JP4483736B2 - 半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

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およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法に関し、特に前記半導体発光素子としては、ナノコラムと称される柱状結晶構造体を複数有して成るものに関する。

近年、III−Ｎ化合物半導体（以下、ナイトライドと呼ぶ）または酸化物半導体を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて発光させる固体発光素子の発展が目覚しい。しかしながら、これらの固体発光素子の作製においては、以下に述べる課題を有する。

たとえば、ナイトライドに関して言及すると、結晶成長が抱える根本的な課題として、異種材料基板上への結晶成長が主であるということが挙げられる。ナイトライドのヘテロエピタキシャル成長に関する一般的な成長モデルとしては、先ず基板上に薄く堆積された低温バッファ層上に三次元核が形成され、さらに成長が進むと核が大きくなり、隣接する核と結合して平坦な面が形成される。以降、平坦な面を維持しながら２次元成長を継続する。しかしながら、隣接する核が結合する際、それぞれの核が独立して形成されているので、成長面が完全に一致せず、結合後、核界面に多くの欠陥を形成する。欠陥の多くは貫通転位として結晶表面にまで達する。この貫通転位は非発光再結合中心として作用し、固体発光素子の発光効率を著しく減少させる。

このような課題に対して、従来から、貫通転位を減少させるための様々な取り組みがなされてきた。その結果、当初、ナイトライド結晶内に１０^１０ｃｍ^−２程度あった転位を、１０^５ｃｍ^−２程度まで減少させるに至っている。

さらなる低転位化技術として、柱状結晶構造体（以下、ナノコラムと呼ぶ）が注目され始めている。ナノコラムは、１００ｎｍ程度の直径を有し、隣接する核が結合することなく、独立して柱状の結晶を形成している。したがって、ナノコラムにはその結晶内にほとんど貫通転位を含まず、非常に高品質な結晶を得ることができる。また、ナノコラムは表面積が薄膜に比べて格段に大きく、円筒形状をしているので、通常の薄膜の発光素子に比べて、光取り出し効率の向上が期待されている。

そのようなナノコラムを用いた固体発光素子の製作が試みられた一例として、図６に非特許文献１の構造を示す。その従来技術によれば、ＲＦ−ＭＢＥ（高周波分子線エピタキシー）装置によって、シリコン基板５１上に、ｎ型ＧａＮナノコラム層５２、発光層５３を形成し、ナノコラム径を広げながらｐ型ＧａＮコンタクト層５４をエピタキシャル成長させた上に、半透明のｐ型電極５５となるＮｉ（２ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）を形成させている。
菊池、野村、岸野「窒化物半導体ナノコラム結晶を用いた新しい機能性デバイス材料の開発」（応用物理学会２００４年秋季大会予稿集第１分冊４Ｐ−Ｗ−１）

しかしながら、上述の従来技術では、発光層５３で発生した光の内、ナノコラムの軸方向に放射された光は、該発光層５３に示すエスケープコーン内に入らずに、シリコン基板５１またはｐ型電極５５に吸収されてしまう。したがって、光取り出し効率が期待される程、向上できていないのが実情である。

本発明の目的は、基板や電極での光の吸収を抑え、ナノコラム内に閉込められた光を効率良く外部に取出すことができる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有して成る半導体発光素子において、前記柱状結晶構造体における前記発光層以外の領域に、前記発光層から放射された光を吸収して再発光させる吸収・再発光層を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有して成る半導体発光素子の製造方法において、前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層との少なくとも一方の成長工程に、前記発光層から放射された光を吸収して再発光させる吸収・再発光層を成長させる工程を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有して成る半導体発光素子において、前記ナノコラムは円筒形に近い形状をしている。したがって、エスケープコーンは発光層からナノコラムの周方向にリング状に形成されるので、高い取出し効率が期待される。そこで、エスケープコーンに入らず、前記発光層からナノコラムの軸方向に放射された光に対して、それを吸収して再発光させる吸収・再発光層をナノコラムの発光層（ｐｎ接合）以外の領域に設ける。

前記吸収・再発光層は、比較的薄い井戸層を障壁層で挟むダブルへテロ構造を複数積層した多重量子井戸構造や、比較的厚い井戸層を障壁層で挟むダブルへテロ構造で実現することができ、その吸収・再発光層を、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層とｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層との少なくとも一方に、１または複数箇所設ける。前記ダブルへテロ構造や量子井戸層の材質によって、発光層からの光と同程度の波長の光を再発生させたり、発光層の発光波長より長波長側の異なる波長の光を再発生させたりすることができる。

