斜側面部成長工程では、前記ナノワイヤコア成長工程よりも成長温度を低下させる。

本発明では、柱状半導体層を有する半導体発光素子であっても、主面方向または裏面方向への光取り出し量を増加させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。

第１実施形態に係る半導体発光素子１０を示す図であり、図１（ａ）は模式断面図であり、図１（ｂ）は柱状半導体層を拡大して示す部分拡大断面図である。 半導体発光素子１０の製造方法を示す模式図であり、図２（ａ）はマスク形成工程、図２（ｂ）はナノワイヤ層成長工程のうちのナノワイヤコア成長工程、図２（ｃ）はナノワイヤ層成長工程のうちの傾斜側面部成長工程、図２（ｄ）は活性層１５およびｐ型層１６の成長工程を示している。 半導体発光素子１０の製造方法を示す模式図であり、図３（ｅ）は埋込層形成工程、図３（ｆ）はメサ形成工程、図３（ｇ）は電極形成工程を示している。 従来から提案されている柱状半導体層を備えた半導体発光素子を示す模式図であり、図４（ａ）は模式断面図であり、図４（ｂ）は光の取り出し方向を示す模式斜視図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係る半導体発光素子１０を示す図であり、図１（ａ）は模式断面図であり、図１（ｂ）は柱状半導体層を拡大して示す部分拡大断面図である。

図１に示すように、半導体発光素子１０は、成長基板１１と、下地層１２と、マスク１３と、ナノワイヤ層１４と、活性層１５と、ｐ型層１６と、埋込層１７と、カソード電極１８ｎと、アノード電極１８ｐを備えている。ここで、ナノワイヤ層１４、活性層１５およびｐ型層１６は、成長基板１１上で選択成長されて鉛直方向に立設した柱形状とされており、本発明における柱状半導体層を構成している。図１（ｂ）に示すように、柱状半導体層は成長基板１１の主面に対して傾斜した側面（傾斜側面部）を有しており、断面が台形状とされている。ここでは、柱状半導体層として頂面を有して断面が台形の場合を示したが、頂面を小さくして傾斜した側面でほとんどの表面を構成し、断面が三角形状としてもよい。また、ナノワイヤ層１４の側面に沿った活性層１５は、ナノワイヤ層１４とｐ型層１６で挟まれたダブルヘテロ構造を構成している。

図１に示すように、半導体発光素子１０の一部は表面から下地層１２まで埋込層１７が除去されてメサ溝（メサ構造）が形成されており、下地層１２の表面が露出されてカソード電極１８ｎが形成されている。また、埋込層１７上にはアノード電極１８ｐが形成されている。ここでメサ構造とは、所定領域を取り囲むように複数の半導体層を貫いた溝が形成されていることで、各半導体層の積層構造断面が側面から露出する構造をいう。

成長基板１１は、半導体材料を結晶成長可能な材料で構成された略平板状の部材である。半導体発光素子１０を窒化物系半導体で構成する場合には、成長基板１１としてＧａＮ基板を用いることが好ましく、レーザ発振させるためには、共振器面が劈開により形成しやすいｃ面ＧａＮ基板を用いてもよい。また、成長基板１１として成長する半導体材料とは異なる材料で構成されたｃ面サファイア基板やＳｉ基板等の異種基板を用いるとしてもよい。

下地層１２は、成長基板１１上に形成された単結晶の半導体層である。成長基板１１と下地層１２を異なる材料で構成する場合には、成長基板１１の表面にバッファ層を成長し、バッファ層上に下地層１２を形成することが好ましい。下地層１２としては、例えばノンドープのＧａＮを数μｍの厚さで形成し、その上にｎ型コンタクト層等のｎ型半導体層を備えた複数層で構成することが挙げられる。ｎ型コンタクト層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層であり、例えばＳｉドープしたｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎが挙げられる。また、下地層１２の主面側にはマスク１３が形成されている。また、下地層１２の一部は露出されてカソード電極１８ｎが形成されている。

