JP2009009977A - 化合物半導体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素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板やバッファ層上にナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成る化合物半導体素子において、信頼性を向上するとともに、上部電極の形成を容易にする。
【解決手段】（ａ）で示すように、絶縁性基板であるサファイア基板１上に、ｎ型電極引出しのためのバッファ層となるｎ型ＧａＮ層２を成長させ、さらに絶縁膜であるＳｉＯ_２薄膜４を蒸着して開口部５を形成する。その後、（ｂ）で示すように前記開口部５内で露出したｎ型ＧａＮ層２を種結晶としてＧａＮ：Ｚｎナノコラム６を成長させた後、有機金属ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む水溶液をスピンコートし、ベークすることで、（ｃ）で示すようにｐ型層７を形成する。したがって、（ｄ）で示すように、ｎ型電極１０に接続されるｎ型ＧａＮ層２とｐ型透明電極８に接続されるｐ型層７とは電気的に絶縁され、リークやショートを防止して信頼性を向上し、かつ上部電極８を容易に形成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、III−Ｖ族化合物半導体などの化合物半導体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素子の製造方法に関し、特に半導体素子としては、基板上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が形成されて成るものに関する。

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、主として、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−Ａｌ_ｘＧａ_１−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。これらのプレーナー型の発光素子（ＬＥＤ）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。

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。特に青色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ＧａＮナノコラムＬＥＤではプレーナー型ＬＥＤと違い、ＧａＮエピ層成長時に点在していた成長核が横（面）方向に結合した後、平面で縦方向に成長してゆくというのではなく、成長核が前記横（面）方向に結合する前に縦方向に成長するので、貫通転位は原理上存在せず、貫通転位の周りに発生する点欠陥もプレーナー型と比較して圧倒的に少ないことが期待できる。このため、プレーナー型ＬＥＤに比べて極めて結晶品質の良いＧａＮ単結晶が得られ、内部量子効率も飛躍的に向上することが期待できる。
特開２００５−２２８９３６号公報

上述のように構成されるナノコラムＬＥＤでは、貫通転位の課題は解決されているが、プレーナー型ＬＥＤに対する難点として、ｐ型電極の形成において、ナノコラム間への絶縁体の充填プロセスが難しく、ｐ型電極の形成が困難であるという欠点を有する。すなわち、ナノコラムの先端に形成されるｐ型ＧａＮ層の上にｐ型電極を形成すると、その電極材がナノコラム間に入り込み、非常に薄い該ｐ型ＧａＮ層が、活性層やｎ型ＧａＮ層とリークやショートを生じてしまう。このため、基板上にナノコラムを形成した後、ＳＯＧ、ＳｉＯ_２、もしくはエポキシ樹脂などの透明絶縁物を、スピンコートなどで埋め込んで、その上に前記ｐ型電極を形成することになる。しかしながら、液体状にした透明絶縁物には表面張力が働き、上手くナノコラム間の間隙中に入れ込むことは、前記スピンコーティングを用いても困難である。

本発明の目的は、上部電極を容易に形成することができる化合物半導体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素子の製造方法を提供することである。

本発明の化合物半導体素子は、基板またはバッファ層上にナノスケールの柱状結晶構造体を複数有する化合物半導体素子において、第１の導電型の電極に接続される前記基板またはバッファ層上に形成され、該柱状結晶構造体が成長してゆくための開口が穿設された絶縁膜と、透光性を有し、かつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を示す有機金属から成り、第２の導電型の電極に接続され、前記柱状結晶構造体を封止する封止部材とを含むことを特徴とする。

また、本発明の化合物半導体素子の製造方法は、基板またはバッファ層上にナノスケールの柱状結晶構造体を複数有する化合物半導体素子の製造方法において、第１の導電型の電極に接続されることになる前記基板またはバッファ層上に、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配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に前記絶縁膜をパターニングして、前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設する工程と、前記開口内で露出した前記基板またはバッファ層から、前記第１の導電型で前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程と、透光性を有し、かつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を示す有機金属から成り、第２の導電型の電極に接続されることになる封止部材で前記柱状結晶構造体を封止する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、基板またはその導電性の有無や結晶成長の関係で必要になるバッファ層上に、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が多数成長されて成る化合物半導体素子およびその製造方法において、その柱状結晶構造体を成長させるにあたって、ＳｉＯ_２，ＳｉＮなどから成る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配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状にその絶縁膜をパターニングして、前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設する。その後、前記基板またはバッファ層および柱状結晶構造体の第１の導電型に対して、それらとは反対の第２の導電型を示す有機金属から成り、かつ透光性を有し、前記第２の導電型の電極に接続される封止部材を堆積させ、ベークすることで前記柱状結晶構造体を封止する。

