(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、
前記柱状結晶構造体は、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有して、成長基板から分離されており、その柱状結晶構造体を保持し、前記柱状結晶構造体による少なくとも光放出方向に対しては透明な部材から成る保持部材と、
前記保持部材に保持された柱状結晶構造体を外囲し、前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させる交流電界を印加する電界印加手段とを含み、
前記電界印加手段において交流電界を印加する電極は、複数対が前記保持部材を外囲するように各対で対向して設けられることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記柱状結晶構造体は、前記活性層が異なる組成から成るものを複数種類有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記保持部材は、ＳＯＧ、ＳｉＯ２、もしくはエポキシ樹脂から成る透明絶縁物であり、該透明絶縁物内に複数の前記柱状結晶構造体を分散した状態で該透明絶縁物が固化されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光装置を用いることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、
成長基板上に、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有する前記柱状結晶構造体群を形成する工程と、
前記柱状結晶構造体群から前記成長基板を剥離して柱状結晶構造体を取り出す工程と、
取り出した柱状構造結晶体を透明絶縁物に含有させ、発光素子としての形状に固化させる工程と、
固化させた透明絶縁物を外囲するように、相互に対向させて対を成す電極を複数対形成する工程と、
前記複数対の電極に、前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させる交流電界を印加する電源を接続する工程とを含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【請求項６】
前記成長基板上に前記柱状結晶構造体群を形成する工程は、
前記成長基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、
前記カタリスト材料層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、
前記パターニングによって残された前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上に前記柱状結晶構造体群を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする請求項５記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項７】
前記成長基板上に前記柱状結晶構造体群を形成する工程は、
前記成長基板上に、前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜する工程と、
前記種結晶層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、
前記パターニングによって残された前記種結晶層上に、化合物半導体材料を吸着・結合させて該種結晶層上に前記柱状結晶構造体群を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする請求項５記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項８】
柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、
成長基板上に化合物半導体材料に対するカタリスト材料層または前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜する工程と、
前記カタリスト材料層または種結晶層上に透明絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状に前記透明絶縁膜をパターニングして、前記カタリスト材料層または種結晶層が露出するように貫通孔を穿設する工程と、
前記貫通孔内で露出した前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上にｐ型層、活性層、ｎ型層を有する前記柱状結晶構造体群を結晶成長させ、または前記貫通孔内で露出した前記種結晶層上に前記化合物半導体材料を吸着・結合させて該種結晶層上にｐ型層、活性層、ｎ型層を有する前記柱状結晶構造体群を結晶成長させる工程と、
前記柱状結晶構造体群を含有した前記透明絶縁膜を前記成長基板から剥離する工程と、
剥離した透明絶縁物に、相互に対向させて対を成す電極を形成する工程と、
