(57)【要約】【課題】  ナノワイヤを用いた発光素子を有し、その側壁発光の基板への入射を簡易な構成により抑制することが可能な発光デバイスを提供する。【解決手段】  基板１と、基板上に形成された絶縁膜２と、絶縁膜上に形成された第１導電型のＳｉＣ膜３と、ＳｉＣ膜上に形成された、第１導電型の半導体層５と、発光層６と、第２導電型の半導体層７とが順に積層されてなる複数の柱状結晶構造体８と、ＳｉＣ膜上に形成された第１導電型側電極１１と、複数の柱状結晶構造体の上に形成された第２導電型側電極９と、を有する発光素子１００と、を備え、絶縁膜２の屈折率がＳｉＣ膜３の屈折率と異なっており、絶縁膜２の厚さが、発光層６の発光波長を、絶縁膜２の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さであり、ＳｉＣ膜３の厚さが、発光層６の発光波長を、ＳｉＣ膜３の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さである。【選択図】    図１
2009129941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された第１導電型のＳｉＣ膜と、前記ＳｉＣ膜上に形成された、第１導電型の半導体層と、発光層と、第２導電型の半導体層とが順に積層されてなる複数の柱状結晶構造体と、前記ＳｉＣ膜上の前記柱状結晶構造体が形成されていない領域に形成された第１導電型側電極と、前記複数の柱状結晶構造体の上に形成された透明な第２導電型側電極と、を有する発光素子と、を備え、
前記絶縁膜の屈折率が前記ＳｉＣ膜の屈折率と異なっており、
前記絶縁膜の厚さが、前記発光層が発光する光の波長（以下、発光波長という）を、前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さであり、
前記ＳｉＣ膜の厚さが、前記発光層の発光波長を、前記ＳｉＣ膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さである、発光デバイス。
【請求項２】
前記絶縁膜上に、各々の発光層の発光波長が互いに異なる２以上の発光素子が形成され、
前記絶縁膜の厚さが、前記２以上の発光素子の発光層の発光波長のうち、最も短い発光波長を前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さと、前記２以上の発光素子の発光層の発光波長のうち、最も長い発光波長を前記絶縁膜の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さとの間の厚さである、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記絶縁膜上に形成された第１導電型の第１のＳｉＣ膜と、前記第１のＳｉＣ膜上に形成された、第１導電型の第１の半導体層と、第１の発光層と、第２導電型の第１の半導体層とが順に積層されてなる複数の第１の柱状結晶構造体と、前記第１のＳｉＣ膜上の前記第１の柱状結晶構造体が形成されていない領域に形成された第１の第１導電型側電極と、前記複数の第１の柱状結晶構造体の上に形成された透明な第１の第２導電型側電極と、を有する前記発光素子としての第１の発光素子と、
前記絶縁膜上に前記第１の第１導電型のＳｉＣ膜と分離して形成された第１導電型の第２のＳｉＣ膜と、前記第２のＳｉＣ膜上に形成された、第１導電型の第２の半導体層と、前記第１の発光層とは異なる波長の光を発光する第２の発光層と、第２導電型の第２の半導体層とが順に積層されてなる複数の第２の柱状結晶構造体と、前記第２のＳｉＣ膜上の前記第１の柱状結晶構造体が形成されていない領域に形成された第２の第１導電型側電極と、前記複数の第２の柱状結晶構造体の上に形成された透明な第２の第２導電型側電極と、を有する前記発光素子としての第２の発光素子と、を備え、
前記絶縁膜の厚さが、前記第１の発光素子の発光波長を、前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さと、前記第２の発光素子の発光波長を、前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さとの間の厚さであり、
前記第１のＳｉＣ膜の厚さが、前記第１の発光層の発光波長を、前記第１のＳｉＣ膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さであり、
前記第２のＳｉＣ膜の厚さが、前記第２の発光層の発光波長を、前記第２のＳｉＣ膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さである、請求項２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記柱状結晶構造体を構成する半導体が、ＧａxＩｎ1-xＮ（０＜ｘ≦１）、又はＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる窒化物半導体である、請求項１〜３のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記基板がＳｉからなり、前記絶縁膜がＳｉＯ2膜からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記ＳｉＯ2膜の厚さが４０ｎｍ〜１６０ｎｍであり、前記ＳｉＣ膜の厚さが２０ｎｍ〜９０ｎｍである請求項５に記載の発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光デバイスに関し、特に、その発光素子が発光する光の反射膜を有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長発光が可能なＧａＮ化合物半導体を用いた発光素子（以下、ＧａＮ発光素子という）が実用化された。しかし、ＧａＮ結晶は転位が発生しやすいため、良質な結晶を得ることが困難でかつ高価である。そこで、このような課題を解決すべく多様な取り組みがなされている。例えば、表面にＧａＮ層を形成するための基板として、サファイア基板、ＳｉＣ基板、表面にＳｉＣ膜が形成されたＳＯＩ基板（以下、ＳｉＣ／ＳＯＩ基板という）などが検討されている。
