JPWO2016051908A1 - 発光素子および発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

安価かつ作製容易であるとともに光取り出し効率に優れた発光素子を提供する。発光素子が、配向した複数の結晶粒からなる配向多結晶基板と、配向多結晶基板の一方主面の結晶欠陥が存在しない領域の上方に離散的に設けられてなり、それぞれが配向多結晶基板の法線方向に長手方向を有する柱状の部位である複数の柱状発光部と、柱状発光部の構成材料よりも屈折率の低い材料にて、配向多結晶基板の上方に複数の柱状発光部を取り囲むように設けられてなる光閉じ込め層と、を備えるようにした。

Description

本発明は、発光素子に関し、特に、その構造に関する。

１３族窒化物（III族窒化物）を発光部の形成材料として用いた発光素子（ＬＥＤ）はすでに広く知られている。係る従来周知の発光素子においては、通常、例えばサファイアなどの１３族窒化物とは異なる材料からなる基板（異種材料基板）が下地基板として用いられ、該下地基板の上に１３族窒化物からなる複数の結晶層が積層されてなる。

例えば、サファイア基板やセラミック基板、表面にシリコン酸化膜を形成したシリコン基板など、少なくとも表面が絶縁性とされた基板の上にシリコン薄膜とｎ型のＧａＮ層とからなる下部配線を形成し、さらにその上にシリコン窒化膜からなるマスクを形成したうえで、該マスクに設けられた複数の開口部のそれぞれの位置においていずれも１３族窒化物からなる第１導電型の半導体層と活性層と第２導電型の半導体層とを積層形成させることによって複数の柱状の発光部を備えるようにした自発光ディスプレイも、すでに公知である（例えば、特許文献１参照）。係る自発光ディスプレイにおいては、発光部の周囲に、発光部を構成する半導体の屈折率よりも小さい屈折率を持つ低屈折率体が配置されてなる。

また、ｎ型のシリコン単結晶基板の上に、ＲＦ−ＭＢＥ法によって、１３族窒化物からなりナノコラムと呼ばれる１μｍ以下の径の柱状のＬＥＤ構造を密に形成する技術もすでに公知である（例えば、非特許文献１参照）。

また、ｃ軸方向に配向性を有する化合物半導体からなる配向性多結晶基板を作製する技術、およびこの基板上に窒化物化合物半導体膜を形成し発光層を有する半導体層を積層する技術が公知である（例えば、特許文献２参照）。

一方、フラックス法により窒化ガリウム単結晶自立基板を作製する方法もすでに公知である（例えば、特許文献３参照）。

異種材料基板を下地基板として用いた従来周知の発光素子においては、下地基板と１３族窒化物層との格子定数や熱膨張率の差が原因となって、発光部を構成する１３族窒化物層に転位が伝播し、係る転位の形成箇所において電流リークが生じることが、発光強度の向上を妨げる要因の一つとなっていた。

これに対し、窒化ガリウム単結晶自立基板を下地基板とした場合には、１３族窒化物層との格子定数や熱膨張率の差の問題は解消されるが、大面積化は容易でないため、素子製造コストが高くなるという問題がある。

一方、特許文献１や非特許文献１に開示された発光素子においては、異種材料基板を用いつつも、構成上の工夫によって、発光効率の向上が図られている。しかしながら、特許文献１に開示された技術の場合、絶縁性の基板を用いているために縦型構造の発光素子を作成できないという問題がある。また、非特許文献１に開示された技術の場合、転位や歪みの低減された発光部の形成が可能ではあるものの、シリコン単結晶基板を用いるために、やはりコスト面での制約がある。

特開２０１３−５５１７０号公報 特許第３４１０８６３号公報 国際公開第２０１３／１４７３２６号

Akihiko Kikuchi, Mizue Kawai, Makoto Tada and Katsumi Kishino,"InGaN/GaN Multiple Quantum Disk Nanocolumn Light-Emitting Diodes Grown on (111) Si Substrate",Japanese Journal of Applied Physics,Vol.43,No.12A,2004,pp.L1524-L1526.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安価かつ作製容易であるとともに光取り出し効率に優れた発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、発光素子が、配向した複数の結晶粒からなる配向多結晶基板と、前記配向多結晶基板の一方主面の結晶欠陥が存在しない領域の上方に離散的に設けられてなり、それぞれが前記配向多結晶基板の法線方向に長手方向を有する柱状の部位である複数の柱状発光部と、前記柱状発光部の構成材料よりも屈折率の低い材料にて、前記配向多結晶基板の上方に前記複数の柱状発光部を取り囲むように設けられてなる光閉じ込め層と、を備えるようにした。

本発明の第２の態様では、第１の態様に係る発光素子において、前記複数の柱状発光部が、前記配向多結晶基板の前記一方主面において仮想的に定めた所定の周期を有する平面格子の格子点位置のうち、下方に前記結晶欠陥が存在しない位置に設けられてなるようにした。

本発明の第３の態様では、第２の態様に係る発光素子において、前記複数の結晶粒の前記一方主面における平均粒径をＤとし、前記複数の柱状発光部の長手方向に垂直な断面における最大外径サイズをｄとするとき、ｄ≦Ｄ／２であるようにした。

本発明の第４の態様では、第３の態様に係る発光素子において、Ｄ＜２０μｍのときにｄ≦Ｄ／４であり、Ｄ≧２０μｍのときにｄ≦Ｄ／３であるようにした。

本発明の第５の態様では、第２ないし第４のいずれかの態様に係る発光素子において、前記平面格子の前記格子点位置のうち、下方に前記結晶欠陥が存在する位置に、前記柱状発光部よりも長手方向のサイズが短い柱状の部位である不完全柱状部が備わるようにした。

本発明の第６の態様では、第１ないし第５のいずれかの態様に係る発光素子において、前記複数の柱状発光部がそれぞれ、いずれもが１３族窒化物からなるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを前記配向多結晶基板の側からこの順に積層してなるものであるようにした。

本発明の第７の態様では、第６の態様に係る発光素子において、前記活性層が、ＭＱＷ構造を有してなるようにした。

本発明の第８の態様では、第６または第７の態様に係る発光素子において、前記光閉じ込め層がＳｉＯ_２からなるようにした。

本発明の第９の態様では、第１ないし第８のいずれかの態様に係る発光素子において、前記複数の柱状発光部のそれぞれの上端と前記光閉じ込め層の上面とが一の平坦面をなしており、前記平坦面に透明導電膜が設けられてなるようにした。

本発明の第１０の態様では、第９の態様に係る発光素子において、前記配向多結晶基板が配向ＧａＮ基板であり、前記透明導電膜上にパッド電極が設けられてなり、前記配向ＧａＮ基板の他方主面上にカソード電極が設けられてなるようにした。

本発明の第１１の態様では、第９の態様に係る発光素子において、前記配向多結晶基板が配向アルミナ基板であり、前記配向アルミナ基板の上にｎ型の導電型を呈する下地層が設けられてなり、前記複数の柱状発光部が前記下地層の上に形成されてなり、前記透明導電膜上にパッド電極が設けられてなり、前記下地層の上にカソード電極が設けられてなるようにした。

本発明の第１２の態様では、発光素子の製造方法が、配向した複数の結晶粒からなることで、一方主面に結晶欠陥が存在しない第１の領域と結晶欠陥が存在する第２の領域とを有する配向多結晶基板の前記一方主面上に、複数の開口部を有する第１光閉じ込め層を形成する第１光閉じ込め層形成工程と、前記第１光閉じ込め層をマスクとして、前記複数の開口部において前記配向多結晶基板の前記一方主面の上方にｎ型層と活性層とｐ型層とをこの順に積層形成させることによって、前記複数の開口部のうち前記第１の領域の上方に位置する箇所にはそれぞれが柱状のをなす複数の第１の柱状構造体が形成されるようにする一方で前記複数の開口部のうち前記第２の領域の上方に位置する箇所には柱状をなし前記第１の柱状構造体よりも長手方向のサイズが短い第２の柱状構造体が形成されるようにする柱状構造体形成工程と、前記第１光閉じ込め層の上に前記第１光閉じ込め層と同じ材料にて前記第１および第２の柱状構造体を覆うように第２光閉じ込め層を形成する第２光閉じ込め層形成工程と、前記複数の第１の柱状構造体のみに電気的に接続され、前記第２の柱状構造体とは電気的に接続されないように前記第２光閉じ込め層の上に透明導電膜を形成する透明導電膜形成工程と、前記透明導電膜の上にパッド電極を形成するアノード電極形成工程と、前記複数の第１の柱状構造体の前記配向多結晶基板側の端部と電気的に接続されるカソード電極を形成するカソード電極形成工程と、を備え、前記第１光閉じ込め層形成工程においては、前記複数の開口部を、所定の周期を有する平面格子の格子点位置として定めるようにし、前記第１および第２光閉じ込め層形成工程においてはいずれも、前記第１光閉じ込め層および前記第２光閉じ込め層が、前記第１の柱状構造体の構成材料よりも屈折率の低い材料にて形成するようにした。

