発光素子および発光素子の製造方法
【課題】所定の間隔を離して基板上に立設された複数のナノワイヤを簡易かつ適切に形成できる発光素子および発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子１００は、基板１と、基板１上に配された複数の絶縁薄膜９Ａ、および、基板１の表面が露出している複数の開口部９Ｂからなるパターン層９と、基板１側から第１導電型の半導体層２、半導体発光層４、および、第２導電型の半導体層５をこの順に含み、パターン層９の開口部内９Ｂにおいて基板１に立設している複数のナノワイヤ２０と、パターン層９を上方から覆うようにして、ナノワイヤ２０間の隙間に配された透明絶縁層８と、複数のナノワイヤ２０の第１導電型の半導体層３に電気的に接続された第１電極２と、複数のナノワイヤ２０の第２導電型の半導体層５に電気的に接続された第２電極６と、を備える。
【解決手段】発光素子１００は、基板１と、基板１上に配された複数の絶縁薄膜９Ａ、および、基板１の表面が露出している複数の開口部９Ｂからなるパターン層９と、基板１側から第１導電型の半導体層２、半導体発光層４、および、第２導電型の半導体層５をこの順に含み、パターン層９の開口部内９Ｂにおいて基板１に立設している複数のナノワイヤ２０と、パターン層９を上方から覆うようにして、ナノワイヤ２０間の隙間に配された透明絶縁層８と、複数のナノワイヤ２０の第１導電型の半導体層３に電気的に接続された第１電極２と、複数のナノワイヤ２０の第２導電型の半導体層５に電気的に接続された第２電極６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子および発光素子の製造方法に係り、詳しくは、半導体発光層を有している複数のナノワイヤを用いた発光素子およびその製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ；窒化物半導体）系材料は、直接遷移型のバンド構造を持ち、連続的に紫外域から可視域に亘る幅広い範囲で発光可能な半導体材料として、様々な分野への応用が期待されている。一般に、サファイア基板上にＧａＮ層を結晶成長させる手法が用いられるが、サファイア基板とＧａＮとの間には大きな格子不整合が存在するので、ＧａＮ結晶に糸状転位などの欠陥が発生するという問題がある。
【０００３】
このような糸状転位の発生を減らして、発光素子の輝度を向上させる手法として、ＧａＮ系材料からなるナノサイズの柱状結晶構造体（以下、必要に応じて「ＧａＮナノワイヤ」という）が有望視されている。
【０００４】
このＧａＮナノワイヤのＴＥＭ観測によれば、糸状転位などの欠陥が極めて少ないことが確認されている。このため、当該ＧａＮナノワイヤにＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＤ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｉｓｋ）活性層を作り込んだ高輝度発光素子がすでに提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図１７は、ＧａＮナノワイヤを用いた従来の発光ダイオード（Light Emitting Diode；以下、必要に応じて「ナノワイヤＬＥＤ」と略す）の構造例を示した断面図である。なお、図１７には、上述の特許文献１記載の素子に準拠した発光ダイオードの構造が示されている。
【０００６】
従来のナノワイヤＬＥＤ２００には、基板５１上にｎ型のＧａＮバッファ層５０が形成されている。そして、このＧａＮバッファ層５０上に、ｎ型ＧａＮ層５３、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＤ活性層５４、および、ｐ型ＧａＮ層５５からなるＧａＮナノワイヤ６０が複数個配置されている。また、ＧａＮナノワイヤ６０のそれぞれの周辺には、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料やＳｉＯ2などの透明絶縁層５８が設けられている。ｐ型ＧａＮ層５５の上部は、例えば、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ型透明電極５６により共通に接続されている。そして、このｐ型透明電極５６に、例えばＴｉ／Ａｌからなる電極パッド５７が配されている。また、ＧａＮバッファ層５０に、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極５２が配されている。
【０００７】
このようなナノワイヤＬＥＤ２００には、糸状転位などの欠陥が少ないことに加え、ＧａＮナノワイヤ６０の側壁から出射された光が、周辺のＧａＮナノワイヤ６０により散乱され、この散乱光を上方に効率的に取り出せるという利点がある。更に、ナノワイヤＬＥＤ２００では、多数のＧａＮナノワイヤ６０を光源とする面光源を容易に構成できるという特徴もある。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【特許文献２】特開２００７−２７２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、従来のナノワイヤＬＥＤ２００には、ＧａＮナノワイヤ６０を成長させる際に、ＧａＮナノワイヤ６０同士の適切な間隔制御において難点がある。
【０００９】
例えば、ナノワイヤＬＥＤ２００を照明器具や表示デバイス用の面光源として用いる場合には、ＧａＮナノワイヤ６０の基板面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきにより、面光源の光強度がばらつく場合がある。
【００１０】
また、ＧａＮナノワイヤ６０が極度に高密度で敷き詰められた場合、ＧａＮナノワイヤ６０同士の間で一旦取り出された光が隣接するＧａＮナノワイヤ６０に再度入射すると、ＧａＮナノワイヤ６０に吸収されることにより、光の取り出し効率が低下するという問題がある。
【００１１】
また、ＧａＮナノワイヤ６０が極度に高密度で敷き詰められた場合、ナノワイヤＬＥＤ２００の放熱性が悪くなり、ナノワイヤＬＥＤ２００の温度上昇により発光効率が劣化する。
【００１２】
特に大面積の面光源の場合には、ナノワイヤＬＥＤ２００の中央部分の放熱性が悪いので、ナノワイヤＬＥＤ２００の面内の電流が不均一になり易い。つまり、ナノワイヤＬＥＤの中央部分の温度が上昇し易いので、ナノワイヤＬＥＤ２００の発光効率が面内で不均一になるという問題がある。
【００１３】
これに対し、ＧａＮナノワイヤ６０の成長温度を下げることにより、ＧａＮナノワイヤ６０同士の間隔をある程度広げた状態でＧａＮナノワイヤ６０を成長できるが、この場合、ＧａＮナノワイヤ６０の結晶性の悪化（つまり結晶中の欠陥増加）が懸念される。
【００１４】
そこで、ＧａＮ結晶体同士の間隔の制御を意図したＬＥＤの製造方法が、上述の特許文献２の図２に記載されている。同公報によれば、開口部を有するシリコン酸化膜をＧａＮ結晶体のマスクとして、この開口部内においてＧａＮ結晶体が選択成長により埋め込まれている。これにより、ＧａＮ結晶体を等間隔に形成できるとされている。
【００１５】
しかし、上述の公報に記載された開口部においては、ＧａＮナノワイヤが埋め込まれているので、シリコン酸化膜の開口部のパターニングにおいて、以下のような問題がある。
【００１６】
例えば、円柱状のＧａＮナノワイヤの高さが１μｍ、その直径が８０ｎｍ、ＧａＮナノワイヤ同士の間隔が１００ｎｍであるとする。すると、このような円柱状のＧａＮナノワイヤを、上述の製造方法に倣って形成する場合、高さが１μｍ、直径が８０ｎｍという高アスペクト比の開口パターンを１００ｎｍ間隔で、シリコン酸化膜上にパターニングする必要がある。そして、このことが、様々な不都合（例えば、ナノワイヤＬＥＤの製造コストのアップ）を誘発すると考えられる。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり 所定の間隔を離して基板上に立設された複数のナノワイヤを簡易かつ適切に形成できる発光素子および発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明は、
基板と、
前記基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層と、
前記基板側から第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に含み、前記パターン層の開口部内において前記基板に立設している複数のナノワイヤと、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に配された透明絶縁層と、
前記複数のナノワイヤの前記第１導電型の半導体層に電気的に接続された第１電極と、
前記複数のナノワイヤの前記第２導電型の半導体層に電気的に接続された第２電極と、
を備えた発光素子を提供する。
【００１９】
本発明の発光素子では、パターン層の開口部内にナノワイヤを埋め込む必要がないので、当該開口部の設計スペックを、パターン層を形成し易くなるよう、適切に設定できる。
【００２０】
また、開口部の幅が狭くて、開口部のアスペクト比が大きいと、ナノワイヤの各層に対応する組成の原料が基板に届き難くなり、ナノワイヤの成長を阻害する場合があるが、本発明の発光素子では、開口部のアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【００２１】
また、本発明の発光素子では、パターン層の開口部の間隔に基づいて、ナノワイヤの適切な間隔制御を行える。
【００２２】
よって、このような発光素子を面光源として用いる場合には、ナノワイヤの基板面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度のばらつきを抑制できる。
【００２３】
また、ナノワイヤを高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、発光素子の温度上昇やナノワイヤから取り出された光の隣接するナノワイヤへの再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の温度上昇による特性劣化や光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。
【００２４】
前記パターン層の絶縁膜は、前記開口部を挟むようにして、ストライプ状に配置されていてもよい。
【００２５】
これにより、開口部の幅方向に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配列することができる。
【００２６】
また、前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部を格子状に配列してもよい。
【００２７】
これにより、格子状に並んでいる開口部の配列方向に隣接するナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００２８】
なお、本明細書において、「略円形」とは、真円形の他、当該真円形から歪んだ円形（例えば、楕円形や長円形）を含むものとする。また、「略多角形」とは、多角形を形作る辺が必ずしも直線である必要はなく、この辺を若干湾曲させた多角形を含み（例えば、三角形に対して扇型）、多角形を形作る角が必ずしも尖っている必要はなく、この角を若干丸めた多角形（例えば、図１３に例示される「長方形の開口部４０９Ｂ」を参照）を含むものとする。
【００２９】
また、前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部を千鳥状に配列してもよい。
【００３０】
これにより、千鳥状に並んでいる開口部に隣接するナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００３１】
また、前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部をランダムに配列してもよい。
【００３２】
また、前記パターン層の絶縁膜の厚みが、前記ナノワイヤの高さの半分以下であってもよい。
【００３３】
また、前記パターン層の絶縁膜は、酸化シリコンにより構成されてもよい。
【００３４】
また、本発明は、基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層を形成する工程と、
前記開口部内において第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に成長させ、これらの層を含む複数のナノワイヤを前記基板に対して鉛直方向に形成させる成長工程と、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に透明絶縁層を埋め込む工程と、
前記複数のナノワイヤの第１導電型の半導体層に電気的に接続する第１電極を形成する工程と、
前記複数のナノワイヤの第２導電型の半導体層に電気的に接続する第２電極を形成する工程と、
を含んでいる発光素子の製造方法を提供する。
【００３５】
本発明の発光素子の製造方法では、パターン層の開口部内にナノワイヤを埋め込む必要がないので、当該開口部の設計スペックを、パターン層を形成し易くなるように適切に設定できる。
【００３６】
また、開口部の幅が狭くて、開口部のアスペクト比が大きいと、ナノワイヤの各層に対応する組成の原料が基板に届き難くなり、ナノワイヤの成長を阻害する場合があるが、本発明の発光素子の製造方法では、開口部のアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【００３７】
また、本発明の発光素子の製造方法では、パターン層の開口部の間隔に基づいて、ナノワイヤの適切な間隔制御を行える。
【００３８】
よって、このようにして製造された発光素子を面光源として用いる場合には、ナノワイヤの基板面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度がばらつきを抑制できる。
【００３９】
また、ナノワイヤを高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、ナノワイヤから取り出された光の隣接するナノワイヤへの再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。更に、発光素子の放熱性も改善され、発光素子の温度上昇に伴う特性劣化を防ぐことができる。
