特許 7520305 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/08 20100101AFI20240716BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20240716BHJP

   H01L 33/24 20100101ALI20240716BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

H01L33/08

H01L33/32

H01L33/24

H01L21/205

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020145488

(22)【出願日】2020-08-31

(65)【公開番号】P2022040676

(43)【公開日】2022-03-11

【審査請求日】2023-05-18

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、文部科学省、「省エネルギー社会の実現に資する次世代半導体研究開発」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000001133

【氏名又は名称】株式会社小糸製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001667

【氏名又は名称】弁理士法人プロウィン

(72)【発明者】

【氏名】上山 智

(72)【発明者】

【氏名】竹内 哲也

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 素顕

(72)【発明者】

【氏名】赤▲崎▼ 勇

(72)【発明者】

【氏名】ルー ウェイファン

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 和真

(72)【発明者】

【氏名】曽根 直樹

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／０２３９２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５２７７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０３３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５３３８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１６２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１０７７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００６１６４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、
前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、
前記開口部の開口率が０．１％以上３％以下であり、発光波長が５００ｎｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記活性層におけるＩｎ組成が０．１０以上０．４０以下の範囲であることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項3】

請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、
前記ｎ型ナノワイヤ層の高さは、１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、
前記開口部の開口径が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、ピッチが４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項4】

請求項１から３の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
前記ｎ型ナノワイヤ層は半極性面を有しており、前記活性層は前記半極性面上に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項5】

成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、
前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、
前記成長基板の第１領域において、前記開口部の開口率が０．１％以上５．０％以下であり、発光波長が４８０ｎｍ以上であり、
前記成長基板の第２領域において、前記開口部の開口率が５．０％より大きく、発光波長が４８０ｎｍ未満であることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項6】

成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、
前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、
前記成長基板の第１領域において、前記開口部の開口率が第１開口率であり、
前記成長基板の第２領域において、前記開口部の開口率が第２開口率であり、
前記第１開口率は前記第２開口率より小さく、前記第１領域は前記第２領域よりも発光波長が長波長であり、
前記第１開口率が０．１％以上３％以下であり、前記第１領域の発光波長が５００ｎｍ以上であることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項7】

成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、
前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、
前記成長基板の第１領域と第２領域において、前記開口部の開口率が同じで開口径およびピッチが異なり、前記ｎ型ナノワイヤ層の高さが同じであることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項8】

請求項５から７の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
前記第１領域と前記第２領域の間は１０μｍ以下の幅を有する分離領域が設けられており、
前記分離領域の前記マスク上に配線パターンが形成されていることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項9】

請求項５から８の何れか一つに記載の半導体発光素子であって、
前記成長基板の前記第１領域、前記第２領域または第３領域において、前記ｎ型ナノワイヤ層は半極性面を有しており、前記活性層は前記半極性面上に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、窒化物系半導体の結晶成長方法が急速に進展し、この材料を用いた高輝度の青色、緑色発光素子が実用化された。従来から存在した赤色発光素子とこれらの青色発光素子、緑色発光素子を組み合わせることで光の３原色全てが揃い、フルカラーのディスプレイ装置も実現可能となった。即ち、光の３原色全てを混合させると白色の光を得ることもできるようになり、照明用デバイスへの応用も可能である。

【0003】

照明用途の光源に用いる半導体発光素子では、高電流密度領域において高いエネルギー変換効率と高い光出力を実現できることが望ましく、放出される光の配光特性が安定していることが望ましい。これらの課題を解決するために特許文献１では、半導体基板上にｎ型ナノワイヤコアと活性層とｐ型層を成長し、ＩＴＯ等の透明導電膜を形成した半導体発光素子が提案されている。

【0004】

特許文献１に開示されているナノワイヤコアの外周に活性層を形成した半導体発光素子では、サファイア基板の全面に活性層を形成したものよりも結晶欠陥や貫通転位が少なく、高品質な結晶を得られ、またｍ面成長できるため高電流密度における外部量子効率の向上を図ることができる。また、特許文献１のナノワイヤコアを用いた半導体発光素子では、活性層を高品質な結晶で形成できるため、活性層のＩｎ組成を高めて長波長化を図ることが期待されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－０１２７４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来技術の半導体発光素子では、ナノワイヤコアの直径を大きくすることで活性層に取り込まれるＩｎの比率を高めて長波長化を図っている。しかし、十分に活性層に取り込まれるＩｎの比率を高めることは困難であり、青緑や緑色、赤色などの４８０ｎｍ以上で再現性高く発光させることは困難であった。

【0007】

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、ナノワイヤよりも外周に形成された活性層に取り込まれるＩｎの比率を高めて、再現性高く４８０ｎｍ以上で発光させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、前記開口部の開口率が０．１％以上３％以下であり、発光波長が５００ｎｍ以上であることを特徴とする。

【0009】

このような本発明の半導体発光素子では、マスクに形成された開口部の開口率を０．１％以上３％以下の範囲とすることで、同一の成長条件でもｎ型ナノワイヤ層の高さ、直径、結晶成長面を制御して活性層へのＩｎ取込率を向上させ、再現性高く５００ｎｍ以上で発光させることができる。

【0011】

また本発明の一態様では、前記活性層におけるＩｎ組成が０．１０以上０．４０以下の範囲である。

【0012】

また本発明の一態様では、前記ｎ型ナノワイヤ層の高さは、１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。

【0013】

また本発明の一態様では、前記開口部の開口径が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、ピッチが４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下である。

【0014】

また本発明の一態様では、前記ｎ型ナノワイヤ層は半極性面を有しており、前記活性層は前記半極性面上に形成されている。

【0015】

また上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、前記成長基板の第１領域において、前記開口部の開口率が０．１％以上５．０％以下であり、発光波長が４８０ｎｍ以上であり、前記成長基板の第２領域において、前記開口部の開口率が５．０％より大きく、発光波長が４８０ｎｍ未満であることを特徴とする。

【0016】

また上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、前記成長基板の第１領域において、前記開口部の開口率が第１開口率であり、前記成長基板の第２領域において、前記開口部の開口率が第２開口率であり、前記第１開口率は前記第２開口率より小さく、前記第１領域は前記第２領域よりも発光波長が長波長であり、前記第１開口率が０．１％以上３％以下であり、前記第１領域の発光波長が５００ｎｍ以上であることを特徴とする。

