(57)【要約】【課題】良好な結晶性を有し、チップ構造の微細化も可能にし、さらに発光効率の向上、光取り出し効率を改善して輝度の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板３０上に該基板３０の主面に対して傾斜した傾斜結晶面（例えばＳ面）を有する結晶層を形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層３３、活性層３４、及び第２導電型層３５を結晶層に形成する。そして、傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極を形成し、活性層３５、第２導電型層が一部除去された基板側の結晶層の結晶面に、一方の電極と電気的に分離して他方の電極を形成する。【選択図】図８
2006253725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、
前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成し、
前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極を形成し、
前記活性層及び第２導電型層の一部が除去された基板側の前記結晶層の結晶面に、前記一方の電極と電気的に分離した他方の電極を形成してなる
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記結晶層はウルツ鉱型の結晶構造を有す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】
前記結晶層は窒化物半導体からな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４】
前記結晶層は、前記基板上に選択的に形成した結晶種からの選択成長により設けられる
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５】
前記傾斜結晶面は、Ｓ面及び（１１−２２）面の少なくとも一方または該Ｓ面及び（１１−２２）面に実質的に等価な結晶面の少なくとも一方を含む
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６】
前記基板の主面はＣ面である
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７】
前記傾斜結晶面のみに電流注入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８】
前記活性層はＩｎＧａＮを用いて構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９】
前記傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設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１０】
前記結晶層は該結晶層の基板主面側と反対側の略中心部にＣ面からなる平坦面を有す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１１】
前記活性層から素子外に出力される光の一部は、前記傾斜結晶面にほぼ平行に延在された反射面で反射したものである
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１２】
前記反射面は前記結晶層と前記一方の電極との界面である
ことを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記活性層は書く素子簿とに分離されている
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１４】
基板上に結晶種層を形成する工程と、
前記結晶種層から前記基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を選択的に形成し、
前記結晶層には前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成する工程と、
前記活性層及び第導電型層の基盤側の一部を除去して前記結晶層の一部を露出させる工程と、
前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極を形成する工程と、
前記結晶層の前記基板側の露出した結晶面に、前記一方の電極と電気的に分離した他方の電極を形成する工程を有する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記基板の主面をＣ面とし、
前記傾斜結晶面をＳ面及び（１１−２２）面の少なくとも一方または該Ｓ面及び（１１−２２）面に実質的に等価な結晶面の少なくとも一方を含む結晶面とする
ことを特徴とする請求項１４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、
前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成し、
前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極と、
前記活性層及び第２導電型層の一部が除去された前記基板側の結晶面に、前記一方の電極と電気的に分離した他方の電極を形勢してなる複数の半導体発光素子を並べ、
信号に応じて各半導体発光素子が発光するように構成されてなる
ことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は第１導電型層、活性層、第２導電型層を積層させたダブルヘテロ構造を有する半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、窒化物半導体からなる結晶層を利用して発光領域を構成する半導体発光素子及びその製造方法に関する。
また本発明は、複数の半導体発光素子を備えてなる画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子として、これまでサファイア基板上に全面に低温バッファ層、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を形成し、その上にＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側クラッド層，ＳｉをドープしたＩｎＧａＮからなる活性層、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ側クラッド層と、ＭｇをドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層などを積層した素子が知られている。このような構造を有し市販されている製品として、４５０ｎｍから５３０ｎｍを含む青色、緑色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が量産されている。
【０００３】
また、窒化ガリウムを成長させようとする場合、サファイア基板が使用されることが多く行われている。サファイア基板から窒化ガリウムを結晶成長させる場合、通常はＣ面を主面とするサファイア基板が使用され、主面上に形成される窒化ガリウム層の表面もＣ面を有し、必然的に基板主面と平行な面に形成される活性層やそれを挟むクラッド層もＣ面に平行な面に延在される。このように基板主面を基準に各結晶層を積層した構造の半導体発光素子では、基板主面の平滑性を生かして電極形成などに必要な平滑性が得られている。
【０００４】
ところが、サファイア基板と成長させる窒化ガリウムの間の格子不整合から、結晶内に高密度の転位が内在することがある。このため基板上に低温バッファ層を形成する技術は、成長させる結晶に発生する欠陥を抑制するための１つの手段であり、また、結晶欠陥を低減する目的で特開平１０−３１２９７１号公報では、横方向への選択結晶成長（ＥＬＯ：epitaxial lateral overgrowth）を組合わせている。
【０００５】
また、特開平１０−３２１９１０号公報は、基板主面上に垂直な（１０−１０）または（１−１００）ｍ面からなる側面を有する六角柱状構造が形成され、その六角柱状構造部分に基板主面に対して垂直に延在する発光領域が形成された半導体発光素子を開示する。基板主面上に垂直に延在する活性層などを形成することで、基板との格子不整合による欠陥や転位を抑制でき、熱膨張係数の違いによる歪みの悪影響も少なくできる。
【０００６】
さらに、特開平８−２５５９２９号公報は、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる一方の導電型層を成膜し、その一方の導電型層の一部をマスクで覆って、覆われていない部分に選択成長によって他方の導電型層を含む窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してからｐ電極及びｎ電極を形成する製造方法を開示する。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３２１９１０号公報
【特許文献２】特開平８−２５５９２９号公報
【特許文献３】特許第２８３０８１４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、特許文献１記載されるように基板主面上に垂直に延在する六角柱状構造を形成する技術では、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）で成膜した後、（１０−１０）または（１−１０１）ｍ面からなる側面が得られるようにドライエッチングを施している。ところが、ドライエッチングを施す場合には、一般的に結晶面に対する損傷を避けることができず、従って基板側からの貫通転位などを抑制しつつも逆にドライエッチングにより結晶の特性が劣化する。また、ドライエッチングを施す場合では、その分だけ工程も増加してしまう。
【０００９】
サファイア基板のＣ＋面上に選択成長させた場合には、（１−１０１）面すなわちＳ面で囲まれた先端のとがった形状の結晶層が形成される（たとえば、特許文献３の明細書段落０００９参照）が、電極形成に必要な平坦面が得られていないものとされ、積極的に電子デバイスや発光デバイスとして利用されている例はなく、さらなる選択成長から結晶構造の下地層として利用されているに過ぎない。
【００１０】
また、基板主面に平行な面を形成する素子は、結晶性を良好に維持するために平坦な面の作成が重要となり、結果として電極などが平面的に広がった素子構造と有する傾向がある。したがって各素子の間を分離する場合には、たとえばチップをダイサーなどを用いて切り出さなければならないため、多大な労力がかかるとともに平面的に広がった電極などを避けながら微小に切り出すことは極端に難しくなっている。また、サファイア基板およびＧａＮなどの窒化物は硬度が高く切り出しが難しいことから、ダイシングの際に少なくとも２０μｍ程度の切りしろが必要になり、微小なチップの切り出しがさらに困難となっている。また、基板主面をＣ＋面として、基板主面に平行な面に窒化物ガリウム系の活性層を形成する発光素子においては、Ｃ＋面では窒素原子に対するボンドの数がＧａから１つしか出ていないため、Ｃ＋面の結晶面から窒素原子は解離しやすく、実効的なＶ／III比が大きくできないでいる。そのため、発光素子を構成するための結晶質が高性能化を図るには十分でないといった問題が生じている。
【００１１】
特許文献２に記載の技術では、選択成長を用いることで反応性イオンエッチングなどエッチングを使用しなくとも良いという利点があるが、ｎ電極を形成するために、マスク層を除去しており、電極近傍での段差が拡大してしまい精度良く電極を形成するのが難しいという問題が生ずる。また、特開平８−２５５９２９号公報に開示される発光素子のように、基板の主面に平行な活性層を形成する場合には、その端部が空気中に露出することで活性層が酸化してしまうことがあり、活性層が劣化するといった問題も生ずる。
【００１２】
一方、例えばプロジェクション型ディスプレイ光源用途など大型ディスプレイ用光源として、ＬＥＤ素子を応用することが考えられており、ＬＥＤ素子の高輝度化、高信頼性、および低価格化を図ることは重要な開発項目となっている。ＬＥＤ素子の高輝度化に支配的な因子は活性層の結晶性などに依存した内部量子効率と、光に変換されてから素子外部に発光する割合である光取り出し効率の２つである。
【００１３】
ここで、発光ダイオードの典型的な発光領域の要部構造を図８８に示す。例えばＩｎＧａＮなどにより形成された活性層４００を挟んで第１導電層４０１と第２導電層４０２が積層するように形成され、第２導電層４０２の活性層４００と反対側には電極としても機能する反射膜４０３が形成され、反射膜４０３と第２導電層４０２の界面が反射面４０４とされている。活性層４００で発生した光の一部は直接第１導電層４０１の光取り出し窓４０５から射出するが、第２導電層４０２側に出た光の一部は反射面４０４で反射して、第１導電層４０１の光取り出し窓４０５側へ向かう。
【００１４】
ところが、上述の如き通常の発光ダイオードの構造では活性層４００が効率よく発光したとしても、素子と外部、素子と透明基板、あるいは透明基板と外部の界面において光が全反射することで光が外に取り出せないという問題が生じている。すなわち、界面を形成する２つの材料層の屈折率に依存して、その界面における臨界角が決まり、臨界角よりも小さな角度で界面に入射した光は当該界面で全反射してしまう。面発光する発光ダイオードにおいて、前述の図８８のように反射面４０４が光取り出し窓４０５と平行した面同士の構成をとる場合では、臨界角より小さな入射角で全反射した光は、反射面４０４が光取り出し窓４０５の間で全反射を続けることになり、有効な出力として取り出すことができない。
【００１５】
光取り出し効率を改善するために、素子に光路を変換できるような凸部または斜面を形成して反射面とし、光を効率よく外部に取り出すことも考えられる。ただし、青あるいは緑色ＬＥＤの材料として用いられているＧａＮ系半導体の加工はかなり困難であり、高度な形状を微細な領域に形成することができないのが現状である。
【００１６】
また、図８９は面発光型の半導体発光素子の一例の断面図である。成長基板５００としてのサファイア基板が使用され、その成長基板５００上に例えば窒化ガリウム系半導体層からなる第１導電層５０１が成長され、その第１導電層５０１上に窒化ガリウム系半導体層からなる活性層５０２と第２導電層５０３が基板主面に平行に積層される。これら活性層９２と第２導電層５０３はその一部が削られて開口部５０６が底部に第１導電層５０１が臨むように形成される。この開口部５０６には第１電極５０４が第１導電層５０１と接続するように形成され、第２導電層５０３上には当該第２導電層５０３と接続する第２電極５０５が形成される。
【００１７】
大型ディスプレイ用の光源を製造するためには、簡単には高輝度化に応じて素子サイズを大きくすることが考えられる。しかしながら、光学設計の要請から発光領域のサイズには限界があり、高輝度で大きな発光領域を有する素子は製造するのが困難である。また、素子内部に必要な光取り出し窓と電流を効率よく注入するための電極配置などから、素子内の活性領域にも制限がある。したがって実デバイスにおいては、規格値以上の電流注入などにより高輝度化に対応するのが現状であり、そのように電流注入量を高くした場合では素子の信頼性が低下してしまうと言った問題が発生する。
【００１８】
また、発光ダイオードの素子サイズを小さくすることは、収率改善による低価格化が期待できるため、特に発光ダイオードを画素ごとに配置するディスプレイに応用する場合などにその必要性が高いものとなっている。ただし素子サイズを小さくすることは単位面積あたりの負荷を大きくすることから、前述の発光素子の高輝度化および高信頼性に対して通常相反することになる。
【００１９】
さらに、素子サイズを数十ミクロン程度かそれ以下にする必要がある場合、図８９に示した電極５０４、５０５などの電極領域や素子分離溝の形成領域が、素子の活性層を形成できる領域を大きく制限してしまう。特に導電層５０３、５０１と電極５０５、５０４とが接触する領域は、抵抗が高くならないように、なるべく大きくする必要がある。ところが、電極のサイズを大きくした場合では、逆に面発光により光を導出できる領域が狭くなることになり、それだけ発光の輝度が低下してしまうことになる。
【００２０】
そこで本発明は上述の技術的な課題に鑑み、良好な結晶性を有し、チップ構造の微細化も可能にし、さらに発光効率の向上、光取り出し効率を改善して輝度の高い半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、かかる半導体発光素子を用いてなる画像表示装置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】
【００２１】
本願発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極を形成し、活性層及び第２導電型層の一部が除去された基板側の結晶層の結晶面に、一方の電極と電気的に分離した他方の電極を形成してなることを特徴とする。
【００２２】
斜結晶面を有する結晶層は、一例として、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、窒化物半導体を用いて構成することができる。更に結晶層は、基板上に選択的に形成した結晶種からの選択成長によって形成することが可能である。この場合において、基板主面はＣ面に設定することができる。また、傾斜結晶面は、Ｓ面及び（１１ー２２）面の少なくとも一方または該Ｓ面及び（１１ー２２）面に実質的に等価な結晶面の少なくとも一方を含むことができる。
【００２３】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造から、各半導体発光素子が画素を構成する画像表示装置を構成することができる。
【００２４】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に結晶種層を形成する工程と、結晶種層から前記基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を選択的に形成し、結晶層には、基板側の一部を除いて傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成する工程と、活性層及び第導電型層の基板側の一部を除去して結晶層の一部を露出させる工程と、傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極を形成する工程と、結晶層の前記基板側の露出した結晶面に、一方の電極と電気的に分離した他方の電極を形成する工程を有することを特徴とする。
【００２５】
基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成することで、基板からの貫通転位を押さえることも可能であり、また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は選択成長によって現れ易い面であることから、エッチングなどの工程増加を招かず良好な結晶を得ることができる。
【００２６】
特に結晶層が窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成される場合、Ｃ＋面を用いて結晶層を形成する場合に比べて、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／III比を高くすることが可能である。したがって良質な結晶部分に活性層を形成することができ、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることもできる。
【００２７】
本発明に係る画像表示装置は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極と、活性層及び第２導電型層の一部が除去された基板側の結晶面に、一方の電極と電気的に分離した他方の電極を形勢してなる複数の半導体発光素子を並べ、信号に応じて各半導体発光素子が発光するように構成されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の半導体発光素子によれば、基板面の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を利用することにより、活性層の面積が大きくなり、しかも傾斜面結晶面に平行する面内に一方の電極を形成した構成とすることにより、電流の均一化、電流の集中回避、電流密度の低減を図り、輝度飽和を抑えて発行効率を上げることができる。また、この構成により、多重反射を防止し、光取り出し効率を向上し、半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、良好な結晶性を有し、半導体発光素子のチップ構造の微細化が可能になる。