【００４０】
また、前記成長工程の際に、前記パターン層の絶縁膜上に多結晶層が成長した場合、前記多結晶層を除去する工程をさらに含んでもよい。
【００４１】
例えば、このような多結晶層をウエットエッチングにより除去することができ、多結晶層を下地の絶縁膜と一緒に、リフトオフ法により除去することもできる。
【００４２】
また、前記パターン層を形成する工程において、隣接する前記開口部間に前記絶縁膜をストライプ状に形成してもよい。
【００４３】
これにより、開口部の幅方向に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配列することができる。
【００４４】
また、前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を格子状に並ぶように形成してもよい。
【００４５】
これにより、格子状に並んでいる開口部の配列方向に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００４６】
また、前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を千鳥状に並ぶように形成してもよい。
【００４７】
これにより、千鳥状に並んでいる開口部に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００４８】
また、前記パターン層を形成する工程において、前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の開口部をランダムに並ぶように形成してもよい。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、所定の間隔を離して基板上に立設された複数のナノワイヤを簡易かつ適切に形成できる発光素子および発光素子の製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００５１】
図１は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの構造例を示した断面図である。
【００５２】
本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、図１に示すように、サファイア基板１の表面にｎ型のＧａＮバッファ層１０が設けられている。これにより、ＧａＮバッファ層１０上に、複数のＧａＮナノワイヤ２０を自然に成長させることができる。このＧａＮナノワイヤ２０は、サファイア基板１に対して鉛直方向に立設するように形成され、上述のＧａＮバッファ層１０上に、ｎ型ＧａＮ層３（ｎ型の窒化物半導体層）、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４（窒化物半導体発光層）、および、ｐ型ＧａＮ層５（ｐ型の窒化物半導体層）をこの順に有する柱状（例えば円柱状）を成している。また、ｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４、および、ｐ型ＧａＮ層５はダブルへテロ構造を成している。なお、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４中のＩｎ組成を調整することにより、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４は、可視波長域を含む様々な波長の光を発光できる。
【００５３】
また、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、ＧａＮナノワイヤ２０間の隙間には、図１に示すように、後述するパターン層９を上方から覆うようにして、酸化シリコン（ＳｉＯ2）やＳＯＧ材料からなる透明絶縁層８が埋め込まれている。
【００５４】
これにより、柱状のＧａＮナノワイヤ２０とＧａＮバッファ層１０との密着性、および、ＧａＮナノワイヤ２０の機械的強度を向上できる。また、透明絶縁層８によって、ｐ型ＧａＮ層５とｎ型のＧａＮバッファ層１０とを完全に分離できるので、ｐ型透明電極６（後述）による両者間の短絡などの問題も適切に回避できる。
【００５５】
更に、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、図１に示すように、全てのｐ型ＧａＮ層５に共通に電圧を印加するように、ｐ型ＧａＮ層５に電気的に接続されたｐ型透明電極６がｐ型ＧａＮ層５の上部に配されている。なお、ｐ型透明電極６には、Ｎｉ／Ａｕ電極などを用いればよい。一方、全てのｎ型ＧａＮ層３に共通に電圧を印加するように、ｎ型ＧａＮ層３に電気的に接続されたｎ型電極２がＧａＮバッファ層１０上の適所に配されている。なお、ｎ型電極２には、Ｔｉ／Ａｌ電極などを用いればよい。更に、Ｔｉ／Ａｌなどからなる電極パッド７が、ｐ型透明電極６に電気的に接続されてｐ型透明電極６上の適所に配されている。
【００５６】
なお、上述のナノワイヤＬＥＤ１００は一例に過ぎず、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００の構成を様々な態様に改変できる。
【００５７】
例えば、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、窒化物半導体（窒化ガリウム；ＧａＮ）を用いてナノワイヤを構成しているが、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの酸化物半導体を用いてもよい。
【００５８】
また、ＧａＮナノワイヤ２０をＧａＮバッファ層１０上に成長させているが、サファイア基板１上にナノワイヤを直接成長させてもよいし、安価なシリコン（Ｓｉ）基板を用いて、Ｓｉ基板上に直接ナノワイヤを成長させてもよい。この場合、Ｓｉ基板は前処理として自然酸化膜を除去し、ＧａＮのワイヤを成長させる公知の方法を用いることができる。
【００５９】
更に、ナノワイヤＬＥＤ１００の基板として、上述のシリコン基板以外にも、サファイア基板１、シリコン基板、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板、ＳＯＩ基板、または、ハイブリッド基板などを用いることができ、これらの基板上にナノワイヤを直接成長させてもよい。
【００６０】
更に、ＧａＮバッファ層１０上のｎ型電極２に代えて、特開２００７−２７２９８号公報（図１）に記載の如く、ｎ型の導電性基板の裏面全域にｎ型電極を配するように、構成してもよい。
【００６１】
更に、透明絶縁層８の材料として、上述の酸化シリコンに代えて、他の絶縁材料、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いてもよい。
【００６２】
次に、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００の特徴部であるパターン層９について図面を参照しながら詳しく説明する。
【００６３】
図２は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。但し、図２では、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００の構成要素を適宜省略し、図面の簡略化を図っている。例えば、図２では、サファイア基板１やｐ型透明電極６の図示、ＧａＮナノワイヤ２０中の各層３、４、５の図示を省いている。
【００６４】
図３は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【００６５】
なお、本明細書では、説明の便宜上、図２および図３に示すとおり、開口部９Ｂが延びている方向を「第１方向」とし、この「第１方向」に直交する方向（開口部９Ｂの幅方向）を「第２方向」とする。
【００６６】
図２および図３に示すように、パターン層９は、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に配され、第１方向に延びるストライプ状の複数の絶縁薄膜９Ａ、および、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０の表面が露出されているストライプ状の複数の開口部９Ｂを有している。つまり、パターン層９の絶縁薄膜９Ａは、開口部９Ｂを挟むようにして形成され、この絶縁薄膜９ＡによりＧａＮバッファ層１０が被覆されている。絶縁薄膜９Ａは、ここでは、酸化シリコン（ＳｉＯ2）により構成されている。
【００６７】
一方、開口部９Ｂに対応する領域については、絶縁薄膜９Ａによる被覆がなされてなく、パターン層９を形成した段階では、下地のＧａＮバッファ層１０が露出している。このため、この露出された領域が、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上にＧａＮナノワイヤ２０を成長させる際の、ＧａＮナノワイヤ２０のエピタキシャル成長面として機能する。
【００６８】
なお、絶縁薄膜９Ａでは、サファイア基板１上にＧａＮナノワイヤ２０を成長させる際に、多結晶ＧａＮ層の成長を伴うことがあるが、この場合、後述のとおり、多結晶ＧａＮ層は選択エッチングにより除去される。
【００６９】
本実施形態では、絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１（図３参照）は、約１００ｎｍに設定され、開口部９Ｂの第２方向の幅Ｄ１（図３参照）も、約１００ｎｍに設定されている。また、絶縁薄膜９Ａの厚みＴ（図１参照）は、ＧａＮナノワイヤ２０の高さに比べて充分に小さく、ここでは、約１００ｎｍである。
【００７０】
この場合、円柱状のＧａＮナノワイヤ２０の直径が約８０ｎｍであり、ＧａＮナノワイヤ２０が開口部９Ｂの第２方向の略中央に成長すると見做すと、図２に示すように、ＧａＮナノワイヤ２０の第２方向における間隔Ｄ２（正確には、ＧａＮナノワイヤ２０の第２方向における端同士の距離）は、上述の絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１（１００ｎｍ）および開口部９Ｂの幅Ｄ１（１００ｎｍ）に基づいて一定（ここでは、約１２０ｎｍ）になると期待される。
【００７１】
つまり、開口部９Ｂは、第２方向に等間隔（上述の幅Ｗ１）を隔てて配され、第１方向に真直ぐにストライプ状に延在しているので、開口部９Ｂの幅方向（第２方向）に隣接する、ＧａＮナノワイヤ２０同士の間隔Ｄ２を一定に保つように、ＧａＮナノワイヤ２０は、開口部９Ｂ毎に第１方向に１列に並んで配列されている。
【００７２】
このようにして、ＧａＮナノワイヤ２０の集合体としてのＧａＮナノワイヤアレイ１４を、ＧａＮナノワイヤ２０がＧａＮバッファ層１０上の第２方向に等間隔に並ぶように、サファイア基板１上に形成できる。
【００７３】
但し、上述の絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１、開口部９Ｂの幅Ｄ１、および、絶縁薄膜９Ａの厚みＴの各値は飽くまで一例に過ぎない。絶縁薄膜９Ａの厚みＴについては、少なくともＧａＮナノワイヤ２０の高さの半分以下に設定すればよい。よって、ＧａＮナノワイヤ２０の高さが約１μｍの場合には、この厚みＴは、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法で形成するのであれば、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において、Ｓｉ基板上に熱酸化法で形成するのであれば、３ｎｍから２０ｎｍの範囲において、任意に設定できる。
【００７４】
また、絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１および間隔（つまり開口部９Ｂの幅Ｄ１）は、ＧａＮナノワイヤ２０の発光層であるＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ活性層４から発光した光が、効率よく取り出され、周囲のＧａＮナノワイヤ２０によって効率よく散乱されて、光が上部に取り出されるために適したＧａＮナノワイヤの間隔と直径に基づいた数値を設定すればよい。
【００７５】
具体的には、ＧａＮナノワイヤ２０からの光の取り出し効率を高めるには、ＧａＮナノワイヤ２０の直径を発光波長よりも小さくするとよい。発光波長をλ、ＧａＮナノワイヤ２０の屈折率をｎ１とすると、ＧａＮナノワイヤ２０の直径はλ／ｎ１よりも小さくするとよい。ＧａＮナノワイヤ２０の屈折率をｎ１＝２．５とすると、発光波長が例えば３６０ｎｍの紫外線の場合、１４４ｎｍより小さい値が適当な値となる。また、発光波長が７８０ｎｍの赤色光線の場合は、３１２ｎｍより小さい値に設定すればよく、他にも、緑色、青色、紫外線など、発光波長に合わせて適当な直径を設定すればよい。よって、絶縁薄膜９Ａの間隔（つまり開口部９Ｂの幅Ｄ１）は開口部９Ｂに形成するＧａＮナノワイヤの本数に応じて設定すればよい。
【００７６】
更に、ＧａＮナノワイヤ２０から一旦外部に取り出された光が、ＧａＮナノワイヤ２０に吸収されることなく、効率よく散乱されるには、ＧａＮナノワイヤ２０の間隔を発光波長よりも小さくするとよい。発光波長をλ、透明絶縁膜８の屈折率をｎ２とすると、ＧａＮナノワイヤ２０の間隔はλ／ｎ２よりも小さくするとよい。透明絶縁膜８がＳｉＯ2とすると、その屈折率は約１．４６であるため、ＧａＮナノワイヤ２０の間隔は、発光波長が例えば３６０ｎｍの紫外線の場合、２４７ｎｍより小さい値が適当な値となる。また、発光波長が７８０ｎｍの赤色光線の場合は、５３４ｎｍ以下の値に設定すればよく、他にも、緑色、青色、紫外線など、発光波長に合わせて適当な間隔を設定すればよい。
【００７７】
なお、本実施形態では、開口部９Ｂ毎に、第１方向に１列に並んだＧａＮナノワイヤ２０を例示したが、開口部９Ｂの幅Ｄ１を広げることにより、開口部９Ｂ毎に、ＧａＮナノワイヤ２０を第１方向に２列以上配列することもできる。
【００７８】
図７および図８には、開口部９Ｂ’毎にＧａＮナノワイヤ２０’を第１方向に２列以上（ここでは、４列）を配してストライプ状にパターン層９’を形成した例が図示されている。
【００７９】