【０００３】
これらのうち、ＳｉＣ／ＳＯＩ基板は安価であり、かつＳＯＩ基板上に作製されるＳｉ集積回路とＳｉＣ膜上に作製されるＧａＮ発光素子とを同時に集積できる電子−光融合デバイス用複合半導体基板として注目を集めている。例えば、非特許文献１には、Rapid Thermal Processを用いて表面にＳｉ膜が形成されたＳＯＩ基板を炭化して、ＳｉＣ／ＳＯＩ基板を作製し、そのＳｉＣ膜上に良質なＧａＮ層を作製する方法が開示されている。ＳｉＣは、格子定数がＧａＮに近いことからＧａＮ層の成長に適しており、かつ熱伝導率が高くて放熱性が良いという長所を有する。ＳｉＣの短所としては、ＧａＮ結晶を得るには、厚いバッファ層を必要とし、クラックや転位が発生しやすいという点が挙げられる。
【０００４】
一方、ＧａＮ結晶に発生する糸状転位を減らして輝度を向上する新しい技術として、ＧａＮナノワイヤと称する柱状結晶構造体を用いた発光素子が提案されている。ＧａＮナノワイヤは欠陥が少ないことがＴＥＭ観測で確認されており、このＧａＮナノワイヤにＧａＮ／ＩｎＧａＮかからなるＭＱＤ(Multiple Quantum Disk)を形成した高輝度な発光素子が実現されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
図３は非特許文献２に開示された発光ダイオードの断面図である。なお、図３における参照符号は出願人が適宜変更して付した。図３に示すように、この発光ダイオードでは、（１１１）Ｓｉ基板に、直接、ＲＦ−ＭＢＥ法を用いてＧａＮナノワイヤが成長されている。図３において、５１はｎ型Ｓｉ基板、５２はＴｉからなるｎ型側電極、５３はｎ型ＧａＮナノワイヤ、５４はＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層、５５はｐ型ＧａＮ層、５６はＮｉ／Ａｕからなるｐ型側透明電極、５７はＣｕヒートシンク、５８はＩｎＧａリキッドメタルを示す。このようにして作製された、ＧａＮナノワイヤを用いた発光ダイオードは、輝度が向上する他、側壁発光を取り出せることから、発光効率が高いという利点を有する。また、ＧａＮバッファ層を形成する必要がない。
【０００６】
ＧａＮナノワイヤを用いた発光ダイオードとしては、非特許文献２に開示されたものの他にも、サファイア基板上に形成されたＧａＮ層の上に、ＭＯ−ＨＶＰＥ法を用いてＧａＮナノワイヤが成長されるようにして作製された高輝度な発光素子とその製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
図４は特許文献１に開示された発光ダイオードの断面図を示す。なお、図４における参照符号は出願人が適宜変更して付した。図４において、６９はサファイア基板、７０はＧａＮバッファ層、６２はｎ型側電極、６３はｎ型ＧａＮナノワイヤ、６４はＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層、６５はｐ型ＧａＮ層、６６はｐ型側透明電極、７１は透明絶縁層、７２は電極パッドを示す。
【０００８】
また、発光層で発光した光の反射膜を基板側に設ける点において本発明と関連する技術として、非特許文献３に開示された発光デバイスが知られている。
【０００９】
図５は非特許文献３に開示された発光デバイスの断面図である。なお、図５における参照符号は、出願人が適宜変更して付した。図５において、８３はＳｉ基板、８４はｎ‐ＡｌＮ層、８５はｎ‐ＡｌＧａＮ層、８６はｎ‐ＧａＮ／ｎ‐ＡｌＮ  ２０周期マルチレイヤー、８７はＡｌＧａＮ／ＡｌＮ  ＤＢＲ、８８はｎ‐ＧａＮ層、８９はＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層 、９０はｐ‐ＡｌＧａＮ層、９１はｐ‐ＧａＮ層、９２はヒートシンク、９３はｎ型側電極、９４はｐ型側電極を示す。この発光デバイスでは、Ｓｉ基板８３上に形成された通常の発光素子の活性層８９とＳｉ基板８３との間に、ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)８７が形成されており、活性層８９が発光した光をＤＢＲ８７が反射することにより、光の取り出し率が向上する。そして、ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ｎ−ＡｌＮ（５４ｎｍ／５８ｎｍ）ＤＢＲを３層結晶成長することにより、４７０ｎｍ付近の波長における光の反射率を１０％から３０％に向上することができるという計算結果が得られている。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【非特許文献１】Applied Physics Letter 69(15),October 1996,P.2264〜"SiC raipid thermal carbonization of the (111)Si semiconductor-on-insulator structure and subsequent metalorganic chemical vapor deposition of GaN", A.J.  Steckl et al.