【0017】

また上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成されたマスクと、前記マスクに設けられた開口部から成長された柱状半導体層を備える半導体発光素子であって、前記柱状半導体層は、中心にｎ型ナノワイヤ層が形成され、前記ｎ型ナノワイヤ層よりも外周に活性層が形成され、前記活性層よりも外周にｐ型半導体層が形成されており、前記成長基板の第１領域と第２領域において、前記開口部の開口率が同じで開口径およびピッチが異なり、前記ｎ型ナノワイヤ層の高さが同じであることを特徴とする。

【0018】

また本発明の一態様では、前記第１領域と前記第２領域の間は１０μｍ以下の幅を有する分離領域が設けられており、前記分離領域の前記マスク上に配線パターンが形成されている。

【0019】

また本発明の一態様では、前記成長基板の前記第１領域、前記第２領域または第３領域において、前記ｎ型ナノワイヤ層は半極性面を有しており、前記活性層は前記半極性面上に形成されている。

【発明の効果】

【0021】

本発明では、ナノワイヤよりも外周に形成された活性層に取り込まれるＩｎの比率を高めて、再現性高く４８０ｎｍ以上で発光させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】第１実施形態に係る半導体発光素子１０を示す模式図である。

【図2】半導体発光素子１０の製造方法を示す模式図であり、図２（ａ）はマスク形成工程、図２（ｂ）はナノワイヤ成長工程、図２（ｃ）は成長工程、図２（ｄ）は除去工程、図２（ｅ）は電極形成工程を示している。

【図3】成長基板１１上における発光領域に形成されたマスク１３の形状を示す模式平面図である。

【図4】開口部１３ａの半径ｒとピッチｐの比率を一定にして、半径ｒを変化させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。

【図5】開口部１３ａのピッチｐを一定にして、半径ｒを変化させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。

【図6】開口部１３ａのピッチｐと半径ｒを変化させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。

【図7】ｎ型ナノワイヤ層１４の表面を構成するファセットについて示す模式断面図であり、図７（ａ）は頂面をｃ面とした場合を示し、図７（ｂ）は頂面をｒ面とした場合を示している。

【図8】開口部１３ａのピッチｐを一定にして、半径ｒを変化させるとともに、頂面にｒ面ファセットを露出させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。

【図9】実施例１～１０の実験結果を示すグラフであり、開口部１３ａの開口率と発光波長の関係を示している。

【図10】第２実施形態に係る半導体発光素子１０の発光領域について示す模式図であり、図１０上段は模式平面図であり、図１０下段は模式断面図である。

【図11】同一の成長基板１１上において、複数の領域に開口径の異なる開口部１３ａを形成した場合のｎ型ナノワイヤ層１４の結晶成長を示すＳＥＭ像である。

【図12】ｎ型ナノワイヤ層１４の外周に活性層１５としてＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を形成した状態を示すＳＥＭ像とカソードルミネッセンス測定結果である。

【図13】活性層１５中のＧａＮ障壁層を８００℃で成長した場合のＳＥＭ像とカソードルミネッセンス測定結果である。

【図14】活性層１５中のＧａＩｎＮ井戸層を７３０℃で成長した場合のＳＥＭ像とカソードルミネッセンスマッピング結果である。

【図15】ＧａＩｎＮ井戸層の成長温度が７５０℃、７３０℃、７１０℃の場合における、規格化したＣＬ発光強度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、第１実施形態に係る半導体発光素子１０を示す模式図である。

【0024】

図１に示すように、半導体発光素子１０は、成長基板１１と、下地層１２と、マスク１３と、ｎ型ナノワイヤ層１４と、活性層１５と、ｐ型半導体層１６と、トンネル接合層１７と、埋込半導体層１８とを備えている。ここで、ｎ型ナノワイヤ層１４、活性層１５、ｐ型半導体層１６およびトンネル接合層１７は、成長基板１１に対して垂直方向に選択成長されて柱形状とされており、本発明における柱状半導体層を構成している。複数の柱状半導体層の一部では、埋込半導体層１８からトンネル接合層１７の上面まで除去された除去領域１９が形成されている。

【0025】

図１に示すように、半導体発光素子１０の一部は下地層１２が露出されており、下地層１２上にカソード電極２０，２１が形成されている。また、柱状半導体層の上方には、一部領域に埋込半導体層１８が残されており、当該領域の埋込半導体層１８上にアノード電極２２，２３が形成されている。上述したように、アノード電極２２，２３が形成されていない領域では、ｐ型半導体層１６が部分的に露出するまで埋込半導体層１８およびトンネル接合層１７が除去されて除去領域１９が形成されている。ここでｐ型半導体層１６が露出とは、半導体発光素子１０を構成する全ての半導体層が形成された後に露出されたことを意味しており、後述するように後工程でパッシベーション膜や透明電極、絶縁膜等が形成されていてもよい。

【0026】

成長基板１１は、半導体材料を結晶成長可能な材料で構成された略平板状の部材であり、主面側にマスク１３が形成されている。成長基板１１は単一の材料で構成されていてもよく、単結晶基板上にバッファ層等の複数の半導体層を成長させたものを用いてもよい。成長基板１１は、バッファ層を介して半導体単結晶層を成長させるための材料から構成される単結晶の基板であればよく、半導体発光素子１０を窒化物系半導体で構成する場合にはｃ面サファイア基板が好ましいが、Ｓｉ等の他の異種基板であってもよい。また、レーザ発振させるためには、共振器面が劈開により形成しやすいｃ面ＧａＮ基板を用いてもよい。バッファ層は、単結晶基板と下地層１２の間に形成されて両者の格子不整合を緩和するための層である。単結晶基板としてｃ面サファイア基板を用いる場合には材料としてＧａＮを用いることが好ましいが、ＡｌＮやＡｌＧａＮなどを用いるとしてもよい。

【0027】

下地層１２は、成長基板１１やバッファ層上に形成された単結晶の半導体層であり、ノンドープのＧａＮを数μｍの厚さで形成し、その上にｎ型コンタクト層等のｎ型半導体層を備えた複数層で構成することが好ましい。ｎ型コンタクト層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層であり、例えばＳｉドープしたｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎが挙げられる。図１に示したように、下地層１２の一部は露出されてカソード電極２０，２１が形成されている。

【0028】

マスク１３は、下地層１２の表面に形成された誘電体材料からなる層である。マスク１３を構成する材料としては、マスク１３からは半導体の結晶成長が困難なものを選択し、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮ_ｘやＡｌ_２Ｏ_３などが好適である。マスク１３には後述する開口部が複数形成されており、開口部から部分的に露出した下地層１２から半導体層が成長可能とされている。

