(57)【要約】【課題】ＧａＮなどの窒化物半導体またはＺｎＯなどの酸化物半導体から成る半導体発光素子を製造するにあたって、均一な波長の光を発生可能とする。【解決手段】基板上に、ｎＧａＮ層、発光層およびｐＧａＮ層の順に積層され、或いはｐＧａＮ層、発光層およびｎＧａＮ層の順に積層されて成る発光ダイオードを作成するにあたって、それらの積層を行う反応炉１２とは別途に、粒子形成部１５を設け、発光層の積層工程では、その粒子形成部１５で作成した窒化物半導体の微結晶粒子を搬送用ガスによって前記反応炉１２へ搬送し、下地層上に散布することで前記発光層を形成する。したがって、下地層の影響を受けることなく、サイズが揃った微結晶粒子によって前記発光層を形成することができ、所望とする均一な波長の光を発生する発光ダイオードを実現することができる。【選択図】図２
2008010471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内で、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を積層させ、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層が窒化物半導体または酸化物半導体から成る半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層の堆積工程は、前記反応炉とは別の粒子形成部において作成された窒化物半導体の微結晶粒子が搬送用ガスによって前記反応炉へ搬送され、下地層上に散布されることで実現されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記粒子形成部は、前記微結晶粒子を形成するためのターゲットに対して超高強度の極短パルスレーザ光を照射することで前記ターゲットから微結晶粒子を放出させるレーザアブレーション法によって微結晶粒子を作成することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記粒子形成部は、前記レーザアブレーション法によって作成された微結晶粒子を核として、有機金属ガスを加熱して与えることで、前記核よりもバンドギャップエネルギーの高い材料によって殻を形成することを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記発光層の堆積工程において、前記反応炉には有機金属ガスが供給され、前記微結晶粒子は窒化物半導体に埋込まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記発光層は、前記微結晶粒子が窒化物半導体に埋込まれた層が複数層積層されて成ることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記粒子形成部は、各層における前記微結晶粒子の組成を、前記ｎ型半導体層側からｐ型半導体層側になるにつれて、発光波長が短波長となるように変化させることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
反応炉内で、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を積層させ、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層が窒化物半導体または酸化物半導体から成る半導体発光素子の製造装置において、
前記反応炉とは別途に設けられ、前記発光層の堆積工程において、窒化物半導体の微結晶粒子を作成し、搬送用ガスによって前記反応炉へ搬送させることで、前記反応炉内において、前記微結晶粒子を下地層上に散布させる粒子形成部を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体発光素子の製造方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｖ族に窒素を含む窒化物半導体から成るｐｎ接合を利用した発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子の発展が目覚しい。この窒化物半導体が脚光を浴びる理由は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどの該窒化物半導体は直接遷移型の半導体であり、さらに三元混晶や四元混晶では、組成を適宜設定してバンドギャップを変化させることで、赤外から深紫外までの光を放射できるからである。
【０００３】
