JPWO2018062252A1 - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
多角柱の側面を成すように配置された複数の側面１０ｃを有する第１導電型半導体ロッド１０と、第１導電型半導体ロッド１０の側面１０ｃを覆う半導体から成る活性層２０と、活性層２０を覆う第２導電型半導体層３０と、を含み、活性層２０は、複数の側面１０ｃのうち少なくとも隣接する２つにそれぞれ配置された複数の井戸層２１を含み、複数の井戸層２１のうち隣接する井戸層２１同士はそれぞれ、隣接する側面１０ｃ同士が接する稜線１０ｒに沿って分離されており、活性層１０は、半導体から成り、稜線１０ｒ上に配置されて隣接する井戸層２１同士を繋ぐ稜線部２２をさらに含み、稜線部２２のバンドギャップは、複数の井戸層２１それぞれのバンドギャップよりも広い発光素子１。
Description
本開示は、発光素子に係る。
近年、ロッド状構造を含むロッド状発光素子が注目されている（例えば、特許文献１〜３）。ロッド状発光素子では、第１導電型半導体（例えばｎ型半導体）から成る１以上の半導体ロッド、そのロッドの表面を覆う活性層、および活性層を覆う第２導電型半導体層（例えばｐ型半導体層）を含んでいる。
ロッド状発光素子は、半導体ロッドの表面全体が発光面となり得るため、従来の発光素子に比べて、単位体積当たりの発光面積を広くできる利点がある。
ロッド状発光素子は、半導体ロッドの表面全体が発光面となり得るため、従来の発光素子に比べて、単位体積当たりの発光面積を広くできる利点がある。
典型的なロッド状発光素子は、太さが２０ｎｍ〜３μｍ、長さが１００ｎｍ〜１００μｍの円柱状又は多角柱状のロッド状構造を１以上有する。このようなロッド状構造を有する発光素子はまだ発光効率が十分に高いとはいえない。
そこで、本開示は、発光効率を高めることのできるロッド状発光素子を提供することを目的とする。
そこで、本開示は、発光効率を高めることのできるロッド状発光素子を提供することを目的とする。
本開示に係る発光素子は、
多角柱の側面を成すように配置された複数の側面を有する第１導電型半導体ロッドと、
前記第１導電型半導体ロッドの前記側面を覆う半導体から成る活性層と、
前記活性層を覆う第２導電型半導体層と、を含み、
前記活性層は、前記複数の側面のうち少なくとも隣接する２つにそれぞれ配置された複数の井戸層を含み、
前記複数の井戸層のうち隣接する井戸層同士はそれぞれ、隣接する前記側面同士が接する稜線に沿って分離されており、
前記活性層は、半導体から成り、前記稜線上に配置されて前記隣接する井戸層同士を繋ぐ稜線部をさらに含み、
前記稜線部のバンドギャップは、前記複数の井戸層それぞれのバンドギャップよりも広いことを特徴とする。
多角柱の側面を成すように配置された複数の側面を有する第１導電型半導体ロッドと、
前記第１導電型半導体ロッドの前記側面を覆う半導体から成る活性層と、
前記活性層を覆う第２導電型半導体層と、を含み、
前記活性層は、前記複数の側面のうち少なくとも隣接する２つにそれぞれ配置された複数の井戸層を含み、
前記複数の井戸層のうち隣接する井戸層同士はそれぞれ、隣接する前記側面同士が接する稜線に沿って分離されており、
前記活性層は、半導体から成り、前記稜線上に配置されて前記隣接する井戸層同士を繋ぐ稜線部をさらに含み、
前記稜線部のバンドギャップは、前記複数の井戸層それぞれのバンドギャップよりも広いことを特徴とする。
本開示に係る発光素子によれば、ロッド状発光素子の発光効率を高めることができる。
本開示の発光素子は、第１導電型半導体ロッドと、半導体ロッドの側面を覆う活性層と、活性層を覆う第２導電型半導体層とを含んでいる。半導体ロッドは多角柱の側面を成すように配置された複数の側面を有している。半導体から成る活性層は、半導体ロッドの側面上に設けられた複数の井戸層と、半導体ロッドの稜線上に設けられた稜線部を含む。隣接する井戸層は稜線部によって分離されており、かつ稜線部のバンドギャップは井戸層のバンドギャップより広くされている。そのため、隣接する井戸層の間でキャリア移動が起こり難く、井戸層内へのキャリア閉じ込め効果が向上する。これにより、発光素子の発光効率を高めることができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）を用いる。それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分または部材を示す。
図１は、本開示の実施形態に係る発光素子１の概略上面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った発光素子１の概略断面図である。図１および図２に示すように、実施形態に係る発光素子１は、成長基板５０、バッファ層４５、下地層４０、絶縁膜９０、９１、ロッド状の発光部分５（以下「ロッド状発光部５」と称する）、および電極７０、７１、８０、８１、８２、を含んでいる。
ロッド状発光部５は柱状であり、図１の例では六角柱状である。発光素子１は、少なくとも１つ以上のロッド状発光部５を含んでいる。図１の発光素子１は、２１個の発光素子（３×７個）を含んでいる。
図３（ａ）は、図２に示すロッド状発光部５の断面図の部分拡大図である。図３（ａ）に示すように、個々のロッド状発光部５は、第１導電型半導体ロッド（半導体ロッド１０）、活性層２０および第２導電型半導体層（半導体層３０）を含んでいる。
図３（ａ）は、図２に示すロッド状発光部５の断面図の部分拡大図である。図３（ａ）に示すように、個々のロッド状発光部５は、第１導電型半導体ロッド（半導体ロッド１０）、活性層２０および第２導電型半導体層（半導体層３０）を含んでいる。
半導体ロッド１０は、その側面１０ｃの一部または全部が、活性層２０で覆われている。すなわち、複数の側面１０ｃのうち一部の側面１０ｃまたは全ての側面１０ｃが活性層２０で覆われており、また、活性層２０に覆われた側面１０ｃのそれぞれにおいては、一部の領域または全ての領域が活性層２０で覆われている。なお、本実施形態では、少なくとも隣接する２つ以上の側面１０ｃ（例えば、図４の側面１０ｃ１と側面１０ｃ２）が、連続する活性層２０で覆われていなくてはならない。したがって、「複数の側面１０ｃのうち一部の側面１０ｃ」とは隣接する２つ以上の側面１０ｃを少なくとも含む。
１つの側面１０ｃにおいて一部の領域のみが活性層２０で覆われている場合とは、例えば図３（ａ）の状態を指す。すなわち、図３（ａ）に示すように、半導体ロッド１０の側面１０ｃ（例えば、１つの側面１０ｃ１）は、下面１０ｂ側の一部が絶縁膜９０に覆われており、絶縁膜９０から露出した領域のみが活性層２０に覆われている、という形状としてよい。具体的には、絶縁膜９０から露出する領域の全面積を１００％としたとき、上面１０ａ側から約７０〜１００％の範囲は活性層２０で覆われており、下面１０ｂ側から３０〜０％の範囲は活性層２０で覆われていない形状とすることができる。なお、「約７０〜１００％の範囲」とは、絶縁膜９０から露出する領域の全面積を１００％としたときの規定であり、側面１０ｃの全てに対して約７０〜１００％の範囲のことではない。例えば、側面１０ｃの面積の１０％が絶縁膜９０で覆われており、側面１０ｃの面積の９０％が絶縁膜９０から露出しているとする。この場合、「約７０〜１００％の範囲」とは、側面１０ｃの面積の約６３％（９０％×７０％）〜９０％（９０％×１００％）のことである。
本開示では、後述する製造方法において、半導体ロッド１０の形成の際に絶縁膜９０を利用するときには、このような形態になり得る。
本開示では、後述する製造方法において、半導体ロッド１０の形成の際に絶縁膜９０を利用するときには、このような形態になり得る。
いずれの意味においても、発光面積を広くするという観点から、発光層として機能する活性層２０で覆う面積を広くするのが好ましい。つまり、第１の意味においては、全ての側面１０ｃ上に活性層２０が配置されるのが好ましい。第２の意味においては、側面１０ｃのうち絶縁膜９０から露出した領域の１００％が、活性層２０に覆われているのが好ましい。さらに好ましくは、これらの両方を満たすものとする。
また、ロッド状発光部５のすべての側面において、活性層２０の厚さは実質的に同じであることが好ましい。同様に、ロッド状発光部５のすべての側面において、半導体層３０の厚さは実質的に同じであることが好ましい。これにより、ロッド状発光部５のすべての側面から同程度の発光を得ることができる。
また、ロッド状発光部５のすべての側面において、活性層２０の厚さは実質的に同じであることが好ましい。同様に、ロッド状発光部５のすべての側面において、半導体層３０の厚さは実質的に同じであることが好ましい。これにより、ロッド状発光部５のすべての側面から同程度の発光を得ることができる。
さらに、半導体ロッド１０の上面１０ａは活性層２０で覆われていてもよい。なお、半導体ロッド１０の下面１０ｂは、活性層２０で覆われることはなく、半導体ロッド１０への通電経路として利用される。