図７は、このようなナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。図８は、このようなナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。この場合、ＧａＮナノワイヤ２０’を束にしながら、絶縁薄膜９Ａ’によってできる適度の間隔（例えば、上述の設計基準による間隔）に基づいてナノワイヤＬＥＤ１００’の光を適切に散乱できる。その結果、単位面積あたりのＧａＮナノワイヤ２０’の本数を多くでき、ナノワイヤＬＥＤ１００’の光を効率的に上部に取り出すことができる。また、微細なパターン層の作製はコストアップになり、コスト的に限界があるので、ＧａＮナノワイヤの単位面積あたりの本数をできるだけ増やしたいときはこのような構成が有効である。
【００８０】
次に、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤ１００の製造方法について説明する。
【００８１】
図４は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの製造方法を説明するための図である。図４（ａ）〜図４（ｅ）には、ナノワイヤＬＥＤ１００の各製造工程における断面図が示されている。
【００８２】
まず、図４（ａ）に示すように、サファイア基板１上に、ｎ型のＧａＮバッファ層１０を形成させる。そして、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に、厚みが１００ｎｍの酸化シリコンからなるベタ状の均一な絶縁薄膜９’を、適宜の真空成膜法（例えば、ＣＶＤ法やスパッタリング法）により形成する。次いで、絶縁薄膜９’上にストライプ状にパターニングされたレジスト膜１２を形成する。
【００８３】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト膜１２をマスクにして（但し、図４（ｂ）ではレジスト膜１２を除去した後の形態を図示）、絶縁薄膜９’をストライプ状にエッチングにより除去する。すると、絶縁薄膜９’は、ストライプ状にパターニングされる。その結果、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に、ストライプ状の絶縁薄膜９Ａ、および、ストライプ状の開口部９Ｂを有するパターン層９が形成される。このようにして、ＧａＮバッファ層１０の表面が、絶縁薄膜９Ａにより被覆され、ＧａＮバッファ層１０の表面が、開口部９Ｂにおいて露出される。
【００８４】
次に、有機金属ハイドライド気相エピタキシャル成長法（ＭＯ−ＨＶＰＥ法）を用いると、図４（ｃ）に示すように、開口部９Ｂ内のＧａＮバッファ層１０上に、ＧａＮナノワイヤ２０を成長できる。
【００８５】
Ｇａ原料として、ＧａＣｌを用い、Ｎ原料として、アンモニアを用い、Ｉｎ原料として、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いればよい。また、ｎ型不純物元素として、シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、この場合のＳｉ原料として、ＳｉＨ4を用いればよい。ｐ型不純物元素として、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることができ、この場合のＭｇ原料として、Ｃｐ2Ｍｇ（Ｂｉｓ ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａ ｄｉｅｎｙｌｍａｇｎｅｓｉｕｍ）を用いればよい。
【００８６】
ＧａＮナノワイヤ２０の成長温度を４００〜７００℃程度に設定して、各層３、４、５に対応する組成の原料を順次供給すると、ｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４、および、ｐ型ＧａＮ層５がそれぞれ、エピタキシャル成長面として機能する開口部９Ｂ内において、この順番にサファイア基板１に対して鉛直方向（３次元方向）に柱状に成長する。
【００８７】
本実施形態では、ｎ型ＧａＮ層３の高さは５００ｎｍに設定され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４の高さは３０ｎｍに設定され、ｐ型ＧａＮ層５の高さは５００ｎｍに設定されている。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４のエピ構造については、任意の構造をとることができる。例えば、当該エピ構造において、オーバーフローストッパー層であるＡｌＧａＮ（アルミニウムガリウムナイトライド）層を追加してもよい。また、当該エピ構造において、量子井戸の数を適宜選択することができる。
【００８８】
一方、絶縁薄膜９Ａには、何も成長しない場合もあるが、図４（ｃ）に示すように、ＧａＮナノワイヤ２０の成長と同時に、多結晶ＧａＮ層１５の成長を伴う場合がある。この場合には、例えば、２００℃〜３００℃の燐酸および硫酸の混合溶液を用いて、絶縁薄膜９Ａ上の多結晶ＧａＮ層１５を選択的にウエットエッチングすれば、図４（ｃ）以後の断面図に示すように、多結晶ＧａＮ層１５を除去できる。
【００８９】
また、図示を省略しているが、フッ酸などを用いて、多結晶ＧａＮ層１５を、その下地の酸化シリコン膜（絶縁薄膜９Ａ）と一緒に、リフトオフ法により除去してもよい。
【００９０】
次に、図４（ｄ）に示すように、ＧａＮナノワイヤ２０間の隙間に、パターン層９を上方から覆うようにして、酸化シリコンからなる透明絶縁層８が埋め込まれる。例えば、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料をサファイア基板１上に塗布することにより、透明絶縁層８を形成することができる。次いで、透明絶縁層８をエッチバックすることにより、ＧａＮナノワイヤ２０のｐ型ＧａＮ層５の上部が、頭だしされる。
【００９１】
最後に、図４（ｅ）に示すように、各ＧａＮナノワイヤ２０に共通して電圧を印加できるように、各ＧａＮナノワイヤ２０のｐ型ＧａＮ層５の上部に接続するｐ型透明電極６が、電子ビーム蒸着法などにより形成される。このｐ型透明電極６は、例えば、Ｎｉ／Ａｕ電極である。また、このｐ型透明電極６に接続する電極パッド７も、電子ビーム蒸着法などにより形成される。この電極パッド７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ電極である。更に、ＧａＮバッファ層１０に接続するｎ型電極２も、電子ビーム蒸着法などにより形成される。このｎ型電極２は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ電極である。このようにして、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００を製造できる。
【００９２】
なお、本実施形態では、ＭＯ−ＨＶＰＥ法を用いたＧａＮナノワイヤ２０の成長法を述べたが、これに限らず、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）を用いてもＧａＮナノワイヤを成長させることができる。
【００９３】
以上に述べたとおり、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００は、サファイア基板１と、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に形成されたパターン層９を有する。このパターン層９は、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に配された複数の絶縁薄膜９Ａおよびサファイア基板１のＧａＮバッファ層１０の表面が露出されている複数の開口部９Ｂにより構成されている。
【００９４】
また、ナノワイヤＬＥＤ１００は、サファイア基板１側からｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４、および、ｐ型ＧａＮ層５をこの順に含み、上述の開口部９Ｂ内において、サファイア基板１（正確にはサファイア基板１上のＧａＮバッファ層１０）に対して鉛直方向に立設している複数のＧａＮナノワイヤ２０と、パターン層９を上方から覆うようにして、ＧａＮナノワイヤ２０間の隙間に配された透明絶縁層８と、を備える。
【００９５】
そして、このナノワイヤＬＥＤ１００では、全てのｐ型ＧａＮ層５に共通に接触するようにして、ｐ型ＧａＮ層５と電気的に接続されたｐ型透明電極６が配されている。また、ＧａＮバッファ層１０の適所には、全てのｎ型ＧａＮ層３と電気的に接続されたｎ型電極２が配されている。
【００９６】
このように、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、パターン層９の開口部９Ｂ内にＧａＮナノワイヤ２０を埋め込む必要がないので、当該開口部９Ｂの設計スペックを、パターン層９を形成し易くなるように適切に設定できる。
【００９７】
また、開口部９Ｂの幅が狭くて、開口部９Ｂのアスペクト比が大きいと、ＧａＮナノワイヤ２０の各層３、４、５に対応する組成の原料がサファイア基板１のＧａＮバッファ層１０に届き難くなり、ＧａＮナノワイヤ２０の成長を阻害する場合があるが、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、開口部９Ｂのアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【００９８】
また、本実施形態では、ストライプ状の開口部９Ｂは、第２方向に等間隔（上述の幅Ｗ１）を隔てて配され、第１方向に真直ぐに延びているので、ＧａＮナノワイヤ２０が、第２方向（開口部９Ｂの幅方向）に隣接する、ＧａＮナノワイヤ２０同士の間隔Ｄ２を一定に保つように、開口部９Ｂ毎に第１方向（開口部９Ｂの延びる方向）に１列に並んで配列されている。
【００９９】
これにより、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、ＧａＮナノワイヤ２０の第２方向の適切な間隔制御を行える。
【０１００】
よって、ナノワイヤＬＥＤ１００を面光源として用いる場合には、ＧａＮナノワイヤ２０のサファイア基板１面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度がばらつきを抑制できる。
【０１０１】
また、ＧａＮナノワイヤ２０を高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、ＧａＮナノワイヤ２０から取り出された光の隣接するＧａＮナノワイヤ２０への再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。また、ナノワイヤＬＥＤ１００の放熱性も改善され、ナノワイヤＬＥＤ１００の温度上昇に伴う特性劣化を防ぐことができる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、絶縁薄膜９Ａは、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて形成したが、基板にＳｉ基板を使用し、Ｓｉ基板上に直接ＧａＮナノワイヤを成長させる場合は、熱酸化法を用いて、絶縁薄膜９Ａを形成してもよい。
（変形例１）
本実施形態では、ストライプ状の絶縁薄膜９Ａおよびストライプ状の開口部９Ｂを有するパターン層９が例示されているが、このようなパターン層９を、以下の如く、改変してもよい。
【０１０３】
図５は、本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。
【０１０４】
図６は、本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【０１０５】
なお、本明細書では、説明の便宜上、図６に示すとおり、マトリクス状に並んでいる開口部１０９Ｂの一方の配列方向を「第１方向」とし、この「第１方向」に直交する方向（マトリクス状に並んでいる開口部１０９Ｂの他方の配列方向）を「第２方向」とする。
【０１０６】
本変形例のナノワイヤＬＥＤ１１０では、図５および図６に示すように、パターン層１０９は、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に配された絶縁薄膜１０９Ａ、および、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０の表面が露出されている矩形状の複数の開口部１０９Ｂを有している。パターン層１０９の開口部１０９Ｂは、第１方向および第２方向において、マトリクス状（格子状）に配列されている。
【０１０７】
パターン層１０９の絶縁薄膜１０９Ａは、図６に示すように、開口部１０９Ｂを囲むようにして形成され、矩形環状の周縁部１１９Ａ（但し、図５および図６では、矩形環状の周縁部１１９Ａの上下の直線部の一部のみを図示）と、複数の帯部１１９Ｂと、を備える。
【０１０８】
複数の帯部１１９Ｂは、この周縁部１１９Ａから分岐するようにして、周縁部１１９Ａの内側において第１方向または第２方向に延びており、互いに直交格子状を成して互いに交差している。
【０１０９】
このようにして、絶縁薄膜１０９ＡによりＧａＮバッファ層１０が被覆されている。なお、絶縁薄膜１０９Ａは、ここでは、酸化シリコン（ＳｉＯ2）により構成されている。
【０１１０】
一方、開口部１０９Ｂに対応する領域については、絶縁薄膜１０９Ａによる被覆がなされてなく、パターン層１０９を形成した段階では、下地のＧａＮバッファ層１０が露出している。このため、この露出された領域が、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上にＧａＮナノワイヤ１２０を成長させる際の、ＧａＮナノワイヤ１２０のエピタキシャル成長面として機能する。また、実施形態と同様、絶縁薄膜１０９Ａでは、サファイア基板１（図５では図示省略）上にＧａＮナノワイヤ１２０を成長させる際に、多結晶ＧａＮ層の成長を伴うことがあるが、この場合、この多結晶ＧａＮ層は、選択的なウエットエッチングやリフトオフ法により除去される。
【０１１１】
なお、適宜のレジスト膜（図示せず）を用いて、ＧａＮバッファ層１０上に形成された酸化シリコンからなるベタ状の均一な絶縁薄膜（図示せず）を、上述の矩形環状の周縁部１１９Ａおよび直交格子状の帯部１１９Ｂを残すようにパターニングすれば、当該パターン層１０９を容易に製造できる。
【０１１２】
本変形例では、絶縁薄膜１０９Ａの帯部１１９Ｂの幅Ｗ２（図６参照）は、所定幅に設定され、開口部１０９Ｂの第１方向および第２方向における一辺の寸法Ｄ３、Ｄ４（図６参照）も、それぞれ、所定寸法に設定されている。
【０１１３】
