JP5210387B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、ウルツ型結晶構造を有する窒化物半導体発光粒子を用いた直流電流駆動型の電界発光素子に関する。
直流電流により動作する発光素子の中でも、特に、青色発光ダイオード（Ｂｌｕｅ−ＬＥＤ；Ｂｌｕｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、紫外発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ；Ｕｌｔｒａ−Ｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子に使用される実用的な半導体材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム・ガリウム混晶（ＩｎＧａＮ），窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌＧａＮ）あるいは窒化インジウム・アルミニウム・ガリウム混晶（ＩｎＡｌＧａＮ）に代表されるＧａＮ系半導体が注目されており、その研究開発が活発に行われている。
このようなＧａＮ系半導体は、従来、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学気相成長）法を用いて基板上に成長させることにより単結晶薄膜として作製されている。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ系半導体の単結晶薄膜を大面積で生成することは極めて困難である。
一方、直流電流により動作する発光素子のもう一つの候補として、有機ＥＬが挙げられる。有機ＥＬは蒸着法など安価なプロセスを用いることができ、かつガラス等安価な基板を使用できるため安価に製造できるメリットがある。しかしながら、有機ＥＬは信頼性が問題になっている。
このため、無機発光体を薄膜ではなく粒子として取り扱い、粒子を並べることにより発光素子とする手段が提案されている。前記手段のメリットとしては、無機薄膜型直流発光素子に対して、無機発光体を基板等の影響を受けずに生成できるため結晶性を高くできることや、大画面化が容易であることがあげられ、有機ＥＬに対しては、発光体に無機物を使用できるため信頼性を向上できるという利点がある。例えば、無機発光体粒子を並べて発光素子を構成する例が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１では、核となる窒化物半導体の表面に他の窒化物半導体からなる発光層が存在し、該発光層の上に窒化物半導体層が積層され、これらの窒化物半導体−発光層−窒化物半導体層が量子井戸構造を形成している技術が開示されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術による発光体粒子を用いて電界発光素子を作成しても発光効率が低いという課題がある。その理由は２つある。一つは、電子線照射もしくは紫外線照射により発光体を励起するため、ｐ型半導体が存在せず、電子と正孔の再結合による発光が起きにくいためである。もう一つは、従来技術では発光体内の電流パスを規定していないため、低発光効率の電流パスと高発光効率の電流パスの２つが混在し、その結果、発光素子としての効率が低いためである。ウルツ型の結晶構造を持つ発光体に電流を流して発光させる場合、電流パスがｃ軸方向に平行な場合より、ｃ軸に対して垂直な方がより効率が良い。これは、電流パスがｃ軸方向に平行な場合には、極性の影響を受け発光に使うエネルギーの一部をロスしてしまうためである。よって高効率に発光させるためには、電流パスがｃ軸に対して垂直方向のみにすることが望ましい。
そこで本発明の目的は、発光粒子の発光効率を向上させ、発光効率が高く、大面積化が容易な発光素子を提供することである。
本発明に係る発光素子は、互いに対向する一対の陽極と陰極と、前記一対の陽極と陰極との間に前記陽極及び前記陰極の主面に垂直な方向から挟持された複数の発光粒子とを備え、前記発光粒子は、ｎ型窒化物半導体部分とｐ型窒化物半導体部分とを含むウルツ型結晶構造を有する窒化物半導体発光粒子により構成すると共に、前記ｎ型窒化物半導体部分が陰極と接し、前記ｐ型窒化物半導体部分が陽極と接する構成の発光素子において、前記発光粒子は、前記ウルツ型結晶構造のｎ型窒化物半導体またはｐ型窒化物半導体のいずれか一方の半導体部分上に絶縁膜を設けると共に、前記絶縁膜の一部を除去することにより前記半導体部分のウルツ型結晶構造のｃ軸に平行な面を露出させ、前記ｎ型窒化物半導体またはｐ型窒化物半導体のいずれか他方の半導体部分を成長させて構成したことを特徴とする。