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics,Vol.43,No.12A,2004
【非特許文献３】ＮＥＤＯ研究成果報告書、プロジェクトＩＤ：０２Ａ２３０２４ｄ石川博康らによる“シリコン基板上の窒化ガリウム系  光・電子デバイスの実用化研究”。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のＧａＮナノワイヤを用いた発光素子では、活性層が発光した光、とりわけ側壁発光の一部が基板に吸収されて外部に取り出すことができない。特に、基板がＳｉからなる場合、Ｓｉのバンドギャップが１．１ｅＶと小さく、紫外から可視光にかけて吸収するため、その損失が大きい。また、この光吸収の結果として発熱が生じ、この発熱の影響が同じ基板上に集積された電子回路（Ｓｉ集積回路）へ及ぶので、信頼性上好ましくない。
【００１１】
そこで、ＧａＮナノワイヤを用いた発光素子において、ナノワイヤ自体にＤＢＲを形成することが考えられるが、そのようにしても、側壁発光が基板に直接入射してそこで吸収されてしまい、側壁発光を取り出すことができない。
【００１２】
また、非特許文献２の発光素子においてはｎ型Ｓｉ基板５２の上にＤＢＲを形成してそのＤＢＲの上にＧａＮナノワイヤ５３を形成し、また特許文献１の発光素子においてはＧａＮバッファ層７０の上にＤＢＲを形成してそのＤＢＲの上にＧａＮナノワイヤ６３を形成することが考えられる。しかし、図５から明らかなように、ＤＢＲ８７の下地として多層膜８４〜８６などの厚いバッファ層が必要になる。このため、厚いＧａＮバッファ層を必要とせずに発光素子を形成するというナノワイヤを用いた発光素子の長所が失われてしまう。
【００１３】
また、また、発光素子には、照明装置等のように、基板側に設ける反射膜が高性能（高反射率）であるよりも、安価であることが要求される用途も存在する。
【００１４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ナノワイヤを用いた発光素子を有し、その側壁発光の基板への入射を簡易な構成により抑制することが可能な発光デバイス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】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の発光デバイスは、基板と、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第１導電型のＳｉＣ膜と、前記ＳｉＣ膜上に形成された、第１導電型の半導体層と、発光層と、第２導電型の半導体層とが順に積層されてなる複数の柱状結晶構造体と、前記ＳｉＣ膜上の前記柱状結晶構造体が形成されていない領域に形成された第１導電型側電極と、前記複数の柱状結晶構造体の上に形成された透明な第２導電型側電極と、を有する発光素子と、を備え、前記絶縁膜の屈折率が前記ＳｉＣ膜の屈折率と異なっており、前記絶縁膜の厚さが、前記発光層が発光する光の波長（以下、発光波長という）を、前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さであり、前記ＳｉＣ膜の厚さが、前記発光層の発光波長を、前記ＳｉＣ膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さである。
【００１６】
このような構成とすると、絶縁膜とＳｉＣ膜とによって、発光層の発光波長を反射する反射膜が構成されるので、発光層の側壁から発光された光が絶縁膜とＳｉＣ膜とによって構成される反射膜により反射される。よって、発光層の側壁発光の取り出し率が向上し、かつ当該側壁発光の基板への入射を簡易な構成により抑制することできる。
【００１７】
前記絶縁膜上に、各々の発光層の発光波長が互いに異なる２以上の発光素子が形成され、  前記絶縁膜の厚さが、前記２以上の発光素子の発光層の発光波長のうち、最も短い発光波長を前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さと、前記２以上の発光素子の発光層の発光波長のうち、最も長い発光波長を前記絶縁膜の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さとの間の厚さであってもよい。
【００１８】
このような構成とすると、１つの基板に互いに発光波長の異なる複数の発光素子を形成する場合にも、各発光素子と基板の間に形成されるＳｉＣ膜の厚さが各発光素子の発光波長に応じた厚さになるので、各発光素子の側壁発光を好適に反射する反射膜を基板側に構成することができる。
【００１９】