本発明の第１３の態様では、第１２の態様に係る発光素子の製造方法において、前記複数の結晶粒の前記一方主面における平均粒径をＤとし、前記複数の開口部の開口径をｄとするとき、ｄ≦Ｄ／２とするようにした。

本発明の第１４の態様では、第１３の態様に係る発光素子の製造方法において、Ｄ＜２０μｍのときにｄ≦Ｄ／４とし、Ｄ≧２０μｍのときにｄ≦Ｄ／３とするようにした。

本発明の第１５の態様では、第１２ないし第１４のいずれかの態様に係る発光素子の製造方法において、前記柱状構造体形成工程においては、前記ｎ型層と、前記活性層と、前記ｐ型層とを、１３族窒化物にて形成するようにした。

本発明の第１６の態様では、第１５の態様に係る発光素子の製造方法において、前記活性層を、ＭＱＷ構造を有するように形成するようにした。

本発明の第１７の態様では、第１５または第１６の態様に係る発光素子の製造方法において、前記第１および前記第２の光閉じ込め層をＳｉＯ_２にて形成するようにした。

本発明の第１８の態様では、第１２ないし第１７のいずれかの態様に係る発光素子の製造方法において、前記アノード電極形成工程においては、前記複数の第１の柱状構造体のそれぞれの上端と前記第２の光閉じ込め層の上面とが一の平坦面をなすように前記第２の光閉じ込め層を研磨したうえで、前記平坦面に透明導電膜を設け、前記透明導電膜上にパッド電極を形成するようにした。

本発明の第１９の態様では、第１８の態様に係る発光素子の製造方法において、前記配向多結晶基板として配向ＧａＮ基板を用い、前記カソード電極形成工程においては、前記配向ＧａＮ基板の他方主面上にカソード電極を設けるようにした。

本発明の第２０の態様では、第１８の態様に係る発光素子の製造方法において、前記配向多結晶基板として配向アルミナ基板を用い、前記配向アルミナ基板の上にｎ型の導電型を呈する下地層を形成する下地層形成工程、をさらに備え、前記第１光閉じ込め層形成工程においては前記第１光閉じ込め層を前記下地層の上に形成し、前記柱状構造体形成工程においては、前記第１の柱状構造体を前記下地層の上であって、前記第１の領域の上方に位置する箇所において形成し、前記カソード電極形成工程においては、前記下地層の上にカソード電極を設けるようにした。

本発明の第１ないし第２０の態様によれば、下地基板として、単結晶基板に比して安価でかつ作製容易な配向多結晶基板を用いつつも、光取り出し効率が優れるとともに、電流リークの抑制された縦型構造の発光素子を実現することができる。

特に、本発明の第１２ないし第２０の態様によれば、開口部の位置を直下に結晶欠陥が存在しているか否かによらず平面格子の格子点位置として機械的に定めるにも関わらず、下地基板の結晶欠陥が存在しない第１の領域上に形成された第１の柱状構造体のみを柱状発光部として好適に利用することができる。

第１の実施の形態に係る発光素子１０の構成を模式的に示す図である。 発光素子１０の作製途中の様子を模式的に示す図である。 平面視円形状の開口部２ｈが六方平面格子の格子点位置に設けられてなる場合の第１光閉じ込め層２ａを例示する平面図である。 第１の実施の形態の変形例に係る発光素子１１０の作製途中の様子を模式的に示す図である。 第２の実施の形態に係る発光素子２１０の作製途中の様子を模式的に示す図である。 全面積層発光素子における発光構造を例示する図である。

本明細書中に示す周期表の族番号は、１９８９年国際純正応用化学連合会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ：ＩＵＰＡＣ）による無機化学命名法改訂版による１〜１８の族番号表示によるものであり、１３族とはアルミニウム（Ａｌ）・ガリウム（Ｇａ）・インジウム（Ｉｎ）等を指し、１４族とは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等を指し、１５族とは窒素（Ｎ）・リン（Ｐ）・ヒ素（Ａｓ）・アンチモン（Ｓｂ）等を指す。

＜第１の実施の形態＞
＜発光素子の構成＞
図１は、本実施の形態に係る発光素子１０の構成を模式的に示す図である。図１（ａ）は、発光素子１０全体の模式断面図である。図１（ａ）に示すように、発光素子１０は、主に、下地基板１と、第１光閉じ込め層２ａと第２光閉じ込め層２ｂとが下地基板側からこの順に積層されてなる光閉じ込め層２と、いずれも１３族窒化物（III族窒化物）からなるｎ型層３、活性層４、およびｐ型層５が下地基板側からこの順に積層されてなる複数の柱状発光部６（第１の柱状構造体）と、透明導電膜７と、パッド電極８と、カソード電極９とを備える。発光素子１０は、概略、縦型の発光素子構造を有し、パッド電極８とカソード電極９との間に通電がなされると、両電極の間に存在する複数の柱状発光部６において発光が生じるようになっている。

また、図１（ｂ）は、柱状発光部６の詳細構成を示す断面図である。図１（ｂ）に示すように、柱状発光部６において活性層４は、第１単位層４ａと第２単位層４ｂとが下地基板側からこの順に繰り返し交互に積層されてなることで多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するものとなっている。一方、ｐ型層５は、ｐ型クラッド層５ａとｐ型キャップ層５ｂとが下地基板側からこの順に積層されることによって構成されてなる。

下地基板１は、複数のＧａＮ結晶からなる多結晶基板である。ただし、それぞれのＧａＮ結晶は、そのｃ軸方向が下地基板１の主面の法線方向（以下、単に法線方向とも称する）に略一致するように（概ね揃うように）配向させられ、連結されてなる。下地基板１は、配向多結晶基板の一種であって、以下においては配向ＧａＮ基板とも称する。ただし、厳密にいえば、各々のＧａＮ結晶のｃ軸方向は、下地基板１の法線方向からわずかにずれている。ＧａＮ結晶のｃ軸方向の、下地基板１の法線方向からのずれ角を、チルト角と称する。

また、下地基板１には、その構成および製法に起因して、結晶粒界等の結晶欠陥１ｄが存在し、その一部は法線方向において貫通してなる。しかしながら、下地基板１は、法線方向においては概ね単結晶構造を有するものとみなすことができ、発光機能等のデバイス特性を確保するのに十分な高い結晶性を有するものとなっている。その一方で、下地基板１はあくまで配向ＧａＮ基板であって単結晶基板ではないことから、単結晶ＧａＮ基板に比して製造コストが低いという特長も有する。

発光素子１０の製造過程における把持などの取扱いの容易さを鑑みると、下地基板１は数十μｍ程度以上の厚みを有することが好ましい。また、下地基板１を構成するＧａＮ結晶の平均粒径（より具体的には、下地基板１の主面の面内方向における平均粒径）Ｄは、１５μｍ以上であることが好ましい。係る平均粒径Ｄの上限には原理上は特段の制限はないが、実際に多結晶の配向ＧａＮ基板を作製するという観点からすると、２００μｍ程度が事実上の上限となる。下地基板１の作製手法については後述する。

光閉じ込め層２は、下地基板１の一方主面側において、複数の柱状発光部６の周囲を取り囲むように設けられてなる。光閉じ込め層２は、柱状発光部６を構成する１３族窒化物よりも屈折率が小さい材料からなる。なお、ＧａＮの場合で屈折率は２．４〜２．６程度である。光閉じ込め層２の材料としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどが例示されるが、製造の容易さの観点からは、ＳｉＯ２が好ましい。これにより、柱状発光部６において発生した光は光閉じ込め層２との界面における反射を繰り返しつつ柱状発光部６の長手方向に伝播し、最終的には、透明導電膜７を通じて素子外部へと放出される。すなわち、光閉じ込め層２は、柱状発光部６において発生した光を柱状発光部６内に閉じ込める効果を有するものとなっている。係る光閉じ込め効果により、発光素子１０の光取り出し効率は高められてなる。

なお、上述のように光閉じ込め層２は第１光閉じ込め層２ａと第２光閉じ込め層２ｂとの２層構造を有してなる。このうちの第１光閉じ込め層２ａは、詳細は後述するが、柱状発光部６を形成する際にその形成位置を規定するマスクとして用いられる層でもある。ただし、両層は、光閉じ込め効果を奏する点では全く同様である。

マスクとしての機能を好適に果たすという点からは、第１光閉じ込め層２ａは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚みに設けられるのが好適である。一方、光閉じ込め層２全体の厚みは、柱状発光部６の厚み（長手方向のサイズ）と同じとなる。

柱状発光部６は、発光素子１０において実際に発光を担う部位であり、下地基板１の光閉じ込め層２が備わる側の主面の上方に、法線方向に沿って延在する円柱状、多角柱状その他柱状の（ロッド状の）積層構造体として備わる。柱状発光部６は、下地基板１の当該主面上に、１３族窒化物からなる複数の層を順次にエピタキシャル成長させることによって設けられてなる。発光素子１０には、複数の柱状発光部６が、下地基板１の主面上に離散的に備わっている。