またさらに、前記発光粒子は、前記ｎ型窒化物半導体部分と前記ｐ型窒化物半導体部分の結晶構造におけるｃ軸が前記陽極及び前記陰極の主面に平行となるように配置されていてもよい。
また、前記発光粒子は、前記ｎ型窒化物半導体部分と前記ｐ型窒化物半導体部分とにおいて共通する前記ｃ軸に平行な方向についての長さと、前記ｃ軸に垂直な底面の最短幅について下記関係式
（ｃ軸方向の粒子長さ）／（ｃ軸方向に垂直な底面の最短幅）≧２
を満たしてもよい。
（ｃ軸方向の粒子長さ）／（ｃ軸方向に垂直な底面の最短幅）≧２
を満たしてもよい。
本発明に係る発光素子によれば、一つの発光粒子内にｎ型窒化物半導体部分とｐ型窒化物半導体部分とを有することにより、電子と正孔の結合により発光しやすくなるため、発光効率が向上する。
また、一つの発光粒子内で、ｎ型窒化物半導体部分とｐ型窒化物半導体部分とが、それぞれの結晶構造のｃ軸が互いに平行であって、ｎ型窒化物半導体部分とｐ型窒化物半導体部分とがｃ軸と平行な面で互いに接している。そのため、発光粒子内での電流パスを全てｃ軸に対して垂直方向とすることができ、高効率発光が得られ、その結果、発光効率の高い発光素子が得られる。
また、上記発光粒子は、ｎ型窒化物半導体部分の上に絶縁膜を設け、絶縁膜の一部を除去してｎ型窒化物半導体部分のｃ軸に平行な面を露出させ、ｐ型窒化物半導体部分を成長させて構成してもよい。あるいはｐ型窒化物半導体部分の上に絶縁膜を設け、絶縁膜の一部を除去してｐ型窒化物半導体部分のｃ軸に平行な面を露出させ、ｎ型窒化物半導体部分を成長させて構成してもよい。これにより、成長面と成長させる窒化物半導体部分とを同じウルツ型の結晶構造を有する窒化物半導体とすることができ、成長時の歪や転位を抑えることが可能になり、より発光効率の高い発光粒子にすることができる。
また、上記発光粒子として、（ｃ軸方向の粒子長さ）／（ｃ軸方向に垂直な底面の最短幅）を２以上とすることによって、発光粒子の側面がいずれか一方の電極にコンタクトさせやすくなり、発光輝度を高めることが出来る。
本発明の実施の形態に係る発光素子について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光素子の概略構成を表すものである。この発光素子は、下部基板１０の上に下部電極２０、発光粒子５０、上部電極３０、上部基板４０が順に配設されている。なお、図１は発光させるにあたって最低限の構成を示しており、他の部材がさらに配設されていてもよい。
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光素子の概略構成を表すものである。この発光素子は、下部基板１０の上に下部電極２０、発光粒子５０、上部電極３０、上部基板４０が順に配設されている。なお、図１は発光させるにあたって最低限の構成を示しており、他の部材がさらに配設されていてもよい。
この発光素子では、一つの発光粒子５０内にｎ型窒化物半導体部分５２とｐ型窒化物半導体部分５３とを有することにより、電子と正孔の結合により発光しやすくなるため、発光効率が向上する。また、一つの発光粒子５０内で、ｎ型窒化物半導体部分５２とｐ型窒化物半導体部分５３とが、それぞれの結晶構造のｃ軸が互いに平行であって、ｎ型窒化物半導体部分５２とｐ型窒化物半導体部分５３とがｃ軸と平行な面で互いに接している。そのため、発光粒子５０内での電流パスを全てｃ軸に対して垂直方向とすることができ、高効率発光が得られ、その結果、発光効率の高い発光素子が得られる。
以下、この発光素子を構成する各構成部材について説明する。
＜下部基板及び上部基板＞
下部基板１０および上部基板４０の材料は特に限定されないが、下部基板１０を用いて発光粒子中の半導体を成長させる場合は、半導体成長プロセスに耐えうる基板を選択する必要がある。また、発光層からの発光を取り出すために下部基板１０もしくは上部基板４０のいずれかは光透過性の材料を選択することが望ましい。また、発光素子としての形を維持できれば、必ずしも両方の基板を必要としない。
＜下部基板及び上部基板＞
下部基板１０および上部基板４０の材料は特に限定されないが、下部基板１０を用いて発光粒子中の半導体を成長させる場合は、半導体成長プロセスに耐えうる基板を選択する必要がある。また、発光層からの発光を取り出すために下部基板１０もしくは上部基板４０のいずれかは光透過性の材料を選択することが望ましい。また、発光素子としての形を維持できれば、必ずしも両方の基板を必要としない。