【００２９】
傾斜結晶面にほぼ平行に延在する反射面を有する構成とすることにより、活性層からの光の一部が反射面で反射して出力されるので、より光取り出し効率を向上することができる。
【００３０】
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、上記の半導体発光素子を製造することができる。
【００３１】
本発明の画像表示装置によれば、上記の半導体発光素子を複数配列して構成されるので、小型かつ高輝度の画像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明を適用した半導体発光素子について、本発明の理解を容易にするために参考例と共に説明する。
【００３３】
［本発明の半導体発光素子］
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する一方の電極を形成し、活性層及び第導電型層の一部が除去された基板側の結晶層の結晶面に、一方の電極と電気的に分離した他方の電極を形成してなることを特徴とする。
【００３４】
本発明に用いられる基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるために使用され、完成前に取り外しされる構造であっても良い。
【００３５】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶層は後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。このような結晶層としては、例えばIII族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００３６】
この結晶層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００３７】
結晶層を形成する前に、下地成長層を基板上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００３８】
そして、本発明においては、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成するために、選択成長法を用いることができる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面［Ｃ面］を基板主面とした場合では、（１−１００）面［Ｍ面］、（１−１０１）面［Ｓ面］、（１１−２０）面［Ａ面］、（１−１０２）面［Ｒ面］、（１−１２３）面［Ｎ面］、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／III比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００３９】
本発明の半導体発光素子においては、結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例においては傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００４０】
具体的な選択成長法としては、そのような選択成長は下地成長層の一部を選択的に除去することを利用して行われる。例えば、前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。前述のような略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状は、結晶種層を帯状にすることで可能である。
【００４１】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃであるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０．  ５〜１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００４２】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００４３】
本発明の半導体発光素子は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成する。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００４４】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面等とされる場合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。また、基板に対して面が垂直でない方が光取出しが改善されることになる。
【００４５】
本発明の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【００４６】
活性層の面積が大きいことによる利点をさらに述べると、素子サイズが限定されている場合、素子内での活性層の有効面積が大きいほうが、同じ輝度を得るために必要な単位面積あたりの電流注入密度を小さくすることができる。したがって、有効面積が大きい構造の方が、同じ輝度を得るには信頼性が向上し、活性層に同じ負荷をかけるのであれば輝度を向上できる。特に活性層の総面積と選択成長領域の成長基板に占める面積との差が、少なくとも片側の電極とのコンタクトに必要な面積より大きくなれば、コンタクト領域によって制限された活性層領域分が補償されることになる。したがって、本発明の半導体発光素子を用いて、活性層を傾斜結晶面に形成することで、該発光素子の素子サイズを必要なだけ小さくしても、構造上の負担すなわち電流が集中してしまうような事態が軽減されることになる。
【００４７】
六角錐形状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に４  箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００４８】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００４９】
本発明の半導体発光素子は、所要の電流が注入されて光を発生させる活性層から素子外に出力される光の一部は前記傾斜結晶面にほぼ平行に延在された反射面で反射する構成とすることができる。
【００５０】
本発明の半導体発光素子における反射面は、その構造として特に限定されるものではないが、活性層で発生した光を実質的に全反射または多少の光透過があっても有効な反射が可能な面であれば良い。この反射面はその少なくとも一部が傾斜結晶面にほぼ平行に延在される。反射面が傾斜結晶面にほぼ平行とは、実質的に平行である場合と完全の平行な面からすこしの傾きを有して延在している場合の両方を含む。反射面は単一の面とすることも可能であるが、それぞれ活性層で発生した光を反射する機能を有する傾斜結晶面に平行に延在される２面以上の面であっても良く、傾斜結晶面の法線方向で重複した構造であっても良い。本発明の半導体発光素子では結晶面自体を反射面とすることが可能であり、反射面に結晶面を用いれば、散乱成分が小さくなるため、より効率良く光が取り出される。また、結晶面を反射面とする場合には、活性層などの各半導体層を形成した後、電極として金属膜を形成する構造にできるため、その電極が反射膜を構成する構造にすることができる。活性層上に形成された電極が反射膜として用いられる場合、活性層などを傾斜結晶層に積層する形で形成すれば、電極も結晶成長層の形状に自己形成的に形成でき、エッチングなどの加工は反射膜の形成については不要となる。
【００５１】
前記傾斜結晶面に平行に延在された反射面は、その一例として１８０°よりも小さな角度で対向する少なくとも２面以上の反射面を有する構造とすることができる。これら１８０°よりも小さな角度で対向する少なくとも２面以上の反射面は直接対向する２面以上の面であっても良く、間に他の角度で配される反射面や結晶面を挟んで対向する面であっても良い。例えばＳ面を側面とする六角錐構造の結晶成長層を形成する素子では、六角錐の頂点で約６０度前後の角度で対向することになる。
【００５２】
本発明の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【００５３】
［参考例の半導体発光素子１］
本例の半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなることを特徴とする。基板や結晶層、結晶層の選択成長方法、第１導電型層、活性層、第２導電型層など、半導体発光素子の基本構成については、先の本発明の半導体発光素子と同様である。
【００５４】
すなわち、重複説明となるが、基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるために使用され、完成前に取り外しされる構造であっても良い。
【００５５】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶層は後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。このような結晶層としては、例えばIII族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００５６】
この結晶層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００５７】
結晶層を形成する前に、下地成長層を基板上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００５８】
そして、本例においても、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成するために、選択成長法を用いることができる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面［Ｃ面］を基板主面とした場合では、（１−１００）面［Ｍ面］、（１−１０１）面［Ｓ面］、（１１−２０）面［Ａ面］、（１−１０２）面［Ｒ面］、（１−１２３）面［Ｎ面］、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／III  比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００５９】
この半導体発光素子においては、結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例においては傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００６０】
具体的な選択成長法としては、そのような選択成長は下地成長層の一部を選択的に除去することを利用して行われたり、あるいは、選択的に前記下地成長層上にまたは前記下地成長層形成前に形成されたマスク層の開口された部分を利用して行われる。例えば、前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。下地成長層の上にマスク層を形成し、そのマスク層を選択的に開口して窓領域を形成することでも、選択成長が可能である。マスク層は例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層によって構成することができる。前述のような略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。
【００６１】
選択成長を用いマスク層の窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。
【００６２】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃであるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０．  ５〜１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００６３】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００６４】
本例の半導体発光素子は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成する。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００６５】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面等とされる場合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。また、基板に対して面が垂直でない方が光取出しが改善されることになる。
【００６６】
本例の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【００６７】
六角錐形状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に４  箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本例の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００６８】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００６９】
本例の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【００７０】
［参考例の半導体発光素子２］
本例の半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する結晶層を形成し、該Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなることを特徴とする。ここで、用いられる基板は、後述のＳ面またはそのＳ面に等価な面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用でき、先の半導体発光素子１において例示したものと同様のものを用いることができる。
【００７１】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有している。この結晶層は後述のＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、やはり先の参考例の半導体発光素子１において例示したものと同様のものを用いることができる。結晶層の成長方法、結晶層を成長する際に形成する下地成長層も先の参考例１の半導体発光素子と同様である。なお、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００７２】
そして、本例においては、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面を形成するために、選択成長法を用いることができる。Ｓ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本例においても、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。
【００７３】
本例の半導体発光素子においては、結晶層は少なくともＳ面又はＳ面に実質的に等価な面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。具体的な選択成長法は、先の参考例の半導体発光素子１の場合と同様である。
【００７４】
本例の半導体発光素子は、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成する。これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層については、先の参考例の導体発光素子１の項において説明した通りである。
【００７５】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在はＳ面等が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜面がＳ面等とされる場合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。
【００７６】
本例の半導体発光素子では、傾斜したＳ面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【００７７】
六角錐形状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に４  箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本例の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００７８】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００７９】
本例の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【００８０】
［参考例の半導体発光素子３］
本例の半導体発光素子は、選択成長により形成され成長基板の基板主面に対して傾斜してなる傾斜結晶面を有する結晶成長層と、前記結晶成長層に形成され所要の電流が注入されて光を発生させる活性層とを有し、前記活性層から素子外に出力される光の一部は前記傾斜結晶面にほぼ平行に延在された反射面で反射したものであることを特徴とする。基板や結晶層、結晶層の選択成長方法、第１導電型層、活性層、第２導電型層など、半導体発光素子の基本構成については、先の参考例の半導体発光素子１と同様である。
【００８１】
本例の半導体発光素子における反射面は、その構造として特に限定されるものではないが、活性層で発生した光を実質的に全反射または多少の光透過があっても有効な反射が可能な面であれば良い。この反射面はその少なくとも一部が傾斜結晶面にほぼ平行に延在される。反射面が傾斜結晶面にほぼ平行とは、実質的に平行である場合と完全の平行な面からすこしの傾きを有して延在している場合の両方を含む。反射面は単一の面とすることも可能であるが、それぞれ活性層で発生した光を反射する機能を有する傾斜結晶面に平行に延在される２面以上の面であっても良く、傾斜結晶面の法線方向で重複した構造であっても良い。本例の半導体発光素子では結晶面自体を反射面とすることが可能であり、反射面に結晶面を用いれば、散乱成分が小さくなるため、より効率良く光が取り出される。また、結晶面を反射面とする場合には、活性層などの各半導体層を形成した後、電極として金属膜を形成する構造にできるため、その電極が反射膜を構成する構造にすることができる。活性層上に形成された電極が反射膜として用いられる場合、活性層などを傾斜結晶層に積層する形で形成すれば、電極も結晶成長層の形状に自己形成的に形成でき、エッチングなどの加工は反射膜の形成については不要となる。
【００８２】
前記傾斜結晶面に平行に延在された反射面は、その一例として１８０°よりも小さな角度で対向する少なくとも２面以上の反射面を有する構造とすることができる。これら１８０°よりも小さな角度で対向する少なくとも２面以上の反射面は直接対向する２面以上の面であっても良く、間に他の角度で配される反射面や結晶面を挟んで対向する面であっても良い。例えばＳ面を側面とする六角錐構造の結晶成長層を形成する素子では、六角錐の頂点で約６０度前後の角度で対向することになる。
【００８３】
結晶成長層もしくは第１導電層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。本例の基本構造を発光ダイオードとするには第１、第２導電層にそれぞれ電極を形成すれば良く、どちらの構造に対しても、光を取り出す方向は必要に応じて表裏どちらでも可能である。すなわち、透明基板であればどちらの構造であっても基板の裏側から光を取り出すことができ、透明電極を用いればどちらの構造でも表側から光を取り出すことができる。
【００８４】
本例の半導体発光素子の要旨の１つは、出力として取り出される光の一部は選択成長によって形成された傾斜結晶面と平行に延在された反射面で反射したものである点であり、反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成されることから、自己形成的に特にエッチングなどの工程を追加しなくとも得ることができる。