それぞれの柱状発光部６は、上述したように、ｎ型層３と、第１単位層４ａと第２単位層４ｂとによってＭＱＷ構造が形成されてなる活性層４と、ｐ型クラッド層５ａとｐ型キャップ層５ｂとからなるｐ型層５とが積層した構成を有する。それぞれの柱状発光部６のｃ軸方向は、直下のＧａＮ結晶のｃ軸方向と一致してなる。これは、換言すれば、それぞれの柱状発光部６のｃ軸方向が、下地基板１の法線方向と概ね一致していることを意味する。

ｎ型層３は、電子濃度が２×１０^１８／ｃｍ^３〜２×１０^１９／ｃｍ^３となるようにＳｉがドープされたＧａＮからなり、４００ｎｍ〜５０００ｎｍの厚みを有するのが好適である。

活性層４は、第１単位層４ａがＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．２）なる組成の１３族窒化物にて２ｎｍ〜１０ｎｍの厚みを有してなり、第２単位層４ｂがＧａＮにて５ｎｍ〜１５ｎｍの厚みを有してなり、かつ、第１単位層４ａと第２単位層４ｂのペアの繰り返し積層数が３〜８であるのが好適である。

ｐ型クラッド層５ａは、ホール濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３〜５×１０^１８／ｃｍ^３となるようにＭｇがドープされたＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．２）なる組成の１３族窒化物からなり、５０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚みを有するのが好適である。

ｐ型キャップ層５ｂは、ホール濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^１９／ｃｍ^３となるようにＭｇがドープされたＧａＮからなり、２００ｎｍ〜６５０ｎｍの厚みを有するのが好適である。

以上のような構成を有することから、柱状発光部６の長手方向のサイズは５００ｎｍ〜６０００ｎｍ程度となる。なお、発光素子１０においては、全ての柱状発光部６の上端部（より具体的にはｐ型キャップ層５ｂの上端部）と光閉じ込め層２の上面（より具体的には第２光閉じ込め層２ｂの上面）とが面一となっていることから、柱状発光部６の長手方向のサイズは該柱状発光部６が埋め込まれた光閉じ込め層２の厚みと同じとなっている。

柱状発光部６の詳細およびその形成態様に基づく作用効果については後述する。

透明導電膜７は、第２光閉じ込め層２ｂの上面と全ての柱状発光部６の上端部とに隣接する態様にて形成されてなる。これにより、全ての柱状発光部６は透明導電膜７と電気的に接続されてなる。透明導電膜７は、例えばＩＴＯや酸化亜鉛などによって５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の厚みに形成されてなる。

パッド電極８は、柱状発光部６の上端部分と電気的に接続される電極である。パッド電極８は、透明導電膜７の上面の一部に設けられてなる。パッド電極８は、Ｔｉ／Ａｕ積層膜として形成されてなるのが好適な一例である。パッド電極８となるＴｉ／Ａｕ積層膜を構成するＴｉ膜、Ａｕ膜の厚みはそれぞれ、２０ｎｍ〜２００ｎｍ、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度であるのが好ましい。

カソード電極９は、柱状発光部６の下地基板１側の端部と電気的に接続される電極である。カソード電極９は、下地基板１の柱状発光部６等が備わる側の主面とは反対側の他方主面上の略全面に備わる。カソード電極９は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜として形成するのが好適である。カソード電極９となるＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜を構成するＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜の厚みは、それぞれ、１０ｎｍ〜３０ｎｍ、１５０ｎｍ〜１０００ｎｍ、２０ｎｍ〜１００ｎｍ、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度であるのが好ましい。

＜柱状発光部の詳細＞
次に、柱状発光部６について、特に、その配置位置およびサイズと、これによる作用効果について、詳細に説明する。

上述のように、発光素子１０において柱状発光部６は、下地基板１の一方主面上に離散的に備わっているが、より具体的には、それぞれの柱状発光部６は、当該主面上において仮想的に定めた所定の周期ｐを有する平面格子（例えば六方平面格子や正方平面格子など）の格子点位置（以下、形成候補位置）であって、かつ、当該主面に結晶欠陥１ｄが存在していない箇所に、備わっている。換言すれば、下地基板１の一方主面上において周期ｐで２次元的に定められてなる形成候補位置のうち、下地基板１の一方主面の結晶欠陥１ｄが存在しない領域（第１の領域）の上方に、備わっている。また、それぞれの柱状発光部６は、長手方向に垂直な断面における最大のサイズ（最大外径サイズ）ｄがＤ／２以下であるという要件をみたして備わっている。

これにより、本実施の形態に係る発光素子１０においては、実質的に単結晶とみなせるＧａＮ結晶上にのみ、柱状発光部６が形成されてなる。すなわち、いずれの柱状発光部６も、下地基板１に存在する結晶粒界等の結晶欠陥１ｄの影響を受けずに形成されてなる。それゆえ、いずれの柱状発光部６も、優れた結晶品質を有するものとなっている。

なお、後述するように、柱状発光部６の形成候補位置は、第１光閉じ込め層２ａの形成時に設けられる開口部２ｈの位置として規定される（図３参照）。

また、周期ｐは、柱状発光部６の最小ピッチとなる値であり、下地基板１を構成するＧａＮ結晶の平均粒径Ｄの値にもよるが、１５μｍ〜７０μｍ程度が好適である。係る場合に、発光素子１０は上記要件をみたす多数の柱状発光部６を好適に備えるものとなる。結晶品質の優れた柱状発光部６を多数備えることは、発光素子１０における発光強度の増大に資するものとなっている。

仮に周期ｐが小さ過ぎると、自ずから柱状発光部６の最大外径サイズｄも小さくなり、柱状発光部６の数は増えるものの結晶欠陥１ｄと重なる形成候補位置も多くなるために、結果として十分な発光強度は得られない。一方、周期ｐが大き過ぎる場合には、柱状発光部６の数が少なくなるため、やはり十分な発光強度は得られない。

より詳細は、平均粒径Ｄが２０μｍ未満の場合は、サイズｄはＤ／４以下が好ましく、平均粒径Ｄが２０μｍ以上の場合は、サイズｄはＤ／３以下が好ましい。これらを満たす場合には、発光強度の大きな発光素子１０が歩留まりよく作製される。

一方、サイズｄの下限については、柱状発光部６が形成可能である限りにおいて、制限はない。ただし、サイズｄが１μｍ以上の場合には、後述するように柱状発光部６をＭＯＣＶＤ法によって比較的容易に形成することが可能である。あるいは、例えば公知のナノワイヤの形成手法を適用することによってサイズｄが１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度となるように柱状発光部６を形成することも可能である。

なお、発光素子１０において、柱状発光部６の形成候補位置であって直下に結晶欠陥１ｄが存在している箇所には、柱状発光部６ではなく、柱状発光部６と同様の積層構成（発光構造）を有するものの柱状発光部６よりも長手方向のサイズが小さい不完全柱状部６β（第２の柱状構造体）が存在している。換言すれば、不完全柱状部６βは、下地基板１の一方主面上において周期ｐで２次元的に定められてなる形成候補位置のうち、下地基板１の一方主面の結晶欠陥１ｄが存在する領域（第２の領域）の上方に、形成されてなる。不完全柱状部６βは、結晶欠陥１ｄの存在する箇所が成長の起点（成長下地）となっているがために、柱状発光部６と同一の結晶成長条件で形成されてなるものの成長レートが柱状発光部６よりも小さくなってしまっている部位である。柱状発光部６とは異なり、不完全柱状部６βは、その上端部分が第２光閉じ込め層２ｂによって覆われ、透明導電膜７と電気的に接続されていないので、発光に寄与することはない。

仮に、下地基板１として本実施の形態と同様に配向ＧａＮ基板を用い、従来の発光素子のように当該基板の一方主面の略全面にｎ型層、活性層、およびｐ型層を順次に積層して発光構造（ＬＥＤ構造）を形成した発光素子（以下、全面積層発光素子）の場合、配向ＧａＮ基板をなす各結晶粒の結晶欠陥１ｄに起因して、その上方に形成された部分には、面内方向においてｎ型層、活性層、およびｐ型層からなるＬＥＤ構造に不連続が生じ得る。図６は、この点を説明するべく示す、全面積層発光素子における発光構造を例示する図である。図６に示すように、全面積層発光素子の場合も、結晶欠陥１ｄの上方においては成長レートが遅くなるために、周囲に比して、発光構造を形成するｎ型層３、活性層４、およびｐ型層５の積層方向サイズが小さい不完全柱状部６βが形成される。そのため、各層が面内方向に連続せず、正常に形成されたｎ型層３が不完全柱状部６βの活性層４さらにはｐ型層５と接触したり、正常に形成された活性層４が不完全柱状部６βのｐ型層５と接触する場合が起こり得る。特に、活性層４（なかでもＭＱＷ構造）に不連続が生じた場合、ｐ型層５の上に形成されたｐ型電極が、活性層４やｎ型層３に接触するといった不都合が生じるため、電流リークが生じる要因となる。しかも、配向ＧａＮ基板においては係る結晶欠陥１ｄが不揃いに存在することから、全面積層発光素子の場合、基板表面においてこれを避けて結晶成長させることや、結晶欠陥１ｄ上の成長部分を避けて電極を形成することは困難である。