したがって、吸収・再発光層で発生された光は、そのエスケープコーンからナノコラムの外部へ放出され、こうして発光層からナノコラムの軸方向に放射されてしまった光の一部も取出せるようになり、基板や電極に光を吸収される割合が減少する。これによって、ナノコラム内に閉じ込められた光を効率良く外部に取出すことができ、光取出し効率を一層向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上に、これらとオーミックコンタクトを取ることができる導電性材料を貼合わせて成るｐ型電極を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記のナノコラムを複数有して成る半導体発光素子において、そのナノコラムの先端側に設けるべきｐ型電極を、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とオーミックコンタクトを取ることができる導電性材料の貼合わせで実現する。具体的には、ナノコラム間に絶縁体を埋込んだ後、ナノコラムの先端に金属を蒸着させたり、前記ナノコラムの先端を研磨して高さを揃えて平坦にし、導電性基板を密着させて、加圧および加熱することで貼合せる。

したがって、導電性材料から成るｐ型電極内には、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を面方向に成長させて該ｐ型電極とした場合に生じるような貫通転位はなく、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を生かしたさらに高効率な半導体発光素子を実現することができる。

また、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、吸収・再発光層で光取出し効率を向上した高効率な半導体発光素子を用いることで、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。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体（ナノコラム）を複数有して成る半導体発光素子において、前記ナノコラムは円筒形に近い形状をしており、したがってエスケープコーンは発光層からナノコラムの周方向にリング状に形成され、高い取出し効率が期待されるので、エスケープコーンに入らず、前記発光層からナノコラムの軸方向に放射された光に対して、それを吸収して再発光させる吸収・再発光層をナノコラムの発光層（ｐｎ接合）以外の領域に設ける。

それゆえ、基板や電極に光を吸収される割合が減少し、ナノコラム内に閉じ込められた光を効率良く外部に取出すことができ、光取出し効率を一層向上することができる。

また、本発明の照明装置は、以上のように、吸収・再発光層で光取出し効率を向上した高効率な前記の半導体発光素子を用いる。

それゆえ、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。

［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である発光ダイオードＤ１の構造を模式的に示す断面図である。この発光ダイオードＤ１では、ＲＦ−ＭＢＥ（高周波分子線エピタキシー）装置によって、シリコン基板１上に、ｎ型ＧａＮナノコラム層２、発光層３を形成し、ナノコラム径を広げながらｐ型ＧａＮコンタクト層４をエピタキシャル成長させた上に、半透明のｐ型電極５となるＮｉ（２ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）を形成させている。この後、シリコン基板１のナノコラムとは反対側にｎ型電極が形成され、前記ｐ型電極５側が光取出し面となる発光ダイオードＤ１が作製される。以上の点は、前記図６で示す従来技術のナノコラムの作製方法と同様である。

注目すべきは、本発明では、前記ｎ型ＧａＮナノコラム層２に、吸収・再発光層６が設けられていることである。吸収・再発光層６は、柱状構造を維持したまま、図２（ａ）の吸収・再発光層６ａで示すような多重量子井戸構造や、図２（ｂ）の吸収・再発光層６ｂで示すようなダブルへテロ構造で実現することができる。図２（ａ）の多重量子井戸構造では、比較的薄い、たとえば２ｎｍの井戸層７ａ，７ｂ，７ｃを、ｎ型ＧａＮナノコラム層２ａ，２ｂや、５ｎｍの障壁層２ｃ，２ｄで挟むダブルへテロ構造を複数積層して成る。一方、図２（ｂ）のダブルへテロ構造では、比較的厚い、たとえば２０ｎｍの井戸層８を前記ｎ型ＧａＮナノコラム層２ａ，２ｂで挟んで構成される。

この吸収・再発光層６は、ｐ型ＧａＮコンタクト層４側に設けられてもよく、図３（ａ）で示すようにｎ型ＧａＮナノコラム層２との両側に設けられてもよく、図３（ｂ）で示すように複数箇所に設けられてもよい。この吸収・再発光層６の材質によって、発光層３からの光と同程度の波長の光を再発生させたり、発光層３の発光波長より長波長側の異なる波長の光を再発生させたりすることができる。

このように構成することで、ナノコラムは円筒形に近い形状をしており、図４で示すようにエスケープコーンＣ１は発光層３からナノコラムの周方向にリング状に形成され、高い取出し効率が期待されるので、そのエスケープコーンＣ１に入らず、前記発光層３からナノコラムの軸方向に放射された光９に対して、それを吸収して再発光させる吸収・再発光層６をナノコラムの発光層（ｐｎ接合）３以外の領域に設けることで、発光層３からナノコラムの軸方向に放射されてしまった光の一部も取出せるようになり、シリコン基板１やｐ型電極５に光を吸収される割合が減少する。これによって、ナノコラム内に閉じ込められた光を効率良く外部に取出すことができ、光取出し効率を一層向上することができる。前記発光層３および吸収・再発光層６において、ＩｎＧａＮの多重量子井戸構造から成り、発光波長が４６０ｎｍの場合、θ＝２３〜２４°程度である。