このような窒化物半導体で、通常、発光層に用いられるのは量子井戸であるが、近年、より微細な結晶を用いた量子ドットが注目されている。この量子ドットを用いることで、キャリアの閉じ込め効率が高くなり、高効率な発光を期待できるとともに、発光層の表面積が大きくなり、放熱効果に優れ、また微結晶の大きさによって波長を制御することができるという利点を有する。
【０００４】
そこで、特許文献１では、サファイア基板上に、バッファ層、ＳｉドープのｎＧａＮ層、発光層、ＭｇドープのｐＡｌＧａＮ層およびＭｇドープのｐＧａＮ層を積層させた後に、１１００℃から９５０℃へ急冷することで、或いはさらに８００℃へ緩やかに降温させて１５分保持することで、前記量子ドットとして作用する球状または島状の従属相が、インジウム組成が異なる主体相に埋込まれている。
【０００５】
また、特許文献２では、下地層上に、その表面状態を変化させる物質を供給してから発光層を形成する工程を繰返すことで、多重量子ドット構造を作成することが示されている。
【特許文献１】特開平１１−１８６６０３号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来技術では、下地層上に、直接量子ドットを形成するので、微結晶粒子の形状や品質の制御が難しく、発光波長を一定にしたり、高効率・高出力な発光を行わせるのが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、所望とする均一な波長の光を発生させることができるとともに、高効率・高出力な発光を行わせることができる半導体発光素子の製造方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、反応炉内で、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を積層させ、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層が窒化物半導体または酸化物半導体から成る半導体発光素子の製造方法において、前記発光層の堆積工程は、前記反応炉とは別の粒子形成部において作成された窒化物半導体の微結晶粒子が搬送用ガスによって前記反応炉へ搬送され、下地層上に散布されることで実現されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の半導体発光素子の製造装置は、反応炉内で、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を積層させ、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層が窒化物半導体または酸化物半導体から成る半導体発光素子の製造装置において、前記反応炉とは別途に設けられ、前記発光層の堆積工程において、窒化物半導体の微結晶粒子を作成し、搬送用ガスによって前記反応炉へ搬送させることで、前記反応炉内において、前記微結晶粒子を下地層上に散布させる粒子形成部を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、ＧａＮなどの窒化物半導体またはＺｎＯなどの酸化物半導体から成る半導体発光素子の製造方法において、反応炉内で、サファイアなどの基板上に、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順に積層させ、或いはｐ型半導体層、発光層およびｎ型半導体層を順に積層させてゆくにあたって、前記反応炉とは別に粒子形成部を設け、前記発光層の堆積工程では、その粒子形成部において別途作成した窒化物半導体の微結晶粒子を搬送用ガスによって前記反応炉へ搬送し、下地層上に散布することで前記発光層を形成する。
【００１１】
したがって、下地層の影響を受けることなく、サイズが揃った微結晶粒子によって前記発光層を形成することができ、所望とする均一な波長の光を発生する半導体発光素子を実現することができる。また、前記微結晶粒子は前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層を形成する窒化物半導体または酸化物半導体と格子定数が近い窒化物半導体から成るので、微結晶粒子とｎ型半導体層およびｐ型半導体層との界面での欠陥を減少させて、発光層を成す微結晶粒子内に効率良く電流を注入することができ、高効率・高出力な半導体発光素子を実現することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記粒子形成部は、前記微結晶粒子を形成するためのターゲットに対して超高強度の極短パルスレーザ光を照射することで前記ターゲットから微結晶粒子を放出させるレーザアブレーション法によって微結晶粒子を作成することを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、前記粒子形成部は、たとえば前記ＧａＮ系の窒化物半導体の場合、ＩｎＧａＮから成る微結晶粒子を形成するためのターゲットに対して、たとえば０．１〜１００ｍＪ／ｍｍ２、好ましくは２〜２０ｍＪ／ｍｍ２の超高強度で、たとえば１０ｎｓｅｃの極短パルスレーザ光を照射することで前記ターゲットから微結晶粒子を放出させるレーザアブレーション法によって微結晶粒子を作成する。