これに対し、本実施の形態に係る発光素子１０の場合、結晶欠陥１ｄ上には透明導電膜７と電気的に接続されない不完全柱状部６βのみが存在し、柱状発光部６は結晶欠陥１ｄ上には存在していないので、そのような電流リークの発生が好適に抑制されてなる。このことは、見方を変えれば、本実施の形態に係る発光素子１０は、結晶欠陥１ｄ上に不完全柱状部６βを配置することで、電流リークの発生を抑制したものであると捉えることができる。すなわち、発光素子１０において、不完全柱状部６βは、電流リーク抑制部として機能をしているということができる。

なお、本実施の形態に係る発光素子１０の場合、全面積層発光素子に比して、下地基板１の一方主面の面積に対する発光を担う部分の面積の割合が小さいが、上述したように柱状発光部６の周囲に光閉じ込め層２を備えることで、むしろ全面積層発光素子よりも光取り出し効率は高められる。

ゆえに、上述のような構成を有することで、本実施の形態に係る発光素子１０においては、配向ＧａＮ基板を下地基板１として用いつつも、優れた発光強度が実現されてなる。

＜発光素子の作製方法＞
次に、本実施の形態に係る発光素子１０を作製する方法について説明する。以降の説明においては、母基板（ウェハ）の状態にある下地基板１を用意し、多数の発光素子１０を同時に作製する、いわゆる多数個取りの手法によって発光素子１０を作製する場合を対象とする。図２は、発光素子１０の作製途中の様子を模式的に示す図である。

まず、下地基板１として、図２（ａ）に示すような結晶粒界等の結晶欠陥１ｄが存在する配向ＧａＮ基板を用意（作製）する。配向ＧａＮ基板の作製方法としては、例えば、フラックス法（Ｎａフラックス法）によるものが例示される。

フラックス法による場合、まず、配向多結晶基板である配向アルミナ基板を用意する。

配向アルミナ基板は、一方主面における平均粒径１５μｍ〜７０μｍ程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子のｃ軸が概ね基板法線方向に配向してなる多結晶アルミナ焼結体からなる。アルミナ基板のサイズには、後段の処理に際して取り扱い可能な限りにおいて特段の制限はないが、例えば直径２インチ〜８インチで、厚みが５００μｍ〜２０００μｍ程度のものを用いるのが好適である。

そして、この配向アルミナ基板の一方主面上に、水素をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを原料ガスとして、ＭＯＣＶＤ法によって２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の厚みのＧａＮ低温バッファ層および１μｍ〜５μｍ程度の厚みのＧａＮ層を順次に形成することにより、種基板を得る。ＧａＮ低温バッファ層の形成温度は５１０℃〜５３０℃程度であればよく、続くＧａＮ層の形成温度は１０５０℃〜１１５０℃程度であればよい。

係る種基板を、アルミナ基板のサイズに応じた重量の金属Ｇａおよび金属Ｎａとともにアルミナ坩堝に充填し、さらに、該アルミナ坩堝を耐熱金属製の育成容器に入れて密閉する。係る育成容器を耐熱・耐圧の結晶育成炉内に載置する。炉内温度を７５０℃〜９００℃とし、窒素ガスを導入して炉内圧力を３ＭＰａ〜５ＭＰａとした後、該育成容器を水平回転させながら５０時間〜１００時間保持することによって、２５０μｍ〜５００μｍ程度の厚みを有するＧａＮ厚膜層を成長させる。係る場合において、ＧａＮ厚膜層は、下地となっているアルミナ基板をなす個々の結晶粒の結晶方位に倣って結晶粒がｃ軸配向してなる配向多結晶層として得られる。

そして、配向アルミナ基板側をグラインダーによる研削などにより除去した後、ＧａＮ厚膜層をダイヤモンド砥粒などの公知の手法を用いて所望の厚みに研磨することによって、配向ＧａＮ基板が得られる。

配向アルミナ基板上に形成されたＧａＮ厚膜層も多結晶層となっており、かつ、配向アルミナ基板に倣って、各結晶粒のｃ軸が概ね基板法線方向に配向してなるものの、結晶粒界等の結晶欠陥１ｄを内包してなる。従って、最終的に得られる配向ＧａＮ基板も、この特長を有するものとなっている。

下地基板１としての配向ＧａＮ基板が得られると、図２（ｂ）に示すように、その一方主面上に第１光閉じ込め層２ａを形成する。第１光閉じ込め層２ａは、これを平面視した場合に貫通孔たる開口部２ｈが平面格子（例えば六方平面格子や正方平面格子など）の格子点位置に位置するように、形成される。図３は、平面視円形状の開口部２ｈが六方平面格子の格子点位置に設けられてなる場合の第１光閉じ込め層２ａを例示する平面図である。上述したように、係る開口部２ｈの配置位置が、柱状発光部６の形成候補位置となる。すなわち、第１光閉じ込め層２ａは柱状発光部６（および不完全柱状部６β）を形成する際にマスクとして機能する。換言すれば、柱状発光部６もしくは不完全柱状部６βの形成位置となる。

開口部２ｈの最大外径サイズは柱状発光部６の最大外径サイズｄと略一致した値であればよく、また、周期ｐは上述のように３０μｍ〜１００μｍ程度が好適である。なお、開口部２ｈの配置位置、つまりは柱状発光部６の形成候補位置は、下地基板１に不揃いに存在する結晶欠陥１ｄの位置を何ら考慮せずにいわば機械的に定められる。

このような第１光閉じ込め層２ａの形成は、例えばスパッタ法やＣＶＤ法にて、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなど、柱状発光部６を構成する１３族窒化物よりも屈折率の小さい材料の層を０．０５μｍ〜５μｍの厚みに形成した後、当該層に対しフォトリソグラフィープロセスとＲＩＥエッチングプロセスとによって開口径ｄの開口部２ｈをパターニングすることによって行うことができる。

第１光閉じ込め層２ａの形成が終わると、図２（ｃ）に示すように、開口部２ｈに柱状発光部６を形成する。柱状発光部６の形成は、ＭＯＣＶＤ法によって行う。

まず、第１光閉じ込め層２ａを形成した下地基板１を、第１光閉じ込め層２ａの側が形成面となるようにＭＯＣＶＤ炉内のサセプタ上に載置する。そして、水素・窒素混合雰囲気中で基板温度（サセプタ温度）を１０５０℃〜１１５０℃の所定のｎ型層形成温度とし、窒素と水素をキャリアガスとし、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを原料とし、シランガスをドーパントとして、ｎ型層３としてのＳｉドープＧａＮ層を開口部２ｈにおいて下地基板１の上に成長させる。

続いて、基板温度（サセプタ温度）を７５０℃〜８５０℃の所定の活性層層形成温度とし、窒素と水素をキャリアガスとし、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアンモニアとを原料として、ｎ型層３の上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．２）なる組成の１３族窒化物からなる第１単位層４ａとＧａＮからなる第２単位層４ｂとを下地基板１側からこの順に繰り返し交互に形成することによって、ＭＱＷ構造を有する活性層４を形成する。

さらに、基板温度（サセプタ温度）を１０００℃〜１１００℃の所定のｐ型層形成温度とし、窒素と水素をキャリアガスとし、ＴＭＧおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアとを原料とし、Ｃｐ_２Ｍｇをドーパントとして、活性層４の上に、ｐ型層５として、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．２）なる組成の１３族窒化物にＭｇがドープされてなるｐ型クラッド層５ａとＭｇドープＧａＮからなるｐ型キャップ層５ｂとをこの順に形成する。なお、ｐ型キャップ層５ｂの形成に際しては、その上端部分５ｅを後段の処理にて研磨することから、係る研磨による減失分を見越して形成厚みを定める必要がある。具体的には、上述のように、ｐ型キャップ層５ｂは５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚みを有するのが好適であることから、係る厚みよりも１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度大きな形成厚みとするのがよい。

以上の手順を行うことによって、開口部２ｈに柱状発光部６が形成される。上述のように、開口部２ｈの配置位置は機械的に定められるので、一部の開口部２ｈの直下には結晶欠陥１ｄが存在する場合もあるが、結晶欠陥１ｄが存在する箇所においては、柱状発光部６の成長レートよりも小さい成長レートにて、柱状発光部６よりも短い不完全柱状部６βが形成されることになるので、実際に所望のサイズの柱状発光部６が形成されるのは、開口部２ｈの直下に結晶欠陥１ｄが存在していない箇所のみである。換言すれば、本実施の形態においては、成長起点（成長下地）の状態の違いに起因した成長レートの違いを利用することで、特段の制御や峻別を行わずとも、柱状発光部６の形成箇所から、下地基板１をなすＧａＮ結晶の結晶粒界部分を除外しているともいえる。

