半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法
【課題】ナノコラムＬＥＤにおいて、高効率で高品質なＬＥＤを実現する。
【解決手段】ｎ型電極となる導電性のシリコン基板３に凹所４を形成するとともに、その凹所４の側壁に第１の絶縁膜５を形成した後、ナノコラム２を成長させ、そのｐ型ＧａＮ層２ｃの成長の際に、その径を拡大させて一体化させ、外周縁部分を凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着させて該凹所４内を気密に封止する。したがって、ナノコラム２を真空状態のまま外気に曝さずにでき、ナノコラム２の表面に異物が付着し、リーク電流が流れることによる効率低下を防止できる。こうして、高効率で高品質なＬＥＤを実現できる。また、ｐ型ＧａＮ層２ｃ上の薄膜電極６を凹所４の周縁の側壁上面まで引出し、その部分にｐ型パッド電極１７を形成するので、充分な強度でワイヤボンディングを行っても、ナノコラム２にダメージを与えることはなく、ボンディング条件を最適に選択できる。
【解決手段】ｎ型電極となる導電性のシリコン基板３に凹所４を形成するとともに、その凹所４の側壁に第１の絶縁膜５を形成した後、ナノコラム２を成長させ、そのｐ型ＧａＮ層２ｃの成長の際に、その径を拡大させて一体化させ、外周縁部分を凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着させて該凹所４内を気密に封止する。したがって、ナノコラム２を真空状態のまま外気に曝さずにでき、ナノコラム２の表面に異物が付着し、リーク電流が流れることによる効率低下を防止できる。こうして、高効率で高品質なＬＥＤを実現できる。また、ｐ型ＧａＮ層２ｃ上の薄膜電極６を凹所４の周縁の側壁上面まで引出し、その部分にｐ型パッド電極１７を形成するので、充分な強度でワイヤボンディングを行っても、ナノコラム２にダメージを与えることはなく、ボンディング条件を最適に選択できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法に関し、特に前記半導体発光素子としては、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体を複数有して成るものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体もしくは酸化物半導体で構成された発光層を有する半導体発光素子が注目されている。この発光素子の構造は、主として、サファイア基板を用い、発光層の下部にシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ＋−ＧａＮ層から成るｎ−クラッド層およびコンタクト層、発光層の上部にマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮから成る電子ブロック層、電子ブロック層の上部にｐ−ＧａＮのコンタクト層がそれぞれ形成されて構成されている。これらのプレーナー型の発光素子（ＬＥＤ）は、基板のサファイアと、窒化物や酸化物の半導体層との格子定数が大きく異なり、かつ基板上に薄膜として形成されるので、結晶内に非常に多くの貫通転位を含んでおり、発光素子の効率を増加させるのは困難であった。
【０００３】
そこで、このような問題を解決する手法の従来例として、特許文献１が知られている。図６は、その従来技術による発光ダイオード（ＬＥＤ）５１の構造を示す断面図である。この従来例では、サファイア基板５２上に、ｎ型ＧａＮバッファ層５３を形成した後、アレイ状に配列された多数の前記柱状結晶構造体（ナノコラム）５４を形成しており、そのＧａＮナノコラム５４間に、該ＧａＮナノコラム５４の保護等のために透明絶縁物５５を埋め込んだ後、透明電極５６および電極パッド５７，５８が成膜されて構成されている。特に青色ＧａＮナノコラムは、ｎ型ＧａＮナノコラム５４ａ、発光層（ＩｎＧａＮ量子井戸）５４ｂ、ｐ型ＧａＮナノコラム５４ｃから構成されている。
【０００４】
このＧａＮナノコラムＬＥＤ５１では、プレーナー型ＬＥＤのように、ＧａＮエピ層成長時に点在していた成長核が横（面）方向に結合した後、平面で縦方向に成長してゆくというのではなく、成長核が前記横（面）方向に結合する前に縦方向に成長するので、貫通転位は原理上存在せず、貫通転位の周りに発生する点欠陥もプレーナー型と比較して圧倒的に少ないことが期待できる。このため、プレーナー型ＬＥＤに比べて極めて結晶品質の良いＧａＮ単結晶が得られ、内部量子効率も飛躍的に向上することが期待できる。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術では、ＧａＮナノコラム５４の表面保護は、上述のように該ＧａＮナノコラム５４間に埋め込んだ透明絶縁物５５で実施されている。具体例としては、ＳＯＧ（Spin-On-Glass）、ＳｉＯ２、またはエポキシ樹脂などが挙げられている。
【０００６】
しかしながらこれらの材料を均一に埋め込むことは、ＧａＮナノコラム５４の密度が高い場合、非常に困難である。埋め込みに関しては、ＳＯＧが最も有望であると考えられるが、密度が高い場合、コラム間隔は１００ｎｍ以下になり、チップ内総てのＧａＮナノコラム５４の表面保護を行うことは難しく、特にナノコラムＬＥＤの場合、表面積／体積比がプレーナー型と比べて極めて大きいので、表面の汚染、もしくは異種原子の付着などによる表面準位の形成によって、表面リーク電流などによる効率低下が簡単に生じてしまう。
【０００７】
本発明の目的は、高効率で高品質な半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子において、前記基板は、前記柱状結晶構造体の形成領域を規定する凹所を有し、前記凹所の内周面には第１の絶縁膜が形成され、前記柱状結晶構造体は、それぞれの前記第２の導電型半導体層が拡径して一体化するように成長され、かつ一体化された該第２の導電型半導体層の外周縁部分が前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着することで、該凹所内が気密に封止されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成される領域を彫り込み、凹所を形成する工程と、前記凹所の内周面に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記凹所の底面から前記柱状結晶構造体の第１の導電型半導体層および発光層を順次成長させ、前記第２の導電型半導体層の成長の際に、拡径させて一体化させ、かつ一体化し該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させることで、該凹所内を気密に封止する工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、一方の電極となる基板、または絶縁性基板の場合などで前記基板の上に必要に応じて適宜形成されたバッファ層上に、たとえばｎ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第１の導電型半導体層と、発光層と、ｐ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第２の導電型半導体層との順で積層したナノスケールの柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有する半導体発光素子において、前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成領域となる部分を彫り込んで凹所（トレンチ）を形成しておき、さらにその内周面には第１の絶縁膜を形成しておく。そして、前記柱状結晶構造体を成長させ、他方の電極を形成するために前記第２の導電型半導体層を拡径させて一体化させ、かつ一体化させた該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させ、該凹所内を気密に封止させる。
【００１１】
したがって、プロセスが終了しても、前記柱状結晶構造体を真空状態のまま外気に曝さずにおけるので、該柱状結晶構造体の表面に異物が付着し、表面リーク電流が流れて効率が低下してしまうことを防止することができる。こうして、高効率で、劣化を抑えた高品質な半導体発光素子を実現することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記第２の導電型半導体層上には薄膜電極が形成され、該薄膜電極は前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出され、その部分に他方の電極の電極パッドが形成されることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、前記他方の電極は前記第２の導電型半導体層上に形成された薄膜電極から成り、そしてこの薄膜電極にワイヤボンディング用の電極パッドを形成するにあたって、前記柱状結晶構造体部分に形成するのではなく、該薄膜電極を前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出して、その部分に形成する。好ましくは、前記薄膜電極が透明導電膜（ＩＴＯ）から成り、前記柱状結晶構造体面全体を覆う。前記一方の電極も、前記薄膜電極との間に適宜絶縁膜を介して、前記凹所周縁の側壁部分を引回される。