よって、円柱状のＧａＮナノワイヤ１２０を開口部１０９Ｂの略中心に１本、成長させると、図６に示すように、ＧａＮナノワイヤ１２０の第１方向における間隔Ｄ５（正確には、ＧａＮナノワイヤ１２０の第１方向における端面同士の距離）は、上述の帯部１１９Ｂの幅Ｗ２および開口部１０９Ｂの寸法Ｄ３に基づいて一定になると期待される。
【０１１４】
同様に、ＧａＮナノワイヤ１２０の第２方向における間隔Ｄ６（正確には、ＧａＮナノワイヤ１２０の第２方向における端面同士の距離）は、上述の帯部１１９Ｂの幅Ｗ２および開口部１０９Ｂの寸法Ｄ４に基づいて一定になると期待される。
【０１１５】
なお、実施形態と同様、絶縁薄膜１０９Ａの厚み、パターン層１０９の帯部１１９Ｂの幅Ｗ２、および、開口部１０９Ｂの寸法Ｄ３、Ｄ４は、ナノワイヤ１２０自身から光が取り出しやすく、また、周囲のナノワイヤ１２０によって効率よく散乱されて上部に取り出せるよう、適宜、設定できる。
【０１１６】
絶縁薄膜１０９Ａの厚みについては、少なくともＧａＮナノワイヤ１２０の高さの半分以下に設定すればよい。例えば、ＧａＮナノワイヤ１２０の高さが約１μｍの場合には、この厚みは、例えば、３ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において任意に設定できる。また、帯部１１９Ｂの幅Ｗ２は、例えば、３０〜１６００ｎｍの範囲において任意に設定できる。また、開口部９Ｂの寸法Ｄ３、Ｄ４は、例えば、３０ｎｍ〜５２０ｎｍの範囲において任意に設定できる。
【０１１７】
つまり、本変形例では、パターン層１０９の開口部１０９Ｂ内にＧａＮナノワイヤ１２０を埋め込む必要がないので、当該開口部１０９Ｂの設計スペックを、パターン層１０９を形成し易くなるように適切に設定できる。
【０１１８】
また、開口部１０９Ｂの幅が狭くて、開口部１０９Ｂのアスペクト比が大きいと、ＧａＮナノワイヤ１２０の各層３、４、５に対応する組成の原料がサファイア基板１のＧａＮバッファ層１０に届き難くなり、ＧａＮナノワイヤ１２０の成長を阻害する場合があるが、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１１０では、開口部１０９Ｂのアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【０１１９】
また、上述の開口部１０９Ｂは、第１方向および第２方向に等間隔（上述の幅Ｗ２）をマトリクス状に隔てて配されているので、第１方向および第２方向（マトリクス状に並んでいる開口部１０９Ｂの配列方向）に隣接する、ＧａＮナノワイヤ１２０同士の間隔Ｄ５、Ｄ６を一定に保つように、ＧａＮナノワイヤ１２０は開口部１０９Ｂ毎に１本ずつ配されている。
【０１２０】
このようにして、ＧａＮナノワイヤ１２０の集合体としてのＧａＮナノワイヤアレイ１１４を、ＧａＮナノワイヤ１２０がＧａＮバッファ層１０上の第１方向および第２方向に等間隔に並ぶように、サファイア基板１上に形成できる。
【０１２１】
これにより、本変形例のナノワイヤＬＥＤ１１０では、ＧａＮナノワイヤ１２０の第１方向および第２方向の適切な間隔制御を行える。よって、ナノワイヤＬＥＤ１１０を面光源として用いる場合には、ＧａＮナノワイヤ１２０のサファイア基板１面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度がばらつきを抑制できる。また、ナノワイヤを高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、ナノワイヤから取り出された光の隣接するナノワイヤへの再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。
【０１２２】
なお、本変形例では、開口部１０９Ｂ毎に、１本ずつ配されたＧａＮナノワイヤ１２０を例示したが、開口部１０９Ｂの寸法Ｄ３、Ｄ４を広げることにより、開口部１０９Ｂ毎に、第１方向及び第２方向についてＧａＮナノワイヤを２本以上、配することもできる。
【０１２３】
図９および図１０には、開口部１０９Ｂ’毎に、ＧａＮナノワイヤ１２０’を第１方向に２列、第２方向に３列を配して格子状にパターン層１０９’を形成した例が図示されている。図９は、このようなナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。図１０は、このようなナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。この場合、開口部１０９Ｂ’毎に第１方向及び第２方向にＧａＮナノワイヤ１２０’を複数列形成することにより、ＧａＮナノワイヤ１２０’を束にしながら、絶縁薄膜１０９Ａ’によってできる適度の間隔でナノワイヤＬＥＤ１１０’の光を適切に散乱できる。その結果、単位面積あたりのＧａＮナノワイヤ１２０’の本数を多くでき、ナノワイヤＬＥＤ１１０’の光を上部に効率的に取り出すことができる。また、微細なパターン層の作製はコストアップになり、コスト的に限界があるので、ＧａＮナノワイヤの単位面積あたりの本数をできるだけ増やしたいときはこのような構成が有効である。
（変形例２）
変形例１では、開口部の形状として長方形が例示され、開口部の配列としてマトリクス配列（格子配列）が例示されている。しかしながら、開口部の形状は、ナノワイヤＬＥＤの特性に合わせて任意（例えば、略円形や略多角形）に改変できる。また、開口部の配列も、ナノワイヤＬＥＤの特性に合わせて任意（例えば、千鳥配列やランダム配列）に改変できる。
【０１２４】
図１１、図１２、図１３、図１４、図１５および図１６は何れも、開口部の形状または配列が改変されたパターン層の一例を平面視した図である。
【０１２５】
図１１では、パターン層２０９として、複数（ここでは９個）の真円形の開口部２０９Ｂがマトリクス状に並ぶようにして形成された絶縁薄膜２０９Ａが示されている。
【０１２６】
図１２では、パターン層３０９として、複数（ここでは９個）の正六角形の開口部３０９Ｂがマトリクス状に並ぶようにして形成された絶縁薄膜３０９Ａが示されている。
【０１２７】
図１３では、パターン層４０９として、複数（ここでは９個）の長方形の開口部４０９Ｂがマトリクス状に並ぶようにして形成された絶縁薄膜４０９Ａが示されている。
【０１２８】
図１１や図１２に示すような真円形や六角形の方が、中心に結晶の核を形成させ易く、その結果、ＧａＮナノワイヤを中心に成長させ易いという利点がある。また、図１３に示す如く、長方形の開口パターンを微細化すると、パターン層４０９の製造過程において、長方形の開口部４０９Ｂの角が丸くなる場合がある。
【０１２９】
図１４では、パターン層５０９として、複数（ここでは１０個）の真円形の開口部５０９Ｂが千鳥状に並びようにして形成された絶縁薄膜５０９Ａが示されている。
【０１３０】
図１１に示す如く、真円形の開口部２０９Ｂをマトリクス状に配列するよりも、真円形の開口部５０９Ｂを千鳥状に配列する方が、単位面積あたりのワイヤ本数を増やすことが可能となるので、ナノワイヤＬＥＤの光強度改善の観点から有益である。
【０１３１】
なお、図示を省略するが、略多角形の開口部を千鳥状に配列してもよい。また、略円形や略多角形の開口部をマトリクス状や千鳥状のような規則的な配列以外の配列、例えば、ランダムに配列してもよい。この場合、公知のランダム関数により割り付けられたマスクの開口パターンを用いて、適宜のフォトリソ技術によりランダム配列の開口部を形成できる。
【０１３２】
図１５および図１６では、ナノワイヤＬＥＤの周辺部分におけるＧａＮナノワイヤの敷き詰め度が、ナノワイヤＬＥＤの中央部分におけるＧａＮナノワイヤの敷き詰め度よりも高くなるように、開口部の形状を調整した例が図示されている。具体的には、図１５および図１６に示す如く、ナノワイヤＬＥＤの周辺部分における開口部７０９Ｂ、７０９Ｂ’の単位面積が、ナノワイヤＬＥＤの中央部分における開口部６０９Ｂ、６０９Ｂ’の単位面積よりも大きくなっている。
【０１３３】
これにより、ナノワイヤＬＥＤを面光源として用いて、大面積の光源を作製する場合、放熱特性の劣るナノワイヤＬＥＤの中央部分でのＧａＮナノワイヤの発熱を抑えて、ナノワイヤＬＥＤの中央部分の発光効率の低下やナノワイヤＬＥＤの面内の電流分布のばらつきを改善できる。その結果、ナノワイヤＬＥＤの大面積での均一な発光を実現できる。また、この他にも、ナノワイヤＬＥＤの所望の発光分布をもたせるように、種々のパターン層を設計できる。
【０１３４】
なお、ここまで、発光素子として、ＧａＮナノワイヤを用いたＬＥＤを例示したが、本明細書に記載されたＧａＮナノワイヤを成長させる際のＧａＮナノワイヤ間の間隔制御技術の適用範囲は、これに限らない。本技術は、ＬＥＤの他、例えば、レーザーダイオードなどにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明によれば、所定の間隔を離して基板上に立設された複数のナノワイヤを簡易かつ適切に形成できる発光素子を得ることができる。よって、本発明の発光素子は、素子単体の他、表示デバイス用の面光源や、光通信用の光源などの様々な用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの構造例を示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。
【図３】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図４】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの製造方法を説明するための図である。（ａ）〜（ｅ）には、ナノワイヤＬＥＤの各製造工程における断面図が示されている。
【図５】本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。
【図６】本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図７】図２のパターン層が改変されたナノワイヤＬＥＤの要部を示した立体斜視図である。
【図８】図７のナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図９】図５のパターン層が改変されたナノワイヤＬＥＤの要部を示した立体斜視図である。
【図１０】図９のナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図１１】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１２】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１３】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１４】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１５】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１６】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１７】従来のナノワイヤＬＥＤの構造例を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１ サファイア基板
２ ｎ型電極
３ ｎ型ＧａＮ層
４ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層
５ ｐ型ＧａＮ層
６ ｐ型透明電極
７ 電極パッド
８ 透明絶縁層
９ １０９ パターン層
９Ａ、１０９Ａ 絶縁薄膜
９Ｂ １０９Ｂ 開口部
１０ ＧａＮバッファ層
１４、１１４ ＧａＮナノワイヤアレイ
２０、１２０ ＧａＮナノワイヤ
１００、１１０ ナノワイヤＬＥＤ
１１９Ａ 周縁部
１１９Ｂ 帯部
Ｄ１ 開口部の幅
Ｄ２、Ｄ５、Ｄ６ ＧａＮナノワイヤ同士の間隔
Ｄ３、Ｄ４ 開口部の一辺の寸法
Ｗ１ 絶縁薄膜の幅
Ｗ２ 帯部の幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子および発光素子の製造方法に係り、詳しくは、半導体発光層を有している複数のナノワイヤを用いた発光素子およびその製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ；窒化物半導体）系材料は、直接遷移型のバンド構造を持ち、連続的に紫外域から可視域に亘る幅広い範囲で発光可能な半導体材料として、様々な分野への応用が期待されている。一般に、サファイア基板上にＧａＮ層を結晶成長させる手法が用いられるが、サファイア基板とＧａＮとの間には大きな格子不整合が存在するので、ＧａＮ結晶に糸状転位などの欠陥が発生するという問題がある。
【０００３】
このような糸状転位の発生を減らして、発光素子の輝度を向上させる手法として、ＧａＮ系材料からなるナノサイズの柱状結晶構造体（以下、必要に応じて「ＧａＮナノワイヤ」という）が有望視されている。
【０００４】
このＧａＮナノワイヤのＴＥＭ観測によれば、糸状転位などの欠陥が極めて少ないことが確認されている。このため、当該ＧａＮナノワイヤにＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＤ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｉｓｋ）活性層を作り込んだ高輝度発光素子がすでに提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図１７は、ＧａＮナノワイヤを用いた従来の発光ダイオード（Light Emitting Diode；以下、必要に応じて「ナノワイヤＬＥＤ」と略す）の構造例を示した断面図である。なお、図１７には、上述の特許文献１記載の素子に準拠した発光ダイオードの構造が示されている。
【０００６】
従来のナノワイヤＬＥＤ２００には、基板５１上にｎ型のＧａＮバッファ層５０が形成されている。そして、このＧａＮバッファ層５０上に、ｎ型ＧａＮ層５３、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＤ活性層５４、および、ｐ型ＧａＮ層５５からなるＧａＮナノワイヤ６０が複数個配置されている。また、ＧａＮナノワイヤ６０のそれぞれの周辺には、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料やＳｉＯ2などの透明絶縁層５８が設けられている。ｐ型ＧａＮ層５５の上部は、例えば、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ型透明電極５６により共通に接続されている。そして、このｐ型透明電極５６に、例えばＴｉ／Ａｌからなる電極パッド５７が配されている。また、ＧａＮバッファ層５０に、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極５２が配されている。
