TWI470828B - 半導體光元件陣列及其製造方法 - Google Patents

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TWI470828B
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Katsumi Kishino
Akihiko Kikuchi
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Description

半導體光元件陣列及其製造方法
本發明係有關半導體光元件陣列及其製造方法。
近年，氮化鎵(GaN)等之III族氮化物半導體係作為可實現輸出高品質之短波長發光的發光二極體，和雷射二極體等之半導體發光元件的半導體材料而受到注目。半導體發光元件係由使用金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法及分子束磊晶成長法(MBE：Molecular Beam Epitaxy)法等而進行結晶成長技術，於基板上，形成III族氮化物半導體所成之層積構造者而加以製作。
MOCVD或MBE等之公知的結晶成長技術係在生成層積構造時，於其層積方向具有良好之控制性。對於為了形成沿著基板的面內方向之構造，有必要使用結晶加工技術而加工層積構造。結晶加工技術係大致區分有Top Down型與Bottom Down型。Top Down型係以於結晶成長後，將結晶加工而形成構造之技術，對此而言，Bottom Up型係於結晶成長前，將基底基板預先進行加工，於此基底基板上，使結晶成長者，與結晶成長同時形成構造之技術。對於Top Down型之處理，經由加工，結晶則容易受到損傷，特別是在形成微細構造時，有著其細微構造之表面積變大的問題。另一方面，在Bottom Up型之處理中，細微構造與良好的結晶品質乃同時容易得到。
對於專利文獻1(日本特開2008-108924號公報)，係揭示有使用Bottom Up型之處理，於基板上，形成奈米尺度之微細柱狀結晶(奈米柱)的方法。此方法係於尖晶石基板上，形成前述島狀之Fe粒，從各Fe粒於基板的上方，使GaN奈米柱成長者。有關奈米柱之形成方法的先前技術文獻係除專利文獻1以外，例如可舉出非專利文獻1(M. Yoshizawa et al.,Jpn. J. Appl. Phys.,Vol.36,No.4B(1997)pp.L459-L462)或非專利文獻2(H. Sekiguchi et al.,Journal of Crystal Growth,300(2007)pp.259-262)。
先前技術文獻 [專利文獻]
[專利文獻]日本特開2008-108924號公報
[非專利文獻]
非專利文獻1：M. Yoshizawa,A. Kikuchi,M. Mori,N. Fujita and K. Kishino,"Growth of Self-Organized GaN Nanostructures on Al2O3(0001)by RF-Radical Source Molecular Beam Epitaxy",Jpn. J. Appl. Phys.,Vol.36,No.4B(1997)pp.L459-L462。
非專利文獻2：H. Sekiguchi,T. Nakazato,A. Kikuchi and K. Kishino,"Structural and optical properties of GaN nanocolumns grown on(0001)sapphire substrates by rf-plasma-assisted molecular-beam epitaxy",Journal of Crystal Growth,300(2007)pp.259-262。
以揭示於專利文獻1之方法加以形成之各GaN奈米柱係具有層積有n型層、發光層及p型層之發光構造。經由此等GaN奈米柱之集合體而構成半導體發光元件。
但，各GaN奈米柱係將基板上的島狀之Fe粒作為核加以形成之故，對於GaN奈米柱之位置及形狀容易產生不均，規則性地使GaN奈米柱配列者則為困難。如此之不均係會產生半導體發光元件之特性的不均。例如，有著對於GaN奈米柱之發光波長產生不均而無法得到所期望之發光色之問題。
有鑑於上述，本發明係提供：具有高精確地控制形成於基板上之微細柱狀結晶之位置及形狀，可控制微細柱狀結晶之發光波長或光吸收波長構造之半導體光元件陣列及其製造方法者。
本發明者們係著眼於有關III族氮化物半導體所成之奈米等級之微細柱狀結晶(稱作「奈米柱」、「奈米棒」、「奈米支柱」)之位置控制及形狀控制，於將具有複數之開口部的光罩圖案，形成於基板上之後，從此等開口部選擇性地使微細柱狀結晶成長的工程。本發明者們係銳意硏究有關之工程，發現可控制微細柱狀結晶之發光波長或光吸收波長者，完成本發明。
如根據本發明，提供具備：具有形成有複數之凹部的主面之半導體基板，和形成於前述半導體基板之該主面上，且具有各設置於前述複數之凹部正上方之複數之開口部的光罩圖案，和從前述複數之凹部，藉由前述複數之開口部，朝向前述光罩圖案上方而成長之III族氮化物半導體所成之複數的微細柱狀結晶，和各成長於前述複數之微細柱狀結晶上的活性層或光吸收層，和被覆前述各活性層或光吸收層之半導體層之半導體光元件陣列。
本發明之半導體光元件陣列係具備從半導體基板之凹部，藉由光罩圖案之開口部，朝向光罩圖案之上方而成長之III族氮化物半導體所成之複數的微細柱狀結晶。由作為如此之構成者，可控制微細柱狀結晶之口徑，可得到所期望之發光波長或光吸收波長之半導體光元件陣列者。
特別發光波長之峰值波長係可呈前述各微細柱狀結晶的口徑越大，而移動於長波長側，前述各微細柱狀結晶的口徑越小，而移動於短波長側地而訂定者。
在此，微細柱狀結晶乃口徑為10nm以上，1000mm以下者為佳。
另外，如根據本發明，亦可提供含有：於半導體基板，形成具有複數之開口部之光罩圖案的工程，和經由將前述光罩圖案作為蝕刻光罩，蝕刻前述半導體基板之時，於前述半導體基板之主面，形成複數之凹部的工程，和從各凹部，藉由各開口部，朝向前述光罩圖案上方而使複數的微細柱狀結晶成長的工程，和於前述微細柱狀結晶，使活性層或光吸收層成長的工程，和形成被覆前述各活性層或光吸收層之半導體層的工程之半導體光元件陣列的製造方法。
如根據本發明，可將形成於半導體基板上的微細柱狀結晶之位置，由調整光罩圖案之開口部的位置者而控制。另外，由調整各開口部之正下方的凹部口徑者，控制微細柱狀結晶之口徑，由此，可將從活性層所釋放的光之峰值波長，或以光吸收層所吸收的光之波長，訂定為所期望之波長者。隨之可提供：具有高精確地控制形成於基板上之微細柱狀結晶之位置及形狀，可控制微細柱狀結晶之發光波長或光的吸收波長構造之半導體光元件陣列及其製造方法者。