バッファ層は、成長基板１１と下地層１２の間に形成されて両者の格子不整合を緩和するための層である。成長基板１１としてｃ面サファイア基板を用いる場合にはバッファ層にＧａＮを用いることが好ましいが、ＡｌＮやＡｌＧａＮなどを用いるとしてもよい。成長基板１１と下地層１２が同じ材料の場合にはバッファ層を設けない構成とすることもできる。また成長基板１１としてＧａＮ基板等の単結晶基板を用いる場合には、バッファ層と下地層１２を設けずに成長基板の表面にカソード電極１８ｎを形成するとしてもよい。

マスク１３は、下地層１２の表面に形成された誘電体材料からなる層である。マスク１３を構成する材料としては、マスク１３からは半導体の結晶成長が困難なものを選択し、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮ_ｘやＡｌ_２Ｏ_３などが好適である。マスク１３には後述する開口部１３ａが複数形成されており、開口部１３ａから部分的に露出した下地層１２の表面から半導体層が成長可能とされている。

柱状半導体層は、マスク１３に設けられた開口部１３ａに結晶成長された半導体層であり、成長基板１１の主面に対して鉛直方向に半導体層が立設して形成されて、柱状の構造を有している。このような柱状半導体層は、構成する半導体材料に応じて適切な成長条件を設定し、特定の結晶面方位が成長する選択成長を実施することで得られる。図１に示した例では、マスク１３に複数の開口部１３ａを二次元的に周期的に形成しているため、柱状半導体層も成長基板１１上に二次元的に周期的に形成されている。

ナノワイヤ層１４は、マスク１３の開口部１３ａから露出した下地層１２に選択成長された柱状の半導体層であり、例えばｎ型不純物がドープされたＧａＮから構成されている。図１（ｂ）に示したように、ナノワイヤ層１４はナノワイヤコア１４ａと傾斜側面部１４ｂから構成されている。ナノワイヤコア１４ａは、図１（ｂ）において破線で示された領域であり、マスク１３の開口部１３ａから垂直方向に延びる領域に形成された柱状の層である。傾斜側面部１４ｂは、ナノワイヤコア１４ａの周囲に形成された層であり、マスク１３を部分的に覆うように形成されている。また、傾斜側面部１４ｂの側面はナノワイヤ層１４の側面を構成しており、成長基板１１に近い側の径が大きく、ナノワイヤコア１４ａの先端近傍に向かって縮径して、成長基板１１の主面に対して傾斜し、断面が台形状とされている。図１（ｂ）ではナノワイヤコア１４ａを破線で示し、その周囲に形成された傾斜側面部１４ｂと区別して説明しているが、両者を同一材料で構成することができ、その場合には明確な境界は形成されない。

ナノワイヤ層１４としてＧａＮを用いると、成長基板１１上に選択成長されたナノワイヤコア１４ａは、６つのｍ面がファセットとして形成された略六角柱の形状として形成される。図１（ｂ）では開口部１３ａが形成された領域にのみナノワイヤコア１４ａが成長しているように見えるが、実際には横方向成長によりマスク１３上にも結晶成長が進むため、開口部１３ａの周囲に拡大した六角柱が形成される。例えば、開口部１３ａを直径１５０ｎｍ程度の円として形成した場合には、直径２００ｎｍ程度の円に内接する六角形を底面とする高さ１～２μｍ程度の六角柱状のナノワイヤコア１４ａを形成することができる。下地層１２およびナノワイヤ層１４をＧａＮで構成する場合には、例えば電子濃度が１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^－３程度のｎ型半導体層とすることが好ましい。

本実施形態ではナノワイヤ層１４としてＧａＮを用いた例を示しているが、発光波長を長波長化するために活性層１５のＩｎ組成を高める場合には、格子不整合によるミスフィット転位を低減するためにナノワイヤ層１４としてＧａＩｎＮを用いるとしてもよい。同様に、半導体発光素子１０の波長を短波長化する場合には、ナノワイヤ層１４としてＡｌＧａＮを用いることや、活性層１５の井戸層およびバリア層を各々組成の異なるＡｌＧａＮに変更することも可能である。