【００１４】
したがって、充分なボンディング強度でワイヤボンディングを行っても、前記柱状結晶構造体にダメージを与えることはなく、ワイヤボンディングの条件を最適に選択することができる。
【００１５】
また、本発明の半導体発光素子では、前記薄膜電極は、第２の絶縁膜を介して前記第２の導電型半導体層上に形成され、前記第２の絶縁膜は、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に開口が形成されて前記第２の導電型半導体層と薄膜電極とが電気的に接続されることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、前記柱状結晶構造体の上部に前記薄膜電極を形成するにあたって、それらを直接積層するのではなく、間に第２の絶縁膜を介在し、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に形成した開口を介して、それらを電気的に接続する。
【００１７】
したがって、各柱状結晶構造体の第２の導電型半導体層への電流の供給を均一化し、それぞれの柱状結晶構造体での発光光量を所定レベル以上とし、発光効率を向上させることができる。
【００１８】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記基板は、Ｓｉの単結晶基板から成り、その面方位は、（１１１）または（１００）であることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、基板を導電性のＳｉ単結晶基板とし、その面方位を前記柱状結晶構造体の成長に好適な（１１１）または（１００）とする。
【００２０】
したがって、安価で量産性に優れた構成とすることができる。
【００２１】
また、本発明の半導体発光素子は、前記第１の導電型半導体層に、分布型ブラッグ反射ミラーを有することを特徴とする。
【００２２】
上記の構成によれば、発光層から放射された光の内、第１の導電型半導体層、すなわち基板側に向う光を分布型ブラッグ反射ミラーで第２の導電型半導体層側に反射する。前記分布型ブラッグ反射ミラーは、その所期の効果を達成するためには、８０％以上の反射率を有することが好ましい。
【００２３】
したがって、基板での発光光の吸収を抑え、光取出し効率を向上することができる。
【００２４】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記第２の導電型半導体層の表面は、凹凸または粗面処理が施されていることを特徴とする。
【００２５】
上記の構成によれば、プレーナー構造を有する前記第２の導電型半導体層の表面での発光光の全反射によるロスを抑えることができる。
【００２６】
したがって、光取出し効率を向上することができる。
【００２７】
また、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、高効率で高品質な照明装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、一方の電極となる基板、または絶縁性基板の場合などで前記基板の上に必要に応じて適宜形成されたバッファ層上に、たとえばｎ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第１の導電型半導体層と、発光層と、ｐ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第２の導電型半導体層との順で積層したナノスケールの柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有する半導体発光素子において、前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成領域となる部分を彫り込んで凹所（トレンチ）を形成するとともに、さらにその内周面には第１の絶縁膜を形成しておき、その後、前記柱状結晶構造体を成長させる際に、他方の電極を形成するために前記第２の導電型半導体層を拡径させて一体化させ、かつ一体化させた該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させ、該凹所内を気密に封止させる。
【００３０】
それゆえ、プロセスが終了しても、前記柱状結晶構造体を真空状態のまま外気に曝さずにおけるので、該柱状結晶構造体の表面に異物が付着し、表面リーク電流が流れて効率が低下してしまうことを防止することができる。こうして、高効率で、劣化を抑えた高品質な半導体発光素子を実現することができる。
【００３１】
さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記他方の電極は前記第２の導電型半導体層上に形成された薄膜電極から成り、さらにこの薄膜電極にワイヤボンディング用の電極パッドを形成するにあたって、該薄膜電極を前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出して、その部分に形成する。
【００３２】
それゆえ、充分なボンディング強度でワイヤボンディングを行っても、前記柱状結晶構造体にダメージを与えることはなく、ワイヤボンディングの条件を最適に選択することができる。
【００３３】
また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記柱状結晶構造体の上部に前記薄膜電極を形成するにあたって、それらを直接積層するのではなく、間に第２の絶縁膜を介在し、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に形成した開口を介して、それらを電気的に接続する。
【００３４】
それゆえ、各柱状結晶構造体の第２の導電型半導体層への電流の供給を均一化し、それぞれの柱状結晶構造体での発光光量を所定レベル以上とし、発光効率を向上させることができる。
【００３５】
さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記基板を導電性のＳｉ単結晶基板とし、その面方位を前記柱状結晶構造体の成長に好適な（１１１）または（１００）とする。
【００３６】
それゆえ、安価で量産性に優れた構成とすることができる。
【００３７】
また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記発光層から放射された光の内、第１の導電型半導体層、すなわち基板側に向う光を分布型ブラッグ反射ミラーで第２の導電型半導体層側に反射する。
【００３８】
それゆえ、基板での発光光の吸収を抑え、光取出し効率を向上することができる。
【００３９】
さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記第２の導電型半導体層の表面に、凹凸または粗面処理を施す。
【００４０】
それゆえ、プレーナー構造を有する前記第２の導電型半導体層の表面での発光光の全反射によるロスを抑えることができ、光取出し効率を向上することができる。
【００４１】
また、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。
【００４２】
それゆえ、高効率で高品質な照明装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）１の構造を模式的に示す平面図であり、図２はその断面図であり、図３はその製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、ナノコラム２はＧａＮを例に挙げるが、そのような窒化物に限らず、酸化物や酸窒化物などを含む化合物半導体発光素子の総てについても当てはまることは言うまでもない。また、基板３としてＳｉを用いているが、それに限定されるものではなく、たとえばサファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、ＡｌＮ等を用いることもできる。前記サファイアやＧａＮ等の絶縁性基板の場合は、電極引出しのために、絶縁の上、適宜バッファ層が設けられればよい。
