JP4965294B2 - 半導体発光装置およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、III−Ｖ族化合物半導体などの化合物半導体発光素子を用いて構成される半導体発光装置に、さらにそれを用いて構成される照明装置ならびに半導体発光装置の製造方法に関し、特に化合物半導体発光素子としては、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から成るものに関する。

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。

また、前記の従来技術とは別に、特許文献２のように柱状結晶構造体を従来の蛍光体の代替として用いるものもある。
特開２００５−２２８９３６号公報 特開２００６−１０４４１１号公報

先ず特許文献１の従来技術では、基板上にナノコラムを形成した後、ｐ型ＧａＮナノコラム上に電極を形成しようとして、材料を蒸着すると、ＩｎＧａＮ量子井戸を挟んで、前記ｐ型ＧａＮナノコラムとｎ型ＧａＮナノコラムとが短絡してしまう可能性がある。このため、電極形成の前に、ＳＯＧ、ＳｉＯ_２、もしくはエポキシ樹脂などから成る前記透明絶縁物がナノコラムの間に埋め込まれている。しかしながら、それらの絶縁物を、１００ｎｍ程度というごく僅かなナノコラムアレイの間隙に、均一かつ所望の深さまで埋め込むのは極めて困難である。具体的に特許文献１では、直径７０ｎｍ、高さ１μｍ程度のナノコラムを作製しているが、間隙のアスペクト比（深さ／直径）は１０を超える値になる。これをＣＶＤなどを用いて完全に埋めるのは極めて困難であり、特許文献１では液体状にしたものをスピンコーティングして透明絶縁層を形成しているが、表面張力が働いて上手く間隙中に入れ込むことは困難である。

一方、特許文献２の従来技術は、柱状結晶の直径が３ｎｍ以下、発光領域の長さが３ｎｍ以下という構成であり、形状は柱状結晶構造体を用いているものの、本質的には量子ドットと呼ぶべきものである。すなわちこの従来技術の意味するところは、本来は直径３ｎｍ、長さ３ｎｍの量子サイズ効果を有する量子ドットのみを発光素子として作製したいのだが、それそのものだけを作製できないために柱状結晶構造体を利用してその中に量子ドットを実現したものである。しかしながら、それでも直径３ｎｍの柱状結晶構造を作製するのは非常に困難であり、製造コストも高価にならざるを得ず、たとえ量産したとしても非常に高価で、一般照明に用いることはできない。

また、発光メカニズムについても、この従来技術では、相互に隣接した光吸収領域で励起したキャリアを発光領域で再結合させて発光させており、すなわち光励起によって発光させている。

本発明の目的は、ナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、かつ量子ドットのような製造が困難で高コストな技術を用いることなく、安価で安定的に製造できる半導体発光装置およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光装置の製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光装置は、柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、前記柱状結晶構造体は、化合物半導体から成り、第１の導電型を有する柱状のコア部を、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成され、かつ少なくとも前記コア部を含むように軸線方向に分割されて支持基板に平行な状態で搭載されており、前記支持基板は導電性基板から成り、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分が深層部を通して第１の電極となり、それ以外の部分が絶縁性となり、前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板上を覆い、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な材料から成る第２の電極を含むことを特徴とする。

また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、成長基板上に、化合物半導体から成り、第１の導電型を有する柱状のコア部を成長させ、そのコア部を前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成した後、前記成長基板を剥離して該柱状結晶構造体を取出す工程と、導電性の支持基板上に前記柱状結晶構造体を、前記支持基板に平行となるように散布する工程と、前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板をエッチングすることで少なくともコア部を含むように軸線方向に分割する工程と、前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を自己整合によって、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分を深層部を通して第１の電極に、前記陰となる部分以外を絶縁性に処理する工程と、前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な材料で覆い、第２の電極とする工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、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を用いる半導体発光装置およびその製造方法において、前記柱状結晶構造体を、第１の導電型を有し、化合物半導体から成る六角柱や四角柱状のコア部を、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成することで径方向にダイオード構造とし、軸線方向に延びるそれらの界面で発光を生じさせるとともに、成長後に成長基板から分離して、新たな支持基板に平行な横転状態で搭載する。