【０００７】
このようなナノワイヤＬＥＤ２００には、糸状転位などの欠陥が少ないことに加え、ＧａＮナノワイヤ６０の側壁から出射された光が、周辺のＧａＮナノワイヤ６０により散乱され、この散乱光を上方に効率的に取り出せるという利点がある。更に、ナノワイヤＬＥＤ２００では、多数のＧａＮナノワイヤ６０を光源とする面光源を容易に構成できるという特徴もある。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【特許文献２】特開２００７−２７２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、従来のナノワイヤＬＥＤ２００には、ＧａＮナノワイヤ６０を成長させる際に、ＧａＮナノワイヤ６０同士の適切な間隔制御において難点がある。
【０００９】
例えば、ナノワイヤＬＥＤ２００を照明器具や表示デバイス用の面光源として用いる場合には、ＧａＮナノワイヤ６０の基板面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきにより、面光源の光強度がばらつく場合がある。
【００１０】
また、ＧａＮナノワイヤ６０が極度に高密度で敷き詰められた場合、ＧａＮナノワイヤ６０同士の間で一旦取り出された光が隣接するＧａＮナノワイヤ６０に再度入射すると、ＧａＮナノワイヤ６０に吸収されることにより、光の取り出し効率が低下するという問題がある。
【００１１】
また、ＧａＮナノワイヤ６０が極度に高密度で敷き詰められた場合、ナノワイヤＬＥＤ２００の放熱性が悪くなり、ナノワイヤＬＥＤ２００の温度上昇により発光効率が劣化する。
【００１２】
特に大面積の面光源の場合には、ナノワイヤＬＥＤ２００の中央部分の放熱性が悪いので、ナノワイヤＬＥＤ２００の面内の電流が不均一になり易い。つまり、ナノワイヤＬＥＤの中央部分の温度が上昇し易いので、ナノワイヤＬＥＤ２００の発光効率が面内で不均一になるという問題がある。
【００１３】
これに対し、ＧａＮナノワイヤ６０の成長温度を下げることにより、ＧａＮナノワイヤ６０同士の間隔をある程度広げた状態でＧａＮナノワイヤ６０を成長できるが、この場合、ＧａＮナノワイヤ６０の結晶性の悪化（つまり結晶中の欠陥増加）が懸念される。
【００１４】
そこで、ＧａＮ結晶体同士の間隔の制御を意図したＬＥＤの製造方法が、上述の特許文献２の図２に記載されている。同公報によれば、開口部を有するシリコン酸化膜をＧａＮ結晶体のマスクとして、この開口部内においてＧａＮ結晶体が選択成長により埋め込まれている。これにより、ＧａＮ結晶体を等間隔に形成できるとされている。
【００１５】
しかし、上述の公報に記載された開口部においては、ＧａＮナノワイヤが埋め込まれているので、シリコン酸化膜の開口部のパターニングにおいて、以下のような問題がある。
【００１６】
例えば、円柱状のＧａＮナノワイヤの高さが１μｍ、その直径が８０ｎｍ、ＧａＮナノワイヤ同士の間隔が１００ｎｍであるとする。すると、このような円柱状のＧａＮナノワイヤを、上述の製造方法に倣って形成する場合、高さが１μｍ、直径が８０ｎｍという高アスペクト比の開口パターンを１００ｎｍ間隔で、シリコン酸化膜上にパターニングする必要がある。そして、このことが、様々な不都合（例えば、ナノワイヤＬＥＤの製造コストのアップ）を誘発すると考えられる。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり 所定の間隔を離して基板上に立設された複数のナノワイヤを簡易かつ適切に形成できる発光素子および発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明は、
基板と、
前記基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層と、
前記基板側から第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に含み、前記パターン層の開口部内において前記基板に立設している複数のナノワイヤと、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に配された透明絶縁層と、
前記複数のナノワイヤの前記第１導電型の半導体層に電気的に接続された第１電極と、
前記複数のナノワイヤの前記第２導電型の半導体層に電気的に接続された第２電極と、
を備えた発光素子を提供する。
【００１９】
本発明の発光素子では、パターン層の開口部内にナノワイヤを埋め込む必要がないので、当該開口部の設計スペックを、パターン層を形成し易くなるよう、適切に設定できる。
【００２０】
また、開口部の幅が狭くて、開口部のアスペクト比が大きいと、ナノワイヤの各層に対応する組成の原料が基板に届き難くなり、ナノワイヤの成長を阻害する場合があるが、本発明の発光素子では、開口部のアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【００２１】
また、本発明の発光素子では、パターン層の開口部の間隔に基づいて、ナノワイヤの適切な間隔制御を行える。
【００２２】
よって、このような発光素子を面光源として用いる場合には、ナノワイヤの基板面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度のばらつきを抑制できる。
【００２３】
また、ナノワイヤを高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、発光素子の温度上昇やナノワイヤから取り出された光の隣接するナノワイヤへの再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の温度上昇による特性劣化や光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。
【００２４】
前記パターン層の絶縁膜は、前記開口部を挟むようにして、ストライプ状に配置されていてもよい。
【００２５】
これにより、開口部の幅方向に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配列することができる。
【００２６】
また、前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部を格子状に配列してもよい。
【００２７】
これにより、格子状に並んでいる開口部の配列方向に隣接するナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００２８】
なお、本明細書において、「略円形」とは、真円形の他、当該真円形から歪んだ円形（例えば、楕円形や長円形）を含むものとする。また、「略多角形」とは、多角形を形作る辺が必ずしも直線である必要はなく、この辺を若干湾曲させた多角形を含み（例えば、三角形に対して扇型）、多角形を形作る角が必ずしも尖っている必要はなく、この角を若干丸めた多角形（例えば、図１３に例示される「長方形の開口部４０９Ｂ」を参照）を含むものとする。
【００２９】
また、前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部を千鳥状に配列してもよい。
【００３０】
これにより、千鳥状に並んでいる開口部に隣接するナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００３１】
また、前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部をランダムに配列してもよい。
【００３２】
また、前記パターン層の絶縁膜の厚みが、前記ナノワイヤの高さの半分以下であってもよい。
【００３３】
また、前記パターン層の絶縁膜は、酸化シリコンにより構成されてもよい。
【００３４】
また、本発明は、基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層を形成する工程と、
前記開口部内において第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に成長させ、これらの層を含む複数のナノワイヤを前記基板に対して鉛直方向に形成させる成長工程と、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に透明絶縁層を埋め込む工程と、
前記複数のナノワイヤの第１導電型の半導体層に電気的に接続する第１電極を形成する工程と、
前記複数のナノワイヤの第２導電型の半導体層に電気的に接続する第２電極を形成する工程と、
を含んでいる発光素子の製造方法を提供する。
【００３５】
本発明の発光素子の製造方法では、パターン層の開口部内にナノワイヤを埋め込む必要がないので、当該開口部の設計スペックを、パターン層を形成し易くなるように適切に設定できる。
【００３６】
また、開口部の幅が狭くて、開口部のアスペクト比が大きいと、ナノワイヤの各層に対応する組成の原料が基板に届き難くなり、ナノワイヤの成長を阻害する場合があるが、本発明の発光素子の製造方法では、開口部のアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【００３７】
また、本発明の発光素子の製造方法では、パターン層の開口部の間隔に基づいて、ナノワイヤの適切な間隔制御を行える。
【００３８】
よって、このようにして製造された発光素子を面光源として用いる場合には、ナノワイヤの基板面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度がばらつきを抑制できる。
【００３９】
また、ナノワイヤを高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、ナノワイヤから取り出された光の隣接するナノワイヤへの再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。更に、発光素子の放熱性も改善され、発光素子の温度上昇に伴う特性劣化を防ぐことができる。
【００４０】
また、前記成長工程の際に、前記パターン層の絶縁膜上に多結晶層が成長した場合、前記多結晶層を除去する工程をさらに含んでもよい。
【００４１】
例えば、このような多結晶層をウエットエッチングにより除去することができ、多結晶層を下地の絶縁膜と一緒に、リフトオフ法により除去することもできる。
【００４２】
また、前記パターン層を形成する工程において、隣接する前記開口部間に前記絶縁膜をストライプ状に形成してもよい。
【００４３】
これにより、開口部の幅方向に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配列することができる。
【００４４】
また、前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を格子状に並ぶように形成してもよい。
【００４５】
これにより、格子状に並んでいる開口部の配列方向に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００４６】
また、前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を千鳥状に並ぶように形成してもよい。
【００４７】
これにより、千鳥状に並んでいる開口部に隣接する、ナノワイヤ同士の間隔を一定に保つように、開口部内にナノワイヤを配することができる。
【００４８】
また、前記パターン層を形成する工程において、前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の開口部をランダムに並ぶように形成してもよい。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、所定の間隔を離して基板上に立設された複数のナノワイヤを簡易かつ適切に形成できる発光素子および発光素子の製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００５１】
図１は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの構造例を示した断面図である。
【００５２】
本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、図１に示すように、サファイア基板１の表面にｎ型のＧａＮバッファ層１０が設けられている。これにより、ＧａＮバッファ層１０上に、複数のＧａＮナノワイヤ２０を自然に成長させることができる。このＧａＮナノワイヤ２０は、サファイア基板１に対して鉛直方向に立設するように形成され、上述のＧａＮバッファ層１０上に、ｎ型ＧａＮ層３（ｎ型の窒化物半導体層）、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４（窒化物半導体発光層）、および、ｐ型ＧａＮ層５（ｐ型の窒化物半導体層）をこの順に有する柱状（例えば円柱状）を成している。また、ｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４、および、ｐ型ＧａＮ層５はダブルへテロ構造を成している。なお、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４中のＩｎ組成を調整することにより、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４は、可視波長域を含む様々な波長の光を発光できる。
【００５３】
また、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、ＧａＮナノワイヤ２０間の隙間には、図１に示すように、後述するパターン層９を上方から覆うようにして、酸化シリコン（ＳｉＯ2）やＳＯＧ材料からなる透明絶縁層８が埋め込まれている。
【００５４】
これにより、柱状のＧａＮナノワイヤ２０とＧａＮバッファ層１０との密着性、および、ＧａＮナノワイヤ２０の機械的強度を向上できる。また、透明絶縁層８によって、ｐ型ＧａＮ層５とｎ型のＧａＮバッファ層１０とを完全に分離できるので、ｐ型透明電極６（後述）による両者間の短絡などの問題も適切に回避できる。