活性層１５は、ナノワイヤ層１４よりも外周に成長された半導体層であり、例えば厚さ３～１０ｎｍのＧａＩｎＮ量子井戸層と厚さ５～２０ｎｍのＧａＮ障壁層を５周期重ねた多重量子井戸活性層が挙げられる。ここでは多重量子井戸活性層を挙げたが、単一量子井戸構造であってもよく、バルク活性層であってもよい。活性層１５がナノワイヤ層１４の側面および上面に形成されているため、活性層１５の面積を確保することができる。活性層に取り込まれるＩｎの比率が高くなるほど、半導体発光素子１０の発光波長は長波長化し、Ｉｎ組成比を０．１０以上とすることで発光波長を４８０ｎｍ以上とすることができる。また、Ｉｎ組成比を０．１２以上とすることで発光波長を５００ｎｍ以上とすることができる。

また、活性層１５はナノワイヤ層１４の外周に形成されているため、ナノワイヤ層１４の側面と同様に成長基板１１の主面に対して傾斜して半極性面を有している。ここで、ＧａＮにおける半極性面とは、ｃ面からの傾きが０度より大きく９０度より小さい範囲の面である。したがって活性層１５には、ＧａＮのｃ面から傾斜した半極性面に電圧が印加されるため、ドループ特性を改善することができる。また、活性層１５で発光した光は、傾斜側面部１４ｂに垂直な方向の成分が多く含まれており、成長基板１１の斜め上方に向かって進行する割合が大きくなる。

ｐ型層１６は、活性層１５よりも外周に成長された半導体層であり、例えばｐ型不純物がドープされたＧａＮから構成されている。図１に示したように、ｐ型層１６は活性層１５の側面および上面を覆うように形成されている。これにより、ナノワイヤ層１４と活性層１５とｐ型層１６でダブルヘテロ構造が構成され、良好にキャリアを活性層１５に閉じ込めて発光再結合の確率を向上させることができる。図１ではｐ型層１６を単層で構成した例を示しているが、活性層１５の側面を覆う複数層の層構造であってもよい。また、ｐ型層１６は活性層１５の外周に形成されているため、ナノワイヤ層１４と活性層１５の側面と同様に成長基板１１の主面に対して傾斜している。

埋込層１７は、上述した複数の柱状半導体層の側面および上面を埋める層である。埋込層１７を構成する材料としては、ＧａＮ等の半導体材料やＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明電極が挙げられる。埋込層１７には、表面の一部にアノード電極１８ｐが形成されている。図１では埋込層１７を単層で構成した例を示しているが、下地層１２の表面から柱状半導体層の上面まで埋込むものであれば複数層の積層構造であってもよい。また、埋込層１７を半導体材料で構成する場合には、ｐ型半導体層やｎ型半導体層を用いて、トンネル接合層やコンタクト層、電流拡散層等の機能を含めるとしてもよい。

メサ溝は、埋込層１７から下地層１２までの各半導体層を貫通して形成された溝であり、半導体発光素子１０の発光領域を区分してメサ構造を構成する。メサ溝には、さらに素子分離溝が形成されて半導体発光素子１０が個別に分離されている。

カソード電極１８ｎは、メサ溝内において下地層１２が露出された領域に形成された電極であり、露出された半導体層とオーミック接触する金属材料とパッド電極の積層構造で構成されている。アノード電極１８ｐは、埋込層１７上の一部に形成された電極であり、埋込層１７の最表面とオーミック接触する金属材料とパッド電極の積層構造で構成されている。また、図１では図示を省略したが、必要に応じて半導体発光素子１０の表面をパッシベーション膜で覆うなど公知の構造を適用してもよい。また、埋込層１７全体にアノード電極１８ｐを延伸した透明電極を形成するとしてもよい。

図２は、半導体発光素子１０の製造方法を示す模式図であり、図２（ａ）はマスク形成工程、図２（ｂ）はナノワイヤ層成長工程のうちのナノワイヤコア成長工程、図２（ｃ）はナノワイヤ層成長工程のうちの傾斜側面部成長工程、図２（ｄ）は活性層１５およびｐ型層１６の成長工程を示している。ナノワイヤコア成長工程と傾斜側面部成長工程は、２段階の成長条件で傾斜側面部１４ｂを有するナノワイヤ層１４を形成するものであり、本発明におけるナノワイヤ層成長工程に相当している。図３は、半導体発光素子１０の製造方法を示す模式図であり、図３（ｅ）は埋込層形成工程、図３（ｆ）はメサ形成工程、図３（ｇ）は電極形成工程を示している。