前記電極に、前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させる交流電界を印加する電源を接続する工程とを含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体などの化合物半導体発光素子を用いて構成される半導体発光装置に、さらにそれを用いて構成される照明装置ならびに半導体発光装置の製造方法に関し、特に化合物半導体発光素子としては、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体から成るものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体もしくは酸化物半導体で構成された発光層を有する化合物半導体発光素子が注目されている。この発光素子の構造は、一例として、サファイア基板を用い、発光層の下部にシリコン（Ｓｉ）がドーピングされたｎ＋−ＧａＮ層から成るｎ−クラッド層およびコンタクト層、発光層の上部にマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされたｐ−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。これらのいわゆるバルク結晶を用いる発光素子は、基板のサファイアと、窒化物や酸化物の半導体層との格子定数が大きく異なり、かつ基板上に薄膜として形成されるので、結晶内に非常に多くの貫通転位を含んでおり、発光素子の効率を増加させるのは困難であった。
【０００３】
そこで、このような問題を解決する手法の従来例として、特許文献１が知られている。この従来例では、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮバッファ層を形成した後、アレイ状に配列された多数の前記柱状結晶構造体（ナノコラム）を形成しており、そのＧａＮナノコラム間に、柱状結晶構造の保護等のために透明絶縁物層を埋め込んだ後、透明電極および電極パッドが成膜されて構成されている。特にＧａＮナノコラムは、ｎ型ＧａＮナノコラム、ＩｎＧａＮ量子井戸、ｐ型ＧａＮナノコラムから構成されている。このナノコラムを用いれば、前述のバルク結晶が有する貫通転位をほとんど無くすまでに低減することができ、前記貫通転位による非発光再結合が減少して、発光効率を向上することができる。
【０００４】
また、前記の従来技術とは別に、特許文献２のように柱状結晶構造体を従来の蛍光体の代替として用いるものもある。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【特許文献２】特開２００６−１０４４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
先ず特許文献１の従来技術では、基板上にナノコラムを形成した後、ｐ型ＧａＮナノコラム上に電極を形成しようとして、材料を蒸着すると、ＩｎＧａＮ量子井戸を挟んで、前記ｐ型ＧａＮナノコラムとｎ型ＧａＮナノコラムとが短絡してしまう可能性がある。このため、電極形成の前に、ＳＯＧ、ＳｉＯ２、もしくはエポキシ樹脂などから成る前記透明絶縁物がナノコラムの間に埋め込まれている。しかしながら、それらの絶縁物を、１００ｎｍ程度というごく僅かなナノコラムアレイの間隙に、均一かつ所望の深さまで埋め込むのは極めて困難である。具体的に特許文献１では、直径７０ｎｍ、高さ１μｍ程度のナノコラムを作製しているが、間隙のアスペクト比（深さ／直径）は１０を超える値になる。これをＣＶＤなどを用いて完全に埋めるのは極めて困難であり、特許文献１では液体状にしたものをスピンコーティングして透明絶縁層を形成しているが、表面張力が働いて上手く間隙中に入れ込むことは困難である。
【０００６】
一方、特許文献２の従来技術は、柱状結晶の直径が３ｎｍ以下、発光領域の長さが３ｎｍ以下という構成であり、形状は柱状結晶構造体を用いているものの、本質的には量子ドットと呼ぶべきものである。すなわちこの従来技術の意味するところは、本来は直径３ｎｍ、長さ３ｎｍの量子サイズ効果を有する量子ドットのみを発光素子として作製したいのだが、それそのものだけを作製できないために柱状結晶構造体を利用してその中に量子ドットを実現したものである。しかしながら、それでも直径３ｎｍの柱状結晶構造を作製するのは非常に困難であり、製造コストも高価にならざるを得ず、たとえ量産したとしても非常に高価で、一般照明に用いることはできない。
【０００７】
また、発光メカニズムについても、この従来技術では、相互に隣接した光吸収領域で励起したキャリアを発光領域で再結合させて発光させており、すなわち光励起によって発光させている。
【０００８】
本発明の目的は、ナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、かつ量子ドットのような製造が困難で高コストな技術を用いることなく、安価で安定的に製造できる半導体発光装置およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体発光装置は、柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、前記柱状結晶構造体は、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有して、成長基板から分離されており、その柱状結晶構造体を保持し、前記柱状結晶構造体による少なくとも光放出方向に対しては透明な部材から成る保持部材と、前記保持部材に保持された柱状結晶構造体を外囲し、前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させる交流電界を印加する電界印加手段とを含み、前記電界印加手段において交流電界を印加する電極は、複数対が前記保持部材を外囲するように各対で対向して設けられることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、従来のように前記柱状結晶構造体の長手方向の両側に電極を設け、ｐ型層、活性層、ｎ型層に電流を流して発光させるのではなく、本発明では、前記柱状結晶構造体をシリコンなどの成長基板から分離し、各柱状結晶構造体を絶縁する。そして、電界印加手段によって交流電界を印加して前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させることで発光させる。そのため、前記成長基板から分離した柱状結晶構造体を、保持部材によって保持し、その保持部材を外囲するように前記電界印加手段の電極を設ける。前記保持部材は、前記柱状結晶構造体による少なくとも光放出方向に対しては透明な部材から成り、たとえば多数の前記柱状結晶構造体としては、ばらのままで、保持部材としてのガラスのトレイや箱に収納されることで保持構造が実現されてもよく、多数の前記柱状結晶構造体を、ＳＯＧ、ＳｉＯ２、もしくはエポキシ樹脂などから成る透明絶縁物で固められることで前記保持構造が実現されてもよい。
