説明

半導体発光装置およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光装置の製造方法

【課題】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用いる半導体発光装置において、電極形成工程の困難さを回避する。
【解決手段】ナノコラム2を、n型GaNから成るコア部21を、それよりバンドギャップエネルギーが大きいn型AlGaNから成る筒状のシェル部22で囲んだ同軸形状のヘテロ構造に形成し、コア部21自体を活性層とする。そして、成長基板から分離して、n型電極となるAl基板5上に多数散布し、その上にp型電極となる透明な有機金属から成る封止部材4をスピンコートで被せる。ただし、スピンコートの前に窒素ラジカルを照射し、任意の位置に散布されたナノコラム2に対して、その自己整合によって、Al基板5の表層部において、ナノコラム2の影になっていない部分5aを絶縁性の窒化アルミニウム層として前記有機金属との短絡を回避する。こうして、電極を容易に形成できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、III−V族化合物半導体などの化合物半導体発光素子を用いて構成される半導体発光装置に、さらにそれを用いて構成される照明装置ならびに半導体発光装置の製造方法に関し、特に化合物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から成るものに関する。
【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化合物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、一例として、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−AlGa1−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。これらのいわゆるバルク結晶を用いる発光素子は、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。この従来例では、サファイア基板上に、n型GaNバッファ層を形成した後、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)を形成しており、そのGaNナノコラム間に、柱状結晶構造の保護等のために透明絶縁物層を埋め込んだ後、透明電極および電極パッドが成膜されて構成されている。特にGaNナノコラムは、n型GaNナノコラム、InGaN量子井戸、p型GaNナノコラムから構成されている。このナノコラムを用いれば、前述のバルク結晶が有する貫通転位をほとんど無くすまでに低減することができ、前記貫通転位による非発光再結合が減少して、発光効率を向上することができる。
【0004】
また、前記の従来技術とは別に、特許文献2のように柱状結晶構造体を従来の蛍光体の代替として用いるものもある。
【特許文献1】特開2005−228936号公報
【特許文献2】特開2006−104411号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
先ず特許文献1の従来技術では、基板上にナノコラムを形成した後、p型GaNナノコラム上に電極を形成しようとして、材料を蒸着すると、InGaN量子井戸を挟んで、前記p型GaNナノコラムとn型GaNナノコラムとが短絡してしまう可能性がある。このため、電極形成の前に、SOG、SiO、もしくはエポキシ樹脂などから成る前記透明絶縁物がナノコラムの間に埋め込まれている。しかしながら、それらの絶縁物を、100nm程度というごく僅かなナノコラムアレイの間隙に、均一かつ所望の深さまで埋め込むのは極めて困難である。具体的に特許文献1では、直径70nm、高さ1μm程度のナノコラムを作製しているが、間隙のアスペクト比(深さ/直径)は10を超える値になる。これをCVDなどを用いて完全に埋めるのは極めて困難であり、特許文献1では液体状にしたものをスピンコーティングして透明絶縁層を形成しているが、表面張力が働いて上手く間隙中に入れ込むことは困難である。
【0006】
一方、特許文献2の従来技術は、柱状結晶の直径が3nm以下、発光領域の長さが3nm以下という構成であり、形状は柱状結晶構造体を用いているものの、本質的には量子ドットと呼ぶべきものである。すなわちこの従来技術の意味するところは、本来は直径3nm、長さ3nmの量子サイズ効果を有する量子ドットのみを発光素子として作製したいのだが、それそのものだけを作製できないために柱状結晶構造体を利用してその中に量子ドットを実現したものである。しかしながら、それでも直径3nmの柱状結晶構造を作製するのは非常に困難であり、製造コストも高価にならざるを得ず、たとえ量産したとしても非常に高価で、一般照明に用いることはできない。
【0007】
また、発光メカニズムについても、この従来技術では、相互に隣接した光吸収領域で励起したキャリアを発光領域で再結合させて発光させており、すなわち光励起によって発光させている。
【0008】