活性層２０は、半導体層３０で覆われている。図３（ａ）の例では、活性層２０は半導体ロッド１０の側面１０ｃおよび上面１０ａに形成されており、半導体層３０は、活性層２０の側面２０ｃおよび上面２０ａを覆うように設けられている。
図４は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿ったロッド状発光部５の模式断面図である。半導体ロッド１０は六角形状であり、６つの辺が半導体ロッド１０の側面１０ｃ（側面１０ｃ１〜１０ｃ６）に相当し、６つの頂点が半導体ロッド１０の稜線１０ｒ（１０ｒ１〜１０ｒ６）に相当する。稜線１０ｒは、隣接する側面１０ｃにより形成されるものであり、半導体ロッド１０の長手方向（ｚ方向）に伸びている。例えば、側面１０ｃ１と側面１０ｃ２とから、稜線１０ｒ１が形成される。
活性層２０は、半導体ロッド１０の六角形状の外周全体を連続して囲んでいる。活性層２０は、井戸層２１と稜線部２２とを含んでいる。井戸層２１は、半導体ロッド１０の側面１０ｃに配置されている。隣接する２つの側面１０ｃをそれぞれ覆う２つの井戸層２１は、半導体ロッド１０の稜線１０ｒの位置において分離されている。つまり、井戸層２１は、半導体ロッド１０の外周方向において不連続である。隣接する２つの井戸層２１の間、つまり半導体ロッド１０の稜線１０ｒの位置には稜線部２２が設けられている。この稜線部２２によって隣接する２つの井戸層２１が接続されることにより、半導体ロッド１０の外周方向に連続する活性層２０が形成される。
上述したように、稜線１０ｒは半導体ロッド１０の長手方向（ｚ方向）に伸びているので、活性層２０の稜線部２２も、稜線１０ｒに沿って、半導体ロッド１０の長手方向（ｚ方向）に伸びている。
活性層２０は、半導体ロッド１０の六角形状の外周全体を連続して囲んでいる。活性層２０は、井戸層２１と稜線部２２とを含んでいる。井戸層２１は、半導体ロッド１０の側面１０ｃに配置されている。隣接する２つの側面１０ｃをそれぞれ覆う２つの井戸層２１は、半導体ロッド１０の稜線１０ｒの位置において分離されている。つまり、井戸層２１は、半導体ロッド１０の外周方向において不連続である。隣接する２つの井戸層２１の間、つまり半導体ロッド１０の稜線１０ｒの位置には稜線部２２が設けられている。この稜線部２２によって隣接する２つの井戸層２１が接続されることにより、半導体ロッド１０の外周方向に連続する活性層２０が形成される。
上述したように、稜線１０ｒは半導体ロッド１０の長手方向（ｚ方向）に伸びているので、活性層２０の稜線部２２も、稜線１０ｒに沿って、半導体ロッド１０の長手方向（ｚ方向）に伸びている。
稜線部２２のバンドギャップは、井戸層２１のバンドギャップより広くされている。つまり、稜線部２２は、量子井戸構造の障壁層と同様の機能を発揮する。これにより、以下の理由により、ロッド状発光部５の発光効率を向上し得る。
ロッド状発光部５を点灯する場合、発光素子１に電圧を印加する。これにより活性層２０にキャリアが注入され、発光が生じる。ここで、井戸層２１を、バンドギャップの大きい稜線部２２で分断することにより、分断された小寸法の井戸層２１内にキャリアを閉じ込めることができる。その結果、井戸層２１内での発光再結合の頻度を増加させることができ、発光効率を向上させることができる。また、稜線部２２間の距離が例えば数十ｎｍ程度など十分に小さければ、量子効果を得ることができるため、より効率的にキャリアを井戸層２１内に閉じ込めることができる。
ロッド状発光部５を点灯する場合、発光素子１に電圧を印加する。これにより活性層２０にキャリアが注入され、発光が生じる。ここで、井戸層２１を、バンドギャップの大きい稜線部２２で分断することにより、分断された小寸法の井戸層２１内にキャリアを閉じ込めることができる。その結果、井戸層２１内での発光再結合の頻度を増加させることができ、発光効率を向上させることができる。また、稜線部２２間の距離が例えば数十ｎｍ程度など十分に小さければ、量子効果を得ることができるため、より効率的にキャリアを井戸層２１内に閉じ込めることができる。
井戸層２１と稜線部２２は、いずれも窒化物半導体から形成することができる。例えば、井戸層２１をＩｎＧａＮから形成し、稜線部２２をＧａＮ又は井戸層２１よりもＩｎ組成比の小さなＩｎＧａＮから形成する。井戸層２１と稜線部２２のバンドギャップの制御は、窒化物半導体に含まれるＩｎの含有量（Ｉｎ組成比）で制御することができる。窒化物半導体の場合、Ｉｎ組成比が高くなるとバンドギャップが狭くなり、Ｉｎ組成比が低くなるとバンドギャップが広くなる。よって、井戸層２１のＩｎ組成比を稜線部２２のＩｎ組成比よりも高くすることにより、稜線部２２のバンドギャップを井戸層２１のバンドギャップより広くすることができる。
この場合、井戸層２１中のＩｎ組成比を高くすると、井戸層２１を形成する窒化物半導体の結晶の歪みが大きくなって、結晶性が悪化するため、発光効率が低下するおそれがある。特に、井戸層２１の体積が大きくなると、結晶の歪みが顕著になる。しかしながら、本開示では、井戸層２１が稜線部２２で分断されて小体積にされていることにより、各井戸層２１の歪みが顕在化しにくくなる。また、稜線部２２は、Ｉｎ組成比の少ない又はＩｎを含まない窒化物半導体から形成されているので結晶の歪みが少なく、井戸層２１内の結晶の歪みを緩和するように作用する。つまり、稜線部２２での分断による小体積化により、井戸層２１に生じる結晶の歪みが低減されて、井戸層２１の結晶性が向上し得るものと期待される。
井戸層２１の結晶性が向上することにより、発光素子１を高効率化することができる。また、稜線部２２を有することによって井戸層２１の結晶性が向上するため、稜線部２２が存在しない場合と比較して井戸層２１のＩｎ組成比を高くすることも可能である。井戸層２１のＩｎ組成比を高くすると、発光が長波長にシフトするので、従来よりも長波長の発光が可能な発光素子１を形成することができる。その結果、窒化物系半導体の発光素子において、井戸層２１のＩｎ組成比を制御することにより、赤色〜紫外線の広い範囲の発光波長の発光素子を形成することができる。
また、多角柱の側面に稜線を跨ぐ層を設ける場合、当該層の厚みは稜線で最大となる傾向にある。例えば図４に示すように、稜線１０ｒにおける稜線部２２の膜厚２２ｔは側面１０ｃにおける井戸層２１の膜厚２１ｔよりも厚い。仮に稜線部２２がなく稜線１０ｒにも井戸層２１が形成されていれば、井戸層２１の膜厚が稜線１０ｒにおいて他の部分よりも厚くなる。そして井戸層２１は膜厚が厚いほど結晶性が悪化しやすいため、稜線１０ｒに井戸層２１が設けられていると稜線１０ｒにおける井戸層２１の結晶性が悪化する場合がある。稜線部２２を設けることで、このような稜線１０ｒにおける井戸層２１の厚膜化を避けることができる。
井戸層２１の結晶性が向上することにより、発光素子１を高効率化することができる。また、稜線部２２を有することによって井戸層２１の結晶性が向上するため、稜線部２２が存在しない場合と比較して井戸層２１のＩｎ組成比を高くすることも可能である。井戸層２１のＩｎ組成比を高くすると、発光が長波長にシフトするので、従来よりも長波長の発光が可能な発光素子１を形成することができる。その結果、窒化物系半導体の発光素子において、井戸層２１のＩｎ組成比を制御することにより、赤色〜紫外線の広い範囲の発光波長の発光素子を形成することができる。
また、多角柱の側面に稜線を跨ぐ層を設ける場合、当該層の厚みは稜線で最大となる傾向にある。例えば図４に示すように、稜線１０ｒにおける稜線部２２の膜厚２２ｔは側面１０ｃにおける井戸層２１の膜厚２１ｔよりも厚い。仮に稜線部２２がなく稜線１０ｒにも井戸層２１が形成されていれば、井戸層２１の膜厚が稜線１０ｒにおいて他の部分よりも厚くなる。そして井戸層２１は膜厚が厚いほど結晶性が悪化しやすいため、稜線１０ｒに井戸層２１が設けられていると稜線１０ｒにおける井戸層２１の結晶性が悪化する場合がある。稜線部２２を設けることで、このような稜線１０ｒにおける井戸層２１の厚膜化を避けることができる。
稜線部２２のバンドギャップを井戸層２１のバンドギャップより広くする具体的な方法としては、井戸層２１と稜線部２２を、いずれもＩｎを含む窒化物半導体から形成し、かつ稜線部２２中のＩｎ組成比を、井戸層２１のＩｎ組成比より低くすることが挙げられる。
別の方法としては、井戸層２１をＩｎを含む窒化物半導体から形成し、稜線部２２をＩｎを含まない窒化物半導体から形成することが挙げられる。具体的には、井戸層２１をＩｎＧａＮから形成し、稜線部２２をＧａＮから形成することができる。
いずれの例でも、稜線部２２のバンドギャップを井戸層２１のバンドギャップより広くすることができる。上述したように、井戸層２１は半導体ロッド１０の全ての側面１０ｃ上に配置されることが好ましいため、稜線部２２も同様に全ての稜線１０ｒの位置に設けられていることが好ましい。これにより、すべての側面１０ｃの井戸層２１において稜線部２２を設けたことによる効果を得ることができる。なお、活性層２０は、井戸層２１と半導体ロッド１０との間に配置された障壁層（ｎ側障壁層）、および井戸層２１と半導体層３０との間に配置された障壁層（ｐ側障壁層）を含むことができる。これにより、井戸層２１をｎ側障壁層とｐ側障壁層とで挟むことができる。