【００８５】
本例の半導体発光素子の要旨のさらに他の１つは、選択成長を利用し、活性層を成長基板に対して傾斜した平面上にも形成する場合には、活性層の面積を大きくできるという点である。素子サイズが限定されている場合、素子内での活性層の有効面積が大きいほうが、同じ輝度を得るために必要な単位面積あたりの電流注入密度を小さくすることができる。したがって、有効面積が大きい構造の方が、同じ輝度を得るには信頼性が向上し、活性層に同じ負荷をかけるのであれば輝度を向上できる。特に活性層の総面積と選択成長領域の成長基板に占める面積との差が、少なくとも片側の電極とのコンタクトに必要な面積より大きくなれば、コンタクト領域によって制限された活性層領域分が補償されることになる。したがって、本例の半導体発光素子を用いて、活性層を傾斜結晶面に形成することで、該発光素子の素子サイズを必要なだけ小さくしても、構造上の負担すなわち電流が集中してしまうような事態が軽減されることになる。
【００８６】
なお、本例の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【００８７】
［参考例の半導体発光素子４］
本例の半導体発光素子は、基板上に第１導電型の第１成長層を形成し、該第１成長層上にマスク層を形成し、該マスク層に設けられた開口部から第１導電型の第２成長層を選択成長させて形成し、該第２成長層の結晶面に平行な面内に延在する第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層の一部または全部を前記開口部の周囲のマスク層上まで延在されるように形成してなることを特徴とする。  本発明に用いられる基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、先の参考例の半導体発光素子１〜３と同様のものを用いることができる。
【００８８】
この基板上に形成される成長層は後述するマスク層の下部に配される第１成長層と、マスク層の開口部から成長して形成される第２成長層とからなる。これら第１成長層と第２成長層は共に第１導電型とされ、特に限定されるものではないが、第２成長層の結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良い。第１及び第２成長層の層形成材料として、化合物半導体材料が使用され、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。
【００８９】
このような成長層としては、例えばIII族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体などを好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、本明細書において、窒化物とはIII族にＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔａの中のいずれかひとつを用い、Ｖ族には主にＮを用いることを特徴とするものである。しかしながら、本明細書において、微量のＡｓ、Ｐを用いてバンドギャップを低減した材料であっても窒化物に含められる。
【００９０】
この成長層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＣＶＤ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００９１】
前記第１成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、第１成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。成長層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層を形成することもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮ層が得られる。また、バッファ層については、特に設けない構造とすることもでき、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００９２】
そして、参考例４においては、選択成長により第２成長層を形成することから、基板の主面に対して傾斜した傾斜面を得ることができる。一般に、基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面［Ｃ面］を基板主面とした場合では、（１−１００）面［Ｍ面］、（１−１０１）面［Ｓ面］、（１１−２０）面［Ａ面］、（１−１０２）面［Ｒ面］、（１−１２３）面［Ｎ面］、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜面を形成することができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面を用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１，−１，０，１）面である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。
【００９３】
前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面すなわちＳ＋面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のボンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／III  比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００９４】
本例の半導体発光素子においては、選択成長によって第２成長層は基板の主面に対して傾斜した構造とすることが可能であるが、特に、第２成長層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００９５】
具体的な選択成長法としては、選択的に第１成長層上に形成されたマスク層の開口された部分を利用して行われる。マスク層の開口部の形状としては、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形、帯状、格子状およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。マスク層は例えば絶縁材料からなり、例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層によって構成することができる。マスク層の厚みは、活性層近傍や電極近傍の段差を緩和する目的で、０．１乃至５μｍの範囲で形成することができ、より好ましくは０．１乃至１．０μｍの程度である。前述のような略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や台形形状はマクス層の開口部（窓領域）を帯状にすることで可能である。
【００９６】
選択成長を用いマスク層の開口部を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。
【００９７】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、第２成長層として形成されたＳ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃであるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０．５−１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００９８】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００９９】
本例の半導体発光素子は、第２成長層の結晶面に平行な面内に延在する第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層を第２成長層に形成する。第１導電型層、活性層、第２導電型層の基本構成については、先の半導体発光素子１と同様である。
【０１００】
本例の半導体発光素子においては、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層の全部または一部が開口部の周囲のマスク層上にまで延在される。このようにマスクを除去しない構造とするため、横方向に成長した部分の下部の支えがなくなることもなく、また全部マスク層を残した状態にすれば、選択成長構造の段差が緩和され、レーザ照射などによって基板を剥がした場合でも、マスク層が第１成長層の支持層として機能しながらｎ電極とｐ電極を確実に分離して短絡を防止できる。
【０１０１】
また、本例の他の半導体発光素子においては、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層によって、第２成長層の全体が被覆される構造となる。まず、このような構造は、選択成長によって傾斜した結晶面を第２成長層が呈するために容易に構成できる。すなわち、基板主面に平行に延在する活性層などを形成した場合では、端部が空気中に露出し得るが、傾斜した結晶面を利用することで端部までも被覆することができる。第２成長層の全体が被覆されることで、活性層の酸化などの劣化が未然に防止されることになり、さらに発光面積が増大するといった効果も得られる。
【０１０２】
また、本例の更に他の半導体発光素子においては、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層の各端部が直接マスク層に接する構造にすることができる。このような構造は、選択成長によって傾斜した結晶面を第２成長層が呈するために容易に構成でき、各端部が直接マスク層に接して活性層等を被覆することから、活性層の酸化などの劣化が未然に防止されることになり、さらに発光面積が増大するといった効果も得られる。
【０１０３】
この半導体発光素子では、結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記第１成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【０１０４】
第２成長層と第２導電型クラッド層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が層とマスクの下に形成された第１成長層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【０１０５】
本例の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【０１０６】
［参考例の半導体発光素子５］
本例の半導体発光素子は、第１導電層と第２導電層に挟まれ、選択成長により成長基板の主面に平行でなく延在される活性層を有し、前記活性層の面積は前記成長基板上の前記選択成長の際に用いた窓領域の面積より大きくされ、若しくは前記選択成長により結晶成長した結晶成長層を前記成長基板の法線方向に投影した場合の写像面積よりも大きくされることを特徴とする。基板や結晶層、結晶層の選択成長方法、第１導電型層、活性層、第２導電型層など、半導体発光素子の基本構成については、先の参考例の半導体発光素子１と同様である。
【０１０７】
本例は選択成長により活性層を斜面に形成するという基本構造であることから、本例の効果を十分得るには基本となる素子サイズが結晶成長層の層厚と同等のサイズ、すなわち大きくとも５０ミクロン程度の大きさであることが好ましく、かつ素子サイズが小さい場合ほど効果的である。しかし、基本構造の１次元、あるいは２次元配列を一つの素子に内包すればどのようなサイズの素子についても適用可能である。特に導電層の抵抗値が高いために電極引き回しの必要な第１導電層について高密度のコンタクトを必要としたり、第２導電層のなるべく大きな面積のコンタクトを必要とする場合においてこの半導体発光素子は効果的である。
【０１０８】
本例の半導体発光素子は、第１導電層と第２導電層に挟まれた構造の活性層を有しており、活性層は成長基板の主面に対して平行でない面内に延在される。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＣ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られる。
【０１０９】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は成長基板の主面に対して傾斜した結晶成長層に形成されるが、このような成長基板の主面と平行でない面内への活性層の延在は傾斜した結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。また、結晶面が稜線の両側に延在するところに活性層を形成することで、活性層は屈曲部を含んで延在される。結晶成長層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜した結晶成長層の表面がＳ面等とされる場合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。
【０１１０】
略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上、例えばＣ面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。
【０１１１】
本例の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【０１１２】
結晶成長層もしくは第１導電層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。参考例５の基本構造を発光ダイオードとするには第１、第２導電層にそれぞれ電極を形成すれば良く、どちらの構造に対しても、光を取り出す方向は必要に応じて表裏どちらでも可能である。すなわち、透明基板であればどちらの構造であっても基板の裏側から光を取り出せるし、透明電極を用いればどちらの構造でも表側から光を取り出すことができる。
【０１１３】
本例の半導体発光素子の要旨の１つは、選択成長することによって、活性層を成長基板に対して平行でない平面上にも形成することで活性層の面積を大きくするという点である。素子サイズが限定されている場合、素子内での活性層の有効面積が大きいほうが、同じ輝度を得るために必要な単位面積あたりの電流注入密度を小さくすることができる。したがって、有効面積が大きい構造の方が、同じ輝度を得るには信頼性が向上し、活性層に同じ負荷をかけるのであれば輝度を向上できる。特に活性層の総面積と選択成長領域の成長基板に占める面積との差が、少なくとも片側の電極とのコンタクトに必要な面積より大きくなれば、コンタクト領域によって制限された活性層領域分が補償されることになる。したがって、この半導体発光素子を用いることで、該発光素子の素子サイズを必要なだけ小さくしても、構造上の負担すなわち電流が集中してしまうような事態が軽減されることになる。
【０１１４】
ここで、例えば断面三角形のストライプパターンの結晶成長層が奥行き方向に続いていると仮定し、基板主面と結晶成長層の傾斜面の傾き角をθとすると、活性層の全領域について成長基板の法線ベクトル方向に投影した写像の写像面積と比較すると、活性層の有効面積は最大１／ｃｏｓθ倍大きくなることがわかる。断面三角形のストライプパターンの構造に限らず、選択成長により多角台形や、多角錐などを形成後、その表面に基板に平行でない活性層が形成できれば、有効面積はほぼ必然的に大きくなる。なお、写像面積とは、基板主面における占有面積に等しく、基板主面に垂直な法線ベクトル方向に光を仮想的に照射した場合に結晶成長層によって形成される影部分の面積に等しい。
【０１１５】
さらに非成長領域を小さくし、かつ成長阻害膜すなわちマスク層などにより分離され、隣り合った安定面同士を接触しないぎりぎりまで成長すれば、成長基板の面積より活性層面積を大きくすることも可能である。ただし図１８に示す発光素子では、一回の成長での最大面積は成長基板の成長面の面積に等しく、また電極や素子分離溝を付加するとさらに活性層の有効面積は小さくなるため、かならずしも活性層の総和面積が成長基板の面積より大きくならなくても十分効果がある。
【０１１６】
活性層の有効面積を、成長基板上の選択成長の際に用いた窓領域の面積より大きくし、若しくは選択成長により結晶成長した結晶成長層を成長基板の法線方向に投影した場合の写像面積よりも大きくすることで、活性層に注入される電流の密度を下げることができ、素子の信頼性を向上できる。また、活性層の有効面積が、選択成長領域を成長基板へ法線ベクトル方向に投影した写像の面積と少なくとも片側の電極と導電層との接触面積の和よりも大きくすることでも、活性層に注入される電流の密度を下げることができ、素子の信頼性を向上できる。特に活性層の総面積と選択成長領域の成長基板上に占める写像面積との差が、少なくとも片側の電極とのコンタクトに必要な面積より大きくなれば、コンタクト領域によって制限された活性層領域分が補償される。
【０１１７】
例えば３０μｍ角の発光ダイオード素子の製造について考えると、第１電極と第１導電層である下地導電層が接触する領域は２０μｍ×５μｍ程度、活性層を配置できる選択成長領域は大きくとも２０μｍ角程度である。したがって、活性層の総面積を５００μｍ２以上に設定することで、本例の素子構造が得られることになる。実際に、選択成長領域に底辺が２０μｍ角で斜面の角度４５°の四角錐を形成し、活性層がその斜面に均一に形成されると、活性層の総面積は２０μｍ×２０μｍ／ｃｏｓ４５°＝５６６μｍ２となり、接触面積に比べて活性層の有効面積を十分増大することができる。また、斜面の角度が大きければさらに効果的であることも明らかである。例えば、ウルツ鉱型の（０００１）面に対する安定面（１−１０１）面は約６２°、せん亜鉛型の（００１）面に対する安定面（１１１）面は５４．７°であるから、本例の活性層の領域を広げて信頼性を確保するという効果を十分に得ることができる。
【０１１８】
なお、本例の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【０１１９】
上述の半導体発光素子とその製造方法によれば、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を利用することで実効的Ｖ／III比を増大させることが出来、混晶構成原子の取り込みも増大し、さらに発光のむらを低減することが出来る。さらに窒素原子の解離を抑えることが出来、さらに結晶性を向上して点欠陥濃度を低減することが出来る。これにより発光素子に強電流を流した際の輝度の飽和現象を抑えることが出来る。また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。
【０１２０】
さらに選択成長などを利用し、傾斜した傾斜結晶面（たとえばＳ面）からなる結晶層を用いて、小さい範囲で微細な素子を作るため、高密度化なども容易であり、ダイシングなどの素子毎の分離も容易である。また、選択成長の安定面の一部は原子スケールで見て平らになっており、輝度のむらもなく、その部分をもちいることで半値幅の狭い発光を得ることが出来る。従って半導体発光ダイオードだけでなくこの面を用いた半導体レーザーも作製することも出来る。
【０１２１】
また、上述の半導体発光素子においては、出力として取り出される光の一部は選択成長によって形成された傾斜結晶面と平行に延在された反射面で反射したものである点であり、反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成されることから、自己形成的に特にエッチングなどの工程を追加しなくとも得ることができる。また、傾斜した結晶面に平行に活性層を延在させることで、活性層の有効面積を大きくとることができ、抵抗低下、発熱低下、信頼性向上が期待でき、また、活性層への単位面積あたりの負荷を軽減できるため、高輝度化、高信頼性が期待できる。素子サイズを小さくした場合、特に有効である。また、本発明の半導体発光素子においては、活性層と同時に導電層面積や電極とのコンタクト面積を大きくすることができ、結晶層の結晶面が斜面を持つため、光取り出し効率を改善することも可能である。
【０１２２】
さらにまた、上述の半導体発光素子とその製造方法によれば、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層の全部または一部が開口部の周囲のマスク層上にまで延在される。このようにマスクを除去しない構造とするため、横方向に成長した部分の下部の支えがなくなることもなく、また全部マスク層を残した状態にすれば、選択成長構造の段差が緩和され、レーザ照射などによって基板を剥がした場合でも、マスク層が第１成長層の支持層として機能しながらｎ電極とｐ電極を確実に分離して短絡を防止できる。