【0029】

柱状半導体層は、マスク１３に設けられた開口部に結晶成長された半導体層であり、成長基板１１の主面に対して鉛直に略柱状の半導体層が立設して形成されている。このような柱状半導体層は、構成する半導体材料に応じて適切な成長条件を設定し、特定の結晶面方位が成長する選択成長を実施することで得られる。図１に示した例では、マスク１３に複数の開口部を二次元的に周期的に形成しているため、柱状半導体層も成長基板１１上に二次元的に周期的に形成されている。

【0030】

ｎ型ナノワイヤ層１４は、マスク１３の開口部から露出した下地層１２上に選択成長された柱状の半導体層であり、例えばｎ型不純物がドープされたＧａＮから構成されている。ｎ型ナノワイヤ層１４としてＧａＮを用いると、下地層１２のｃ面上に選択成長されたｎ型ナノワイヤ層１４は、６つのｍ面がファセットとして形成された略六角柱の形状となる。図１では開口部が形成された領域にのみｎ型ナノワイヤ層１４が成長しているように見えるが、実際には横方向成長によりマスク１３上にも結晶成長が進むため、開口部の周囲に拡大した六角柱が形成される。例えば、開口部を直径１５０ｎｍ程度の円として形成した場合には、直径２４０ｎｍ程度の円に内接する六角形を底面とする高さ１～２μｍ程度の六角柱状のｎ型ナノワイヤ層１４を形成することができる。

【0031】

活性層１５は、ｎ型ナノワイヤ層１４よりも外周に成長された半導体層であり、例えば厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ量子井戸層と厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層を５周期重ねた多重量子井戸活性層が挙げられる。ここでは多重量子井戸活性層を挙げたが、単一量子井戸構造であってもよく、バルク活性層であってもよい。活性層１５がｎ型ナノワイヤ層１４の側面および上面に形成されているため、活性層１５の面積を確保することができる。活性層に取り込まれるＩｎの比率が高くなるほど、半導体発光素子１０の発光波長は長波長化し、Ｉｎ組成比を０．１０以上とすることで発光波長を４８０ｎｍ以上とすることができる。また、Ｉｎ組成比を０．１２以上とすることで発光波長を５００ｎｍ以上とすることができる。

【0032】

ｐ型半導体層１６は、活性層１５よりも外周に成長された半導体層であり、例えばｐ型不純物がドープされたＧａＮから構成されている。ｐ型半導体層１６が活性層１５の側面および上面に形成されているため、ｎ型ナノワイヤ層１４と活性層１５とｐ型半導体層１６でダブルヘテロ構造が構成され、良好にキャリアを活性層１５に閉じ込めて発光再結合の確率を向上させることができる。本実施形態の半導体発光素子１０では、除去領域１９を形成する際にｐ型半導体層１６の途中までエッチング除去を行う。そのため、活性層１５までエッチングが到達しないように、活性層１５の上面に成長するｐ型半導体層１６を厚膜化することが好ましく、例えば２００ｎｍ以上の膜厚で成長する。

【0033】

トンネル接合層１７は、ｐ型半導体層１６よりも外周に成長された半導体層であり、例えば内側にｐ型不純物が高濃度にドープされたｐ＋層と、外側にｎ型不純物が高濃度にドープされたｎ＋層とが順に成長された二層構造を有している。ｐ＋層は、ｐ型不純物が高濃度にドープされた半導体層であり、例えば厚さ５ｎｍでＭｇ濃度が２×１０^２０ｃｍ^－３のＧａＮを用いることができる。ｎ＋層は、例えば厚さ１０ｎｍでＳｉ濃度が２×１０^２０ｃｍ^－３のＧａＮを用いることができる。ｐ＋層とｎ＋層によりトンネル接合が形成されるため、ｐ＋層とｎ＋層の二層は本発明におけるトンネル接合層１７を構成している。

【0034】

埋込半導体層１８は、柱状半導体層の上面および側面を覆って、マスク１３に至るまで覆うように形成された半導体層である。図１に示したように、アノード電極２２，２３が形成されている領域における柱状半導体層の上方では、埋込半導体層１８がトンネル接合層１７上も覆っている。アノード電極２２，２３が形成されていない除去領域１９における柱状半導体層の上方では、埋込半導体層１８とトンネル接合層１７が除去されてｐ型半導体層１６の上部が露出し、トンネル接合層１７の側面には図１に示したように埋込半導体層１８が接触している。

【0035】

除去領域１９は、柱状半導体層の少なくとも一部において、埋込半導体層１８からトンネル接合層１７の一部まで除去された領域である。図１に示した例ではトンネル接合層１７まで除去した例を示しているが、少なくともｐ型半導体層１６の一部が露出していればよく、ｐ型半導体層１６の上部に至るまで除去してもよい。また、図１では複数の柱状半導体層にわたって一括して除去領域１９を形成した例を示しているが、複数の柱状半導体層に対して個別に除去領域１９を設けるとしてもよい。

【0036】

カソード電極２０，２１は、下地層１２が露出された領域に形成された電極であり、下地層１２の最表面とオーミック接触する金属材料とパッド電極の積層構造で構成されている。アノード電極２２，２３は、埋込半導体層１８上の一部に形成された電極であり、埋込半導体層１８の最表面とオーミック接触する金属材料とパッド電極の積層構造で構成されている。また、図１では図示を省略したが、必要に応じて半導体発光素子１０の表面をパッシベーション膜で覆うなど公知の構造を適用してもよい。また、除去領域１９全体にアノード電極２２を延伸した透明電極を形成するとしてもよい。

【0037】

半導体発光素子１０の発光波長を長波長化する場合には、活性層１５のＩｎＮモル分率を高める必要がある。例えばｎ型ナノワイヤ層１４の外接円直径が３００ｎｍのとき、赤色の活性層組成Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｎを用いる必要があるが、ＩｎＮモル分率上昇とともに圧縮応力が高まり、ミスフィット転位が発生する場合がある。これを避けるために、Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｎ井戸層の膜厚を小さくするか、ｎ型ナノワイヤ層１４を構成する材料をＧａＩｎＮとすることも可能である。同様に、半導体発光素子１０の波長を短波長化する場合には、ｎ型ナノワイヤ層１４としてＡｌＧａＮを用いることや、活性層１５の井戸層およびバリア層を各々組成の異なるＡｌＧａＮに変更することも可能である。

【0038】

図２は、半導体発光素子１０の製造方法を示す模式図であり、図２（ａ）はマスク形成工程、図２（ｂ）はナノワイヤ成長工程、図２（ｃ）は成長工程、図２（ｄ）は除去工程、図２（ｅ）は電極形成工程を示している。