［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードＤ２の構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、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、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）等の装置を用いてもナノコラムが作製可能であることは公知である。また、発光波長が４６０ｎｍの窒化物半導体を作製する場合について述べるけれども、発光波長は限定されず、また酸化物半導体であってもよい。さらにまた、基板１１は、サファイアに限定されず、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、珪素（Ｓｉ）、ガラス（ＳｉＯ_２）、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等も候補として挙げられる。

先ず、サファイア基板１１上に、低温ＡｌＮバッファ層を周知となっている手法にて堆積させた後、Ｓｉを添加し、ｎ型としたＡｌＧａＮ下地層１２を２μｍ形成する。ここでｎ型ＡｌＧａＮ下地層１２の形成条件は、成長温度を１１００℃とし、成長圧力を７６Ｔｏｒｒとした。このｎ型ＡｌＧａＮ下地層１２は、発光層１６で生じた光を吸収せず、かつ導電性を持たせることができる層であればよい。したがって、用いられる材料は、前記ＡｌＧａＮに限らず、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ等も候補として挙げられる。また、ｎ型ＡｌＧａＮ下地層１２は複数の層から構成されてもよい。このｎ型ＡｌＧａＮ下地層１２上に、基板１１が発光層１６の光を吸収する場合、分布型ブラッグ反射鏡や、ロジウム等の金属膜を形成してもよい。

続いて、ナノコラムの成長に移り、先ずｎ型ＡｌＧａＮ下地層１２上に核成長部１３を形成する。このときの条件は、成長温度５００℃、成長圧力７６Ｔｏｒｒにて、Ｇａ原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ；Ｇａ（ＣＨ_３）_３）および窒素原料であるアンモニア（ＮＨ_３）を供給することで、非晶質ＧａＮを形成する。その後、温度を１０５０℃程度まで加熱し、非晶質ＧａＮを多結晶化する。この時、核成長部１３の高さは、２０ｎｍ程度とした。

次に、成長温度を１０７０℃として、ｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ａの成長を行う。このｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ａは、ナノコラムＧａＮの成長中、Ｓｉを不純物として添加することで、ｎ型伝導性を確保させることで作製可能である。また、ｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ａの高さは、２μｍとした。ただし、ナノコラムの材料は、ＧａＮに限定されるものではなく、たとえばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ等も候補に挙げられる。

続いて、成長温度を７００℃まで下げ、柱状構造を維持したまま、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を成長させることで、吸収・再発光層１５ａを形成する。本実施の形態では、前記図２（ａ）で示すような、井戸層７ａ，７ｂ，７ｃの厚さを２ｎｍ、障壁層２ｃ，２ｄの厚さを５ｎｍとして、３つの井戸を有する構造を採用した。井戸層７ａ，７ｂ，７ｃのＩｎＧａＮのＩｎ組成は１７％とした。

次に、ｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ｂを形成する。この時の製作条件は、吸収・再発光層１５ａの下に用いたｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ａの製作条件と同じである。ただし、厚さを３００ｎｍとした。

続いて、発光層１６を形成する。この時の製作条件は、吸収・再発光層１５ａと同様である。ただし、発光層１６の発光波長は、上記量子井戸の場合、Ｉｎ組成を変更することで変化させることができる。ただし、発光層１６の材料は、ＩｎＧａＮに限定されるものではなく、前記ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ等も候補に挙げられる。

次に、ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ａを形成する。今回の成長条件は、前記ｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ａ，１４ｂを形成する条件と同じにした。ｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ａ，１４ｂ同様、ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ａの材料は、ＧａＮに限定されるものではない。厚さは、３０ｎｍとした。続いて、吸収・再発光層１５ｂを形成する。製作条件は、前記吸収・再発光層１５ａと同様である。次に、ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ｂを形成する。製作条件は、前記ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ａと同様である。ただし、厚さを２０ｎｍとした。上記工程を行うことで、ｎ型ナノコラムＧａＮ層１４およびｐ型ナノコラムＧａＮ層１７のそれぞれに、吸収・再発光層１５ａ，１５ｂを導入することができる。