以下，將本發明之實施形態，依據圖面加以說明。
(第1實施形態)
圖1(A)~(D)乃概略性地顯示關於本發明之一實施形態之半導體光元件陣列10的製造工程剖面圖。對於圖1(D)係概略性地顯示本實施形態之半導體光元件陣列10之構造。
如圖1(D)所示，半導體光元件陣列10係具有樣板基板，具有複數之開口部的光罩圖案13P，以及複數之奈米柱23樣板基板乃於藍寶石基板等之基底基板11上，使III族氮化物半導體層12P磊晶成長所成之半導體基板。例如，以經由金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法或MBE法，於基底基板11上，以低溫處理使氮化鎵或氮化鋁等之緩衝層(未圖示)成長，於其緩衝層上，使III族氮化物半導體成長者，形成樣板基板。
對於III族氮化物半導體層12P之表面側的主面，係形成有複數之凹部14，…，14(圖1(C))。
光罩圖案13P係形成於III族氮化物半導體層12P的主面上，於複數之凹部14，…，14之正上方，各具有開口(以下，稱作光罩開口部)。即，開口部乃重疊於凹部14，從開口部部呈露出凹部14地形成凹部14。
半導體光元件陣列10乃複數具備含有微細柱狀結晶20，和設置於其微細柱狀結晶20上之活性層21，被覆活性層21之半導體被覆層22所構成之半導體元件(奈米柱23)者。
複數之微細柱狀結晶20，...，20係從III族氮化物半導體層12P之凹部14，...，14，藉由光罩開口部，朝向光罩圖案13P之上方而成長之III族氮化物半導體所成。對於微細柱狀結晶20上係形成活性層21，更且形成被覆活性層21之半導體被覆層22。經由微細柱狀結晶20，活性層21及半導體被覆層22而構成奈米柱23。
微細柱狀結晶20及半導體被覆層22係由氮化鎵(GaN)等之III族氮化物半導體所成。或者微細柱狀結晶20及半導體被覆層22係由一般式Alx Gay In1-x-y N(0≦x≦1、0≦y≦1、且0≦x+y≦1)所示之4元混晶材料或氮化硼加以構成。4元混晶材料係對應於組成比x，y，在室溫具有0.63eV～6.2eV之寬的帶隙之故，如使用4元混晶，可製作覆蓋從紫外域包含可視光域，至紅外光域之發光二極體或雷射二極體者。
微細柱狀結晶20乃口徑為10nm以上，1000mm以下者為佳。其中，700nm以下，更且650nm以下，更佳為600以下者為佳。如作為700nm以下，特別是600nm以下，成為容易控制貫通轉位之產生。
微細柱狀結晶20的口徑係指從光罩開口部露出之柱狀部201之口徑。柱狀部201之口徑對於柱狀部201乃圓柱形狀之情況係為其口徑。對於圓柱形狀以外之情況，通過將柱狀部201從半導體基板之基板面側平面而視時之重心點(平面中心)之同時，與柱狀部201以2點進行交叉的直線之中，焦點間之距離乃最長之直線長度。
微細柱狀結晶20係具備柱狀部201，和設置於其柱狀部201之前端的鋸齒構造202。柱狀部201之形狀係無加以特別限定，但例如，可作為圓柱形狀，四角柱形狀，六角柱形狀等。
另外，微細柱狀結晶20係從製造安定性之觀點，結晶構造乃由六方晶的材料加以構成者為佳。
活性層21乃呈被覆微細柱狀結晶20之鋸齒構造202地加以設置。其活性層21係例如，InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN、InGaAsN、InN所成。更具體而言，活性層21係例如如具有InGaN/GaN(障壁層：InGaN、井層：GaN)、Inx Ga1-x N/Iny Ga1-y N(0≦x≦1，0≦y≦1)、GaN/AlGaN(障壁層：AlGaN、井層：GaN)、或Alx Ga1-x N/Aly Ga1-y N(0≦x≦1，0≦y≦1)所成之多重量子井(MQW)構造或單一量子井(SQW)構造。在此，量子井構造係指含有量子井層，和夾入此量子井層之障壁層者。障壁層之帶隙係較量子井層為大。
半導體被覆層22係設置於活性層21上，完全地被覆活性層21。
在本實施形態中，可將從活性層21所釋放的光之峰值波長，訂定成對應於形成有活性層21之前的微細柱狀結晶20的口徑Δ之波長。從活性層21所釋放的光之峰值波長係可呈各微細柱狀結晶20的口徑Δ越大，而移動於長波長側，各微細柱狀結晶20的口徑Δ越小，而移動於短波長側地而訂定者。即，從口徑Δ大的微細柱狀結晶20上之活性層21所釋放的光之峰值波長乃較從口徑Δ小的微細柱狀結晶20上之活性層21所釋放的光之峰值波長為長波長。
因而，由控制微細柱狀結晶20之口徑Δ者，可得到所期望之發光波長。如後述，其微細柱狀結晶20之口徑Δ係由調整形成於樣板基板之III族氮化物半導體層12P之各凹部14的口徑δ(圖1(C))者，可作為所期望的值。凹部14的口徑δ係因依存於光罩開口部之大小，如預先訂定光罩開口部之大小，可得到因應其大小的口徑δ。
更且，從活性層21所釋放的光之峰值波長，係可訂定成對應於各奈米柱23之微細柱狀結晶20的前端部(鋸齒構造202)之表面積的波長者。從活性層21所釋放的光之峰值波長係可呈鋸齒構造之表面積越大，而移動於長波長側，鋸齒構造之表面積越小，而移動於短波長側地而訂定者。即，鋸齒構造之表面積為大的微細柱狀結晶20上之活性層21所釋放的光之峰值波長乃較鋸齒構造之表面積為小的微細柱狀結晶20上之活性層21所釋放的光之峰值波長為長波長。
因而，由控制在微細柱狀結晶20之前端部的鋸齒構造之表面積者，可得到所期望之發光波長。
另外，如圖2所示，形成於光罩圖案13P之開口部13g，...，13g係在光罩圖案13P之面內方向，周期性地加以配列。
在此，對於光罩圖案，係形成複數之開口部的配置密度為高之範圍，和前述複數之開口部的配置密度為低之範圍之情況，從位於開口部的配置密度為高之範圍的複數之微細柱狀結晶20上之活性層21所釋放的光之峰值波長，係成為較從位於開口部的配置密度為低之範圍的複數之微細柱狀結晶20上之活性層21所釋放的光之峰值波長為長波長。
即，從活性層21所釋放的光之峰值波長係可呈微細柱狀結晶20，...，20之面內密度越高，而移動於長波長側，且微細柱狀結晶20，...，20之面內密度越低，而移動於短波長側地而訂定者。面內密度係微細柱狀結晶20，...，20之空間的周期越短而變越高，或微細柱狀結晶20之口徑越大而變越高。
接著，參照圖1(A)～(D)，將在本實施形態之半導體光元件陣列10之最佳製造方法，於以下加以說明。
首先，經由MOCVD法或MBE法，於基底基板11上，以低溫處理使氮化鎵或氮化鋁等之緩衝層(未圖示)成長，於其緩衝層上，使氮化鎵或氮化鋁等之III族氮化物半導體層12成長(圖1(A))。其結果，製作含有基板11與III族氮化物半導體層12之樣板基板。接著，於樣板基板之主面的特定範圍，形成含有鈦(Ti)之金屬光罩層13(圖1(B))。其金屬光罩層13係亦可為鈦的自然氧化膜，或氧化鈦膜亦可。