＜下部電極及び上部電極＞
下部電極２０および上部電極３０の材料も導電性があれば特には問われないがが、下部電極２０上に発光粒子中の半導体を成長させる場合は、プロセスに耐えうる基板を選択する必要がある。ただし、陰極側に用いる材料はアルミニウム、マグネシウム、銀などの仕事関数の低い材料を用いることが望ましく、陽極側に用いる材料は、金やＩＴＯなど仕事関数の高い材料が好ましい。
下部電極２０および上部電極３０の材料も導電性があれば特には問われないがが、下部電極２０上に発光粒子中の半導体を成長させる場合は、プロセスに耐えうる基板を選択する必要がある。ただし、陰極側に用いる材料はアルミニウム、マグネシウム、銀などの仕事関数の低い材料を用いることが望ましく、陽極側に用いる材料は、金やＩＴＯなど仕事関数の高い材料が好ましい。
また、光を取り出す側の電極は光透過性材料であることが好ましく、光透過性でない材料を用いる場合は発光をできるかぎり透過させるために１００ｎｍ以下の膜厚にすることが望ましい。なお、基板に他元素をドーピングしたＳｉ基板や金属基板などの導電性基板を使用している場合は、基板自体を電極として利用できるので、別に電極を設けることは必ずしも必要としない。また、電極のうちのどちらかは柔軟性を持つことが望ましい。発光粒子５０の大きさにはばらつきがあるため、どちらか一方の電極が柔軟性電極でないと両電極にコンタクトできず発光しない粒子が多数存在するようになってしまい、結果として発光素子の輝度低下を招く。なお、ここでは発光粒子５０と各電極２０、３０とは直接接しているが、導体もしくは半導体を介して接していても良い。
＜発光粒子＞
発光粒子５０は、核５１、ｎ型窒化物半導体部分５２、ｐ型窒化物半導体部分５３、絶縁膜５４から構成されている。これは最低限の構成を示しており、他の部材がさらに配設されていてもよい。例えば、ｎ型窒化物半導体５２とｐ型窒化物半導体５３との界面にｎ型窒化物半導体５２およびｐ型窒化物半導体５３よりもバンドギャップの狭い半導体層を設けてダブルへテロ構造にしてもよい。他には、核５１と半導体層の界面に成長を促進するためのバッファ層を設けてもよい。また、ｎ型窒化物半導体５２およびｐ型窒化物半導体５３を核５１のまわりに成長させるが、成長位置は特に限られるものではなく、核５１の周りに部分的に成長させてもよい。ｎ型窒化物半導体部分５２とｐ型窒化物半導体部分５３はｃ軸に対して平行な面において直接接しているか、あるいは導体若しくは半導体を介して電気的に接していればよい。
発光粒子５０は、核５１、ｎ型窒化物半導体部分５２、ｐ型窒化物半導体部分５３、絶縁膜５４から構成されている。これは最低限の構成を示しており、他の部材がさらに配設されていてもよい。例えば、ｎ型窒化物半導体５２とｐ型窒化物半導体５３との界面にｎ型窒化物半導体５２およびｐ型窒化物半導体５３よりもバンドギャップの狭い半導体層を設けてダブルへテロ構造にしてもよい。他には、核５１と半導体層の界面に成長を促進するためのバッファ層を設けてもよい。また、ｎ型窒化物半導体５２およびｐ型窒化物半導体５３を核５１のまわりに成長させるが、成長位置は特に限られるものではなく、核５１の周りに部分的に成長させてもよい。ｎ型窒化物半導体部分５２とｐ型窒化物半導体部分５３はｃ軸に対して平行な面において直接接しているか、あるいは導体若しくは半導体を介して電気的に接していればよい。
＜核＞
核５１は、ｎ型窒化物半導体部分５２もしくはｐ型窒化物半導体部分５３を成長させるために必要なものであり、ウルツ型構造であることが望ましく、成長させる窒化物半導体と格子定数が出来るだけ近い方がよい。成長させる半導体材料が、例えばＧａＮである場合には、サファイア、ＺｎＯ、ＡｌＮなどが核材料の候補として挙げられる。また、核５１は、当然に成長させる半導体材料と同一材料であってもよい。
核５１は、ｎ型窒化物半導体部分５２もしくはｐ型窒化物半導体部分５３を成長させるために必要なものであり、ウルツ型構造であることが望ましく、成長させる窒化物半導体と格子定数が出来るだけ近い方がよい。成長させる半導体材料が、例えばＧａＮである場合には、サファイア、ＺｎＯ、ＡｌＮなどが核材料の候補として挙げられる。また、核５１は、当然に成長させる半導体材料と同一材料であってもよい。
＜ｎ型窒化物半導体部分及びｐ型窒化物半導体部分＞