したがって、前記柱状結晶構造体の外周面と封止部材との間でｐｎ接合を構成してその界面で発光を行わせる一方、第１の導電型である前記基板またはバッファ層と第２の導電型である封止部材との間は前記絶縁膜によって絶縁されており、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、上部電極は前記封止部材上に容易に形成することができる。

また、開口、したが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、たとえば発光素子の場合には、結晶欠陥の少ない柱状結晶構造体の利点を生かし、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。

さらにまた、本発明の化合物半導体素子は、前記基板またはバッファ層と絶縁膜との間に、化合物半導体材料および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カタリスト材料層、または前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆく化合物種結晶層を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記基板またはバッファ層上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，Ｚｎ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や、前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆくＡｌＮなどの化合物種結晶層を前記基板またはバッファ層上に予め形成しておく。

したがって、前記柱状結晶構造体を短時間で成長させることができる。

また、本発明の化合物半導体素子では、前記柱状結晶構造体は、前記第１の導電型を示すコア部と、前記コア部を取り囲み、前記第１の導電型を示すシェル部とを有する同軸形状に形成され、それらのバンドギャップエネルギーの大きさが相互に異なることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記柱状結晶構造体を同じ導電型を示すコア部とクラッド部とから成る同軸形状とし、それらのバンドギャップエネルギーの大きさを相互に異ならせることによって、量子井戸（発光層）を形成することができ、発光効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、前記の化合物半導体素子を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、発光素子の信頼性を向上することができるとともに、その発光素子の上部電極を容易に形成することができる照明装置を実現することができる。

本発明の化合物半導体素子およびその製造方法は、以上のように、基板またはバッファ層上に、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が多数成長されて成る化合物半導体素子およびその製造方法において、その柱状結晶構造体を成長させるにあたって、絶縁膜を形成し、それをパターニングして前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設し、その後、前記基板またはバッファ層および柱状結晶構造体の第１の導電型に対して、それらとは反対の第２の導電型を示す有機金属から成り、かつ透光性を有し、前記第２の導電型の電極に接続される封止部材を堆積させ、ベークすることで前記柱状結晶構造体を封止する。

それゆえ、前記柱状結晶構造体の外周面と封止部材との間でｐｎ接合を構成してその界面で発光を行わせる一方、第１の導電型である前記基板またはバッファ層と第２の導電型である封止部材との間は前記絶縁膜によって絶縁されており、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、上部電極は前記封止部材上に容易に形成することができる。

さらにまた、本発明の化合物半導体素子は、以上のように、前記基板またはバッファ層と絶縁膜との間に、化合物半導体材料および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カタリスト材料層、または前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆく化合物種結晶層を有する。

それゆえ、前記柱状結晶構造体を短時間で成長させることができる。

また、本発明の化合物半導体素子は、以上のように、前記柱状結晶構造体を同じ導電型を示すコア部とクラッド部とから成る同軸形状とし、それらのバンドギャップエネルギーの大きさを相互に異ならせる。

それゆえ、量子井戸（発光層）を形成することができ、発光効率を向上することができる。

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素子を用いる。

それゆえ、発光素子の信頼性を向上することができるとともに、その発光素子の上部電極を容易に形成することができる照明装置を実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る化合物半導体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。本実施の形態では、ナノコラム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良いことは言うまでもない。また、本実施の形態では、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、本実施の形態では、ＭＯＣＶＤ装置を用いるものとする。さらにまた、ナノコラム結晶としてはＧａＮで説明するが、それに限定されるものではなく、酸化物、酸窒化物、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。また、絶縁性基板としてサファイア、導電性基板としてＳｉを用いたが、それらに限定されるものではなく、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、ＡｌＮ等を用いることもできる。

先ず、図１（ａ）で示すように、絶縁性基板であるサファイア基板１上に、前記ＭＯＣＶＤ装置を用いて、既存の方法により、ｎ型電極引出しのためのバッファ層となるｎ型ＧａＮ層２を１μｍ成長させた後に、基板１を取出し、ＥＢ蒸着により、絶縁膜であるＳｉＯ_２薄膜４を５０ｎｍ蒸着する。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、たとえば直径１００ｎｍの径で所定の位置に開口部５を形成する。

これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度９００℃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）およびＮＨ_３（アンモニア）を供給するとともに、ｎ型の不純物材料となるＺｎをドーピングするために、ＤＥＺｎ（ジエチルジンク）を供給すると、Ｇａ，Ｎ，Ｚｎの材料は前記開口部５から露出したｎ型ＧａＮ層２を種結晶として、図１（ｂ）で示すようにＧａＮ：Ｚｎナノコラム６に成長する。一方、ＳｉＯ_２薄膜４上に吸着した前記Ｇａ，Ｎ，Ｚｎの材料は、該ＳｉＯ_２薄膜４の表面に長くとどまることができず、表面から離脱し、該ＳｉＯ_２薄膜４上にはＧａＮ単結晶は形成されない。こうして前記開口部５にのみＧａＮ：Ｚｎナノコラム６が成長する。１０分ほどこの状態を維持することにより、前記ＧａＮ：Ｚｎナノコラム６は、高さ１００ｎｍ程度に成長する。前記Ｚｎは、１０^−１７〜１０^−１９程度の濃度が望ましい。

次に、有機金属ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（poly 3,4-ethylenedioxythiopheneにpoly 4-styrenesulfonateをドープしたもの）を含む水溶液を回転数８０００ｒｐｍで６０秒スピンコートし、厚みを約１００ｎｍ堆積させる。その後、ホットプレート上にて１２０℃で１時間ベークして水分を取り除くことで、図１（ｃ）で示すようにｐ型層７を形成する。

続いて、図１（ｄ）で示すように、スパッタ蒸着により透明導電層であるＮｉ５ｎｍ／ＩＴＯ２５ｎｍ積層膜を形成してｐ型透明電極８とし、そのｐ型透明電極８上にＮｉ３０ｎｍ／Ａｕ５００ｎｍ積層膜を蒸着して通常のリソグラフィとエッチングとにより部分的にｐ型電極パッド９を形成する。その後、通常のフォトリソグラフィ技術とＲＩＥにより将来ｎ型電極を形成する部分をエッチングしてｎ型ＧａＮ層２を露出させ、リフトオフ技術を用いてこの部分にＴｉ３０ｎｍ／Ａｕ５００ｎｍを積層、パターニングしてｎ型電極１０を形成する。

上述のようにして作製された発光ダイオードにおいて、ＧａＮ：Ｚｎナノコラム６は、ＳｉＯ_２薄膜４の開口部５内に密着して成長するので、前記ｎ型電極１０に接続されるｎ型ＧａＮ層２と、ｐ型透明電極８に接続されるｐ型層７とは電気的に絶縁される。ここで、前記ＧａＮ：Ｚｎナノコラム６のエネルギーバンドギャップは２．６ｅＶであり、その発光波長は約４６０ｎｍである。一方、前記ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳは正孔のみを伝導させる性質を有する有機金属であり、そのエネルギーバンドギャップは３ｅＶである。したがって、前記ｐ型層７は、ＧａＮ：Ｚｎナノコラム６からの発光波長に対して透明であるとともに、エネルギーバンドギャップの違いにより、ＧａＮ：Ｚｎナノコラム６はキャリア再結合発光のための井戸層の役割をする。

このように構成することで、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、ｐ型透明電極８は封止部材であるｐ型層７上に容易に形成することができる。

また、開口部５、したがってＧａＮ：Ｚｎナノコラム６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、結晶欠陥の少ないナノコラムの利点を生かし、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。さらにまた、前記有機金属に波長変換を行う蛍光体を混ぜ込むようにしてもよい。こうして、白色光に適応した発光ダイオードを実現することができ、前述のように光取出し効率および配光性に優れる点と併せて、該発光ダイオードは照明装置に極めて好適である。

なお、ナノコラム６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，Ｚｎ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や、前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆくＡｌＮなどの化合物種結晶層を基板またはバッファ層上に予め形成しておくことで、ナノコラムを短時間で成長させることができる。

また、ナノコラム６がｐ型層７で封止されるので、結晶成長に有利な前記サファイア基板１を用いて、レーザーリフトオフ法を用いてナノコラム６をサファイア基板１から切離し、別途ｎ型電極を貼付けて、基板の厚み方向に電流を供給するようにしてもよい。