柱状発光部６の形成が終わると、続いて、図２（ｄ）に示すように、第２光閉じ込め層２ｂを形成する。第２光閉じ込め層２ｂは、第１光閉じ込め層２ａと同様、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなど、柱状発光部６を構成する１３族窒化物よりも屈折率の小さい材料を構成材料として、柱状発光部６および不完全柱状部６βの間を埋めるように、かつ、柱状発光部６の最上層たるｐ型層５の上端部分５ｅを覆うように形成される。換言すれば、第２光閉じ込め層２ｂは、露出している柱状発光部６および不完全柱状部６βを覆うように、形成される。係る第２光閉じ込め層２ｂは、例えばスパッタ法にて形成するのが好適である。また、第２光閉じ込め層２ｂは、第１光閉じ込め層２ａと合わせた光閉じ込め層２全体の厚みが０．８μｍ〜８μｍ程度となるように形成するのが好適である。このとき、当然ながら不完全柱状部６βの上端部分も第２光閉じ込め層２ｂによって覆われる。

第２光閉じ込め層２ｂの形成が終わると、その表層部分を研磨し、図２（ｅ）に示すように、ｐ型層５を（より厳密にはｐ型キャップ層５ｂを）露出させて、ｐ型層５の上面５ｓと第２光閉じ込め層２ｂの上面２ｓとからなる平坦面が形成されるようにする。係る研磨の手法としては、ＣＭＰ研磨が好適であり、第２光閉じ込め層２ｂの研磨速度（化学的エッチング速度）がｐ型層５の研磨速度と同等かより早くなる条件にて研磨を行うのが好ましい。

研磨処理が終わると、続いて、ｐ型層５を活性化させるため、高速アニール炉（ＲＴＡ）を用い、７５０℃〜８５０℃の窒素雰囲気中で１０分〜２０分間の熱処理を行う。

続いて、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥエッチングとによって、最終的に多数個の発光素子１０を得る際の分断箇所となる分離溝を形成したうえで、カソード電極９、透明導電膜７、および、パッド電極８をこの順に形成する。

カソード電極９は、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法によって、カソード電極９は、下地基板１の第１光閉じ込め層２ａの形成面とは反対側の主面の略全面に形成するのが好適である。カソード電極９の形成後、そのオーム性接触特性を良好なものとするため、６００℃〜６５０℃の窒素雰囲気中で５０秒〜３００秒間の熱処理を行う。

また、透明導電膜７は、スパッタ法によって、ｐ型層５の上面５ｓと第２光閉じ込め層２ｂの上面２ｓとからなる平坦面の略全面に形成するのが好適である。

さらに、パッド電極８は、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法によって、透明導電膜７の上面の一部に形成するのが好適である。パッド電極８の形成後、そのオーム性接触特性を良好なものとするため、６００℃〜６５０℃の窒素雰囲気中で１分〜５分間の熱処理を行う。

最後に、ダイサー等により、先に形成した分離溝に沿って切断することによって、多数個の発光素子１０を得ることができる（図３（ｆ））。

なお、下地基板１における結晶欠陥１ｄの分布は不揃いであるため、以上のような手順にて多数個の発光素子１０を作製した場合、切断箇所と結晶欠陥１ｄの存在箇所との兼ね合いによっては柱状発光部６が十分に形成されない発光素子１０も生じ得るが、柱状発光部６のサイズｄと開口部２ｈの周期Ｐとを好適に定めることで、そのような発光素子１０の形成される確率は限定的なものとなる。本実施の形態によれば、換言すれば、高い歩留まりで発光強度の大きな発光素子１０を作製することができる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、下地基板として、単結晶基板に比して安価でかつ作製容易な配向多結晶基板たる配向ＧａＮ基板を用い、かつ、その一方主面上であって結晶粒界等の結晶欠陥が存在していない位置に、それぞれが１３族窒化物からなるｎ型層と活性層とｐ型層とを積層してなる柱状発光部を離散的に設けるとともに、該柱状発光部の周囲に柱状発光部をなす１３族窒化物よりも屈折率の小さい物質に光閉じ込め層を設けるようにすることで、光取り出し効率が優れるとともに、電流リークの抑制された縦型構造の発光素子を実現することができる。

しかも、結晶粒界等の結晶欠陥が存在する箇所が成長起点である場合に結晶欠陥が存在しない箇所が成長起点である場合に比して１３族窒化物の成長レートが小さいことを利用し、柱状発光部の形成にあたってはその形成候補位置を直下に結晶欠陥が存在しているか否かによらず平面格子の格子点位置として機械的に定めるにも関わらず、下地基板の結晶欠陥が存在しない箇所にのみ柱状発光部を好適に形成することができる。

＜第１の実施の形態の変形例＞
図４は、第１の実施の形態の変形例に係る発光素子１１０の作製途中の様子を模式的に示す図である。なお、当該変形例に係る発光素子１１０に備わる構成要素であって、第１の実施の形態に係る発光素子１０の構成要素と同一のものは、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、当該変形例において用意する下地基板１は第１の実施の形態と同様であるが、図４（ｂ）に示すように、第１光閉じ込め層１０２ａの開口部１０２ｈが、発光素子１０に備わる第１光閉じ込め層２ａの開口部２ｈの形状とは異なり、上方ほど広がったテーパー状（断面視台形状）をなしている。これは、開口部１０２ｈを形成するためのＲＩＥエッチング時に、下地基板１を傾斜させつつ回転させることによって実現されてなる。

係る開口部１０２ｈの形成に続いては、第１の実施の形態における柱状発光部６の形成条件と同じ形成条件にて柱状発光部１０６の形成を行うが、図４（ｃ）に示すように、開口部１０２ｈの形状に起因して、ｎ型層１０３、活性層１０４、およびｐ型層１０５の外形サイズが柱状発光部６よりも大きくなる。

以降、図４（ｄ）〜（ｅ）に示すように、第２光閉じ込め層１０２ｂの形成と、研磨処理によるｐ型層１０５の上面１０５ｓと第２光閉じ込め層１０２ｂの上面１０２ｓとからなる平坦面の形成、さらには、分離溝形成およびカソード電極９、透明導電膜７、および、パッド電極８の形成を第１の実施の形態と同様に行うことで、図４（ｆ）に示す発光素子１１０が得られる。

発光素子１１０においては、その作製手順からもわかるように、柱状発光部１０６を構成するｎ型層１０３の下地基板近傍が上方ほど外径サイズの大きいテーパー状をなしていることで、ｎ型層１０３と下地基板１との界面の面積よりも当該界面に平行な活性層１０４の断面の面積の方が大きくなっている。これにより、発光素子１１０は、ｎ型層１０３と下地基板１との界面の面積が同じである発光素子１０に比して、より大きな光取り出し効率が実現されるものとなっている。

＜第２の実施の形態＞
上述のように、第１の実施の形態（およびその変形例）においては、下地基板１として配向多結晶基板であるＧａＮ基板を用いることで光取り出し効率の優れた縦型構造の発光素子が実現されることを説明しているが、本実施の形態においては、横型構造の発光素子２１０について説明する。

図５は、第２の実施の形態に係る発光素子２１０の作製途中の様子を模式的に示す図である。なお、本実施の形態に係る発光素子２１０に備わる構成要素であって、第１の実施の形態に係る発光素子１０の構成要素と同一のものは、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、以降の説明においては、母基板の状態にある下地基板２０１を用意し、多数の発光素子２１０を同時に作製する、いわゆる多数個取りの手法によって発光素子２１０を作製する場合を対象とする。

図５（ａ）に示すように、本実施の形態においては、下地基板２０１として、配向アルミナ基板２０１ａの一方主面の略全面にｎ型の導電型を呈する下地層２０１ｂが形成されてなるものを用いる。

配向アルミナ基板２０１ａは、一方主面における平均粒径Ｄが１５μｍ〜７０μｍ程度の複数のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子のｃ軸が概ね基板法線方向に配向してなる多結晶アルミナ焼結体からなる。配向アルミナ基板２０１ａのサイズには、後段の処理に際して取り扱い可能な限りにおいて特段の制限はないが、例えば直径２インチ〜８インチで、厚みが５００μｍ〜２０００μｍ程度のものを用いるのが好適である。

下地層２０１ｂの形成は、ＭＯＣＶＤ法によって行う。まず、配向アルミナ基板２０１ａを、ＭＯＣＶＤ炉内のサセプタ上に載置し、いったん水素雰囲気中で１１５０℃〜１２５０℃のクリーニング処理に加熱保持することでクリーニング処理を行った後、基板温度（サセプタ温度）を５００℃〜５５０℃の低温バッファ層形成温度にまで低下させ、水素をキャリアガスとし、ＴＭＧとアンモニアとを原料として、図示しないＧａＮ低温バッファ層を１０ｎｍ〜３０ｎｍの厚みに成長させる。続いて、基板温度（サセプタ温度）を１０８０℃〜１１２０℃の所定の下地層形成温度とし、窒素と水素をキャリアガスとし、ＴＭＧとアンモニアとを原料とし、シランガスをドーパントとして、下地層２０１ｂとしてのＳｉドープＧａＮ層を２μｍ〜５μｍの厚みに形成する。