【００１１】
したがって、柱状結晶構造体に電極を形成する工程を無くし、ナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避することができる。また、柱状結晶構造体の直径については１００μｍ程度でも充分効果を発揮し、直径３ｎｍ以下という制限は一切必要ないので、量子ドットのような製造が困難で高コストな技術を用いる必要はない。こうして、安価で安定的に製造可能な半導体発光装置を実現することができる。
【００１２】
また、前記電界印加手段において交流電界を印加する電極は複数対が前記保持部材を外囲するように各対で対向して設けられるので、前記保持部材内に多数の柱状結晶構造体を収容するにあたって、該柱状結晶構造体が整列されておらず、ランダムに分散して収容されていても、各柱状結晶構造体に加わる電界、したがって発光強度を均等に近付けることができる。
【００１３】
さらにまた、前記柱状結晶構造体は、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有するので、それらが順バイアスされると、活性層にキャリアを効率良く注入でき、入力励起エネルギーに対して発光光量を一層増加することができる（発光効率を高めることができる）。
【００１４】
また、本発明の半導体発光装置では、前記柱状結晶構造体は、前記活性層が異なる組成から成るものを複数種類有することを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、活性層の組成が異なることで異なる波長の光を放射することができ、白色等の所望とする色の光を発生させることができる。
【００１６】
さらにまた、本発明の半導体発光装置では、前記保持部材は、ＳＯＧ、ＳｉＯ２、もしくはエポキシ樹脂から成る透明絶縁物であり、該透明絶縁物内に複数の前記柱状結晶構造体を分散した状態で該透明絶縁物が固化されていることを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、多数の前記柱状結晶構造体を収容した型に前記ＳＯＧ、ＳｉＯ２、もしくはエポキシ樹脂から成る透明絶縁物を流し込み、撹拌して固化させることで、容易に、柱状結晶構造体を透光性を有する基材に分散した状態で含有させることができる。
【００１８】
また、本発明の照明装置は、前記の半導体発光装置を用いることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、ナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に製造できる照明装置を実現することができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の半導体発光装置の製造方法は、柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、成長基板上に、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有する前記柱状結晶構造体群を形成する工程と、前記柱状結晶構造体群から前記成長基板を剥離して柱状結晶構造体を取り出す工程と、取り出した柱状構造結晶体を透明絶縁物に含有させ、発光素子としての形状に固化させる工程と、固化させた透明絶縁物を外囲するように、相互に対向させて対を成す電極を複数対形成する工程と、前記複数対の電極に、前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させる交流電界を印加する電源を接続する工程とを含むことを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、ナノコラムやナノロッドなどと称され、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有するナノスケールの柱状結晶構造体を成長基板上に成長させ、それを超音波振動などによって根元から折り、透明絶縁物中に分散させて固化させることで発光素子を構成する。その発光素子に複数対の電極を取付け、各電極に電源を接続して半導体発光装置が完成する。
【００２２】
こうして、前記のようなナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に、半導体発光装置を製造することができる。
【００２３】
また、本発明の半導体発光装置の製造方法では、前記成長基板上に前記柱状結晶構造体群を形成する工程は、前記成長基板上に、化合物半導体材料に対するカタリスト材料層を成膜する工程と、前記カタリスト材料層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、前記パターニングによって残された前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上に前記柱状結晶構造体群を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする。
【００２４】