本発明の目的は、ナノコラムLEDの電極形成工程の困難さを回避しながら、かつ量子ドットのような製造が困難で高コストな技術を用いることなく、安価で安定的に製造できる半導体発光装置およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光装置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】
【0009】
本発明の半導体発光装置は、柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、前記柱状結晶構造体は、化合物半導体から成る柱状のコア部を、前記コア部よりもバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成されて支持基板に平行な状態で搭載されており、前記支持基板は第1の導電型を有する導電性基板から成り、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分が深層部を通して第1の電極となり、それ以外の部分が絶縁性となり、前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板上を覆い、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な有機金属から成る第2の電極とを含むことを特徴とする。
【0010】
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、成長基板上に、化合物半導体から成る柱状のコア部を成長させ、そのコア部を該コア部よりもバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に前記柱状結晶構造体を形成した後、前記成長基板を剥離して該柱状結晶構造体を取出す工程と、第1の導電型を有する導電性の支持基板上に前記柱状結晶構造体を散布する工程と、前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を、自己整合によって、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分を深層部を通して第1の電極に、前記陰となる部分以外を絶縁性に処理する工程と、前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な有機金属で覆い、第2の電極とする工程とを含むことを特徴とする。
【0011】
上記の構成によれば、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用いるようにした半導体発光装置およびその製造方法において、前記柱状結晶構造体を、化合物半導体から成る六角柱や四角柱状のコア部を、前記コア部よりもバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状のヘテロ構造として、前記シェル部を量子井戸の壁とし、コア部を量子井戸の底として、該柱状結晶構造体の全長で量子井戸を形成するとともに、成長後に成長基板から分離して、新たな支持基板に平行な横転状態で搭載し、その外周面に電極を形成して電子および正孔を注入し、前記コア部内でそれらを貯め、発光再結合させる。
【0012】
そして、支持基板上に散布した際に任意の位置で前記のように横転状態で搭載されることになる前記柱状結晶構造体の1つ1つに電極を形成するのは事実上不可能であるので、先ず支持基板自体を第1の導電型を有する導電性としておき、第1の電極となるようにする。また、第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な有機金属をスピンコートなどで塗布して前記柱状結晶構造体を覆わせることで第2の電極とすることができる。
【0013】
しかしながら、支持基板上に柱状結晶構造体を散布した後に、そのまま有機金属で覆うと、第1の電極と第2の電極とが短絡することになるので、前記柱状結晶構造体を散布した後の支持基板の表層部を、前記柱状結晶構造体による自己整合を用いて、前記第1の電極となる領域とそうでない絶縁性となる領域とに区分する処理を行う。たとえば支持基板がアルミから成るとき、窒化することで、前記柱状結晶構造体の陰となる部分はアルミのままで導電性を有し、深層部を通して外周縁や裏面を電源への端子とすることができる。これに対して、前記陰となる部分以外は窒化アルミとなって絶縁性となり、前記有機金属が被せられても前記短絡が生じることはない。
【0014】
したがって、電極形成の困難さが無くなるので、極めて安価で安定的に製造できる半導体発光装置およびその製造方法を実現することができる。また、柱状結晶構造体単体で見ても、pn接合がなく、電子、正孔の注入効率は悪いが、ほぼ全長を量子井戸として使用できるので、発光面積を圧倒的に広くすることができる。
【0015】
さらにまた、本発明の半導体発光装置では、前記支持基板は、アルミから成ることを特徴とする。
【0016】
上記の構成によれば、支持基板がアルミであると、放熱性に優れ、n型層と良好なオーミックコンタクトを形成するとともに、酸化または窒化するだけで、窒化ガリウムなどから成る柱状結晶構造体にダメージを与えることなく、極めて容易に前記表層部を絶縁性にすることができ、前記支持基板の材料として好適である。