別の方法としては、井戸層２１をＩｎを含む窒化物半導体から形成し、稜線部２２をＩｎを含まない窒化物半導体から形成することが挙げられる。具体的には、井戸層２１をＩｎＧａＮから形成し、稜線部２２をＧａＮから形成することができる。
いずれの例でも、稜線部２２のバンドギャップを井戸層２１のバンドギャップより広くすることができる。上述したように、井戸層２１は半導体ロッド１０の全ての側面１０ｃ上に配置されることが好ましいため、稜線部２２も同様に全ての稜線１０ｒの位置に設けられていることが好ましい。これにより、すべての側面１０ｃの井戸層２１において稜線部２２を設けたことによる効果を得ることができる。なお、活性層２０は、井戸層２１と半導体ロッド１０との間に配置された障壁層（ｎ側障壁層）、および井戸層２１と半導体層３０との間に配置された障壁層（ｐ側障壁層）を含むことができる。これにより、井戸層２１をｎ側障壁層とｐ側障壁層とで挟むことができる。
活性層２０は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）にしてもよい。図５に示す活性層２０は、活性層２０の厚さ方向に積層された複数の井戸層２１を含むことができる。このとき、隣接する井戸層２１の間に障壁層２５を介在させる。例えば、半導体ロッド１０の１つの側面１０ｃ１を覆う活性層２０の場合、側面１０ｃ１と垂直な方向Ｎ（活性層２０の厚さ方向と一致）に、井戸層２１と障壁層２５とを交互に積層する。
井戸層２１が、バンドギャップの広い障壁層２５とバンドギャップの広い稜線部２２とで囲まれているので、井戸層２１内にキャリアを効率よく閉じ込めることができる。
井戸層２１が、バンドギャップの広い障壁層２５とバンドギャップの広い稜線部２２とで囲まれているので、井戸層２１内にキャリアを効率よく閉じ込めることができる。
ロッド状発光部５の太さに対する長さの比（アスペクト比）が大きいほど、発光面積の密度を高くすることができる。ロッド状発光部５のアスペクト比は、例えば２以上であり、さらには５以上とすることができる。また、アスペクト比が例えば２０以下であれば、ロッド状発光部５を安定して作製しやすい。ロッド状発光部５のアスペクト比は、平坦な活性層を有する従来型の発光素子とした場合と比較して発光面積が大きくなるように、ロッド状発光部５の密度も考慮して選択することが好ましい。本明細書において「太さ」とは、断面形状が多角形の場合における、その多角形の外接円の直径である。
半導体ロッド１０を形成する第１導電型半導体と、半導体層３０を形成する第２導電型半導体は異なる導電型の半導体である。特に、半導体ロッド１０は、第１導電型窒化物半導体から形成し、第２導電型を有する半導体層３０は、第２導電型窒化物半導体から形成するのが好ましい。例えば、半導体ロッド１０がｎ型半導体（例えばｎ型窒化物半導体）から形成される場合には、半導体層３０はｐ型半導体（例えばｐ型窒化物半導体）から形成する。半導体ロッド１０がｐ型半導体（例えばｐ型窒化物半導体）から形成される場合には、半導体層３０はｎ型半導体（例えばｎ型窒化物半導体）から形成する。
半導体ロッド１０は、ウルツ鉱型の結晶から形成することができる。ウルツ鉱型結晶は六方晶であり、図１に示すような上面視六角形状となるように横方向（ｍ軸方向）の成長を抑制し、垂直方向に結晶成長することで高アスペクト比のロッドを形成できる。この場合、半導体ロッド１０の側面１０ｃ（図３（ａ）および図４参照）は、結晶のＭ面に対応する。言い換えると、半導体ロッド１０の側面１０ｃは、ウルツ鉱型結晶のＭ面であり、その側面１０ｃは上面視で六角形状となるように配置されている。本明細書において「上面視」とは、図１および図４のようにｚ方向から観察することを意味している。
半導体ロッド１０は、ＧａＮ結晶から形成することができる。このとき、半導体ロッド１０は、下地層４０から上方に向う方向（図３（ａ）のｚ方向）が、ＧａＮ結晶の［０００−１］方向であるのが好ましい。
図３（ｂ）は、ロッド状発光部の変形例である。図３（ｂ）のロッド状発光部６は、上面６ａと側面６ｃとの間に傾斜面（ファセット１６ｄ）を有している。ロッド状発光部６は、ファセット１６ｄを有する半導体ロッド１６と、半導体ロッド１６の外面を覆う活性層２６と、活性層２６の外面を覆う半導体層３６を有している。
図３（ｂ）は、ロッド状発光部の変形例である。図３（ｂ）のロッド状発光部６は、上面６ａと側面６ｃとの間に傾斜面（ファセット１６ｄ）を有している。ロッド状発光部６は、ファセット１６ｄを有する半導体ロッド１６と、半導体ロッド１６の外面を覆う活性層２６と、活性層２６の外面を覆う半導体層３６を有している。
図３（ａ）から分かるように、半導体ロッド１０は、側面１０ｃと上面１０ａとが接する稜線１０ｅを有している。半導体ロッド１０を覆う活性層２０のうち、この稜線１０ｅを覆う部分は井戸層２１としてもよい。つまり、活性層２０は、半導体ロッド１０の側面１０ｃから上面１０ａまで、連続する井戸層２１を含んでいてもよい。ただし、半導体ロッド１０の表面に形成する半導体層は、稜線１０ｅの部分では良好な結晶性とすることが難しい。すなわち、稜線ｅを覆う部分にも井戸層２１を形成すると、その部分の井戸層２１が不十分な結晶性となりやすい。この場合、不十分な結晶性となった部分がリークパスとなる懸念がある。
このため、半導体ロッド１０の上面１０ａ側を、図３（ｂ）に示すような形状とすることが好ましい。図３（ｂ）においても、半導体ロッド１６は、側面１６ｃとファセット１６ｄとが接する稜線１６ｅと、ファセット１６ｄと上面１６ａとが接する稜線１６ｆを有している。半導体ロッド１６を覆う活性層２６のうち、これらの稜線１６ｅ、１６ｆを覆う部分は、井戸層２１としてよい。つまり、活性層２６は、半導体ロッド１６の側面１６ｃから、ファセット１６ｄを通って上面１６ａまで連続する井戸層２１を含んでいてもよい。ＧａＮ系結晶におけるＭ面が側面１６ｃであるときに、ファセット１６ｄと側面１６ｃとの成す角は約１５２度であることが好ましい。このようなファセット１６ｄはＧａＮ系結晶の（１０−１１）面であると考えられる。なお、ミラー指数において負の指数は数字の上にバーを付して表されるが、本明細書では数字の前に「−」を付して負の指数を表している。半導体ロッド１０がこのようなファセット１６ｄを有することにより、ファセット１６ｄ及び稜線１６ｅに結晶性の良好な井戸層２１を形成することができる。なお、上面１６ａはなくてもよい。すなわち、図３（ｂ）に示す断面視では半導体ロッド１０の上端部は台形状であるが、三角形状であってもよい。
このため、半導体ロッド１０の上面１０ａ側を、図３（ｂ）に示すような形状とすることが好ましい。図３（ｂ）においても、半導体ロッド１６は、側面１６ｃとファセット１６ｄとが接する稜線１６ｅと、ファセット１６ｄと上面１６ａとが接する稜線１６ｆを有している。半導体ロッド１６を覆う活性層２６のうち、これらの稜線１６ｅ、１６ｆを覆う部分は、井戸層２１としてよい。つまり、活性層２６は、半導体ロッド１６の側面１６ｃから、ファセット１６ｄを通って上面１６ａまで連続する井戸層２１を含んでいてもよい。ＧａＮ系結晶におけるＭ面が側面１６ｃであるときに、ファセット１６ｄと側面１６ｃとの成す角は約１５２度であることが好ましい。このようなファセット１６ｄはＧａＮ系結晶の（１０−１１）面であると考えられる。なお、ミラー指数において負の指数は数字の上にバーを付して表されるが、本明細書では数字の前に「−」を付して負の指数を表している。半導体ロッド１０がこのようなファセット１６ｄを有することにより、ファセット１６ｄ及び稜線１６ｅに結晶性の良好な井戸層２１を形成することができる。なお、上面１６ａはなくてもよい。すなわち、図３（ｂ）に示す断面視では半導体ロッド１０の上端部は台形状であるが、三角形状であってもよい。
再度図２を参照すると、発光素子１において、複数のロッド状発光部５が、下地層４０の上面４０ｂに配置されている。より正確には、図３（ａ）に示すように、下地層４０の上面４０ｂに、ロッド状発光部５の半導体ロッド１０が配置される。これにより、下地層４０を介して、半導体ロッド１０に通電することができる。
また、ロッド状発光部５の半導体層３０の表面には第１透光性電極８１が形成され、さらにその表面に第２透光性電極８２が形成されている。第１透光性電極８１により、複数のロッド状発光部５の半導体層３０は並列に接続される。第２透光性電極８２は下地層４０の上側まで延在しており、第２透光性電極８２と下地層４０とはこれらの間に配置された絶縁膜９１によって電気的に絶縁されている。
ロッド状発光部５から発光する光は、第１透光性電極８１および第２透光性電極８２を通って発光素子１の外部に取り出すことができる。