前記絶縁膜上に形成された第１導電型の第１のＳｉＣ膜と、前記第１のＳｉＣ膜上に形成された、第１導電型の第１の半導体層と、第１の発光層と、第２導電型の第１の半導体層とが順に積層されてなる複数の第１の柱状結晶構造体と、前記第１のＳｉＣ膜上の前記第１の柱状結晶構造体が形成されていない領域に形成された第１の第１導電型側電極と、前記複数の第１の柱状結晶構造体の上に形成された透明な第１の第２導電型側電極と、を有する前記発光素子としての第１の発光素子と、前記絶縁膜上に前記第１の第１導電型のＳｉＣ膜と分離して形成された第１導電型の第２のＳｉＣ膜と、前記第２のＳｉＣ膜上に形成された、第１導電型の第２の半導体層と、前記第１の発光層とは異なる波長の光を発光する第２の発光層と、第２導電型の第２の半導体層とが順に積層されてなる複数の第２の柱状結晶構造体と、前記第２のＳｉＣ膜上の前記第１の柱状結晶構造体が形成されていない領域に形成された第２の第１導電型側電極と、前記複数の第２の柱状結晶構造体の上に形成された透明な第２の第２導電型側電極と、を有する前記発光素子としての第２の発光素子と、を備え、前記絶縁膜の厚さが、前記第１の発光素子の発光波長を、前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さと、前記第２の発光素子の発光波長を、前記絶縁膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さとの間の厚さであり、前記第１のＳｉＣ膜の厚さが、前記第１の発光層の発光波長を、前記第１のＳｉＣ膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さであり、前記第２のＳｉＣ膜の厚さが、前記第２の発光層の発光波長を、前記第２のＳｉＣ膜の屈折率の３倍以上かつ５倍以下の数値で割った厚さであってもよい。
【００２０】
このような構成とすると、１つの基板に互いに発光波長の異なる２つの発光素子を形成する場合にも、各発光素子の側壁発光を好適に反射する反射膜を基板側に構成することができる。
【００２１】
前記柱状結晶構造体を構成する半導体が、ＧａxＩｎ1-xＮ（０＜ｘ≦１）、又はＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる窒化物半導体であってもよい。
【００２２】
前記基板がＳｉからなり、前記絶縁膜がＳｉＯ2膜からなっていてもよい。このような構成とすると、基板として安価なＳｉＣ／ＳＯＩ基板を用いることができるので、コストを低減することができる。
【００２３】
前記ＳｉＯ2膜の厚さが４０ｎｍ〜１６０ｎｍであり、前記ＳｉＣ膜の厚さが２０ｎｍ〜９０ｎｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は以上に説明したように構成され、ナノワイヤを用いた発光素子を有し、その側壁発光の基板への入射を簡易な構成により抑制することが可能な発光デバイスを提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの構成を示す断面図である。
【００２７】
［構成］
図１に示すように、本実施の形態の発光デバイス１０１は、発光ダイオードからなる発光素子１００と、ＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４とを備えている。
【００２８】
詳しく説明すると、発光デバイス１０１はＳｉ基板１を備えている。Ｓｉ基板１の上に絶縁膜としてのＳｉＯ2膜２が形成されている。ＳｉＯ2膜２の上には、ｎ型ＳｉＣ膜３が形成されている。そして、ＳｉＯ2膜２とｎ型ＳｉＣ膜３とがＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４を構成している。反射膜４を構成する絶縁膜はｎ型ＳｉＣ膜３と屈折率が異なることが必要である。ここでは、絶縁膜がＳｉＯ2膜２で構成されているので、この要求は満たされている。また、ＳｉＯ2膜２とｎ型ＳｉＣ膜３とはそれぞれ所定の厚さに形成されている。この所定の厚さについては、後で詳しく説明する。
【００２９】
ｎ型ＳｉＣ膜３の上には、多数のナノワイヤ（柱状結晶構造体）８がｎ型ＳｉＣ膜３の厚さ方向に延びるように形成されている。各ナノワイヤ８は、ｎ型Ｓｉｃ膜３の上にｎ型半導体層（下クラッド層）としてのｎ型ＧａＮ層５が形成され、ｎ型ＧａＮ層５の上に発光層としてのＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６が形成され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６の上にｐ型半導体層（上クラッド層）としてのｐ型ＧａＮ層７が形成されて構成されている。ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、ＧａxＡｌ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で構成され、適宜組成が選択され、適宜不純物をドープすることにより所要の導電型が付与される。ここでは、上述の通り、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、共にＧａＮで構成され、それぞれｎ型及びｐ型の導電型が付与されている。発光層は、ＧａxＩｎ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる単層、またはＧａxＩｎ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる材料であって互いに組成の異なる材料からなる２つの層を交互に積層してなるマルチレイヤーで構成される。発光層は、発光波長や発光効率等に応じて、組成及び層厚が選択される。ここでは、発光層と、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層と、はダブルヘテロ接合されている。また、発光層は、ここでは、上述の通り、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのマルチレイヤーで構成されている。