そして、支持基板上に散布した際に任意の位置で前記のように横転状態で搭載されることになる前記柱状結晶構造体の１つ１つに電極を形成するのは事実上不可能であるので、先ず支持基板自体を導電性としておき、第１の電極となるようにする。また、同軸状の柱状結晶構造体については、支持基板に搭載した後、エッチングすることで、支持基板側にはシェル部が対向し、反対側にはコア部が露出するような大略的に半割れ形状に分割しておく。

その露出したコア部には、該柱状結晶構造体で発生する光に対して透明なＩＴＯなどの導電性材料を蒸着などで覆わせることで、第２の電極を接続することができる。しかしながら、支持基板上に柱状結晶構造体を散布し、分割した後に、そのまま透明な導電性材料で覆うと、第１の電極と第２の電極とが短絡することになるので、前記柱状結晶構造体を散布した後の支持基板の表層部を、前記柱状結晶構造体による自己整合を用いて、前記第１の電極となる領域とそうでない絶縁性となる領域とに区分する処理を行う。たとえば支持基板がアルミから成るとき、窒化することで、前記柱状結晶構造体の陰となる部分はアルミのままで導電性を有し、深層部を通して外周縁や裏面を電源への端子とすることができる。これに対して、前記陰となる部分以外は窒化アルミとなって絶縁性となり、前記有機金属が被せられても前記短絡が生じることはない。なお、この処理と、前記柱状結晶構造体を分割する処理とは、支持基板や柱状結晶構造体に与えるダメージ、投影できる前記陰の大きさなどに応じて、任意の順序で行われればよい。

したがって、電極形成の困難さが無くなるので、極めて安価で安定的に製造できる半導体発光装置およびその製造方法を実現することができる。また、柱状結晶構造体のほぼ全長に亘ってｐｎ接合が形成されるので、発光面積を圧倒的に広くすることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光装置では、前記コア部の第１の導電型はｎ型であり、前記シェル部の第２の導電型はｐ型であることを特徴とする。

上記の構成によれば、ｐ型の化合物半導体は高抵抗であるので、上記のような極性に選ぶことで、前記シェル部の端面と第２の電極との短絡による短絡電流を小さくすることができる。

また、本発明の半導体発光装置は、前記コア部とシェル部との間に、それらよりもバンドギャップエネルギーが小さい化合物半導体層を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、上記の層には電子と正孔とが蓄積され、発光再結合効率を高めることができる。また、複数層設ける方がより高効率化を図ることができる。さらにまた、該層の組成を変えることで発光波長を変えることもできる。

さらにまた、本発明の半導体発光装置では、前記支持基板は、アルミから成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、支持基板がアルミであると、放熱性に優れ、また酸化または窒化するだけで、窒化ガリウムなどから成る柱状結晶構造体にダメージを与えることなく、極めて容易に前記表層部を絶縁性にすることができ、前記支持基板の材料として好適である。

また、本発明の半導体発光装置では、前記柱状結晶構造体は、異なる組成から成るものを複数種類有することを特徴とする。

上記の構成によれば、柱状結晶構造体の組成が異なることで異なる波長の光を放射することができ、それらを複数種類組合わせることで、白色等の所望とする色の光を発生させることができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、前記の半導体発光装置を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、ナノコラムへの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に製造できる照明装置を実現することができる。

また、本発明の半導体発光装置の製造方法では、前記成長基板上に前記コア部を形成する工程は、前記成長基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、前記パターニングによって残された前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上に前記コア部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成長基板上に、前記の柱状結晶構造体のコア部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、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないＮｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕなどのカタリスト材料層を前記成長基板上に形成しておく。その後、前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記コア部を成長させる。