また、ロッド状発光部５の半導体層３０の表面には第１透光性電極８１が形成され、さらにその表面に第２透光性電極８２が形成されている。第１透光性電極８１により、複数のロッド状発光部５の半導体層３０は並列に接続される。第２透光性電極８２は下地層４０の上側まで延在しており、第２透光性電極８２と下地層４０とはこれらの間に配置された絶縁膜９１によって電気的に絶縁されている。
ロッド状発光部５から発光する光は、第１透光性電極８１および第２透光性電極８２を通って発光素子１の外部に取り出すことができる。
次に図６Ａおよび図６Ｂを参照しながら、発光素子１の製造方法について説明する。なお、製造工程の説明では、半導体として窒化ガリウム半導体を用いた場合の発光素子１の製造工程を例にとって詳述する。
本開示においては、活性層２０に含まれる井戸層２１が、井戸層２１よりバンドギャップの大きい稜線部２２で繋がれた構成を有している。井戸層２１と稜線部２２は、雰囲気、原料ガスおよび形成温度を調節することにより、１つの積層工程内で同時に形成することができることを本発明の発明者は見いだした。
本開示においては、活性層２０に含まれる井戸層２１が、井戸層２１よりバンドギャップの大きい稜線部２２で繋がれた構成を有している。井戸層２１と稜線部２２は、雰囲気、原料ガスおよび形成温度を調節することにより、１つの積層工程内で同時に形成することができることを本発明の発明者は見いだした。
＜１．下地層４０の準備＞
図６Ａ（ａ）に示すように、成長基板５０の上に、バッファ層４５および下地層４０を順次積層する。バッファ層４５および下地層４０を形成するための反応装置としては、例えばＭＯＣＶＤ装置を用いることができる。なお、バッファ層４５と下地層４０の形成を省略して、成長基板５０の成長面に直接半導体ロッド１０を形成してもよい。
成長基板５０としては、後述するようにサファイア基板、ＳｉＣ基板、窒化物半導体基板などが利用できる。ここでは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を用いた例を説明する。サファイアの成長基板５０の場合、（０００１）面を成長面とするのが好ましい。ここで「（０００１）面」とは、（０００１）面に対してわずかに傾斜した面を含む。具体的には、（０００１）面に対し０．５°以上２．０°以下のオフ角をもつ面を成長面とするのがより好ましい。
図６Ａ（ａ）に示すように、成長基板５０の上に、バッファ層４５および下地層４０を順次積層する。バッファ層４５および下地層４０を形成するための反応装置としては、例えばＭＯＣＶＤ装置を用いることができる。なお、バッファ層４５と下地層４０の形成を省略して、成長基板５０の成長面に直接半導体ロッド１０を形成してもよい。
成長基板５０としては、後述するようにサファイア基板、ＳｉＣ基板、窒化物半導体基板などが利用できる。ここでは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を用いた例を説明する。サファイアの成長基板５０の場合、（０００１）面を成長面とするのが好ましい。ここで「（０００１）面」とは、（０００１）面に対してわずかに傾斜した面を含む。具体的には、（０００１）面に対し０．５°以上２．０°以下のオフ角をもつ面を成長面とするのがより好ましい。
成長基板５０の上にバッファ層４５を形成する前に、成長基板５０を前処理するのが好ましい。まず、成長基板５０を反応装置内で加熱して、成長面（上面５０ａ）を加熱処理（サーマルクリーニング）する。加熱温度としては９００〜１２００℃が挙げられ、加熱時間としては約２〜１５分が挙げられる。この加熱処理により、成長基板５０の上面５０ａに結晶学的なステップが現れ、これが結晶核の生成サイトとなる。
その後、反応装置にＮＨ３ガスを導入して、成長基板５０の上面５０ａを窒化する。窒化処理は、例えば処理温度９００〜１１００℃、処理時間１〜３０分で行うことができる。このような窒化処理により、その上に成長する窒化物半導体の表面を（０００−１）面とすることができる。
その後、反応装置にＮＨ３ガスを導入して、成長基板５０の上面５０ａを窒化する。窒化処理は、例えば処理温度９００〜１１００℃、処理時間１〜３０分で行うことができる。このような窒化処理により、その上に成長する窒化物半導体の表面を（０００−１）面とすることができる。
窒化処理後の成長基板５０の上面５０ａにバッファ層４５を成長させる。成長基板５０の温度を例えば５５０℃とし、原料ガスを供給してＧａＮからなるバッファ層４５を成長させる。バッファ層４５の厚さは例えば約２０ｎｍ程度とする。
バッファ層４５として非晶質のＧａＮを形成し、その後に熱処理を行ってもよい。熱処理温度は１０００℃以上、熱処理時間は数分〜１時間程度、熱処理時の雰囲気は窒素ガスあるいは窒素ガスの他に水素ガス及びＮＨ３ガスの一方または両方を含む混合ガスとするのが好ましい。
バッファ層４５の上に、下地層４０を形成する。下地層４０は例えばＧａＮ層とする。また、下地層４０にはｎ型不純物を添加することが好ましく、例えばＳｉが添加されたＧａＮ層を下地層４０として形成する。
下地層４０の上面４０ａに、絶縁膜９０を形成する。絶縁膜９０は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁部材から形成する。絶縁膜９０は、その厚さ方向（ｚ方向）に貫通した複数の貫通孔９０ｈを備えている。この貫通孔９０ｈから、下地層４０の上面４０ａが露出している。貫通孔９０ｈは、例えばフォトリソグラフィ技術により形成することができる。貫通孔９０ｈは、上面視（ｚ方向から視認）において、円形、楕円形、多角形などの形状を有することができる。特に、円形の貫通孔９０ｈは形成しやすいので好ましい。
隣接する貫通孔９０ｈ間の最短距離は、実質的に一定であることが好ましい。これにより、貫通孔９０ｈから成長する半導体ロッド１０を実質的に一定の間隔で配置することができる。半導体ロッド１０の側面に活性層２０及び半導体層３０等を成長させるとき、隣接する半導体ロッド１０間の距離は、活性層２０及び半導体層３０の成長速度に影響を与えることがある。複数の半導体ロッド１０を実質的に一定の間隔で配置することにより、それらの側面１０ｃに形成される活性層２０及び半導体層３０等の成長速度を実質的に一定とすることができる。例えば、上面視において貫通孔９０ｈを正三角格子状に配列する。さらには、上面視において貫通孔９０ｈの中心同士を結ぶ方向が、半導体ロッド１０を構成するＧａＮ系結晶のｍ軸方向となる方向、すなわちサファイアのａ軸方向であることが好ましい。これにより、図１に示すように、ＧａＮ系結晶からなる正六角形状の半導体ロッド１０を、隣接する半導体ロッド１０の側面１０ｃが実質的に平行に向かい合う向きで、正三角格子状に配列することができる。したがって、各半導体ロッド１０の各側面１０ｃに形成される活性層２０及び半導体層３０の成長速度を実質的に一定とすることができ、各層の厚さを同程度とすることができる。
＜２．半導体ロッド１０の形成＞
図６Ａ（ｂ）に示すように、貫通孔９０ｈから露出した下地層４０の上面４０ａに、半導体ロッド１０を形成する。半導体ロッド１０を形成する際に、絶縁膜９０がマスクとして機能して、貫通孔９０ｈから上向き（ｚ方向）に成長した半導体ロッド１０を形成することができる。このとき、サファイアの成長基板５０の窒化された表面を成長面とした場合、成長させるＧａＮ系結晶の成長方向は［０００−１］方向となるから、半導体ロッド１０の成長方向もＧａＮ系結晶の［０００−１］方向となる。つまり、半導体ロッド１０の下地層４０から上方に向う方向（ｚ方向）が、ＧａＮ系結晶の［０００−１］方向になる。
図６Ａ（ｂ）に示すように、貫通孔９０ｈから露出した下地層４０の上面４０ａに、半導体ロッド１０を形成する。半導体ロッド１０を形成する際に、絶縁膜９０がマスクとして機能して、貫通孔９０ｈから上向き（ｚ方向）に成長した半導体ロッド１０を形成することができる。このとき、サファイアの成長基板５０の窒化された表面を成長面とした場合、成長させるＧａＮ系結晶の成長方向は［０００−１］方向となるから、半導体ロッド１０の成長方向もＧａＮ系結晶の［０００−１］方向となる。つまり、半導体ロッド１０の下地層４０から上方に向う方向（ｚ方向）が、ＧａＮ系結晶の［０００−１］方向になる。
ＧａＮ系半導体の成長方向を［０００−１］方向にすると、ＧａＮ系半導体のマイグレーションが抑制されて、横方向成長が起こりにくい。このため、半導体ロッド１０は、絶縁膜９０の貫通孔９０ｈ内で成長し始めた太さをほぼ維持したまま上方向（ｚ方向）に成長する。結果として、比較的均一な太さの半導体ロッド１０が得られる。
半導体ロッド１０をウルツ鉱型（六方晶系）のＧａＮ系結晶から形成すると、半導体ロッド１０は六角柱状に成長する傾向がある。そのため、絶縁膜９０の貫通孔９０ｈの形状が円形であっても、半導体ロッド１０は円柱状ではなく、六角柱状になる。このとき、半導体ロッド１０の側面は、ＧａＮ系結晶のＭ面になる。なお、貫通孔９０ｈの内径が大きいと、それに合わせて半導体ロッド１０の太さも太くなる。よって、半導体ロッド１０の太さは、貫通孔９０ｈの内径によって制御することができる。