ｎ型窒化物半導体部分５２およびｐ型窒化物半導体部分５３は、それぞれウルツ型結晶構造の窒化物半導体である。ウルツ型結晶構造の窒化物半導体としては、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎなどが挙げられる。各半導体部分は単結晶体であることが好ましく、単結晶体を生成する手段としては気相成長法が好ましい。気相成長を用いた成長手段としては、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが挙げられる。気相成長を用いた半導体の成長方法では、核となる粒子を基板上に配置し、所要温度まで加熱した後に原料ガスを流して基板上の核の上に半導体を成長させる。ｎ型半導体にする場合には、Ｓｉをドープすることによりｎ型半導体にすることも可能である。なお、窒化物半導体の場合はノンドープでもｎ型半導体の特性を示す。一方、ｐ型半導体にする場合には、Ｍｇをドープすることによりｐ型半導体の特性を示す。
ｎ型窒化物半導体部分５２およびｐ型窒化物半導体部分５３は、それぞれウルツ型結晶構造の窒化物半導体である。ウルツ型結晶構造の窒化物半導体としては、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎなどが挙げられる。各半導体部分は単結晶体であることが好ましく、単結晶体を生成する手段としては気相成長法が好ましい。気相成長を用いた成長手段としては、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが挙げられる。気相成長を用いた半導体の成長方法では、核となる粒子を基板上に配置し、所要温度まで加熱した後に原料ガスを流して基板上の核の上に半導体を成長させる。ｎ型半導体にする場合には、Ｓｉをドープすることによりｎ型半導体にすることも可能である。なお、窒化物半導体の場合はノンドープでもｎ型半導体の特性を示す。一方、ｐ型半導体にする場合には、Ｍｇをドープすることによりｐ型半導体の特性を示す。
＜絶縁膜＞
絶縁膜５４は、必ずしも必要なものではないが、ｎ型窒化物半導体部分５２とｐ型窒化物半導体５３との界面の一部に存在させることが望ましい。一般的にエピタキシャル成長させる際には、基板の面内の様々な場所から結晶が成長するが、基板に対して水平方向に成長する結晶同士が成長を阻害しあい、その結果として転位を生じることが多い。前記課題を解決するために、基板上に結晶が成長しない絶縁物を介在させることにより、成長が阻害されなくなるため、転位を減少させることができる。ここでは、絶縁膜５４は、ｎ型窒化物半導体部分５２又はｐ型窒化物半導体部分５３の上を覆うように設けられ、そのｃ軸に平行な面の一部のみを露出させるように絶縁膜５４の一部が除去される。成長面としてｃ軸に平行な面の一部のみを露出させることによって、成長面に水平方向の成長を抑制でき、結晶全体の成長が阻害されることを抑制できる。絶縁膜５４の材料としてはＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＢａＴｉＯ３などが挙げられる。
絶縁膜５４は、必ずしも必要なものではないが、ｎ型窒化物半導体部分５２とｐ型窒化物半導体５３との界面の一部に存在させることが望ましい。一般的にエピタキシャル成長させる際には、基板の面内の様々な場所から結晶が成長するが、基板に対して水平方向に成長する結晶同士が成長を阻害しあい、その結果として転位を生じることが多い。前記課題を解決するために、基板上に結晶が成長しない絶縁物を介在させることにより、成長が阻害されなくなるため、転位を減少させることができる。ここでは、絶縁膜５４は、ｎ型窒化物半導体部分５２又はｐ型窒化物半導体部分５３の上を覆うように設けられ、そのｃ軸に平行な面の一部のみを露出させるように絶縁膜５４の一部が除去される。成長面としてｃ軸に平行な面の一部のみを露出させることによって、成長面に水平方向の成長を抑制でき、結晶全体の成長が阻害されることを抑制できる。絶縁膜５４の材料としてはＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＢａＴｉＯ３などが挙げられる。
＜発光素子の製造方法＞
発光素子の製造プロセスに関しても手段は限定されないが、その一例を図２ａ−図２ｊを用いて説明をする。
（ａ）発光粒子を成長させるための成長用基板６１上に、成長用マスク６２を図２ａに示すように形成する。この時の成長用基板６１は、後に形成されるｎ型窒化物半導体部分５２やｐ型窒化物半導体部分５３を形成するプロセスに耐えうるものであることが必要である。また、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる場合は、ＮＨ３雰囲気にて１０００℃以上の耐熱性を持つことが必要である。さらに、ＧａＮ半導体がｃ軸方向にエピタキシャル成長する基板が好ましい。材料例としては、面方位（０，０，０，１）のサファイア基板、面方位（１，１，１）シリコン基板等が挙げられる。