然而，金屬光罩層13之構成材料係在使微細柱狀結晶20選擇成長的點，鈦為最佳，但並不局限於此，亦可為含有選自鈦(Ti)、鉭(Ta)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、白金(Pt)、金(Au)、鈷(Co)、鎢(W)、鉬(Mo)所成的群之1種或2種以上的金屬者。
接著，將金屬光罩層13作為圖案化，如圖1(C)所示，形成具有使III族氮化物半導體層12P的表面露出之複數開口部的光罩圖案13P。其圖案化係可經由光微影工程而執行。即，於金屬光罩層13上形成光阻劑圖案，由執行將其光阻劑圖案作為蝕刻光罩之蝕刻者，可形成光罩圖案13P。或者由使用FIB(Focused Ion Beam)法，將聚集離子束，以特定Doze量(每單位面積之照射離子量)照射於金屬光罩層13者，可形成光罩圖案13P。
在將金屬光罩層13作為圖案化時，不只是金屬光罩層13，而位於開口部之正下方的III族氮化物半導體層12亦被加工之故，如圖1(C)所示，於光罩圖案13P之開口部之正下方，形成有點狀之凹部(孔)14，...，14。光罩圖案13P之開口部的上面視形狀(即，凹部14之上面視形狀)係並無特別加以限定，而除了圖2所示之正方形狀之外，亦可為圓形狀或多角形狀等之軸對稱形狀。
之後，經由MOCVD法或MBE法，從複數之凹部14，藉由光罩開口部，對於光罩圖案13P之上方，連續性地使微細柱狀結晶20、活性層21及半導體被覆層22成長(圖1(D))。微細柱狀結晶20係與成長於光罩圖案13P之上方同時，亦對於沿著樣板基板之面內方向的橫方向成長。因此，奈米柱23之口徑Δ係變為較凹部之口徑δ為大。另外，半導體被覆層22係呈完全被覆活性層21地加以形成之故，活性層21係未具有對於外部空間之露出部。換言之，活性層21係為完全地理入於奈米柱23之前端部之中的狀態。因此，抑制因其露出部引起之非發光再結合位準的行程，成為可實現高的內部量子效率。
另外，由使微細柱狀結晶20橫方向成長者，有著如以下之效果。
由縮小光罩開口部徑者，抑制在微細柱狀結晶20之成長初期的貫通轉位之產生。之後，如在橫方向成長加大口徑，成為可得到未有貫通轉位比較而言，口徑大之微細柱狀結晶(例如，直徑1000nm)者。
然而，對於為了使微細柱狀結晶20橫方向成長，係有相對性增加氮供給量之方法，或添加Al之方法(例如，作為AlGaN之方法)等。
使纖維鋅礦型結晶構造之III族氮化物半導體，成長於稱作c面(=(0001)面)之極性面的方向而形成微細柱狀結晶20之情況，奈米柱23(或微細柱狀結晶20)之上面視形狀係如圖3所示，成為六角形。圖4(A)，(B)乃概略性地顯示沿微細柱狀結晶20之前端部中心軸之剖面形狀的圖。圖4(A)所示之前端部係成為鋸齒構造，作為朝向斜上方之鋸齒面，具有纖維鋅礦型結晶構造之半極性面20a所成的傾斜面。
此前端部之形狀係為六角錐形狀。在此，作為半極性面20a係例如可舉出(10-1-1)面、(10-1-3)面、(11-22)面、(11-24)面、(10-12)面。另一方面，圖4(B)所示之前端部亦成為鋸齒構造，作為朝向斜上方之鋸齒面，以及朝向正上方的面，具有纖維鋅礦型結晶構造之半極性面20a所成的傾斜面與平坦的極性面20b。因應結晶的成長條件，形成有圖4(A)之前端部形狀，或圖4(B)之前端部形狀之任一。
然而，鋸齒構造係對於基底基板11水平面而言，將傾斜地位置之鋸齒面作為側面之多面體構造者。
如微細柱狀結晶20的口徑為小，容易形成具有圖4(A)所示之六角錐形狀的前端部，如微細柱狀結晶20的口徑為大，容易形成如圖4(B)所示之前端部。雖亦經由結晶的成長條件，但當將微細柱狀結晶20之口徑作為約300nm以上時，可使平坦的極性面20b明確地出現於微細柱狀結晶20之前端部。另外，微細柱狀結晶20之口徑乃超過約300nm而變大程度，平坦的極性面20b之面積係擴大。
使用MBE法而使微細柱狀結晶20成長之情況，將含有經由高頻率電漿激發所生成的活性氮與III族金屬的原料氣體，導入於樣板基板之表面上而使微細柱狀結晶20成長。此時的成長條件係比較於III族金屬，如增加活性氮之實際的供給量比，作為微細柱狀結晶20成長條件即可。例如，使氮化鎵(GaN)所成之微細柱狀結晶20成長之情況，係當將結晶成長溫度作為600℃以下時，對於光罩開口部以外的成長抑制範圍，成長有GaN結晶者亦多。另一方面，越提昇成長溫度，成長於成長抑制範圍之GaN結晶的空間密度則越減少。經由將溫度作為某一定溫度以上之時，亦可不使GaN成長於成長抑制範圍。不使GaN成長於成長抑制範圍的溫度係亦依存於III族金屬與活性氮之供給量或比率，但作為一例，為850℃以上。
為了使微細柱狀結晶20成長，MBE係以以下的條件進行者為佳。溫度係對應於成長之III族氮化物半導體的種類而適宜加以選擇，但350℃以上，1200℃以下之範圍。例如，使GaN結晶成長之情況係400℃以上1000℃以下、使AlN結晶成長之情況係500℃以上1200℃以下、使InN結晶成長之情況係350℃以上600℃以下者為佳。在上述之溫度範圍，經由以富有氮的條件下進行MBE之時，可使III族氮化物半導體之微細柱狀結晶20成長者。
在本實施形態中，未形成有光罩開口部之光罩圖案13P上的範圍係控制微細柱狀結晶20之成長的範圍(成長控制範圍)。在成長控制範圍控制橫方向之結晶成長的理由係並不了解而未得出推測的區域，但在光罩圖案13P之表面的鎵(Ga)等之脫離則較樣板基板之露出表面而被促進之故，推測抑制了橫方向成長。或者，著眼於Ti及Pt之物性的情況，此等係比較於其他的金屬，融點或沸點為高，每共有結合之結合能量為高，另外，熱傳導率乃比較於其他的金屬為低。Ti及Pt係從共有結合之強度，在表面之未結合的方法為少。從此情況，無法期待結合之容易度，而亦可推測控制III族氮化物微細柱狀結晶之成長開始者。
另外，在結晶成長工程，對於金屬膜表面，係活性氮乃單獨或與III族金屬同時加以照射。對於具有氮化物形成能之金屬的情況，推測形成有金屬氮化物(例如、TiN、WN)。此等之金屬氮化物係化學性安定，即對於表面係活性之未結合方法為少之故，與Ga或GaN等之結合為弱。隨之，對於Ga或GaN等從表面脫離為充分之成長溫度的情況，亦認為對於所供給之Ga或GaN等持續結晶成長，在成為足夠充分的大小之前而脫離，控制GaN等之成長者。
由以上，作為在成長控制範圍控制橫方向之結晶成長的理由，特別是預想著在成長控制範圍之溫度，比較於基板表面為高的點，與於成長控制範圍上，不易形成GaN之成長核的點之相乘效果。
另一方面，在樣板基板之III族氮化物半導體層12P的露出表面上中，未產生結晶成長的控制。形成於樣板基板及光罩圖案13P之表面上的微細柱狀結晶20係依存於樣板基板或光罩圖案13P之材質，光罩圖案13P之膜厚或成長條件而產生變化，但對於樣板基板之主面或光罩圖案13P之表面而言，豎立於略垂直方向而成長。