【０１２３】
また、上述の半導体発光素子においては、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層によって、第２成長層の全体が被覆される構造とされ、第１導電型クラッド層、活性層、及び第２導電型クラッド層の各端部が直接マスク層に接する構造にすることができる。したがって、活性層の酸化などの劣化が未然に防止されることになり、さらに発光面積が増大するといった効果も得られる。
【０１２４】
さらに上述の半導体発光素子においては、選択成長などを利用し、傾斜した傾斜結晶面からなる結晶層を用いて、小さい範囲で微細な素子を作るため、高密度化なども容易であり、ダイシングなどの素子毎の分離も容易である。また、選択成長の安定面の一部は原子スケールで見て平らになっており、輝度のむらもなく、その部分をもちいることで半値幅の狭い発光を得ることが出来る。従って半導体発光ダイオードだけでなくこの面を用いた半導体レーザーも作製することも出来る。
【０１２５】
さらにまた、上述の半導体発光素子においては、活性層の有効面積を大きくとることができ、抵抗低下、発熱低下、信頼性向上が期待でき、活性層への単位面積あたりの負荷を軽減できるため、高輝度化、高信頼性が期待できる。素子サイズを小さくした場合、特に有効である。また、本発明の半導体発光素子においては、活性層と同時に導電層面積や電極とのコンタクト面積を大きくすることができ、結晶層の結晶面が斜面を持つため、光取り出し効率を改善することも可能である。
【０１２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について、参考例とともに更に詳細に説明する。本実施の形態は、その製造方法に対応しており、その製造方法によって完成した素子が本実施の形態の構造を有する半導体発光素子である。参考例も同様である。従って、本実施の形態では初めに製造工程について説明を行い、次いで製造された素子自体について説明する。なお、本発明の半導体発光素子は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが可能であり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【０１２７】
実施の形態１
本実施の形態１は、サファイア基板上に分離した結晶種を形成し、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面としてＳ面を有する結晶層を形成する半導体発光素子の例であり、図１乃至図８を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１２８】
基板主面をＣ＋面とするサファイア基板３０上に、まず５００°Ｃの低温でＡｌＮまたはＧａＮのいずれかのバッファ層を形成する。その後昇温し１０００°ＣにしてシリコンドープのＧａＮ層３１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図１に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状のマスク部３２を残し、図２に示すようにサファイア基板３０の主面が露呈するまでエッチングする。その結果、マスク部３２の形状を反映して円筒状のシリコンドープのＧａＮ層３１が残される。
【０１２９】
次に、マスク部３２を除去してもう一度結晶成長を行うが、このときは１０００°Ｃ程度に成長温度を上昇し、シリコンドープのＧａＮ層３３を成長する。シリコンドープのＧａＮ層３３は残っていたシリコンドープのＧａＮ層３１上に成長するが、しばらく成長を続けると基板主面に対して傾斜したＳ面によって周囲が囲まれた六角錐形状となって行く。成長に時間をかけるだけ、六角錐形状のシリコンドープのＧａＮ層３３が大きく成長するが、十分に成長した場合でもＧａＮ層３３同士が干渉せず、且つ素子間の分離のためのマージンを確保するようにＧａＮ層３１のピッチは十分に離しておく必要がある。
【０１３０】
六角錐の大きさが幅１５〜２０μｍ程度（一辺が７．５〜１５μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度にすなわち１０〜１６μｍ程度になる。なお、六角錐の大きさが幅１５〜２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度またはそれ以下とすることも可能である。図３に示すように、成長して傾斜したＳ面で囲まれた六角錐が形成された後、さらにシリコンドープのＧａＮ層を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層３４を成長する。その後、成長温度を上昇し、図４に示すように、マグネシウムドープのＧａＮ層３５を成長する。その際のＩｎＧａＮ層３４の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。
【０１３１】
その後、活性層であるＩｎＧａＮ層３４およびｐ型クラッド層であるマグネシウムドープのＧａＮ層３５の一部を基板に近い側で除去してシリコンドープのＧａＮ層３３の一部を露出させる。さらにその除去した基板に近い部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極３６となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極３７が完成する（図５）。これらの蒸着の際には、電極同士の短絡を防止するために、精度の高い蒸着が必要である。
【０１３２】
所要の電極３６、３７を形成した後、図６に示すように、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで素子毎に分離する。これにより本実施の形態による発光素子が完成する。
【０１３３】
このような製造工程で製造された本実施の形態の発光素子は、図７に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板３０上に結晶層としてのシリコンドープのＧａＮ層３３を有している。このシリコンドープのＧａＮ層３３は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層３４が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層３４上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層３５が形成されている。ｐ電極３７はマグネシウムドープのＧａＮ層３５の上面に形成されており、ｎ電極３６は、六角錐のＳ面上で基板近傍で開口された領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層３３に直接接続している。
【０１３４】
このような構造を有する本実施の形態の半導体発光素子は、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／III比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。さらに基板の主面に対して傾斜したＳ面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。
【０１３５】
なお、本実施の形態では最初にシリコンドープのＧａＮ層をエッチングしてサファイア基板３０まで露出したが、十分な段差さえあれば、シリコンドープのＧａＮの中で段差を作るためにエッチングすれば良い。そのようにして出来た結晶種層のシリコンドープのＧａＮ層上に成長すると簡単に六角錐形状を得ることができる。図８にそのような製造方法で製造された素子の構造を示す。サファイア基板３０上に形成されたシリコンドープのＧａＮ層３８に段差３９が形成され、その凸部分からの結晶成長で六角錐形状の結晶層であるシリコンドープのＧａＮ層が形成され、ＩｎＧａＮ層３４からなる活性層、マグネシウムドープのＧａＮ層３５からなるｐ型クラッド層、ｐ電極３７、ｎ電極が形成され、ＩｎＧａＮ層３４から所要の波長の光が取り出される。
【０１３６】
実施の形態２
本実施の形態は、前述の実施の形態１で得られた半導体発光素子を単純マトリックス方式となるように配列して配線することで、画像表示装置又は照明装置を構成したものである。図９は、そのような画像表示装置又は照明装置の実施例であり、各半導体発光素子は基板１２０上に、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域の部分が直線状に並ぶように配列されていて、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域のｐ電極１２４に電流を供給するための配線１２６Ｒ、１２６Ｇ、１２６Ｂが配されている。なお、ｎ電極１２２は共通とされ、必要に応じて画素ごとの制御を行うための選択トランジスタなども形成される。基板１２０上にはマスク層１２５が除去されずに残されており、その下部のシリコンドープのＧａＮ層１２１との段差を緩和する構造とされている。
【０１３７】
このような画像表示装置又は照明装置には、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域として機能する第１乃至第３発光波長領域がそれぞれ活性層に形成された構造を有している。各配線１２６Ｒ、１２６Ｇ、１２６Ｂに独立した信号を与えることで、画像表示装置として２次元の画像を表示することが可能であり、各配線１２６Ｒ、１２６Ｇ、１２６Ｂに同信号を与えることで、照明装置として利用することもできる。
【０１３８】
参考例１
参考例１はサファイア基板上に直接選択成長で傾斜結晶面としてＳ面を有する結晶層を形成する半導体発光素子の例であり、図１０乃至図１６を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１３９】
面を基板主面１１とするサファイア基板１０上に、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、１００μｍ程度の開口部１３をフォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて形成する（図１０）。この開口部１３は本実施例においては略矩形状であり、大きさは作成すべき発光素子の特性に応じて変えることができる。
【０１４０】
次に、選択成長としてもう一度結晶成長を行う。これは低温５００℃で薄い（２０〜３０ｎｍ）のＧａＮ層（低温バッファ層）を成長し、図１１に示すように、その後成長温度を１０００°Ｃ程度に上昇させてシリコンドープのＧａＮ層１４を形成する。このシリコンドープのＧａＮ層１４はマスクの開口部１３に成長するが、水素雰囲気で、この成長温度１０００°Ｃを維持しながらしばらく成長を続けると横方向にやや広がる。
【０１４１】
さらにその上にマスク層１５を形成し、さらにフォトリソグラフィーとエッチングで略円形の開口部１６を設け（図１２）、さらに開口部１６の内側で成長を続けシリコンドープのＧａＮ層１７からなる六角錐形状の結晶層を成長させる。その際、六角錐形状の結晶層の表面はＳ（１−１０１）面で覆われる。成長時間が足りないなどの成長条件が異なると、上面側が基板主面と平行なＣ＋面を有する六角台形状になるが、この実施例では六角錐になるまでシリコンドープのＧａＮ層１７からなる結晶層を成長する。十分な成長時間を経過した後は、シリコンドープのＧａＮ層１７の表面は、六角錐形状の各斜面がＳ面で覆われるようになる。この際、開口部１６のピッチは十分に離しておく必要がある。
【０１４２】
六角錐形状をシリコンドープのＧａＮ層１７で形成した後、しばらく成長を行い六角錐の大きさが幅１５〜２０μｍ程度（一辺が７．５〜１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度になり、従って１０〜１６μｍ程度になる。なお、この１０〜１６μｍ程度のサイズは例示であり、幅１０μｍ以下のサイズであっても良い。そこまで成長して閉じた六角錐が形成された後、さらにシリコンドープのＧａＮ層１７を成長し、その後成長温度を低減しＩｎＧａＮ層１８を成長する。その後成長温度を上昇し、図１３に示すようにマグネシウムドープのＧａＮ層１９を成長する。その際のＩｎＧａＮ層１８の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。
【０１４３】
その後、そのエピ層の一部をシリコンドープのＧａＮ層１４が露出するまでエッチングし、さらにその除去した部分２１にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極２０となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極２２が完成する（図１４）。これらの蒸着の際、ｐ電極２２、ｎ電極２０が六角錐形状のシリコンドープのＧａＮ層１７とマスクの下に形成されたシリコンドープのＧａＮ層１４との双方についてしまうと短絡してしまうので、それぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図１５に示すように、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する（図１５）。これにより本実施例による発光素子が完成する。
【０１４４】
このような製造工程で製造された本参考例１の発光素子は、図１６に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板１０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１４を介して成長した結晶層としてのシリコンドープのＧａＮ層１７を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１７は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１８が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１８上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１９が形成されている。ｐ電極２２はマグネシウムドープのＧａＮ層１９の上面に形成されており、ｎ電極２０は、六角錐部分の側部で開口された領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１４を介してシリコンドープのＧａＮ層１７に接続している。
【０１４５】
このような構造を有する本参考例１の半導体発光素子は、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／III比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。さらに、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。
【０１４６】
参考例２
参考例２は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面としてＳ面を有する六角錐形状の結晶層を選択マスクすなわち窓領域内にとどめて形成する半導体発光素子の例であり、図１７乃至図２２を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１４７】
基板主面をＣ＋面とするサファイア基板４０上に、まず５００°Ｃの低温でＡｌＮまたはＧａＮのいずれかのバッファ層を形成する。その後昇温し１０００°ＣにしてシリコンドープのＧａＮ層４１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層４２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図１７に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域４３を形成する。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【０１４８】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層４４の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層４４は円形の窓領域４３から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。成長条件が異なる場合は六角錐台形状になるが、成長条件を制御することでＳ面で覆われる六角錐が選択マスクの枠内ほぼいっぱいになるシリコンドープのＧａＮ層４４が形成される（図１８）。その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層４５を成長する。その後、図１９に示すように、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層４６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層４５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに前述の参考例１と同様に、活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい点は、前述の参考例１と同様である。選択成長時には、選択マスクの窓領域４３の中に全結晶層の横方向が含まれるようにすることが好ましい。この方法では各発光素子の大きさを均一にすることが容易となる。
【０１４９】
その後、マスク層の一部を開口してＧａＮ層４１を露出させ、さらにその除去した部分４７にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極４８となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極４９が完成する（図２０）。これらの蒸着の際、ｐ電極４９、ｎ電極４８はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図２１に示すように、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。
【０１５０】
このような製造工程で製造された本参考例２の発光素子は、図２２に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板４０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層４１を介して成長した結晶層としてのシリコンドープのＧａＮ層４４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層４４は基板主面とは傾斜してなるＳ面に覆われた周面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層４５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層４５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層４６が形成されている。ｐ電極４９はマグネシウムドープのＧａＮ層４６の上面に形成されており、ｎ電極４８は、六角錐部分の側部で開口された領域４７に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層４１を介してシリコンドープのＧａＮ層４４に接続している。
【０１５１】
このような構造を有する本参考例２の半導体発光素子は、前述の参考例１と同様に、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／III比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。また、本実施例では、選択成長が窓領域４３の範囲内にとどまるため、各素子のサイズを均一に制御することが容易である。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。
【０１５２】
参考例３
参考例３は、選択マスクすなわち窓領域よりも大きなサイズで六角錐形状の結晶層を成長させて形成する半導体発光素子の例であり、図２３乃至図２８を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１５３】