発光素子の製造プロセスに関しても手段は限定されないが、その一例を図２ａ−図２ｊを用いて説明をする。
（ａ）発光粒子を成長させるための成長用基板６１上に、成長用マスク６２を図２ａに示すように形成する。この時の成長用基板６１は、後に形成されるｎ型窒化物半導体部分５２やｐ型窒化物半導体部分５３を形成するプロセスに耐えうるものであることが必要である。また、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる場合は、ＮＨ３雰囲気にて１０００℃以上の耐熱性を持つことが必要である。さらに、ＧａＮ半導体がｃ軸方向にエピタキシャル成長する基板が好ましい。材料例としては、面方位（０，０，０，１）のサファイア基板、面方位（１，１，１）シリコン基板等が挙げられる。
成長用マスク６２の材料も、核形成プロセスに耐え、かつ除去しやすいものであればよい。例としてはＳｉＯ２などが挙げられる。また成長用マスク６２の孔の部分の形成方法は、フォトレジスト材を用いてリフトオフ法で形成する方法、インクジェット法等を用いて孔部以外を直接形成する方法、形成用マスクを使用して孔部以外を直接形成する方法などが挙げられる。
（ｂ）次いで、図２ｂに示すように核５１を形成する。核材料を生成する手段は特に限定されないが、スパッタリング法、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが好ましい。
（ｃ）その後、図２ｃに示すようにマスク６２を除去する。この時のマスク６２を除去するプロセスにおいて、核５１に影響を与えない手段を用いる必要がある。あるいは、成長用マスクを用いることなく成長用基板６１上に、核５1を直接に林立させるように形成してもよい。例えば、非特許文献（Jpn. J. Appl. Phys. Vol.38 (1999) pp6873-6877）にて紹介されている手段を用いれば、核５１となるＺｎＯを基板６１上に直接に林立して形成できる。
（ｄ）その後、図２ｄに示すように核５１の上にｎ型窒化物半導体部分５２を形成する。その手段は、前述のようにハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが好ましい。
（ｅ）図２ｅに示すように、核５１の上にｎ型窒化物半導体部分５２が形成された粒子を成長用基板６１から分離する。分離する手段としては、例えば、振動を与える手段や鋭利な物を用いてそぎ落とす手段などの機械的手段もしくは、基板を溶解させる等の化学的手段を用いればよい。
（ｃ）その後、図２ｃに示すようにマスク６２を除去する。この時のマスク６２を除去するプロセスにおいて、核５１に影響を与えない手段を用いる必要がある。あるいは、成長用マスクを用いることなく成長用基板６１上に、核５1を直接に林立させるように形成してもよい。例えば、非特許文献（Jpn. J. Appl. Phys. Vol.38 (1999) pp6873-6877）にて紹介されている手段を用いれば、核５１となるＺｎＯを基板６１上に直接に林立して形成できる。
（ｄ）その後、図２ｄに示すように核５１の上にｎ型窒化物半導体部分５２を形成する。その手段は、前述のようにハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが好ましい。
（ｅ）図２ｅに示すように、核５１の上にｎ型窒化物半導体部分５２が形成された粒子を成長用基板６１から分離する。分離する手段としては、例えば、振動を与える手段や鋭利な物を用いてそぎ落とす手段などの機械的手段もしくは、基板を溶解させる等の化学的手段を用いればよい。
（ｆ）次に、図２ｆに示すように、下部電極２０を備えた下部基板１０上に、核５１とｎ型窒化物半導体部分５２とを備えた粒子を並べる。このとき、基板１０の面に対して粒子のｃ軸が平行になるように並べることが好ましい。このために、発光粒子の（ｃ軸方向の粒子長さ）／（ｃ軸方向に垂直な底面の最小幅）（アスペクト比）が２以上であることが望ましい。さらに、粒子を並べる際には下部基板１０を振動させると、各粒子の長手方向、つまりｃ軸方向が面に平行に配向しやすくなるため、なお望ましい。
（ｇ）次いで、図２ｇに示すように、粒子の上に絶縁膜５４を形成する。形成手段は特には問わないが、例えばスパッタリング法が挙げられる。
（ｈ）さらに、図２ｈに示すように絶縁膜５４の一部を除去する。この場合、粒子のｃ軸に平行な面が露出するようにする。絶縁膜５４の除去方法についても手段は限定されないが、例えば、機械研磨法、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などが挙げられる。