まず図２（ａ）に示すようにｎ型ＧａＮからなる下地層１２が形成された成長基板１１を用意する。マスク形成工程では、下地層１２上にスパッタ法でＳｉＯ_２からなるマスク１３を厚さ３０ｎｍ程度堆積させ、直径１５０ｎｍ程度の開口部１３ａを形成する。開口部１３ａの形成には、ナノインプリンティングリソグラフィーのような微細パターン形成方法を用いることができる。成長基板１１としてサファイア等の異種基板を用いる場合には、サファイア基板上にバッファ層、下地層１２およびｎ型半導体層を形成して、ｎ型半導体層の表面を成長基板１１の表面に用いるとしてもよい。バッファ層の成長条件としては、例えば原料ガスとしてＴＭＡ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＡｌｍｉｎｉｕｍ）、ＴＭＧ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ）およびアンモニアを用い、成長温度が１１００℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力１０ｈＰａである。下地層およびｎ型半導体層の成長条件としては、例えば成長温度が１０５０℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力５００ｈＰａである。

次に図２（ｂ）に示すナノワイヤコア成長工程では、ＭＯＣＶＤ法による選択成長により、開口部１３ａから露出した下地層１２上にＧａＮからなるナノワイヤコア１４ａを成長させる。ナノワイヤコア１４ａの成長条件としては、例えば原料ガスとしてＴＭＧおよびアンモニアを用い、成長温度が１１００℃、Ｖ／III比が２０、水素をキャリアガスとして圧力１００ｈＰａである。この成長条件では、ナノワイヤコア１４ａは成長基板１１に垂直なｍ面をファセットとした六角柱形状に成長される。

次に図２（ｃ）に示す傾斜側面部成長工程では、ナノワイヤコア１４ａの側面および上面において結晶成長を継続して、成長基板１１の主面に対して傾斜した側面を有する傾斜側面部１４ｂを成長させる。傾斜側面部１４ｂの成長条件としては、ナノワイヤコア１４ａの成長条件よりも原料のＶ／ＩＩＩ比を低下させるか、成長温度を低下させることが挙げられる。一例としては、Ｖ／ＩＩＩ比を１０００～５０００の範囲とし、成長温度を９００～９５０℃の範囲とすることが挙げられる。

傾斜側面部成長工程をこれらの成長条件で実施することにより、ナノワイヤコア１４ａの周囲に形成される傾斜側面部１４ｂは、半極性面をファセットとした側面を有して、断面が台形状となる。ナノワイヤコア１４ａは六角柱形状であるため、ナノワイヤコア１４ａと傾斜側面部１４ｂを含めたナノワイヤ層１４は、六角錐形状に形成される。ここで、半極性面のファセットとしては、例えば［１０－１１］［１０－１２］［１０－１３］［２０－２１］［３０－３１］で表される高次の面指数のものが挙げられ、それぞれｃ面に対する傾斜角度は６２度、４３度、３２度、７５度、８０度となる。

次に図２（ｄ）に示す活性層１５およびｐ型層１６の成長工程では、ＭＯＣＶＤ法を用いてナノワイヤ層１４の側面および上面に、活性層１５およびｐ型層１６を成長させる。活性層１５としては、例えば厚さ３～１０ｎｍのＧａＩｎＮ量子井戸層と厚さ５～２０ｎｍのＧａＮ障壁層を５周期重ねた多重量子井戸構造が挙げられる。また、ｐ型層１６としては、正孔濃度が１０^１８～１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^－３程度のｐ－ＧａＮ層が挙げられる。図２（ｂ）ナノワイヤコア成長工程と、図２（ｃ）の傾斜側面部成長工程と、図２（ｄ）の活性層１５およびｐ型層１６の成長工程は、本発明における柱状半導体層成長工程に相当している。

活性層１５の成長条件としては、例えば成長温度が８００℃、Ｖ／III比が３０００、窒素をキャリアガスとして圧力１０００ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＩｎｄｉｕｍ）およびアンモニアを用いる。ｐ型層１６としては、例えばｐ型不純物をドープしたＧａＮからなるｐ型ＧａＮが挙げられる。ｐ型層１６の成長条件としては、例えば成長温度が９５０℃、Ｖ／III比が４０００、水素をキャリアガスとして圧力３００ｈＰａであり、原料ガスとしてＴＭＧ、Ｃｐ_２Ｍｇ（ｂｉｓＣｙｃｒｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌＭａｇｎｅｓｉｕｍ）およびアンモニアを用いる。