基板主面をＣ＋面とするサファイア基板５０上に、前述の各参考例と同様に、低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°Ｃで第１成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層５２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図２３に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域５３をマスク層５２に形成する。このときの一辺の方向は１−１００方向に垂直とする。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【０１５４】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層５４の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層５４は円形の窓領域５３から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。成長時間が足りない場合は六角錐台形状になるが、六角錐をシリコンドープのＧａＮ層５４を形成した後しばらく成長を続け、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度となる。すると図２４に示すように、１６μｍ程度の窓領域５３よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層５４が形成される。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【０１５５】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層５５を成長する。その後、図２５に示すように、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層５６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層５５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。この段階で、ＩｎＧａＮ層１５やマグネシウムドープのＧａＮ層５６は窓領域５３の周囲のマスク層５２の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層５４の全体が被覆され、活性層であるＩｎＧａＮ層５５、マグネシウムドープのＧａＮ層５６の端部が形成されないことから、活性層の劣化を未然に防止することができる。
【０１５６】
その後、マスク層の一部を開口してＧａＮ層５１を露出させ、さらにその除去した部分５７にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極５８となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極５９が完成する（図２６）。これらの蒸着の際、ｐ電極５９、ｎ電極５８はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図２７に示すように、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。
【０１５７】
このような製造工程で製造された本参考例３の半導体発光素子は、図２８に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板５０上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層５１を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層５４は基板主面とは傾斜してなるＳ面に覆われた周面を有しており、窓領域５３の面積より大きな底面を有するように形成されている。
【０１５８】
さらに、本素子には、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層５５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層５５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層５６が形成されている。ｐ電極５９はマグネシウムドープのＧａＮ層５６の上面に形成されており、ｎ電極５８は、六角錐部分の側部で開口された領域５７に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層５１を介してシリコンドープのＧａＮ層５４に接続している。
【０１５９】
このような構造を有する本実施例の半導体発光素子は、シリコンドープのＧａＮ層５４、ＩｎＧａＮ層５５及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６の全部または一部が窓領域５３の周囲のマスク層５２上にまで延在される。このようにマスクを除去しない構造とするため、横方向に成長した部分の下部の支えがなくなることもなく、またマスク層５２を残した状態にすれば、選択成長構造の段差が緩和され、レーザ照射などによって基板を剥がした場合でも、マスク層５２が第１成長層５１の支持層として機能しながらｎ電極５８とｐ電極５９を確実に分離して短絡を防止できる。
【０１６０】
また、ＩｎＧａＮ層５５及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６によって、シリコンドープのＧａＮ層５４の全体が被覆される構造となり、各層５５，５６の端部が直接マスク層に接する構造にすることができる。したがって、各端部が直接マスク層５２に接して活性層等を被覆することから、活性層の酸化などの劣化が未然に防止されることになり、さらに発光面積が増大するといった効果も得られる。
【０１６１】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／III比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。本参考例では、大きな面積の活性層に電流を注入するため、電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【０１６２】
参考例４
参考例４は、選択マスクより大きく形成されたＳ面からなる六角錐形状の結晶層の頂点部分にはｐ電極を形成しない半導体発光素子の例であり、図２９乃至図３１を参照しながらその構造を説明する。
【０１６３】
本参考例参考例と同様に、低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°Ｃで第１成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層５２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域をマスク層５２に形成する。このときの一辺の方向は１−１００方向に垂直とする。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【０１６４】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層５４の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層５４は円形の窓領域５３から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。成長時間が足りない場合は六角錐台形状になるが、六角錐をシリコンドープのＧａＮ層５４を形成した後しばらく成長を続け、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度となる。１６μｍ程度の窓領域５３よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層５４が形成される。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示に過ぎず、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【０１６５】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層５５を成長する。その後、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層５６を成長させる。これらＩｎＧａＮ層５５やマグネシウムドープのＧａＮ層５６については参考例３と同様である。この段階で、ＩｎＧａＮ層５５やマグネシウムドープのＧａＮ層５６は窓領域５３の周囲のマスク層５２の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層５４の全体が被覆され、活性層であるＩｎＧａＮ層５５、マグネシウムドープのＧａＮ層５６の端部が形成されないことから、活性層の劣化を未然に防止することができる。
【０１６６】
基板５０上のシリコンドープのＧａＮ層５１の一部除去した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極６１となる。さらに六角錐上に成長した最表層のＳ面部分でなおかつＡＦＭ測定の結果、ステップが十分にみられた部位を探してその部分のみに電極としてＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。これによりｐ電極６２が完成する（図２９）。一般に、ＡＦＭで見られたステップなどの形状からは六角錐の頂点に近い部分は比較的結晶性が悪くなっている。このため、この頂上の部分を除いてｐ電極６２を設ける。これらの蒸着の際、ｐ電極６２、ｎ電極６１が結晶層であるシリコンドープのＧａＮ層５４とマスクの下に形成されたシリコンドープのＧａＮ層５１との双方についてしまうと短絡してしまうので、それぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、このデバイスをＲＩＥまたはダイサーなどで分離する（図３０）。これにより本参考例４による発光素子が完成する。その素子断面を図３１に示す。
【０１６７】
このような構造の半導体発光素子では、シリコンドープのＧａＮ層５４、ＩｎＧａＮ層５５及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６の全部または一部が窓領域５３の周囲のマスク層５２上にまで延在される。このようにマスクを除去しない構造とするため、横方向に成長した部分の下部の支えがなくなることもなく、またマスク層５２を残した状態にすれば、選択成長構造の段差が緩和され、ｎ電極６１とｐ電極６２を確実に分離して短絡を防止できる。
【０１６８】
また、ＩｎＧａＮ層５５及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６によって、シリコンドープのＧａＮ層５４の全体が被覆される構造となり、各層５５，５６の端部が直接マスク層に接する構造にすることができる。したがって、各端部が直接マスク層５２に接して活性層等を被覆することから、活性層の酸化などの劣化が未然に防止されることになり、さらに発光面積が増大するといった効果も得られる。
【０１６９】
また、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となり、結晶性の悪い部分を発光領域から外して、全体的な発光効率を高めることができる。
【０１７０】
参考例５
参考例５は、ｎ電極を基板裏面に形成する半導体発光素子の例であり、図３２乃至図３８を参照しながらその構造を説明する。
【０１７１】
参考例３と同様に、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板５０上に、前述の各参考例と同様に、低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°Ｃで第１成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層５２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域をマスク層５２に形成する。このときの一辺の方向は１−１００方向に垂直とする。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【０１７２】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層５４の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層５４は円形の開口部から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。成長時間が足りない場合は六角錐台形状になるが、六角錐をシリコンドープのＧａＮ層５４を形成した後しばらく成長を続け、１６μｍ程度の窓領域よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層５４が形成される。
【０１７３】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層５５を成長する。その後、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層５６を成長させる。これらＩｎＧａＮ層５５やマグネシウムドープのＧａＮ層５６については参考例３と同様である。この段階で、ＩｎＧａＮ層５５やマグネシウムドープのＧａＮ層５６は窓領域の周囲のマスク層５２の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層５４の全体が被覆され、活性層であるＩｎＧａＮ層５５、マグネシウムドープのＧａＮ層５６の端部が形成されないことから、活性層の劣化を未然に防止することができる。
【０１７４】
図３２に示すように、ｎ電極を形成する前に、マグネシウムドープのＧａＮ層５６の最表層のＳ面部分にｐ電極７１を形成する。ｐ電極７１を形成した後、サファイア基板５０の主面までＲＩＥまたはダイサーなどで分離溝７２を形成して分離し、サファイア基板５０上で素子ごとに分離をする（図３３）。次に、エキシマレーザー等を用いて、サファイア基板５０から素子部分となる領域を除去し、残ったＧａなどをエッチングで除去した後、素子側の裏面部分に最後にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。図３４に示すように、この電極が素子裏面に配設されたｎ電極７３として機能する。
【０１７５】
図３５は、ｎ電極を裏面に形成する他の方法を示すものである。この例では、サファイア基板を第２の基板７７として用意し、この上に接着剤層７８を介して形成される樹脂層７９中に図３１に示す状態の素子を埋め込む。その後、図３５の（ａ）に示すように、サファイア基板５０は、レーザアブレーションにより除去する。照射するレーザは、例えばエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）である。
【０１７６】
次いで、表面に残存するＧａを除去した後、図３５の（ｂ）に示すように、サファイア基板５０を剥離した面にＮｉマスクなどのマスクＭを形成し、例えば塩素ガス系を用いたＲＩＥにより素子間を分離する。上記マスクＭを除去した後、素子側の裏面部分にＴｉ／Ｐｔ／ＡｕあるいはＴｉ／Ａｕなどからなる電極７６を形成する（図３５の（ｃ））。
【０１７７】
図３６は完成した半導体発光素子の断面を示す。前記ｎ電極７３は光をさえぎらないようにするためなるべく角部に配設することが好ましい。また、図３７は完成した半導体発光素子の一例の裏面を示す。この例では、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層５４の六角の底面に応じて六角形の開口部７５をｎ電極７４に有する。このような構造によって、発光した光を有効に外部に導くことができる。
【０１７８】
また、本参考例５の一例としてｎ電極を透明電極とした構造とすることもできる。図３８は基板から素子部分となる領域をエキシマレーザー等を用いて分離し、素子の裏面側に透明電極７６を形成したところを示すものである。なお、素子部分は図３６に示す構造のものと同様に、シリコンドープのＧａＮ層５１の上に残されたマスク層５２の窓領域から、六角錐形状に成長した結晶部分にシリコンドープのＧａＮ層５４、ＩｎＧａＮ層５５、及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６が形成され、最外部にｐ電極７１が形成されている。透明電極７６は基板の剥がされたシリコンドープのＧａＮ層５１の裏面にリフトオフなどによって形成されたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの材料層である。
【０１７９】
図３９は完成した透明電極７６を備えた半導体発光素子を示す断面図である。このような構造とすることで、シリコンドープのＧａＮ層５４及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６に挟まれた活性層としてのＩｎＧａＮ層５５から発生した光は透明電極７６を透過して射出する。図３９の半導体発光素子は、その構造上、マスク層５２が残存するため、横方向に成長した部分の下部の支えがなくなることもなく、選択成長構造の段差が緩和され、レーザ照射などによって基板を剥がした場合でも、ｐ電極７１と透明電極７６の短絡などの問題は生じない。更に、活性層から発生した光は透明電極７６を透過して射出することから、電極を光路を避けるように形成する必要はなく、製造上も容易に形成でき、また、シリコンドープのＧａＮ層５１の裏面から光を取り出すことで、傾斜した結晶面で反射した光も出力され、光の取出し効率が改善される。また、ｐ電極７１は六角錐の頂点側に配設されることから、透明電極７６はシリコンドープのＧａＮ層５１の裏面に比較的広い面積で形成することができる。このため、透明電極７６の接触抵抗を下げることができ、同時にｎ電極取り出しのためのマスク層の加工は不要であるため、当該素子は容易に製造できることとなる。
【０１８０】
参考例６
参考例６は、帯状の窓領域を形成して選択成長させる半導体発光素子の例であり、図４０乃至図４３を参照しながらその構造を説明する。
【０１８１】
図４０に示すように、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板８０上に、まず５００°Ｃの低温でＡｌＮまたはＧａＮのいずれかのバッファ層を形成する。その後昇温し１０００°ＣにしてシリコンドープのＧａＮ層８１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層８２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ×５０μｍ程度の矩形状の開口部からなる窓領域８３を形成する。このときの長辺の方向は１−１００方向にとる。その後もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００°Ｃ程度に上昇し、シリコンドープのＧａＮ層８４を形成する。シリコンドープのＧａＮ層８４はマスクの窓領域８３に成長するが、しばらく成長を続けると図４１に示す船底の如き形状を露呈してくる。その際突条の六角錐の表面はＳ面と１１−２２面で覆われるようにする。
【０１８２】
少なくとも十分な時間が経過して最上部のＣ面がほぼ平らになり或いはなくなったところで、さらにシリコンドープのＧａＮ層を形成する。その後成長温度を低減して、活性層となるＩｎＧａＮ層８５を成長する。次いで成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層８６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層８５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに前述の参考例１と同様に、活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい点は、前述の参考例１と同様である。
【０１８３】
その後、マスク層の一部を開口してＧａＮ層８１を露出させ、さらにその除去した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極８７となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極８８が完成する（図４２）。これらの蒸着の際、ｐ電極８８、ｎ電極８７はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離して、本参考例６による発光素子が完成する。