【００５５】
更に、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、図１に示すように、全てのｐ型ＧａＮ層５に共通に電圧を印加するように、ｐ型ＧａＮ層５に電気的に接続されたｐ型透明電極６がｐ型ＧａＮ層５の上部に配されている。なお、ｐ型透明電極６には、Ｎｉ／Ａｕ電極などを用いればよい。一方、全てのｎ型ＧａＮ層３に共通に電圧を印加するように、ｎ型ＧａＮ層３に電気的に接続されたｎ型電極２がＧａＮバッファ層１０上の適所に配されている。なお、ｎ型電極２には、Ｔｉ／Ａｌ電極などを用いればよい。更に、Ｔｉ／Ａｌなどからなる電極パッド７が、ｐ型透明電極６に電気的に接続されてｐ型透明電極６上の適所に配されている。
【００５６】
なお、上述のナノワイヤＬＥＤ１００は一例に過ぎず、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００の構成を様々な態様に改変できる。
【００５７】
例えば、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、窒化物半導体（窒化ガリウム；ＧａＮ）を用いてナノワイヤを構成しているが、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの酸化物半導体を用いてもよい。
【００５８】
また、ＧａＮナノワイヤ２０をＧａＮバッファ層１０上に成長させているが、サファイア基板１上にナノワイヤを直接成長させてもよいし、安価なシリコン（Ｓｉ）基板を用いて、Ｓｉ基板上に直接ナノワイヤを成長させてもよい。この場合、Ｓｉ基板は前処理として自然酸化膜を除去し、ＧａＮのワイヤを成長させる公知の方法を用いることができる。
【００５９】
更に、ナノワイヤＬＥＤ１００の基板として、上述のシリコン基板以外にも、サファイア基板１、シリコン基板、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板、ＳＯＩ基板、または、ハイブリッド基板などを用いることができ、これらの基板上にナノワイヤを直接成長させてもよい。
【００６０】
更に、ＧａＮバッファ層１０上のｎ型電極２に代えて、特開２００７−２７２９８号公報（図１）に記載の如く、ｎ型の導電性基板の裏面全域にｎ型電極を配するように、構成してもよい。
【００６１】
更に、透明絶縁層８の材料として、上述の酸化シリコンに代えて、他の絶縁材料、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いてもよい。
【００６２】
次に、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００の特徴部であるパターン層９について図面を参照しながら詳しく説明する。
【００６３】
図２は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。但し、図２では、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００の構成要素を適宜省略し、図面の簡略化を図っている。例えば、図２では、サファイア基板１やｐ型透明電極６の図示、ＧａＮナノワイヤ２０中の各層３、４、５の図示を省いている。
【００６４】
図３は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【００６５】
なお、本明細書では、説明の便宜上、図２および図３に示すとおり、開口部９Ｂが延びている方向を「第１方向」とし、この「第１方向」に直交する方向（開口部９Ｂの幅方向）を「第２方向」とする。
【００６６】
図２および図３に示すように、パターン層９は、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に配され、第１方向に延びるストライプ状の複数の絶縁薄膜９Ａ、および、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０の表面が露出されているストライプ状の複数の開口部９Ｂを有している。つまり、パターン層９の絶縁薄膜９Ａは、開口部９Ｂを挟むようにして形成され、この絶縁薄膜９ＡによりＧａＮバッファ層１０が被覆されている。絶縁薄膜９Ａは、ここでは、酸化シリコン（ＳｉＯ2）により構成されている。
【００６７】
一方、開口部９Ｂに対応する領域については、絶縁薄膜９Ａによる被覆がなされてなく、パターン層９を形成した段階では、下地のＧａＮバッファ層１０が露出している。このため、この露出された領域が、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上にＧａＮナノワイヤ２０を成長させる際の、ＧａＮナノワイヤ２０のエピタキシャル成長面として機能する。
【００６８】
なお、絶縁薄膜９Ａでは、サファイア基板１上にＧａＮナノワイヤ２０を成長させる際に、多結晶ＧａＮ層の成長を伴うことがあるが、この場合、後述のとおり、多結晶ＧａＮ層は選択エッチングにより除去される。
【００６９】
本実施形態では、絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１（図３参照）は、約１００ｎｍに設定され、開口部９Ｂの第２方向の幅Ｄ１（図３参照）も、約１００ｎｍに設定されている。また、絶縁薄膜９Ａの厚みＴ（図１参照）は、ＧａＮナノワイヤ２０の高さに比べて充分に小さく、ここでは、約１００ｎｍである。
【００７０】
この場合、円柱状のＧａＮナノワイヤ２０の直径が約８０ｎｍであり、ＧａＮナノワイヤ２０が開口部９Ｂの第２方向の略中央に成長すると見做すと、図２に示すように、ＧａＮナノワイヤ２０の第２方向における間隔Ｄ２（正確には、ＧａＮナノワイヤ２０の第２方向における端同士の距離）は、上述の絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１（１００ｎｍ）および開口部９Ｂの幅Ｄ１（１００ｎｍ）に基づいて一定（ここでは、約１２０ｎｍ）になると期待される。
【００７１】
つまり、開口部９Ｂは、第２方向に等間隔（上述の幅Ｗ１）を隔てて配され、第１方向に真直ぐにストライプ状に延在しているので、開口部９Ｂの幅方向（第２方向）に隣接する、ＧａＮナノワイヤ２０同士の間隔Ｄ２を一定に保つように、ＧａＮナノワイヤ２０は、開口部９Ｂ毎に第１方向に１列に並んで配列されている。
【００７２】
このようにして、ＧａＮナノワイヤ２０の集合体としてのＧａＮナノワイヤアレイ１４を、ＧａＮナノワイヤ２０がＧａＮバッファ層１０上の第２方向に等間隔に並ぶように、サファイア基板１上に形成できる。
【００７３】
但し、上述の絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１、開口部９Ｂの幅Ｄ１、および、絶縁薄膜９Ａの厚みＴの各値は飽くまで一例に過ぎない。絶縁薄膜９Ａの厚みＴについては、少なくともＧａＮナノワイヤ２０の高さの半分以下に設定すればよい。よって、ＧａＮナノワイヤ２０の高さが約１μｍの場合には、この厚みＴは、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法で形成するのであれば、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において、Ｓｉ基板上に熱酸化法で形成するのであれば、３ｎｍから２０ｎｍの範囲において、任意に設定できる。
【００７４】
また、絶縁薄膜９Ａの幅Ｗ１および間隔（つまり開口部９Ｂの幅Ｄ１）は、ＧａＮナノワイヤ２０の発光層であるＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ活性層４から発光した光が、効率よく取り出され、周囲のＧａＮナノワイヤ２０によって効率よく散乱されて、光が上部に取り出されるために適したＧａＮナノワイヤの間隔と直径に基づいた数値を設定すればよい。
【００７５】
具体的には、ＧａＮナノワイヤ２０からの光の取り出し効率を高めるには、ＧａＮナノワイヤ２０の直径を発光波長よりも小さくするとよい。発光波長をλ、ＧａＮナノワイヤ２０の屈折率をｎ１とすると、ＧａＮナノワイヤ２０の直径はλ／ｎ１よりも小さくするとよい。ＧａＮナノワイヤ２０の屈折率をｎ１＝２．５とすると、発光波長が例えば３６０ｎｍの紫外線の場合、１４４ｎｍより小さい値が適当な値となる。また、発光波長が７８０ｎｍの赤色光線の場合は、３１２ｎｍより小さい値に設定すればよく、他にも、緑色、青色、紫外線など、発光波長に合わせて適当な直径を設定すればよい。よって、絶縁薄膜９Ａの間隔（つまり開口部９Ｂの幅Ｄ１）は開口部９Ｂに形成するＧａＮナノワイヤの本数に応じて設定すればよい。
【００７６】
更に、ＧａＮナノワイヤ２０から一旦外部に取り出された光が、ＧａＮナノワイヤ２０に吸収されることなく、効率よく散乱されるには、ＧａＮナノワイヤ２０の間隔を発光波長よりも小さくするとよい。発光波長をλ、透明絶縁膜８の屈折率をｎ２とすると、ＧａＮナノワイヤ２０の間隔はλ／ｎ２よりも小さくするとよい。透明絶縁膜８がＳｉＯ2とすると、その屈折率は約１．４６であるため、ＧａＮナノワイヤ２０の間隔は、発光波長が例えば３６０ｎｍの紫外線の場合、２４７ｎｍより小さい値が適当な値となる。また、発光波長が７８０ｎｍの赤色光線の場合は、５３４ｎｍ以下の値に設定すればよく、他にも、緑色、青色、紫外線など、発光波長に合わせて適当な間隔を設定すればよい。
【００７７】
なお、本実施形態では、開口部９Ｂ毎に、第１方向に１列に並んだＧａＮナノワイヤ２０を例示したが、開口部９Ｂの幅Ｄ１を広げることにより、開口部９Ｂ毎に、ＧａＮナノワイヤ２０を第１方向に２列以上配列することもできる。
【００７８】
図７および図８には、開口部９Ｂ’毎にＧａＮナノワイヤ２０’を第１方向に２列以上（ここでは、４列）を配してストライプ状にパターン層９’を形成した例が図示されている。
【００７９】
図７は、このようなナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。図８は、このようなナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。この場合、ＧａＮナノワイヤ２０’を束にしながら、絶縁薄膜９Ａ’によってできる適度の間隔（例えば、上述の設計基準による間隔）に基づいてナノワイヤＬＥＤ１００’の光を適切に散乱できる。その結果、単位面積あたりのＧａＮナノワイヤ２０’の本数を多くでき、ナノワイヤＬＥＤ１００’の光を効率的に上部に取り出すことができる。また、微細なパターン層の作製はコストアップになり、コスト的に限界があるので、ＧａＮナノワイヤの単位面積あたりの本数をできるだけ増やしたいときはこのような構成が有効である。
【００８０】
次に、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤ１００の製造方法について説明する。
【００８１】
図４は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの製造方法を説明するための図である。図４（ａ）〜図４（ｅ）には、ナノワイヤＬＥＤ１００の各製造工程における断面図が示されている。
【００８２】
まず、図４（ａ）に示すように、サファイア基板１上に、ｎ型のＧａＮバッファ層１０を形成させる。そして、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に、厚みが１００ｎｍの酸化シリコンからなるベタ状の均一な絶縁薄膜９’を、適宜の真空成膜法（例えば、ＣＶＤ法やスパッタリング法）により形成する。次いで、絶縁薄膜９’上にストライプ状にパターニングされたレジスト膜１２を形成する。
【００８３】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト膜１２をマスクにして（但し、図４（ｂ）ではレジスト膜１２を除去した後の形態を図示）、絶縁薄膜９’をストライプ状にエッチングにより除去する。すると、絶縁薄膜９’は、ストライプ状にパターニングされる。その結果、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に、ストライプ状の絶縁薄膜９Ａ、および、ストライプ状の開口部９Ｂを有するパターン層９が形成される。このようにして、ＧａＮバッファ層１０の表面が、絶縁薄膜９Ａにより被覆され、ＧａＮバッファ層１０の表面が、開口部９Ｂにおいて露出される。
【００８４】
次に、有機金属ハイドライド気相エピタキシャル成長法（ＭＯ−ＨＶＰＥ法）を用いると、図４（ｃ）に示すように、開口部９Ｂ内のＧａＮバッファ層１０上に、ＧａＮナノワイヤ２０を成長できる。
【００８５】
Ｇａ原料として、ＧａＣｌを用い、Ｎ原料として、アンモニアを用い、Ｉｎ原料として、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いればよい。また、ｎ型不純物元素として、シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、この場合のＳｉ原料として、ＳｉＨ4を用いればよい。ｐ型不純物元素として、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることができ、この場合のＭｇ原料として、Ｃｐ2Ｍｇ（Ｂｉｓ ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａ ｄｉｅｎｙｌｍａｇｎｅｓｉｕｍ）を用いればよい。
【００８６】
ＧａＮナノワイヤ２０の成長温度を４００〜７００℃程度に設定して、各層３、４、５に対応する組成の原料を順次供給すると、ｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４、および、ｐ型ＧａＮ層５がそれぞれ、エピタキシャル成長面として機能する開口部９Ｂ内において、この順番にサファイア基板１に対して鉛直方向（３次元方向）に柱状に成長する。
【００８７】
本実施形態では、ｎ型ＧａＮ層３の高さは５００ｎｍに設定され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４の高さは３０ｎｍに設定され、ｐ型ＧａＮ層５の高さは５００ｎｍに設定されている。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４のエピ構造については、任意の構造をとることができる。例えば、当該エピ構造において、オーバーフローストッパー層であるＡｌＧａＮ（アルミニウムガリウムナイトライド）層を追加してもよい。また、当該エピ構造において、量子井戸の数を適宜選択することができる。