上記の構成によれば、たとえばシリコンなどの成長基板上に、前記の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前記成長基板上に形成しておく。その後、前記カタリスト材料層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記柱状結晶構造体を成長させる。
【００２５】
したがって、所望とする形状の柱状結晶構造体を多量に作成することができる。
【００２６】
さらにまた、本発明の半導体発光装置の製造方法では、前記成長基板上に前記柱状結晶構造体群を形成する工程は、前記成長基板上に、前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜する工程と、前記種結晶層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングする工程と、前記パターニングによって残された前記種結晶層上に、化合物半導体材料を吸着・結合させて該種結晶層上に前記柱状結晶構造体群を結晶成長させる工程とを含むことを特徴とする。
【００２７】
上記の構成によれば、たとえばシリコンなどの成長基板上に、前記の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、それらの元素を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆくＡｌＮなどを化合物種結晶層として前記成長基板上に形成しておく。その後、前記種結晶層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記柱状結晶構造体を成長させる。
【００２８】
したがって、所望とする形状の柱状結晶構造体を多量に作成することができる。
【００２９】
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置の製造方法において、成長基板上に化合物半導体材料に対するカタリスト材料層または前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜する工程と、前記カタリスト材料層または種結晶層上に透明絶縁膜を形成するとともに、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状に前記透明絶縁膜をパターニングして、前記カタリスト材料層または種結晶層が露出するように貫通孔を穿設する工程と、前記貫通孔内で露出した前記カタリスト材料層から前記化合物半導体材料を取込ませ、該カタリスト材料層内で結合させて前記成長基板上にｐ型層、活性層、ｎ型層を有する前記柱状結晶構造体群を結晶成長させ、または前記貫通孔内で露出した前記種結晶層上に前記化合物半導体材料を吸着・結合させて該種結晶層上にｐ型層、活性層、ｎ型層を有する前記柱状結晶構造体群を結晶成長させる工程と、前記柱状結晶構造体群を含有した前記透明絶縁膜を前記成長基板から剥離する工程と、剥離した透明絶縁物に、相互に対向させて対を成す電極を形成する工程と、前記電極に、前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させる交流電界を印加する電源を接続する工程とを含むことを特徴とする。
【００３０】
上記の構成によれば、ナノコラムやナノロッドなどと称され、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有するナノスケールの柱状結晶構造体を透明絶縁物に含有させて発光素子を構成するにあたって、先ず成長基板上に化合物半導体材料に対するカタリスト材料層または前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜しておき、その上に前記透明絶縁物となる透明絶縁膜を形成し、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状の貫通孔を穿設しておく。
【００３１】
したがって、前記貫通孔から露出したカタリスト材料層または種結晶層によって前記柱状結晶構造体群を結晶成長させると、前記透明絶縁物内で向きが揃った柱状結晶構造体を成長させることができ、その透明絶縁膜を前記成長基板から剥離することで発光素子を構成することができる。その発光素子に電極を取付け、電極に電源を接続して半導体発光装置が完成する。
【００３２】
こうして、前記のようなナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に、半導体発光装置を製造することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の半導体発光装置は、以上のように、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体を用いる半導体発光装置において、従来のように前記柱状結晶構造体の長手方向の両側に電極を設け、ｐ型層、活性層、ｎ型層に電流を流して発光させるのではなく、本発明では、前記柱状結晶構造体をシリコンなどの成長基板から分離してエポキシ樹脂などで固めるなどして保持し、電界印加手段によって交流電界を印加して前記柱状結晶構造体内のキャリアを励起させることで発光させる。
【００３４】
それゆえ、柱状結晶構造体に電極を形成する工程を無くし、ナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避することができる。また、柱状結晶構造体の直径については１００μｍ程度でも充分効果を発揮し、直径３ｎｍ以下という制限は一切必要ないので、量子ドットのような製造が困難で高コストな技術を用いる必要はない。こうして、安価で安定的に製造可能な半導体発光装置を実現することができる。
【００３５】