【００３０】
また、ｎ型ＳｉＣ膜３の上には、多数のナノワイヤ８の間の空間を埋めるように透明絶縁層１２が形成されている。透明絶縁層１２は、例えばＳｉＯ2で構成されている。
【００３１】
そして、多数のナノワイヤ８の上端部及び透明絶縁層１２の上に透明なｐ型側電極９が形成されている。ｐ型側電極９は、例えば、Ｎｉ／Ａｕで構成されている。
【００３２】
ｐ型側電極９の上にはＴｉ／Ａｌ等の金属からなる電極パッド１０が形成されている。
【００３３】
さらに、ｎ型ＳｉＣ膜３の上には、多数のナノワイヤ８が形成されていない領域に位置するように、ｎ型側電極１１が形成されている。ｎ型側電極１１は、ここではＮｉで構成されている。
【００３４】
そして、ｎ型ＳｉＣ膜３、ｎ型ＧａＮ層５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６、ｐ型ＧａＮ層７、ｐ型側電極９、電極パッド１０、及びｎ型側電極１１が発光素子１００を構成している。
【００３５】
［ＳｉＯ2膜２及びｎ型ＳｉＣ膜３の厚さ設定］
次に、本発明を特徴付けるＳｉＯ2膜２及びｎ型ＳｉＣ膜３の厚さ設定（設計）について説明する。
【００３６】
以上のように構成された発光素子１００は、おおよそ近紫外光から可視光にあたる波長の光を発光するので、ＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４は、これらの波長を有する光を反射することが求められる。
【００３７】
ＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４が実用的な反射率を有するためには、ｎ型ＳｉＣ膜３及びＳｉＯ2膜２の厚さが、それぞれ、以下の式（１）および式（２）を満たすことが好ましい。ここで、λは発光素子１００が発光する光の波長を表し、ｔ１はｎ型ＳｉＣ膜３の厚さを表し、ｎ１はＳｉＣの屈折率を表す。また、ｔ２はＳｉＯ2膜２（絶縁膜）の厚さを表し、ｎ２はＳｉＯ2（絶縁膜を構成する材料）の屈折率を表す。
【００３８】
λ／（３×ｎ１）≦ｔ１≦λ／（５×ｎ１）・・・（１）
λ／（３×ｎ２）≦ｔ２≦λ／（５×ｎ２）・・・（２）
式（１）及び（２）において、ＳｉＣの屈折率ｎ１及びＳｉＯ2の屈折率ｎ２の係数を３〜５に定めた理由は、最も効果が現われて反射率が高くなるときの係数が４であることと、ｎ型ＳｉＣ膜３及びＳｉＯ2膜２の厚さ、発光素子１００の発光波長、及び所望の反射率が、発光デバイス１０１を作製する場合に変動することを考慮して、その最適な厚さ（係数が４である場合の厚さ）に対しておよそ７％の幅を持たせたものである。つまり、ｎ型ＳｉＣ膜３及びＳｉＯ2膜２の厚さの、理論上最適な厚さに対する偏倚が、７％以内であれば、ＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４の反射率が実用的な範囲に収まると想定したものである。なお、係数が４のとき、ＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４の反射率が最も高くなることは、以下のように導かれる。屈折率の異なる二種類の膜を積層した場合、膜の表面で反射された光と膜の境界面で反射された光が合わさって反射光となる。このとき、全ての反射光が同位相になると、重なり合って高い反射特性を得ることができる。一方、高屈折率から低屈折率への境界面での反射光の位相のずれはゼロであり、逆の低屈折率から高屈折率への境界面での反射光の位相のずれは１８０°となる。そこで、二つの反射光の間の光路差を１８０°になるように膜厚を設定すると反射光は同位相となり重なりあう。よって、最も高い反射特性を得るための膜厚は、式（３）式（４）のようになる。ここにｍ、ｌは整数である。
【００３９】
ｔ１＝（ｍ／２＋１／４）λ／ｎ１・・・（３）
ｔ２＝（ｌ／２＋１／４）λ／ｎ２・・・（４）
ここで、ｍ＝ｌ＝０とすると
ｔ１＝λ／（４×ｎ１）・・・（５）
ｔ２＝λ／（４×ｎ２）・・・（６）
となり、係数が４のときに反射率が最も高くなる。これは、すなわち、光学的に１／４波長の膜を積層すると、高い反射率を得られることを示している。
また、式（３）式（４）において、ｍ≠０、ｌ≠０のときを考えると、式（１）式（２）は式（７）式（８）のように置き換えることが可能で、この中から作製しやすい膜厚を選ぶこともできる。
【００４０】
ｍλ／（２×ｎ１）＋λ／（３×ｎ１）≦ｔ１≦ｍλ／（２×ｎ１）＋λ／（５×ｎ１）・・・（７）
ｌλ／（２×ｎ１）＋λ／（３×ｎ２）≦ｔ２≦ｌλ／（２×ｎ１）＋λ／（５×ｎ２）・・・（８）
具体的には、近紫外光から可視光全域に渡る光が基板１に入射することを想定した場合、式（１）に従えば、ｎ型ＳｉＣ膜３の厚さがおよそ２０ｎｍから９０ｎｍの範囲の厚さに設定され、式（１）に従えば、ＳｉＯ2膜２の厚さがおよそ４０ｎｍから１６０ｎｍの範囲の厚さに設定される。例えば、発光素子１００が赤色発光素子である場合には、ｎ型ＳｉＣ膜３の厚さがおよそ６５ｎｍに設定され、ＳｉＯ2膜２の厚さがおよそ１２０ｎｍに設定される。発光素子１００が緑色発光素子である場合は、ｎ型ＳｉＣ膜３の厚さがおよそ５０ｎｍに設定され、ＳｉＯ2膜２の厚さがおよそ９０ｎｍに設定される。発光素子１００が青色発光素子である場合には、ｎ型ＳｉＣ膜３の厚さがおよそ４５ｎｍに設定され、ＳｉＯ2膜２の厚さがおよそ８０ｎｍに設定される。