半導体ロッド１０は、成長基板５０の温度を例えば９００〜１１００℃とし、原料ガスを供給して成長させる。半導体ロッド１０は例えばＧａＮ結晶から形成する。この場合、原料ガスは、下地層４０と同様に、ガリウム源としてＴＭＧまたはＴＥＧと、窒素源としてＮＨ３を含む混合ガスが利用できる。半導体ロッド１０にもｎ型不純物を添加することが好ましく、例えば上述の原料ガスにシランガスを追加し、Ｓｉが添加されたＧａＮ結晶を半導体ロッド１０として形成する。半導体ロッド１０の長さ（ｚ方向の寸法）は、原料ガスの供給時間により制御することができる。原料ガスの供給時間を例えば２０〜６０分とすると、約５〜１５μｍ程度の長さの半導体ロッド１０を形成できる。
半導体ロッド１０の形成条件（成長温度、原料ガスの流量、貫通孔９０ｈの内径など）を適宜調節することにより、図３（ｂ）に示すような、ファセットを有する半導体ロッド１６を形成することができる。
＜３．活性層２０の形成＞
図６Ａ（ｃ）に示すように、半導体ロッド１０の外面に活性層２０を形成する。
例えば、ロッド状発光部５を青色発光させる場合、活性層２０は、成長基板５０の温度を８００〜９００℃程度とし、原料ガスを供給して形成する。原料ガスは、ガリウム源としてＴＭＧまたはＴＥＧと、窒素源としてＮＨ３と、インジウム源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を含む混合ガスが利用できる。ここで、原料ガス中におけるガリウム元素に対する窒素元素の比を、５．５×１０３〜２．２×１０５にするのが好ましい。ガリウム元素に対する窒素元素の比がこの範囲内にあると、活性層２０の井戸層２１（図４および図５参照）を形成するＩｎＧａＮ膜を良好に形成することができる。なお、比率が前記範囲を下回ると、インジウム源から生じるＩｎがＧａやＮと結合しにくくなり、Ｉｎ金属として析出されやすくなる。比率が前記範囲を上回ると、窒素源であるＮＨ３から生じるＨにより、インジウム源から生じるＩｎが排除されやすくなり、ＩｎＧａＮが形成されにくくなる。
ガリウム元素に対する窒素元素の比は、より好ましくは２．２×１０４〜２．２×１０５であり、特に好ましくは４．４×１０４〜１．１×１０５である。
図６Ａ（ｃ）に示すように、半導体ロッド１０の外面に活性層２０を形成する。
例えば、ロッド状発光部５を青色発光させる場合、活性層２０は、成長基板５０の温度を８００〜９００℃程度とし、原料ガスを供給して形成する。原料ガスは、ガリウム源としてＴＭＧまたはＴＥＧと、窒素源としてＮＨ３と、インジウム源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を含む混合ガスが利用できる。ここで、原料ガス中におけるガリウム元素に対する窒素元素の比を、５．５×１０３〜２．２×１０５にするのが好ましい。ガリウム元素に対する窒素元素の比がこの範囲内にあると、活性層２０の井戸層２１（図４および図５参照）を形成するＩｎＧａＮ膜を良好に形成することができる。なお、比率が前記範囲を下回ると、インジウム源から生じるＩｎがＧａやＮと結合しにくくなり、Ｉｎ金属として析出されやすくなる。比率が前記範囲を上回ると、窒素源であるＮＨ３から生じるＨにより、インジウム源から生じるＩｎが排除されやすくなり、ＩｎＧａＮが形成されにくくなる。
ガリウム元素に対する窒素元素の比は、より好ましくは２．２×１０４〜２．２×１０５であり、特に好ましくは４．４×１０４〜１．１×１０５である。
なお、混合ガスは、キャリアガスとしてＨ２ガスまたはＮ２ガスを含んでいてもよい。ＩｎＧａＮを成長する場合、キャリアガスがＨ２ガスであると成長しにくくなる傾向があるため、キャリアガスとしてＮ２ガスを使用するのが好ましい。
上記の形成条件は、半導体ロッド１０の側面１０ｃ上に形成された部分はＩｎ組成比が多くなって井戸層２１となり、半導体ロッド１０の稜線１０ｒ上に形成された部分はＩｎ組成比が少なくなって稜線部２２となるように設定される。具体的には、原料ガスに含まれるガリウム元素および窒素元素の比率等を調整することが好ましい。例えば、これらの条件のうちの１つを変動させて活性層２０を形成し、得られた井戸層２１等のＩｎ組成比を確認することで、適した条件を見出すことができる。
稜線部２２のＩｎ組成比が選択的に減少する理由は定かではないが、半導体ロッド１０の側面１０ｃ上に形成されるＩｎＧａＮと、稜線部２２上に形成されるＩｎＧａＮとを比較すると、上述の形成条件の場合には、稜線部２２上のＩｎＧａＮからＩｎが選択的に離脱する傾向があるものと考えられる。より詳細には、稜線１０ｒ上に成長するＩｎＧａＮ結晶が不安定であることで稜線部２２が形成可能となると考えられる。すなわち、稜線１０ｒ上に不安的なＩｎＧａＮ結晶が成長することにより、結合エネルギーが比較的低いＩｎが脱離し、Ｉｎ組成比の小さい稜線部２２が形成されると推測される。
井戸層２１と稜線部２２は、ロッド状発光部５の断面（図４および図５参照）のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像から容易に識別することができる。明視野像のＴＥＭ写真であれば、Ｉｎ組成比の高い井戸層２１は濃いグレーまたは黒色となり、Ｉｎ組成比の低い稜線部２２は薄いグレーまたは白色となる。
稜線部２２の幅２２ｗは、１原子以上であり、例えば２ｎｍ以下とすることができる。なお、稜線部２２の幅とは、稜線部２２を挟む２つの井戸層２１の最短距離を指す。
稜線部２２の幅２２ｗは、１原子以上であり、例えば２ｎｍ以下とすることができる。なお、稜線部２２の幅とは、稜線部２２を挟む２つの井戸層２１の最短距離を指す。
なお、図６Ａ（ｃ）から分かるように、半導体ロッド１０の側面１０ｃのうち、下面１０ｂ側の一部は絶縁膜９０で覆われている。そのため、その部分には、活性層２０は形成されない。言い換えれば、半導体ロッド１０のうち、絶縁膜９０より上側に露出している外面のみを、活性層２０で覆うことができる。
＜４．半導体層３０の形成＞
図６Ａ（ｄ）に示すように、活性層２０の外面に半導体層３０を形成する。半導体ロッド１０をｎ型のＧａＮ系結晶（ｎ型窒化物半導体）から形成した場合、半導体層３０はｐ型のＧａＮ系結晶（ｐ型窒化物半導体）から形成する。例えば、半導体層３０は、ｐ型ＧａＮ層やｐ型ＡｌＧａＮ層をｐ型不純物濃度を変えて複数積層させることにより形成する。
半導体層３０は、成長基板５０の温度を例えば８００〜９００℃とし、原料ガスを供給して形成する。原料ガスは、ガリウム源としてＴＭＧまたはＴＥＧと、窒素源としてＮＨ３とを含む混合ガスが利用できる。さらに、ｐ型不純物を添加するため、これらの原料ガスに例えばＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を追加し、Ｍｇが添加されたＧａＮ層を半導体層３０として形成する。原料ガスの供給時間を例えば２０〜６０分とすると、約４０〜１２０ｎｍ程度の厚さの半導体層３０を形成できる。
半導体層３０の形成により、ロッド状発光部５が得られる。
図６Ａ（ｄ）に示すように、活性層２０の外面に半導体層３０を形成する。半導体ロッド１０をｎ型のＧａＮ系結晶（ｎ型窒化物半導体）から形成した場合、半導体層３０はｐ型のＧａＮ系結晶（ｐ型窒化物半導体）から形成する。例えば、半導体層３０は、ｐ型ＧａＮ層やｐ型ＡｌＧａＮ層をｐ型不純物濃度を変えて複数積層させることにより形成する。
半導体層３０は、成長基板５０の温度を例えば８００〜９００℃とし、原料ガスを供給して形成する。原料ガスは、ガリウム源としてＴＭＧまたはＴＥＧと、窒素源としてＮＨ３とを含む混合ガスが利用できる。さらに、ｐ型不純物を添加するため、これらの原料ガスに例えばＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を追加し、Ｍｇが添加されたＧａＮ層を半導体層３０として形成する。原料ガスの供給時間を例えば２０〜６０分とすると、約４０〜１２０ｎｍ程度の厚さの半導体層３０を形成できる。
半導体層３０の形成により、ロッド状発光部５が得られる。
＜５．透光性電極７１、８１の形成＞
図６Ｂ（ｅ）に示すように、ロッド状発光部５の半導体層３０の外面と、絶縁膜９０の上面９０ａとを連続して覆うように、第１透光性電極８１を形成する。
そして、図６Ｂ（ｆ）に示すように、第１透光性電極８１の一部と複数のロッド状発光部５の一部とを除去し、下地層４０の一部を絶縁膜９０から露出させる。絶縁膜９０から露出した部分を、第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙと称する。なお、第１露出部４０ｘには、半導体ロッド１０に通電するための電極が形成される。第２露出部４０ｙの上側には、絶縁膜９１を介して、半導体層３０に通電するための電極が形成される。各電極については後で詳述する。