【0039】

まず図２（ａ）に示すマスク工程では、サファイア単結晶からなる成長基板１１上に有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ＧａＮからなるバッファ層、ＧａＮおよびＡｌＧａＮからなる下地層１２を成長させる。次に、下地層１２上にスパッタ法でＳｉＯ_２からなるマスク１３を膜厚３０ｎｍ程度堆積させ、ナノインプリンティングリソグラフィーのような微細パターン形成方法を用いて、直径１５０ｎｍ程度の開口部を形成する。バッファ層の成長条件としては、例えば原料ガスとしてＴＭＡ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＡｌｍｉｎｉｕｍ）、ＴＭＧ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ）およびアンモニアを用い、成長温度が１１００℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力１０ｈＰａである。下地層１２およびｎ型半導体層の成長条件としては、例えば成長温度が１０５０℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力５００ｈＰａである。

【0040】

次に図２（ｂ）に示すナノワイヤ成長工程では、ＭＯＣＶＤ法による選択成長により、開口部から露出した下地層１２上にＧａＮからなるｎ型ナノワイヤ層１４を成長させる。ｎ型ナノワイヤ層１４の成長条件としては、例えば原料ガスとしてＴＭＧおよびアンモニアを用い、成長温度が１０５０℃、Ｖ／III比が１０、水素をキャリアガスとして圧力１００ｈＰａである。

【0041】

次に図２（ｃ）に示す成長工程では、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型ナノワイヤ層１４の側面および上面に、厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ量子井戸層と厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層を５周期重ねた活性層１５、ｐ型不純物をドープしたＧａＮからなるｐ型半導体層１６、厚さ５ｎｍでＭｇ濃度が２×１０^２０ｃｍ^－３のＧａＮからなるｐ＋層と、厚さ１０ｎｍでＳｉ濃度が２×１０^２０ｃｍ^－３からなるｎ＋層を含むトンネル接合層１７を順次成長させる。次に、ｎ型ＧａＮからなる埋込半導体層１８を成長させ、トンネル接合層１７の外周および上面を埋込半導体層１８で埋める。活性層１５におけるＩｎの取り込みについては後述する。

【0042】

活性層１５の成長条件としては、例えば成長温度が８００℃、Ｖ／III比が３０００、窒素をキャリアガスとして圧力１０００ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＩｎｄｉｕｍ）およびアンモニアを用いる。ｐ型半導体層１６の成長条件としては、例えば成長温度が９５０℃、Ｖ／III比が１０００、水素をキャリアガスとして圧力３００ｈＰａであり、原料ガスとしてＴＭＧ、Ｃｐ_２Ｍｇ（ｂｉｓＣｙｃｒｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌＭａｇｎｅｓｉｕｍ）およびアンモニアを用いる。前述したように、除去領域１９の形成時にエッチングをｐ型半導体層１６で停止するためには、ｐ型半導体層１６を厚膜化することが好ましく、ｐ型半導体層１６の成長条件も縦方向への成長であるc面成長が促進される条件が好ましい。トンネル接合層１７の成長条件としては、例えば成長温度が８００℃、Ｖ／III比が３０００、窒素をキャリアガスとして圧力５００ｈＰａである。

【0043】

上述したように埋込半導体層１８は、柱状半導体層の間に設けられたマスク１３上に成長させる必要があり、埋込半導体層１８を成長する際に柱状半導体層の下部において空隙が生じる可能性がある。したがって、埋込半導体層１８の成長では、原料ガスとしてＴＭＧ、シランおよびアンモニアを用い、初期段階では横方向成長であるｍ面の成長を促進する低温かつ低Ｖ／III比で成長することが好ましい。低温かつ低Ｖ／III比の一例としては、８００℃以下で１００以下のＶ／III比、水素をキャリアガスとして圧力２００ｈＰａが挙げられる。

【0044】

埋込半導体層１８の横方向成長によって柱状半導体層の下部でマスク１３上が隙間なく埋められた後には、縦方向成長であるｃ面の成長を促進する高温かつ高Ｖ／III比で成長することが好ましい。高温かつ高Ｖ／III比の一例としては、１０００℃以上で２０００以上のＶ／III比、水素をキャリアガスとして圧力５００ｈＰａが挙げられる。

【0045】

次に図２（ｄ）に示す除去工程では、選択的にドライエッチングにより埋込半導体層１８、トンネル接合層１７の一部を除去し、ｐ型半導体層１６の上面を露出させて除去領域１９を形成する。また、カソード電極２０，２１を形成する領域では、マスク１３まで除去して下地層１２の上面を露出させる。

【0046】

除去工程の後には、大気雰囲気中において６００℃でアニールし、ｐ型半導体層１６とトンネル接合層１７の中のｐ型半導体層に取り込まれた水素を離脱させてｐ型半導体層１６とトンネル接合層１７を活性化させる活性化工程を実施する。ここでは大気雰囲気中でのアニールを示したが、ｐ型半導体層１６とトンネル接合層１７を活性化できる原子状水素の存在しない雰囲気であればよい。

【0047】

最後に図２（ｅ）に示す電極形成工程では、下地層１２の表面にカソード電極２０，２１を形成し、埋込半導体層１８上にアノード電極２２，２３を形成する。また、必要に応じて電極形成後のアニールやパッシベーション膜の形成、素子分割を実施して半導体発光素子１０を得る。

【0048】

本実施形態の半導体発光素子１０では、カソード電極２０，２１とアノード電極２２，２３の間に電圧を印加すると、埋込半導体層１８、トンネル接合層１７、ｐ型半導体層１６、活性層１５、ｎ型ナノワイヤ層１４、ｎ型半導体層の順に電流が流れ、活性層１５で発光再結合により光が生じる。活性層１５からの発光は、半導体発光素子１０の外部に取り出される。

【0049】

また、本実施形態の半導体発光素子１０では、活性層１５がｎ型ナノワイヤ層１４よりも外周に形成され、さらにその外周にトンネル接合層１７が形成され、埋込半導体層１８で埋め込まれている。したがって、アノード電極２２，２３から注入された電流は、埋込半導体層１８からトンネル接合層１７を経由してトンネル電流としてｐ型半導体層１６の側壁から活性層１５に注入される。トンネル接合層１７を介したトンネル電流による電流注入は抵抗が小さく、良好に電流注入を行うことができる。また、ｎ型の半導体層である埋込半導体層１８はｐ型の半導体層よりも電流が拡散しやすいため、良好に柱状半導体層の側面で底面近傍まで電流を拡散させて、トンネル接合層１７全体から電流注入を行うことができる。

