(57)【要約】【課題】ＬＥＤの発光再結合効率を高める。【解決手段】（１００）スピネル基板１をＭＯＣＶＤ装置にセッティングし、その上にノンドープＧａＮ薄膜２を形成し（図１（ａ））、抵抗加熱蒸着によって、カタリスト材料層となるＦｅ薄膜３を５ｎｍ蒸着する（図１（ｂ））。再び、そのスピネル基板１をＭＯＣＶＤ装置内にセッティングし、昇温アニールすることで前記Ｆｅ薄膜３を島状のＦｅ粒４とする（図１（ｃ））。以降、このＦｅ粒４からＧａとＮとを取込ませ、（１０−１１）面を有するＧａＮナノコラム５を成長させる（図１（ｄ））。したがって、得られたＧａＮナノコラム５の成長面は半極性面であり、ピエゾ電界の影響を緩和し、量子井戸内の電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることができる。また、ナノコラムによって貫通転位を減少することもできる。こうして、発光再結合効率を高めることができる。【選択図】図１
2008108924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子において、
前記ｎ型層、発光層およびｐ型層は、前記結晶基板の結晶軸の一つであるｃ軸方向に沿って存在するピエゾ電界に対し、より小さいピエゾ電界になる結晶軸に沿って成長したナノスケールの柱状結晶構造体から成ることを特徴とする化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記柱状結晶構造体は、III族の窒化物或いは酸化物から成るとともに、前記結晶軸は、ピエゾ電界を有しないａ軸またはｍ軸であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記請求項１または２記載の化合物半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記結晶基板のｃ面以外の所望の面を成長面とし、その成長面上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、
前記カタリスト材料層を、ナノスケールの柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に存置する工程と、
残されたカタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層と前記結晶基板もしくは成長した結晶との界面で結合させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記結晶基板のｃ面以外の所望の面を成長面とし、その成長面上に、化合物半導体材料に対する種結晶膜を成膜する工程と、
前記種結晶膜上に前記化合物半導体材料を堆積させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体などの化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体もしくは酸化物半導体で構成された発光層を有する化合物半導体発光素子が注目されている。この発光素子の構造は、一例として、サファイア基板を用い、発光層の下部にシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ＋−ＧａＮ層から成るｎ−クラッド層およびコンタクト層、発光層の上部にマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮから成る電子ブロック層、電子ブロック層の上部にｐ−ＧａＮのコンタクト層がそれぞれ形成されて構成されている。
【０００３】
このような構造の化合物半導体発光素子において、特許文献１や２では、結晶成長をピエゾ電界の少ない（無極性や半極性の）ａ面やｒ面などで行うことで、電子と正孔との波動関数の重なりを大きくして、発光再結合効率を高めることが示されている。
【特許文献１】特開平１１−１１２０２９号公報
【特許文献２】特開２００６−１８６２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術では、ピエゾ電界を緩和し、電子と正孔との波動関数の重なり積分を大きくして、発光強度を高めても、前記ピエゾ電界の大きいｃ面で結晶成長を行う場合に比べて、貫通転位は大きく増加し、前記発光再結合効率を増加させるのは困難である。
【０００５】