（ｉ）図２ｉに示すように、絶縁膜５４の一部を除去して露出させたｎ型窒化物半導体部分５２のｃ軸に平行な面の上にｐ型窒化物半導体部分５３を形成させる。ｐ型窒化物半導体部分５３の形成手段としては、前述のようにハライド気相成長（ＨＰＶＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが好ましい。また、それらのプロセスにおいて、ｐ型窒化物半導体部分を形成する場合は、下部電極２０、下部基板１０ともにＮＨ３雰囲気にて１０００℃以上の耐熱を持つことが必要である。下部基板１０の材料例としては、サファイア基板、シリコン基板等が挙げられ、下部電極２０の材料例としては、モリブデン、タンタルなどが挙げられる。
（ｊ）その後、図２ｊに示すように上部電極３０と上部基板４０を順に配設して発光素子を得る。
（ｇ）次いで、図２ｇに示すように、粒子の上に絶縁膜５４を形成する。形成手段は特には問わないが、例えばスパッタリング法が挙げられる。
（ｈ）さらに、図２ｈに示すように絶縁膜５４の一部を除去する。この場合、粒子のｃ軸に平行な面が露出するようにする。絶縁膜５４の除去方法についても手段は限定されないが、例えば、機械研磨法、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などが挙げられる。
（ｉ）図２ｉに示すように、絶縁膜５４の一部を除去して露出させたｎ型窒化物半導体部分５２のｃ軸に平行な面の上にｐ型窒化物半導体部分５３を形成させる。ｐ型窒化物半導体部分５３の形成手段としては、前述のようにハライド気相成長（ＨＰＶＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが好ましい。また、それらのプロセスにおいて、ｐ型窒化物半導体部分を形成する場合は、下部電極２０、下部基板１０ともにＮＨ３雰囲気にて１０００℃以上の耐熱を持つことが必要である。下部基板１０の材料例としては、サファイア基板、シリコン基板等が挙げられ、下部電極２０の材料例としては、モリブデン、タンタルなどが挙げられる。
（ｊ）その後、図２ｊに示すように上部電極３０と上部基板４０を順に配設して発光素子を得る。
（実施例１）
以下に実施例１に係る発光素子の製造方法を説明する。
（ａ）面方位（０，０，０，１）である２インチ（５．０８ｃｍ）のサファイア基板を成長用基板として用いる。前記サファイア基板上に形成用マスクを介してスパッタリング法を用いてＳｉＯ２膜を１０μｍの厚みで形成した。孔部の直径は２μｍであった。ターゲットはＳｉＯ２ターゲットを使用し、Ａｒガス雰囲気中で、スパッタリングを行い形成した。
（ｂ）その上に核としてＡｌＮ膜をスパッタリング法にて形成した。ターゲットはＡｌターゲットを使用し、Ｎ２ガス雰囲気中でスパッタリングを行い形成した。ＡｌＮはｃ軸方向に成長し、その厚みは１０μｍであった。
（ｃ）成長用マスクと核が形成されている成長用基板を３％フッ酸水溶液に浸漬して、成長用マスクを除去した。
以下に実施例１に係る発光素子の製造方法を説明する。
（ａ）面方位（０，０，０，１）である２インチ（５．０８ｃｍ）のサファイア基板を成長用基板として用いる。前記サファイア基板上に形成用マスクを介してスパッタリング法を用いてＳｉＯ２膜を１０μｍの厚みで形成した。孔部の直径は２μｍであった。ターゲットはＳｉＯ２ターゲットを使用し、Ａｒガス雰囲気中で、スパッタリングを行い形成した。
（ｂ）その上に核としてＡｌＮ膜をスパッタリング法にて形成した。ターゲットはＡｌターゲットを使用し、Ｎ２ガス雰囲気中でスパッタリングを行い形成した。ＡｌＮはｃ軸方向に成長し、その厚みは１０μｍであった。
（ｃ）成長用マスクと核が形成されている成長用基板を３％フッ酸水溶液に浸漬して、成長用マスクを除去した。
（ｄ）核のみが形成されている成長用基板に、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いて、ｎ型窒化物半導体層としてノンドープのＧａＮ層を形成した。以下、図３を用いて詳細を説明する。
ガスラインＡ７２にはＨＣｌを３ｃｃ／分およびＮ２を２５０ｃｃ／分で流し、途中にＧａ金属７５を配設した。ガスラインＢ７３には何にも流さず、ガスラインＣ７４にはＮＨ３を２５０ｃｃ／分流した。また炉内全体にＮ２を３０００ｃｃ／分流した。反応炉の温度は１０００℃にして２分間成長させて、ノンドープのＧａＮ膜を２μｍの膜厚で形成した。この時、粒子底面幅は６μｍであり、粒子の高さは１２μｍであった。