このように、第１透光性電極８１を形成した後で第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙを形成すれば、第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙを形成するためのエッチング用のマスクを剥離する剥離液からロッド状発光部５を保護することができる。すなわち、ロッド状発光部５が第１透光性電極８１に被覆されているので、剥離液がロッド状発光部５に接触し難い。したがって、必要なロッド状発光部５が除去される可能性を低減することができる。
図６Ｂ（ｅ）に示すように、ロッド状発光部５の半導体層３０の外面と、絶縁膜９０の上面９０ａとを連続して覆うように、第１透光性電極８１を形成する。
そして、図６Ｂ（ｆ）に示すように、第１透光性電極８１の一部と複数のロッド状発光部５の一部とを除去し、下地層４０の一部を絶縁膜９０から露出させる。絶縁膜９０から露出した部分を、第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙと称する。なお、第１露出部４０ｘには、半導体ロッド１０に通電するための電極が形成される。第２露出部４０ｙの上側には、絶縁膜９１を介して、半導体層３０に通電するための電極が形成される。各電極については後で詳述する。
このように、第１透光性電極８１を形成した後で第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙを形成すれば、第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙを形成するためのエッチング用のマスクを剥離する剥離液からロッド状発光部５を保護することができる。すなわち、ロッド状発光部５が第１透光性電極８１に被覆されているので、剥離液がロッド状発光部５に接触し難い。したがって、必要なロッド状発光部５が除去される可能性を低減することができる。
第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙが形成される領域には、予めロッド状発光部５を成長させない、すなわち絶縁膜９０の貫通孔９０ｈを形成しなくてもよい。一方、第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙの形成位置を予め設定せず、形成されたロッド状発光部５の良不良を確認してから第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙの形成位置を決定してもよい。これにより、成長が不十分など不良のロッド状発光部５がある位置に第１露出部４０ｘおよび第２露出部４０ｙを形成することができる。
透光性電極８１は、例えばＩＴＯ膜等の透光性導電膜から形成することができる。
透光性電極８１は、例えばＩＴＯ膜等の透光性導電膜から形成することができる。
＜６．絶縁膜９１の形成＞
図６Ｃ（ｇ）に示すように、第１透光性電極８１の一部と、下地層４０の第１露出部４０ｘの一部（ｎ側透光性電極７１が形成されていない部分）と、下地層４０の第２露出部４０ｙの全体とを覆うように、絶縁膜９１を形成する。
絶縁膜９１は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁部材から形成する。ＳｉＯ２は、透光性を有するため、絶縁膜９１を通してロッド状発光部５からの発光を取り出すことができる利点がある。
図６Ｃ（ｇ）に示すように、第１透光性電極８１の一部と、下地層４０の第１露出部４０ｘの一部（ｎ側透光性電極７１が形成されていない部分）と、下地層４０の第２露出部４０ｙの全体とを覆うように、絶縁膜９１を形成する。
絶縁膜９１は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁部材から形成する。ＳｉＯ２は、透光性を有するため、絶縁膜９１を通してロッド状発光部５からの発光を取り出すことができる利点がある。
＜７．透光性電極７１、８２およびパッド電極７０、８０の形成＞
図６Ｃ（ｈ）に示すように、ｎ側透光性電極７１と第２透光性電極８２とを形成する。ｎ側透光性電極７１は、下地層４０の第１露出部４０ｘ上に形成する。第２透光性電極８２は、第１透光性電極８１と接触し、かつ下地層４０の第２露出部４０ｙの上側まで延在している。第２透光性電極８２と下地層４０の第２露出部４０ｙの間に絶縁膜９１を配置することにより、それらが短絡するのを防止している。
次いで、ｎ側透光性電極７１上にｎ側パッド電極７０を形成する。および、下地層４０の第２露出部４０ｙの直上において、第２透光性電極８２上にｐ側パッド電極８０を形成する。
図６Ｃ（ｈ）に示すように、ｎ側透光性電極７１と第２透光性電極８２とを形成する。ｎ側透光性電極７１は、下地層４０の第１露出部４０ｘ上に形成する。第２透光性電極８２は、第１透光性電極８１と接触し、かつ下地層４０の第２露出部４０ｙの上側まで延在している。第２透光性電極８２と下地層４０の第２露出部４０ｙの間に絶縁膜９１を配置することにより、それらが短絡するのを防止している。
次いで、ｎ側透光性電極７１上にｎ側パッド電極７０を形成する。および、下地層４０の第２露出部４０ｙの直上において、第２透光性電極８２上にｐ側パッド電極８０を形成する。
ｐ側パッド電極８０からロッド状発光部５までは、第２透光性電極８２と第１透光性電極８１を介して導通されている。ｎ側パッド電極７０からロッド状発光部５までは、ｎ側透光性電極７１と下地層４０を介して導通されている。
ｐ側の電流経路において、第１透光性電極８１が複数のロッド状発光部５の半導体層３０と接触しており、ｎ側の電流経路において、下地層４０が複数のロッド状発光部５の半導体ロッド１０と接触している。つまり、複数のロッド状発光部５は、並列接続されている。
ｐ側の電流経路において、第１透光性電極８１が複数のロッド状発光部５の半導体層３０と接触しており、ｎ側の電流経路において、下地層４０が複数のロッド状発光部５の半導体ロッド１０と接触している。つまり、複数のロッド状発光部５は、並列接続されている。
次に、本開示の発光素子１の各構成について説明する。なお、本開示の発光素子１は、いわゆる半導体発光素子であり、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）を含む。
（ロッド状発光部５）
ロッド状発光部５は、多角柱状の外形、もしくは多角柱状で上端にファセットを有する外形を有している。
ロッド状発光部５は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等の半導体材料から形成することができる。具体的には、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の窒化物半導体（例えばＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等）を用いることができる。
ロッド状発光部５の各構成（半導体ロッド１０、活性層２０および半導体層３０）に適した半導体について詳述する。
ロッド状発光部５は、多角柱状の外形、もしくは多角柱状で上端にファセットを有する外形を有している。
ロッド状発光部５は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等の半導体材料から形成することができる。具体的には、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の窒化物半導体（例えばＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等）を用いることができる。
ロッド状発光部５の各構成（半導体ロッド１０、活性層２０および半導体層３０）に適した半導体について詳述する。
半導体ロッド１０は、第１導電型半導体（例えばｎ型半導体）を含む。半導体ロッド１０に適した半導体としては、ＧａＮおよびＡｌＧａＮが挙げられる。なお、ｎ型不純物としてＳｉやＧｅ、Ｏ等を添加してもよい。半導体ロッド１０は、第１導電型半導体のみから構成してもよい。
活性層２０は、バンドギャップの大きい稜線部２２と、バンドギャップの小さい井戸層２１を含む。井戸層２１に適した半導体としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮが挙げられる。稜線部２２に適した半導体としては、ＧａＮおよびＩｎｙＧａ１−ｙＮが挙げられる。なお、井戸層２１と稜線部２２が共にＩｎＧａＮから成るときは、井戸層２１のＩｎ組成比は稜線部２２のＩｎ組成比より大きくする（つまり、ｘ＞ｙ）。
半導体層３０は、第２導電型半導体（例えばｐ型半導体）を含む。半導体層３０に適した半導体としては、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むＧａＮが挙げられる。半導体層３０は、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体から成る層と、アンドープの層とを含む積層構造であってもよい。