【0017】
また、本発明の半導体発光装置では、前記柱状結晶構造体は、少なくとも前記コア部が異なる組成から成るものを複数種類有することを特徴とする。
【0018】
上記の構成によれば、コア部の組成が異なることで異なる波長の光を放射することができ、それらを複数種類組合わせることで、白色等の所望とする色の光を発生させることができる。
【0019】
さらにまた、本発明の照明装置は、前記の半導体発光装置を用いることを特徴とする。
【0020】
上記の構成によれば、ナノコラムへの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に製造できる照明装置を実現することができる。
【0021】
また、本発明の半導体発光装置の製造方法では、前記成長基板上に前記コア部を形成する工程は、前記成長基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、前記パターニングによって残された前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上に前記コア部を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする。
【0022】
上記の構成によれば、たとえばサファイアなどの成長基板上に、前記の柱状結晶構造体のコア部を成長させるにあたって、Ga,N,In,Alなどの化合物半導体材料や、Mg,Siなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないNi,Cu,Fe,Auなどのカタリスト材料層を前記成長基板上に形成しておく。その後、前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記コア部を成長させる。
【0023】
したがって、所望とする形状のコア部を多量に作成することができる。コア部が所望の長さに成長した後、材料組成や成長温度を変化させて成長させると、コア部の回りに成長が始まり、前記筒状のシェル部となる。
【発明の効果】
【0024】
本発明の半導体発光装置およびその製造方法は、以上のように、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用いるようにした半導体発光装置およびその製造方法において、前記柱状結晶構造体を、化合物半導体から成る六角柱や四角柱状のコア部を、前記コア部よりもバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状のヘテロ構造として、前記シェル部を量子井戸の壁とし、コア部を量子井戸の底として、該柱状結晶構造体の全長で量子井戸を形成するとともに、成長後に成長基板から分離して、新たな支持基板に平行な横転状態で搭載し、その外周面に電極を形成して電子および正孔を注入し、前記コア部内でそれらを貯め、発光再結合させるようにする。さらに、第1の導電型を有する支持基板上にそのような柱状結晶構造体を散布した後に、支持基板の表層部を、前記柱状結晶構造体による自己整合を用いて、第1の電極となる領域とそうでない絶縁性となる領域とに区分する処理を行い、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な有機金属をスピンコートなどで塗布して前記柱状結晶構造体を覆わせることで第2の電極とする。
【0025】
それゆえ、電極形成の困難さが無くなるので、極めて安価で安定的に製造できる半導体発光装置およびその製造方法を実現することができる。また、柱状結晶構造体単体で見ても、pn接合がなく、電子、正孔の注入効率は悪いが、ほぼ全長を量子井戸として使用できるので、発光面積を圧倒的に広くすることができる。
【0026】
さらにまた、本発明の半導体発光装置は、以上のように、前記支持基板をアルミとする。
【0027】
それゆえ、放熱性に優れ、n型層と良好なオーミックコンタクトを形成するとともに、酸化または窒化するだけで、窒化ガリウムなどから成る柱状結晶構造体にダメージを与えることなく、極めて容易に前記表層部を絶縁性にすることができ、前記支持基板の材料として好適である。
【0028】
また、本発明の半導体発光装置は、以上のように、前記柱状結晶構造体に、少なくとも前記コア部が異なる組成から成るものを複数種類用いる。
【0029】
それゆえ、異なる波長の光を放射することができ、それらを複数種類組合わせることで、白色等の所望とする色の光を発生させることができる。
【0030】
さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光装置を用いる。
【0031】
それゆえ、ナノコラムへの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に製造できる照明装置を実現することができる。
【0032】