【００１４】
したがって、前記レーザパワーおよび照射時間を調整することで、所望とするサイズの微結晶粒子を得ることができる。
【００１５】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記粒子形成部は、前記レーザアブレーション法によって作成された微結晶粒子を核として、有機金属ガスを加熱して与えることで、前記核よりもバンドギャップエネルギーの高い材料によって殻を形成することを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、実際に発光する微結晶粒子を核として、その核が殻で覆われることで、前記レーザアブレーション法によって作成された微結晶粒子の表面に存在する欠陥の前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層に対する影響を小さくすることができ、しかもその核がバンドギャップエネルギーの高い材料から成る殻によって覆われていることで、キャリアの閉じ込めを効率的に行うことができ、高効率な発光を行うことができる。
【００１７】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記発光層の堆積工程において、前記反応炉には有機金属ガスが供給され、前記微結晶粒子は窒化物半導体に埋込まれることを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、前記微結晶粒子は、前記ＧａＮなどの窒化物半導体に埋込まれるので、前記微結晶粒子によって前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間の結晶の配向性が維持できなくなるところ、この埋込み部分の窒化物半導体が前記配向性を維持するので、高品質な結晶を作成することができる。
【００１９】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記発光層は、前記微結晶粒子が窒化物半導体に埋込まれた層が複数層積層されて成ることを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、発光層が複数の層から成ることで、電流が前記微結晶粒子を通らずにｐ型半導体層からｎ型半導体層へ漏れてしまうことを防止することができ、高効率な発光を行うことができる。
【００２１】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記粒子形成部は、各層における前記微結晶粒子の組成を、前記ｎ型半導体層側からｐ型半導体層側になるにつれて、発光波長が短波長となるように変化させることを特徴とする。
【００２２】
上記の構成によれば、短い波長の光は長い波長の光を放出する微結晶粒子に吸収されてしまうので、電子と正孔とが集中するｐ型半導体層の界面付近に向って微結晶粒子から放出される光の波長が短くなるように組成を変化させることで、吸収され易い短い波長の光を取出し易くし、所望とする各波長で発光する各層からの光を均一に取出すことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体発光素子の製造方法および装置は、以上のように、ＧａＮなどの窒化物半導体またはＺｎＯなどの酸化物半導体から成る半導体発光素子の製造方法および装置において、反応炉内で、サファイアなどの基板上に、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順に積層させ、或いはｐ型半導体層、発光層およびｎ型半導体層を順に積層させてゆくにあたって、前記反応炉とは別に粒子形成部を設け、前記発光層の堆積工程では、その粒子形成部において別途作成した窒化物半導体の微結晶粒子を搬送用ガスによって前記反応炉へ搬送し、下地層上に散布することで前記発光層を形成する。
【００２４】