続いて、回転塗布によって、絶縁体であるＳＯＧ（Spin on Glass）を塗布し、ナノコラム間の隙間に絶縁体１８を充填させる。前記ＳＯＧは、液状であるので、ナノコラム間の隙間に侵入する。ナノコラム間隔、ＳＯＧの粘性などを制御することによって、ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ｂより基板１１側へ侵入させることは容易である。この後、ＳＯＧを４００℃で焼成して固化し、バッファードフッ酸を用いて、ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ｂの先端が露出するようにＳＯＧを全面エッチングすると、少なくともｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ｂと、吸収・再発光層１５ｂと、発光層１６とをカバーする形で、絶縁体１８であるＳＯＧが埋め込まれる。そして、この上に、たとえばＮｉ／Ａｕの透明電極を蒸着し、ｐ型電極１９とする。サファイア基板１１側から光を取出す場合には、このｐ型電極１９に、ロジウム、銀、Ａｌ等の可視域で反射率の高い金属を用いることも可能である。

さらに、通常のフォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成し、ナノコラムの一部をドライエッチングして、ｎ型ＡｌＧａＮ下地層１２が露出するまで除去し、たとえばＴｉ／ＡｕまたはＡｌ／Ａｕ（Ａｌ／Ａｕの方が反射率が高く有望）のｎ型電極２０を形成する。このようにして、本実施の形態の発光ダイオードＤ２を作製する。

このように構成することで、前述の図６で示す非特許文献１では、ｐ型電極５５を形成するためのｐ型ＧａＮコンタクト層５４に面方位の異なる結晶が混在して成長し、たとえナノコラム内に貫通転位が無くとも、該ｐ型ＧａＮコンタクト層５４に多数の貫通転位が発生してしまい、発光層５３で発生した光の多くが吸収されてしまうのに対して、本実施の形態のようにナノコラムの先端側に設けるべきｐ型電極１９を、ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ｂとオーミックコンタクトを取ることができる透明電極の貼合わせで実現することで、そのような問題を解消し、ナノコラムが内部に貫通転位を持たないという利点を生かしたさらに高効率な発光ダイオードを実現することができる。

上述の発光ダイオードＤ２では、前記ｐ型電極１９は、ＳＯＧによる絶縁体１８を埋込んで、発光層１６を挟んでｎ型ナノコラムＧａＮ層１４ｂとｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ａとが短絡しないようにした後、蒸着によって形成されているけれども、吸収・再発光層１５ｂからｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ｂを形成した後、該ｐ型ナノコラムＧａＮ層１７ｂの先端を、多層半導体を作製する際に広く用いられるシリコンＣＭＰ技術を用い、回転研磨によって均一な高さに揃えた後、同様に研磨によって表面を平坦にしたｐ型ＧａＮ基板を積層し、加熱・加圧することで、ｐ型電極が作製されてもよい。

上述のように構成される発光ダイオードＤ１，Ｄ２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。

本発明の実施の第１の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。 本発明のナノコラムに設ける吸収・再発光層の構造例を示す断面図である。 前記吸収・再発光層の配置例を示す断面図である。 ナノコラムにおけるエスケープコーンによる光取出し角を説明するための図である。 本発明の実施の第２の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。 典型的な従来技術の半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２，２ａ，２ｂ ｎ型ＧａＮナノコラム層
２ｃ，２ｄ 障壁層
３ 発光層
４ ｐ型ＧａＮコンタクト層
５ ｐ型電極
６，６ａ，６ｂ 吸収・再発光層
７ａ，７ｂ，７ｃ 井戸層
８ 井戸層
１１ サファイア基板
１２ ＡｌＧａＮ下地層
１３ 核成長部
１４，１４ａ，１４ｂ ｎ型ナノコラムＧａＮ層
１５ａ，１５ｂ 吸収・再発光層
１６ 発光層
１７，１７ａ，１７ｂ ｐ型ナノコラムＧａＮ層
１８ 絶縁体
１９ ｐ型電極
２０ ｎ型電極
Ｃ１，Ｃ２ エスケープコーン
Ｄ１，Ｄ２ 発光ダイオード

Claims (6)

1. 基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有して成る半導体発光素子において、
   前記柱状結晶構造体における前記発光層以外の領域に、前記発光層から放射された光を吸収して再発光させる吸収・再発光層を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記吸収・再発光層は、多重量子井戸構造から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記吸収・再発光層は、ダブルへテロ構造から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層上に、これらとオーミックコンタクトを取ることができる導電性材料を貼合わせて成るｐ型電極を有す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。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
6. 基板上に、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有して成る半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層との少なくとも一方の成長工程に、前記発光層から放射された光を吸収して再発光させる吸収・再発光層を成長させる工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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