【００４１】
式（１）及び（２）に基づいて形成された反射膜は、計算上およそ３０％の反射率が得られることを本発明者は確認している。
【００４２】
［製造方法］
次に、以上のように構成された発光デバイス１０１の製造方法を、図１を用いて説明する。
【００４３】
図１において、まず、Ｓｉ基板１とＳｉＯ2膜２とｎ型ＳｉＣ膜３とからなるＳｉＣ／ＳＯＩ基板が作製される。ＳｉＣ／ＳＯＩ基板は、例えば、非特許文献１や以下の公知文献に記載される手法を用いて作製される。この公知文献は、Proc. of International Meeting  for Future of Electron Devices, Kansai, pp.59−60,2004, "Metamorphosis of Ultra-Thin Top Si Layer of SOI Substrate into 3C-SiC Ｕsing a Rapid Thermal Process", H.Iikawa et al.である。
【００４４】
ＳｉＣ／ＳＯＩ基板の詳しい作製方法はこれらの文献を参照されたい。ここでは、これを簡単に説明する。
【００４５】
例えば、バルクのＳｉ（１００）上にＳｉＯ2からなる埋め込み酸化膜層とＳｉ（１１１）層とが順に形成されたＳＯＩ基板が用意される。そして、このＳＯＩ基板の表面のＳｉ（１１１）層が、Ｃ3Ｈ8−Ｈ2混合ガスの雰囲気中で数秒から数分の間、当該Ｓｉ層の厚さに合わせて１２００℃から１４５０℃の温度において、Rapid Thermal Process を用いて炭化される。これにより、埋め込み酸化膜層上にＳｉＣ膜が形成され、ひいてはＳｉＣ／ＳＯＩ基板が作製される。
【００４６】
次いで、このＳｉＣ膜に窒素がドープされてｎ型ＳｉＣ膜３が形成される。かくして、Ｓｉ基板１とＳｉＯ2膜２とｎ型ＳｉＣ膜３とが形成されたことになる。なお、このｎ型ＳｉＣ膜は、後述するｎ型側電極１１を形成するｎ型コンタクト層としても機能する。このｎ型ＳｉＣ膜３は、炭化してできたＳｉＣ膜の上に、さらに窒素をドープしたＳｉＣをエピタキシャル成長することや、あるいはそのＳｉＣ膜をエッチングすることで、所望の厚さに制御することができる。また、炭化してできたＳｉＣ膜の上に、エピタキシャル成長によってｎ型ＳｉＣ膜３を成長する場合は、この炭化してできたＳｉＣ膜はノンドープのままでもよい。
【００４７】
次いで、ｎ型ＳｉＣ膜３の上に、例えばＲＦ−ＭＢＥ法を用いて、多数のナノワイヤ８が形成される。このＭＱＤ活性層を有するＧａＮナノワイヤアレイのＳｉＣ膜上へのＲＦ−ＭＢＥ法を用いた結晶成長方法は、非特許文献２に開示されているので、詳しくは非特許文献２を参照されたい。ここでは、これを簡単に説明する。
【００４８】
まず、ｎ型ＳｉＣ層３の上に、例えば５００℃で３０秒間、Ｇａ元素のソースからＧａビームが照射されてＧａの核が形成される。その後、ｎ型ＳｉＣ層３の上に、ＲＦプラズマ励起された窒素が例えば６０秒照射されて、ＧａＮドットが形成される。
【００４９】
次いで、このＧａＮドットが形成されたＳｉＣ／ＳＯＩ基板が、例えば約８９０℃まで昇温されかつ窒素雰囲気中に置かれて、ＧａＮナノワイヤが成長される。この過程において、ＧａＮ層にＳｉがドープされてｎ型ＧａＮ層５が形成される。その後、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ活性層６とｐ型ＧａＮ層７とが６５０℃の低温で順に結晶成長される。この過程において、ＧａＮ層にＭｇがドープされてｐ型ＧａＮ層７が形成される。このようにして形成されるナノワイヤ８の直径は、例えば７０ｎｍから１００ｎｍであり、ナノワイヤ８の高さは１μｍから１．５μｍである。また、ナノワイヤ８の間隔は約１００ｎｍである。
【００５０】
次いで、ｎ型ＳｉＣ層３の上に、多数のナノワイヤ８の間の空間を埋めかつ該ｎ型ＳｉＣ層３を覆うように、例えば、ＳｉＯ2からなる透明絶縁層１２が形成される。
【００５１】
次いで、ｎ型ＳｉＣ膜３の所定の領域（ｎ型側電極１１を形成すべき領域）が露出するように透明絶縁層１２の一部が除去され、露出したｎ型ＳｉＣ膜３の上にＮｉからなるｎ型側電極１１が形成される。また、多数のナノワイヤ８の上端部が露出するように透明絶縁層１２の一部が除去され、露出したナノワイヤ８の上端部を覆うように、例えばＮｉ／Ａｕからなる透明なｐ型側電極９が形成される。
【００５２】
その後、ｐ型透明電極６の上にＴｉ／Ａｌ等の金属からなる電極パッド１０が形成される。
【００５３】
このようにして、発光デバイス１０１が作製される。
【００５４】
［動作及び効果］
次に、以上のように構成され製造される本実施の形態の発光デバイスの動作及び効果を説明する。
【００５５】
ｐ型側電極９とｎ型側電極１１との間に所定の電圧が印加されると、発光素子１００のナノワイヤ８のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６の側壁から所定の波長の光が発光される。この発光された光は透明なｐ型電極９や透明絶縁層１２を通じて外部に出射される（取り出される）。一方、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６の側壁から発光された光の一部はＳｉ基板１に向かうが、この光はＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４によりそのおよそ３０％が反射される。このため、側壁光が基板１に入射してそこで吸収されることが抑制される。