【００４４】
このＬＥＤ１は、ｎ型電極となる基板３上に、第１の導電型半導体層であるｎ型ＧａＮ層２ａと、発光層２ｂと、第２の導電型半導体層であるｐ型ＧａＮ層２ｃとの順で積層したナノスケールの柱状結晶構造体（以下、ナノコラムと言う）２を複数有するＬＥＤにおいて、注目すべきは、前記基板３は、前記ナノコラム２の形成領域となる部分が彫り込まれた凹所（トレンチ）４を有し、さらにその凹所４の内周面４ａには第１の絶縁膜５が形成されるとともに、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃは、その成長の際に、ｐ型電極となる白金電極の形成のためにその径が拡大するように成長されてプレーナー構造に一体化され、かつ一体化した該ｐ型ＧａＮ層２ｃの外周縁部分が前記凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着され、該凹所４内が気密に封止されていることである。
【００４５】
図３を参照して、図３（ａ）で示すように、面方位が（１００）または（１１１）のシリコン基板３上に、５０ｎｍ厚のシリコン酸化膜１１を熱酸化法により形成し、その上にＰＥＣＶＤ装置により１００ｎｍのシリコン窒化膜１２を形成する。続いて、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチングとを用いて、前記凹所４となる部分のシリコン窒化膜１２を除去し、下部のシリコン酸化膜１１が露出するようにする。
【００４６】
その後、図３（ｂ）で示すように、ＩＣＰ装置を用いてシリコン窒化膜１１をマスク材として、シリコン酸化膜１２およびシリコン基板３を、深さ１２００ｎｍ程度、前記凹所４の形状にエッチングする。続いて、再度、熱酸化法により、図３（ｃ）で示すように、凹所４の内部に、厚さ５０ｎｍのシリコン酸化膜１３，１４を形成する。
【００４７】
その後、再度、ＩＣＰ装置を用いてシリコン酸化膜エッチングを行うと、イオン性エッチングのために、図３（ｄ）で示すように、凹所４の側壁面のシリコン酸化膜１３は残って前記第１の絶縁膜５となり、底面のシリコン酸化膜１４が除去される。続いて、熱リン酸によるケミカルエッチングによりシリコン窒化膜１１を全面除去すると、凹所４内部において、底面のみシリコン酸化膜１４が無く、シリコン基板３が露出した構造が得られる。
【００４８】
次に、この凹所４内に、ナノコラムアレイを形成する。シリコン基板３の表面は、前述のように面方位が（１００）または（１１１）の単結晶面であるので、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ナノコラム２の核成長は容易に実現できる。これによって、安価で量産性に優れたＬＥＤ１を実現することができる。
【００４９】
先ず、図３（ｅ）で示すように、前記ｎ型ＧａＮ層２ａを８００ｎｍ形成する。それには、反応炉内の圧力を７６Ｔｏｒｒに保ち、基板３の温度を１１５０℃まで上げる。そして、Ｇａ原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、Ｎ原料にはアンモニア（ＮＨ３）を用い、キャリアガスとしてＨ２を用い、温度が安定した後、前記原料ガスＴＭＧａ，ＮＨ３に加えて、ドーパントとなるＳｉの原料であるテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を供給する。なお、ｎ伝導を得るためのドーパントとしてＳｉを用いたが、限定されるものではない。たとえば、Ｇｅでもよい。上記手法にてｎ型伝導性を有するｎ型ＧａＮ層２ａを形成することができる。
【００５０】
このとき、後述の発光層２ｂから放射されるたとえば波長４６５ｎｍの光は、シリコン基板３に吸収されてロスとなるので、前記ｎ型ＧａＮ層２ａ内には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの積層膜から成る分布型ブラッグ反射ミラー（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）７が形成されている。その構造は、たとえば前記ＡｌＧａＮ層が４６．６４ｎｍ、ＧａＮ層が５０．５４ｎｍで、それらを交互に５１層積層することで、反射率９９．５％、ストップバンド幅１４ｎｍの導電性反射膜を得ることで実現される。作成方法は、前記ｎ型ＧａＮ層２ａの成長を一時中断し、供給ガスの種類を、前記Ｓｉの原料であるテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）からＡｌの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）に変更し、これを前記トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ３）およびキャリアガスＨ２とともに、供給するか否かおよび温度を変更することで、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮの積層膜を作成することができる。
【００５１】
こうしてｎ型ＧａＮ層２ａ中に、分布型ブラッグ反射ミラー７を形成することで、発光層２ｂから放射された光の内、ｎ型ＧａＮ層２ａ、すなわち基板３側に向う光を該分布型ブラッグ反射ミラー７でｐ型ＧａＮ層２ｃ側に反射することができ、基板３での発光光の吸収を抑え、光取出し効率を向上することができる。なお、前記分布型ブラッグ反射ミラー７は、その所期の効果を達成するためには、８０％以上の反射率を有することが好ましい。
【００５２】
次に、発光層２ｂを形成する。該発光層２ｂは量子井戸構造となっており、井戸層（ＩｎＧａＮ）および障壁層（ＧａＮ）で構成される。さらに、複数の井戸を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とした。井戸層および障壁層のＩｎ組成は、たとえば１７％と０％とであり、厚さはそれぞれ２ｎｍおよび５ｎｍとした。基板温度は７５０℃、反応炉内圧力は７６Ｔｏｒｒとした。上記手法にて、多重量子井戸から成る発光層２ｂを形成することができる。
【００５３】
続いて、ｐ型ＧａＮ層２ｃを形成する。ｐ型伝導を得るためのドーパントとしてＭｇを用い、その原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。また、厚さは２００ｎｍとした。このｐ型ＧａＮ層２ｃを成長させる際に、ｐ型電極となる薄膜電極６の形成のために、その径を徐々に広げて互いに重なり合わせ、ｐ型層のプレーナー構造を形成させる。これは、一般にＮＨ３の流量、キャリアガスＨ２の流量、もしくは成長温度を徐々に変えてゆくことで実現できる。このような成長方法は、たとえば非特許文献１（A.Kikuchi,M.Kawai,M.Tada and K.Kishino:Jpn.J.Appl.Phys.43(2004)L1524）に記載されている。そして、このｐ型ＧａＮ層２ｃの成長の際に、前述のように、一体化した該ｐ型ＧａＮ層２ｃの外周縁部分が前記凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着し、これによって該凹所４内が気密に封止される。前記凹所４の周縁の側壁上には、参照符号１５で示すように、ナノコラム成長の間に多結晶ＧａＮが若干成長するが、これは後にリン酸水溶液にて除去することができる。
【００５４】
前記多結晶ＧａＮ１５の除去後、メッシュ状の５０ｎｍ厚みの白金薄膜を前記薄膜電極６として形成し、さらにｐ型パッド電極１７を凹所４の外部に、ｎ型電極１８をシリコン基板３の底部に形成して、図２および図１で示すような本実施の形態のＬＥＤ１が完成する。なお、前記薄膜電極６の形成前に、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃの表面は、凹凸１９が形成されて、または粗面処理が施されている。これによって、前記プレーナー構造を有するｐ型ＧａＮ層２ｃの表面での発光光の全反射によるロスを抑えることができ、光取出し効率を向上することができる。
【００５５】
以上のように、本実施の形態のＬＥＤ１では、ｎ型電極となる導電性のシリコン基板３に凹所４を形成するとともに、その凹所４の側壁に第１の絶縁膜５を形成した後、ナノコラム２を成長させ、そのｐ型ＧａＮ層２ｃの成長の際に、その径を拡大させて一体化させ、外周縁部分を前記凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着させて該凹所４内を気密に封止する。ここで、一般に結晶内部は綺麗に格子が並んでおり、バンドギャップ内にも不純物準位や欠陥準位は少ないのに対して、結晶表面となると、結晶配列が乱れており、ダングリングボンドによる準位、これにさまざまな原子、分子が吸着することによる準位など、バンドギャップ内に色々な中間準位が発生しており、これらによりキャリアが非発光の再結合を行う。このため、ナノコラム２のように露出表面が大きいことは発光効率を低下させる大きな原因となる。