【0050】

これにより、アノード電極２２，２３から注入された電流は、柱状半導体層の上面ではなく側面全体から良好にｐ型半導体層１６に注入され、活性層１５に対して良好に電流注入をして高電流密度を実現するとともに、外部量子効率を向上させることが可能となる。

【0051】

また、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面は選択成長により形成されたｍ面となっているため、その外周に形成された活性層１５とｐ型半導体層１６も互いにｍ面で接触している。ｍ面は無極性面であり分極が生じないため活性層１５での発光効率も高く、しかも六角柱の側面全てがｍ面であることから半導体発光素子１０の発光効率を向上させることができる。さらに、活性層の膜厚を厚くすることができるため、活性層１５の体積を従来の半導体発光素子よりも３～１０倍程度まで増加させることができ、注入キャリア密度を低減して効率ドループを大幅に低減できる。

【0052】

本願発明者は、ｎ型ナノワイヤ層１４を形成する際の選択成長に用いるマスク１３について検討した結果、発光領域における開口部の開口率と成長条件によって、ｎ型ナノワイヤ層１４の直径、高さ、成長ファセット等を制御し、その外周に形成される活性層１５へのＩｎの取込みを高めることができることを見出した。以下に、活性層１５に取り込まれるＩｎ組成比を高めて、半導体発光素子１０の発光波長を長波長化する方法について説明する。

【0053】

図３は、成長基板１１上における発光領域に形成されたマスク１３の形状を示す模式平面図である。図に示したように、マスク１３には三角格子状に開口部１３ａが形成されており、開口部１３ａからは下地層１２が露出され、ｎ型ナノワイヤ層１４を選択成長可能とされている。マスク１３における開口部１３ａの開口率とは、単位面積あたりに占める開口部１３ａの比率であり、開口部１３ａの半径ｒ（開口径２ｒ）と、隣り合う開口部１３ａ同士の中心感距離（ピッチｐ）によって決まる。開口率（％）は、開口部１３ａの半径ｒとピッチｐを用いると、２π／√３×（ｒ／ｐ） ^２ で表すことができる。

【0054】

次に図４から図８を用いて、開口部１３ａの開口径（２ｒ）とピッチ（ｐ）によりｎ型ナノワイヤ層１４の形状を制御する方法について説明する。図４から図８においては、ｎ型ナノワイヤ層１４を成長する際に、原料の流量、圧力、成長温度等の成長条件を同じにした場合を比較する。

【0055】

図４は、開口部１３ａの半径ｒとピッチｐの比率を一定にして、半径ｒを変化させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。図４（ａ）～（ｃ）では、開口部１３ａの半径ｒとピッチｐの比率が同じであるため、単位面積あたりに占める開口部１３ａの比率も同じであり、開口率も同じとなっている。図４（ａ）～（ｃ）のマスク１３で開口率が同じであるため、（ａ）～（ｃ）で一つの開口部１３ａに対して供給される原料が同じであり、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さは同程度となる。開口率と高さがほぼ同じ場合には、ナノワイヤ径が大きい程活性層にInが取り込まれやすくなり、長波となる。

【0056】

図５は、開口部１３ａのピッチｐを一定にして、半径ｒを変化させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。図５（ａ）～（ｃ）では、ピッチｐが同じであるため開口率の大小関係は半径ｒの大きで決まり、（ａ）＞（ｂ）＞（ｃ）の順に開口率が大きくなっている。図５（ａ）～（ｃ）のマスク１３で開口率が異なるため、（ａ）～（ｃ）で一つの開口部１３ａに対して供給される原料が異なり、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さも異なるものとなり、開口率が大きいほど低くなる。Ｉｎの取り込み量は、ナノワイヤの高さでも変化する。ナノワイヤの高さが低いほど、Ｉｎは取り込まれやすくなり、長波となる。

【0057】

図６は、開口部１３ａのピッチｐと半径ｒを変化させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。図６（ａ）～（ｃ）では、ピッチｐが小さく半径ｒが大きいほど開口率は大きくなり、（ａ）＞（ｂ）＞（ｃ）の順に開口率が大きくなっている。図６（ａ）～（ｃ）のマスク１３で開口率が異なるため、（ａ）～（ｃ）で一つの開口部１３ａに対して供給される原料が異なり、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さも異なるものとなり、開口率が大きいほど低くなる。図６に示した例では、開口率の差を図５よりも大きく変化させることができるため、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さも違いを大きくすることができる。

【0058】

図７は、ｎ型ナノワイヤ層１４の表面を構成するファセットについて示す模式断面図であり、図７（ａ）は頂面をｃ面とした場合を示し、図７（ｂ）は頂面をｒ面とした場合を示している。マスク１３の開口部１３ａから選択成長したｎ型ナノワイヤ層１４は、側面１４ａをｍ面として上方に結晶成長が継続していく。これは、ＧａＮの結晶成長においてｍ面方向への結晶成長よりもｒ面方向またはｃ面方向への結晶成長のほうが早いことに起因している。したがって、ｎ型ナノワイヤ層１４の頂面１４ｂはｒ面またはｃ面のファセットを有することとなる。

【0059】

ｎ型ナノワイヤ層１４の頂面１４ｂがｒ面ファセットになるかｃ面ファセットになるかは、成長条件によって決まる。したがって、ｎ型ナノワイヤ層１４の最上部を結晶成長する段階で成長条件を変更することにより、頂面１４ｂのファセットをｃ面かｒ面に制御できる。具体的には、比較的低温でアンモニア流量が多い場合にはｒ面ファセットが形成されやすく、比較的高温でアンモニア流量が少ない場合にはｃ面ファセットが形成されやすい。一例としては、９８０℃での成長でｒ面となり、１０００℃での成長でｃ面となる。

【0060】

図７（ｂ）に示したように、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さ方向での成長時間を短くし、マスク１３よりも上方には側面１４ａとしてｍ面がほとんど露出せず、頂面１４ｂとしてｒ面ファセットが開口部１３ａから露出する形状とすることもできる。この場合には、ｎ型ナノワイヤ層１４の外周に形成される活性層１５もｒ面上に形成されることとなる。