【００５６】
これにより、側壁光の取り出し率が向上し、かつＳｉ基板１における側壁光の吸収による発熱の影響が同じ基板上に集積された電子回路（Ｓｉ集積回路）へ及ぶことが抑制されて信頼性が向上する。特に、本実施の形態のように、基板１がＳｉで構成されている場合には、バンドギャップが小さいことから、丁度、可視光周辺、特に緑色光近辺の波長の光を基板１が吸収しやすい。従って、発光素子１００が緑色光を発光する場合には、本発明の効果はより顕著になる。
【００５７】
また、非特許文献３に開示された発光デバイス（図５）では、Ｓｉ基板上に複雑なエピタキシャル成長で３層ものＤＢＲを形成して３０％の反射率を得ているが、これと比較すると、本実施の形態によれば簡易な構成で同等の反射率を有する反射膜が得られることが判る。従って、照明装置等のように、基板側に設ける反射膜が高性能（高反射率）であるよりも、安価であることが要求される用途には、好適である。
【００５８】
また、本実施の形態によれば、基板として安価なＳｉＣ／ＳＯＩ基板を用いることができるので、コストを低減することができる。
【００５９】
なお、上記の説明では、コスト面、安定性、及びＳｉ集積回路との集積化の観点から好ましいことから、基板１の材料としてＳｉが、基板１上の絶縁膜としてＳｉＯ2膜が用いられたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＳｉＯ2膜の代わりにＳｉＮ膜などの絶縁膜を用いることが可能である。また、基板１はＳｉ以外の材料で構成することができる。また、基板１上に発光デバイス１００を作成した後、基板１を除去して実装することも可能である。これは、反射膜４が絶縁膜２とＳｉＣ膜３によって構成されるからである。
【００６０】
また、上記では、ナノワイヤ８を構成する半導体として、ＧａＮとＧａＩｎＮを用いた簡単な例を示したが、例えば、さらに、活性層６からのキャリアの漏れを防ぐオーバフロー抑制層を活性層付近に形成し、このオーバフロー抑制層をＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）で構成してもよい。この他にも、発光素子１００の構成に公知の発光ダイオードの多様な構成を選択して適用することができる。
【００６１】
また、上記では発光素子１００として、３原色の発光が可能とされる窒化物半導体材料からなる発光ダイオードを例示したが、発光素子１００を、用途に応じて、他の材料からなる発光素子で構成することができる。これにより、発光素子１００から所望の波長の光を発光することができ、この所望の波長の光を反射する反射膜４を構成することができる。このような構成としても上記と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る発光デバイスの構成を示す断面図である。
【００６３】
図２に示すように、本実施の形態では、発光デバイス２０１が、互いに発光波長の異なる複数（ここでは２つ）の発光素子１００Ａ，１００Ｂと、これらに対応する複数（ここでは２つ）のＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４Ａ，４Ｂとが１つの基板１の上に形成されて構成されている。これ以外の点は実施の形態１と同様である。
【００６４】
詳しく説明すると、１つの基板１の上に１つのＳｉＯ2膜２が形成されており、このＳｉＯ2膜２の上に互いに厚さの異なる第１のｎ型ＳｉＣ膜３Ａと第２のｎ型ＳｉＣ膜３Ｂとが形成されている。そして、ＳｉＯ2膜２と第１のｎ型ＳｉＣ膜３Ａとで第１のＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４Ａが構成され、ＳｉＯ2膜２と第２のｎ型ＳｉＣ膜３Ｂとで第２のＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜４Ｂが構成されている。
【００６５】
第１のｎ型ＳｉＣ膜３Ａの上には第１の発光素子１００Ａが形成されている。第１の発光素子１００Ａは、第１のｎ型ＧａＮ層５Ａと第１のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ａと第１のｐ型ＧａＮ層７Ａとを有する多数の第１のナノワイヤ８Ａ、第１のｐ型側電極９Ａ、第１の電極パッド１０Ａ、及び第１のｎ型側電極１１Ａで構成されている。第１の発光素子１００Ａの各構成要素間の相互関係は実施の形態１の発光素子１００と同じであるので、その説明を省略する。
【００６６】
また、第２のｎ型ＳｉＣ膜３Ｂの上には第２の発光素子１００Ｂが形成されている。第２の発光素子１００Ｂは、第２のｎ型ＧａＮ層５Ｂと第２のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ｂと第２のｐ型ＧａＮ層７Ｂとを有する多数の第２のナノワイヤ８Ｂ、第２のｐ型側電極９Ｂ、第２の電極パッド１０Ｂ、及び第２のｎ型側電極１１Ｂで構成されている。第２の発光素子１００Ｂの各構成要素間の相互関係は実施の形態１の発光素子１００と同じであるので、その説明を省略する。
【００６７】