【００５６】
したがって、本実施の形態のＬＥＤ１のように、プロセスが終了しても前記ナノコラム２を真空状態のまま外気に曝さずにおけることで、該ナノコラム２の表面に異物が付着し、表面リーク電流が流れて効率が低下してしまうことを防止することができる。こうして、高効率で高品質なＬＥＤを実現することができる。
【００５７】
また、本実施の形態のＬＥＤ１では、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃ上には薄膜電極６が形成され、該薄膜電極６は前記基板３における凹所４の周縁の側壁上面まで引出され、その部分にｐ型パッド電極１７が形成されているので、充分なボンディング強度でワイヤボンディングを行っても、前記ナノコラム２にダメージを与えることはなく、ワイヤボンディングの条件を最適に選択することができる。
【００５８】
［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）２１の構造を模式的に示す平面図である。このＬＥＤ２１は、前述のＬＥＤ１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このＬＥＤ２１では、前述のＬＥＤ１がｐ型ＧａＮ層２ｃからｐ型パッド電極１７までの配線をメッシュ状で５０ｎｍ厚の白金薄膜から成る薄膜電極６としたが、これを凹所４全面を覆う透明導電膜、たとえばＩＴＯから成る薄膜電極２６とすることである。これによって、メッシュが形成されていなかった部分からの光取出しは減少するが、前記メッシュが形成されていた部分からも光を取出せるようになるとともに、薄膜電極１６から発光層２ｃへの電流供給量を増加させることにより、該発光層２ｃの発光面積を増加させることもできる。このトレードオフを最適化することによって、さらに発光効率の高いナノコラムＬＥＤを実現することができる。
【００５９】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）３１の構造を模式的に示す断面図である。このＬＥＤ３１は、前述のＬＥＤ１，２１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、ｐ型ＧａＮ層２ｃと薄膜電極２６との間には、シリコン酸化膜から成る第２の絶縁膜３５が介在され、そのナノコラム２の形成領域、すなわち凹所４の中央の部分に開口３６が形成されて、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃと薄膜電極２６とが電気的に接続されていることである。
【００６０】
このため、前記図３（ｅ）で示すようにナノコラム２が成長した状態から、凹所４の周縁の側壁上に付着した多結晶ＧａＮ１５をリン酸水溶液にて除去した後、図５（ａ）で示すように、全面にＰＥＣＶＤ装置にて第２の絶縁膜３５を２０ｎｍ堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術とフッ酸ケミカルエッチングとにより、前記凹所４の中央の部分の該第２の絶縁膜３５を除去し、下地のｐ型ＧａＮ層２ｃが露出する前記開口３６を設ける。
【００６１】
その後、図５（ｂ）で示すように、全面にスパッタ装置により前記ＩＴＯを２０ｎｍ堆積して薄膜電極２６を形成し、さらにｐ型パッド電極１７を凹所４の周縁の側壁上に形成してコンタクトをとることで、ｐ極の電路を形成する。さらに、シリコン基板３の底部にｎ型電極１８を形成することで、本実施の形態のＬＥＤ３１が完成する。
【００６２】
このように構成すると、電流経路は凹所４の中央部に設けた開口３６を通ることになるので、ｐ型ＧａＮ層２ｃを流れる電流がｐ型パッド電極１７の近くのみを流れることはなく、ｐ型ＧａＮ層２全体に対称的な広がりを持って流れることになり、発光層２ｃにより均一に電流（キャリア）を供給することができる。したがって局部発熱を抑えて、それぞれのナノコラム２での発光光量を所定レベル以上とし、発光効率を向上させることができる。
【００６３】
ここで、酸化物半導体であるＺｎＯは、発光素子として非常に優れた特性を有している。励起子の結合エネルギが６０ｍｅＶと、ＧａＮの２〜３倍であり、内部量子効率がＧａＮに比べて高くなる可能性がある上、屈折率は約２であり、ＧａＮの屈折率２．５に比べて小さく、光取出しの点で圧倒的に有利である。また材料自身が安価であることも商業ベースで考えると魅力的である。
【００６４】
そこで、上述の各実施形態は、窒化物半導体であるＧａＮ系ナノコラムについて述べているが、結晶構造上、よく似ている酸化物半導体であるＺｎＯについても、全く同じ構造の半導体発光素子を、同様に作製することができる。詳述すれば、以下のとおりである。
【００６５】
ＧａＮとＺｎＯとは、共に六方晶系の結晶構造を持ち、結晶の格子定数も近い。バンドギャップも、ＧａＮの３．４に対して、ＺｎＯは３．３と、これもまた近い。両方とも直接遷移型半導体である。したがってＧａＮでナノコラムが形成されるのであれば、ＺｎＯでもナノコラムが形成できる。実際、非特許文献２（W.I.Park, Y.H.Jun, S.W.Jung and Gyu-Chul Yi Appl.Phys.Lett. 964(2003)）では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、サファイア基板上にＺｎＯのナノコラム（同文献ではナノロッドと呼んでいる）を形成している。
【００６６】
なお、前記サファイアやＧａＮ等の絶縁性基板の場合は、凹所４の底部から側壁面を這わせてｎ型電極層となるバッファ層を形成した後、その凹所４内に前記シリコン酸化膜１３，１４を形成して絶縁を施し、前記底部のバッファ層が露出するまでエッチングした後、ナノコラム２を形成すればよい。
【００６７】
上述のように構成されるＬＥＤ１，２１，３１を照明装置に用いることで、高効率で高品質な照明装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す平面図である。
【図２】図１で示す発光ダイオードの断面図である。
【図３】図１で示す発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。
【図６】典型的な従来技術の半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１，２１，３１ ＬＥＤ
２ ナノコラム
２ａ ｎ型ＧａＮ層
２ｂ 発光層
２ｃ ｐ型ＧａＮ層
３ 基板
４ 凹所（トレンチ）
５ 第１の絶縁膜
６，２６ 薄膜電極
７ 分布型ブラッグ反射ミラー
１１，１３，１４ シリコン酸化膜
１２ シリコン窒化膜
１５ 多結晶ＧａＮ
１７ ｐ型パッド電極
３５ 第２の絶縁膜
３６ 開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法に関し、特に前記半導体発光素子としては、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体を複数有して成るものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体もしくは酸化物半導体で構成された発光層を有する半導体発光素子が注目されている。この発光素子の構造は、主として、サファイア基板を用い、発光層の下部にシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ＋−ＧａＮ層から成るｎ−クラッド層およびコンタクト層、発光層の上部にマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮから成る電子ブロック層、電子ブロック層の上部にｐ−ＧａＮのコンタクト層がそれぞれ形成されて構成されている。これらのプレーナー型の発光素子（ＬＥＤ）は、基板のサファイアと、窒化物や酸化物の半導体層との格子定数が大きく異なり、かつ基板上に薄膜として形成されるので、結晶内に非常に多くの貫通転位を含んでおり、発光素子の効率を増加させるのは困難であった。
【０００３】
そこで、このような問題を解決する手法の従来例として、特許文献１が知られている。図６は、その従来技術による発光ダイオード（ＬＥＤ）５１の構造を示す断面図である。この従来例では、サファイア基板５２上に、ｎ型ＧａＮバッファ層５３を形成した後、アレイ状に配列された多数の前記柱状結晶構造体（ナノコラム）５４を形成しており、そのＧａＮナノコラム５４間に、該ＧａＮナノコラム５４の保護等のために透明絶縁物５５を埋め込んだ後、透明電極５６および電極パッド５７，５８が成膜されて構成されている。特に青色ＧａＮナノコラムは、ｎ型ＧａＮナノコラム５４ａ、発光層（ＩｎＧａＮ量子井戸）５４ｂ、ｐ型ＧａＮナノコラム５４ｃから構成されている。