【０１８４】
このような製造工程で製造された本参考例６の発光素子は、図４３に示す素子構造を有しており、Ｓ面だけではなく、１１−２２面も形成されたシリコンドープのＧａＮ層８４を有している。このような構造とすることで、広く領域で活性領域を構成することが可能となり、従って、電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【０１８５】
参考例７
参考例７は、選択マスクすなわち窓領域よりも大きなサイズで六角錐台形状の結晶層を成長させて形成する半導体発光素子の例であり、図４４乃至図４９を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【０１８６】
基板主面をＣ＋面とするサファイア基板９０上に、前述の各参考例と同様に、低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層９１を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層９２を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図４４に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域９３をマスク層９２に形成する。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【０１８７】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層９４の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層９４は円形の窓領域９３から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなり且つ上面が基板主面と平行なＣ面を有する六角錐台の形状を露呈してくる。十分な時間だけ結晶成長を行い、上面のＣ面が平坦に広がった形状にシリコンドープのＧａＮ層９４の形状を制御する（図４５）。この上面が平坦な六角錐台の形状は、前述の六角錐形状のものと比較して短い時間で形成することができる。
【０１８８】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層９５を成長する。その後、図４６に示すように、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層９６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層９５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度であり、量子井戸層や多重量子井戸層などを形成しても良い。ガイド層なども形成できる点は前述の各実施例と同様である。
【０１８９】
その後、マスク層の一部を開口してＧａＮ層９１を露出させ、さらにその除去した部分９７にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極９８となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極９９が完成する（図４７）。これらの蒸着の際、ｐ電極９９、ｎ電極９８はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図４８に示すように、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより本参考例７による発光素子が完成する。
【０１９０】
このような製造工程で製造された本参考例７の発光素子は、図４９に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板９０上に形成されるシリコンドープのＧａＮ層９４は、上面が平坦な六角錐台形状であり、結晶状態の良くない頂点部を初めから形成しない構造となっている。従って、発光特性における損失を未然に防止することが可能であり、しかも、六角錐台形状は比較的に短時間で形成できるために、プロセス上も有利である。
【０１９１】
また、シリコンドープのＧａＮ層９４、ＩｎＧａＮ層９５及びマグネシウムドープのＧａＮ層９６の全部または一部が窓領域９３の周囲のマスク層９２上にまで延在され、マスクを除去しない構造とするため、選択成長構造の段差が緩和され、ｎ電極９８とｐ電極９９を確実に分離して短絡を防止できる。また、ＩｎＧａＮ層３５及びマグネシウムドープのＧａＮ層３６の端部が直接マスク層９２に接する構造にすることができる。したがって、各端部が直接マスク層３２に接して活性層等を被覆することから、活性層の酸化などの劣化が未然に防止されることになり、さらに発光面積が増大するといった効果も得られる。
【０１９２】
図５０および図５１は六角錐台形構造の半導体発光素子の他の構造例を示す。図５０は該素子の電極形成工程を示す図である。図５０および図５１に示す半導体発光素子は図４９の半導体発光素子の変形例であり、サファイア基板９０をエキシマレーザーなどの照射によって除去し、シリコンドープのＧａＮ層９１の裏面にｎ電極９８ｂを形成した例である。上面が平坦な六角錐台形状の成長層の領域には、シリコンドープのＧａＮ層９４、ＩｎＧａＮ層９５及びマグネシウムドープのＧａＮ層９６の全部または一部が窓領域の周囲のマスク層９２上にまで延在され、その最外部にはｐ電極９９が形成されている。
【０１９３】
この図５０および図５１に示す構造例においては、ｎ電極９８ｂがシリコンドープのＧａＮ層９１の裏面に光の取出し部となるマスク層９２の窓領域の直下を外しながら形成されている。このような構造にすることで、半導体発光素子のサイズを小さくすることができ、また、マスク層９２を開口してコンタクト領域を形成する必要もないため、容易に製造できると共に微細化に好適である。なお、この六角錐台形構造の半導体発光素子においても、ｎ電極９８ｂの代わりにＩＴＯ膜などからなる透明電極を形成することができ、コンタクト面積を広くとることができるため、さらに製造が容易となる。
【０１９４】
参考例８
参考例８は、ｐ電極を基板表面の面積を大きく占めるように形成した半導体発光素子の例であり、図５２を参照しながらその構造を説明する。
【０１９５】
この半導体発光素子は、参考例５とマグネシウムドープのＧａＮ層５６を成長するところまでは同じ成長方法をとる。従って、そこまでの各部分については同じ参照符号を与え、その重複した説明は省略する。ｎ電極１００はサファイア基板５０の側部のマスク層５２を開口した領域に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着することで形成される。このｎ電極１００は複数の六角錐からなる領域に電流を供給することができるものである。また、Ｎｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着してｐ電極１０１を形成する。このｐ電極１０１も広い範囲を覆うため、一つの素子で高出力を得る素子を得ることができる。これらの各素子に同電位を与えることで、照明装置として使用することができ、またｐ電極１０１を個別に形成して独立した信号を供給して、画像表示装置として使用することもできる。各素子を３原色に対応したものとすることで、多色やフルカラーの画像表示装置を構成できる。なお、各半導体発光素子は同じものを配列させて構成することができるが、他の方法で作成した各半導体発光素子を部分的に混ぜ合わせて画像表示装置又は照明装置を構成しても良い。
【０１９６】
シリコンドープのＧａＮ層５４、ＩｎＧａＮ層５５及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６の全部または一部が窓領域５３の周囲のマスク層５２上にまで延在され、マスクを除去しない構造とするため、選択成長構造の段差が緩和され、ｎ電極１００とｐ電極１０１を確実に分離して短絡を防止できる。また、ＩｎＧａＮ層５５及びマグネシウムドープのＧａＮ層５６の端部が直接マスク層５２に接する構造にすることができる。したがって、各端部が直接マスク層５２に接して活性層等を被覆することから、活性層の酸化などの劣化が未然に防止されることになり、さらに発光面積が増大するといった効果も得られる。
【０１９７】
参考例９
前述の参考例で得られた半導体発光素子は、前述の図９で説明したと同様に、単純マトリックス方式となるように配列して配線することで、画像表示装置又は照明装置を構成したものである。すなわち、図９に示すように、各半導体発光素子は基板１２０上に、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域の部分が直線状に並ぶように配列されていて、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域のｐ電極１２４に電流を供給するための配線１２６Ｒ、１２６Ｇ、１２６Ｂが配されている。なお、ｎ電極１２２は共通とされ、必要に応じて画素ごとの制御を行うための選択トランジスタなども形成される。基板１２０上にはマスク層１２５が除去されずに残されており、その下部のシリコンドープのＧａＮ層１２１との段差を緩和する構造とされている。
【０１９８】
このような画像表示装置又は照明装置には、赤色発光領域、青色発光領域及び緑色発光領域として機能する第１乃至第３発光波長領域がそれぞれ活性層に形成された構造を有している。各配線１２６Ｒ、１２６Ｇ、１２６Ｂに独立した信号を与えることで、画像表示装置として２次元の画像を表示することが可能であり、各配線１２６Ｒ、１２６Ｇ、１２６Ｂに同信号を与えることで、照明装置として利用することもできる。
【０１９９】
なお、上述の各参考例中、サファイア基板上に低温バッファ層を形成してから、ＧａＮ層を成長させ、その後に選択マスクを形成して選択成長を行う方法について説明したが、これに限定されず、サファイア基板上に積層するだけではなく、Ｓｉ上に直接約９００℃でＧａＮ層を形成したり、ＳｉＣ上に１０００℃でＡｌＮを５ｎｍ成長させた後ＧａＮを成長させたり、ＧａＮ基板を使用してその後選択マスクを形成することでも良い。
【０２００】
参考例１０
参考例１０の半導体発光素子は、例えばＣ（０００１）面サファイア基板の如き成長基板１３１上にｎ型ＧａＮ層からなる下地成長層１３２をＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法などにより結晶成長し、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはタングステン膜などからなる成長阻害膜としてのマスク層１３３を形成する。
【０２０１】
このマスク層１３３には六角形状の開口部である窓領域１３４が形成され、その窓領域１３４から選択成長によって形成された断面三角形状の結晶成長層１３５が形成されている。この結晶成長層１３５は例えばｎ型ＧａＮ層やＡｌＧａＮ層からなり、その断面は略正三角形状となるが、上から見た場合には六角形であり、全体としては六角錐の形状を有する。
【０２０２】
結晶成長層１３５の基板主面に対して傾斜した結晶表面はＳ面またはＳ面と等価な面を有しており、結晶成長層１３５の最外部の濃度などを調整して形成されたｎ型クラッド層の上に活性層１３６及びｐ型クラッド層として機能する第２導電層１３７が積層されている。これら活性層１３６及びｐ型クラッド層として機能する第２導電層１３７は結晶成長層１３５のＳ面を被覆するように形成されており、活性層１３６は選択成長により形成された結晶成長層１３５のＳ面に沿って成長基板１３１の主面に平行でなく延在されている。第２導電層１３７は例えばｐ型ＧａＮ層やＡｌＧａＮ層からなる。活性層１３６上にはいわゆるＡｌＧａＮ層を形成しても良い。
【０２０３】
第２導電層１３７上には、ｐ電極として機能する第２電極１３９が例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕなどの多層金属膜によって構成されており、ｎ電極として機能する第１電極１３８が例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの多層金属膜によってマスク層１３３を開口した部分に形成されている。第１電極１３８および第２電極１３９は例えば蒸着やリフトオフなどの手法を用いて形成される。
【０２０４】
本参考例１０の半導体発光素子は、その活性層１３６の面積が大きいことから、活性層１３６に注入される電流密度を緩和させることが可能であるが、特に活性層６は結晶成長層１３５のＳ面に沿って成長基板１３１の主面に平行でなく延在されているために、その活性層１３６の面積Ｓは十分な広がりを以って形成されている。まず、活性層６の面積Ｓが最も大きい場合には、図５３に示すように、活性層１３６の面積Ｓを第１電極１３８の面積Ｓ２と結晶成長層１３５を基板主面に写像した写像面積Ｓ１の和（Ｓ１＋Ｓ２）よりもさらに大きな面積を有しているものとすることができる。
【０２０５】
例えば、本参考例に素子が３０μｍ角の発光ダイオード素子である場合では、第１電極と第１導電層である下地導電層が接触する領域すなわちＳ２は２０μｍ×５μｍ程度（１００μｍ程度）、活性層を配置した写像領域Ｓ１は大きくとも２０μｍ角程度の（４００μｍ程度）である。一方、選択成長により形成された結晶成長層５に底辺が２０μｍ角で斜面の角度４５°の四角錐を形成し、活性層１３６がその斜面に均一に形成されると、活性層６の総面積は２０μｍ×２０μｍ／ｃｏｓ４５°＝５６６μｍ２となり、Ｓ面を用いた六角錐形状の場合（角度約６２°）には更に活性層の面積Ｓが増大する。
【０２０６】
図５４と図５５は輝度飽和を緩和する目的で活性層１３６の面積Ｓを拡大した場合には、それぞれ窓領域１３３の面積Ｗ１（図５４参照）や結晶成長層の基板主面への法線ベクトル方向への写像面積Ｗ２（図５５Ｒ＞５参照）より大きくなることを示したものであり、前述のように活性層１３６が結晶成長層１３５のＳ面に沿って成長基板１３１の主面に平行でなく延在される場合では、その活性層１３６の面積Ｓは、面積Ｗ１や写像面積Ｗ２よりは大きくなり、十分な広がりを以って形成されている。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２０７】
図５３の素子構造の半導体発光素子では、活性層の面積拡大による効果に加えて、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／III比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。さらに、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。また、活性層１３６が島状に分離している構造をとるため、活性層１３６をエッチングすることの必要がなくなる。したがって活性層に対して余計なダメージがなくなる。また、電極によって活性層１３６の有効面積が小さくなることもないという利点も得られる。
【０２０８】
参考例１１
参考例１１は、ストライプ状の結晶成長層１５４を成長基板１５０上に形成する例であり、図５６に示すように、成長基板１５０上形成された下地成長層１５１上のマスク層１５２の窓領域からストライプ状の結晶成長層１５４が形成されている。ストライプ状の結晶成長層１５４はその側面１５６がＳ面とされ、傾斜した側面１５６にも活性層１５５が延在されていることから、活性層１５５の面積は結晶成長層１５４の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２０９】
参考例１２
参考例は、長方台形状の結晶成長層１６４を成長基板１６０上に形成する例であり、図５７に示すように、成長基板１６０上形成された下地成長層１６１上のマスク層１６２の窓領域からストライプ状で且つ長方台形状の結晶成長層１６４が形成されている。長方台形状の結晶成長層１６４はその側面１６３ＳがＳ面とされ、長手方向の端部の面１６４は（１１−２２）面とされる。結晶成長層１６４の上面１６３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略しているが、傾斜した側面１６３Ｓ、面１６４、上面１６３Ｃにも延在され、活性層の面積は結晶成長層１６４の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２１０】
参考例１３
参考例１３は、図５８に示すように、四角台形状の結晶成長層１７４を成長基板１７０上に形成する例であり、成長基板１７０上形成された下地成長層１７１上のマスク層１７２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで四角錐台形状の結晶成長層１７３が形成されている。四角錐台形状の結晶成長層１７３はその傾斜した一側面１７３ＳがＳ面とされ、他の傾斜した一側面１７４は（１１−２２）面とされる。結晶成長層１７３の上面１７３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略しているが、傾斜した側面１７３Ｓ、面１７４、上面１７３Ｃにも延在され、活性層の面積は結晶成長層１７３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２１１】
参考例１４
参考例１４は、図５９に示すように、六角錐形状の結晶成長層１８３を成長基板１８０上に形成する例であり、成長基板１８０上形成された下地成長層１８１上のマスク層１８２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで六角錐形状の結晶成長層１８３が形成されている。六角錐形状の結晶成長層１８３はその傾斜した各側面がＳ面とされ、活性層は図示を省略しているが、その断面は図５２のようになり、傾斜した各Ｓ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層１８３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２１２】
参考例１５
参考例１６は、図６０に示すように、六角錐台形状の結晶成長層１９３を成長基板１９０上に形成する例であり、成長基板１９０上形成された下地成長層１９１上のマスク層１９２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで六角錐台形状の結晶成長層１９３が形成されている。六角錐形状の結晶成長層１９３はその傾斜した各側面１９３ＳがＳ面とされ、上面１９３Ｃが基板主面と同じＣ面とされている。また、六角錐形状の結晶成長層１９３の底面側にはＭ面（１−１００）面も低い高さで形成される。活性層は図示を省略しているが、その断面は図５２のようになり、傾斜した各Ｓ面およびＣ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層１９３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２１３】
参考例１６
参考例１６は図５３に示した半導体発光素子を製造する方法であり、図６１乃至図６６を参照してその製造方法を工程順に説明する。
【０２１４】
図６１に示すように、サファイア基板などの成長基板２００上に、ｎ型ＧａＮ層２０１を下地成長層として例えばＭＯＣＶＤ法などにより形成する。このとき、ｎ型ＧａＮ層２０１は最初からｎ型である必要はなく、最上面がｎ型であれば良い。一例として、シリコンをドープすることでｎ型のＧａＮ層２０１を形成することができる。
【０２１５】
次に図６２に示すように、ＣＶＤなどによりシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはタングステン膜などからなる成長阻害膜としてのマスク層２０２をｎ型のＧａＮ層２０１上の全面に形成し、さらに素子を形成する領域に対応してマスク層２０２を除去して六角形状の窓領域２０３を複数形成する。
【０２１６】
続いて、図６３に示すように、選択成長が行われ、窓領域２０３から結晶成長により結晶成長層であるｎ型（Ａｌ）ＧａＮ層２０４が形成される。このｎ型（Ａｌ）ＧａＮ層２０４はクラッド層としても機能し、略六角錐形状を呈する。傾斜した側面はＳ面とされる。
【０２１７】
この傾斜した側面に対してさらに活性層となるＩｎＧａＮ層２０５とｐ型（Ａｌ）ＧａＮ層２０６を図６４のように積層する。活性層となるＩｎＧａＮ層２０５は結晶成長層である（Ａｌ）ＧａＮ層２０４のＳ面に沿って成長基板２００の主面に平行でなく延在され、その活性層の面積Ｓは、窓領域２０３の面積や結晶成長層の写像面積よりは大きくなり、十分な広がりを以って形成される。ＩｎＧａＮ層２０５上にはＡｌＧａＮ層を形成しても良い。
【０２１８】