次に図３（ｅ）に示す埋込層形成工程では、複数の柱状半導体層同士の側面と上面を覆うように埋込層１７を形成する。埋込層１７をｐ型の半導体層で構成する場合には、埋込層１７の成長条件として、例えば成長温度が９５０℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力３００ｈＰａであり、原料ガスとしてＴＭＧ、Ｃｐ_２Ｍｇおよびアンモニアを用いることができる。埋込層１７をＩＴＯ等の透明電極で形成する場合には、スパッタ法等の公知の方法を用いることができる。

上述したように埋込層１７は、柱状半導体層の間に設けられたマスク１３上に成長させる必要があり、埋込層１７を成長する際に柱状半導体層の下部において空隙が生じる可能性がある。したがって、埋込層１７の成長では、原料ガスとしてＴＭＧ、シランおよびアンモニアを用い、初期段階では横方向成長であるｍ面の成長を促進する低温かつ低Ｖ／III比で成長することが好ましい。低温かつ低Ｖ／III比の一例としては、８００℃以下で１００以下のＶ／III比、水素をキャリアガスとして圧力２００ｈＰａが挙げられる。埋込層１７の横方向成長によって柱状半導体層の下部でマスク１３上が隙間なく埋められた後には、縦方向成長であるｃ面の成長を促進する高温かつ高Ｖ／III比で成長することが好ましい。高温かつ高Ｖ／III比の一例としては、１０００℃以上で２０００以上のＶ／III比、水素をキャリアガスとして圧力５００ｈＰａが挙げられる。

次に図３（ｆ）に示すメサ形成工程では、選択的にドライエッチングにより埋込層１７から下地層１２までを部分的に除去し、下地層１２の上面を露出させてメサ溝を形成する。メサ溝を形成することでメサ溝に囲まれた領域が半導体発光素子１０の発光領域として区画される。

次に図３（ｇ）に示す電極形成工程では、メサ溝内に露出された下地層１２の表面にカソード電極１８ｎを形成し、埋込層１７上にアノード電極１８ｐを形成する。また、必要に応じて電極形成後のアニールやパッシベーション膜の形成、素子分割を実施して半導体発光素子１０を得る。

本実施形態の半導体発光素子１０では、カソード電極１８ｎとアノード電極１８ｐの間に電圧を印加すると、埋込層１７、ｐ型層１６、活性層１５、ナノワイヤ層１４、下地層１２の順に電流が流れ、活性層１５で発光再結合により光が生じる。活性層１５からの発光は、傾斜側面部１４ｂと活性層１５が成長基板１１に対して傾斜しているため、成長基板１１の斜め上方に進行し、主面方向への光取り出し量が向上する。

また、ナノワイヤ層１４の傾斜側面部１４ｂは半極性面となっているため、その外周に形成された活性層１５とｐ型層１６も互いに半極性面で接触している。半極性面は分極がｃ面よりも小さいため活性層１５での発光効率も高く、しかも六角柱の側面全てが半極性面であることから半導体発光素子１０の発光効率を向上させることができる。さらに、活性層の膜厚を厚くすることができるため、活性層１５の体積を従来の半導体発光素子よりも３～１０倍程度まで増加させることができ、注入キャリア密度を低減して効率ドループを大幅に低減できる。

上述したように本実施形態の半導体発光素子１０および半導体発光素子１０の製造方法では、活性層１５の側面が成長基板１１の主面に対して傾斜しているため、活性層１５で発光した光は成長基板１１の斜め上方に向けて取り出され、主面方向への光取り出し量を増加させることが可能となる。また、活性層１５で発光した光が斜め上方に進行することで、他のナノワイヤ層１４によって吸収される光を低減して、外部量子効率を向上させることができる。
（第２実施形態）