【０００４】
このＧａＮナノコラムＬＥＤ５１では、プレーナー型ＬＥＤのように、ＧａＮエピ層成長時に点在していた成長核が横（面）方向に結合した後、平面で縦方向に成長してゆくというのではなく、成長核が前記横（面）方向に結合する前に縦方向に成長するので、貫通転位は原理上存在せず、貫通転位の周りに発生する点欠陥もプレーナー型と比較して圧倒的に少ないことが期待できる。このため、プレーナー型ＬＥＤに比べて極めて結晶品質の良いＧａＮ単結晶が得られ、内部量子効率も飛躍的に向上することが期待できる。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術では、ＧａＮナノコラム５４の表面保護は、上述のように該ＧａＮナノコラム５４間に埋め込んだ透明絶縁物５５で実施されている。具体例としては、ＳＯＧ（Spin-On-Glass）、ＳｉＯ２、またはエポキシ樹脂などが挙げられている。
【０００６】
しかしながらこれらの材料を均一に埋め込むことは、ＧａＮナノコラム５４の密度が高い場合、非常に困難である。埋め込みに関しては、ＳＯＧが最も有望であると考えられるが、密度が高い場合、コラム間隔は１００ｎｍ以下になり、チップ内総てのＧａＮナノコラム５４の表面保護を行うことは難しく、特にナノコラムＬＥＤの場合、表面積／体積比がプレーナー型と比べて極めて大きいので、表面の汚染、もしくは異種原子の付着などによる表面準位の形成によって、表面リーク電流などによる効率低下が簡単に生じてしまう。
【０００７】
本発明の目的は、高効率で高品質な半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子において、前記基板は、前記柱状結晶構造体の形成領域を規定する凹所を有し、前記凹所の内周面には第１の絶縁膜が形成され、前記柱状結晶構造体は、それぞれの前記第２の導電型半導体層が拡径して一体化するように成長され、かつ一体化された該第２の導電型半導体層の外周縁部分が前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着することで、該凹所内が気密に封止されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成される領域を彫り込み、凹所を形成する工程と、前記凹所の内周面に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記凹所の底面から前記柱状結晶構造体の第１の導電型半導体層および発光層を順次成長させ、前記第２の導電型半導体層の成長の際に、拡径させて一体化させ、かつ一体化し該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させることで、該凹所内を気密に封止する工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、一方の電極となる基板、または絶縁性基板の場合などで前記基板の上に必要に応じて適宜形成されたバッファ層上に、たとえばｎ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第１の導電型半導体層と、発光層と、ｐ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第２の導電型半導体層との順で積層したナノスケールの柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有する半導体発光素子において、前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成領域となる部分を彫り込んで凹所（トレンチ）を形成しておき、さらにその内周面には第１の絶縁膜を形成しておく。そして、前記柱状結晶構造体を成長させ、他方の電極を形成するために前記第２の導電型半導体層を拡径させて一体化させ、かつ一体化させた該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させ、該凹所内を気密に封止させる。
【００１１】
したがって、プロセスが終了しても、前記柱状結晶構造体を真空状態のまま外気に曝さずにおけるので、該柱状結晶構造体の表面に異物が付着し、表面リーク電流が流れて効率が低下してしまうことを防止することができる。こうして、高効率で、劣化を抑えた高品質な半導体発光素子を実現することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記第２の導電型半導体層上には薄膜電極が形成され、該薄膜電極は前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出され、その部分に他方の電極の電極パッドが形成されることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、前記他方の電極は前記第２の導電型半導体層上に形成された薄膜電極から成り、そしてこの薄膜電極にワイヤボンディング用の電極パッドを形成するにあたって、前記柱状結晶構造体部分に形成するのではなく、該薄膜電極を前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出して、その部分に形成する。好ましくは、前記薄膜電極が透明導電膜（ＩＴＯ）から成り、前記柱状結晶構造体面全体を覆う。前記一方の電極も、前記薄膜電極との間に適宜絶縁膜を介して、前記凹所周縁の側壁部分を引回される。
【００１４】
したがって、充分なボンディング強度でワイヤボンディングを行っても、前記柱状結晶構造体にダメージを与えることはなく、ワイヤボンディングの条件を最適に選択することができる。
【００１５】
また、本発明の半導体発光素子では、前記薄膜電極は、第２の絶縁膜を介して前記第２の導電型半導体層上に形成され、前記第２の絶縁膜は、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に開口が形成されて前記第２の導電型半導体層と薄膜電極とが電気的に接続されることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、前記柱状結晶構造体の上部に前記薄膜電極を形成するにあたって、それらを直接積層するのではなく、間に第２の絶縁膜を介在し、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に形成した開口を介して、それらを電気的に接続する。
【００１７】
したがって、各柱状結晶構造体の第２の導電型半導体層への電流の供給を均一化し、それぞれの柱状結晶構造体での発光光量を所定レベル以上とし、発光効率を向上させることができる。
【００１８】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記基板は、Ｓｉの単結晶基板から成り、その面方位は、（１１１）または（１００）であることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、基板を導電性のＳｉ単結晶基板とし、その面方位を前記柱状結晶構造体の成長に好適な（１１１）または（１００）とする。
【００２０】
したがって、安価で量産性に優れた構成とすることができる。
【００２１】
また、本発明の半導体発光素子は、前記第１の導電型半導体層に、分布型ブラッグ反射ミラーを有することを特徴とする。
【００２２】
上記の構成によれば、発光層から放射された光の内、第１の導電型半導体層、すなわち基板側に向う光を分布型ブラッグ反射ミラーで第２の導電型半導体層側に反射する。前記分布型ブラッグ反射ミラーは、その所期の効果を達成するためには、８０％以上の反射率を有することが好ましい。
【００２３】
したがって、基板での発光光の吸収を抑え、光取出し効率を向上することができる。
【００２４】
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記第２の導電型半導体層の表面は、凹凸または粗面処理が施されていることを特徴とする。
【００２５】
上記の構成によれば、プレーナー構造を有する前記第２の導電型半導体層の表面での発光光の全反射によるロスを抑えることができる。
【００２６】
したがって、光取出し効率を向上することができる。
【００２７】