［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の第２の形態に係る化合物半導体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。この発光ダイオードは、前述の発光ダイオードに類似し、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、本実施の形態では、基板に導性基板であるＳｉ基板１１を用いることである。先ずそのＳｉ基板１１上に、図２（ａ）で示すように、ＭＯＣＶＤによって、低温のＧａＮアモルファス層１２を２μｍ堆積し、さらにその上に高温のＧａＮ単結晶層１３を数百ｎｍ堆積する。これらのＧａＮアモルファス層１２およびＧａＮ単結晶層１３は、後述のＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５の成長のバッファ層となる。

次に、前記図１と同様に、ＥＢ蒸着により、絶縁膜であるＳｉＯ_２薄膜４を５０μｍ蒸着し、さら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、前記開口部５を形成する。その後、再びＭＯＣＶＤ装置に入れて温度９００℃に設定し、前記ＴＭＧ、ＮＨ_３およびｎ型の不純物材料となるＳｉをドーピングするために、シラン（ＳｉＨ_４）を供給することで、図２（ｂ）で示すようにＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５を１００ｎｍ成長させる。ここで、ＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５のエネルギーバンドギャップは３．４ｅＶである。

また注目すべきは、本実施の形態では、前記ＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５をコア層として、その周囲に同じくＭＯＣＶＤ装置を用いて、前記シラン（ＳｉＨ_４）に代えて、Ｉｎドーピングするために、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）を供給することで、図２（ｃ）で示すように、シェル状にＩｎＧａＮ層１６を成長させることである。このＩｎＧａＮ層１６の厚みは、３ｎｍ程度である。その後、さらにこのＩｎＧａＮ層１６の外側に、再びＳｉドープのｎ型ＧａＮ層１７を５ｎｍの厚みでシェル状に成長させて、これをキャップ層とする。このキャップ層は、電子障壁層としての役割と、ＩｎＧａＮ層１６からｐ型層７へのＩｎの拡散防止の役割とを果たす。これらのＩｎＧａＮ層１６およびｎ型ＧａＮ層１７を多層に形成することにより、多重量子井戸を形成することも可能である。

次に、前記図１と同様に、有機金属ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む水溶液をスピンコートし、厚みを約１００ｎｍ堆積させ、ベークして水分を取り除くことで、図１（ｄ）で示すように前記ｐ型層７を形成する。続いて、前記図１と同様に、スパッタ蒸着により透明導電層であるＮｉ５ｎｍ／ＩＴＯ２５ｎｍ積層膜を形成してｐ型透明電極８とし、そのｐ型透明電極８上にＮｉ３０ｎｍ／Ａｕ５００ｎｍ積層膜を蒸着して通常のリソグラフィとエッチングとにより部分的にｐ型電極パッド９を形成する。その後、本実施の形態では、Ｓｉ基板１１の裏面に、Ｔｉ３０ｎｍ／Ａｕ５００ｎｍを蒸着してｎ型電極１８を形成する。前記Ｓｉ基板１１は、事前にＰドープにより充分な導電性を有するようにしておくことができるので、この裏面のｎ型電極１８はコア層のＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５と電気的に導通をとることができる。

上述のようにして作製された発光ダイオードにおいて、ＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５は、ＳｉＯ_２薄膜４の開口部５内に密着して成長するので、前記ｎ型電極１８に接続されるＧａＮ単結晶層１３と、ｐ型透明電極８に接続されるｐ型層７とは電気的に絶縁される。ここで、前記ＩｎＧａＮ層１６のエネルギーバンドギャップは２．６ｅＶ、発光波長は約４６０ｎｍであり、前述のとおりＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのエネルギーバンドギャップは３ｅＶである。したがって、前記ｐ型層７は、ＩｎＧａＮ層１６からの発光波長に対して透明であるとともに、エネルギーバンドギャップの違いにより、ＩｎＧａＮ層１６はキャリア再結合発光のための井戸層の役割をする。

このように構成してもまた、前記スピンコートなどで有機金属の充填不足等があっても、リークやショートを防止することができ、信頼性を向上することができる。また、ｐ型透明電極８は封止部材であるｐ型層７上に容易に形成することができる。さらにまた、導電性基板を用いることで直列抵抗を減少し、より大電流、高出力のナノコラムＬＥＤを実現することができる。