それゆえ、下地層の影響を受けることなく、サイズが揃った微結晶粒子によって前記発光層を形成することができ、所望とする均一な波長の光を発生する半導体発光素子を実現することができる。また、前記微結晶粒子は前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層を形成する窒化物半導体または酸化物半導体と格子定数が近い窒化物半導体から成るので、微結晶粒子とｎ型半導体層およびｐ型半導体層との界面での欠陥を減少させて、発光層を成す微結晶粒子内に効率良く電流を注入することができ、高効率・高出力な半導体発光素子を実現することができる。
【００２５】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、以上のように、前記粒子形成部は、たとえば前記ＧａＮ系の窒化物半導体の場合、ＩｎＧａＮから成る微結晶粒子を形成するためのターゲットに対して、たとえば０．１〜１００ｍＪ／ｍｍ２、好ましくは２〜２０ｍＪ／ｍｍ２の超高強度で、たとえば１０ｎｓｅｃの極短パルスレーザ光を照射することで前記ターゲットから微結晶粒子を放出させるレーザアブレーション法によって微結晶粒子を作成する。
【００２６】
それゆえ、前記レーザパワーおよび照射時間を調整することで、所望とするサイズの微結晶粒子を得ることができる。
【００２７】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記微結晶粒子を核として、その核よりもバンドギャップエネルギーの高い材料によって殻を形成する。
【００２８】
それゆえ、前記レーザアブレーション法によって作成された微結晶粒子の表面に存在する欠陥の前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層に対する影響を小さくすることができ、しかもその核がバンドギャップエネルギーの高い材料から成る殻によって覆われていることで、キャリアの閉じ込めを効率的に行うことができ、高効率な発光を行うことができる。
【００２９】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記微結晶粒子を前記ＧａＮなどの窒化物半導体に埋込む。
【００３０】
それゆえ、前記微結晶粒子によって前記ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間の結晶の配向性が維持できなくなるところ、この埋込み部分の窒化物半導体が前記配向性を維持するので、高品質な結晶を作成することができる。
【００３１】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法では、以上のように、前記発光層は、前記微結晶粒子が窒化物半導体に埋込まれた層が複数層積層されて成る。
【００３２】
それゆえ、電流が前記微結晶粒子を通らずにｐ型半導体層からｎ型半導体層へ漏れてしまうことを防止することができ、高効率な発光を行うことができる。
【００３３】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、以上のように、短い波長の光は長い波長の光を放出する微結晶粒子に吸収されてしまうので、電子と正孔とが集中するｐ型半導体層の界面付近に向って微結晶粒子から放出される光の波長が短くなるように組成を変化する。
【００３４】
それゆえ、吸収され易い短い波長の光を取出し易くし、所望とする各波長で発光する各層からの光を均一に取出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子の製造方法が適用される発光ダイオード１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１は、大略的に、ｃ面サファイア基板２上に、低温ＡｌＮバッファ層３を介して、ｐ型窒化物半導体層としてＭｇがドープされたｐＧａＮ層４が形成され、そのｐＧａＮ層４上に発光層５が形成され、さらにｎ型窒化物半導体層としてＳｉがドープされたｎＧａＮ層６が順次形成されて成り、さらに前記ｎＧａＮ層６上にｎ型電極７が、前記ｐＧａＮ層４の露出した一部分上にｐ型電極８がそれぞれ形成されて成る。そして注目すべきは、本実施の形態では、前記発光層５は、ｐＧａＮ層４上に微結晶粒子５ａが散布されて成り、その微結晶粒子５ａは、ＩｎＧａＮから成る核部５ｂが、ＧａＮから成る殻部５ｃによって覆われて成ることである。なお、サファイア基板２上に、ｎＧａＮ層６、発光層５およびｐＧａＮ層４の順に積層されてもよく、以下の説明では、ｐＧａＮ層４、発光層５およびｎＧａＮ層６の順に積層される場合について説明する。
【００３６】
図２は、前記発光ダイオード１の製造装置１１の構成を模式的に示す図である。この製造装置１１は、反応炉１２、原料ガス供給部１３および排ガス処理装置１４の従来からの製造装置の構成に、注目すべきは、粒子形成部１５を備えて成ることである。
【００３７】