經由本實施形態之方法而成長之III族氮化物半導體所成之微細柱狀結晶20乃具有奈米等級的口徑Δ之柱狀構造的單結晶。微細柱狀結晶20之直徑乃例如設定為10nm以上，1000mm以下之範圍內的尺寸。微細柱狀結晶20之高度係經由光罩圖案13P之厚度或結晶之成長條件亦產生變動，但例如為0.2μm以上5μm以下之範圍內。光罩圖案13P之膜厚係雖未特別加以限定，但理想為2nm以上100nm以下之範圍內。但，微細柱狀結晶20的直徑及高度係經由結晶的成長條件而有變動。
之後，於各微細柱狀結晶20上設置活性層21，更加地於活性層21，形成半導體被覆層22。活性層21，半導體被覆層22係可經由MOCVD法，或MBE法而形成者。
然而，活性層21，構成半導體被覆層22之材料係亦可堆積於光罩圖案13P上。
另外，對於形成半導體被覆層22時，使其橫方向成長，不只是活性層21上面，而被覆側面者為佳。
(發光波長之結晶徑依存性)
圖5乃顯示形成於III族氮化物半導體層12P的凹部14口徑(以下稱作「孔徑」)δ與奈米柱23之發光波長之間的關係圖表。
為了得到圖5之圖表所製作之奈米柱23之製造條件係如以下。於藍寶石基板11之(0001)面上，使GaN層12P(厚度：約3.5μm)，以MOCVD法成長而形成樣板基板。於此樣板基板上，將鈦薄膜(厚度：約5nm)進行成膜之後，使用FIB法，於其鈦薄膜，由設置配列成三角格子狀之複數的開口部(空間周期(開口部之中心間的距離)：400nm)者，形成光罩圖案13P。與光罩開口部之形成同時，對於GaN層12P係形成有凹部14。接著，經由RF-MBE，以900℃之溫度條件下，從樣板基板之凹部14，藉由光罩開口部，使GaN柱狀結晶20(高度：2.5μm)成長。接著，於各微細柱狀結晶20上，形成具有含有InGaN膜(厚度：1nm)之多重量子井構造的活性層21。接著，於其活性層21上，形成GaN結晶之半導體被覆層22(厚度：10nm)。
以如此之製造條件，製作13個具有50nm～265nm之範圍內之不同孔徑δ之半導體發光元件的樣品，對於各樣品，測定凹部14之深度(以下稱作「孔深度」)，和PL(photoluminescence)發光波長，和孔徑23之口徑(以下稱作「奈米柱徑」)。圖5乃顯示其測定結果之圖表。
從圖5的圖表，確認到孔徑δ越大，孔深度越深，孔徑變大，發光波長變長之傾向。相反地，確認到孔徑δ越小，孔深度越淺，奈米柱徑變小，發光波長變短之傾向。
接著，圖6係顯示對於各具有166nm，192nm，203nm，226nm，242nm，298nm，236nm之奈米柱徑的半導體元件所測定之PL發光波長(單位：nm)與光強度(單位：任意單位)之間的關係圖表。為了得到此圖表所製作之奈米柱23之製造條件係與為了得到圖5之圖表所製作之奈米柱23之製造條件相同。
從圖6之光強度分布，對於各奈米柱徑，檢測峰值波長。圖7乃顯示奈米柱徑(Nanocolumn Size)與所檢測出之峰值波長(Peak Wavelength)的關係圖表。了解到奈米柱徑越大，峰值波長變越長，奈米柱徑越小，峰值波長變越短者。
以上，如考慮釋放光之活性層21的構造依存於微細柱狀結晶20之前端形狀者，從圖5乃至圖7了解到，從活性層21所釋放的光之峰值波長係形成有活性層21之前之微細柱狀結晶20的口徑Δ越大，而移動於長波長側，而微細柱狀結晶20的口徑Δ越小，而移動於短波長側。
接著，圖8乃顯示使用FIB法而形成凹部(孔)14於樣板基板情況之Doze量(cm-2 )與凹部深度(Nanohole depth)的關係圖表。圖9乃顯示Doze量(cm-2 )與凹部14口徑(Nanohole size)δ之關係，Doze量(cm-2 )與奈米柱23的口徑(Nanocolumn Size)之關係的圖表。
為了得到圖8及圖9之圖表所製作之奈米柱23之製造條件係如以下。於藍寶石基板11之(0001)面上，使GaN層12P(厚度：約3.5μm)，以MOCVD法成長而形成樣板基板。於此樣板基板上，將鈦薄膜(厚度：約5nm)進行成膜之後，使用FIB法，於其鈦薄膜，由設置複數的開口部者，形成光罩圖案13P。與光罩開口部之形成同時，對於GaN層12P係形成有凹部14。接著，經由RF-MBE，以900℃之溫度條件下，從樣板基板之凹部14，藉由光罩開口部，使GaN柱狀結晶20(高度：2.5μm)成長。接著，於各微細柱狀結晶20上，形成具有含有InGaN膜(厚度：1nm)之多重量子井構造的活性層21。接著，於其活性層21上，形成GaN結晶之半導體被覆層22(厚度：10nm)。
以如此之製造條件，和不同之Doze量，製作14個半導體發光元件之樣品，對於各樣品，測定凹部14之深度，凹部14之口徑δ及奈米柱23徑。圖8及圖9乃顯示其測定結果之圖表。
如圖8之圖表所示，照射聚集離子束於金屬光罩層13時之Doze量變越多，凹部14之深度亦變大。另外，如圖9之圖表所示，了解到Doze量變越多，凹部14之口徑(nanohole size)變大的同時，奈米柱23徑(nanocolumn size)亦變大。隨之，理解到與凹部14之口徑的增大同時，微細柱狀結晶20的口徑Δ亦增大。
圖10及圖11係顯示在規則性地配列成正方格子狀之具有不同口徑之奈米柱23，...，23的掃描型電子顯微鏡像(SEM像)圖。圖10乃顯示從奈米柱23，...，23之上面視的SEM像，圖11乃從斜面俯視此等奈米柱23，...，23時之SEM像。圖10及圖11所示之奈米柱群係經由個別控制凹部14，…，14的口徑而加以製作。
(發光波長之前端形狀依存性)
接著，圖12乃顯示從奈米柱23所釋放之CL(陰極螢光)的光之光譜之測定結果圖表。此圖表之橫軸係對應於發光波長，此圖表之縱軸係對應於CL強度(任意單位)。圖13(A)乃顯示從奈米柱23之上面視的SEM像，圖13(B)、(C)乃各不同波長405nm，510nm之CL像(陰極螢光像)的上面視圖。圖14(A)乃顯示從橫方向照射奈米柱23的SEM像，圖14(B)、(C)、(D)乃各不同波長365nm，435nm，500nm之剖面CL像(圖14(A)之奈米柱之剖面CL像)的圖。
為了得到圖12、圖13(A)～(C)及圖14(A)～(D)所製作之奈米柱23之製造條件係如以下。於藍寶石基板11之(0001)面上，使GaN層12P(厚度：約3.5μm)，以MOCVD法成長而形成樣板基板。於此樣板基板上，將鈦薄膜(厚度：約5nm)進行成膜之後，使用FIB法，於其鈦薄膜，由設置配列成三角格子狀之複數的開口部(空間周期：400nm)者，形成光罩圖案13P。與光罩開口部之形成同時，對於GaN層12P係形成有凹部14。接著，經由RF-MBE，以900℃之溫度條件下，從樣板基板之凹部14，藉由光罩開口部，使GaN柱狀結晶20(高度：1.8μm，徑180～495nm)成長。接著，於各微細柱狀結晶20上，形成具有含有InGaN膜(厚度：3nm)之多重量子井構造的活性層21。接著，於其活性層21上，形成GaN結晶之半導體被覆層22(厚度：10nm)。