また、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、高効率で高品質な照明装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、一方の電極となる基板、または絶縁性基板の場合などで前記基板の上に必要に応じて適宜形成されたバッファ層上に、たとえばｎ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第１の導電型半導体層と、発光層と、ｐ型の窒化物または酸化物の半導体層から成る第２の導電型半導体層との順で積層したナノスケールの柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有する半導体発光素子において、前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成領域となる部分を彫り込んで凹所（トレンチ）を形成するとともに、さらにその内周面には第１の絶縁膜を形成しておき、その後、前記柱状結晶構造体を成長させる際に、他方の電極を形成するために前記第２の導電型半導体層を拡径させて一体化させ、かつ一体化させた該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させ、該凹所内を気密に封止させる。
【００３０】
それゆえ、プロセスが終了しても、前記柱状結晶構造体を真空状態のまま外気に曝さずにおけるので、該柱状結晶構造体の表面に異物が付着し、表面リーク電流が流れて効率が低下してしまうことを防止することができる。こうして、高効率で、劣化を抑えた高品質な半導体発光素子を実現することができる。
【００３１】
さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記他方の電極は前記第２の導電型半導体層上に形成された薄膜電極から成り、さらにこの薄膜電極にワイヤボンディング用の電極パッドを形成するにあたって、該薄膜電極を前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出して、その部分に形成する。
【００３２】
それゆえ、充分なボンディング強度でワイヤボンディングを行っても、前記柱状結晶構造体にダメージを与えることはなく、ワイヤボンディングの条件を最適に選択することができる。
【００３３】
また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記柱状結晶構造体の上部に前記薄膜電極を形成するにあたって、それらを直接積層するのではなく、間に第２の絶縁膜を介在し、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に形成した開口を介して、それらを電気的に接続する。
【００３４】
それゆえ、各柱状結晶構造体の第２の導電型半導体層への電流の供給を均一化し、それぞれの柱状結晶構造体での発光光量を所定レベル以上とし、発光効率を向上させることができる。
【００３５】
さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記基板を導電性のＳｉ単結晶基板とし、その面方位を前記柱状結晶構造体の成長に好適な（１１１）または（１００）とする。
【００３６】
それゆえ、安価で量産性に優れた構成とすることができる。
【００３７】
また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記発光層から放射された光の内、第１の導電型半導体層、すなわち基板側に向う光を分布型ブラッグ反射ミラーで第２の導電型半導体層側に反射する。
【００３８】
それゆえ、基板での発光光の吸収を抑え、光取出し効率を向上することができる。
【００３９】
さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記第２の導電型半導体層の表面に、凹凸または粗面処理を施す。
【００４０】
それゆえ、プレーナー構造を有する前記第２の導電型半導体層の表面での発光光の全反射によるロスを抑えることができ、光取出し効率を向上することができる。
【００４１】
また、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。
【００４２】
それゆえ、高効率で高品質な照明装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）１の構造を模式的に示す平面図であり、図２はその断面図であり、図３はその製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、ナノコラム２はＧａＮを例に挙げるが、そのような窒化物に限らず、酸化物や酸窒化物などを含む化合物半導体発光素子の総てについても当てはまることは言うまでもない。また、基板３としてＳｉを用いているが、それに限定されるものではなく、たとえばサファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＺｎＯ、ＡｌＮ等を用いることもできる。前記サファイアやＧａＮ等の絶縁性基板の場合は、電極引出しのために、絶縁の上、適宜バッファ層が設けられればよい。
【００４４】
このＬＥＤ１は、ｎ型電極となる基板３上に、第１の導電型半導体層であるｎ型ＧａＮ層２ａと、発光層２ｂと、第２の導電型半導体層であるｐ型ＧａＮ層２ｃとの順で積層したナノスケールの柱状結晶構造体（以下、ナノコラムと言う）２を複数有するＬＥＤにおいて、注目すべきは、前記基板３は、前記ナノコラム２の形成領域となる部分が彫り込まれた凹所（トレンチ）４を有し、さらにその凹所４の内周面４ａには第１の絶縁膜５が形成されるとともに、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃは、その成長の際に、ｐ型電極となる白金電極の形成のためにその径が拡大するように成長されてプレーナー構造に一体化され、かつ一体化した該ｐ型ＧａＮ層２ｃの外周縁部分が前記凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着され、該凹所４内が気密に封止されていることである。
【００４５】
図３を参照して、図３（ａ）で示すように、面方位が（１００）または（１１１）のシリコン基板３上に、５０ｎｍ厚のシリコン酸化膜１１を熱酸化法により形成し、その上にＰＥＣＶＤ装置により１００ｎｍのシリコン窒化膜１２を形成する。続いて、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチングとを用いて、前記凹所４となる部分のシリコン窒化膜１２を除去し、下部のシリコン酸化膜１１が露出するようにする。
【００４６】
その後、図３（ｂ）で示すように、ＩＣＰ装置を用いてシリコン窒化膜１１をマスク材として、シリコン酸化膜１２およびシリコン基板３を、深さ１２００ｎｍ程度、前記凹所４の形状にエッチングする。続いて、再度、熱酸化法により、図３（ｃ）で示すように、凹所４の内部に、厚さ５０ｎｍのシリコン酸化膜１３，１４を形成する。
【００４７】
その後、再度、ＩＣＰ装置を用いてシリコン酸化膜エッチングを行うと、イオン性エッチングのために、図３（ｄ）で示すように、凹所４の側壁面のシリコン酸化膜１３は残って前記第１の絶縁膜５となり、底面のシリコン酸化膜１４が除去される。続いて、熱リン酸によるケミカルエッチングによりシリコン窒化膜１１を全面除去すると、凹所４内部において、底面のみシリコン酸化膜１４が無く、シリコン基板３が露出した構造が得られる。
【００４８】
次に、この凹所４内に、ナノコラムアレイを形成する。シリコン基板３の表面は、前述のように面方位が（１００）または（１１１）の単結晶面であるので、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ナノコラム２の核成長は容易に実現できる。これによって、安価で量産性に優れたＬＥＤ１を実現することができる。
【００４９】
先ず、図３（ｅ）で示すように、前記ｎ型ＧａＮ層２ａを８００ｎｍ形成する。それには、反応炉内の圧力を７６Ｔｏｒｒに保ち、基板３の温度を１１５０℃まで上げる。そして、Ｇａ原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、Ｎ原料にはアンモニア（ＮＨ３）を用い、キャリアガスとしてＨ２を用い、温度が安定した後、前記原料ガスＴＭＧａ，ＮＨ３に加えて、ドーパントとなるＳｉの原料であるテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を供給する。なお、ｎ伝導を得るためのドーパントとしてＳｉを用いたが、限定されるものではない。たとえば、Ｇｅでもよい。上記手法にてｎ型伝導性を有するｎ型ＧａＮ層２ａを形成することができる。
【００５０】