【００８８】
一方、絶縁薄膜９Ａには、何も成長しない場合もあるが、図４（ｃ）に示すように、ＧａＮナノワイヤ２０の成長と同時に、多結晶ＧａＮ層１５の成長を伴う場合がある。この場合には、例えば、２００℃〜３００℃の燐酸および硫酸の混合溶液を用いて、絶縁薄膜９Ａ上の多結晶ＧａＮ層１５を選択的にウエットエッチングすれば、図４（ｃ）以後の断面図に示すように、多結晶ＧａＮ層１５を除去できる。
【００８９】
また、図示を省略しているが、フッ酸などを用いて、多結晶ＧａＮ層１５を、その下地の酸化シリコン膜（絶縁薄膜９Ａ）と一緒に、リフトオフ法により除去してもよい。
【００９０】
次に、図４（ｄ）に示すように、ＧａＮナノワイヤ２０間の隙間に、パターン層９を上方から覆うようにして、酸化シリコンからなる透明絶縁層８が埋め込まれる。例えば、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料をサファイア基板１上に塗布することにより、透明絶縁層８を形成することができる。次いで、透明絶縁層８をエッチバックすることにより、ＧａＮナノワイヤ２０のｐ型ＧａＮ層５の上部が、頭だしされる。
【００９１】
最後に、図４（ｅ）に示すように、各ＧａＮナノワイヤ２０に共通して電圧を印加できるように、各ＧａＮナノワイヤ２０のｐ型ＧａＮ層５の上部に接続するｐ型透明電極６が、電子ビーム蒸着法などにより形成される。このｐ型透明電極６は、例えば、Ｎｉ／Ａｕ電極である。また、このｐ型透明電極６に接続する電極パッド７も、電子ビーム蒸着法などにより形成される。この電極パッド７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ電極である。更に、ＧａＮバッファ層１０に接続するｎ型電極２も、電子ビーム蒸着法などにより形成される。このｎ型電極２は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ電極である。このようにして、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００を製造できる。
【００９２】
なお、本実施形態では、ＭＯ−ＨＶＰＥ法を用いたＧａＮナノワイヤ２０の成長法を述べたが、これに限らず、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）を用いてもＧａＮナノワイヤを成長させることができる。
【００９３】
以上に述べたとおり、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００は、サファイア基板１と、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に形成されたパターン層９を有する。このパターン層９は、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に配された複数の絶縁薄膜９Ａおよびサファイア基板１のＧａＮバッファ層１０の表面が露出されている複数の開口部９Ｂにより構成されている。
【００９４】
また、ナノワイヤＬＥＤ１００は、サファイア基板１側からｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層４、および、ｐ型ＧａＮ層５をこの順に含み、上述の開口部９Ｂ内において、サファイア基板１（正確にはサファイア基板１上のＧａＮバッファ層１０）に対して鉛直方向に立設している複数のＧａＮナノワイヤ２０と、パターン層９を上方から覆うようにして、ＧａＮナノワイヤ２０間の隙間に配された透明絶縁層８と、を備える。
【００９５】
そして、このナノワイヤＬＥＤ１００では、全てのｐ型ＧａＮ層５に共通に接触するようにして、ｐ型ＧａＮ層５と電気的に接続されたｐ型透明電極６が配されている。また、ＧａＮバッファ層１０の適所には、全てのｎ型ＧａＮ層３と電気的に接続されたｎ型電極２が配されている。
【００９６】
このように、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、パターン層９の開口部９Ｂ内にＧａＮナノワイヤ２０を埋め込む必要がないので、当該開口部９Ｂの設計スペックを、パターン層９を形成し易くなるように適切に設定できる。
【００９７】
また、開口部９Ｂの幅が狭くて、開口部９Ｂのアスペクト比が大きいと、ＧａＮナノワイヤ２０の各層３、４、５に対応する組成の原料がサファイア基板１のＧａＮバッファ層１０に届き難くなり、ＧａＮナノワイヤ２０の成長を阻害する場合があるが、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、開口部９Ｂのアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【００９８】
また、本実施形態では、ストライプ状の開口部９Ｂは、第２方向に等間隔（上述の幅Ｗ１）を隔てて配され、第１方向に真直ぐに延びているので、ＧａＮナノワイヤ２０が、第２方向（開口部９Ｂの幅方向）に隣接する、ＧａＮナノワイヤ２０同士の間隔Ｄ２を一定に保つように、開口部９Ｂ毎に第１方向（開口部９Ｂの延びる方向）に１列に並んで配列されている。
【００９９】
これにより、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１００では、ＧａＮナノワイヤ２０の第２方向の適切な間隔制御を行える。
【０１００】
よって、ナノワイヤＬＥＤ１００を面光源として用いる場合には、ＧａＮナノワイヤ２０のサファイア基板１面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度がばらつきを抑制できる。
【０１０１】
また、ＧａＮナノワイヤ２０を高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、ＧａＮナノワイヤ２０から取り出された光の隣接するＧａＮナノワイヤ２０への再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。また、ナノワイヤＬＥＤ１００の放熱性も改善され、ナノワイヤＬＥＤ１００の温度上昇に伴う特性劣化を防ぐことができる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、絶縁薄膜９Ａは、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて形成したが、基板にＳｉ基板を使用し、Ｓｉ基板上に直接ＧａＮナノワイヤを成長させる場合は、熱酸化法を用いて、絶縁薄膜９Ａを形成してもよい。
（変形例１）
本実施形態では、ストライプ状の絶縁薄膜９Ａおよびストライプ状の開口部９Ｂを有するパターン層９が例示されているが、このようなパターン層９を、以下の如く、改変してもよい。
【０１０３】
図５は、本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。
【０１０４】
図６は、本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【０１０５】
なお、本明細書では、説明の便宜上、図６に示すとおり、マトリクス状に並んでいる開口部１０９Ｂの一方の配列方向を「第１方向」とし、この「第１方向」に直交する方向（マトリクス状に並んでいる開口部１０９Ｂの他方の配列方向）を「第２方向」とする。
【０１０６】
本変形例のナノワイヤＬＥＤ１１０では、図５および図６に示すように、パターン層１０９は、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上に配された絶縁薄膜１０９Ａ、および、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０の表面が露出されている矩形状の複数の開口部１０９Ｂを有している。パターン層１０９の開口部１０９Ｂは、第１方向および第２方向において、マトリクス状（格子状）に配列されている。
【０１０７】
パターン層１０９の絶縁薄膜１０９Ａは、図６に示すように、開口部１０９Ｂを囲むようにして形成され、矩形環状の周縁部１１９Ａ（但し、図５および図６では、矩形環状の周縁部１１９Ａの上下の直線部の一部のみを図示）と、複数の帯部１１９Ｂと、を備える。
【０１０８】
複数の帯部１１９Ｂは、この周縁部１１９Ａから分岐するようにして、周縁部１１９Ａの内側において第１方向または第２方向に延びており、互いに直交格子状を成して互いに交差している。
【０１０９】
このようにして、絶縁薄膜１０９ＡによりＧａＮバッファ層１０が被覆されている。なお、絶縁薄膜１０９Ａは、ここでは、酸化シリコン（ＳｉＯ2）により構成されている。
【０１１０】
一方、開口部１０９Ｂに対応する領域については、絶縁薄膜１０９Ａによる被覆がなされてなく、パターン層１０９を形成した段階では、下地のＧａＮバッファ層１０が露出している。このため、この露出された領域が、サファイア基板１のＧａＮバッファ層１０上にＧａＮナノワイヤ１２０を成長させる際の、ＧａＮナノワイヤ１２０のエピタキシャル成長面として機能する。また、実施形態と同様、絶縁薄膜１０９Ａでは、サファイア基板１（図５では図示省略）上にＧａＮナノワイヤ１２０を成長させる際に、多結晶ＧａＮ層の成長を伴うことがあるが、この場合、この多結晶ＧａＮ層は、選択的なウエットエッチングやリフトオフ法により除去される。
【０１１１】
なお、適宜のレジスト膜（図示せず）を用いて、ＧａＮバッファ層１０上に形成された酸化シリコンからなるベタ状の均一な絶縁薄膜（図示せず）を、上述の矩形環状の周縁部１１９Ａおよび直交格子状の帯部１１９Ｂを残すようにパターニングすれば、当該パターン層１０９を容易に製造できる。
【０１１２】
本変形例では、絶縁薄膜１０９Ａの帯部１１９Ｂの幅Ｗ２（図６参照）は、所定幅に設定され、開口部１０９Ｂの第１方向および第２方向における一辺の寸法Ｄ３、Ｄ４（図６参照）も、それぞれ、所定寸法に設定されている。
【０１１３】
よって、円柱状のＧａＮナノワイヤ１２０を開口部１０９Ｂの略中心に１本、成長させると、図６に示すように、ＧａＮナノワイヤ１２０の第１方向における間隔Ｄ５（正確には、ＧａＮナノワイヤ１２０の第１方向における端面同士の距離）は、上述の帯部１１９Ｂの幅Ｗ２および開口部１０９Ｂの寸法Ｄ３に基づいて一定になると期待される。
【０１１４】
同様に、ＧａＮナノワイヤ１２０の第２方向における間隔Ｄ６（正確には、ＧａＮナノワイヤ１２０の第２方向における端面同士の距離）は、上述の帯部１１９Ｂの幅Ｗ２および開口部１０９Ｂの寸法Ｄ４に基づいて一定になると期待される。
【０１１５】
なお、実施形態と同様、絶縁薄膜１０９Ａの厚み、パターン層１０９の帯部１１９Ｂの幅Ｗ２、および、開口部１０９Ｂの寸法Ｄ３、Ｄ４は、ナノワイヤ１２０自身から光が取り出しやすく、また、周囲のナノワイヤ１２０によって効率よく散乱されて上部に取り出せるよう、適宜、設定できる。
【０１１６】
絶縁薄膜１０９Ａの厚みについては、少なくともＧａＮナノワイヤ１２０の高さの半分以下に設定すればよい。例えば、ＧａＮナノワイヤ１２０の高さが約１μｍの場合には、この厚みは、例えば、３ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において任意に設定できる。また、帯部１１９Ｂの幅Ｗ２は、例えば、３０〜１６００ｎｍの範囲において任意に設定できる。また、開口部９Ｂの寸法Ｄ３、Ｄ４は、例えば、３０ｎｍ〜５２０ｎｍの範囲において任意に設定できる。
【０１１７】
つまり、本変形例では、パターン層１０９の開口部１０９Ｂ内にＧａＮナノワイヤ１２０を埋め込む必要がないので、当該開口部１０９Ｂの設計スペックを、パターン層１０９を形成し易くなるように適切に設定できる。
【０１１８】
また、開口部１０９Ｂの幅が狭くて、開口部１０９Ｂのアスペクト比が大きいと、ＧａＮナノワイヤ１２０の各層３、４、５に対応する組成の原料がサファイア基板１のＧａＮバッファ層１０に届き難くなり、ＧａＮナノワイヤ１２０の成長を阻害する場合があるが、本実施形態のナノワイヤＬＥＤ１１０では、開口部１０９Ｂのアスペクト比を小さくできるので、このような問題に適切に対処できる。
【０１１９】
また、上述の開口部１０９Ｂは、第１方向および第２方向に等間隔（上述の幅Ｗ２）をマトリクス状に隔てて配されているので、第１方向および第２方向（マトリクス状に並んでいる開口部１０９Ｂの配列方向）に隣接する、ＧａＮナノワイヤ１２０同士の間隔Ｄ５、Ｄ６を一定に保つように、ＧａＮナノワイヤ１２０は開口部１０９Ｂ毎に１本ずつ配されている。
【０１２０】
このようにして、ＧａＮナノワイヤ１２０の集合体としてのＧａＮナノワイヤアレイ１１４を、ＧａＮナノワイヤ１２０がＧａＮバッファ層１０上の第１方向および第２方向に等間隔に並ぶように、サファイア基板１上に形成できる。
【０１２１】
これにより、本変形例のナノワイヤＬＥＤ１１０では、ＧａＮナノワイヤ１２０の第１方向および第２方向の適切な間隔制御を行える。よって、ナノワイヤＬＥＤ１１０を面光源として用いる場合には、ＧａＮナノワイヤ１２０のサファイア基板１面内における敷き詰め度（面積占有率）のばらつきを抑えることができ、面光源の光強度がばらつきを抑制できる。また、ナノワイヤを高密度に敷き詰め過ぎることが回避され、ナノワイヤから取り出された光の隣接するナノワイヤへの再吸収を抑えることができる。その結果、発光素子の光の取り出し効率の低下を防ぐことができる。
【０１２２】
なお、本変形例では、開口部１０９Ｂ毎に、１本ずつ配されたＧａＮナノワイヤ１２０を例示したが、開口部１０９Ｂの寸法Ｄ３、Ｄ４を広げることにより、開口部１０９Ｂ毎に、第１方向及び第２方向についてＧａＮナノワイヤを２本以上、配することもできる。
【０１２３】
図９および図１０には、開口部１０９Ｂ’毎に、ＧａＮナノワイヤ１２０’を第１方向に２列、第２方向に３列を配して格子状にパターン層１０９’を形成した例が図示されている。図９は、このようなナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。図１０は、このようなナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。この場合、開口部１０９Ｂ’毎に第１方向及び第２方向にＧａＮナノワイヤ１２０’を複数列形成することにより、ＧａＮナノワイヤ１２０’を束にしながら、絶縁薄膜１０９Ａ’によってできる適度の間隔でナノワイヤＬＥＤ１１０’の光を適切に散乱できる。その結果、単位面積あたりのＧａＮナノワイヤ１２０’の本数を多くでき、ナノワイヤＬＥＤ１１０’の光を上部に効率的に取り出すことができる。また、微細なパターン層の作製はコストアップになり、コスト的に限界があるので、ＧａＮナノワイヤの単位面積あたりの本数をできるだけ増やしたいときはこのような構成が有効である。