したがって、所望とする形状のコア部を多量に作成することができる。コア部が所望の長さに成長した後、材料組成や成長温度を変化させて成長させると、コア部の回りに成長が始まり、前記筒状のシェル部となる。

本発明の半導体発光装置およびその製造方法は、以上のように、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を用いる半導体発光装置およびその製造方法において、前記柱状結晶構造体を、第１の導電型を有し、化合物半導体から成る六角柱や四角柱状のコア部を、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成することで径方向にダイオード構造とし、軸線方向に延びるそれらの界面で発光を生じさせるとともに、成長後に成長基板から分離して、新たな支持基板に平行な横転状態で搭載する。さらに、導電性を有する支持基板上にそのような柱状結晶構造体を散布した後に、エッチングすることで、支持基板側にはシェル部が対向し、反対側にはコア部が露出するような大略的に半割れ形状に分割するとともに、支持基板の表層部を前記柱状結晶構造体による自己整合を用いて第１の電極となる領域とそうでない絶縁性となる領域とに区分する処理を行い、その後、露出したコア部には、該柱状結晶構造体で発生する光に対して透明なＩＴＯなどの導電性材料で覆わせることで第２の電極を接続する。

それゆえ、電極形成の困難さが無くなるので、極めて安価で安定的に製造できる半導体発光装置およびその製造方法を実現することができる。また、柱状結晶構造体のほぼ全長に亘ってｐｎ接合が形成されるので、発光面積を圧倒的に広くすることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光装置は、以上のように、前記コア部の第１の導電型をｎ型とし、前記シェル部の第２の導電型をｐ型とする。

それゆえ、ｐ型の化合物半導体は高抵抗であるので、上記のような極性に選ぶことで、前記シェル部の端面と第２の電極との短絡による短絡電流を小さくすることができる。

また、本発明の半導体発光装置は、以上のように、前記コア部とシェル部との間に、それらよりもバンドギャップエネルギーが小さい化合物半導体層を有する。

それゆえ、上記の層には電子と正孔とが蓄積され、発光再結合効率を高めることができる。また、複数層設けることでより高効率化を図り、さらにまた該層の組成を変えることで発光波長を変えることもできる。

さらにまた、本発明の半導体発光装置は、以上のように、前記支持基板をアルミとする。

それゆえ、放熱性に優れ、また酸化または窒化するだけで、窒化ガリウムなどから成る柱状結晶構造体にダメージを与えることなく、極めて容易に前記表層部を絶縁性にすることができ、前記支持基板の材料として好適である。

また、本発明の半導体発光装置は、以上のように、前記柱状結晶構造体に、少なくとも前記コア部が異なる組成から成るものを複数種類用いる。

それゆえ、異なる波長の光を放射することができ、それらを複数種類組合わせることで、白色等の所望とする色の光を発生させることができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光装置を用いる。

それゆえ、ナノコラムへの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に製造できる照明装置を実現することができる。

また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、以上のように、たとえばサファイアやＳｉなどの成長基板上に、前記の柱状結晶構造体のコア部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、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないＮｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕなどのカタリスト材料層を前記成長基板上に形成しておき、その後前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記コア部を成長させる。

それゆえ、所望とする形状のコア部を多量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装置１の構造を説明するための一部分を透視して示す斜視図である。注目すべきは、この半導体発光装置１では、図２（ａ）で示すように、ナノコラム２は、第１の導電型であるｎ型ＧａＮから成る柱状のコア部２１を、第２の導電型であるｐ型ＧａＮから成る筒状のシェル部２２で囲んだ同軸形状とすることで、径方向にダイオード構造として、軸線方向に延びるそれらの界面で発光を生じさせるとともに、後述するように支持基板３に搭載した後、エッチングすることで、図２（ｂ）で示すように、長手方向にコア部２１が露出するように大略的に半割れ形状に分割されて電極が形成されることである。また注目すべきは、図１で示すように、そのようなナノコラム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ（総称するときは、以下参照符号２で示す）が、図示しない成長基板から分離された後、導電性を有し、第１の電極となる支持基板３上に多数散布され、その上にナノコラム２で発生する光に対して透明な第２の電極となるＩＴＯなどの透明導電膜４で覆うことで、該半導体発光装置１が構成されることである。