前記反応炉１２には、図示しない圧力調整装置や温度調整装置が設けられており、管路１２ａを介して原料ガス供給部１３から供給される有機金属の原料ガス、管路１２ｂを介して供給される原料用ガス、管路１２ｃを介して供給される整流用ガス、および管路１２ｄを介して前記粒子形成部１５から供給される微結晶粒子５ａによって、前記サファイア基板２上に各層３〜６を積層する。原料ガス供給部１３は、複数のボンベ１３ａ〜１３ｄおよび図示しない流量制御弁などを備え、前記反応炉１２への管路１２ａへ、１または複数種類の原料ガスを、所望の流量で供給する。
【００３８】
前記粒子形成部１５は、大略的に、核形成部１５ａと、殻形成部１５ｂと、レーザ発振器１５ｃとを備えて構成される。核形成部１５ａは、前記殻形成部１５ｂ側の側壁に微小な開口部および底面にターゲットの載置部を有し、さらに天面に前記載置部に対向するように前記レーザ発振器１５ｃからのレーザ光が入射する窓１５ｄを有するととともに、図示しない圧力調整装置を有し、減圧雰囲気で前記載置部に載置されたターゲットにレーザ発振器１５ｃからのレーザ光を照射することで放出された前記核部５ｂを、管路１５ｅから供給される搬送ガスによって殻形成部１５ｂへ出射する。
【００３９】
殻形成部１５ｂは、図示しない圧力調整装置および温度調整装置を有し、前記核形成部１５ａから入射された核部５ｂに、減圧雰囲気で、管路１５ｆを介して前記原料ガス供給部１３から供給される原料ガスを噴射することで、前記核部５ｂを殻部５ｃで被覆させ、前記管路１２ｄから反応炉１２へ出射させる。前記核形成部１５ａから該殻形成部１５ｂおよび反応炉１２へは、順に減圧雰囲気が高くなるように圧力勾配が形成されている。したがって、前記核形成部１５ａにおいてレーザ照射によって放出された核部５ｂは、殻部５ｃで覆われつつ、反応炉１２へ到達する。
【００４０】
以下に、発光ダイオード１の作製工程を詳しく説明する。本実施の形態および後述する他の実施の形態では、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）によって作製を行うことを前提としているが、結晶の成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）またはスパッタ法等の装置を用いても作製可能であることは公知である。以下、特に断らない限り、ＭＯＣＶＤ装置を用いるものとする。
【００４１】
先ず、サファイア基板２を反応炉１２へ導入した後、前記圧力調整装置によって成長圧力を７６Ｔｏｒｒに保ち、前記温度調整装置によって１２００℃まで加熱し、１０分間保持することで、サファイア基板２表面の汚れを取り除く。
【００４２】
その後、サファイア基板２の温度を５００℃まで低下させ、管路１２ａを介して、原料ガス供給部１３のボンベ１３ａからＡｌ原料であるトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）を２０ＳＣＣＭ、管路１２ｂからＮ原料であるアンモニア（ＮＨ３）を２０００ＳＣＣＭ、整流用ガスとして水素Ｈ２を４０００ＳＣＣＭ供給することで、前記低温ＡｌＮバッファ層３を２０ｎｍ形成する。ただし、バッファ層３は、ＡｌＮに限らず、ＧａＮやＡｌＧａＮで構成される材料でもよい。また、基板２にも、サファイアに限らず、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、珪素（Ｓｉ）、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）等が使用されてもよい。
【００４３】
次に、サファイア基板２の温度を１０５０℃まで昇温させ、成長圧力は７６Ｔｏｒｒのまま、管路１２ａを介して、原料ガス供給部１３のボンベ１３ｂからＧａ原料であるトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）を２０ＳＣＣＭ、管路１２ｂからＮ原料であるアンモニア（ＮＨ３）を２０００ＳＣＣＭ、ボンベ１３ｃからＭｇ原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を２０ＳＣＣＭ供給することで、前述のようにｐ型窒化物半導体層としてＭｇがドープされたｐＧａＮ層４を３μｍ形成する。なお、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｍｇ原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＢＥＣｐ２Ｍｇ）などを用いてもよい。
【００４４】