【0061】

図８は、開口部１３ａのピッチｐを一定にして、半径ｒを変化させるとともに、頂面にｒ面ファセットを露出させた場合を示す模式図であり、上段は模式平面図を示し、下段は模式断面図を示している。図８（ａ）～（ｃ）では、ピッチｐが同じであるため開口率の大小関係は半径ｒの大きで決まり、（ａ）＞（ｂ）＞（ｃ）の順に開口率が大きくなっている。図８（ａ）～（ｃ）のマスク１３で開口率が異なるため、（ａ）～（ｃ）で一つの開口部１３ａに対して供給される原料が異なり、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さも異なるものとなり、開口率が大きいほど低くなる。また、図８（ａ）では図７（ｂ）と同様にｎ型ナノワイヤ層１４の側面が露出しない程度の高さで形成した後に、頂面にｒ面ファセットを形成している。

【0062】

次に、ｎ型ナノワイヤ層１４の外周にＩｎを含んだ活性層１５を結晶成長させた場合の、Ｉｎ取り込み傾向について説明する。ｎ型ナノワイヤ層１４の外周にＧａＩｎＮで活性層１５を成長させる際には、ｎ型ナノワイヤ層１４が高さ方向に伸びており、上方から供給されるＩｎ原料ガスが良好に側面全体に供給できるかを考慮する必要がある。

【0063】

図４（ａ）～（ｃ）の下段に示したように、開口率が同じで開口部１３ａの半径が大きい場合にはピッチｐも大きくなり、隣り合うｎ型ナノワイヤ層１４同士の間に存在する空間が大きくなる。これにより、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面においてＩｎ原料が十分に下方まで供給され、側面のｍ面に形成される活性層１５でのＩｎ組成を高めることができる。しかし、開口部１３ａの半径を小さくするとピッチｐが小さくなり、隣り合うｎ型ナノワイヤ層１４同士の間に存在する空間が小さくなる。これにより、ｎ型ナノワイヤ層１４でＩｎ原料が遮蔽され、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面に形成される活性層１５にＩｎが取り込まれにくくなり、Ｉｎ組成比が小さくなる。これは、ＭＯＣＶＤ法においてＩｎは他の材料と比較して移動距離が短いことに起因する。

【0064】

また、開口部１３ａの半径ｒとピッチｐが同じ場合には、ｎ型ナノワイヤ層１４が高いほどＩｎ原料はｎ型ナノワイヤ層１４の上部で遮られて遮蔽され、ｎ型ナノワイヤ層１４の下部にまでＩｎ原料を供給することが困難になる。このように、ｎ型ナノワイヤ層１４が低いほど側面の活性層１５におけるＩｎ組成比を高めやすくなる。

【0065】

また、開口部１３ａの半径ｒを同じにしてピッチｐを変更し、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さを同じにした場合には、ピッチｐが小さいほど隣り合うｎ型ナノワイヤ層１４同士の間に存在する空間が小さくなり、Ｉｎ原料は上部で遮蔽されてｎ型ナノワイヤ層１４の下部にまでＩｎ原料を供給することが困難になる。このように、開口部１３ａのピッチｐが大きいほど側面の活性層１５におけるＩｎ組成比を高めやすくなる。

【0066】

また、ＧａＩｎＮの結晶成長では成長面によってＩｎの取り込み率が異なり、頂面に形成されたｒ面のほうが、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面であるｍ面よりもＩｎが取り込まれやすい。したがって、図７（ｂ）に示したように、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面がマスク１３上に露出せず、頂面のｒ面ファセットを露出させることで、頂面にｒ面として結晶成長される活性層１５のＩｎ比率を高めることができる。

【0067】

上述したように、半導体発光素子１０ではトンネル接合層１７を用いてｎ型ナノワイヤ層１４の側面から活性層１５に電流を注入する構造としている。したがって、図７（ａ）に示したように側面と頂面を有するｎ型ナノワイヤ層１４では、活性層１５のうち側面に形成された部分が主として発光する。そのため、側面の活性層１５でのＩｎ組成比を高めることで、発光波長の長波長化を図り、４８０ｎｍ以上の長波長を発光することができる。

【0068】

また、図７（ｂ）に示したように、頂面にｒ面ファセットを有し、側面がほとんど露出しないｎ型ナノワイヤ層１４では、活性層１５のうち頂面に形成された部分が主として発光する。そのため、頂面の活性層１５でのＩｎ組成比を高めることで、発光波長の長波長化を図り、赤色領域まで発光することができる。

【0069】

上述したように、開口部１３ａの半径ｒを大きくし、ピッチｐを大きくし、ｎ型ナノワイヤ層１４を低くし、ｒ面ファセットを用いる条件で、ｎ型ナノワイヤ層１４の外周に形成される活性層１５においてＩｎ組成比を高め、長波長化を図ることができるはずである。しかし、ｎ型ナノワイヤ層１４によるＩｎ原料の遮蔽、隣り合うｎ型ナノワイヤ層１４同士の間に存在する空間の大きさ、成長面によるＩｎ取り込み率等の影響は相互に関連している。そのため現実には、上記パラメータをそれぞれ単独で変化させた場合と、活性層１５中のＩｎ組成比の傾向は異なるものとなる。

【0070】

（実施例）
図２に示した製造方法を用いて、ｎ型ナノワイヤ層１４および活性層１５の成長条件を同じにして実施例１～５および６～１０を作成し、発光波長を測定した。発光波長の測定は、ＳＥＭ装置（株式会社日立ハイテクノロジーズ社製ＳＵ７０）を用いたカソードルミネッセンス測定で行った。結果を表１に示す。実施例１～５と６～１０は、開口部１３ａの開口径とピッチが同じであり、活性層１５を成長する際のＩｎ気相比を異ならせている。

【0071】

【表1】

【0072】

図９は、実施例１～１０の実験結果を示すグラフであり、開口部１３ａの開口率と発光波長の関係を示している。図９に示したように、開口率を小さくするほど発光波長を長波長化できる。グラフ中における四角のプロットは実施例１～５を示し、丸のプロットは実施例６～１０を示している。また、グラフ中の曲線は、それぞれのプロットについて最小二乗法で近似したものである。実施例６～１０の近似曲線においては、開口率０．０５で発光波長４８０ｎｍとなっており、開口率０．０３で発光波長５００ｎｍとなっている。

【0073】

したがって、マスク１３の開口部１３ａを開口率０．０５以下とすることで、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面外周に形成された活性層１５のＩｎ組成を高めて、４８０ｎｍ以上の長波長を発光できることがわかる。また、マスク１３の開口部１３ａを開口率０．０３以下とすることで、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面外周に形成された活性層１５のＩｎ組成を高めて、５００ｎｍ以上の長波長を発光できることがわかる。