本発明の目的は、発光再結合効率を高めることができる化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の化合物半導体発光素子は、結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子において、前記ｎ型層、発光層およびｐ型層は、前記結晶基板の結晶軸の一つであるｃ軸方向に沿って存在するピエゾ電界に対し、より小さいピエゾ電界になる結晶軸に沿って成長したナノスケールの柱状結晶構造体から成ることを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子において、その少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層をナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体で形成し、それを成長させる結晶基板に、結晶軸の一つであるｃ軸方向に沿って存在するピエゾ電界に対し、より小さいピエゾ電界になる面を用いる。すなわち、前記ピエゾ電界を有する面のことを極性面と呼ぶと、前記柱状結晶構造体の成長面を、極性が最大となるｃ面（０００１）でなく、無極性面であるａ面（１１−２０）、ｍ面（１−１００）、もしくは完全に無極性ではないがｃ面よりはるかに極性の小さいいわゆる半極性面（１０−１３）面、（１０−１１）面、その他を用いる。
【０００８】
したがって、前記ｃ面（０００１）以外の面を用いることでピエゾ電界を緩和し、電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることによる発光再結合効率を高め、すなわち内部量子効率を向上させつつ、柱状結晶構造体による貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる。
【０００９】
また、本発明の化合物半導体発光素子では、前記柱状結晶構造体は、III族の窒化物或いは酸化物から成るとともに、前記結晶軸は、ピエゾ電界を有しないａ軸またはｍ軸であることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、特に極性が全く存在しない無極性面であるａ面（１１−２０）またはｍ面（１−１００）を成長させることで、ピエゾ電界の影響を完全に無くし、量子井戸内の電子と正孔との波動関数の重なりを最大にすることができ、発光再結合確率を最大にし、内部量子効率を最大化することができる。
【００１１】
さらにまた、本発明の照明装置は、前記の化合物半導体発光素子を用いることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、発光再結合効率を高めることができる照明装置を実現することができる。
【００１３】
また、本発明の化合物半導体発光素子の製造方法は、結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子の製造方法において、前記結晶基板のｃ面以外の所望の面を成長面とし、その成長面上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、前記カタリスト材料層を、ナノスケールの柱状結晶構造体を成長させるべき配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に存置する工程と、残されたカタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層と前記結晶基板もしくは成長した結晶との界面で結合させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、前述のようにｃ面以外の面に柱状結晶構造体を成長させるにあたって、Ｇａ，Ｎ，Ｉｎ，Ａｌなどの化合物半導体材料や、Ｍｇ，Ｓｉなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らないＮｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕなどのカタリスト材料層を結晶基板上に形成し、そのカタリスト材料層を、熱アニール等によって収縮させ、或いは必要のある場合にはパターニングし、これによって残されたカタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層と前記結晶基板もしくは成長した結晶との界面で結合させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる。
【００１５】
したがって、前述のようにｃ面以外の面を用いることでピエゾ電界を緩和し、電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることによって発光再結合効率を高めつつ、柱状結晶構造体による貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる化合物半導体発光素子を作製することができる。また、前記パターニングによって、前記柱状結晶構造体の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができ、前記配置および柱径を２次元フォトニック結晶構造に制御することで、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、前記柱径を調整することで、所望とする波長の光を発生させることができるとともに、所望とする混合色の光、たとえば白色光を発生させることもできる。