活性層２０は、バンドギャップの大きい稜線部２２と、バンドギャップの小さい井戸層２１を含む。井戸層２１に適した半導体としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮが挙げられる。稜線部２２に適した半導体としては、ＧａＮおよびＩｎｙＧａ１−ｙＮが挙げられる。なお、井戸層２１と稜線部２２が共にＩｎＧａＮから成るときは、井戸層２１のＩｎ組成比は稜線部２２のＩｎ組成比より大きくする（つまり、ｘ＞ｙ）。
半導体層３０は、第２導電型半導体（例えばｐ型半導体）を含む。半導体層３０に適した半導体としては、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むＧａＮが挙げられる。半導体層３０は、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体から成る層と、アンドープの層とを含む積層構造であってもよい。
（透光性電極７１、８１、８２）
ｎ側透光性電極７１、第１透光性電極８１および第２透光性電極８２は、透光性の導電材料から形成することができ、特に、導電性酸化物が好適である。導電性酸化物としては、例えば、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＭｇＯが挙げられる。特にＩＴＯは、可視光（可視領域）において高い光透過性を有し、導電率の高い材料であることから好ましい。
ｎ側透光性電極７１、第１透光性電極８１および第２透光性電極８２は、透光性の導電材料から形成することができ、特に、導電性酸化物が好適である。導電性酸化物としては、例えば、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＭｇＯが挙げられる。特にＩＴＯは、可視光（可視領域）において高い光透過性を有し、導電率の高い材料であることから好ましい。
ｐ側の透光性電極として、このように第１透光性電極８１および第２透光性電極８２の２層を設けることが好ましい。ｐ側の透光性電極は１層のみとすることもできるが、この場合は絶縁膜９１形成後にｐ側の透光性電極を設けることになるため、絶縁膜９１に覆われたロッド状発光部５の部分に通電することができず、発光面積が減少する。また、ロッド状発光部５を覆わないように絶縁膜９１の形成面積を減少させると、ｐ側の電極と下地層４０が短絡する可能性が上昇する。第１透光性電極８１および第２透光性電極８２の２層構造であれば、短絡の可能性が低い程度に絶縁膜９１をロッド状発光部５の上にまで形成することができ、且つ、絶縁膜９１の下のロッド状発光部５に通電することができる。なお、第１透光性電極８１だけの部分よりもその上に第２透光性電極８２が重なった部分の方が光の透過率が減少する。したがって、第１透光性電極８１と第２透光性電極８２が重なった部分の表面積よりも、第２透光性電極８２から第１透光性電極８１が露出した部分の表面積を大きくすることが好ましい。これにより、ロッド状発光部５の発光の取り出し効率を向上させることができる。
なお、ｎ側透光性電極７１は省略してもよい。この場合、ｎ側パッド電極７０を下地層４０に直接形成する。
なお、ｎ側透光性電極７１は省略してもよい。この場合、ｎ側パッド電極７０を下地層４０に直接形成する。
（成長基板５０）
窒化物半導体を成長させる場合の成長基板５０としては、典型的には、サファイア（Ａ１２Ｏ３）等の絶縁性基板を用いる。また、窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＮ等）等を用いることもできる。
特に、Ｃ面、すなわち（０００１）面を成長面とするサファイアの成長基板が好ましい。成長面は厳密に（０００１）面と一致するよりは、（０００１）面に対して０．５°〜２．０°のオフ角を有しているのが好ましい。このような面を窒化することにより、ＧａＮ系半導体を［０００−１］方向に成長させることができる。
窒化物半導体を成長させる場合の成長基板５０としては、典型的には、サファイア（Ａ１２Ｏ３）等の絶縁性基板を用いる。また、窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＮ等）等を用いることもできる。
特に、Ｃ面、すなわち（０００１）面を成長面とするサファイアの成長基板が好ましい。成長面は厳密に（０００１）面と一致するよりは、（０００１）面に対して０．５°〜２．０°のオフ角を有しているのが好ましい。このような面を窒化することにより、ＧａＮ系半導体を［０００−１］方向に成長させることができる。
（絶縁膜９０、９１）
絶縁膜９０、９１は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）やＳｉＮから形成することができる。
絶縁膜９０、９１は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）やＳｉＮから形成することができる。
（パッド電極７０、８０）
ｎ側パッド電極７０およびｐ側パッド電極８０としては、電気良導体を用いることができ、例えばＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ等の金属が好適である。パッド電極７０、８０を透光性電極７１、８１上に形成する場合には、透光性電極とオーミックコンタクトできる導電材料から形成するのが好ましい。なお、ｐ側パッド電極８０をロッド状発光部５に直接設けてもよく、その場合は、ｐ側の透光性電極は１層のみ（第１透光性電極８１のみ）であってもよい。好ましくは、ｐ側パッド電極８０をロッド状発光部５に直接設けるのではなく、図２に示すように、ロッド状発光部５が存在しない領域を設け、その領域にｐ側パッド電極８０を形成する。これにより、ロッド状発光部５からの光をｐ側パッド電極８０によって遮られることなく外部に取り出すことができるため、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
ｎ側パッド電極７０およびｐ側パッド電極８０としては、電気良導体を用いることができ、例えばＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ等の金属が好適である。パッド電極７０、８０を透光性電極７１、８１上に形成する場合には、透光性電極とオーミックコンタクトできる導電材料から形成するのが好ましい。なお、ｐ側パッド電極８０をロッド状発光部５に直接設けてもよく、その場合は、ｐ側の透光性電極は１層のみ（第１透光性電極８１のみ）であってもよい。好ましくは、ｐ側パッド電極８０をロッド状発光部５に直接設けるのではなく、図２に示すように、ロッド状発光部５が存在しない領域を設け、その領域にｐ側パッド電極８０を形成する。これにより、ロッド状発光部５からの光をｐ側パッド電極８０によって遮られることなく外部に取り出すことができるため、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
（実験例）
本開示に係る半導体ロッド１０及び活性層２０を製造した。活性層２０は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とし、各半導体層はＭＯＣＶＤ法により形成した。
本開示に係る半導体ロッド１０及び活性層２０を製造した。活性層２０は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とし、各半導体層はＭＯＣＶＤ法により形成した。
まず、（０００１）面から約１°オフセットした面を成長面とするサファイア基板を成長基板５０として準備した。成長基板５０の上面５０ａは窒化処理し、その上に成長する窒化物半導体の上面（成長基板５０の上面５０ａと平行な面）が（０００−１）面となるようにした。そして、成長基板５０の上に、フォトリソグラフィ技術により、開口形状が直径２μｍの円形である貫通孔９０ｈを複数有するＳｉＯ２の絶縁膜９０（厚さ約０．３μｍ）を形成した。
次いで、絶縁膜９０が形成された成長基板５０に、ＧａＮのバッファ層４５（厚さ約２０ｎｍ）を形成し、その後、熱処理を行った。ここでは下地層４０は設けなかったため、このように絶縁膜９０形成後にバッファ層４５の形成を行った。
次いで、絶縁膜９０が形成された成長基板５０に、ＧａＮのバッファ層４５（厚さ約２０ｎｍ）を形成し、その後、熱処理を行った。ここでは下地層４０は設けなかったため、このように絶縁膜９０形成後にバッファ層４５の形成を行った。
次に、ＧａＮからなる半導体ロッド１０を以下の形成条件で形成して、太さ３μｍ程度、長さ１０μｍ程度の略六角柱状の半導体ロッド１０を複数得た。
・基板温度：１０４５℃
・製造時間：４０分
・雰囲気ガス：水素と窒素の混合雰囲気
・キャリアガス：窒素 １１ｓｌｍ
・ＮＨ３：５０ｓｃｃｍ（約２×１０−３モル/分)
・ＴＭＧ：２０ｓｃｃｍ（約６５×１０−６モル/分)