なお、配向アルミナ基板２０１ａにおいては、第１の実施の形態に係る発光素子１０に用いている下地基板１と同様に、結晶粒界等の結晶欠陥２０１ｄが存在する。また、下地層２０１ｂのうち、係る結晶欠陥２０１ｄ上の部分においては、他の部分よりも結晶品質の劣化が生じている。

下地基板２０１が用意できると、図５（ｂ）〜（ｅ）に示すように、第１の実施形態と同様の手順にて、マスクとしての第１光閉じ込め層２ａの形成から、研磨処理によるｐ型層５の上面５ｓと第２光閉じ込め層２ｂの上面２ｓとからなる平坦面の形成までを行う。その際の、開口部２ｈの周期ｐや開口径ｄの好ましい要件（開口径ｄと結晶粒径Ｄとの関係）その他の作成条件は、第１の実施の形態と同様でよい。

なお本実施の形態における柱状発光部６の形成時においても、第１の実施の形態と同様、結晶欠陥２０１ｄの存在位置の上方に形成されるのは柱状発光部６よりもサイズが小さい不完全柱状部６βとなるので、最終的に得られる発光素子２１０においては、発光素子１０と同様、結晶欠陥２０１ｄの存在に起因した電流リークの発生は好適に抑制される。

続く分離溝の形成についても第１の実施の形態と同様に行った後、次に、カソード電極２０９の形成位置を確保するために、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥエッチングとによって、下地層２０１ｂの一部を露出させる（図５（ｆ））。そして、係る露出箇所に対し、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法によってカソード電極２０９を形成する。カソード電極２０９の構成材料および厚みは、第１の実施の形態と同様でよい。さらに、透明導電膜７およびパッド電極８の形成についても、第１の実施の形態と同様に行えばよい。これにより、図５（ｆ）に示す横型構造の発光素子２１０が得られる。

発光素子２１０は、全体の構造が横型であり、下地基板に配向アルミナ基板を用いているが、柱状発光部６の形成態様については第１の実施の形態に係る発光素子１０と同様である。それゆえ、本実施の形態に係る発光素子２１０においても、第１の実施の形態に係る発光素子１０と同様、単結晶基板に比して安価でかつ作製容易な配向多結晶基板を下地基板として用いつつ、優れた光取り出し効率と、電流リークの抑制とが、実現されてなる。

（実施例）
第１の実施の形態に係る発光素子１０と同様の構成を有する複数種類の発光素子を作製した。

具体的には、配向ＧａＮ基板における平均粒径Ｄを１５μｍ、３０μｍ、５０μｍの３水準に違え、かつ、開口部２ｈの開口径（柱状発光部６の最大外径サイズ）ｄを１μｍ、２μｍ、３μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍの８水準に違えた計２４通りの発光素子（試料Ｎｏ．１〜２４）を作製した。

まず、下地基板１となる配向ＧａＮ基板をフラックス法により作製した。始めに、一方主面における平均粒径が１５μｍ、３０μｍ、５０μｍの３種類の配向アルミナ基板を８枚ずつ用意し、それぞれを用いて配向ＧａＮ基板を作製した。なお、いずれの配向アルミナ基板も、直径は２インチで、厚みは４００μｍであった。

これらの配向アルミナ基板についてそれぞれ、ＭＯＣＶＤ法によって厚みが２０ｎｍのＧａＮ低温バッファ層を形成した後、厚みが３μｍのＧａＮ層を形成することにより、３種類の種基板を得た。ＧａＮ低温バッファ層の形成温度は５２０℃とし、続くＧａＮ層の形成温度は１１００℃とした。

係る３種類の種基板についてそれぞれ、フラックス法によりＧａＮ厚膜層を成長させた。その際、種基板とともにアルミナ坩堝に充填する金属Ｇａおよび金属Ｎａの充填量はそれぞれ、２０ｇ、４０ｇとした。結晶育成炉の炉内温度は８５０℃とし、炉内圧力は４ＭＰａとした。また、保持時間は２０時間とした。これにより、種基板上におよそ５００μｍ程度の厚みを有するＧａＮ厚膜層を成長させた。アルミナ坩堝を室温まで冷却した後、ＧａＮ厚膜層形成後の種基板をアルミナ坩堝から取り出した。

そして、配向アルミナ基板側をグラインダーによる研削により除去した後、ＧａＮ厚膜層をダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、３００μｍの厚みとした。これにより、３種類の配向ＧａＮ基板を得た。得られた３種の配向ＧａＮ基板の一方主面における平均粒径は、下地となっていた配向アルミナ基板における平均粒径とほぼ同様（１５μｍ、３０μｍ、５０μｍ）であった。

次に、得られた配向ＧａＮ基板のそれぞれに対し第１光閉じ込め層２ａを形成した。具体的にはまず、スパッタ法にて、厚みが０．１μｍのＳｉＯ_２層を形成した。その後、当該層に対し、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥエッチングプロセスとによって、開口部２ｈを相異なる開口径ｄにてパターニング形成した。いずれの配向ＧａＮ基板においても、開口部２ｈは、六方平面格子の格子点位置に形成されるようにした。なお、周期ｐは全て３０μｍとした。

係る第１光閉じ込め層２ａの形成が終わると、ＭＯＣＶＤ法によって柱状発光部６を形成した。

まず、基板温度を１１００℃とし、ｎ型層３として電子濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３のＳｉドープＧａＮ層を、０．７μｍの厚みに形成した。

続いて、基板温度を７５０℃として、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなり厚みが２ｎｍの第１単位層４ａとＧａＮからなり厚みが１０ｎｍの第２単位層４ｂとを下地基板１側からこの順に５層ずつ形成することにより、活性層４を形成した。

さらに、基板温度を１１００℃とし、ｐ型クラッド層５ａとしてホール濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３のＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層を２５ｎｍの厚みに形成し、続いて、ｐ型キャップ層５ｂとして、ホール濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３のＭｇドープＧａＮ層を２００ｎｍの厚みに形成した。

柱状発光部６の形成が終了すると、スパッタ法により、第２光閉じ込め層２ｂとしてのＳｉＯ_２層を形成した。第２光閉じ込め層２ｂは、光閉じ込め層２の全体の厚みが１μｍとなるように形成した。

第２光閉じ込め層２ｂの形成が終わると、その表層部分をＣＭＰ研磨によって、ｐ型層５が（より厳密にはｐ型キャップ層５ｂが）露出するまで平坦に研磨した。

研磨処理が終わると、続いて、ｐ型層５を活性化させるため、高速アニール炉（ＲＴＡ）を用い、８００℃の窒素雰囲気中で１０分間の熱処理を行った。

続いて、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥエッチングとによって、最終的に多数個の発光素子１０を得る際の分断箇所となる分離溝を形成した。

次に、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法により、カソード電極９としてのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層電極を、下地基板１の第１光閉じ込め層２ａの形成面とは反対側の主面の略全面に形成した。それぞれの金属膜の厚みは順に、１５ｎｍ、２２０ｎｍ、４０ｎｍ、７５ｎｍとした。

係るカソード電極９の形成後、そのオーム性接触特性を良好なものとするため、７００℃の窒素雰囲気中で３０秒間の熱処理を行った。

続いて、スパッタ法により、透明導電膜７としてのＩＴＯ膜を、ｐ型層５の上面５ｓと第２光閉じ込め層２ｂの上面２ｓとからなる平坦面の略全面に基板温度２００℃にて１００ｎｍの厚みに形成した。

さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法によって、透明導電膜７の上面の一部に、パッド電極８としてのＴｉ／Ａｕ多層電極を形成した。それぞれの金属膜の厚みは順に、２０ｎｍ、２００ｎｍとした。

係るパッド電極８の形成後、そのオーム性接触特性を良好なものとするため、５００℃の窒素雰囲気中で５分間の熱処理を行う。

最後に、ダイサー等により、先に形成した分離溝に沿って切断することによって、多数個の発光素子１０を得た。素子サイズは０．３ｍｍ×０．３ｍｍとした。

（比較例）
比較例として、異種材料基板を下地基板とし、その略全面に発光層を形成することによって発光素子を作製した。

具体的には、直径２インチで厚さ４００μｍの単結晶サファイア基板の一方主面の略全面に、実施例に係るｎ型層３、活性層４、ｐ型層５の形成条件と同じ条件にて発光層を形成し、かつ、該発光層の上面に実施例と同条件で透明導電膜７およびパッド電極８を形成し、さらに、サファイア基板の他方主面に実施例と同条件でカソード電極９を形成し、その後切断することにより、多数個の発光素子を作製した。