この状態で成長を停止させ、前記粒子形成部１５において、核形成部１５ａの載置部に、ターゲットとして別途にＭＯＣＶＤ装置によって作製されたＩｎＧａＮが載置され、搬送用ガスとして、その載置部の上流側からＮ２が供給された状態で、レーザ発振器１５ｃからのレーザ光が照射されるレーザアブレーション法によって核部５ｂが作成される。前記ＩｎＧａＮにおけるＩｎ組成は、たとえば８％であるが、その組成は任意であり、少なくともＩｎを含んでいればよい。
【００４５】
前記レーザ発振器１５ｃとしては、パルス幅がｎｓｅｃオーダーの短パルスレーザ（ＹＡＧレーザ、或いは前記レーザ光を波長変換したレーザ（ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＦＨＧ−ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ））を用いることが考えられるが、好ましくはモードロックＴｉ：サファイアレーザ、或いは前記レーザ光を波長変換したレーザ（ＳＨＧ−Ｔｉ：サファイアレーザ、ＴＨＧ−Ｔｉ：サファイアレーザ））などから成るパルス幅がｆｓｅｃオーダーの超高強度極短パルスレーザであることが望ましい。たとえば、パルス幅１０ｎｓｅｃ、繰返し周波数２ｋＨｚのＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）を用いた場合、加工エネルギ密度を、たとえば０．１〜１００ｍＪ／ｍｍ２、好ましくは２〜２０ｍＪ／ｍｍ２とする。
【００４６】
こうして作成された核部５ｂは、前記の微小な開口部から殻形成部１５ｂに入射し、殻部５ｃで被覆される。殻形成部１５ｂは、核部５ｂを含む搬送ガスを加熱する部分と原料ガスを供給する部分とから成り、前記加熱部の温度を１０５０℃とし、前記原料ガス供給部１３のボンベ１３ｂから、管路１５ｆを介して、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）を２０ＳＣＣＭ供給することで、前記ＩｎＧａＮから成る核部５ｂは、Ｎ２の搬送ガスによる輸送中にＧａ原料とともに加熱され、前記ＩｎＧａＮよりもバンドギャップエネルギーの高い前記ＧａＮから成る殻部５ｃで被覆される。この殻部５ｃで被覆された微結晶粒子５ａの外径は、量子サイズ効果が生じる１〜１００ｎｍ、好ましくは２〜５０ｎｍとされる。
【００４７】
発光層５の作成工程では、サファイア基板２の温度は１０５０℃、成長圧力は７６Ｔｏｒｒのまま、上述のようにして作成された微結晶粒子５ａが、管路１２ｄから反応炉１２へ出射され、下地層であるｐＧａＮ層４上に散布される。その堆積厚さは、たとえば２０ｎｍである。
【００４８】
引続き、サファイア基板２の温度は１０５０℃、成長圧力は７６Ｔｏｒｒのまま、管路１２ａを介して、原料ガス供給部１３のボンベ１３ｂからＧａ原料であるトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）を２０ＳＣＣＭ、管路１２ｂからＮ原料であるアンモニア（ＮＨ３）を２０００ＳＣＣＭ、ボンベ１３ｄからＳｉ原料であるテトラエチルシリコン（ＴＥＳｉ）を０．０５ＳＣＣＭ供給することで、前述のようにｎ型窒化物半導体層としてＳｉがドープされたｎＧａＮ層６を２００ｎｍ形成する。なお、Ｓｉ原料としては、シラン（ＳｉＨ４）などを用いてもよい。
【００４９】
こうして結晶成長されると、サファイア基板２は反応炉１２から取出され、真空蒸着装置において、電極７，８が形成される。先ず、前記ｎＧａＮ層６上に、ｎ型電極７用の金属、たとえばＴｉ／Ａｕが蒸着装置によって蒸着される。なお、電極材料は、前記Ｔｉ／Ａｕに限らず、ｎＧａＮ層６上にオーミックコンタクトできるものであればよい。その後、通常のフォトリソグラフィとエッチングとを用いてｐ型電極８の領域がｐＧａＮ層４まで彫り込まれる。このプロセスは通常の発光ダイオードの作成プロセスと同様であり、当業者にとっては公知である。
【００５０】
続いて、ウエハ全面にフォトレジストが塗布され、露光・現像によって前記ｐ型電極８の領域のレジストが除去され、全面にｐ型電極８用の金属、たとえばＮｉ／Ａｕが蒸着され、リフトオフ法によってレジスト上の金属をレジストと共に取り除くことによってｐ型電極８が形成される。
【００５１】
以上のように、反応炉１２とは別途に設けた粒子形成部１５において作成した窒化物半導体の微結晶粒子５ａを搬送用ガスによって前記反応炉１２へ搬送し、下地層（ｐＧａＮ層４）上に散布して堆積させて発光層５を形成することで、下地層の影響を受けることなく、サイズが揃った微結晶粒子５ａによって前記発光層５を形成することができ、所望とする均一な波長の光を発生する発光ダイオードを実現することができる。また、前記微結晶粒子５ａは前記ｐＧａＮ層４およびｎＧａＮ層６と格子定数が近い窒化物半導体（ＧａＮ／ＩｎＧａＮ）から成るので、微結晶粒子５ａとｐＧａＮ層４およびｎＧａＮ層６との界面での欠陥を減少させて、発光層５を成す微結晶粒子５ａ内に効率良く電流を注入することができ、高効率・高出力な発光ダイオードを実現することができる。