また、前記電界印加手段において交流電界を印加する電極は複数対が前記保持部材を外囲するように各対で対向して設け、前記電極に交流電圧を印加する電源は、各対の電極に順次電圧を印加してゆくので、保持部材内に多数の柱状結晶構造体を収容するにあたって、該柱状結晶構造体が整列されておらず、ランダムに分散して収容されていても、各柱状結晶構造体に加わる電界、したがって発光強度を均等に近付けることができる。
【００３６】
さらにまた、前記の柱状結晶構造体に、ｐ型層、活性層、ｎ型層を設けるので、それらが順バイアスされると、活性層にキャリアを効率良く注入でき、入力励起エネルギーに対して発光光量を一層増加することができる（発光効率を高めることができる）。
【００３７】
また、本発明の半導体発光装置は、以上のように、前記柱状結晶構造体の活性層が異なる組成から成るものを複数種類設ける。
【００３８】
それゆえ、異なる波長の光を放射することができ、白色等の所望とする色の光を発生させることができる。
【００３９】
さらにまた、本発明の半導体発光装置は、以上のように、多数の前記柱状結晶構造体を収容した型に前記ＳＯＧ、ＳｉＯ２、もしくはエポキシ樹脂から成る透明絶縁物を流し込み、撹拌して固化させる。
【００４０】
それゆえ、容易に、柱状結晶構造体を透光性を有する基材に分散した状態で含有させることができる。
【００４１】
また、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光装置を用いる。
【００４２】
それゆえ、ナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に製造できる照明装置を実現することができる。
【００４３】
さらにまた、本発明の半導体発光装置の製造方法は、以上のように、ナノコラムやナノロッドなどと称され、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有するナノスケールの柱状結晶構造体を成長基板上に成長させ、それを超音波振動などによって根元から折り、透明絶縁物中に分散させて固化させることで発光素子を構成し、その発光素子に複数対の電極を取付け、各電極に電源を接続して半導体発光装置を完成させる。
【００４４】
それゆえ、前記のようなナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に、半導体発光装置を製造することができる。
【００４５】
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、以上のように、成長基板上にカタリスト材料層を形成し、その後、前記カタリスト材料層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記柱状結晶構造体を成長させる。
【００４６】
それゆえ、所望とする形状の柱状結晶構造体を多量に作成することができる。
【００４７】
さらにまた、本発明の半導体発光装置の製造方法は、以上のように、成長基板上に化合物種結晶層を形成して、その後、前記種結晶層を、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングして、前記柱状結晶構造体を成長させる。
【００４８】
それゆえ、所望とする形状の柱状結晶構造体を多量に作成することができる。
【００４９】
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、以上のように、ナノコラムやナノロッドなどと称され、ｐ型層、活性層、ｎ型層を有するナノスケールの柱状結晶構造体を透明絶縁物に含有させて発光素子を構成するにあたって、先ず成長基板上に化合物半導体材料に対するカタリスト材料層または前記柱状結晶構造体の種結晶となる種結晶層を成膜しておき、その上に前記透明絶縁物となる透明絶縁膜を形成し、前記柱状結晶構造体を成長させるべき柱径に対応した形状の貫通孔を穿設しておく。
【００５０】
それゆえ、前記貫通孔から露出したカタリスト材料層または種結晶層によって前記柱状結晶構造体群を結晶成長させると、前記透明絶縁物内で向きが揃った柱状結晶構造体を成長させることができ、その透明絶縁膜を前記成長基板から剥離することで発光素子を構成することができ、その発光素子に電極を取付け、電極に電源を接続して半導体発光装置を完成させことができる。こうして、前記のようなナノコラムＬＥＤの電極形成工程の困難さを回避しながら、安価で安定的に、半導体発光装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子１０の作成方法を説明するための模式的な断面図である。先ず、図１（ａ）で示すように、成長基板であるＳｉ基板１上に、柱状結晶構造体であるナノコラムＬＥＤ２を、大量に植立するように成長させる。このナノコラムＬＥＤ２の製造方法については、後に詳述する。これを、図１（ｂ）で示すように、アルコール３を満たした容器４に入れ、容器４全体を超音波で振動させると、Ｓｉ基板１からナノコラムＬＥＤ２が剥れ（根元から折れ）、アルコール３中に散在する。
【００５２】
次に、図１（ｃ）で示すように、アルコール３を蒸発させると、容器４の壁面４ａにナノコラムＬＥＤ２がへばり付く。続いて、この容器４に熱硬化性の透光性樹脂５を入れて、再び超音波振動を与えると、図１（ｄ）で示すように、容器４の壁面４ａにへばり付いていたナノコラムＬＥＤ２は撹拌されて再び透光性樹脂５中に散在する。その後、図３（ｅ）で示すように、容器４に蓋６をして恒温層７に入れ、透光性樹脂５が熱硬化する温度および時間を保持すると、該透光性樹脂５は固化し、その中にはナノコラムＬＥＤ２を含有することができ、こうして半導体発光素子１０を作成することができる。
【００５３】