第１の発光素子１００Ａの第１のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ａと第２の発光素子１００Ｂのと第２のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ｂとは、各々の発光波長が互いに異なっていて、それに対応して、各々を構成する材料の組成が互いに異なっている。また、この発光波長の相違に対応して、第１の発光素子１００Ａの第１のｎ型ＧａＮ層５Ａ及び第１のｐ型ＧａＮ層７Ａと、第２の発光素子１００Ｂの第２のｎ型ＧａＮ層５Ｂ及び第２のｐ型ＧａＮ層７Ｂとは、それぞれ、各々を構成する材料の組成が互いに異なっている。
【００６８】
そして、第１のｎ型ＳｉＣ膜３Ａの厚さと第２のｎ型ＳｉＣ膜３Ｂの厚さとは、それぞれ、式（１）に従って設定されていて、互いに異なっている。具体的には、第１のｎ型ＳｉＣ膜３Ａの厚さは、発光素子１００Ａの第１のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ａの発光波長に対応する厚さに設定され、第２のｎ型ＳｉＣ膜３Ｂの厚さは、発光素子１００Ｂの第２のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ｂの発光波長に対応する厚さに設定されている。
【００６９】
また、ＳｉＯ2膜２の厚さは、発光素子１００Ａの第１のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ａの発光波長に対して式（２）に従って算出される厚さと、発光素子１００Ｂの第２のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層６Ｂの発光波長に対して式（２）に従って算出される厚さとの間の厚さ（適宜選択される）に設定されている。
【００７０】
なお、互いに発光波長の異なる３以上の発光素子が１つのＳｉ基板に形成される場合には、ＳｉＯ2膜２の厚さは、３以上の発光素子の発光波長のうちの最も短い発光波長に対して式（２）に従って算出される厚さと、３以上の発光素子の発光波長のうちの最も長い発光波長に対して式（２）に従って算出される厚さとの間の厚さ（適宜選択される）に設定される。特に、赤色、青色、及び緑色の３原色を発光する３つの発光素子をＳｉ基板上に集積する場合には、ＳｉＯ2膜２の厚さは、Ｓｉ基板が吸収しやすい緑色の発光波長（５３０ｎｍ）を反射する厚さ、すなわち約９０ｎｍに設定することが好ましい。
【００７１】
以上の構成によれば、１つの基板に互いに発光波長の異なる複数の発光素子を形成する場合にも、各発光素子とＳｉ基板１の間に形成されるｎ型ＳｉＣ膜３を各発光素子の発光波長に応じた所定の厚さに形成することにより、各発光素子の側壁発光を好適に反射する反射膜をＳｉ基板１側に構成することができる。その結果、１つの基板に互いに発光波長の異なる複数の発光素子を形成する場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の発光デバイスは、発光素子と基板側に設けられ発光素子が発する光を反射する反射膜と備える発光デバイス等として有用であり、特に、電子デバイスとの融合デバイス又は照明装置用の発光デバイスとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る発光デバイスの構成を示す断面図である。
【図３】従来のＧａＮナノワイヤを備える発光ダイオードの断面図である。
【図４】他の従来のＧａＮナノワイヤを備える発光ダイオードの断面図を示す。
【図５】従来のＧａＮ発光素子及び反射膜を備える発光デバイスの断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  Ｓｉ基板
２  ＳｉＯ2膜
３  ｎ型ＳｉＣ膜
３Ａ  第１のｎ型ＳｉＣ膜
３Ｂ  第２のｎ型ＳｉＣ膜
４  ＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜
４Ａ  第１のＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜
４Ｂ  第２のＳｉＣ／ＳｉＯ2反射膜
５  ｎ型ＧａＮ層
５Ａ  第１のｎ型ＧａＮ層
５Ｂ  第２のｎ型ＧａＮ層
６  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層
６Ａ  第１のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層
６Ｂ  第２のＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＤ活性層
７  ｐ型ＧａＮ層
７Ａ  第１のｐ型ＧａＮ層
７Ｂ  第２のｐ型ＧａＮ層
８  ナノワイヤ
８Ａ  第１のナノワイヤ
８Ｂ  第２のナノワイヤ
９  ｐ型側電極
９Ａ  第１のｐ型側電極
９Ｂ  第２のｐ型側電極
１０  電極パッド
１０Ａ  第１の電極パッド
１０Ｂ  第２の電極パッド
１１  ｎ型側電極
１１Ａ  第１のｎ型側電極
１１Ｂ  第２のｎ型側電極
１２  透明絶縁層
１２Ａ  第１の透明絶縁層
１２Ｂ  第２の透明絶縁層
１００  発光素子
１００Ａ  第１の発光素子
１００Ｂ  第２の発光素子
１０１，２０１  発光デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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