【００５２】
また、前記粒子形成部１５が、核部５ｂのターゲットに対して超高強度の極短パルスレーザ光を照射することで前記ターゲットから核部５ｂを放出させるレーザアブレーション法によって該核部５ｂを作成するので、レーザパワーおよび照射時間を調整することで、所望とするサイズの微結晶粒子を得ることができる。したがって、微結晶粒子５ａの材料および大きさによって、発光波長をコントロールすることができる。
【００５３】
さらにまた、前記粒子形成部１５は、前記レーザアブレーション法によって作成された核部５ｂに、有機金属ガスを加熱して与えることで前記核部５ｂよりもバンドギャップエネルギーの高い材料によって殻部５ｃを形成するので、前記レーザアブレーション法によって作成された核部５ｂの表面に存在する欠陥の前記ｐＧａＮ層４およびｎＧａＮ層６に対する影響を小さくすることができ、しかもその核部５ｂがバンドギャップエネルギーの高い材料から成る殻部５ｃによって覆われていることで、キャリアの閉じ込めを効率的に行うことができ、高効率な発光を行うことができる。
【００５４】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子の製造方法が適用される発光ダイオード２１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード２１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード２１では、発光層２５は、前記微結晶粒子５ａが、その殻部５ｃと同じ材料であるＧａＮ層２５ａ内に埋込まれて成ることである。
【００５５】
このような発光層２５の作成は、温度を１０５０℃、成長圧力を７６Ｔｏｒｒで前記ｐＧａＮ層４を作成した後、ボンベ１３ｃからのＭｇ原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）の供給を停止し、ボンベ１３ｂからのＧａ原料であるトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）および管路１２ｂからのＮ原料であるアンモニア（ＮＨ３）の供給は継続しつつ、微結晶粒子５ａの散布を行うことで実現することができる。この発光層２５の堆積厚さは、たとえば２００ｎｍである。発光層２５が前記の堆積厚さだけ体積されると、微結晶粒子５ａの散布を停止するとともに、ボンベ１３ｄからＳｉ原料であるテトラエチルシリコン（ＴＥＳｉ）を０．０５ＳＣＣＭ供給することで、前記ｎＧａＮ層６の作成へと移る。
【００５６】
このように構成することで、前記発光ダイオード１では、微結晶粒子５ａの密度が高くなると、ｐＧａＮ層４とｎＧａＮ層６との間の結晶の配向性が維持できなくなるところ、ＧａＮ層２５ａによって前記配向性を維持することができ、高品質な結晶を作成することができる。また、前記ＧａＮ層２５ａは微結晶粒子５ａの殻部５ｃと同じ材料から成るので、微結晶粒子５ａとＧａＮ層２５ａとの格子不整合を減少、もしくは無くすことができ、それらの界面での欠陥を減少させ、微結晶粒子５ａに効率良く電流を注入することができる。
【００５７】
［実施の形態３］
図４は、本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子の製造方法が適用される発光ダイオード３１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード３１は、前述の発光ダイオード１，２１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード３１では、発光層３５は、前記微結晶粒子５ａが、その殻部５ｃと同じ材料であるＧａＮ層３５ａ内に複数層で埋込まれて成ることである。
【００５８】
このような発光層３５の作成は、温度を１０５０℃、成長圧力を７６Ｔｏｒｒで前記ｐＧａＮ層４を作成した後、ボンベ１３ｃからのＭｇ原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）の供給を停止し、ボンベ１３ｂからのＧａ原料であるトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）および管路１２ｂからのＮ原料であるアンモニア（ＮＨ３）の供給は継続しつつ、所定期間微結晶粒子５ａの散布を行った後、散布を休止することで前記微結晶粒子５ａ上に所定の厚さでＧａＮ層３５ａが体積されると散布を再開することを繰返すことで実現することができる。