ここで、保持部材である前記透光性樹脂５は、ナノコラムＬＥＤ２の発光波長に対して透明な部材で、たとえばＳＯＧ、ＳｉＯ２、もしくはエポキシ樹脂等の透明絶縁物から成り、固化することで前記ナノコラムＬＥＤ２を保持する。固化後は、前記容器４および蓋６から取出されてもよく、またそれらに収納したままで発光素子として使用される場合には、それらの容器４および蓋６もナノコラムＬＥＤ２の発光波長に対して透明な部材から成る。また、発光素子の大きさを考えると、前記容器４中で透光性樹脂５にナノコラムＬＥＤ２が分散した状態で、スポイト等で吸い出され、発光素子の大きさに対応した容器や型に流し込まれて硬化されてもよく、或いはフォトレジストのように、ウェハやガラスなどに塗布し、固化した後に、必要な大きさに切り出すようにしてもよい。このようにして、容易に、ナノコラムＬＥＤ２を透光性を有する基材である透光性樹脂５中に分散した状態で含有させることができる。さらにまた、前記半導体発光素子１０として、ナノコラムＬＥＤ２は、必ずしも透光性樹脂５で固められていなくてもよく、ばらのままで、保持部材としての透明な前記容器４および蓋６等のトレイや箱に収納されているだけでもよい。
【００５４】
上述のように構成される半導体発光素子１０において、ナノコラムＬＥＤ２は、たとえば図２（ａ）に示すように、ｎ型層２ａと、量子井戸を４層積層した活性層２ｂと、ｐ型層２ｃとを備えて構成される。このようなナノコラムＬＥＤ２が多数前記透光性樹脂５で固められて、図２（ｂ）で示すような前記半導体発光素子１０が得られ、その後、板状のこの半導体発光素子１０の側面を外囲するように、図２（ｃ）で示すように、相互に対向させて対を成す電極１１，１２が形成される。前記電極１１，１２には、前記ナノコラムＬＥＤ２内のキャリアを励起させる交流電界を印加する電源１３が接続される。
【００５５】
前記電極１１，１２による電界は、図２（ｃ）の例では左右方向に延びて交番し、ナノコラムＬＥＤ２は、この左右方向に平行な程、電界の影響を受け、ｎ型層２ａおよびｐ型層２ｃの向きから、順方向バイアスとなるときに、ｐ型層２ｃの正孔とｎ型層２ａの電子とが活性層２ｂに注入され、該活性層２ｂで電子と正孔との再結合が起こり、該活性層２ｂのバンドギャップに対応した光１５が発生する。
【００５６】
したがって、図２（ｃ）では、電界方向に近いナノコラムＬＥＤ２ｄに対しては効率良く励起が行われるが、垂直方向に近いナノコラムＬＥＤ２ｅに対しては、殆ど励起が行われないことになる。すなわち、ナノコラムＬＥＤ２の電界に対するｃｏｓ成分で励起の大きさが左右される。そこで、前記電極１１，１２を、半導体発光素子１０の側面に複数対設けることが好ましく、その場合、順次、いずれか１対の電極間のみに電界が掛かっているように電源１３が制御されてもよく、各対一斉に電界が掛けられるように制御されてもよい。このように構成することで、ナノコラムＬＥＤ２が整列されておらず、前記容器４内にランダムに分散して収容されていても、各ナノコラムＬＥＤ２に加わる電界、したがって発光強度を均等に近付けることができる。
【００５７】
また、透明電極を使用可能な場合には、半導体発光素子１０の光取出し面に電極が設けられてもよい。さらにまた、電源１３は、たとえば商用周波で、１００万Ｖ／ｃｍの電界を印加する。前記電極１１，１２および電源１３は、電界印加手段を構成する。
【００５８】
このように構成された半導体発光素子１０を１または複数組基体に取付け、電源１３やその制御装置に、必要に応じて安定器や昇降圧のための構成なども前記基体に取付け、適宜導光部材や意匠でカバーされて照明装置が完成する。
【００５９】
このように本実施の形態の半導体発光装置１０は、ナノコラムＬＥＤ２のｐ型層２ｃ、活性層２ｂおよびｎ型層２ａに電流を流して発光させるのではなく、外部から交番電界を与えて発光させるので、該ナノコラムＬＥＤ２に電極を形成する工程を無くし、電極形成工程の困難さを回避することができる。また、ナノコラムＬＥＤ２の直径については、１００μｍ程度でも充分効果を発揮し、直径３ｎｍ以下という制限は一切必要ないので、量子ドットのような製造が困難で高コストな技術を用いる必要はない。こうして、安価で安定的に製造可能な半導体発光装置１０を実現することができる。
【００６０】
なお、上述のように電界を与えるのではなく、前述の特許文献２と同様に、ナノコラムＬＥＤ２の発光波長以下の波長の光で励起を行うようにしてもよい。それによってもまた、ナノコラムＬＥＤ２内のキャリアが励起され、電子と正孔とが活性層２ｂで再結合することで該活性層２ｂのバンドギャップに対応した光が発生される。ただしこの場合、ナノコラムＬＥＤ２内部の光変換ロスを充分小さくする必要がある。
【００６１】
図３および図４は、前記ナノコラムＬＥＤ２の製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、ナノコラムＬＥＤ２の形成にあたっては、フォトリソグラフィが用いられるが、その形成方法は本方法に限定されるものではなく、たとえば電子ビーム露光などの方法を用いてもよいことは言うまでもない。また、本実施の形態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）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。
【００６２】
先ず、図３で示す例では、図３（ａ）で示すように、シリコン（Ｓｉ）から成る基板２０上に、電子線蒸着によって、カタリスト材料層となるＮｉ薄膜２１が５ｎｍ蒸着される。次に、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、図３（ｂ）で示すように、前記Ｎｉ薄膜２１が、直径１００ｎｍの島状に、適宜間隔を開けてパターニングされる。
【００６３】