如圖12之圖表所示，對於CL強度分布，係有來自GaN之發光的峰值、有來自InGaN之2個的發光的峰值(波長：404nm、510nm)。
圖13(B)所示之波長405nm的CL像係顯示來自奈米柱23之活性層21全體的發光。其CL像乃認為顯示來自形成於微細柱狀結晶20之前端部之側面(半極性面)20a(圖4(B))上的InGaN之發光圖。對此，圖13(C)所示之波長510nm的CL像係顯示奈米柱23之活性層21之中只來自頂上附近的發光。其CL像乃認為顯示來自形成於微細柱狀結晶20之前端部之平坦面(極性面)20b(圖4(B))上的InGaN之發光圖。
更且，圖14(B)所示之波長365nm的剖面CL像係顯示來自分布於奈米柱23之全體的GaN之發光。圖14(C)所示之波長435nm的剖面CL像係顯示來自奈米柱23之前端部全體的InGaN之發光。其剖面CL像乃主要認為顯示來自形成於微細柱狀結晶20之前端部之側面(半極性面)20a(圖4(B))上的InGaN之發光圖。圖14(D)所示之波長500nm的剖面CL像係顯示來自奈米柱23之頂部附近的InGaN之發光。其剖面CL像乃主要認為顯示來自形成於微細柱狀結晶20之前端部之平坦面(半極性面)20b(圖4(B))上的InGaN之發光圖。
從圖12、圖13(A)～(C)及圖14(A)～(D)所理解到，形成於微細柱狀結晶20之前端部之側面(半極性面)20a上之InGaN之發光波長，和形成於微細柱狀結晶20之前端部之平坦面(極性面)20b上之InGaN之發光波長乃不同。此理由，係認為如以下所述。
如圖15(B)所示，在形成於微細柱狀結晶20之側面20a上之InGaN結晶21s，和形成於平坦面20b上之InGaN結晶21t中，係認為對於InGaN結晶中之In的導入容易度乃不同之故，形成於平坦面20b上之InGaN結晶21t中之In組成比係比較高，形成於側面20a上之InGaN結晶21s中之In組成比係比較低。因此，形成有如圖15(A)所示之CL光譜(與圖12相同CL光譜)。另外，載體係因封入於前端部附近之載體窄之InGaN結晶21t之故，前端部附近之InGaN結晶21t乃可形成量子點。此乃認為使形成於側面20a之InGaN之發光波長，和形成於平坦面20b之InGaN之發光波長的差產生。
使用為了得到圖12之CL強度分布所製作之樣品，測定PL(光激發光)強度。作為激發光而使用波長405nm之CW(Continuous Wave)光。另外，激發光密度乃0.29kW/cm2 。PL強度分布之峰值波長係以4K之低溫條件為486.2nm、以300K之高溫條件為486.7nm，PL強度分布之半值全幅(FWHM：Full Width at Half Maximum)係相當於以4K之低溫條件為151.3meV、相當於以300K之高溫條件為187.2meV。隨之，低溫條件與高溫條件之間的PL積分強度比，即內部量子效率乃對於波長486nm而言為約77%，確認到有非常良好之結晶性。實現如此之高的內部量子效率之1個理由係對於活性層21(21s，21t)之外部空間的露出部變無，認為抑制經由非發光再結合之注入載體的損失之故。如圖15(B)所示，具有窄的帶隙之InGaN結晶21s，21t係經由具有寬的帶隙之GaN而完全地加以被覆，成理入於奈米柱23之狀態。因此，因對於InGaN結晶21s，21t之外部空間的露出部變無之故，可認為抑制非發光再結合位準之形成者。假設如存在有露出部，於其露出部之表面的帶隙內，形成有非發光再結合位準，經由藉由其非發光再結合位準而電子與電洞再結合之時，發光效率則下降。
然而，在此係對於具有InGaN結晶21s，21t之奈米柱23而有提到，但亦可未有InGaN結晶21t。
即使由如此之奈米柱，確認到經由奈米柱徑，可控制發光波長者。即，確認到從口徑Δ小的奈米柱之活性層所釋放的光之峰值波長乃成為較從口徑Δ大的奈米柱之活性層所釋放的光之峰值波長為低波長者。
圖16乃顯示奈米柱23徑(柱徑)與奈米柱23之前端部的鋸齒構造表面積之關係同時，顯示柱徑與發光峰值波長之關係的圖表。發光峰值波長係從PL光之強光分布所檢測出之波長。圖表中，記號「○」乃顯示發光峰值波長之測定值，記號「●」乃顯示奈米柱23之前端面的平坦面(SurfaceC)之面積，記號「▲」乃顯示奈米柱23之前端面的傾斜側面(SurfaceSemi)之面積，記號「■」乃顯示奈米柱23之前端面的平坦面之面積與傾斜側面之面積的合計。
為了得到圖16之圖表所製作之奈米柱23之製造條件係如以下。於藍寶石基板11之(0001)面上，使GaN層12P(厚度：約3.5μm)，以MOCVD法成長而形成樣板基板。於此樣板基板上，將鈦薄膜(厚度：約5nm)進行成膜之後，使用FIB法，於其鈦薄膜，由設置配列成三角格子狀之複數的開口部(空間周期：400nm)者，形成光罩圖案13P。與光罩開口部之形成同時，對於GaN層12P係形成有凹部14。接著，經由RF-MBE，以900℃之溫度條件下，從樣板基板之凹部14，藉由光罩開口部，使GaN柱狀結晶20(高度：2.5μm)成長。接著，於各微細柱狀結晶20上，形成具有含有InGaN膜(厚度：1nm)之多重量子井構造的活性層21。接著，於其活性層21上，形成GaN結晶之半導體被覆層22(厚度：10nm)。
以如此之製造條件，製作複數個具有135nm～350nm之範圍內之不同柱徑之奈米柱群的樣品，對於各樣品，測定奈米柱23之前端部的表面積，和發光峰值波長。圖16乃顯示其測定結果之圖表。
如圖16之圖表所示，與柱徑之增大之同時，奈米柱23之前端部的鋸齒構造表面積(傾斜側面(鋸齒面)與平坦面之合計面積)係增大。另外，在柱徑乃約135nm～約288nm之範圍內，與柱徑之增大之同時，發光峰值波長的值亦單調地增大。因而，奈米柱23之前端部之中朝向上方之鋸齒面的合計面積之增大的同時，發光峰值波長的值則增大。活性層21之膜厚與半導體被覆層22之膜厚乃薄之故，實質上，微細柱狀結晶20之前端部之中朝向上方之鋸齒面的面積之增大的同時，發光峰值波長可變長。隨之，由控制微細柱狀結晶20之前端部之中朝向上方之鋸齒面的面積者，可得到所期望之發光峰值波長者。
另外，如圖16之圖表所示，在在柱徑乃約135nm～約260nm之範圍，奈米柱23之前端部的傾斜側面(SurfaceSemi)之面積的增大同時，發光峰值波長的值亦增大之正的相關關係則成立，但柱徑超過約260nm時，其相關關係乃不成立。取代此，在柱徑乃約260nm～約288nm之範圍內，與奈米柱23之前端面的平坦面(SurfaceC)之面積的增大同時，發光峰值波長的值乃增大。