（ｅ）ｎ型窒化物半導体層を形成後、成長用基板に機械的振動を与えて、成長用基板から核とｎ型窒化物半導体を有する粒子を取り出して、ホウ素をドープしたｎ型Ｓｉ基板上に機械的振動を与えながら配設した。この時、ｎ型Ｓｉ基板は下部基板と下部電極を兼ねている。
ガスラインＡ７２にはＨＣｌを３ｃｃ／分およびＮ２を２５０ｃｃ／分で流し、途中にＧａ金属７５を配設した。ガスラインＢ７３には何にも流さず、ガスラインＣ７４にはＮＨ３を２５０ｃｃ／分流した。また炉内全体にＮ２を３０００ｃｃ／分流した。反応炉の温度は１０００℃にして２分間成長させて、ノンドープのＧａＮ膜を２μｍの膜厚で形成した。この時、粒子底面幅は６μｍであり、粒子の高さは１２μｍであった。
（ｅ）ｎ型窒化物半導体層を形成後、成長用基板に機械的振動を与えて、成長用基板から核とｎ型窒化物半導体を有する粒子を取り出して、ホウ素をドープしたｎ型Ｓｉ基板上に機械的振動を与えながら配設した。この時、ｎ型Ｓｉ基板は下部基板と下部電極を兼ねている。
（ｆ）核とｎ型窒化物半導体を有する粒子が配設されているｎ型Ｓｉ基板をスパッタリング装置に取り付け、絶縁膜としてＡｌ２Ｏ３膜をスパッタリング法にて製膜した。ターゲットはＡｌ２Ｏ３ターゲットを使用し、Ａｒガス中でスパッタリングを行い形成した。厚みは０．２μｍであった。
（ｇ）その後、そのスパッタリング装置内にて、今度は基板側にＡｒプラズマを発生させて、絶縁膜の表面をドライエッチングした。これによってｎ型窒化物半導体のｃ軸に平行な面の一部を露出させた。
（ｇ）その後、そのスパッタリング装置内にて、今度は基板側にＡｒプラズマを発生させて、絶縁膜の表面をドライエッチングした。これによってｎ型窒化物半導体のｃ軸に平行な面の一部を露出させた。
（ｈ）その後、核とｎ型窒化物半導体と絶縁膜を有する粒子が配設されているｎ型Ｓｉ基板を取り出し、再度ＨＶＰＥ装置に取り付け、ｎ型窒化物半導体の露出させたｃ軸に平行な面の上にｐ型窒化物半導体層を形成した。これも図３を用いて説明する。
ガスラインＡ７２にはＨＣｌを３ｃｃ／分およびＮ２を２５０ｃｃ／分流し、途中にＧａ金属７５を配設した。ガスラインＢ７３にはＭｇＣｌ２粉末７６を配設し、Ｎ２ガスを２５０ｃｃ／分流した。ガスラインＣ７４にはＮＨ３を２５０ｃｃ／分で流した。また炉内全体にＮ２を３０００ｃｃ／分流した。反応炉の温度は１０００℃にして２分間成長させて、ＭｇドープのＧａＮ膜を２μｍの膜厚で形成した。反応後は炉内全体にＮ２を３０００ｃｃ／分流したままま温度を降下させ、７００℃に降下させた時点で温度を１時間保持し、その後に再度炉内温度を降下させた。
（ｉ）その後ＩＴＯペーストを２μｍの厚みで塗布したガラス製の上部基板をペースト面を下にして、下部基板に押し付けて発光素子とした。
（ｊ）上部基板の上側には、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ蛍光体をアクリル樹脂に分散させたペーストを２μｍ塗布した。
以上によって発光素子を得た。
ガスラインＡ７２にはＨＣｌを３ｃｃ／分およびＮ２を２５０ｃｃ／分流し、途中にＧａ金属７５を配設した。ガスラインＢ７３にはＭｇＣｌ２粉末７６を配設し、Ｎ２ガスを２５０ｃｃ／分流した。ガスラインＣ７４にはＮＨ３を２５０ｃｃ／分で流した。また炉内全体にＮ２を３０００ｃｃ／分流した。反応炉の温度は１０００℃にして２分間成長させて、ＭｇドープのＧａＮ膜を２μｍの膜厚で形成した。反応後は炉内全体にＮ２を３０００ｃｃ／分流したままま温度を降下させ、７００℃に降下させた時点で温度を１時間保持し、その後に再度炉内温度を降下させた。
（ｉ）その後ＩＴＯペーストを２μｍの厚みで塗布したガラス製の上部基板をペースト面を下にして、下部基板に押し付けて発光素子とした。
（ｊ）上部基板の上側には、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ蛍光体をアクリル樹脂に分散させたペーストを２μｍ塗布した。
以上によって発光素子を得た。
得られた発光素子のＳｉ側を陰極とし、ＩＴＯペースト側を陰極として両電極間に１５Ｖの直流電圧をかけて発光させた。この時、発光粒子からは紫外線が発光されるが、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ蛍光体により波長が変換されて緑色の発光が得られた。その輝度は５６０ｃｄ／ｍ２であり、発光効率は１．２ｌｍ／Ｗであった。
（実施例２）
実施例２では、発光粒子の絶縁膜を製膜しない他は実施例１と同様の方法で発光素子を作成した。