図３は、前記ナノコラム２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２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よ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２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２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２が作製可能である。以下、特に断らない限り、ＭＯＣＶＤ装置を用いるものとする。

先ず、サファイアから成る成長基板３１上に、電子線蒸着によって、カタリスト材料層となるＮｉ薄膜３２が１０ｎｍ程度蒸着され、続いて通常のリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを用いて、前記Ｎｉ薄膜３２が、直径１０〜１００ｎｍの島状に適宜間隔を開けてパターニングされ、図３（ａ）で示すようになる。

続いて、これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度を９５０℃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）およびＮＨ_３（アンモニア）に、ｎ型不純物供給用にＳｉＨ_４（シラン）を、さらにキャリアガスとして水素を供給すると、従来から公知であるカタリストを用いたＧａＮナノコラム成長により、前記ｎ型ＧａＮナノコラムから成る前記コア部２１が１μｍ、図３（ｂ）で示すように成長する。

その後、形成温度を９６０℃とし、前記ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ_３（アンモニア）および水素に、成長ガスをＳｉＨ_４（シラン）からｐ型不純物供給用にＣＰ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）に代えることで、ｐ型ＧａＮ層から成る前記シェル部２２が１０ｎｍ程度の厚さで、図３（ｃ）で示すように成長する。こうして、所望とする径および長さのナノコラム２を大量に作成することができる。

こうして作成されたナノコラム２は、図３（ｄ）で示すように、成長基板３１全体を容器３３に満たしたアルコール３４中に浸漬し、超音波を印加することで成長基板３１から剥れ（根元から折れ）アルコール３４中に散在する。その後、前記容器３３からサファイア基板３１を取り去り、代わってｐ型電極となるＡｌ基板５およびｐ型電極端子となるＣｕ基板６を積層したデバイス用支持基板である前記支持基板３を容器３３に入れ、アルコール３４を蒸発させることにより、前記図１で示すように多数のナノコラム２を支持基板３上に搭載することができる。或いは、先に支持基板３を容器３３に入れ、その上方に反転して成長基板３１を入れ、超音波を印加することで、サファイア基板３１から剥れたナノコラム２が支持基板３上に降り注いた後、成長基板３１を取り除き、アルコール３４を蒸発させるようにしてもよい。この状態で炉に入れて４００℃前後でアニールすることで、前記ナノコラム２を支持基板３上にアロイして固着することができる。

ただし、前記支持基板３には、事前にＮｉ／Ａｕ層が蒸着されており、上述のようにしてナノコラム２が固着されると、図４で示すように、それらはｐ型のシェル部２２にオーミックコンタクトするｐ型ＧａＮコンタクトメタル層９となる。そのコンタクトメタル層９は、酸でウエットエッチングされると、ナノコラム２の下敷きとなっている部分はエッチングされず、下敷きとなっていない部分はエッチングされ、この図４で示すようにナノコラム２の下側だけにパターニングされる。

その後、ドライエッチングによって前記ナノコラム２を上面から均等に、ｎ型のコア部２１が露出するまでエッチングを行うと、支持基板３側にはシェル部２２が対向し、反対側にはコア部２１が露出し、前記図２（ｂ）および図５で示すような大略的に半割れ形状に分割される。