【００１６】
さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子の製造方法は、結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子の製造方法において、前記結晶基板のｃ面以外の所望の面を成長面とし、その成長面上に、化合物半導体材料に対する種結晶膜を成膜する工程と、前記種結晶膜上に前記化合物半導体材料を堆積させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、前述のようにｃ面以外の面に柱状結晶構造体を成長させるにあたって、たとえばシリコンなどの結晶基板に対して、ＡｌＮなどを化合物種結晶膜として前記結晶基板上に形成し、その化合物種結晶膜上に前記化合物半導体材料を堆積させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる。
【００１８】
したがって、前述のようにｃ面以外の面を用いることでピエゾ電界を緩和し、電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることによって発光再結合効率を高めつつ、柱状結晶構造体による貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる化合物半導体発光素子を作製することができる。また、前記化合物種結晶膜をパターニングすることによって、前記柱状結晶構造体の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができ、前記配置および柱径を２次元フォトニック結晶構造に制御することで、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、前記柱径を調整することで、所望とする波長の光を発生させることができるとともに、所望とする混合色の光、たとえば白色光を発生させることもできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の化合物半導体発光素子は、以上のように、結晶基板上に、少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を積層して成る化合物半導体発光素子において、その少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層をナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体で形成し、それを成長させる結晶基板に、ｃ面以外の面を用いる。
【００２０】
それゆえ、前記ｃ面以外の面を用いることでピエゾ電界を緩和し、電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることで発光再結合効率を高めつつ、柱状結晶構造体による貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる。
【００２１】
また、本発明の化合物半導体発光素子は、以上のように、前記柱状結晶構造体をIII族の窒化物或いは酸化物から形成するとともに、前記結晶基板の無極性面であるａ面（１１−２０）またはｍ面（１−１００）を成長させる。
【００２２】
それゆえ、ピエゾ電界の影響を完全に無くし、量子井戸内の電子と正孔との波動関数の重なりを最大にすることができ、発光再結合確率を最大にし、内部量子効率を最大化することができる。
【００２３】
さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の化合物半導体発光素子を用いる。
【００２４】
それゆえ、発光再結合効率を高めることができる照明装置を実現することができる。
【００２５】
また、本発明の化合物半導体発光素子の製造方法は、以上のように、結晶基板のｃ面以外の所望の面を成長面とし、その成長面上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜し、そのカタリスト材料層を、熱アニール等によって収縮させ、或いはパターニングし、これによって残されたカタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層と前記結晶基板もしくは成長した結晶との界面で結合させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる。
【００２６】
それゆえ、前述のようにｃ面以外の面を用いることでピエゾ電界を緩和し、電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることによって発光再結合効率を高めつつ、柱状結晶構造体による貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる化合物半導体発光素子を作製することができる。
【００２７】
さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子の製造方法は、以上のように、結晶基板のｃ面以外の所望の面を成長面とし、その成長面上に柱状結晶構造体を成長させるにあたって、シリコンなどの結晶基板に対して、ＡｌＮなどを化合物種結晶膜として前記結晶基板上に形成し、その化合物種結晶膜上に前記化合物半導体材料を堆積させて前記少なくともｎ型層、発光層およびｐ型層を結晶成長させる。
【００２８】
それゆえ、前述のようにｃ面以外の面を用いることでピエゾ電界を緩和し、電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることによる発光再結合効率を高めつつ、柱状結晶構造体による貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる化合物半導体発光素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態は請求項１，４に対応するものである。本実施の形態および後述する他の実施の形態では、ナノコラムの成長は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition））によって行うことを前提としているが、ナノコラムの成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法等を用いてもナノコラムが作製可能である。以下、特に断らない限り、ＭＯＣＶＤ装置を用いるものとする。また、ナノコラムの材料としてＧａＮを例にとるが、それに限定されるものではなく、酸化物、窒化物、酸窒化物などを含む化合物半導体発光素子すべてを対象とすることができる。
【００３０】
先ず、（１００）スピネル基板１を前記ＭＯＣＶＤ装置内のリアクターにセッティングし、図１（ａ）で示すように、その上に２μｍ厚のノンドープＧａＮ薄膜２を形成する。本成膜方法は公知である。次に、抵抗加熱蒸着によって、図１（ｂ）で示すように、カタリスト材料層となるＦｅ薄膜３を５ｎｍ蒸着する。再び、そのスピネル基板１をＭＯＣＶＤ装置内のリアクターにセッティングし、９２０℃まで昇温する。この昇温アニールによって、前記Ｆｅ薄膜３は、図１（ｃ）で示すように、島状のＦｅ粒４になる。
【００３１】
その後、この温度を保持しながら、ＧａＮ結晶成長の成長ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３（アンモニア）とを、水素もしくは窒素のキャリアガスにより供給すると、Ｆｅ粒４の表面に、ＧａとＮとが吸着される。この吸着されたＧａとＮとは、Ｆｅ粒４内に取り込まれ、該Ｆｅ粒４内を拡散して、該Ｆｅ粒４とスピネル基板１との界面に達し、ここで互いに結合して、ＧａＮ結晶格子を形成し、（１０−１１）面を有するＧａＮナノコラム５が、図１（ｄ）で示すように成長する。一方、スピネル基板１上に堆積したＧａとＮとは、該スピネル基板１の表面に長くとどまることができず、該スピネル基板１の表面から離脱し、スピネル基板１上にはＧａＮ単結晶は形成されない。こうしてＦｅ粒４とスピネル基板１との間にのみＧａＮナノコラム５が成長する。そして、トータル流量を１Ｌ／ｍｉｎで供給し、１５分経過すると、前記ＧａＮナノコラム５の高さを約２μｍ、コラム基底部の幅を約１００ｎｍに成長させることができる。
【００３２】
このナノコラム５の結晶成長方法は、カタリストＦｅ粒４を用いたナノコラム結晶の成長方法である。得られたＧａＮナノコラム５の成長面は、上述のように（１０−１１）面であり、強い極性を有するｃ面（０００１）面より極性ははるかに弱い、いわゆる半極性面である。このＧａＮナノコラム５の成長時に、最初にＳｉをドーピングすることによってｎ型層６にし、続いてＩｎをドープしたＩｎＧａＮ層とノンドープのＧａＮ層とを４層積層させて活性層７を形成する。その後、今度はＭｇをドープしてｐ型層８を形成する。
【００３３】
前記ｎ型層６を形成するためのＳｉ原料としてシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型層８を形成するためのＭｇ原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、ならびに活性層７のＩｎＧａＮ層を形成するためのＩｎ原料としてトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）などを、前記ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３（アンモニア）と合わせて供給することで、前記の各層６〜８を形成することができる。
【００３４】
こうしてＧａＮナノコラム５が結晶成長すると、スピネル基板１全体を、硝酸：塩酸の比が１：３の王水に浸漬して、カタリストのＦｅ粒４を除去し、洗浄、乾燥の後にこれをランプアニール炉に入れ、酸素雰囲気中で温度９００℃にて１０分加熱した後、炉を室温に下げて上記サンプルを取り出すと、ＧａＮナノコラム５の結晶表面には、図１（ｅ）で示すように表面保護のための酸化膜１０が形成される。