・基板温度：１０４５℃
・製造時間：４０分
・雰囲気ガス：水素と窒素の混合雰囲気
・キャリアガス：窒素 １１ｓｌｍ
・ＮＨ３：５０ｓｃｃｍ（約２×１０−３モル/分)
・ＴＭＧ：２０ｓｃｃｍ（約６５×１０−６モル/分)
半導体ロッド１０を形成後、形成条件を以下のように変更して、活性層２０を形成した。なお、活性層２０は、半導体ロッド１０側から、障壁層２５と、井戸層２１および稜線部２２を含む層（ここでは「混合層」と称する）とを交互に作成した。障壁層２５を６層、混合層を６層形成した後、最後に障壁層２５をもう１層形成した。障壁層２５及び混合層の形成条件は以下の通りであった。障壁層２５の形成条件はＧａＮのものであり、混合層の形成条件はＩｎＧａＮのものである。
［障壁層２５の形成条件］
・基板温度：８１０℃
・雰囲気ガス：窒素
・キャリアガス：窒素 ８ｓｌｍ
・ＮＨ３：４ｓｌｍ（約２×１０−１モル/分)
・ＴＥＧ：１６ｓｃｃｍ（約４×１０−６モル/分)
ＧａＮからなる障壁層２５は、第１層（半導体ロッド１０と接触している層）のみＳｉドープした。１層目の形成の際には、上記の原料ガスに加えて、Ｓｉドーパント源としてＳｉＨ４ガスを８×１０−９モル/分で添加した。
障壁層２５の形成時間は、第１層は約９分（厚さ１０ｎｍ程度）、第２層〜第７層は、それぞれ４分（厚さ４〜１０ｎｍ程度）とした。
・基板温度：８１０℃
・雰囲気ガス：窒素
・キャリアガス：窒素 ８ｓｌｍ
・ＮＨ３：４ｓｌｍ（約２×１０−１モル/分)
・ＴＥＧ：１６ｓｃｃｍ（約４×１０−６モル/分)
ＧａＮからなる障壁層２５は、第１層（半導体ロッド１０と接触している層）のみＳｉドープした。１層目の形成の際には、上記の原料ガスに加えて、Ｓｉドーパント源としてＳｉＨ４ガスを８×１０−９モル/分で添加した。
障壁層２５の形成時間は、第１層は約９分（厚さ１０ｎｍ程度）、第２層〜第７層は、それぞれ４分（厚さ４〜１０ｎｍ程度）とした。
［混合層（井戸層２１、稜線部２２）の形成条件］
・基板温度：８１０℃
・雰囲気ガス：窒素
・キャリアガス：窒素 ８ｓｌｍ
・ＮＨ３：４ｓｌｍ（約２×１０−１モル/分)
・ＴＥＧ：１６ｓｃｃｍ（約４×１０−６モル/分)
・ＴＭＩ：１４２ｓｃｃｍ（約１２×１０−６モル/分)
混合層の形成時間は、第１層〜第６層の全てにおいて、それぞれ４分（厚さ４〜１０ｎｍ程度）とした。なお、障壁層２５の第２層〜第７層と混合層との成長時間は同じであるが、半導体ロッド１０の長さ方向において成長速度の差が生じるため、後述するＴＥＭ像に示すように、障壁層２５と混合層との厚さは同じとは限らない。
・基板温度：８１０℃
・雰囲気ガス：窒素
・キャリアガス：窒素 ８ｓｌｍ
・ＮＨ３：４ｓｌｍ（約２×１０−１モル/分)
・ＴＥＧ：１６ｓｃｃｍ（約４×１０−６モル/分)
・ＴＭＩ：１４２ｓｃｃｍ（約１２×１０−６モル/分)
混合層の形成時間は、第１層〜第６層の全てにおいて、それぞれ４分（厚さ４〜１０ｎｍ程度）とした。なお、障壁層２５の第２層〜第７層と混合層との成長時間は同じであるが、半導体ロッド１０の長さ方向において成長速度の差が生じるため、後述するＴＥＭ像に示すように、障壁層２５と混合層との厚さは同じとは限らない。
このようにして得られたロッド状発光部５の断面のＴＥＭで観察した。図７はロッド状発光部５の断面全体のＴＥＭ像であり、図８は、ロッド状発光部５の断面の一部のＴＥＭ像である。図８のＴＥＭ像では、半導体ロッド１０の側面１０ｃおよび稜線１０ｒと、活性層２０の井戸層２１、稜線部２２および障壁層２５とを確認することができる。
図８のＴＥＭ像において、活性層２０が、障壁層２５、井戸層２１、および稜線部２２を含んでいることが観察できる。各井戸層２１は、半導体ロッド１０の側面１０ｃと平行な方向に延在している。井戸層２１（濃いグレー部分）は、半導体ロッド１０の稜線１０ｒとロッド状発光部５の稜線５ｒとを結ぶ線（仮想線ｖ）の位置で、延在方向が変わる。そして、井戸層２１が屈曲する部分に稜線部２２（線状の薄いグレー部分）が位置して、稜線部２２の両側にある井戸層２１を分離している。なお、図８のＴＥＭ像において最外周に成長させたのはＧａＮ障壁層（第７層）である。外周部の一部が濃いグレーとなっているが、これはここで成長を止めたことが原因と推測される。
活性層２０の厚さ方向に積層された６層の井戸層２１の全てにおいて、仮想線ｖに沿って配置された稜線部２２により、井戸層２１は分離されていることがわかった。
図８のＴＥＭ像において、活性層２０が、障壁層２５、井戸層２１、および稜線部２２を含んでいることが観察できる。各井戸層２１は、半導体ロッド１０の側面１０ｃと平行な方向に延在している。井戸層２１（濃いグレー部分）は、半導体ロッド１０の稜線１０ｒとロッド状発光部５の稜線５ｒとを結ぶ線（仮想線ｖ）の位置で、延在方向が変わる。そして、井戸層２１が屈曲する部分に稜線部２２（線状の薄いグレー部分）が位置して、稜線部２２の両側にある井戸層２１を分離している。なお、図８のＴＥＭ像において最外周に成長させたのはＧａＮ障壁層（第７層）である。外周部の一部が濃いグレーとなっているが、これはここで成長を止めたことが原因と推測される。
活性層２０の厚さ方向に積層された６層の井戸層２１の全てにおいて、仮想線ｖに沿って配置された稜線部２２により、井戸層２１は分離されていることがわかった。
本出願は、出願日が２０１６年９月２９日である日本国特許出願、特願第２０１６−１９２０３１号を基礎出願とする優先権主張を伴う。特願第２０１６−１９２０３１号は参照することにより本明細書に取り込まれる。
１ 発光素子
５、６ ロッド状発光部
１０、１６ 第１導電型半導体ロッド（半導体ロッド）
１０ｃ、１６ｃ 半導体ロッドの側面
２０、２６ 活性層
２１ 井戸層
２２ 稜線部
２５ 障壁層
３０、３６ 第２導電型半導体層（半導体層）
４０ 下地層
４５ バッファ層
５０ 成長基板
９０、９１ 絶縁膜
９０ｈ 貫通孔
５、６ ロッド状発光部
１０、１６ 第１導電型半導体ロッド（半導体ロッド）
１０ｃ、１６ｃ 半導体ロッドの側面
２０、２６ 活性層
２１ 井戸層
２２ 稜線部
２５ 障壁層
３０、３６ 第２導電型半導体層（半導体層）
４０ 下地層
４５ バッファ層
５０ 成長基板
９０、９１ 絶縁膜
９０ｈ 貫通孔
Claims (8)
- 多角柱の側面を成すように配置された複数の側面を有する第１導電型半導体ロッドと、
前記第１導電型半導体ロッドの前記側面を覆う半導体から成る活性層と、
前記活性層を覆う第２導電型半導体層と、を含み、
前記活性層は、前記複数の側面のうち少なくとも隣接する２つにそれぞれ配置された複数の井戸層を含み、
前記複数の井戸層のうち隣接する井戸層同士はそれぞれ、隣接する前記側面同士が接する稜線に沿って分離されており、
前記活性層は、半導体から成り、前記稜線上に配置されて前記隣接する井戸層同士を繋ぐ稜線部をさらに含み、
前記稜線部のバンドギャップは、前記複数の井戸層それぞれのバンドギャップよりも広いことを特徴とする発光素子。 - 前記複数の井戸層は、前記第１導電型半導体ロッドの全ての側面にそれぞれ配置されており、
前記複数の井戸層のうち隣接する井戸層同士は全て前記稜線部により繋がれていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 - 前記井戸層は、前記第１導電型半導体ロッドの側面と垂直をなす方向において、障壁層を介して複数積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
- 前記複数の井戸層はＩｎを含有する窒化物半導体から成り、
前記稜線部のＩｎ組成比は、前記井戸層のＩｎ組成比より低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。 - 前記稜線部がＧａＮから成り、前記複数の井戸層がＩｎＧａＮから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記第１導電型半導体ロッドは第１導電型窒化物半導体を含む第１導電型窒化物半導体ロッドであり、
前記第２導電型半導体層は第２導電型窒化物半導体を含む第２導電型窒化物半導体層であり、
前記第１導電型窒化物半導体ロッドは、下地層の上面に配置されると共に、ウルツ鉱型の結晶から成り、
前記側面は、前記結晶のＭ面であり、上面視で六角形状に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光素子。 - 前記第１導電型半導体ロッドは、ＧａＮ結晶から成ることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記第１導電型窒化物半導体ロッドは、前記下地層から上方に向う方向が前記ＧａＮ結晶の［０００−１］方向であることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
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