【００５９】
このように発光層３５が複数の層から成ることで、電流が前記微結晶粒子５ａを通らずにｐＧａＮ層４からｎＧａＮ層６へ漏れてしまうことを防止することができ、高効率な発光を行うことができる。
【００６０】
また、このような発光層３５が多層構造の場合、前記粒子形成部１５が、各層における前記微結晶粒子５ａの組成を、ｎＧａＮ層６側からｐＧａＮ層４側になるにつれて、発光波長が短波長となるように変化させることが好ましい。具体的には、核部５ｂにおけるＩｎ成分を増加させたり、該核部５ｂの径を小さくすることである。核部５ｂの径の制御は、前述のようにレーザ出力を調整することで行うことができる。また、Ｉｎ成分の変化は、Ｉｎ含有量の異なるターゲットを前記核形成部１５ａの載置部に搭載し、レーザ光の光路が切換わる、或いは載置部が移動するように構成することで実現することができる。
【００６１】
このように構成した場合、通常は、短い波長の光は長い波長の光を放出する微結晶粒子に吸収されてしまうのに対して、電子と正孔とが集中するｐＧａＮ層４の界面付近に向って微結晶粒子５ａから放出される光の波長が短くなるように組成を変化させることで、吸収され易い短い波長の光を取出し易くし、所望とする各波長で発光する各層からの光を均一に取出すことができる。
【００６２】
［実施の形態４］
以下に、本発明の実施の第４の形態に係る半導体発光素子の製造方法が適用される発光ダイオードについて説明するが、素子構造は、上述の発光ダイオード１，２１，３１のいずれの構造であってもよい。注目すべきは、上述の発光ダイオード１，２１，３１では、ｐ型半導体層４、発光層５，２５，３５およびｎ型半導体層６は窒化物半導体層から成るのに対して、本実施の形態では、酸化物半導体層から成ることである。
【００６３】
酸化物半導体であるＺｎＯは、発光素子として非常に優れた特性を有している。励起子の結合エネルギが６０ｍｅＶと、ＧａＮの２〜３倍であり、内部量子効率がＧａＮに比べて高くなる可能性がある上、ＺｎＯ基板を用いることができるので、容易に高い結晶性を得ることができる。また材料自身が安価であることも商業ベースで考えると魅力的である。
【００６４】
そこで、上述の実施の形態１〜３は、窒化物半導体であるＧａＮについて述べているが、結晶構造上、よく似ている酸化物半導体であるＺｎＯについても、全く同じ構造の半導体発光素子を、同様に作製することができる。このことに関して、以下に説明する。
【００６５】
ＧａＮとＺｎＯとは、共に六方晶系の結晶構造を持ち、結晶の格子定数も近い。バンドギャップも、ＧａＮの３．４ｅＶに対して、ＺｎＯは３．３ｅＶと、これもまた近い。両方とも直接遷移型半導体である。したがってＧａＮで微結晶粒子５ａが形成されるのであれば、ＺｎＯでも微結晶粒子５ａが形成できる。たとえば、ＺｎＯを核部５ｂに用い、ＺｎＭｇＯを殻部５ｃに用いる。或いは、ＺｎＣｄＯを核部５ｂに用い、ＺｎＯを殻部５ｃに用いるようにすればよい。
【００６６】
上述のように構成され、均一な波長の光を高効率・高出力で発生することができる発光ダイオード１，２１，３１を照明装置に用いることで、同じ光束（輝度、照度）を得るにも、小型で低消費電力な照明装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子の製造方法が適用される発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子の製造装置を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子の製造方法が適用される発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の第３の形態に係る半導体発光素子の製造方法が適用される発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１，２１，３１    発光ダイオード
２    サファイア基板
３    バッファ層
４    ｐＧａＮ層
５，２５，３５    発光層
５ａ    微結晶粒子
５ｂ    核部
５ｃ    殻部
６    ｎＧａＮ層
７    ｎ型電極
８    ｐ型電極
１１    製造装置
１２    反応炉
１３    原料ガス供給部
１４    排ガス処理装置
１５    粒子形成部
１５ａ  核形成部
１５ｂ  殻形成部
１５ｃ  レーザ発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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