【００３５】
この後、ＩＣＰ装置によるドライエッチングによって、図１（ｆ）で示すようにＧａＮナノコラム５の結晶上部の酸化膜１０を除去し、ｐ型層８を露出させた後に、スパッタ蒸着によって、Ｎｉを５ｎｍと、透明導電膜であるＩＴＯを２５ｎｍとの薄膜１１を形成してｐ型透明電極とする。さらに、図１（ｇ）で示すように、通常のリソグラフィとエッチングとによって、前記薄膜１１とＧａＮナノコラム５とを部分的に除去し、ｎ型ノンドープＧａＮ薄膜２の層を露出させる。続いて、残された薄膜１１の上部に、ボンディングパッドとしてＴｉ薄膜を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜を５００ｎｍ蒸着して通常のリソグラフィとエッチングとによって部分的にｐ型電極パッド１２を形成すると同時に、露出したｎ型ノンドープＧａＮ薄膜２の表面には、同じくＴｉ薄膜を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜を５００ｎｍ蒸着したｎ型電極パッド１３を形成する。
【００３６】
以上のように、結晶基板上に、少なくともｎ型層６、発光層７およびｐ型層８を積層して成る化合物半導体発光素子を作製するにあたって、前記結晶基板として（１００）スピネル基板１を用い、カタリストＦｅ粒４を用いてＧａＮナノコラム５を結晶成長させるので、上述のように得られたＧａＮナノコラム５の成長面は、（１０−１１）面であり、強い極性を有するｃ面（０００１）面より極性ははるかに弱いいわゆる半極性面とすることができる。これによって、ピエゾ電界の影響を緩和し、量子井戸内の電子と正孔との波動関数の重なりを大きくすることによって、発光再結合効率を高め、すなわち内部量子効率を向上させつつ、ナノコラムによる貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる。
【００３７】
また、前記Ｆｅ薄膜３を、昇温アニールによってランダムなカタリストＦｅ粒４に形成するのではなく、パターニングすることで、前記ＧａＮナノコラム５の配置、すなわち配列ピッチおよび配列パターンならびに柱径を任意に設定することができ、前記配置および柱径を２次元フォトニック結晶構造に制御することで、発生された光を効率的に外部に取出すことができるとともに、所望とする配光で取出す等、光学特性を設計者の意図したとおりに実現することができる。また、前記柱径を調整することで、波長変換のための蛍光体を用いることなく、所望とする波長の光を発生させることができるとともに、所望とする混合色の光、たとえば白色光を発生させることもできる。
【００３８】
［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の他の形態に係る化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態は請求項２，５に対応するものである。先ず、図２（ａ）で示すように、（１−１００）４Ｈ−ＳｉＣ基板１４上に、ＡｌＮ薄膜１５をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置を用いて５ｎｍ成長させる。成長温度は９５０℃、成長レートは５ｎｍ／ｍｉｎ、かつＡｌ／Ｎフラックス比は約１程度とする。次に、温度を８００℃に保ちながら、Ｇａ／Ｎフラックス比を１よりはるかに小さな値にして供給すると、図２（ｂ）で示すように、（１−１００）ＧａＮナノコラム１６が成長レート約３ｎｍ／ｍｉｎで成長し、約５時間半で高さ１μｍ、コラム基底部の幅が５０〜１００ｎｍの（１−１００）ＧａＮナノコラム結晶１６が得られる。
【００３９】
ここで、（１−１００）面はいわゆるｍ面と呼ばれている面であり、ｃ面に直角な面である。したがって、分極ベクトルがＧａＮナノコラム１６の結晶の成長方向と垂直であるので、該ＧａＮナノコラム１６の上に形成する活性層１７の中に内部電界を全く生じない無極性面である。続いて、温度を５８０℃に下げてＧａＮナノコラム１６の先端に１０ｎｍのＩｎＧａＮ層を形成する。ＩｎＧａＮ層形成の間、ＮフラックスはＧａＮナノコラム１６の成長時と同じ値に保持し、ＧａフラックスはＧａＮナノコラム成長時よりも３桁ほど下げる。そしてＩｎ／Ｇａフラックス比は約１０に保持する。以上の工程を４回繰返すことで、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸層を４層形成して、図２（ｃ）で示すような前記発光層１７とする。その後、Ｍｇをドープしながら成長を続けることで、ｐ型ＧａＮナノコラム層１８を５０ｎｍ厚成長させる。ここで、ｐ型ＧａＮナノコラム層１８成長時の温度は５８０℃、Ｍｇ／Ｇａのフラックス比は約０．２に保持し、ＧａフラックスおよびＮフラックスの値はＩｎＧａＮ成長時と同じ値を保持する。
【００４０】