続いて、図６で示すように支持基板３の上方から窒素ラジカル３５を照射すると、任意の位置に散布されたナノコラム２に対して、その自己整合によって、Ａｌ基板５の表層部において、ナノコラム２の影になっていない部分５ａは窒化され、窒化アルミニウム層を形成する。これは絶縁物層であり、該Ａｌ基板５と将来上部に形成され、ｎ型電極となる前記透明導電膜４とを分離する役割を果たす。一方、前記ナノコラム２の影になっている部分５ｂは、窒化されず導電性を有し、前記シェル部２２とＡｌ基板５の深層部からＣｕ基板６とを接続する。このようにＡｌ基板５を用いることで、放熱性に優れ、また酸化または窒化するだけで、前記ＧａＮから成るナノコラム２にダメージを与えることなく、極めて容易に前記表層部を絶縁性にすることができ、前記支持基板３の材料として好適である。

さらに、支持基板３上の全面に図５で示すようにＩＴＯを蒸着して前記透明導電膜４とし、その上部の一部にＡｕから成るｎ型電極端子８を形成すると半導体発光装置１が完成する。一方、支持基板３の裏面側のＣｕ基板６は、前述のようにｐ型電極端子となる。

なお、成長基板１はサファイアに限らず、シリコン（Ｓｉ）、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。また、ナノコラム２の結晶も、ＧａＮに限らず、ＺｎＯなどの酸化物や酸窒化物材料であってもよいことは言うまでもない。

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カタリスト材料層は、カタリスト材料層が化合物半導体材料および添加物材料を溶解して取込み、かつそれらが合成物を作らない材料に選ばれる必要がある。たとえば、カタリスト材料層としては、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕ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、カタリスト材料層の薄膜は、材料を取込むカタリスト材料層としての機能を発揮することができる厚さ、たとえば数原子層から、取込んだ材料が拡散することができる厚さ、たとえば２０ｎｍまでに形成され、好ましくは前記１０ｎｍである。

また、前記ナノコラム２を作成するにあたって、上述の例ではカタリスト材料層を使用したが、シリコン（Ｓｉ）などの成長基板３１上に、前記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・結合させて前記コア部２１に成長させてゆくＡｌＮなどの化合物種結晶層を用いてもよい。

このようにして、所望とする形状のナノコラム２を多量に作成することができる。また、組成（コア部２１とシェル部２２とのバンドギャップ幅）が相互に異なるように作成したナノコラム２を、前記容器３３中で複数種類混合することで、たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色で発光するナノコラムを組合わせて、白色光を発生させることができ、それらの含有率を変えることで、所望とする色の光を発生させることができる。照明分野では色味は重要な仕様の一つであり、このようにして、これを自由にデザインすることが可能になる。

また、図６で示す窒素ラジカル３５を照射する処理と、図５で示すナノコラム２を分割する処理とは、支持基板３やナノコラム２に与えるダメージ、投影できる前記陰の大きさなどに応じて、任意の順序で行われればよい。しかしながら、ナノコラム２を分割後に窒素ラジカル３５を照射した方が、ナノコラム２の陰が小さくなり、絶縁物層となる部分５ａを、ナノコラム２とＡｌ基板５との接触部分により近いところまで拡げることができ、前記透明導電膜４に対する短絡防止の点では好適である。また、図５で示すナノコラム２を分割する処理と、図４で示すコンタクトメタル層９のパターニングの処理とも、任意の順序で行われればよい。ただし、絶縁物層となる部分５ａを形成するために、コンタクトメタル層９のパターニングの処理は、窒素ラジカル３５の照射処理よりも前に行う必要がある。さらにまた、コンタクトメタル層９となる前記Ｎｉ／Ａｕ層は、前記図３（ｃ）で示すナノコラム２の完成の後、図３（ｄ）で示す成長基板３１からの分離処理の前に、ナノコラム２側に蒸着されていてもよい。

このように構成することで、本実施の形態の半導体発光装置１では、ナノコラム２への電極形成の困難さが無くなるので、極めて安価で安定的に製造することができる。また、ナノコラム２の単体で見ても、ほぼ全長に亘ってｐｎ接合が形成されるので、発光面積を圧倒的に広くすることができる。