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、以上のように、たとえばサファイアやSiなどの成長基板上に、前記の柱状結晶構造体のコア部を成長させるにあたって、Ga,N,In,Alなどの化合物半導体材料や、Mg,Siなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないNi,Cu,Fe,Auなどのカタリスト材料層を前記成長基板上に形成しておき、その後前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記コア部を成長させる。
【0033】
それゆえ、所望とする形状のコア部を多量に作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0034】
図1は、本発明の実施の一形態に係る半導体発光装置1の構造を説明するための一部分を透視して示す斜視図である。注目すべきは、この半導体発光装置1では、大略的に、ナノコラム2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g(総称するときは、以下参照符号2で示す)は、図示しない成長基板から分離された後、第1の導電型を有する支持基板3上に多数散布され、その上に第2の導電型を有し、ナノコラム2で発生する光に対して透明な有機金属から成る封止部材4が被せられて構成されることである。また注目すべきは、ナノコラム2は、図2で示すように、化合物半導体から成る柱状のコア部21を、前記コア部21よりもバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体から成る筒状のシェル部22で囲んだ同軸形状のヘテロ構造に形成され、コア部21自体が活性層となることである。
【0035】
すなわち、たとえば前記コア部21はn型GaNから成り、シェル部22はn型AlGaNから成ることで、前記シェル部22は量子井戸の壁となり、コア部21は量子井戸の底となって、該ナノコラム2の全長で量子井戸を形成する。したがって、後述するように該ナノコラム2の外周面から注入された電子および正孔は前記コア部21内で蓄えられ、発光再結合する。これによって発生した光は、バンドギャップエネルギーの大きな前記シェル部22を活性化することができず、該シェル部22を通過して、さらに前記透明な有機金属から成る封止部材4を通過して外部に放出される。
【0036】
図3は、前記ナノコラム2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の形成にあたっては、フォトリソグラフィが用いられるが、その形成方法は本方法に限定されるものではなく、たとえば電子ビーム露光などの方法を用いてもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態では、ナノコラム2の成長は、有機金属気相成長(MOCVD)によって行うことを前提としているが、ナノコラム2の成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー(MBE)やハイドライド気相成長(HVPE)法等を用いてもナノコラム2が作製可能である。以下、特に断らない限り、MOCVD装置を用いるものとする。
【0037】
先ず、サファイアから成る成長基板31上に、電子線蒸着によって、カタリスト材料層となるNi薄膜32が10nm程度蒸着され、続いて通常のリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを用いて、前記Ni薄膜32が、直径10〜100nmの島状に適宜間隔を開けてパターニングされ、図3(a)で示すようになる。
【0038】
続いて、これをMOCVD装置に入れて温度を950℃に設定し、この温度を保持しながら、GaN結晶成長の成長ガスであるTMG(トリメチルガリウム)およびNH(アンモニア)に、n型不純物供給用にSiH(シラン)を、さらにキャリアガスとして水素を供給すると、従来から公知であるカタリストを用いたGaNナノコラム成長により、前記n型GaNナノコラムから成る前記コア部21が1μm、図3(b)で示すように成長する。
【0039】
その後、キャリアガスを水素から窒素に変えた窒素雰囲気中で、形成温度は940℃とし、前記TMG(トリメチルガリウム)、NH(アンモニア)およびSiH(シラン)に、成長ガスとしてさらにTMA(トリメチルアルミニウム)を加えることで、n型AlGaN層から成る前記シェル部22が10nm以下の厚さで、図3(c)で示すように成長する。こうして、所望とする径および長さのナノコラム2を大量に作成することができる。
【0040】
こうして作成されたナノコラム2は、図3(d)で示すように、成長基板31全体を容器33に満たしたアルコール34中に浸漬し、超音波を印加することで成長基板31から剥れ(根元から折れ)アルコール34中に散在する。その後、前記容器33からサファイア基板31を取り去り、代わってn型電極となるAl基板5およびn型電極端子となるCu基板6を積層したデバイス用支持基板である前記支持基板3を容器33に入れ、アルコール34を蒸発させることにより、前記図1で示すように多数のナノコラム2を支持基板3上に搭載することができる。或いは、先に支持基板3を容器33に入れ、その上方に反転して成長基板31を入れ、超音波を印加することで、サファイア基板31から剥れたナノコラム2が支持基板3上に降り注いた後、成長基板31を取り除き、アルコール34を蒸発させるようにしてもよい。この状態で炉に入れて400℃前後でアニールすることで、前記ナノコラム2を支持基板3上にアロイして固着することができる。