こうしてＧａＮナノコラム１６が形成されると、図１と同様に、全体を酸化雰囲気中で酸化し、側面に保護膜１９を形成し、ＩＣＰによるエッチングでｐ型ＧａＮナノコラム層１８の上面の酸化膜を除去し、Ｎｉを５ｎｍと、透明導電膜であるＩＴＯを２５ｎｍとの薄膜２０をスパッタ蒸着する。その後、薄膜２０の上部に部分的にボンディングパッドとしてＴｉ薄膜を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜を５００ｎｍ蒸着して、通常のリソグラフィとエッチングとによって、図２（ｄ）で示すように部分的にｐ型電極パッド２１を形成し、さらにＳｉＣ基板１４の裏面にＥＢ蒸着によりＴｉ薄膜を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜を５００ｎｍ、順次積層してｎ型電極２２とする。
【００４１】
以上のように、結晶基板上に、少なくともｎ型層（１６）、発光層１７およびｐ型層（１８）を積層して成る化合物半導体発光素子を作製するにあたって、前記結晶基板として（１−１００）４Ｈ−ＳｉＣ基板１４を用い、ＡｌＮ薄膜１５による種結晶成長を用いて、ＧａＮナノコラム１６から発光層１７およびｐ型ＧａＮナノコラム層１８を結晶成長させるので、上述のように得られたＧａＮナノコラム１６から発光層１７およびｐ型ＧａＮナノコラム層１８の成長面は、極性が全く存在しない無極性面であるｍ面（１−１００）面とすることができる。これによって、ピエゾ電界の影響を完全に無くし、量子井戸内の電子と正孔との波動関数の重なりを最大にすることによって、発光再結合効率を高め、すなわち内部量子効率を向上させつつ、ナノコラムによる貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる。
【００４２】
［実施の形態３］
図３は、本発明の実施のさらに他の形態に係る化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態は請求項２，４に対応するものであり、前述の図１で示す実施の形態に類似している。先ず、ａ面（１１−２０）面サファイア基板２３をＭＯＣＶＤ装置内のリアクターにセッティングし、図３（ａ）で示すように、その上に２μｍ厚のノンドープＧａＮ薄膜２４を形成する。本成膜方法は公知である。次に、抵抗加熱蒸着によって、図３（ｂ）で示すように、厚さ３ｎｍのＡｕ薄膜２５を形成する。再びそのサファイア基板２３をＭＯＣＶＤ装置内のリアクターにセッティングし、９００℃まで昇温する。この昇温アニールによって、図３（ｃ）で示すように、Ａｕ薄膜２５は島状のＡｕ粒２６になる。
【００４３】
その後、温度を９００℃に保ち、トリメチルガリウムとアンモニアとを水素もしくは窒素のキャリアガスにより供給すると、図３（ｄ）で示すように、（１１−２０）面を有するＧａＮナノコラム２７が得られる。たとえば、前記のガスのトータル流量を１Ｌ／ｍｉｎで２０分供給すると、そＧａＮナノコラム２７の高さを約２μｍ、コラム基底部の幅を約１００ｎｍに成長させることができる。
【００４４】
このＧａＮナノコラム２７の結晶成長方法は、カタリストＡｕ粒２６を用いたナノコラム結晶の成長方法である。ここで、前記（１１−２０）面は、いわゆるａ面と呼ばれている面であり、ｃ面に直角な面である。したがって、分極ベクトルがＧａＮナノコラム２７の結晶の成長方向と垂直であるので、この上に形成する活性層２９の中に内部電界を全く生じない無極性面である。このＧａＮナノコラム２７の成長時に、最初にＳｉをドーピングすることによってｎ型層２８にし、続いてＩｎをドープしたＩｎＧａＮ層とノンドープのＧａＮ層とを４層積層させて活性層２９を形成する。その後、今度はＭｇをドープしてｐ型層３０を形成する。
【００４５】
こうしてＧａＮナノコラム２７が結晶成長すると、サファイア基板２３全体を前記王水に浸漬して、カタリストのＡｕ粒２６を除去し、洗浄、乾燥の後にこれをランプアニール炉に入れ、酸素雰囲気中で温度９００℃にて１０分加熱した後、炉を室温に下げて上記サンプルを取り出すと、ＧａＮナノコラム２７の結晶表面には、図３（ｅ）で示すように表面保護のための酸化膜３２が形成される。
【００４６】
この後、ＩＣＰ装置によるドライエッチングによって、図３（ｆ）で示すようにＧａＮナノコラム２７の結晶上部の酸化膜３２を除去し、ｐ型層３０を露出させた後に、スパッタ蒸着によりＮｉを５ｎｍと、透明導電膜であるＩＴＯを２５ｎｍとの薄膜３３を２５ｎｍ形成してｐ型透明電極とする。さらに、図３（ｇ）で示すように、通常のリソグラフィとエッチングとによって、前記薄膜３３とＧａＮナノコラム２７とを部分的に除去し、ｎ型ノンドープＧａＮ薄膜２４の層を露出させる。続いて、残された薄膜３３の上部に、ボンディングパッドとしてＴｉ薄膜を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜を５００ｎｍ蒸着して通常のリソグラフィとエッチングとによって部分的にｐ型電極パッド３４を形成すると同時に、露出したｎ型ノンドープＧａＮ薄膜２４の表面には、同じくＴｉ薄膜を３０ｎｍ、Ａｕ薄膜を５００ｎｍ蒸着したｎ型電極パッド３５を形成する。
【００４７】