（変形例２）
変形例１では、開口部の形状として長方形が例示され、開口部の配列としてマトリクス配列（格子配列）が例示されている。しかしながら、開口部の形状は、ナノワイヤＬＥＤの特性に合わせて任意（例えば、略円形や略多角形）に改変できる。また、開口部の配列も、ナノワイヤＬＥＤの特性に合わせて任意（例えば、千鳥配列やランダム配列）に改変できる。
【０１２４】
図１１、図１２、図１３、図１４、図１５および図１６は何れも、開口部の形状または配列が改変されたパターン層の一例を平面視した図である。
【０１２５】
図１１では、パターン層２０９として、複数（ここでは９個）の真円形の開口部２０９Ｂがマトリクス状に並ぶようにして形成された絶縁薄膜２０９Ａが示されている。
【０１２６】
図１２では、パターン層３０９として、複数（ここでは９個）の正六角形の開口部３０９Ｂがマトリクス状に並ぶようにして形成された絶縁薄膜３０９Ａが示されている。
【０１２７】
図１３では、パターン層４０９として、複数（ここでは９個）の長方形の開口部４０９Ｂがマトリクス状に並ぶようにして形成された絶縁薄膜４０９Ａが示されている。
【０１２８】
図１１や図１２に示すような真円形や六角形の方が、中心に結晶の核を形成させ易く、その結果、ＧａＮナノワイヤを中心に成長させ易いという利点がある。また、図１３に示す如く、長方形の開口パターンを微細化すると、パターン層４０９の製造過程において、長方形の開口部４０９Ｂの角が丸くなる場合がある。
【０１２９】
図１４では、パターン層５０９として、複数（ここでは１０個）の真円形の開口部５０９Ｂが千鳥状に並びようにして形成された絶縁薄膜５０９Ａが示されている。
【０１３０】
図１１に示す如く、真円形の開口部２０９Ｂをマトリクス状に配列するよりも、真円形の開口部５０９Ｂを千鳥状に配列する方が、単位面積あたりのワイヤ本数を増やすことが可能となるので、ナノワイヤＬＥＤの光強度改善の観点から有益である。
【０１３１】
なお、図示を省略するが、略多角形の開口部を千鳥状に配列してもよい。また、略円形や略多角形の開口部をマトリクス状や千鳥状のような規則的な配列以外の配列、例えば、ランダムに配列してもよい。この場合、公知のランダム関数により割り付けられたマスクの開口パターンを用いて、適宜のフォトリソ技術によりランダム配列の開口部を形成できる。
【０１３２】
図１５および図１６では、ナノワイヤＬＥＤの周辺部分におけるＧａＮナノワイヤの敷き詰め度が、ナノワイヤＬＥＤの中央部分におけるＧａＮナノワイヤの敷き詰め度よりも高くなるように、開口部の形状を調整した例が図示されている。具体的には、図１５および図１６に示す如く、ナノワイヤＬＥＤの周辺部分における開口部７０９Ｂ、７０９Ｂ’の単位面積が、ナノワイヤＬＥＤの中央部分における開口部６０９Ｂ、６０９Ｂ’の単位面積よりも大きくなっている。
【０１３３】
これにより、ナノワイヤＬＥＤを面光源として用いて、大面積の光源を作製する場合、放熱特性の劣るナノワイヤＬＥＤの中央部分でのＧａＮナノワイヤの発熱を抑えて、ナノワイヤＬＥＤの中央部分の発光効率の低下やナノワイヤＬＥＤの面内の電流分布のばらつきを改善できる。その結果、ナノワイヤＬＥＤの大面積での均一な発光を実現できる。また、この他にも、ナノワイヤＬＥＤの所望の発光分布をもたせるように、種々のパターン層を設計できる。
【０１３４】
なお、ここまで、発光素子として、ＧａＮナノワイヤを用いたＬＥＤを例示したが、本明細書に記載されたＧａＮナノワイヤを成長させる際のＧａＮナノワイヤ間の間隔制御技術の適用範囲は、これに限らない。本技術は、ＬＥＤの他、例えば、レーザーダイオードなどにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明によれば、所定の間隔を離して基板上に立設された複数のナノワイヤを簡易かつ適切に形成できる発光素子を得ることができる。よって、本発明の発光素子は、素子単体の他、表示デバイス用の面光源や、光通信用の光源などの様々な用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの構造例を示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。
【図３】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図４】本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの製造方法を説明するための図である。（ａ）〜（ｅ）には、ナノワイヤＬＥＤの各製造工程における断面図が示されている。
【図５】本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤの要部の立体斜視図である。
【図６】本発明の変形例１によるナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図７】図２のパターン層が改変されたナノワイヤＬＥＤの要部を示した立体斜視図である。
【図８】図７のナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図９】図５のパターン層が改変されたナノワイヤＬＥＤの要部を示した立体斜視図である。
【図１０】図９のナノワイヤＬＥＤのパターン層を平面視した図である。
【図１１】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１２】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１３】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１４】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１５】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１６】開口部の形状または配列が改変されたパターン層を平面視した図である。
【図１７】従来のナノワイヤＬＥＤの構造例を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１ サファイア基板
２ ｎ型電極
３ ｎ型ＧａＮ層
４ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＤ活性層
５ ｐ型ＧａＮ層
６ ｐ型透明電極
７ 電極パッド
８ 透明絶縁層
９ １０９ パターン層
９Ａ、１０９Ａ 絶縁薄膜
９Ｂ １０９Ｂ 開口部
１０ ＧａＮバッファ層
１４、１１４ ＧａＮナノワイヤアレイ
２０、１２０ ＧａＮナノワイヤ
１００、１１０ ナノワイヤＬＥＤ
１１９Ａ 周縁部
１１９Ｂ 帯部
Ｄ１ 開口部の幅
Ｄ２、Ｄ５、Ｄ６ ＧａＮナノワイヤ同士の間隔
Ｄ３、Ｄ４ 開口部の一辺の寸法
Ｗ１ 絶縁薄膜の幅
Ｗ２ 帯部の幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層と、
前記基板側から第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に含み、前記パターン層の開口部内において前記基板に立設している複数のナノワイヤと、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に配された透明絶縁層と、
前記複数のナノワイヤの前記第１導電型の半導体層に電気的に接続された第１電極と、
前記複数のナノワイヤの前記第２導電型の半導体層に電気的に接続された第２電極と、
を備えた発光素子。
【請求項２】
前記パターン層の絶縁膜は、前記開口部を挟むようにして、ストライプ状に配置されている請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部が格子状に並んでいる請求項１記載の発光素子。
【請求項４】
前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部が千鳥状に並んでいる請求項１記載の発光素子。
【請求項５】
前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部がランダムに並んでいる請求項１記載の発光素子。
【請求項６】
前記パターン層の絶縁膜の厚みが、前記ナノワイヤの高さの半分以下である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記パターン層の絶縁膜は、酸化シリコンにより構成されている請求項１記載の発光素子。
【請求項８】
基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層を形成する工程と、
前記開口部内において第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に成長させ、これらの層を含む複数のナノワイヤを前記基板に対して鉛直方向に形成させる成長工程と、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に透明絶縁層を埋め込む工程と、
前記複数のナノワイヤの第１導電型の半導体層に電気的に接続する第１電極を形成する工程と、
前記複数のナノワイヤの第２導電型の半導体層に電気的に接続する第２電極を形成する工程と、
を含んでいる発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記成長工程の際に、前記パターン層の絶縁膜上に多結晶層が成長した場合、前記多結晶層を除去する工程をさらに含んでいる、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記パターン層を形成する工程において、隣接する前記開口部間に前記絶縁膜をストライプ状に形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を格子状に並ぶように形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を千鳥状に並ぶように形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の開口部をランダムに並ぶように形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層と、
前記基板側から第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に含み、前記パターン層の開口部内において前記基板に立設している複数のナノワイヤと、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に配された透明絶縁層と、
前記複数のナノワイヤの前記第１導電型の半導体層に電気的に接続された第１電極と、
前記複数のナノワイヤの前記第２導電型の半導体層に電気的に接続された第２電極と、
を備えた発光素子。
【請求項２】
前記パターン層の絶縁膜は、前記開口部を挟むようにして、ストライプ状に配置されている請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部が格子状に並んでいる請求項１記載の発光素子。
【請求項４】
前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部が千鳥状に並んでいる請求項１記載の発光素子。
【請求項５】
前記パターン層を平面視した場合、略円形または略多角形の前記開口部がランダムに並んでいる請求項１記載の発光素子。
【請求項６】
前記パターン層の絶縁膜の厚みが、前記ナノワイヤの高さの半分以下である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記パターン層の絶縁膜は、酸化シリコンにより構成されている請求項１記載の発光素子。
【請求項８】
基板上に配された絶縁膜および前記基板の表面が露出している複数の開口部からなるパターン層を形成する工程と、
前記開口部内において第１導電型の半導体層、半導体発光層、および、第２導電型の半導体層をこの順に成長させ、これらの層を含む複数のナノワイヤを前記基板に対して鉛直方向に形成させる成長工程と、
前記パターン層を上方から覆うようにして、前記ナノワイヤ間の隙間に透明絶縁層を埋め込む工程と、
前記複数のナノワイヤの第１導電型の半導体層に電気的に接続する第１電極を形成する工程と、
前記複数のナノワイヤの第２導電型の半導体層に電気的に接続する第２電極を形成する工程と、
を含んでいる発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記成長工程の際に、前記パターン層の絶縁膜上に多結晶層が成長した場合、前記多結晶層を除去する工程をさらに含んでいる、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記パターン層を形成する工程において、隣接する前記開口部間に前記絶縁膜をストライプ状に形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を格子状に並ぶように形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の前記開口部を千鳥状に並ぶように形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記パターン層を形成する工程において、略円形または略多角形の開口部をランダムに並ぶように形成する、請求項８記載の発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００９−１４７１４０（Ｐ２００９−１４７１４０Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２３３６５（Ｐ２００７−３２３３６５）
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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