なお、図１において、支持基板３上に密着しているナノコラム２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは発光するが、他のナノコラム２ｂ，２ｅに乗り上げているナノコラム２ｆ，２ｇについては、シェル部２２の接触具合によって、特に乗り上げている先端側で発光しない場合がある。しかしながら、下方のナノコラム２ｂ，２ｅで発生した光がこれらのナノコラム２ｆ，２ｇのコア部２１に吸収されて再発光することもあり、下敷きとなっているナノコラム２ｂ，２ｅは覆い被さっているナノコラム２ｆ，２ｇの陰になるとは必ずしも言えない（覆い被さっているナノコラム２ｆ，２ｇを通して光が放射される）。

また、上述の実施の形態では、ナノコラム２は、ｎ型ＧａＮから成る柱状のコア部２１を、ｐ型ＧａＮから成る筒状のシェル部２２で囲んで構成されているが、図８の半導体発光装置１’で示すように、前記コア部２１とシェル部２２との間に、それらよりもバンドギャップエネルギーが小さい化合物半導体層から成るインシュレータ部２３を介在するようにしてもよい。

具体的には、前記図３（ｂ）で示すようにコア部２１を成長させた後、形成温度を発光波長に応じて６００−８００℃の範囲に設定し、さらにキャリアガスを水素から窒素に変更し、成長ガスは前記ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ_３（アンモニア）を用いるとともに、ＳｉＨ_４（シラン）に代えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いることで、前記ｎ型ＧａＮナノコラムから成る前記コア部２１の上に、ノンドープＩｎＧａＮから成る前記インシュレータ部２３を形成することができる。その後、前述のように形成温度を前記９６０℃とし、キャリアガスを水素に戻し、成長ガスは前記ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ_３（アンモニア）を用いるとともに、前記ＴＭＩ（トリメチルインジウム）に代えて前記ＣＰ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を用いることで、ｐ型ＧａＮ層から成る前記シェル部２２を形成することができる。

このように構成することで、前記インシュレータ部２３には電子と正孔とが蓄積され、発光再結合効率を高めることができる。また、複数層設ける方がより高効率化を図ることができる。さらにまた、該前記インシュレータ部２３の組成（Ｉｎの含有率）を変えることで発光波長を少なくとも可視光域内で変えることもできる。

なお、コア部２１がｐ型、シェル部２２がｎ型であってもよいが、コア部２１のｎ型ＧａＮと、シェル部２２のｐ型ＧａＮとでは、ｐ型ＧａＮの方が高抵抗であり、上述のようにコア部２１をｎ型、シェル部２２をｐ型とする方が、図７において参照符号Ｗで示すシェル部２２の端面と透明導電膜４との接触部分での短絡による短絡電流を小さくすることができる。しかしながら、前記のようにコア部２１をｐ型、シェル部２２をｎ型とする場合は、前記図５で示すナノコラム２の分割工程において、ドライエッチングに代えてウエットエッチングを用いることができる。これによって、ドライエッチングで発生する危険性のあるエッチングダメージのないクリーンな製造方法を実現できる。

また、図８で示す半導体発光装置１’では、ｎ型ＧａＮ層／ノンドープＩｎＧａＮ層／ｐ型ＧａＮ層の３層から成る同軸形状型ナノコラム２’を用いたが、たとえばこれに電子ブロック層としてｐ型ＡｌＧａＮ層を入れて、ｎ型ＧａＮ層／ノンドープＩｎＧａＮ層／ｐ型ＡｌＧａＮ層／ｐ型ＧａＮ層としてもよい。こうすることにより、工程は少し複雑になるが、素子性能の面ではより高効率化を実現することができる。ノンドープＩｎＧａＮ層も単層ではなく、多重量子井戸にして、さらに高効率化を図れることは言うまでもない。他の層の追加についても同様である。