以上のように、結晶基板上に、少なくともｎ型層２８、発光層２９およびｐ型層３０を積層して成る化合物半導体発光素子を作製するにあたって、前記結晶基板としてａ面（１１−２０）面サファイア基板２３を用い、カタリストＡｕ粒２６を用いてＧａＮナノコラム２７を結晶成長させるので、上述のように得られたＧａＮナノコラム２７の成長面は、ａ面（１０−１１）面であり、極性が全く存在しない無極性面とすることができる。これによって、ピエゾ電界の影響を完全に無くし、量子井戸内の電子と正孔との波動関数の重なりを最大にすることによって、発光再結合効率を高め、すなわち内部量子効率を向上させつつ、ナノコラムによる貫通転位の減少によっても発光再結合効率を高めることができる。
【００４８】
［実施の形態４］
図４は、本発明の実施の他の形態に係る照明装置を模式的に示す断面図である。この照明装置には、上述の図２で示す発光ダイオードを用いることができる。この照明装置は、上述の図２で示すようにして作製された発光ダイオードから成るＬＥＤチップ４１を、モジュール基板３６に直接ダイボンディングすることで構成されている。具体的には、モジュール基板３６の上に絶縁層３７を設け、その上にＬＥＤチップ４１のｐ型電極パッド２１とコンタクトをとる配線パターン３８およびｎ型電極２２とコンタクトをとる配線パターン３９を形成し、ダイボンドすることでＬＥＤチップ４１の裏面に形成されたｎ型電極２２と配線パターン３９とを電気的に接続し、Ａｕワイヤ４２を用いてｐ型電極パッド２１と配線パターン３８とを電気的に接続している。そして、ＬＥＤチップ４１の周囲には、高反射膜を表面に形成したすり鉢状の反射構造体４０が設けてあり、この中にはＬＥＤチップ４１を封止するための透明樹脂４３が充填されている。前記図１および図３で示す発光ダイオードを用いる場合には、ｐ型電極パッド１２，３４およびｎ型電極パッド１３，３５が共にＡｕワイヤによって配線パターン３８と電気的に接続される。
【００４９】
このように構成することで、発光再結合効率を高めることができる照明装置を実現することができる。特に、カタリスト材料層となるＦｅ薄膜３およびＡｕ薄膜２５をパターニングすることで、ＧａＮナノコラム５，２７の柱径を調整し、発光波長をコントロールすることができる図１および図３で示す発光ダイオード照明装置に用いると、白色光を得易く、好適である。
【００５０】
なお、カタリスト材料層としては、Ｇａ，Ｎ，Ｉｎ，Ａｌなどの化合物半導体材料や、Ｍｇ，Ｓｉなどの添加物材料に対して、それらを溶解して取込み、かつ自身とは合成物を作らない材料であればよく、前記Ｆｅ，Ａｕ以外にも、Ｎｉ，Ｃｕなどを用いることができる。本発明は、窒化物半導体（ＧａＮ）に限らず、酸化物半導体にも適用することができる。また、III族原子と窒素原子に限らず、II族原子と酸素原子およびそれらの組合わせにも適用することができる。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ーが６０ｍｅＶと、ＧａＮの２〜３倍であり、内部量子効率がＧａＮに比べて高くなる可能性がある上、屈折率は２であり、ＧａＮの屈折率２．５に比べて小さく、光取出しの点で圧倒的に有利である。また、材料自身が安価であることも商業ベースで考えると魅力的である。そして、前記ＧａＮナノコラムと結晶構造上、よく似ているＺｎＯナノコラムについても、全く同じ構造の半導体発光素子を、上述のようにして同様に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の一形態に係る化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の他の形態に係る化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施のさらに他の形態に係る化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の他の形態に係る照明装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    スピネル基板
２，２４    ノンドープＧａＮ薄膜
３    Ｆｅ薄膜
４    Ｆｅ粒
５，１６，２７    ＧａＮナノコラム
６，２８    ｎ型層
７，１７，２９    活性層
８，３０    ｐ型層
１０，３２    酸化膜
１１，２０，３３    薄膜
１２，２１，３４    ｐ型電極パッド
１３，３５    ｎ型電極パッド
１４    ４Ｈ−ＳｉＣ基板
１５    ＡｌＮ薄膜
１８    ｐ型ＧａＮナノコラム層
１９    保護膜
２２    ｎ型電極
２３    サファイア基板
２５    Ａｕ薄膜
２６    Ａｕ粒
３６    モジュール基板
３７    絶縁層
３８，３９    配線パターン
４０    反射構造体
４１    ＬＥＤチップ
４２    Ａｕワイヤ
４３    透明樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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