次に図６５に示すように、マスク層上に例えばｐｏｌｙ−ＧａＮが成長した場合には余分な部分をエッチングで除去し、マスク層２０２を全部または一部除去してｎ側のコンタクト領域２０７を形成する。次いで、蒸着などによりｐ電極２０９となるＮｉ／Ｐｔ／ＡｕやＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕなど、ｎ電極７８となるＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどをコンタクト領域２０７にリフトオフなどにより形成し（図６６）、アロイ化することで基板上における素子が完成する。
【０２１９】
この後、素子間の分離が必要な場合、基本構造のサイズが前述のように陰に小さいことから、それぞれの分離は困難であるが、素子の基本構造を１次元あるいは２次元配列した領域をダイシングやへき開などにより分離するだけでもよい。内部の基本構造は各々独立に駆動してもしなくてもよい。また、サファイア上に結晶成長したＧａＮ結晶は、サファイア／ＧａＮ界面をＵＶレーザのサファイア側からのアブレーションによりサファイア基板から剥離できるという報告（ＡＰＬ−７５−１０，１３６０−２，Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ  ｅｔｃ．）もある。これを利用すればアブレーション前か後にエッチングにより一回目の成長膜（第１導電膜）を分離することで、本発明の基本構造を単一の半導体発光素子とすることができる。
【０２２０】
このように本参考例の半導体発光素子の製造方法では、選択成長によりＳ面が容易に形成され、そのＳ面を側面とする結晶成長層に活性層を形成することで、大きい面積の活性層を得ることができる。
【０２２１】
参考例１７
図６７に参考例１７の半導体発光素子の構造を示す。成長基板２１０上に部分的に第２成長層２１１が形成され、該第２成長層２１１を覆うように第１導電層２１１、活性層２１３、第２導電層２１９が形成される。本例ではマスク層と窓領域を有していないが、選択成長により、活性層２１３の面積は結晶成長層の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。すなわち、マスク層などの成長阻害膜を用いない場合でも、エッチングなどにより成長基板や一度成長した結晶膜に凹凸を形成するなどの微細加工により、結晶成長することで同様の安定面を形成でき、同等の効果を得られる。
【０２２２】
なお、本参考例においては、窓領域として六角錐を形成するには六角形開口がもっとも望ましいが、円形開口においても最終的には安定面が自己形成されるため、開口形状や境界の方向は任意でかまわない。またウルツ鉱型結晶では、（１−１０１）面以外にも（１１−２２）面や（１−１００）面などの安定面があり、これらを自己形成した構造についても本発明を適用できる。
【０２２３】
現在赤色ＬＥＤ材料として一般的なＡｌＧａＩｎＰ系化合物はせん亜鉛型結晶であるが、（００１）基板に対して（０１１）面、（１１１）面、（１１‐１）面などの安定面があり、適当な条件で成長することにより、その安定面とその上の活性層を形成することは可能である。
【０２２４】
参考例１８
参考例１８の半導体発光素子は、図６８に示すように、例えばＣ（０００１）面サファイア基板の如き成長基板２２１上にｎ型ＧａＮ層からなる下地成長層２２２をＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法などにより結晶成長する。
【０２２５】
下地成長層２２２の形成後、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはタングステン膜などからなる成長阻害膜としてのマスク層２２３を形成する。このマスク層２２３には六角形状の開口部である窓領域２２４が形成され、その窓領域２２４から選択成長によって形成された断面三角形状の結晶成長層２２５が形成されている。この結晶成長層２２５は例えばｎ型ＧａＮ層やＡｌＧａＮ層からなり、その断面は略正三角形状となるが、上から見た場合には六角形であり、全体としては六角錐の形状を有する。
【０２２６】
結晶成長層２２５の基板主面に対して傾斜した結晶表面はＳ面またはＳ面と等価な面を有しており、結晶成長層２２５の最外部の濃度などを調整して形成されたｎ型クラッド層の上に活性層２２６及びｐ型クラッド層として機能する第２導電層２２７が積層されている。これら活性層２２６及びｐ型クラッド層として機能する第２導電層２２７は結晶成長層２２５のＳ面を被覆するように形成されており、活性層２２６は選択成長により形成された結晶成長層２２５のＳ面に沿って成長基板２２１の主面に平行でなく延在されている。第２導電層２２７は例えばｐ型ＧａＮ層やＡｌＧａＮ層からなる。活性層２２６上にはいわゆるＡｌＧａＮキャップ層を形成しても良い。本実施例においては、第２導電層２２７の表面が次に形成する第２電極との界面となり、この界面が活性層２２６で発生した光の反射面２４０とされる。
【０２２７】
第２導電層２２７上には、図６８においてその図示を省略しているが、ｐ電極として機能する第２電極が例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの多層金属膜によって構成され、ｎ電極として機能する第１電極が例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの多層金属膜によってマスク層を開口した部分に形成される。第１電極および第２電極は例えば蒸着やリフトオフなどの手法を用いて形成される。
【０２２８】
本参考例の半導体発光素子は、出力として取り出される光の一部は選択成長によって形成された傾斜結晶面と平行に延在された反射面２４０で反射したものであり、反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、反射面２４０の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成されることから、自己形成的に特にエッチングなどの工程を追加しなくとも得ることができる。
【０２２９】
図６９は半導体発光素子の要部を示す断面図である。この図においては、成長基板２２１を裏面からのエキシマレーザーの照射などによって取り外した構造となっており、下地成長層２２２の底面が光取り出し窓２２８として機能する。なお、下地成長層２２２はシリコンなどがドープされたＧａＮ層であり、図示を省略しているがｎ電極に接続される。図６８に示すように、活性層２２６から第２導電層２２７側に出力された光は反射面２４０で反射し、光取り出し窓２２８から射出する。また、活性層２２６から光取り出し窓２２８に対して射出し、光取り出し窓２２８の面で全反射した場合でも、反対側の反射面２４０で反射した時点で光路が入射角に対する反射角の関係で変換され、再度光取り出し窓２２８に入射した際に臨界角を超えていなければ光取り出し窓２２８から射出する。
【０２３０】
これについて詳述すると、素子内部の屈折率は外部の屈折率より大きいため、界面に対して浅い角度の光は全反射する。ここで全反射条件は次式のとおりである。
【０２３１】
φｃ＝Ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２）
【０２３２】
（ただし、φｃは界面への入射の臨界角、ｎ１，ｎ２は外部、内部の屈折率であり、ｎ１＝１，ｎ２＝２．４においてφｃ＝２４．６°である。）
【０２３３】
活性層で発生した光は図８８に示す構造においては、光取り出し窓領域において一度全反射によって出なかった光は全反射しつづけるため、二度と外部に取り出せないが、本参考例では斜め反射面２４０をもつために一度全反射した光のうち、次に別の角度を持った反射面に当たったときに光路が変換されて別の方向に反射する。そのため光取り出し窓２２８の領域で全反射条件ではなくなる場合が発生するので光が外部に取り出される。したがってその分の取り出し効率が向上し、輝度が大きくなる。このように本参考例の半導体発光素子においては、確実に光取り出し効率が改善され、素子の高輝度化をすすめることができる。
【０２３４】
図７０乃至図７４は反射面の効果についてシミュレーションしたものを示す図であり、図７０は計算の元になる結晶成長層のモデルを示す斜視図であり、図７１は角度依存性を計算するためのモデルを示す図であり、図７２は光取り出し効率の角度依存性を示す図であり、図７３は高さ依存性を計算するためのモデルを示す図であり、図７４は光取り出し効率の高さ依存性を示す図である。
【０２３５】
このシミュレーションにおいては、図７０に示すように、頂点部分には平坦なＣ面からなる面が形成され、簡単のため結晶成長層に形成される活性層を成長基板に対して平行に延在されるものとしているが、光取り出し効率に対して本質的な違いはない。まず、図７１Ｒ＞１に示すように、角度依存性として、基板を屈折率ｎ＝１．６５のサファイア基板とし、活性層が基板上５μｍの高さに２０μｍ幅で存在し、結晶成長層は屈折率ｎ＝２．４、反射面の反射率７０％で高さ１０μｍと設定し、ここで反射面が形成される角度について計算を行った。すると、結果は図７２に示すようになっており、角度が５０乃至９０度の範囲においては、５０度に近い側の角度でより光取り出し効率が改善されていることがわかる。
【０２３６】
また、図７３に示すように、高さ依存性として、基板を屈折率ｎ＝１．６５のサファイア基板とし、活性層が高さｄ／２の位置で基板２０μｍ幅で存在し、結晶成長層は屈折率ｎ＝２．４、反射面の反射率７０％と設定し、ここで反射面（Ｓ面）が形成される角度は６２度と設定して計算を行った。すると、結果は図７４に示すようになっており、高さｄが高くなるほどより光取り出し効率が改善されていることがわかる。すなわち、これら図７２と図７４に示すシミュレーションの結果から側面の角度θを小さくすると光取り出し効率が改善し、素子の幅に対する高さｄが大きい（アスペクト比が大きい）ほど光取り出し効率改善する傾向にあることがわかる。これは言い換えると、小さいサイズであれば成長時間が少なくて済み、半導体発光素子の素子サイズが小さいほど効果的である。
【０２３７】
本参考例の半導体発光素子は、出力として取り出される光の一部は傾斜結晶面と平行に延在された反射面２４０で反射したものであり、その反射面２４０での反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、反射面２４０の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成されることから、自己形成的に特にエッチングなどの工程を追加しなくとも得ることができる。
【０２３８】
図６８の素子構造の半導体発光素子では、活性層の面積拡大による効果に加えて、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／III比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。さらに、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。また、活性層２２６が島状に分離している構造をとるため、活性層２２６をエッチングすることの必要がなくなる。したがって活性層に対して余計なダメージがなくなる。また、電極によって活性層２２６の有効面積が小さくなることもないという利点も得られる。
【０２３９】
参考例１９
参考例１９は、ストライプ状の結晶成長層２５４を成長基板２５０上に形成する例であり、図７５に示すように、成長基板２５０上形成された下地成長層２５１上のマスク層２５２の窓領域からストライプ状の結晶成長層２５４が形成されている。ストライプ状の結晶成長層２５４はその側面２５６がＳ面とされ、傾斜した側面２５６にも活性層２５５が延在されている。当該半導体発光素子から取り出される光はＳ面と平行に延在された反射面で反射することになり、その反射面での反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができ、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成される。また、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２４０】
参考例２０
参考例２０は、長方台形状の結晶成長層２６４を成長基板２６０上に形成する例であり、図７６に示すように、成長基板２６０上形成された下地成長層２６１上のマスク層２６２の窓領域からストライプ状で且つ長方台形状の結晶成長層２６４が形成されている。長方台形状の結晶成長層２６４はその側面２６３ＳがＳ面とされ、長手方向の端部の面２６４は（１１−２２）面とされる。結晶成長層２６４の上面２６３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略しているが、傾斜した側面２６３Ｓ、面２６４、上面２６３Ｃにも延在され、当該半導体発光素子から取り出される光はＳ面と平行に延在された反射面で反射することになる。本実施例においては、半導体発光素子の反射面での反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができ、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成される。また、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２４１】
参考例２１
参考例２１は、図７７に示すように、四角台形状の結晶成長層２７４を成長基板２７０上に形成する例であり、成長基板２７０上形成された下地成長層２７１上のマスク層２７２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで四角錐台形状の結晶成長層２７３が形成されている。四角錐台形状の結晶成長層２７３はその傾斜した一側面２７３ＳがＳ面とされ、他の傾斜した一側面２７４は（１１−２２）面とされる。結晶成長層２７３の上面２７５３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略しているが、傾斜した側面２７３Ｓ、面２７４、上面２７３Ｃにも延在され、当該半導体発光素子から取り出される光はＳ面と平行に延在された反射面で反射することになり、その反射面での反射によって光取り出し効率が向上する。従って、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができ、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成される。また、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２４２】
参考例２２
参考例２２は、図７８に示すように、六角錐形状の結晶成長層２８３を成長基板２８０上に形成する例であり、成長基板２８０上形成された下地成長層２８１上のマスク層２８２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで六角錐形状の結晶成長層２８３が形成されている。六角錐形状の結晶成長層２８３はその傾斜した各側面がＳ面とされ、活性層は図示を省略しているが、その断面は図６７のようになり、傾斜した各Ｓ面に沿って延在され、当該半導体発光素子から取り出される光はＳ面と平行に延在された反射面で反射することになり、その反射面での反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成される。また、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２４３】
参考例２３
参考例２３は、図７９に示すように、六角錐台形状の結晶成長層２９３を成長基板２９０上に形成する例であり、成長基板２９０上形成された下地成長層２９１上のマスク層２９２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで六角錐台形状の結晶成長層２９３が形成されている。六角錐台形状の結晶成長層２９３はその傾斜した各側面２９３ＳがＳ面とされ、上面２９３Ｃが基板主面と同じＣ面とされている。また、六角錐形状の結晶成長層２９３の底面側にはＭ面（１−１００）面も低い高さで形成される。活性層は図示を省略しているが、その断面は図６７のようになり、傾斜した各Ｓ面およびＣ面に沿って延在され、当該半導体発光素子から取り出される光はＳ面と平行に延在された反射面で反射することになり、その反射面での反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成される。また、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２４４】
参考例２４
参考例２４は、図８０に示すように、六角錐形状の結晶成長層２９８と四角台形状の結晶成長層２９９を成長基板２９５上に形成する例であり、成長基板２９５上形成された下地成長層２９６上のマスク層２９７の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで四角錐台形状の結晶成長層２９９と六角錐形状の結晶成長層２９８とが交互にそれぞれの形状が一列に並ぶように形成されている。四角錐台形状の結晶成長層２９９はその傾斜した一側面２９９ＳがＳ面とされ、他の傾斜した一側面２９９Ｚは（１１−２２）面とされる。結晶成長層２９９の上面２９９Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。六角錐形状の結晶成長層２９８はその傾斜した各側面２９８ＳがＳ面とされる。活性層は図示を省略しているが、その断面は図６７のようになり、傾斜した各Ｓ面およびＣ面に沿って延在され、当該半導体発光素子から取り出される光はＳ面と平行に延在された反射面で反射することになり、その反射面での反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。また、反射面の基礎となる傾斜結晶面は選択成長を利用してプロセス上容易に形成される。また、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２４５】
参考例２５
参考例２５は、前述の半導体発光素子を製造する方法であり、図８１乃至図８６を参照してその製造方法を工程順に説明する。
【０２４６】
図８１に示すように、サファイア基板などの成長基板３００上に、ｎ型ＧａＮ層３０１を下地成長層として例えばＭＯＣＶＤ法などにより形成する。このとき、ｎ型ＧａＮ層３０１は最初からｎ型である必要はなく、最上面がｎ型であれば良い。一例として、シリコンをドープすることでｎ型のＧａＮ層３０１を形成することができる。
【０２４７】
次に図８２に示すように、ＣＶＤなどによりシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはタングステン膜などからなる成長阻害膜としてのマスク層３０２をｎ型のＧａＮ層３０１上の全面に形成し、さらに素子を形成する領域に対応してマスク層３０２を除去して六角形状の窓領域３０３を複数形成する。
【０２４８】
続いて、図８３に示すように、選択成長が行われ、窓領域３０３から結晶成長により結晶成長層であるｎ型（Ａｌ）ＧａＮ層３０４が形成される。このｎ型（Ａｌ）ＧａＮ層３０４はクラッド層としても機能し、略六角錐形状を呈する。傾斜した側面はＳ面とされる。
【０２４９】
この傾斜した側面に対してさらに活性層となるＩｎＧａＮ層３０５とｐ型（Ａｌ）ＧａＮ層３０６を図８４のように積層する。活性層となるＩｎＧａＮ層３０５は結晶成長層である（Ａｌ）ＧａＮ層３０４のＳ面に沿って成長基板３００の主面に平行でなく延在され、その活性層の面積Ｓは、窓領域３０３の面積や結晶成長層の写像面積よりは大きくなり、十分な広がりを以って形成される。ＩｎＧａＮ層３０５上にはＡｌＧａＮキャップ層を形成しても良い。ｐ型（Ａｌ）ＧａＮ層３０６の傾斜した結晶表面が反射面となる。
【０２５０】
次に図８５に示すように、マスク層上に例えばｐｏｌｙ−ＧａＮが成長した場合には余分な部分をエッチングで除去し、マスク層３０２を全部または一部除去してｎ側のコンタクト領域３０７を形成する。次いで、蒸着などによりｐ電極３０９となるＮｉ／Ｐｔ／Ａｕなど、ｎ電極３０８となるＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどをコンタクト領域３０７にリフトオフなどにより形成し（図８６）、アロイ化することで基板上における素子が完成する。特にｐ電極３０９は反射面として機能するｐ型（Ａｌ）ＧａＮ層３０６の上に形成されるため、ｐ電極３０９自体は反射膜や光遮蔽膜としても機能することになる。
【０２５１】