このとき、後述の発光層２ｂから放射されるたとえば波長４６５ｎｍの光は、シリコン基板３に吸収されてロスとなるので、前記ｎ型ＧａＮ層２ａ内には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの積層膜から成る分布型ブラッグ反射ミラー（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）７が形成されている。その構造は、たとえば前記ＡｌＧａＮ層が４６．６４ｎｍ、ＧａＮ層が５０．５４ｎｍで、それらを交互に５１層積層することで、反射率９９．５％、ストップバンド幅１４ｎｍの導電性反射膜を得ることで実現される。作成方法は、前記ｎ型ＧａＮ層２ａの成長を一時中断し、供給ガスの種類を、前記Ｓｉの原料であるテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）からＡｌの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）に変更し、これを前記トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ３）およびキャリアガスＨ２とともに、供給するか否かおよび温度を変更することで、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮの積層膜を作成することができる。
【００５１】
こうしてｎ型ＧａＮ層２ａ中に、分布型ブラッグ反射ミラー７を形成することで、発光層２ｂから放射された光の内、ｎ型ＧａＮ層２ａ、すなわち基板３側に向う光を該分布型ブラッグ反射ミラー７でｐ型ＧａＮ層２ｃ側に反射することができ、基板３での発光光の吸収を抑え、光取出し効率を向上することができる。なお、前記分布型ブラッグ反射ミラー７は、その所期の効果を達成するためには、８０％以上の反射率を有することが好ましい。
【００５２】
次に、発光層２ｂを形成する。該発光層２ｂは量子井戸構造となっており、井戸層（ＩｎＧａＮ）および障壁層（ＧａＮ）で構成される。さらに、複数の井戸を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とした。井戸層および障壁層のＩｎ組成は、たとえば１７％と０％とであり、厚さはそれぞれ２ｎｍおよび５ｎｍとした。基板温度は７５０℃、反応炉内圧力は７６Ｔｏｒｒとした。上記手法にて、多重量子井戸から成る発光層２ｂを形成することができる。
【００５３】
続いて、ｐ型ＧａＮ層２ｃを形成する。ｐ型伝導を得るためのドーパントとしてＭｇを用い、その原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。また、厚さは２００ｎｍとした。このｐ型ＧａＮ層２ｃを成長させる際に、ｐ型電極となる薄膜電極６の形成のために、その径を徐々に広げて互いに重なり合わせ、ｐ型層のプレーナー構造を形成させる。これは、一般にＮＨ３の流量、キャリアガスＨ２の流量、もしくは成長温度を徐々に変えてゆくことで実現できる。このような成長方法は、たとえば非特許文献１（A.Kikuchi,M.Kawai,M.Tada and K.Kishino:Jpn.J.Appl.Phys.43(2004)L1524）に記載されている。そして、このｐ型ＧａＮ層２ｃの成長の際に、前述のように、一体化した該ｐ型ＧａＮ層２ｃの外周縁部分が前記凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着し、これによって該凹所４内が気密に封止される。前記凹所４の周縁の側壁上には、参照符号１５で示すように、ナノコラム成長の間に多結晶ＧａＮが若干成長するが、これは後にリン酸水溶液にて除去することができる。
【００５４】
前記多結晶ＧａＮ１５の除去後、メッシュ状の５０ｎｍ厚みの白金薄膜を前記薄膜電極６として形成し、さらにｐ型パッド電極１７を凹所４の外部に、ｎ型電極１８をシリコン基板３の底部に形成して、図２および図１で示すような本実施の形態のＬＥＤ１が完成する。なお、前記薄膜電極６の形成前に、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃの表面は、凹凸１９が形成されて、または粗面処理が施されている。これによって、前記プレーナー構造を有するｐ型ＧａＮ層２ｃの表面での発光光の全反射によるロスを抑えることができ、光取出し効率を向上することができる。
【００５５】
以上のように、本実施の形態のＬＥＤ１では、ｎ型電極となる導電性のシリコン基板３に凹所４を形成するとともに、その凹所４の側壁に第１の絶縁膜５を形成した後、ナノコラム２を成長させ、そのｐ型ＧａＮ層２ｃの成長の際に、その径を拡大させて一体化させ、外周縁部分を前記凹所４の内周面４ａの第１の絶縁膜５と密着させて該凹所４内を気密に封止する。ここで、一般に結晶内部は綺麗に格子が並んでおり、バンドギャップ内にも不純物準位や欠陥準位は少ないのに対して、結晶表面となると、結晶配列が乱れており、ダングリングボンドによる準位、これにさまざまな原子、分子が吸着することによる準位など、バンドギャップ内に色々な中間準位が発生しており、これらによりキャリアが非発光の再結合を行う。このため、ナノコラム２のように露出表面が大きいことは発光効率を低下させる大きな原因となる。
【００５６】
したがって、本実施の形態のＬＥＤ１のように、プロセスが終了しても前記ナノコラム２を真空状態のまま外気に曝さずにおけることで、該ナノコラム２の表面に異物が付着し、表面リーク電流が流れて効率が低下してしまうことを防止することができる。こうして、高効率で高品質なＬＥＤを実現することができる。
【００５７】
また、本実施の形態のＬＥＤ１では、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃ上には薄膜電極６が形成され、該薄膜電極６は前記基板３における凹所４の周縁の側壁上面まで引出され、その部分にｐ型パッド電極１７が形成されているので、充分なボンディング強度でワイヤボンディングを行っても、前記ナノコラム２にダメージを与えることはなく、ワイヤボンディングの条件を最適に選択することができる。
【００５８】
［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）２１の構造を模式的に示す平面図である。このＬＥＤ２１は、前述のＬＥＤ１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このＬＥＤ２１では、前述のＬＥＤ１がｐ型ＧａＮ層２ｃからｐ型パッド電極１７までの配線をメッシュ状で５０ｎｍ厚の白金薄膜から成る薄膜電極６としたが、これを凹所４全面を覆う透明導電膜、たとえばＩＴＯから成る薄膜電極２６とすることである。これによって、メッシュが形成されていなかった部分からの光取出しは減少するが、前記メッシュが形成されていた部分からも光を取出せるようになるとともに、薄膜電極１６から発光層２ｃへの電流供給量を増加させることにより、該発光層２ｃの発光面積を増加させることもできる。このトレードオフを最適化することによって、さらに発光効率の高いナノコラムＬＥＤを実現することができる。
【００５９】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）３１の構造を模式的に示す断面図である。このＬＥＤ３１は、前述のＬＥＤ１，２１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、ｐ型ＧａＮ層２ｃと薄膜電極２６との間には、シリコン酸化膜から成る第２の絶縁膜３５が介在され、そのナノコラム２の形成領域、すなわち凹所４の中央の部分に開口３６が形成されて、前記ｐ型ＧａＮ層２ｃと薄膜電極２６とが電気的に接続されていることである。
【００６０】
このため、前記図３（ｅ）で示すようにナノコラム２が成長した状態から、凹所４の周縁の側壁上に付着した多結晶ＧａＮ１５をリン酸水溶液にて除去した後、図５（ａ）で示すように、全面にＰＥＣＶＤ装置にて第２の絶縁膜３５を２０ｎｍ堆積した後、通常のフォトリソグラフィ技術とフッ酸ケミカルエッチングとにより、前記凹所４の中央の部分の該第２の絶縁膜３５を除去し、下地のｐ型ＧａＮ層２ｃが露出する前記開口３６を設ける。
【００６１】
その後、図５（ｂ）で示すように、全面にスパッタ装置により前記ＩＴＯを２０ｎｍ堆積して薄膜電極２６を形成し、さらにｐ型パッド電極１７を凹所４の周縁の側壁上に形成してコンタクトをとることで、ｐ極の電路を形成する。さらに、シリコン基板３の底部にｎ型電極１８を形成することで、本実施の形態のＬＥＤ３１が完成する。
【００６２】
このように構成すると、電流経路は凹所４の中央部に設けた開口３６を通ることになるので、ｐ型ＧａＮ層２ｃを流れる電流がｐ型パッド電極１７の近くのみを流れることはなく、ｐ型ＧａＮ層２全体に対称的な広がりを持って流れることになり、発光層２ｃにより均一に電流（キャリア）を供給することができる。したがって局部発熱を抑えて、それぞれのナノコラム２での発光光量を所定レベル以上とし、発光効率を向上させることができる。
【００６３】