同様に、コア部２１をｐ型、シェル部２２をｎ型とする場合に、３層では、ｐ型ＧａＮ層／ノンドープＩｎＧａＮ層／ｎ型ＧａＮ層から構成することができ、電子ブロック層としてｐ型ＡｌＧａＮ層を入れる場合には、ｐ型ＧａＮ層／ノンドープＩｎＧａＮ層／ｐ型ＡｌＧａＮ層／ｎ型ＧａＮ層から構成することができる。

ここで、非特許文献（Fang Qian; Silvija Gradcak; Yat Li; Cheng-Yen; Charles M. Lieber; Nano lett. 2005 vol.5 No.11 2287-2291）には、成長基板上でナノコラムを軸方向に成長させた後、径方向にも成長させ、その径方向に量子井戸を形成して、成長後に前記成長基板から分離し、新たな支持基板に平行な横転状態で搭載して電極を貼付けて発光させることが示されている。

図９は、その従来技術におけるナノコラム４１の構造を示す斜視図である。このナノコラム４１は、先ず図示しない前記成長基板上でｎ型ＧａＮコア層４２をノンポーラのａ面で三角柱状に成長させ、その後、成長ガスおよび温度などを変化させることで、ノンドープＩｎＧａＮシェル層４３、ノンドープＧａＮ層４４、ｐ型ＡｌＧａＮ層４５、ｐ型ＧａＮ層４６の順で同軸形状に成長されたヘテロ構造型ナノコラムである。

このナノコラム４１も、前記成長基板から分離され、図１０で示すように新たな支持基板４７上に散布された後、参照符号４１ａ，４１ｂで示すように折り重なっているものや、参照符号４１ｃ，４１ｄで示すように周縁部にあるものを除き、参照符号４１ｅで示すように、折り重なっておらずかつ周囲にｐ型電極４８およびｎ型電極４９を形成するスペースのあるものが選び出されて、その上に電子線描画などで、前記電極４８，４９およびパターン５０ならびにパッド５１が形成されている。そしてｐ型電極４８とナノコラム４１ｅとが重なった斜線を施して示す部分が発光領域となっている。なお、表層のｐ型ＧａＮ層４６は高抵抗であり、電極４８，４９間を流れる電流の殆どは参照符号５２で示すように該ｐ型ＧａＮ層４６を直ちに厚み方向に通過して、低抵抗なｎ型ＧａＮコア層４２を流れ、該ｐ型ＧａＮ層４６を短絡して流れる電流は少ないと思われる。

このように構成することで、ａ軸を長手方向に持つことにより、内部ピエゾ電界を無くして内部量子効率を上げるという長所を有している。また、熱源である発光層（前記斜線部分）がヒートシンクとなる支持基板４７の近くに位置するので、放熱性に優れ、高出力でも外部量子効率の低減を抑えられるという長所も有している。

これに対して、本実施の形態では、コア部２１は成長の容易なｃ軸方向に成長されるが、電流の流れる方向が、それとは直交する同軸形状の径方向であるので、上記非特許文献と同様にピエゾ電界を打ち消し、高効率な内部量子効率の実現（発光再結合効率を高めることができる）、高い注入効率の実現が可能になる。また、同様にナノコラム２は支持基板３と平行であるので、放熱性の点でも同等である。

しかしながら、非特許文献では、ａ面の成長には、非常に高価なＳｉＣ基板やＬｉＡｌＯ_２基板などが必要になるのに対して、本実施の形態では、安価なサファイアなどを使用することができる。