次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態では、ナノワイヤコア成長工程と傾斜側面部成長工程を別条件とした二段階成長でナノワイヤ層１４を形成したが、本実施形態では、傾斜側面部１４ｂを有するナノワイヤ層１４を一括して形成する。

本実施形態では、図２（ａ）に示したマスク形成工程の後に、同一条件のナノワイヤ層成長工程でナノワイヤコア１４ａおよび傾斜側面部１４ｂを継続して形成する。ナノワイヤ成長工程の成長条件としては、ナノワイヤコア成長工程でｍ面ファセットの側面が形成される成長条件よりも原料のＶ／ＩＩＩ比が低いか、成長温度が低い条件となる。

一例としては、ｍ面ファセットが形成される成長条件は、原料ガスとしてＴＭＧおよびアンモニアを用い、成長温度が１１００℃、Ｖ／III比が２０、水素をキャリアガスとして圧力１００ｈＰａである。よって、ナノワイヤコア１４ａおよび傾斜側面部１４ｂを一回の成長条件で成長する場合には、Ｖ／ＩＩＩ比を１００として成長温度を１１００℃とすること、Ｖ／ＩＩＩ比を２０として成長温度を１０００℃とすること、Ｖ／ＩＩＩ比を１００として成長温度を１０００℃とすること等が挙げられる。このような成長条件を用いることで、図２（ａ）に示したマスク形成工程の後に、開口部１３ａから上方への成長とマスク１３を覆う領域への横方向成長とを同時に平行して実施して、一回の成長条件でナノワイヤコア１４ａと傾斜側面部１４ｂを形成することができる。

また、本実施形態で形成したナノワイヤ層１４の側面も、第１実施形態と同様に半極性面を有しており、活性層１５およびｐ型層１６も成長基板１１の主面に対して傾斜して形成される。よって、活性層１５での分極を抑制して発光効率を向上させることと、斜め上方への光取り出し量の向上を図ることが可能となる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の
変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて
得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０…半導体発光素子
１１…成長基板
１２…下地層
１３…マスク
１３ａ…開口部
１４…ナノワイヤ層
１４ａ…ナノワイヤコア
１４ｂ…傾斜側面部
１５…活性層
１６…ｐ型層
１７…埋込層
１８ｎ…カソード電極
１８ｐ…アノード電極

Claims (8)

1. 成長基板と、
   前記成長基板上に形成された複数の柱状半導体層と、
   前記柱状半導体層を覆って形成された埋込層とを備え、
   前記柱状半導体層は、ナノワイヤ層と、前記ナノワイヤ層の外周に形成された活性層と、前記活性層の外周に形成されたｐ型層を備え、
   前記活性層の側面は、前記成長基板の主面に対して傾斜して形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
   前記ナノワイヤ層は、前記主面に対して傾斜した側面である傾斜側面部を有していることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項２に記載の半導体発光素子であって、
   前記成長基板上にマスクが形成されており、前記ナノワイヤ層は前記マスクに設けられた開口部から選択的に成長されており、かつ前記傾斜側面部は前記マスクを部分的に覆う領域に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
   前記ナノワイヤ層、前記活性層および前記ｐ型層は、窒化物半導体で構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
5. 成長基板上に複数の柱状半導体層を形成する柱状半導体成長工程と、
   前記柱状半導体層を覆って埋込層を形成する埋込層形成工程とを有し、
   前記柱状半導体層成長工程は、前記成長基板の主面に対して傾斜した側面である傾斜側面部を有するナノワイヤ層を形成するナノワイヤ層成長工程と、前記傾斜側面部の外周に活性層を形成する活性層成長工程と、前記活性層の外周にｐ型層を形成するｐ型層成長工程とを備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
6. 請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
   前記ナノワイヤ層成長工程は、前記成長基板の主面に対して垂直な側面を有するナノワイヤコアを形成するナノワイヤコア成長工程と、前記ナノワイヤコアの外周に傾斜側面部を形成する傾斜側面部成長工程とを備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
7. 請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
   前記傾斜側面部成長工程では、前記ナノワイヤコア成長工程よりも原料のＶ／ＩＩＩ比を低下させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
8. 請求項６または７に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
   前記傾斜側面部成長工程では、前記ナノワイヤコア成長工程よりも成長温度を低下させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
   
   

Images