【0074】

また、表１に示した実施例１～５および６～１０を参照すると、開口径が小さいほど長波長化し、ピッチが小さいほど長波長化し、ｎ型ナノワイヤ層１４が高いほど長波長化している。これは、成長条件を同じにした場合には、開口率がｎ型ナノワイヤ層１４の高さに影響し、ｎ型ナノワイヤ層１４の表面に占める頂面の割合に影響するためと思われる。

【0075】

先に図５で示したように、開口率が大きいほどｎ型ナノワイヤ層１４は低く形成される。また、開口部１３ａの半径ｒが大きく、ｎ型ナノワイヤ層１４が低い場合には、ｎ型ナノワイヤ層１４の表面に占める頂面の割合が増加する。頂面に形成されるｒ面やｃ面のファセットは、ｍ面よりもＩｎを取り込みやすい。これにより、頂面の割合が大きい場合には、活性層１５の成長時に供給されたＩｎ原料が頂面に取り込まれて側面に供給されにくくなり、活性層１５の側面でのＩｎ組成比が小さくなると考えられる。

【0076】

これは、ｎ型ナノワイヤ層１４が高いほどＩｎ原料がｎ型ナノワイヤ層１４で遮蔽され、側面にＩｎ原料を供給しにくくなる影響はあるが、頂面でのＩｎ取り込みの影響のほうが大きいためと考えられる。また、開口率が１０％程度以下である場合には、隣り合うｎ型ナノワイヤ層１４同士の間には十分に空間が確保されるため、ｎ型ナノワイヤ層１４によるＩｎ原料の遮蔽は影響が小さいと考えられる。

【0077】

したがって、表１および図９に示したように、ｎ型ナノワイヤ層１４の外周に形成された活性層１５のＩｎ組成比を高めるためには、開口率が一番重要であると言える。また、活性層１４におけるＩｎ組成は０．１０以上０．４０以下の範囲であることが、発光波長を４８０ｎｍ以上とするために好ましい。また、頂面でのＩｎ取り込みを低減するためには、開口部１３ａの開口径（２ｒ）が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、当該開口径において開口率を維持するためには、ピッチが４００ｎｍ以上８５０ｎｍ以下であることが好ましい。また、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さは、１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。

【0078】

また、図７（ｂ）に示したように、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面を露出させず、頂面のｒ面ファセットを露出させて活性層１５を形成した場合には、Ｉｎは半極性面であるｒ面に取り込まれやすいため、活性層１５のＩｎ組成比０．４程度まで高めて赤色を発光させることも可能である。

【0079】

上述したように、本実施形態の半導体発光素子１０では、マスク１３に形成された開口部１３ａの開口率を０．１％以上５．０％以下の範囲とすることで、同一の成長条件でもｎ型ナノワイヤ層１４の高さ、直径、結晶成長面を制御して活性層１５へのＩｎ取込率を向上させ、再現性高く４８０ｎｍ以上で発光させることができる。

【0080】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１０を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、成長基板１１上に複数の発光領域を設け、複数の発光領域に一括してモノリシックにｎ型ナノワイヤ層１４と活性層１５を形成する。

【0081】

図１０は、本実施形態に係る半導体発光素子１０の発光領域について示す模式図であり、図１０上段は模式平面図であり、図１０下段は模式断面図である。図１０に示すように、成長基板１１および下地層１２上には、複数の発光領域が設けられており、それぞれ第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃとして分離領域３２で隔てられている。また、分離領域３２のマスク１３上には、配線パターン３３が形成されている。第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃには、マスク１３および開口部１３ａが形成されており、各領域において開口部１３ａの開口率が異なっている。

【0082】

分離領域３２は、開口率が異なる第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃの間に設けられた開口部１３ａが形成されていない領域であり、その幅は１０μｍ以下とされている。分離領域３２の幅を１０μｍ以下とするのは、ｎ型ナノワイヤ層１４や活性層１５を選択成長する際に、マスク１３上に供給された原料が５μｍ程度であれば移動可能なためである。分離領域３２が１０μｍ以下の幅であれば、分離領域３２の中央に到達した原料は開口部１３ａにまで移動して選択成長に用いられ、マスク１３上に多結晶等として析出することを防止できる。

【0083】

配線パターン３３は、分離領域３２上に金属等で形成されたパターンであり、図１０の外部まで延長されてカソード電極２０，２１と半導体発光素子１０の外部とを電気的に接続する。配線パターン３３は、カソード電極２０，２１とは別の材料で形成するとしてもよく、カソード電極２０，２１と同じ材料で一括して形成するとしてもよい。

【0084】

配線パターン３３を第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃのそれぞれに独立して形成した場合には、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃのそれぞれに含まれている活性層１５に対して電流を供給することができ、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃを選択的に発光させることができる。配線パターン３３を第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃに共通の配線として形成し場合には、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃに対して同時に電流を供給して発光させることができる。

【0085】

図１０に示した例では、開口部１３ａの半径ｒおよびピッチｐを第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃで異ならせており、図４（ａ）～（ｃ）と同様に開口率を同じにして、ｎ型ナノワイヤ層１４の高さが同じに形成している。しかし、図５（ａ）～（ｃ）、図６（ａ）～（ｃ）、図８（ａ）～（ｃ）に示したように、開口部１３ａの半径ｒやピッチｐにより開口率を第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃで異ならせるとしてもよい。

【0086】

本実施形態においては、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃは同一の成長基板１１上に一括してモノリシックに形成されるため、各領域でのｎ型ナノワイヤ層１４と活性層１５の成長条件が必然的に同じとなる。本発明では、図９に示したように同一の成長条件であっても、開口率を異ならせることで活性層１５でのＩｎ組成を変化させることができる。これにより、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃでは、活性層１５での発光波長がそれぞれ異なるものとなる。

【0087】

特に、図８（ａ）～（ｃ）に示したように、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃのうち何れか１つにおいて、ｎ型ナノワイヤ層１４の側面を露出させず、頂面の半極性面であるｒ面のみを露出させ、頂面上に形成される活性層１５のＩｎ組成比を４０％程度にまで高めることで赤色発光をさせることができる。また、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃのうち他の２つとして、開口部１３ａの開口率が０．１％以上５．０％以下のものと、開口部１３ａの開口率が５．０％より大きいものを採用することで、４８０ｎｍ以上の青緑色光と、４８０ｎｍ未満の青色光をそれぞれから発光させることができる。