（特性評価）
作製した実施例に係る全２４種の発光素子１０および比較例に係る発光素子についてそれぞれ、２０個ずつを抽出し、それぞれに対し順方向＋５Ｖおよび逆方向−１００Ｖの電圧を印加して、電流量を測定した。−１００Ｖ印加時の電流量に対する＋５Ｖ印加時の電流量の比が１００以上となった場合を合格品と判定し、全２０個に対する合格品の割合（％）求め、これを素子歩留まりとした。

また、素子歩留まりが０％となった試料以外について、合格品の発光強度を測定して平均値を算出した。そして、比較例に係る発光素子を基準素子とし、その発光強度に対する実施例の各試料についての平均発光強度の比（発光強度比）を求めた。

表１に、実施例に係る全２４種の試料について、配向ＧａＮ基板における平均粒径Ｄと、開口部２ｈの開口径ｄと、両者の比ｄ／Ｄと、素子歩留まりと、発光強度比とを一覧にして示す。ただし、表１においては、配向ＧａＮ基板における平均粒径Ｄを「ＧａＮ基板における平均粒径Ｄ」と表し、開口部２ｈの開口径ｄを「マスクの開口径ｄ」と表している。なお、比較例に係る発光素子の歩留まりは１０％であった。

表１に示す結果からは、ｄ／Ｄが０．５以下であれば、つまりは、開口径ｄが平均粒径Ｄの１／２以下であれば、素子歩留まりが５０％未満と低い場合もあるものの、比較例よりも発光強度の大きな発光素子が得られることがわかる。

さらにいえば、平均粒径Ｄが１５μｍであってｄ／Ｄが０．２以下の場合に、発光強度比３００％超という発光強度の高い発光素子が７５％以上という素子歩留まりで得られている。これは、平均粒径Ｄが２０μｍ未満の場合にｄがＤ／４以下であれば発光強度の大きな発光素子が高い素子歩留まりで得られるという要件を満たしている。

また、平均粒径Ｄが３０μｍであってｄ／Ｄが０．３３以下の場合に、発光強度比３００％超という発光強度の高い発光素子が７５％以上という素子歩留まりで得られている。そして、平均粒径Ｄが５０μｍであってｄ／Ｄが０．３以下の場合には、発光強度比３００％超という発光強度の高い発光素子が７０％以上という素子歩留まりで得られている。これらは、平均粒径Ｄが２０μｍ以上の場合にｄがＤ／３以下であれば発光強度の大きな発光素子が高い素子歩留まりで得られるという要件を満たしている。

これらの結果は、配向多結晶基板である配向ＧａＮ基板を下地基板として用いる場合であっても、柱状発光部を好適に形成し、かつ、光閉じ込め層を設けることで、基板の略全面に発光層を設ける構成よりも大きな発光強度が得られる発光素子が実現可能であることを意味している。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、発光素子が、配向した複数の結晶粒からなる配向多結晶基板と、前記配向多結晶基板の一方主面において仮想的に定めた所定の周期を有する平面格子の格子点位置のうち、下方に前記結晶欠陥が存在しない位置の上方に離散的に設けられてなり、それぞれが前記配向多結晶基板の法線方向に長手方向を有する柱状の部位である複数の柱状発光部と、前記柱状発光部の構成材料よりも屈折率の低い材料にて、前記配向多結晶基板の上方に前記複数の柱状発光部を取り囲むように設けられてなる光閉じ込め層と、を備え、前記平面格子の前記格子点位置のうち、下方に前記結晶欠陥が存在する位置に、前記柱状発光部よりも長手方向のサイズが短い柱状の部位である不完全柱状部が備わるようにした。

本発明の第２の態様では、第１の態様に係る発光素子において、前記複数の結晶粒の前記一方主面における平均粒径をＤとし、前記複数の柱状発光部の長手方向に垂直な断面における最大外径サイズをｄとするとき、ｄ≦Ｄ／２であるようにした。

本発明の第３の態様では、第２の態様に係る発光素子において、Ｄ＜２０μｍのときにｄ≦Ｄ／４であり、Ｄ≧２０μｍのときにｄ≦Ｄ／３であるようにした。

本発明の第４の態様では、第１ないし第３のいずれかの態様に係る発光素子において、前記複数の柱状発光部がそれぞれ、いずれもが１３族窒化物からなるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを前記配向多結晶基板の側からこの順に積層してなるものであるようにした。

本発明の第５の態様では、第４の態様に係る発光素子において、前記活性層が、ＭＱＷ構造を有してなるようにした。

本発明の第６の態様では、第４または第５の態様に係る発光素子において、前記光閉じ込め層がＳｉＯ_２からなるようにした。

本発明の第７の態様では、第１ないし第６のいずれかの態様に係る発光素子において、前記複数の柱状発光部のそれぞれの上端と前記光閉じ込め層の上面とが一の平坦面をなしており、前記平坦面に透明導電膜が設けられてなるようにした。

本発明の第８の態様では、第７の態様に係る発光素子において、前記配向多結晶基板が配向ＧａＮ基板であり、前記透明導電膜上にパッド電極が設けられてなり、前記配向ＧａＮ基板の他方主面上にカソード電極が設けられてなるようにした。

本発明の第９の態様では、第７の態様に係る発光素子において、前記配向多結晶基板が配向アルミナ基板であり、前記配向アルミナ基板の上にｎ型の導電型を呈する下地層が設けられてなり、前記複数の柱状発光部が前記下地層の上に形成されてなり、前記透明導電膜上にパッド電極が設けられてなり、前記下地層の上にカソード電極が設けられてなるようにした。

本発明の第１０の態様では、発光素子の製造方法が、配向した複数の結晶粒からなることで、一方主面に結晶欠陥が存在しない第１の領域と結晶欠陥が存在する第２の領域とを有する配向多結晶基板の前記一方主面上に、複数の開口部を有する第１光閉じ込め層を形成する第１光閉じ込め層形成工程と、前記第１光閉じ込め層をマスクとして、前記複数の開口部において前記配向多結晶基板の前記一方主面の上方にｎ型層と活性層とｐ型層とをこの順に積層形成させることによって、前記複数の開口部のうち前記第１の領域の上方に位置する箇所にはそれぞれが柱状をなす複数の第１の柱状構造体が形成されるようにする一方で前記複数の開口部のうち前記第２の領域の上方に位置する箇所には柱状をなし前記第１の柱状構造体よりも長手方向のサイズが短い第２の柱状構造体が形成されるようにする柱状構造体形成工程と、前記第１光閉じ込め層の上に前記第１光閉じ込め層と同じ材料にて前記第１および第２の柱状構造体を覆うように第２光閉じ込め層を形成する第２光閉じ込め層形成工程と、前記複数の第１の柱状構造体のみに電気的に接続され、前記第２の柱状構造体とは電気的に接続されないように前記第２光閉じ込め層の上に透明導電膜を形成する透明導電膜形成工程と、前記透明導電膜の上にパッド電極を形成するアノード電極形成工程と、前記複数の第１の柱状構造体の前記配向多結晶基板側の端部と電気的に接続されるカソード電極を形成するカソード電極形成工程と、を備え、前記第１光閉じ込め層形成工程においては、前記複数の開口部を、所定の周期を有する平面格子の格子点位置として定めるようにし、前記第１および第２光閉じ込め層形成工程においてはいずれも、前記第１光閉じ込め層および前記第２光閉じ込め層を、前記第１の柱状構造体の構成材料よりも屈折率の低い材料にて形成するようにした。

本発明の第１１の態様では、第１０の態様に係る発光素子の製造方法において、前記複数の結晶粒の前記一方主面における平均粒径をＤとし、前記複数の開口部の開口径をｄとするとき、ｄ≦Ｄ／２とするようにした。

本発明の第１２の態様では、第１１の態様に係る発光素子の製造方法において、Ｄ＜２０μｍのときにｄ≦Ｄ／４とし、Ｄ≧２０μｍのときにｄ≦Ｄ／３とするようにした。

本発明の第１３の態様では、第１０ないし第１２のいずれかの態様に係る発光素子の製造方法において、前記柱状構造体形成工程においては、前記ｎ型層と、前記活性層と、前記ｐ型層とを、１３族窒化物にて形成するようにした。

本発明の第１４の態様では、第１３の態様に係る発光素子の製造方法において、前記活性層を、ＭＱＷ構造を有するように形成するようにした。

本発明の第１５の態様では、第１３または第１４の態様に係る発光素子の製造方法において、前記第１および前記第２の光閉じ込め層をＳｉＯ_２にて形成するようにした。

本発明の第１６の態様では、第１０ないし第１５のいずれかの態様に係る発光素子の製造方法において、前記アノード電極形成工程においては、前記複数の第１の柱状構造体のそれぞれの上端と前記第２の光閉じ込め層の上面とが一の平坦面をなすように前記第２の光閉じ込め層を研磨したうえで、前記平坦面に透明導電膜を設け、前記透明導電膜上にパッド電極を形成するようにした。