【0041】
その後、図4で示すように支持基板3の上方から窒素ラジカル35を照射すると、任意の位置に散布されたナノコラム2に対して、その自己整合によって、Al基板5の表層部において、ナノコラム2の影になっていない部分5aは窒化され、窒化アルミニウム層を形成する。これは絶縁物層であり、該Al基板5と将来上部に形成され、p型電極となる前記封止部材4とを分離する役割を果たす。一方、前記ナノコラム2の影になっている部分5bは、窒化されず導電性を有し、前記シェル部22とAl基板5の深層部からCu基板6とを接続する。このようにAl基板5を用いることで、放熱性に優れ、シェル部22のn型層と良好なオーミックコンタクトを形成するとともに、酸化または窒化するだけで、前記GaNから成るナノコラム2にダメージを与えることなく、極めて容易に前記表層部を絶縁性にすることができ、前記支持基板3の材料として好適である。
【0042】
続いて、支持基板3上の全面に図5で示すように前記透明な有機金属から成る前記封止部材4を、たとえば300nmスピンコートした後、さらにITO7が蒸着され、その上部の一部にAuから成るp型電極端子8を形成すると半導体発光装置1が完成する。
【0043】
なお、成長基板1はサファイアに限らず、シリコン(Si)、炭化珪素(SiC)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al)、酸化シリコン(SiO)、酸化亜鉛(ZnO)等が使用されてもよい。また、ナノコラム2の結晶も、GaNに限らず、ZnOなどの酸化物や酸窒化物材料であってもよいことは言うまでもない。さらにまた、ナノコラム2はn型に限らず、p型コア部、およびそれを取り巻くp型シェル部から成る同軸形状ナノコラムとし、かつp型コア部のバンドギャップエネルギー幅がp型シェル部のバンドギャップエネルギー幅より小さければ、同様のメカニズムで発光させることができる。
【0044】
ただし、化合物半導体材料および添加物材料ならびに前記カタリスト材料層は、カタリスト材料層が化合物半導体材料および添加物材料を溶解して取込み、かつそれらが合成物を作らない材料に選ばれる必要がある。たとえば、カタリスト材料層としては、Ni,Cu,Fe,Auなどであり、化合物半導体材料としては、Ga,N,In,Alなどであり、添加物材料としては、Mg,Siなどである。また、カタリスト材料層の薄膜は、材料を取込むカタリスト材料層としての機能を発揮することができる厚さ、たとえば数原子層から、取込んだ材料が拡散することができる厚さ、たとえば20nmまでに形成され、好ましくは前記10nmである。
【0045】
また、前記ナノコラム2を作成するにあたって、上述の例ではカタリスト材料層を使用したが、シリコン(Si)などの成長基板31上に、前記Ga,N,In,Alなどの化合物半導体材料や、Mg,Siなどの添加物材料に対して、それらの元素を吸着・結合させて前記コア部21に成長させてゆくAlNなどの化合物種結晶層を用いてもよい。
【0046】
このようにして、所望とする形状のナノコラム2を多量に作成することができる。そして、カタリスト材料層となるNi薄膜32を、成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングしておくことで、それぞれの発光波長などを調整することができる。また、組成(コア部21のバンドギャップ幅)が相互に異なるように作成したナノコラム2を、前記容器33中で複数種類混合することで、たとえば赤(R)、緑(G)、青(B)の各色で発光するナノコラムを組合わせて、白色光を発生させることができ、それらの含有率を変えることで、所望とする色の光を発生させることができる。照明分野では色味は重要な仕様の一つであり、このようにして、これを自由にデザインすることが可能になる。
【0047】
上述のように構成された半導体発光装置1において、たとえばコア部21の直径は前記10〜100nmであり、シェル部22の厚さは前記10nm以下程度である。したがって、外部電源からp型電極端子8、ITO7および封止部材4を経た電流は、シェル部22を直ちに厚み方向に抜け、コア部21を通った後、再び支持基板31側のシェル部22を厚み方向に抜け、支持基板3に流れる。これによって、コア部21に元々電子が溜っているところに、封止部材4から正孔が注入されることになり、発光再結合が生じる。発生した光は、封止部材4およびITO7を通して大気中へ効率良く取り出される。
【0048】
このように構成することで、本実施の形態の半導体発光装置1では、ナノコラム2への電極形成の困難さが無くなるので、極めて安価で安定的に製造することができる。また、ナノコラム2の単体で見ても、pn接合がなく、電子、正孔の注入効率は悪いが、ほぼ全周に亘って+または−の何れかの電極を形成し、該ナノコラム2の全長を量子井戸として使用できるので、発光面積を圧倒的に広くすることができる。
【0049】