接著，圖17乃顯示關於具有200nm之柱徑的奈米柱23之PL發光波長的光強度分布(單位：任意單位)圖表。圖表中，實線係顯示奈米柱23之前端部的傾斜側面高度h乃2.1μm情況之測定曲線，虛線係顯示奈米柱23之前端部的傾斜側面高度h乃1.25μm情況之測定曲線。圖18乃顯示對於相同奈米柱23之高度h與發光峰值波長之關係的圖表。圖18之圖表之橫軸係對應於高度h，縱軸係對應於發光峰值波長。
為了得到圖17及圖18之圖表所製作之奈米柱23之製造條件係如以下。於藍寶石基板11之(0001)面上，使GaN層12P(厚度：約3.5μm)，以MOCVD法成長而形成樣板基板。於此樣板基板上，將鈦薄膜(厚度：約5nm)進行成膜之後，使用FIB法，於其鈦薄膜，由設置配列成三角格子狀之複數的開口部(空間周期：400nm)者，形成光罩圖案13P。與光罩開口部之形成同時，對於GaN層12P係形成有凹部14。接著，經由RF-MBE，以900℃之溫度條件下，從樣板基板之凹部14，藉由光罩開口部，使GaN柱狀結晶20(高度：2.5μm)成長。接著，於各微細柱狀結晶20上，形成具有含有InGaN膜(厚度：1nm)之多重量子井構造的活性層21。接著，於其活性層21上，形成GaN結晶之半導體被覆層22(厚度：10nm)。
如圖17所示，奈米柱23之前端部的傾斜側面的高度h乃從1.25μm變化為2.1μm時，光強度分布之峰值亦移動於長波長測。對於圖18，亦顯示有其傾向。
(發光波長之面內密度依存性)
圖19(A)~(F)係顯示在規則性地配列成三角格子狀之奈米柱群的上面視之SEM像圖。圖19(A)，(B)，(C)，(D)，(E)，(F)乃各顯示空間周期(各微細柱狀結晶20之中心間的距離)400nm，600nm，800nm，1μm，2μm，4μm之場合的配列。另外，對應於空間周期400nm，600nm，800nm，1μm，2μm，4μm之配列的PL發光之峰值波長乃各測定為508nm，500nm，490nm，480nm，480nm，479nm。
為了得到圖19之SEM像所製作之奈米柱23之製造條件係如以下。於藍寶石基板11之(0001)面上，使GaN層12P(厚度：約3.5μm)，以MOCVD法成長而形成樣板基板。於此樣板基板上，將鈦薄膜(厚度：約5nm)進行成膜之後，使用FIB法，於其鈦薄膜，由設置配列成三角格子狀之複數的開口部(各光罩開口部的口徑：167nm)者，形成光罩圖案13P。與光罩開口部之形成同時，對於GaN層12P係形成有凹部14。接著，經由RF-MBE，以900℃之溫度條件下，從樣板基板之凹部14，藉由光罩開口部，使GaN柱狀結晶20(高度：1.5μm.口徑190nm)成長。接著，於各微細柱狀結晶20上，形成具有含有InGaN膜(厚度：3nm)之多重量子井構造的活性層21。接著，於其活性層21上，形成GaN結晶之半導體被覆層22(厚度：10nm)。
如圖19(A)～(F)所示，峰值波長係奈米柱23，…，23之空間周期(柱周期，配置密度)越短，而移動於長波長側，且奈米柱23，…，23之空間周期越長，而移動於短波長側。
圖20乃顯示關於圖19(A)~(F)之奈米柱群之PL發光波長的光強度分布(單位：任意單位)之測定結果圖表。另外，圖21乃顯示柱周期與圖20之光強度分布的發光峰值波長之關係的圖表。在此，各奈米柱23之柱徑乃作為160nm。
如圖21所示，在柱周期乃約1μm以下之範為中，與柱周期之增大之同時，發光峰值波長的值則減少。當將柱徑保持一定，加長柱周期時，奈米柱23，…，23之面內密度乃變小之故，與面內密度之減少的同時，發光峰值波長變短，而與面內密度之增大的同時，發光峰值波長變長。
圖22係顯示在規則性地配列成三角格子狀之奈米柱群的上面視之SEM像圖。圖22(A)，(B)，(C)，(D)乃各顯示空間周期242nm，269nm，298nm，336nm之場合的配列。另外，對應於空間周期242nm，269nm，298nm，336nm之配列的PL發光之峰值波長乃各測定為607nm，643nm，649nm，650nm。
為了得到圖22(A)～(D)之SEM像所製作之奈米柱23之製造條件係除了光罩開口部的口徑，與為了得到圖19之SEM像所製作之奈米柱23之製造條件相同。為了得到圖22之SEM像所製作之奈米柱23之口徑係呈與空間周期之增大同時而變大地加以設定。
如圖22(A)～(D)所示，與奈米柱23之口徑增大的同時，峰值波長的值則增大。與奈米柱23之口徑增大的同時，奈米柱23，...，23之面內密度(配置密度)乃變大之故，與面內密度之增大的同時，發光峰值波長變長，而與面內密度之減少的同時，發光峰值波長變短。
如考慮奈米柱23之半導體被覆層22的膜厚為薄，而控制橫方向之結晶成長，從活性層21所釋放的光之峰值波長係微細柱狀結晶20，...，20之面內密度越高，而移動於長波長側，且微細柱狀結晶20，...，20之面內密度越低，而移動於短波長側。隨之，由控制微細柱狀結晶20之口徑者，可得到所期望之發光波長。
如以上說明，第1實施形態之半導體光元件陣列10係可將形成於樣板基板上的微細柱狀結晶20之位置，由調整光罩圖案13P之開口部的位置者而控制。另外，由調整各開口部之正下方的凹部14口徑者，控制微細柱狀結晶20之口徑，由此，可將從活性層21所釋放的光之峰值波長，訂定為所期望之波長者。另外，可由加大各微細柱狀結晶20之口徑，使峰值波長移動於長波長測，由縮小各微細柱狀結晶20之口徑，使峰值波長移動於短波長測。
另外，由控制微細柱狀結晶20之前端部的鋸齒構造表面積者，可將從活性層21所釋放的光之峰值波長，訂定為所期望之波長。可由加大鋸齒構造表面積，使峰值波長移動於長波長測，由縮小鋸齒構造表面積，使峰值波長移動於短波長測。
更且，可由提高周期性加以配列之微細柱狀結晶20，...，20之面內密度，使峰值波長移動於長波長測，由降低微細柱狀結晶20，...，20之面內密度，使峰值波長移動於短波長測。面內密度之控制係可經由微細柱狀結晶20，…，20之空間周期(即，形成於光罩圖案13P之開口部的空間周期)的調整，或者各微細柱狀結晶20的口徑(即，形成於光罩圖案13P之開口部的口徑)之調整，以高精確度進行者。
(第2實施形態)
接著，對於有關本發明之第2實施形態加以說明。圖23(A)、(B)乃概略性地顯示各第2實施形態之半導體發光元件的構成之一部分的圖。圖23(A)、(B)所示之構造係包含上述第1實施形態之半導體光元件陣列10的構造者。
當參照圖23(A)時，形成於基底基板11上之III族氮化物半導體層12P乃導入有n型不純物之n型半導體層。光罩圖案13P係與n側電極(未圖示)加以連接。對於其III族氮化物半導體層12P上，係形成有含有n型AlGaN等之n型包覆層之微細柱狀結晶20，和活性層21，和含有p型AlGaN等之p型包覆層之p型半導體層24所成之奈米柱。對於此等奈米柱間的空間，埋入有氧化矽等之絕緣膜30。並且，呈電性連接於p型半導體層24，…，24地，將Ni/Au多層膜或ITO(Indium Tin Oxide)等之p側電極31加以成膜。經由從p側電極所植入之電洞與來自n側電極之電子乃在活性層21再結合之時，活性層21係釋放光。