続いて、これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度を５００℃に設定し、この温度を保持しながら、ＺｎＯ結晶成長の成長ガスであるＤＥＺｎ（ジエチルジンク）３０ｓｃｃｍとＯ２（酸素）１００ｓｃｃｍとを供給すると、ＺｎとＯとはＮｉ薄膜２１内に取り込まれ、該Ｎｉ薄膜２１内を拡散して、該Ｎｉ薄膜２１とＳｉ基板２０との界面に達し、ここで互いに結合してＺｎＯ結晶格子を形成し、図３（ｃ）で示すようにＺｎＯ単結晶ナノコラム２２が成長する。一方、Ｓｉ基板２０上に堆積したＺｎとＯとは、該Ｓｉ基板２０の表面に長くとどまることができず、該Ｓｉ基板２０の表面から離脱し、該Ｓｉ基板２０上にはＺｎＯ単結晶は形成されない。こうして、前記Ｎｉ薄膜２１上にのみ、ＺｎＯ単結晶ナノコラム２２が成長する。
【００６４】
さらに６０分ほどこの状態を維持することによって、前記ＺｎＯ単結晶ナノコラム２２は、たとえば全長１μｍ程度まで成長する。このＺｎＯ単結晶ナノコラム２２の成長時に、図３（ｄ）で示すように、最初にＡｌをドーピングすることによってｎ型層２２ａにし、その後、ＣｄをドープしたＺｎＣｄＯ層とノンドープのＺｎＯ層とを４層積層させて活性層２２ｂを形成する。その後、今度はＰをドープしてｐ型層２２ｃを形成する。このＺｎＯ単結晶ナノコラム２２が、前述のＬＥＤナノコラム２として使用される。
【００６５】
また、図４で示す例では、図４（ａ）で示すように、シリコン（Ｓｉ（１１１））から成る基板３０上に、ＭＢＥ成長によって、種結晶層となるＡｌＮ膜３１が５０ｎｍ蒸着される。具体的には、このＭＢＥ装置はＡｌのＫセル（以下Ａｌセルと呼ぶ）と、Ｎ２源から不活性なＮ２を活性化して導入できるＲＦプラズマセル（以下Ｎ２プラズマセルと呼ぶ）とを、少なくとも備えている。そして、最初にＳｉ（１１１）基板３０を真空中で１０００℃にて１０分間アニールし、その後Ｓｉ（１１１）基板３０を８００℃まで冷却する。次いで、真空度が７×１０−７Ｔｏｒｒになるように設定し、Ａｌの分子線を飛ばしつつ、Ｎ２プラズマセルのヒーター電源を４００ＷにしてこのセルにＮ２ガスを０．５ｓｃｃｍの流量で供給する。この時、Ｓｉ（１１１）基板２０表面が間違って窒化されないように、Ｎ２プラズマセルのシャッターを開ける１０秒前にＡｌセルを開ける。この状態で、Ａｌ分子線とＮ２プラズマ分子線とをＳｉ（１１１）基板１に５分間照射すると、上述のようにＳｉ（１１１）基板１上にＡｌＮ薄膜２が５０ｎｍ成長する。次に、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、図４（ｂ）で示すように、前記ＡｌＮ膜３１が、直径１００ｎｍの島状に、適宜間隔を開けてパターニングされる。
【００６６】
続いて、これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度を１０００℃に設定し、Ｇａ／Ｎフラックス比を１よりはるかに小さな値、たとえば１／１０００にして供給すると、ＡｌＮ薄膜３１表面にはＧａとＮが吸着する。この吸着したＧａとＮとはＡｌＮ薄膜３１上で互いに結合して、ＧａＮ単結晶を形成する。この吸着したＧａＮ単結晶はＡｌＮ薄膜３１を種結晶として垂直方向に成長し、図４（ｃ）で示すように、ＡｌＮ薄膜３１上にのみＧａＮ単結晶ナノコラム３２が成長する。このＧａＮ単結晶ナノコラム３２の成長時に、図４（ｄ）で示すように、最初にＳｉをドーピング、もしくはノンドープとすることによってｎ型層３２ａにし、その後、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３２ｂを形成する。その後、今度はＭｇをドープしてｐ型層３２ｃを形成する。このＧａＮ単結晶ナノコラム３２が、前述のＬＥＤナノコラム２として使用される。
【００６７】
なお、基板１はシリコン（Ｓｉ）に限らず、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が使用されてもよい。また、ＬＥＤナノコラム２の結晶も、ＧａＮやＺｎＯに限らず、その他の材料についても当てはまることは言うまでもない。
【００６８】
ただし、化合物半導体材料および添加物材料ならびに前記カタリスト材料層は、カタリスト材料層が化合物半導体材料および添加物材料を溶解して取込み、かつそれらが合成物を作らない材料に選ばれる必要がある。たとえば、カタリスト材料層としては、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ａｕなどであり、化合物半導体材料としては、Ｇａ，Ｎ，Ｉｎ，Ａｌなどであり、添加物材料としては、Ｍｇ，Ｓｉなどである。また、カタリスト材料層の薄膜は、材料を取込むカタリスト材料層としての機能を発揮することができる厚さ、たとえば数原子層から、取込んだ材料が拡散することができる厚さ、たとえば２０ｎｍに形成され、好ましくは１〜５ｎｍである。
【００６９】
このようにして、所望とする形状のＬＥＤナノコラム２を多量に作成することができる。そして、カタリスト材料層となるＮｉ薄膜２１または種結晶層となるＡｌＮ薄膜３１を、成長させるべき柱径に対応した形状にパターニングしておくことで、それぞれの発光波長などを調整することができる。また、活性層２ｂの組成が相互に異なるように作成したＬＥＤナノコラム２を、前記容器４中で複数種類混合することで、たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色で発光するＬＥＤナノコラムを組合わせて、白色光を発生させることができ、それらの含有率を変えることで、所望とする色の光を発生させることができる。照明分野では色味は重要な仕様の一つであり、このようにして、これを自由にデザインすることが可能になる。
【００７０】