【0088】

さらに、開口部１３ａの開口率を０．１％以上３．０％以下とした場合には、５００ｎｍの緑色光を発光させることができるため、第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃのそれぞれから青色光、緑色光、赤色光を発光させることができる。また、成長基板１１上に半導体発光素子１０をマトリクス状に配列して、配線パターン３３で第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃに対して個別に電流を供給してＲＧＢの各色を発光させることで、半導体発光素子１０を一画素とした画像表示装置を構成することもできる。また、共通の配線パターン３３で第１領域３１ａ、第２領域３１ｂ、第３領域３１ｃに対して同時に電流を供給してＲＧＢを発光させることで、白色で発光する照明装置を構成することができる。

【0089】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１１から図１５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１１は、同一の成長基板１１上において、複数の領域に開口径の異なる開口部１３ａを形成した場合のｎ型ナノワイヤ層１４の結晶成長を示すＳＥＭ像である。

【0090】

図１１（ａ）は、電子ビーム露光により開口部１３ａを形成した状態を示す平面ＳＥＭ像であり、領域Ｐ１は開口径が４００ｎｍでピッチが１２００ｎｍ、領域Ｐ２は開口径が２３０ｎｍでピッチが８８０ｎｍ、領域Ｐ３は開口径が１５０ｎｍでピッチが８００ｎｍである。領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３はそれぞれ幅２０μｍで長さ１００μｍであり、領域間は２０μｍの間隔である。図１１（ａ_ｉ）～（ａ_ｉｉｉ）は、それぞれ領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に形成した開口部１３ａを拡大して示す平面ＳＥＭ像である。

【0091】

図１１（ｂ）は、ｎ型ナノワイヤ層１４を選択成長した後の状態を示す平面ＳＥＭ像である。図１１（ｂ_ｉ）～（ｂ_ｉｉｉ）は、それぞれ領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に形成したｎ型ナノワイヤ層１４を拡大して示す平面ＳＥＭ像であり、図１１（ｃ_ｉ）～（ｃ_ｉｉｉ）は断面ＳＥＭ像である。

【0092】

図１２は、ｎ型ナノワイヤ層１４の外周に活性層１５としてＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を形成した状態を示すＳＥＭ像とカソードルミネッセンス測定結果である。井戸層の成長温度は７５０℃であり、障壁層の成長温度は７５０℃である。図１２の上段に示した図１２（ａ_ｉ）～（ａ_ｉｉｉ）、図１２（ｂ_ｉ）～（ｂ_ｉｉｉ）、図１２（ｅ）は、Ｇａ原料であるＴＥＧ（Ｔｒｉｅｔｈｙｌｇａｌｌｉｕｍ）の流量を３０ｓｃｃｍとした場合を示している。図１２の下段に示した図１２（ｃ_ｉ）～（ｃ_ｉｉｉ）、図１２（ｄ_ｉ）～（ｄ_ｉｉｉ）、図１２（ｆ）は、Ｇａ原料であるＴＥＧの流量を６０ｓｃｃｍとした場合を示している。

【0093】

図１２（ａ_ｉ）～（ａ_ｉｉｉ）および図１２（ｃ_ｉ）～（ｃ_ｉｉｉ）はそれぞれ領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に形成した活性層１５を拡大して示す平面ＳＥＭ像である。図１２（ｂ_ｉ）～（ｂ_ｉｉｉ）および図１２（ｄ_ｉ）～（ｄ_ｉｉｉ）はそれぞれ領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に形成した活性層１５を拡大して示す断面ＳＥＭ像である。図１２（ｅ）（ｆ）は、ＳＥＭ装置を用いたカソードルミネッセンス（ＣＬ）測定の結果を示すスペクトル図である。

【0094】

図１２に示したように、開口部１３ａの開口率が小さいほどＣＬ測定による発光波長は長波長化している。また、同じ開口率でもＴＥＧの流量を増加させることで、発光波長は長波長化している。また、ＴＥＧの流量増加により頂部近傍にＩｎ組成の高い領域が形成されている。

【0095】

図１３は、活性層１５中のＧａＮ障壁層を８００℃で成長した場合のＳＥＭ像とカソードルミネッセンス測定結果である。井戸層の成長温度は７５０℃であり、ＴＥＧの流量は６０ｓｃｃｍである。図１３（ａ_ｉ）～（ａ_ｉｉｉ）は、それぞれ領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に形成した活性層１５を拡大して示す平面ＳＥＭ像であり、図１３（ｂ_ｉ）～（ｂ_ｉｉｉ）は断面ＳＥＭ像である。

【0096】

図１４は、活性層１５中のＧａＩｎＮ井戸層を７３０℃で成長した場合のＳＥＭ像とカソードルミネッセンスマッピング結果である。図１４（ａ_ｉ）～（ａ_ｉｉｉ）は、それぞれ領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に形成した活性層１５を拡大して示す平面ＳＥＭ像であり、図１４（ｂ_ｉ）～（ｂ_ｉｉｉ）は傾斜観察ＳＥＭ像である。図１４（ｃ_ｉ）～（ｃ_ｉｉｉ）は、それぞれ領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の断面における全光ＣＬ像である。

【0097】

図１５は、ＧａＩｎＮ井戸層の成長温度が７５０℃、７３０℃、７１０℃の場合における、規格化したＣＬ発光強度を示すグラフである。障壁層の成長温度は８００℃であり、ＴＥＧの流量は３０ｓｃｃｍである。図１５の上段に示した図１５（ａ_ｉ）、図１５（ｂ_ｉ）、図１５（ｃ_ｉ）は、ｎ型ナノワイヤ層１４の頂部近傍での測定結果を示し、下段に示した図１５（ａ_ｉｉ）、図１５（ｂ_ｉｉ）、図１５（ｃ_ｉｉ）は、ｎ型ナノワイヤ層１４の下部での測定結果を示している。

【0098】

図１５に示したように、ｎ型ナノワイヤ層１４の頂部近傍ではＣＬピーク波長が下部よりも長波長化しており、Ｉｎの取込が下部よりも多いことがわかる。また、ＧａＩｎＮ井戸層の成長温度が低いほどＣＬピーク波長が長波長化しており、Ｉｎが取り込まれやすいことがわかる。

【0099】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の
変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて
得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0100】

１０…半導体発光素子
１１…成長基板
１２…下地層
１３…マスク
１３ａ…開口部
１４…ｎ型ナノワイヤ層
１４…活性層
１４ａ…側面
１４ｂ…頂面
１５…活性層
１６…ｐ型半導体層
１７…トンネル接合層
１８…埋込半導体層
１９…除去領域
２０，２１…カソード電極
２２，２３…アノード電極
３２…分離領域
３３…配線パターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】