微細柱狀結晶20係由n型半導體層加以構成，例如亦可為GaN/AlGaN/GaN之3層構成。
另一方面，當參照圖23(B)時，形成於基底基板11上之III族氮化物半導體層12P乃導入有n型不純物之n型半導體層。光罩圖案13P係與n側電極(未圖示)加以連接。對於其III族氮化物半導體層12P上，係形成有含有n型AlGaN等之n型包覆層之微細柱狀結晶20，和活性層21，和含有p型AlGaN等之p型包覆層之p型半導體層25所成之奈米柱23。p型半導體層25係經由橫方向之結晶成長的促進，連續形成於橫方向。
對於為了使p型半導體層25促進橫方向成長，係有摻雜Mg之方法，降低成長溫度之方法，添加Al之方法等。並且，呈電性連接於p型半導體層25地，將Ni/Au多層膜或ITO(Indium Tin Oxide)等之p側電極32加以成膜。經由從p側電極所植入之電洞與來自n側電極之電子乃在活性層21再結合之時，活性層21係釋放光。
對於將圖23(A)及圖23(B)之構造作為雷射二極體而構成之情況，如形成封入從活性層21所釋放的光之光共振器即可。例如，從活性層21各形成多層膜反射鏡於上方與下方，可由此等多層膜反射鏡構成光共振器者。
然而，亦可於p型半導體層25形成光導波路徑者。
又，亦可圖23(A)或圖23(B)之構造，變形成太陽能電池等之光電變換元件者。例如，在各奈米柱23，取代活性層21而如形成pin構造(光吸收構造)即可。在其pin構造中，可將i型半導體層作為量子點構造者。經由將複數之量子點構造，藉由中間層而層積，構成i型半導體層之時，可使變換效率提昇者。如上述，經由控制微細柱狀結晶20的口徑，微細柱狀結晶20，…，20之面內密度或微細柱狀結晶20之前端形狀之時，可使pin構造適合於所期望之吸收波長者。
(第3實施形態)
接著，對於本發明之第3實施形態加以說明。圖24及圖25乃各顯示第3實施型態之半導體發光元件之構成的一部分斜視圖。第3實施型態之半導體發光元件係包含上述第1實施形態之半導體光元件陣列10的構造者。
當參照圖24時，形成於基底基板11上之III族氮化物半導體層12P乃導入有n型不純物之n型半導體層。對於光罩圖案13P上係形成有n側電極40。對於III族氮化物半導體層12P上，係形成有發光波長不同之複數種的奈米柱群23R，23G，23B。構成此等奈米柱群23R，23G，23B之奈米柱，係如具有與如圖23(B)所示之含有n型AlGaN等之n型包覆層之n型(第1導電型)之微細柱狀結晶20，和活性層21，和含有p型AlGaN等之p型包覆層之p型(第2導電型)之半導體層25所成之奈米柱相同構造即可。奈米柱群23R，23G，23B係具有各釋放R(紅色)，G(綠色)，B(藍色)之3原色的波長光之結晶構造。
更且，如圖25所示，對於奈米柱群23R，23G，23B上，將各p型半導體層25R，25G，25B加以成膜。並且，對於此等p型半導體層42R，42G，42B，係各連接p側電極42R，42G，42B。p側電極42R，42G，42B係如由Ni/Au多層膜或ITO(Indium Tin Oxide)加以構成即可。
經由從p側電極42R，42G，42B所植入之電洞與來自n側電極之電子乃在奈米柱群23R，23G，23B之活性層23再結合之時，活性層21係可釋放光。
對於將圖25之構造作為雷射二極體而構成之情況，如形成封入從活性層21所釋放的光之光共振器即可。例如，從活性層21各形成多層膜反射鏡於上方與下方，可由此等多層膜反射鏡構成光共振器者。
第3實施形態之半導體發光元件係可將釋放3原色之波長光之發光體，聚集於同一的基板11上者。更且，由將各釋放R、G、B光之奈米柱群23R，23G，23B的面內密度個別做調整者，控制光強度分布，可將全體之光譜分布作為接近於太陽光之光譜分布。其結果，可製作理想之白色發光二極體者。
以上，參照圖面，對於本發明之實施型態已敘述過，但此等乃本發明之例示，亦可採用上述以外之各種構成者。例如，在上述實施型態中，作為基底基板11而使用藍寶石基板，但並不局限於此，例如亦可使用矽基板或SiC基板。取代樣板基板，而亦可使用氮化鎵基板等之III族氮化物半導體基板。
有關本發明之半導體光元件陣列係可應用在電子裝置及光裝置之領域。微細柱狀結晶係具有優越之發光特性，期待有對於發光裝置之應用。有關本發明之半導體光元件陣列係例如可適用於螢光體，發光二極體，雷射二極體或光電變換元件者。
10．．．半導體光元件陣列
11．．．基底基板
12，12P．．．III族氮化物半導體層
13．．．金屬光罩層
13P．．．光罩圖案
14．．．凹部
20．．．微細柱狀結晶
20a．．．極性面
20b．．．半極性面
21．．．活性層
22．．．半導體被覆層
23．．．奈米柱
201．．．柱狀部
202．．．鋸齒構造
上述之目的，以及其他的目的，特徵及優點係經由以下所述之最佳的實施形態，以及隨附於此之以下圖面而更明瞭。
圓1(A)~(D)乃概略性地顯示關於本發明之一實施形態之半導體發光元件的製造工程剖面圖。
圖2乃顯示形成於光罩圖案之開口部之圖案的一例圖。
圖3係顯示奈米柱之圖案的一例的圖。
圖4(A)，(B)乃概略性地顯示沿微細柱狀結晶之前端部中心軸之剖面形狀的圖。
圖5乃顯示形成於樣板基板的凹部口徑與奈米柱之發光波長之間的關係圖表。
圖6乃顯示PL發光波長與光強度之間的關係圖表。
圖7乃顯示奈米柱徑(Nanocolumn Size)與所檢測出之峰值波長(Peak Wavelength)的關係圖表。
圖8乃顯示使用FIB法而形成凹部於樣板基板情況之Doze量與凹部深度(Nanohole depth)的關係圖表。
圖9乃顯示Doze量與凹部口徑(Nanohole size)之關係，Doze量與奈米柱徑(Nanocolumn Size)之關係的圖表。
圖10乃顯示規則性地配列成正方格子狀之奈米柱之掃描型電子顯微鏡像的圖。
圖11乃顯示規則性地配列成正方格子狀之奈米柱之掃描型電子顯微鏡像的圖。
圖12乃顯示從奈米柱所釋放之CL(陰極螢光)的光之光譜之測定結果圖表。
圖13(A)乃顯示從奈米柱而視的SEM像，(B)、(C)乃各不同波長之CL像(陰極螢光像)的上面視圖。
圖14(A)乃顯示從橫方向照射奈米柱的SEM像，(B)、(C)、(D)乃各不同波長之面CL像的圖。
圖15(A)乃顯示與圖12相同之DL光譜的圖表，(B)乃模式性地顯示奈米柱之前端部的構成圖。
圖16乃顯示奈米柱徑與奈米柱之表面積之關係，並顯示奈米柱徑與發光峰值波長之關係的圖表。