ここで、ｎ型コア層となるＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５は、電子、正孔を蓄積する量子井戸の機能を有しており、電子、正孔をこの量子井戸に蓄えることにより、ここでの再結合の確率を上げ、高効率発光デバイスを実現できる。また、このｎ型コア層のバンドギャップ幅を変えることにより、所望の波長の光を取り出すことができる。ｎ型コア層とｎ型シェル層となるＩｎＧａＮ層１６とのバンドギャップの大小関係については、一概にどちらが良いとは言えず、ｎ型コア層バンドギャップ幅Ｅｇ（ｃｏｒｅ）＜ｎ型シェル層バンドギャップ幅Ｅｇ（ｓｈｅｌｌ）であれば、キャリア閉じ込めに優れ、発光再結合効率を向上させるという利点がある一方、正孔の伝導についてはバリアになり、直列寄生抵抗が大きくなるという欠点も有する。いずれにせよ、Ｅｇ（ｃｏｒｅ）とＥｇ（ｓｈｅｌｌ）との大きさが異なるものを用い、かつ前記のトレードオフを最適化することにより、ｎ型コア層のみのナノコラムＬＥＤよりも発光効率の高いナノコラムＬＥＤを実現することができる。

また好ましくは、遮光性のＳｉ基板１１を用いるので、前記ＳｉＯ_２薄膜４上に、ロジウムなどのＭＯＣＶＤによるナノコラム成長時の高温に耐えられる反射膜を形成しておくことで、前記ＩｎＧａＮ層１６から側方に放射された光が前記Ｓｉ基板１１に吸収されることを防止することができる。前記ロジウムによる反射膜には、下層のＳｉＯ_２薄膜４と一括して、ドライエッチングによって開口部５を形成することができる。

なお、ＧａＮ：Ｓｉナノコラム１５の先端で、直接ｐ型層７と接触するけれども、ｐｎ接合で、この部分でも僅かに発光を生じ、大きな短絡電流が流れることはない。

［実施の形態３］
図３は、本発明の実施の第３の形態に係る化合物半導体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。この発光ダイオードは、前述の図２で示す発光ダイオードに類似し、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、本実施の形態では、導性基板であるＳｉ基板２１上に、前述の図２と同様に、図３（ａ）で示すように、ＧａＮアモルファス層１２、ＧａＮ単結晶層１３、ＳｉＯ_２薄膜４および開口部５を形成した後、ＭＯＣＶＤ装置において、温度９００℃に設定し、前記ＴＭＧ、ＮＨ_３と共に、ｐ型の不純物材料となるＭｇをドーピングするために、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を供給することである。これによって、図３（ｂ）で示すように、ＧａＮ：Ｍｇナノコラム２５を１００ｎｍ成長させる。ここで、ＧａＮ：Ｍｇナノコラム２５のエネルギーバンドギャップも、３．４ｅＶである。

その後、前記ＧａＮ：Ｍｇナノコラム２５をコア層として、その周囲に同じくＭＯＣＶＤ装置を用いて、前記シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）に代えて、Ｉｎドーピングするために、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）を供給することで、図３（ｃ）で示すように、シェル状に前記ＩｎＧａＮ層１６を成長させる。このＩｎＧａＮ層１６の厚みは、３ｎｍ程度である。その後、さらにこのＩｎＧａＮ層１６の外側に、再びＭｇドープのｐ型ＧａＮ層２６を５ｎｍの厚みでシェル状に成長させて、これをキャップ層とする。このキャップ層は、電子障壁層としての役割と、ＩｎＧａＮ層１６から後述のｎ型層２７へのＩｎの拡散防止の役割とを果たす。これらのＩｎＧａＮ層１６およびｐ型ＧａＮ層２６を多層に形成することにより、多重量子井戸を形成することも可能である。

続いて、注目すべきは、ｐ型のコア層に対応して、前記試料をＭＢＥ装置にセットし、有機物Ａｌｑ_３（Tris(8-hydroxyquinoline)にＡｌをドープしたもの）を真空（１０^−６Ｔｏｒｒ）中で、Ｋセル温度３５０℃で１００分加熱蒸発させることで、前記試料上に厚み約１００ｎｍのＡｌｑ_３を堆積させることである。この有機物Ａｌｑ_３は電子のみを伝導させる性質を有する有機金属であり、これがナノコラムＬＥＤの前記ｎ型層２７を形成する。Ａｌｑ_３のエネルギーバンドギャップは２．５−２．７ｅＶであり、前記ＩｎＧａＮ層１６からの発光波長に対して透明である。またこのエネルギーバンドギャップの違いにより、ＩｎＧａＮ層１６はキャリア再結合発光のための井戸層の役割をする。このような電子のみを伝導させる有機物としては、他にＡｎｔｈｒａｃｅｎｅがあり、このエネルギーバンドギャップは３．９Ｖであり、より広い波長領域に亘って透明である。