本発明の第１７の態様では、第１６の態様に係る発光素子の製造方法において、前記配向多結晶基板として配向ＧａＮ基板を用い、前記カソード電極形成工程においては、前記配向ＧａＮ基板の他方主面上にカソード電極を設けるようにした。

本発明の第１８の態様では、第１６の態様に係る発光素子の製造方法において、前記配向多結晶基板として配向アルミナ基板を用い、前記配向アルミナ基板の上にｎ型の導電型を呈する下地層を形成する下地層形成工程、をさらに備え、前記第１光閉じ込め層形成工程においては前記第１光閉じ込め層を前記下地層の上に形成し、前記柱状構造体形成工程においては、前記第１の柱状構造体を前記下地層の上であって、前記第１の領域の上方に位置する箇所において形成し、前記カソード電極形成工程においては、前記下地層の上にカソード電極を設けるようにした。

本発明の第１ないし第１８の態様によれば、下地基板として、単結晶基板に比して安価でかつ作製容易な配向多結晶基板を用いつつも、光取り出し効率が優れるとともに、電流リークの抑制された縦型構造の発光素子を実現することができる。

特に、本発明の第１０ないし第１８の態様によれば、開口部の位置を直下に結晶欠陥が存在しているか否かによらず平面格子の格子点位置として機械的に定めるにも関わらず、下地基板の結晶欠陥が存在しない第１の領域上に形成された第１の柱状構造体のみを柱状発光部として好適に利用することができる。

Claims (20)

1. 発光素子であって、
   配向した複数の結晶粒からなる配向多結晶基板と、
   前記配向多結晶基板の一方主面の結晶欠陥が存在しない領域の上方に離散的に設けられてなり、それぞれが前記配向多結晶基板の法線方向に長手方向を有する柱状の部位である複数の柱状発光部と、
   前記柱状発光部の構成材料よりも屈折率の低い材料にて、前記配向多結晶基板の上方に前記複数の柱状発光部を取り囲むように設けられてなる光閉じ込め層と、
   を備えることを特徴とする発光素子。
2. 請求項１に記載の発光素子であって、
   前記複数の柱状発光部が、前記配向多結晶基板の前記一方主面において仮想的に定めた所定の周期を有する平面格子の格子点位置のうち、下方に前記結晶欠陥が存在しない位置に設けられてなる、
   ことを特徴とする発光素子。
3. 請求項２に記載の発光素子であって、
   前記複数の結晶粒の前記一方主面における平均粒径をＤとし、前記複数の柱状発光部の長手方向に垂直な断面における最大外径サイズをｄとするとき、
   ｄ≦Ｄ／２
   である、
   ことを特徴とする発光素子。
4. 請求項３に記載の発光素子であって、
   Ｄ＜２０μｍのときに
   ｄ≦Ｄ／４
   であり、
   Ｄ≧２０μｍのときに
   ｄ≦Ｄ／３
   である、
   ことを特徴とする発光素子。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の発光素子であって、
   前記平面格子の前記格子点位置のうち、下方に前記結晶欠陥が存在する位置に、前記柱状発光部よりも長手方向のサイズが短い柱状の部位である不完全柱状部が備わる、
   ことを特徴とする発光素子。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発光素子であって、
   前記複数の柱状発光部がそれぞれ、いずれもが１３族窒化物からなるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とを前記配向多結晶基板の側からこの順に積層してなるものである、
   ことを特徴とする発光素子。
7. 請求項６に記載の発光素子であって、
   前記活性層が、ＭＱＷ構造を有してなる、
   ことを特徴とする発光素子。
8. 請求項６または請求項７に記載の発光素子であって、
   前記光閉じ込め層がＳｉＯ_２からなる、
   ことを特徴とする発光素子。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の発光素子であって、
   前記複数の柱状発光部のそれぞれの上端と前記光閉じ込め層の上面とが一の平坦面をなしており、前記平坦面に透明導電膜が設けられてなる、
   ことを特徴とする発光素子。
10. 請求項９に記載の発光素子であって、
    前記配向多結晶基板が配向ＧａＮ基板であり、
    前記透明導電膜上にパッド電極が設けられてなり、
    前記配向ＧａＮ基板の他方主面上にカソード電極が設けられてなる、
    ことを特徴とする発光素子。
11. 請求項９に記載の発光素子であって、
    前記配向多結晶基板が配向アルミナ基板であり、
    前記配向アルミナ基板の上にｎ型の導電型を呈する下地層が設けられてなり、
    前記複数の柱状発光部が前記下地層の上に形成されてなり、
    前記透明導電膜上にパッド電極が設けられてなり、
    前記下地層の上にカソード電極が設けられてなる、
    ことを特徴とする発光素子。
12. 発光素子の製造方法であって、
    配向した複数の結晶粒からなることで、一方主面に結晶欠陥が存在しない第１の領域と結晶欠陥が存在する第２の領域とを有する配向多結晶基板の前記一方主面上に、複数の開口部を有する第１光閉じ込め層を形成する第１光閉じ込め層形成工程と、
    前記第１光閉じ込め層をマスクとして、前記複数の開口部において前記配向多結晶基板の前記一方主面の上方にｎ型層と活性層とｐ型層とをこの順に積層形成させることによって、前記複数の開口部のうち前記第１の領域の上方に位置する箇所にはそれぞれが柱状のをなす複数の第１の柱状構造体が形成される一方で前記複数の開口部のうち前記第２の領域の上方に位置する箇所には柱状をなし前記第１の柱状構造体よりも長手方向のサイズが短い第２の柱状構造体が形成されるようにする柱状構造体形成工程と、
    前記第１光閉じ込め層の上に前記第１光閉じ込め層と同じ材料にて前記第１および第２の柱状構造体を覆うように第２光閉じ込め層を形成する第２光閉じ込め層形成工程と、
    前記複数の第１の柱状構造体のみに電気的に接続され、前記第２の柱状構造体とは電気的に接続されないように前記第２光閉じ込め層の上に透明導電膜を形成する透明導電膜形成工程と、
    前記透明導電膜の上にパッド電極を形成するアノード電極形成工程と、
    前記複数の第１の柱状構造体の前記配向多結晶基板側の端部と電気的に接続されるカソード電極を形成するカソード電極形成工程と、
    を備え、
    前記第１光閉じ込め層形成工程においては、前記複数の開口部を、その下方位置が前記第１の領域であるか前記第２の領域であるかによらず、所定の周期を有する平面格子の格子点位置として定めるようにし、
    前記第１および第２光閉じ込め層形成工程においてはいずれも、前記第１光閉じ込め層および前記第２光閉じ込め層が、前記第１の柱状構造体の構成材料よりも屈折率の低い材料にて形成する、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
13. 請求項１２に記載の発光素子の製造方法であって、
    前記複数の結晶粒の前記一方主面における平均粒径をＤとし、前記複数の開口部の開口径をｄとするとき、
    ｄ≦Ｄ／２
    とする、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
14. 請求項１３に記載の発光素子の製造方法であって、
    Ｄ＜２０μｍのときに
    ｄ≦Ｄ／４
    とし、
    Ｄ≧２０μｍのときに
    ｄ≦Ｄ／３
    とする、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
15. 請求項１２ないし請求項１４のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、
    前記柱状構造体形成工程においては、前記ｎ型層と、前記活性層と、前記ｐ型層とを、１３族窒化物にて形成する、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
16. 請求項１５に記載の発光素子の製造方法であって、
    前記活性層を、ＭＱＷ構造を有するように形成する、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
17. 請求項１５または請求項１６に記載の発光素子の製造方法であって、
    前記第１および前記第２の光閉じ込め層をＳｉＯ_２にて形成する、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
18. 請求項１２ないし請求項１７のいずれかに記載の発光素子の製造方法であって、
    前記アノード電極形成工程においては、前記複数の第１の柱状構造体のそれぞれの上端と前記第２の光閉じ込め層の上面とが一の平坦面をなすように前記第２の光閉じ込め層を研磨したうえで、前記平坦面に透明導電膜を設け、前記透明導電膜上にパッド電極を形成する、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
19. 請求項１８に記載の発光素子の製造方法であって、
    前記配向多結晶基板として配向ＧａＮ基板を用い、
    前記カソード電極形成工程においては、前記配向ＧａＮ基板の他方主面上にカソード電極を設ける、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
20. 請求項１８に記載の発光素子の製造方法であって、
    前記配向多結晶基板として配向アルミナ基板を用い、
    前記配向アルミナ基板の上にｎ型の導電型を呈する下地層を形成する下地層形成工程、
    をさらに備え、
    前記第１光閉じ込め層形成工程においては前記第１光閉じ込め層を前記下地層の上に形成し、
    前記柱状構造体形成工程においては、前記第１の柱状構造体を前記下地層の上であって、前記第１の領域の上方に位置する箇所において形成し、
    前記カソード電極形成工程においては、前記下地層の上にカソード電極を設ける、
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。

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