なお、図1において、支持基板3上に密着しているナノコラム2a,2b,2c,2d,2eは発光するが、他のナノコラム2b,2eに乗り上げているナノコラム2f,2gについては、シェル部22の接触具合によって、特に乗り上げている先端側で発光しない場合がある。しかしながら、下方のナノコラム2b,2eで発生した光がこれらのナノコラム2f,2gのコア部21に吸収されて再発光することもあり、下敷きとなっているナノコラム2b,2eは覆い被さっているナノコラム2f,2gの陰になるとは必ずしも言えない(覆い被さっているナノコラム2f,2gを通して光が放射される)。
【0050】
ここで、非特許文献(Fang Qian; Silvija Gradcak; Yat Li; Cheng-Yen; Charles M. Lieber; Nano lett. 2005 vol.5 No.11 2287-2291)には、成長基板上でナノコラムを軸方向に成長させた後、径方向にも成長させ、その径方向に量子井戸を形成して、成長後に前記成長基板から分離し、新たな支持基板に平行な横転状態で搭載して電極を貼付けて発光させることが示されている。
【0051】
図6は、その従来技術におけるナノコラム41の構造を示す斜視図である。このナノコラム41は、先ず図示しない前記成長基板上でn型GaNコア層42をノンポーラのa面で三角柱状に成長させ、その後、成長ガスおよび温度などを変化させることで、ノンドープInGaNシェル層43、ノンドープGaN層44、p型AlGaN層45、p型GaN層46の順で同軸形状に成長されたヘテロ構造型ナノコラムである。
【0052】
このナノコラム41も、前記成長基板から分離され、図7で示すように新たな支持基板47上に散布された後、参照符号41a,41bで示すように折り重なっているものや、参照符号41c,41dで示すように周縁部にあるものを除き、参照符号41eで示すように、折り重なっておらずかつ周囲にp型電極48およびn型電極49を形成するスペースのあるものが選び出されて、その上に電子線描画などで、前記電極48,49およびパターン50ならびにパッド51が形成されている。そしてp型電極48とナノコラム41eとが重なった斜線を施して示す部分が発光領域となっている。なお、表層のp型GaN層46は高抵抗であり、電極48,49間を流れる電流の殆どは参照符号52で示すように該p型GaN層46を直ちに厚み方向に通過して、低抵抗なn型GaNコア層42を流れ、該p型GaN層46を短絡して流れる電流は少ないと思われる。
【0053】
このように構成することで、a軸を長手方向に持つことにより、内部ピエゾ電界を無くして内部量子効率を上げるという長所を有している。また、熱源である発光層(前記斜線部分)がヒートシンクとなる支持基板47の近くに位置するので、放熱性に優れ、高出力でも外部量子効率の低減を抑えられるという長所も有している。
【0054】
これに対して、本実施の形態では、コア部21は成長の容易なc軸方向に成長されるが、電流の流れる方向が、それとは直交する同軸形状の径方向であるので、上記非特許文献と同様にピエゾ電界を打ち消し、高効率な内部量子効率の実現(発光再結合効率を高めることができる)、高い注入効率の実現が可能になる。また、同様にナノコラム2は支持基板3と平行であるので、放熱性の点でも同等である。
【0055】
しかしながら、非特許文献では、a面の成長には、非常に高価なSiC基板やLiAlO基板などが必要になるのに対して、本実施の形態では、安価なサファイアなどを使用することができる。
【0056】
また、非特許文献では、電極48,49の形成の際には、前述のように状態の良好なナノコラム41eをSEMで探し出して、電子線を用いて描画するという途方もない作業が必要になるとともに、ナノコラム41eの周囲に前記電極48,49、パターン50およびパッド51を貼付ける関係で、大きなスペースを有し、また支持基板上で配線が錯綜するので、前記の作業性の悪さと併せて、支持基板47上に分散させたナノコラム41の内、実際に発光させられるのは僅かである。さらに、上述のように実際に発光するのは、p型電極48とナノコラム41eとが重なった色付けして示す部分になる。このため、出力が小さすぎて、照明応用など、高出力を必要とする用途には使えないという問題がある。これに対して、本実施の形態では、前述のように支持基板3上の総てのナノコラム2に対して一括して、かつ極めて容易に電極を形成することができるとともに、ナノコラム2の周囲に広いスペースは必要とならず、支持基板3上に多くのナノコラム2を収容することができ、かつ発光面積も広く、光量を増加することができる。これによって、照明応用の可能性が極めて高い。
【0057】
したがって、非特許文献の従来技術は、ヘテロ構造を同軸形状の径方向に形成し、そのナノコラム41を支持基板47上で平行な横転状態で使用するという画期的な技術であるが、実験室レベルの技術であり、工業的に量産することはできない。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】本発明の実施の一形態に係る半導体発光装置の構造を説明するための一部分を透視して示す斜視図である。
【図2】前記半導体発光装置に用いられるナノコラムの斜視図である。