得られた発光素子に実施例１と同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は５２０ｃｄ／ｍ２であり、発光効率は１．１１ｍ／Ｗであった。
実施例２では、発光粒子の絶縁膜を製膜しない他は実施例１と同様の方法で発光素子を作成した。
得られた発光素子に実施例１と同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は５２０ｃｄ／ｍ２であり、発光効率は１．１１ｍ／Ｗであった。
（比較例１）
実施例２に対して、形成用マスクであるＳｉＯ２膜の膜厚を１μｍ、孔部の直径を２μｍと変更し、さらに核であるＡｌＮ膜の厚みを１μｍと変更し、核とｎ型半導体を有する粒子を取り出して、ホウ素をドープしたｎ型Ｓｉ基板上に配設する際には機械的振動を与えなかった。その結果、発光粒子のｃ軸が基板に対して垂直になっている発光粒子が大半を占めた。
この発光素子に実施例１の発光素子と同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は３２０ｃｄ／ｍ２であり、発光効率は０．６ｌｍ／Ｗであった。
実施例２に対して、形成用マスクであるＳｉＯ２膜の膜厚を１μｍ、孔部の直径を２μｍと変更し、さらに核であるＡｌＮ膜の厚みを１μｍと変更し、核とｎ型半導体を有する粒子を取り出して、ホウ素をドープしたｎ型Ｓｉ基板上に配設する際には機械的振動を与えなかった。その結果、発光粒子のｃ軸が基板に対して垂直になっている発光粒子が大半を占めた。
この発光素子に実施例１の発光素子と同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は３２０ｃｄ／ｍ２であり、発光効率は０．６ｌｍ／Ｗであった。
（比較例２）
比較例１に対して、発光粒子のｐ型半導体層を製膜しないかわりに、ｎ型半導体層を４μｍ製膜させた他は比較例１と同様にして発光素子を作成した。
発光素子に同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は８０ｃｄ／ｍ２であり、発光効率は０．１５ｌｍ／Ｗであった。
比較例１に対して、発光粒子のｐ型半導体層を製膜しないかわりに、ｎ型半導体層を４μｍ製膜させた他は比較例１と同様にして発光素子を作成した。
発光素子に同様に電圧をかけて発光させたときの輝度は８０ｃｄ／ｍ２であり、発光効率は０．１５ｌｍ／Ｗであった。
本発明によれば、発光効率が高く大面積化の容易な発光素子を提供することができる。
１０ 下部基板
２０ 下部電極
３０ 上部電極
４０ 上部基板
５０ 発光粒子
５１ 核
５２ ｎ型半導体
５３ ｐ型半導体
５４ 絶縁膜
６１ 成長用基板
６２ 成長用マスク
７１ 反応炉
７２ ガスラインＡ
７３ ガスラインＢ
７４ ガスラインＣ
７５ Ｇａ金属
７６ ＭｇＣｌ２
７７ 基板ホルダ
２０ 下部電極
３０ 上部電極
４０ 上部基板
５０ 発光粒子
５１ 核
５２ ｎ型半導体
５３ ｐ型半導体
５４ 絶縁膜
６１ 成長用基板
６２ 成長用マスク
７１ 反応炉
７２ ガスラインＡ
７３ ガスラインＢ
７４ ガスラインＣ
７５ Ｇａ金属
７６ ＭｇＣｌ２
７７ 基板ホルダ
Claims (2)
- 互いに対向する一対の陽極と陰極と、前記一対の陽極と陰極との間に前記陽極及び前記陰極の主面に垂直な方向から挟持された複数の発光粒子とを備え、前記発光粒子は、ｎ型窒化物半導体部分とｐ型窒化物半導体部分とを含むウルツ型結晶構造を有する窒化物半導体発光粒子により構成すると共に、前記ｎ型窒化物半導体部分が陰極と接し、前記ｐ型窒化物半導体部分が陽極と接する構成の発光素子において、
前記発光粒子は、前記ウルツ型結晶構造のｎ型窒化物半導体またはｐ型窒化物半導体のいずれか一方の半導体部分上に絶縁膜を設けると共に、前記絶縁膜の一部を除去することにより前記半導体部分のウルツ型結晶構造のｃ軸に平行な面を露出させ、前記ｎ型窒化物半導体またはｐ型窒化物半導体のいずれか他方の半導体部分を成長させて構成したことを特徴とする発光素子。 - 前記発光粒子は、前記ｎ型窒化物半導体部分と前記ｐ型窒化物半導体部分とにおいて共通する前記ｃ軸に平行な方向についての長さと、前記ｃ軸に垂直な底面の最短幅について下記関係式
（ｃ軸方向の粒子長さ）／（ｃ軸方向に垂直な底面の最短幅）≧２
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
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