この後、素子間の分離が必要な場合、基本構造のサイズが前述のように陰に小さいことから、それぞれの分離は困難であるが、素子の基本構造を１次元あるいは２次元配列した領域をダイシングやへき開などにより分離するだけでもよい。内部の基本構造は各々独立に駆動してもしなくてもよい。また、サファイア上に結晶成長したＧａＮ結晶は、サファイア／ＧａＮ界面をＵＶレーザのサファイア側からのアブレーションによりサファイア基板から剥離できるという報告（ＡＰＬ−７５−１０，１３６０−２，Ｗ．Ｓ．Ｗｏｎｇ  ｅｔｃ．）もある。これを利用すればアブレーション前か後にエッチングにより一回目の成長膜（第１導電膜）を分離することで、本例の基本構造を単一の半導体発光素子とすることができる。
【０２５２】
このように本参考例の半導体発光素子の製造方法では、選択成長によりＳ面が容易に形成され、そのＳ面を側面とする結晶成長層に活性層や反射面を形成することで、自己形成的に反射面を形成できる。また出力として取り出される光の一部は選択成長によって形成された傾斜結晶面と平行に延在された反射面で反射したものであり、反射によって光取り出し効率が向上することから、当該半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。
【０２５３】
参考例２６
図８７に参考例２６の半導体発光素子の構造を示す。成長基板３１０上に部分的に第２成長層３１１が形成され、それを覆うように第１導電層３１１、活性層３１３、第２導電層３１９が形成される。本例ではマスク層と窓領域を有していないが、選択成長により、活性層３１３の面積は結晶成長層の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【０２５４】
すなわち、マスク層などの成長阻害膜を用いない場合でも、エッチングなどにより成長基板や一度成長した結晶膜に凹凸を形成するなどの微細加工により、結晶成長することで同様の安定面を形成でき、同等の効果を得られる。
【０２５５】
なお、本参考例においては、窓領域として六角錐を形成するには六角形開口がもっとも望ましいが、円形開口においても最終的には安定面が自己形成されるため、開口形状や境界の方向は任意でかまわない。またウルツ鉱型結晶では、（１−１０１）面以外にも（１１−２２）面や（１−１００）面などの安定面があり、これらを自己形成した構造についても参考例を適用できる。
【０２５６】
現在赤色ＬＥＤ材料として一般的なＡｌＧａＩｎＰ系化合物はせん亜鉛型結晶であるが、（００１）基板に対して（０１１）面、（１１１）面などの安定面があり、適当な条件で成長することにより、その安定面とその上の活性層を形成することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２５７】
【図１】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の製造工程における選択除去工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図６】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図７】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１の半導体発光素子の素子の分離の工程おける変形例を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図９】本発明の実施の形態２の半導体発光素子を用いた装置の部分斜視図である。
【図１０】参考例１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１１】参考例１の半導体発光素子の製造工程におけるシリコンドープのＧａＮ層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１２】参考例１の半導体発光素子の製造工程における結晶成長用の窓開け工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１３】参考例１の半導体発光素子の製造工程における活性層等の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１４】参考例１の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１５】参考例１の半導体発光素子の製造工程における素子の分離の工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１６】参考例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図１７】参考例２の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１８】参考例２の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図１９】参考例２の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２０】参考例２の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２１】参考例２の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２２】参考例２の半導体発光素子の断面図である。
【図２３】参考例３の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２４】参考例３の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２５】参考例３の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２６】参考例３の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２７】参考例３の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２８】参考例３の半導体発光素子の断面図である。
【図２９】参考例４の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３０】参考例４の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３１】参考例４の半導体発光素子の断面図である。
【図３２】参考例５の半導体発光素子の製造工程におけるｐ電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３３】参考例５の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３４】参考例５の半導体発光素子の製造工程におけるｎ電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３５】ｎ電極の他の形成工程を示す図であり、（ａ）はレーザアブレーション工程を示す概略断面図、（ｂ）はＲＩＥ工程を示す概略断面図、（ｃ）はｎ電極形成工程を示す概略断面図である。
【図３６】参考例５の半導体発光素子の断面図である。
【図３７】参考例５の半導体発光素子の他の構造の裏面斜視図である。
【図３８】参考例５の半導体発光素子の変形例の製造工程における透明電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３９】参考例５の半導体発光素子の変形例の断面図である。
【図４０】参考例６の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４１】参考例６の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４２】参考例６の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４３】参考例６の半導体発光素子の断面図である。
【図４４】参考例７の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４５】参考例７の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４６】参考例７の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４７】参考例７の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４８】参考例７の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４９】本参考例７の半導体発光素子の断面図である。
【図５０】参考例７の半導体発光素子の変形例の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５１】参考例７の半導体発光素子の変形例の断面図である。
【図５２】参考例８の半導体発光素子の製造工程における電極形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５３】参考例１０の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図５４】参考例１０の半導体発光素子についての窓領域の面積Ｗ１を示すための素子断面図である。
【図５５】参考例１０の半導体発光素子についての結晶成長層の写像面積Ｗ２を示すための素子断面図である。
【図５６】参考例１１のストライプ状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図５７】参考例１２の長方台状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図５８】参考例１３の四角錐台状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図５９】参考例１４の六角錐状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図６０】参考例１５の六角錐台状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図６１】参考例１７の半導体発光素子の製造工程における下地成長層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図６２】参考例１６の半導体発光素子の製造工程における窓領域の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図６３】参考例１６の半導体発光素子の製造工程における結晶成長層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図６４】参考例１６の半導体発光素子の製造工程における第２導電層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図６５】参考例１６の半導体発光素子の製造工程におけるコンタクト領域の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図６６】参考例１６の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図６７】参考例１７の半導体発光素子の断面図である。
【図６８】参考例１８の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図６９】参考例１８の半導体発光素子についての要部断面図である。
【図７０】参考例の半導体発光素子についての計算の基礎になる結晶成長層のモデルを示す斜視図である。
【図７１】参考例の半導体発光素子についての計算における角度依存性を計算するためのモデルを示す図である。
【図７２】前記計算の結果としての光取り出し効率の角度依存性を示す図である。
【図７３】参考例の半導体発光素子についての計算における高さ依存性を計算するためのモデルを示す図である。
【図７４】前記計算の結果としての光取り出し効率の高さ依存性を示す図である。
【図７５】参考例１９のストライプ状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図７６】参考例２０の長方台状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図７７】参考例２１の四角錐台状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図７８】参考例２２の六角錐状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図７９】参考例２３の六角錐台状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図８０】参考例２４の六角錐状の結晶成長層と四角錐台状の結晶成長層を形成した半導体発光素子の構造を示す斜視図である。
【図８１】参考例２５の半導体発光素子の製造工程における下地成長層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図８２】参考例２５の半導体発光素子の製造工程における窓領域の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図８３】参考例２５の半導体発光素子の製造工程における結晶成長層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図８４】参考例２５の半導体発光素子の製造工程における第２導電層の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図８５】参考例２５の半導体発光素子の製造工程におけるコンタクト領域の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図８６】参考例２５の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す製造工程斜視図である。
【図８７】参考例２６の半導体発光素子の断面図である。
【図８８】半導体発光素子の構造例を示す断面図である。
【図８９】半導体発光素子の他の構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
【０２５８】
１０、３０、４０、５０、８０、９０  サファイア基板
１４、１７、３３、４４、５４、８４、９４  シリコンドープのＧａＮ層
１８、３４、４５、５５、８５、９５  ＩｎＧａＮ層（活性層）
１９、３５、４６、５６、８６、９６  マグネシウムドープのＧａＮ層
２０、３６、４８、５８、６１、７３、８７、９８、１００  ｎ電極
２２、３７、４９、５９、６２、７１、８８、９９、１０１  ｐ電極
１３１、１５０、１６０，１７０，１８０，１９０，２００  成長基板
１３２、１５１、１６１、１７１、１８１、１９１  下地成長層
１３３  １５２、１６２、１７２、１８２、１９２、２０２  マスク層
１３４  窓領域
１３５  結晶成長層
１３６  活性層
１３７  第２導電層
１３８  第１電極
１３９  第２電極
２０５  ＩｎＧａＮ層（活性層）
【図１】
2006253725.tif 000003
【図２】
2006253725.tif 000004
【図３】
2006253725.tif 000005
【図４】
2006253725.tif 000006
【図５】
2006253725.tif 000007
【図６】
2006253725.tif 000008
【図７】
2006253725.tif 000009
【図８】
2006253725.tif 000010
【図９】
2006253725.tif 000011
【図１０】
2006253725.tif 000012
【図１１】
2006253725.tif 000013
【図１２】
2006253725.tif 000014
【図１３】
2006253725.tif 000015
【図１４】
2006253725.tif 000016
【図１５】
2006253725.tif 000017
【図１６】
2006253725.tif 000018
【図１７】
2006253725.tif 000019
【図１８】
2006253725.tif 000020
【図１９】
2006253725.tif 000021
【図２０】
2006253725.tif 000022
【図２１】
2006253725.tif 000023
【図２２】
2006253725.tif 000024
【図２３】
2006253725.tif 000025
【図２４】
2006253725.tif 000026
【図２５】
2006253725.tif 000027
【図２６】
2006253725.tif 000028
【図２７】
2006253725.tif 000029
【図２８】
2006253725.tif 000030
【図２９】
2006253725.tif 000031
【図３０】
2006253725.tif 000032
【図３１】
2006253725.tif 000033
【図３２】
2006253725.tif 000034
【図３３】
2006253725.tif 000035
【図３４】
2006253725.tif 000036
【図３５】
2006253725.tif 000037
【図３６】
2006253725.tif 000038
【図３７】
2006253725.tif 000039
【図３８】
2006253725.tif 000040
【図３９】
2006253725.tif 000041
【図４０】
2006253725.tif 000042
【図４１】
2006253725.tif 000043
【図４２】
2006253725.tif 000044
【図４３】
2006253725.tif 000045
【図４４】
2006253725.tif 000046
【図４５】
2006253725.tif 000047
【図４６】
2006253725.tif 000048
【図４７】
2006253725.tif 000049
【図４８】
2006253725.tif 000050
【図４９】
2006253725.tif 000051
【図５０】
2006253725.tif 000052
【図５１】
2006253725.tif 000053
【図５２】
2006253725.tif 000054
【図５３】
2006253725.tif 000055
【図５４】
2006253725.tif 000056
【図５５】
2006253725.tif 000057
【図５６】
2006253725.tif 000058
【図５７】
2006253725.tif 000059
【図５８】
2006253725.tif 000060
【図５９】
2006253725.tif 000061
【図６０】
2006253725.tif 000062
【図６１】
2006253725.tif 000063
【図６２】
2006253725.tif 000064
【図６３】
2006253725.tif 000065
【図６４】
2006253725.tif 000066
【図６５】
2006253725.tif 000067
【図６６】
2006253725.tif 000068
【図６７】
2006253725.tif 000069
【図６８】
2006253725.tif 000070
【図６９】
2006253725.tif 000071
【図７０】
2006253725.tif 000072
【図７１】
2006253725.tif 000073
【図７２】
2006253725.tif 000074
【図７３】
2006253725.tif 000075
【図７４】
2006253725.tif 000076
【図７５】
2006253725.tif 000077
【図７６】
2006253725.tif 000078
【図７７】
2006253725.tif 000079
【図７８】
2006253725.tif 000080
【図７９】
2006253725.tif 000081
【図８０】
2006253725.tif 000082
【図８１】
2006253725.tif 000083
【図８２】
2006253725.tif 000084
【図８３】
2006253725.tif 000085
【図８４】
2006253725.tif 000086
【図８５】
2006253725.tif 000087
【図８６】
2006253725.tif 000088
【図８７】
2006253725.tif 000089
【図８８】
2006253725.tif 000090
【図８９】
2006253725.tif 000091