【図3】前記ナノコラムの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図4】前記半導体発光装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図5】前記半導体発光装置の完成状態を模式的に示す断面図である。
【図6】ヘテロ構造を同軸形状の径方向に形成した従来技術のナノコラムの斜視図である。
【図7】そのナノコラムを支持基板上で平行な状態で使用した従来技術の半導体発光装置の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0059】
1 半導体発光装置
2,2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g ナノコラム
3 支持基板
4 封止部材
5 Al基板
6 Cu基板
7 ITO
8 p型電極端子
21 コア部
22 シェル部
31 成長基板
32 Ni薄膜
33 容器
34 アルコール
35 窒素ラジカル

【特許請求の範囲】
【請求項1】
柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、
前記柱状結晶構造体は、化合物半導体から成る柱状のコア部を、前記コア部よりもバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に形成されて支持基板に平行な状態で搭載されており、
前記支持基板は第1の導電型を有する導電性基板から成り、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分が深層部を通して第1の電極となり、それ以外の部分が絶縁性となり、
前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板上を覆い、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な有機金属から成る第2の電極とを含むことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項2】
前記支持基板は、アルミから成ることを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置。
【請求項3】
前記柱状結晶構造体は、少なくとも前記コア部が異なる組成から成るものを複数種類有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光装置。
【請求項4】
前記請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光装置を用いることを特徴とする照明装置。
【請求項5】
柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、
成長基板上に、化合物半導体から成る柱状のコア部を成長させ、そのコア部を該コア部よりもバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体から成る筒状のシェル部で囲んだ同軸形状に前記柱状結晶構造体を形成した後、前記成長基板を剥離して該柱状結晶構造体を取出す工程と、
第1の導電型を有する導電性の支持基板上に前記柱状結晶構造体を散布する工程と、
前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を、自己整合によって、その表層部の前記柱状結晶構造体の陰となる部分を深層部を通して第1の電極に、前記陰となる部分以外を絶縁性に処理する工程と、
前記柱状結晶構造体を搭載した支持基板を、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有し、前記柱状結晶構造体で発生する光に対して透明な有機金属で覆い、第2の電極とする工程とを含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【請求項6】
前記成長基板上に前記コア部を形成する工程は、
前記成長基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、
前記カタリスト材料層を、前記コア部を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、
前記パターニングによって残された前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上に前記コア部を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする請求項5記載の半導体発光装置の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2008−235443(P2008−235443A)
【公開日】平成20年10月2日(2008.10.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−70669(P2007−70669)
【出願日】平成19年3月19日(2007.3.19)
【出願人】(000005832)松下電工株式会社 (17,916)
【Fターム(参考)】