ここで、酸化物半導体であるＺｎＯは、発光素子として非常に優れた特性を有している。励起子の結合エネルギが６０ｍｅＶと、ＧａＮの２〜３倍であり、内部量子効率がＧａＮに比べて高くなる可能性がある上、屈折率は約２であり、ＧａＮの屈折率２．５に比べて小さく、光取出しの点で圧倒的に有利である。また材料自身が安価であることも商業ベースで考えると魅力的である。
【００６４】
そこで、上述の各実施形態は、窒化物半導体であるＧａＮ系ナノコラムについて述べているが、結晶構造上、よく似ている酸化物半導体であるＺｎＯについても、全く同じ構造の半導体発光素子を、同様に作製することができる。詳述すれば、以下のとおりである。
【００６５】
ＧａＮとＺｎＯとは、共に六方晶系の結晶構造を持ち、結晶の格子定数も近い。バンドギャップも、ＧａＮの３．４に対して、ＺｎＯは３．３と、これもまた近い。両方とも直接遷移型半導体である。したがってＧａＮでナノコラムが形成されるのであれば、ＺｎＯでもナノコラムが形成できる。実際、非特許文献２（W.I.Park, Y.H.Jun, S.W.Jung and Gyu-Chul Yi Appl.Phys.Lett. 964(2003)）では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、サファイア基板上にＺｎＯのナノコラム（同文献ではナノロッドと呼んでいる）を形成している。
【００６６】
なお、前記サファイアやＧａＮ等の絶縁性基板の場合は、凹所４の底部から側壁面を這わせてｎ型電極層となるバッファ層を形成した後、その凹所４内に前記シリコン酸化膜１３，１４を形成して絶縁を施し、前記底部のバッファ層が露出するまでエッチングした後、ナノコラム２を形成すればよい。
【００６７】
上述のように構成されるＬＥＤ１，２１，３１を照明装置に用いることで、高効率で高品質な照明装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す平面図である。
【図２】図１で示す発光ダイオードの断面図である。
【図３】図１で示す発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。
【図６】典型的な従来技術の半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１，２１，３１ ＬＥＤ
２ ナノコラム
２ａ ｎ型ＧａＮ層
２ｂ 発光層
２ｃ ｐ型ＧａＮ層
３ 基板
４ 凹所（トレンチ）
５ 第１の絶縁膜
６，２６ 薄膜電極
７ 分布型ブラッグ反射ミラー
１１，１３，１４ シリコン酸化膜
１２ シリコン窒化膜
１５ 多結晶ＧａＮ
１７ ｐ型パッド電極
３５ 第２の絶縁膜
３６ 開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子において、
前記基板は、前記柱状結晶構造体の形成領域を規定する凹所を有し、前記凹所の内周面には第１の絶縁膜が形成され、
前記柱状結晶構造体は、それぞれの前記第２の導電型半導体層が拡径して一体化するように成長され、かつ一体化された該第２の導電型半導体層の外周縁部分が前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着することで、該凹所内が気密に封止されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２の導電型半導体層上には薄膜電極が形成され、該薄膜電極は前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出され、その部分に他方の電極の電極パッドが形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記薄膜電極は、第２の絶縁膜を介して前記第２の導電型半導体層上に形成され、前記第２の絶縁膜は、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に開口が形成されて前記第２の導電型半導体層と薄膜電極とが電気的に接続されることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板は、Ｓｉの単結晶基板から成り、その面方位は、（１１１）または（１００）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の導電型半導体層に、分布型ブラッグ反射ミラーを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２の導電型半導体層の表面は、凹凸または粗面処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、
前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成される領域を彫り込み、凹所を形成する工程と、
前記凹所の内周面に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記凹所の底面から前記柱状結晶構造体の第１の導電型半導体層および発光層を順次成長させ、前記第２の導電型半導体層の成長の際に、拡径させて一体化させ、かつ一体化し該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させることで、該凹所内を気密に封止する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子において、
前記基板は、前記柱状結晶構造体の形成領域を規定する凹所を有し、前記凹所の内周面には第１の絶縁膜が形成され、
前記柱状結晶構造体は、それぞれの前記第２の導電型半導体層が拡径して一体化するように成長され、かつ一体化された該第２の導電型半導体層の外周縁部分が前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着することで、該凹所内が気密に封止されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２の導電型半導体層上には薄膜電極が形成され、該薄膜電極は前記基板における凹所周縁の側壁上面まで引出され、その部分に他方の電極の電極パッドが形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記薄膜電極は、第２の絶縁膜を介して前記第２の導電型半導体層上に形成され、前記第２の絶縁膜は、前記柱状結晶構造体の形成領域の中央部分に開口が形成されて前記第２の導電型半導体層と薄膜電極とが電気的に接続されることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板は、Ｓｉの単結晶基板から成り、その面方位は、（１１１）または（１００）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の導電型半導体層に、分布型ブラッグ反射ミラーを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２の導電型半導体層の表面は、凹凸または粗面処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
【請求項８】
一方の電極となる基板またはその上に形成されたバッファ層上に、少なくとも第１の導電型半導体層、発光層および第２の導電型半導体層の順で積層されたナノスケールの柱状結晶構造体を複数有し、前記第２の導電型半導体層上に他方の電極が形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、
前記基板に、前記柱状結晶構造体の形成される領域を彫り込み、凹所を形成する工程と、
前記凹所の内周面に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記凹所の底面から前記柱状結晶構造体の第１の導電型半導体層および発光層を順次成長させ、前記第２の導電型半導体層の成長の際に、拡径させて一体化させ、かつ一体化し該第２の導電型半導体層の外周縁部分を前記凹所内周面の第１の絶縁膜と密着させることで、該凹所内を気密に封止する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１４０９７６（Ｐ２００９−１４０９７６Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１３０３３（Ｐ２００７−３１３０３３）
【出願日】平成１９年１２月４日（２００７．１２．４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月４日（２００７．１２．４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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