また、非特許文献では、電極４８，４９の形成の際には、前述のように状態の良好なナノコラム４１ｅをＳＥＭで探し出して、電子線を用いて描画するという途方もない作業が必要になるとともに、ナノコラム４１ｅの周囲に前記電極４８，４９、パターン５０およびパッド５１を貼付ける関係で、大きなスペースを有し、また支持基板上で配線が錯綜するので、前記の作業性の悪さと併せて、支持基板４７上に分散させたナノコラム４１の内、実際に発光させられるのは僅かである。さらに、上述のように実際に発光するのは、ｐ型電極４８とナノコラム４１ｅとが重なった色付けして示す部分になる。このため、出力が小さすぎて、照明応用など、高出力を必要とする用途には使えないという問題がある。これに対して、本実施の形態では、前述のように支持基板３上の総てのナノコラム２に対して一括して、かつ極めて容易に電極を形成することができるとともに、ナノコラム２の周囲に広いスペースは必要とならず、支持基板３上に多くのナノコラム２を収容することができ、かつ発光面積も広く、光量を増加することができる。これによって、照明応用の可能性が極めて高い。

したがって、非特許文献の従来技術は、ヘテロ構造を同軸形状の径方向に形成し、そのナノコラム４１を支持基板４７上で平行な横転状態で使用するという画期的な技術であるが、実験室レベルの技術であり、工業的に量産することはできない。

本発明の実施の一形態に係る半導体発光装置の構造を説明するための一部分を透視して示す斜視図である。 前記半導体発光装置に用いられるナノコラムの斜視図である。 前記ナノコラムの製造工程を模式的に示す断面図である。 前記半導体発光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。 前記半導体発光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。 前記半導体発光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。 前記半導体発光装置の完成状態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半導体発光装置の完成状態を模式的に示す断面図である。 ヘテロ構造を同軸形状の径方向に形成した従来技術のナノコラムの斜視図である。 そのナノコラムを支持基板上で平行な状態で使用した従来技術の半導体発光装置の構造を示す斜視図である。

符号の説明

１，１’ 半導体発光装置
２，２’，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ ナノコラム
３ 支持基板
４ 透明導電膜
５ Ａｌ基板
６ Ｃｕ基板
８ ｎ型電極端子
９ コンタクトメタル層
２１ コア部
２２ シェル部
２３ インシュレータ部
３１ 成長基板
３２ Ｎｉ薄膜
３３ 容器
３４ アルコール
３５ 窒素ラジカル

Claims (8)

1. 柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、
   前記柱状結晶構造体は、化合物半導体から成り、第１の導電型を有する柱状のコア部を、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成され、かつ少なくとも前記コア部を含むように軸線方向に分割されて支持基板に平行な状態で搭載されており、
   前記支持基板は導電性基板から成り、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分が深層部を通して第１の電極となり、それ以外の部分が絶縁性となり、
   前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板上を覆い、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な材料から成る第２の電極を含むことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記コア部の第１の導電型はｎ型であり、前記シェル部の第２の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
3. 前記コア部とシェル部との間に、それらよりもバンドギャップエネルギーが小さい化合物半導体層を有することを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光装置。
4. 前記支持基板は、アルミから成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装置。
5. 前記柱状結晶構造体は、異なる組成から成るものを複数種類有す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装置。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光装置を用いることを特徴とする照明装置。
7. 柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、
   成長基板上に、化合物半導体から成り、第１の導電型を有する柱状のコア部を成長させ、そのコア部を前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成した後、前記成長基板を剥離して該柱状結晶構造体を取出す工程と、
   導電性の支持基板上に前記柱状結晶構造体を、前記支持基板に平行となるように散布する工程と、
   前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板をエッチングすることで少なくともコア部を含むように軸線方向に分割する工程と、
   前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を自己整合によって、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分を深層部を通して第１の電極に、前記陰となる部分以外を絶縁性に処理する工程と、
   前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な材料で覆い、第２の電極とする工程とを含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
8. 前記成長基板上に前記コア部を形成する工程は、
   前記成長基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、
   前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、
   前記パターニングによって残された前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上に前記コア部を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする請求項７記載の半導体発光装置の製造方法。

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