その後、スパッタ蒸着により透明導電層であるＩＴＯ膜を２５ｎｍ形成してｎ型透明電極２８とし、そのｎ型透明電極２８上にボンディングパッドとしてＴｉ３０ｎｍ／Ａｕ５００ｎｍ積層膜を蒸着して、通常のリソグラフィとエッチングにより部分的にｎ型電極パッド２９を形成する。さらに、前記Ｓｉ基板２１の裏面に、Ｔｉ３０ｎｍ／Ａｕ５００ｎｍを蒸着してｐ型電極３０を形成する。前記Ｓｉ基板２１は、事前にＢドープにより充分な導電性を有するようにしておくことができるので、この裏面のｐ型電極３０はコア層のＧａＮ：Ｍｇナノコラム２５と電気的に導通をとることができる。

このようにして、ｐ型コア層およびｐ型シェル層を用いたナノコラムＬＥＤを作製することができる。ｐ型コア層およびｐ型シェル層を用いた場合、量子井戸の多数キャリアが正孔となり、通常、発光再結合で正孔が供給律速となる課題を解決することができ、さらに発光効率の高いナノコラムＬＥＤを実現することができる。

本発明の実施の第１の形態に係る化合物半導体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。 本発明の実施の第２の形態に係る化合物半導体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。 本発明の実施の第３の形態に係る化合物半導体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。

符号の説明

１ サファイア基板
２ ｎ型ＧａＮ層
４ ＳｉＯ_２薄膜
５ 開口部
６ ＧａＮ：Ｚｎナノコラム
７ ｐ型層
８ ｐ型透明電極
９ ｐ型電極パッド
１０，１８ ｎ型電極
１１，２１ Ｓｉ基板
１２ ＧａＮアモルファス層
１３ ＧａＮ単結晶層
１５ ＧａＮ：Ｓｉナノコラム
１６ ＩｎＧａＮ層
１７ ｎ型ＧａＮ層
２５ ＧａＮ：Ｍｇナノコラム
２６ ｐ型ＧａＮ層
２７ ｎ型層
２８ ｎ型透明電極
２９ ｎ型電極パッド
３０ ｐ型電極

Claims (5)

1. 基板またはバッファ層上にナノスケールの柱状結晶構造体を複数有する化合物半導体素子において、
   第１の導電型の電極に接続される前記基板またはバッファ層上に形成され、該柱状結晶構造体が成長してゆくための開口が穿設された絶縁膜と、
   透光性を有し、かつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を示す有機金属から成り、第２の導電型の電極に接続され、前記柱状結晶構造体を封止する封止部材とを含むことを特徴とする化合物半導体素子。
2. 前記基板またはバッファ層と絶縁膜との間に、化合物半導体材料および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カタリスト材料層、または前記化合物半導体材料および添加物材料を吸着・結合させて前記柱状結晶構造体に成長させてゆく化合物種結晶層を有することを特徴とする請求項１記載の化合物半導体素子。
3. 前記柱状結晶構造体は、前記第１の導電型を示すコア部と、前記コア部を取り囲み、前記第１の導電型を示すシェル部とを有する同軸形状に形成され、それらのバンドギャップエネルギーの大きさが相互に異なることを特徴とする請求項１または２記載の化合物半導体素子。
4. 前記請求項１または２記載の化合物半導体素子を用いることを特徴とする照明装置。
5. 基板またはバッファ層上にナノスケールの柱状結晶構造体を複数有する化合物半導体素子の製造方法において、
   第１の導電型の電極に接続されることになる前記基板またはバッファ層上に、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配置位置で、成長させるべき柱径に対応した形状に前記絶縁膜をパターニングして、前記基板またはバッファ層が露出するように開口を穿設する工程と、
   前記開口内で露出した前記基板またはバッファ層から、前記第１の導電型で前記柱状結晶構造体を結晶成長させる工程と、
   透光性を有し、かつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を示す有機金属から成り、第２の導電型の電極に接続されることになる封止部材で前記柱状結晶構造体を封止する工程とを含むことを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。

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