［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の他の形態に係る半導体発光素子４０の作成方法を説明するための模式的な断面図である。先ず、図４（ａ）と同様に、図５（ａ）で示すように、成長基板であるＳｉ（１１１）基板３０上に、ＭＢＥ成長によって、種結晶層となるＡｌＮ膜３１が５０ｎｍ蒸着される。注目すべきは、次に、図５（ｂ）で示すように、ＥＢ蒸着によって、絶縁膜となる透明なＳｉＯ２薄膜４１が１μｍ蒸着され、その後、通常のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、前記ＳｉＯ２薄膜４１において、ＧａＮ単結晶ナノコラム４２を成長させるべき配置位置に、成長させるべき直径、たとえば１００ｎｍ、間隔、たとえば１００ｎｍで、前記ＡｌＮ膜３１が露出するまで、貫通孔４３が穿設される。
【００７１】
続いて、これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度を８００℃に設定し、この温度を保持しながらＧａＮ結晶成長の成長ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３（アンモニア）とを、Ｇａ／Ｎフラックス比を１よりはるかに小さな値にして、水素もしくは窒素のキャリアガスにより供給すると、前記貫通孔４３内に露出したＡｌＮ薄膜３１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、ＡｌＮ薄膜３１上で互いに結合して、ＧａＮ結晶格子を形成し、図５（ｃ）で示すようにＧａＮ単結晶ナノコラム４２が成長する。一方、ＳｉＯ２薄膜４１上に堆積したＧａとＮとは、該ＳｉＯ２薄膜４１の表面に長くとどまることができず、該ＳｉＯ２薄膜４１の表面から離脱し、ＳｉＯ２薄膜４１上にはＧａＮ単結晶は形成されない。こうして、ＡｌＮ薄膜３１上のみ、前記ＧａＮ単結晶ナノコラム４２が成長する。
【００７２】
この状態を維持することによって、前記ＧａＮ単結晶ナノコラム４２は前記貫通孔４３内を柱状に成長し、たとえば成長レートが３ｎｍ／ｍｉｎで、約５時間成長させると、図１（ｄ）で示すように、高さ１μｍ、コラム基底部の幅が前記１００ｎｍのＧａＮ単結晶ナノコラム４２が得られる。そして、このＧａＮ単結晶ナノコラム４２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４２ａにし、その後、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４２ｂを形成する。その後、今度はＭｇをドープしてｐ型層４２ｃを０．１５μｍ形成し、全体で前記ＳｉＯ２薄膜４１にほぼ等しい１μｍの高さになるように調整する。
【００７３】
その後、図５（ｅ）で示すように、前記ＡｌＮ薄膜３１から成長基板３０を除去することで、半導体発光素子４０が完成する。この後に、全体を前述の透明絶縁物で覆い、上下に電極を蒸着し、少なくともその一方を透明にしておくことで、ＧａＮ単結晶ナノコラム４２がナノコラムＬＥＤ２として機能し、前述のメカニズムでの発光が可能となる。
【００７４】
このように構成される半導体発光素子４０では、ＧａＮ単結晶ナノコラム４２の向きが揃っており、電界を効率良く印加することができる。また、微小なナノコラムＬＥＤ２を透光性樹脂５で集積するなどの煩雑な作業を無くすこともできる。さらにまた、ＧａＮ単結晶ナノコラム４２は、予め定める位置に、予め定める柱径でＳｉＯ２薄膜４１に埋込まれるので、２次元フォトニックパターン等、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。
【００７５】
なお、上述のようなＳｉＯ２薄膜４１に貫通孔４３を用いる構成に、上述の種結晶層となるＡｌＮ膜３１だけでなく、図３で示すカタリスト材料層となるＮｉ薄膜２１が用いられてもよい。ただし、種結晶層となるＡｌＮ膜３１は、上述のような気相成長だけでなく、液相成長にも対応可能であるので、結晶性が良く、またその場合、貫通孔４３がハイアスペクト比（深さ／径）であっても、基底部まで化合物半導体材料を充填でき、好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子の作成方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る半導体発光装置の作成方法を説明するための図である。
【図３】ナノコラムＬＥＤの製造工程の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】ナノコラムＬＥＤの製造工程の他の例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の他の形態に係る半導体発光素子の作成方法を説明するための模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１，２０，３０    Ｓｉ基板
２    ナノコラムＬＥＤ
３    アルコール
４    容器
５    透光性樹脂
２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ    ｎ型層
２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ    活性層
２ｃ，２２ｃ，３２ｃ，４２ｃ    ｐ型層
１０，４０    半導体発光素子
１１，１２    電極
１３    電源
２１    Ｎｉ薄膜
２２    ＺｎＯ単結晶ナノコラム
３１    ＡｌＮ膜
３２，４２    ＧａＮ単結晶ナノコラム
４１    ＳｉＯ２薄膜
４３    貫通孔
【図１】
0005247109.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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