圖17乃顯示關於奈米柱之PL發光波長的光強度分布圖表。
圖18乃顯示奈米柱之前端部的高度與發光峰值波長之關係的圖表。
圖19(A)~(F)係顯示在規則性地配列成三角格子狀之奈米柱群的上面視之SEM像圖。
圖20乃顯示關於圖19(A)~(F)之奈米柱群之PL發光波長的光強度分布之測定結果圖表。
圖21乃顯示柱周期與圖20之光強度分布的發光峰值波長之關係的圖表。
圖22係顯示在規則性地配列成三角格子狀之奈米柱群的上面視之SEM像圖。
圖23(A)、(B)乃概略性地顯示各第2實施形態之半導體發光元件的構成之一部分的圖。
圖24乃顯示有關本發明之第3實施型態之半導體發光元件之構成的一部分斜視圖。
圖25乃顯示有關本發明之第3實施型態之半導體發光元件之構成的一部分斜視圖。
10．．．半導體光元件陣列
11．．．基底基板
12，12P．．．III族氮化物半導體層
13．．．金屬光罩層
13P．．．光罩圖案
14．．．凹部
20．．．微細柱狀結晶
21．．．活性層
22．．．半導體被覆層
23．．．奈米柱
201．．．柱狀部
202．．．鋸齒構造
δ．．．口徑

Claims (21)

  1. 一種半導體光元件陣列，其特徵乃具備：具有形成有複數之凹部的主面之半導體基板，和形成於前述半導體基板之該主面上，且具有各設置於前述複數之凹部正上方之複數之開口部的光罩圖案，和從前述複數之凹部，藉由前述複數之開口部，朝向前述光罩圖案上方而成長之III族氮化物半導體所成之複數的微細柱狀結晶，和各成長於前述複數之微細柱狀結晶上的活性層或光吸收層，和被覆前述各活性層或光吸收層之半導體層。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之半導體光元件陣列，其中，對於前述各微細柱狀結晶上係形成有活性層。
  3. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述各微細柱狀結晶的口徑乃10nm以上、1000nm以下。
  4. 如申請專利範圍第3項記載之半導體光元件陣列，其中，於前述微細柱狀結晶之前端部，形成鋸齒面，前述活性層係被覆此鋸齒面。
  5. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，含有不同口徑之前述微細柱狀結晶， 從口徑小的前述微細柱狀結晶上的活性層所釋放的光之峰值波長乃較從口徑大前述微細柱狀結晶上的活性層所釋放的光之峰值波長為低波長。
  6. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，對於前述光罩圖案，係有前述複數之開口部的配置密度高之範圍，和前述複數之開口部的配置密度低之範圍，從位於複數之開口部的配置密度高之範圍的複數之微細柱狀結晶上之活性層所釋放的光之峰值波長乃較從位於複數之開口部的配置密度低之範圍的複數之微細柱狀結晶上之活性層所釋放的光之峰值波長為長波長。
  7. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述各微細柱狀結晶係於前端部具有鋸齒構造之同時，在各微細柱狀結晶之前述鋸齒構造的表面積乃不同，從鋸齒構造的表面積為小之前述微細柱狀結晶所釋放的光之峰值波長乃較從鋸齒構造的表面積為大之前述微細柱狀結晶所釋放的光之峰值波長為低波長。
  8. 如申請專利範圍第7項記載之半導體光元件陣列，其中，前述各微細柱狀結晶係具有纖維鋅礦型結晶構造，構成前述鋸齒構造之鋸齒面乃含有前述纖維鋅礦型結晶構造之半極性面。
  9. 如申請專利範圍第8項記載之半導體光元件陣列 ，其中，前述鋸齒構造乃含有前述纖維鋅礦型結晶構造之極性面。
  10. 如申請專利範圍第7項記載之半導體光元件陣列，其中，前述各微細柱狀結晶係具有纖維鋅礦型結晶構造，前述鋸齒構造乃含有前述纖維鋅礦型結晶構造之極性面。
  11. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述活性層係經由前述半導體層而完全加以被覆。
  12. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述微細柱狀結晶之導電型乃第1導電型，前述半導體層乃含有與前述第1導電型相反之第2導電型之III族氮化物半導體層。
  13. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述複數之微細柱狀結晶乃由發光波長不同之複數之柱狀結晶群所成。
  14. 如申請專利範圍第13項記載之半導體光元件陣列，其中，前述複數之柱狀結晶群乃至少含有各釋放3原色之波長光的3個柱狀結晶群。
  15. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述活性層係具有含有量子井層，和具有較前述量子井層為大之帶隙，夾持前述量子井層之障壁層的量子井層構造。
  16. 如申請專利範圍第2項至第15項任一項記載之半導體光元件陣列，其中，前述光罩圖案之構成材料乃選自鈦(Ti)、鉭(Ta)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、白金(Pt)、金(Au)、鈷(Co)及鎢(W)、鉬(Mo)所成的群之1種或2種以上的金屬者。
  17. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述III族氮化物半導體乃含有氮化鎵。
  18. 如申請專利範圍第2項記載之半導體光元件陣列，其中，前述III族氮化物半導體乃含有Alx Gay In1-x-y N(0≦x≦1、0≦y≦1、且0≦x+y≦1)。
  19. 一種半導體光元件陣列的製造方法，其特徵乃具備：於半導體基板，形成具有複數之開口部之光罩圖案的工程，和經由將前述光罩圖案作為蝕刻光罩，蝕刻前述半導體基板之時，於前述半導體基板之主面，形成複數之凹部的工程，和從前述各凹部，藉由前述各開口部，朝向前述光罩圖案上方而使複數的微細柱狀結晶成長的工程，和於前述微細柱狀結晶上，使活性層或光吸收層成長的工程，和形成被覆前述活性層或光吸收層之半導體層的工程。
  20. 如申請專利範圍第19項記載之半導體光元件陣列之製造方法，其中，與朝向前述光罩圖案之上方，使複 數之微細柱狀結晶成長之前述工程同時，更具備使前述微細柱狀結晶成長於沿著前述半導體基板之面內方向之橫方向的工程。
  21. 如申請專利範圍第19項記載之半導體光元件陣列之製造方法，其中，前述微細柱狀結晶之導電型乃第1導電型，前述半導體層乃含有與前述第1導電型相反之第2導電型之III族氮化物半導體層。
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