(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一半導体層と、活性層と、第二半導体層と、第一電極及び第二電極と、を含む発光ダイオードであって、
第一半導体層は、対向する第一表面及び第二表面を有し、
第一半導体層、活性層及び第二半導体層は、第一電極から離れる方向に沿って、第一電極に順に積層され、
第一電極は、第一半導体層の第一表面を被覆し、第二電極は、第二半導体層に電気的に接続され、
第二半導体層の活性層と離れる表面は、発光ダイオードの光出射面であり、
複数の三次元ナノ構造体が、少なくとも活性層と第一半導体層又は第二半導体層との間に配置されるように第一半導体層、活性層、第二半導体層の何れか一層、二層或いは三層の表面に、一次元アレイの形式によって設置され、
各々の三次元ナノ構造体は、Ｍ型のストリップ状の突起構造体であり、複数のＭ型のストリップ状の突起構造が、第一半導体層、活性層、第二半導体層の何れか一層、二層或いは三層の表面に、連続的にそれぞれ延在し、
各々の三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、第一突部と第二突部とは、互いに並列して、同じ方向に延伸し、各々の三次元ナノ構造体の第一突部と第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、各々の隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、第二溝の深度は、第一溝の深度より深いことを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）を利用した半導体からなるＬＥＤは、優れた光出射率を有し、寿命が長く、また省エネルギーなどの利点を有するので、近年、ディスプレイ装置、電光掲示板、街灯、自動車などの照明素子として広く使用されている。
【０００３】
従来のＬＥＤは、一般にｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、活性層と、ｎ型電極と、ｐ型電極とを含む。活性層はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に位置する。ｐ型電極はｐ型半導体層に設置され、ｎ型電極はｎ型半導体層に設置される。また、ｐ型電極は透明電極である。ＬＥＤを使用する際、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層に対して、正電圧及び負電圧をそれぞれ印加することにより、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層からの電子及び正孔が、活性層に移動し且つ互いに結合して可視光を放射する（特許文献１を参照）。
【０００４】
しかし、従来のＬＥＤは、光出射率が低いという欠点を有する。この原因は、活性層とｎ型半導体層或いはｐ型半導体層との接触面積が少なく、電子及び正孔を発生する量が少ないからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９７５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、上記課題を解決するために、本発明は光出射率が高い発光ダイオードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発光ダイオードは、第一半導体層と、活性層と、第二半導体層と、第一電極及び第二電極と、を含み、第一半導体層は、対向する第一表面及び第二表面を含み、第一半導体層、活性層及び第二半導体層が、第一電極から離れる方向に沿って、第一電極に順に積層され、第一電極は、第一半導体層の第一表面を被覆し、第二電極は、第二半導体層に電気的に接続され、第二半導体層の活性層と離れる表面は、発光ダイオードの光出射面であり、複数の三次元ナノ構造体が、第一半導体層、活性層、第二半導体層の何れか一層、二層或いは三層の表面に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、第一突部と第二突部とは、互いに並列して、同じ方向に延伸し、各々の三次元ナノ構造体の第一突部と第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、各々の隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、第二溝の深度は、第一溝の深度より深い。
【０００８】
本発明の発光ダイオードにおいて、複数の三次元ナノ構造体が、第一半導体層の第二表面に、一次元アレイの形式によって設置される。
【０００９】
本発明の発光ダイオードにおいて、複数の三次元ナノ構造体が、第一半導体層の第二表面及び活性層の第一半導体層と離れる表面の両方に、或いは第一半導体層の第二表面及び第二半導体層の活性層と離れる表面の両方に、或いは第一半導体層の第一表面及び第一半導体層の第二表面の両方に、一次元アレイの形式によって設置される。
【００１０】
本発明の発光ダイオードにおいて、複数の三次元ナノ構造体が、第一半導体層の第二表面、活性層の第一半導体層と離れる表面及び第二半導体層の活性層と離れる表面の三箇所に、或いは第一半導体層の第一表面、第一半導体層の第二表面及び活性層の第一半導体層と離れる表面の三箇所に、一次元アレイの形式によって設置される。
【発明の効果】
【００１１】
従来の技術と比べて、本発明の発光ダイオードには、三次元構造体アレイが形成されている。三次元構造体アレイは、複数のＭ型の三次元ナノ構造体が一次元アレイの形式によって配列されたものである。これにより、活性層はｎ型半導体層或いはｐ型半導体層との接触面積が増大するので、電子及び正孔を発生する量が多くなり、光出射率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図２】図１中の三次元ナノ構造体を示す図である。
【図３】図１中の三次元ナノ構造体アレイの走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図２中のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】図１に示す発光ダイオードの製造工程を示す図である。
【図６】図５に示す三次元ナノ構造体アレイの製造工程を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図８】図７中の活性層を示す図である。
【図９】図７に示す発光ダイオードの製造工程を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図１１】図１０中の第二半導体層を示す図である。
【図１２】本発明の実施例４に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図１３】本発明の実施例５に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図１４】本発明の実施例６に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の発光ダイオード及びその製造方法の実施例について説明する。以下の各々の実施例において、同じ部材は同じ符号で標示する。
【００１４】
（実施例１）
図１を参照すると、実施例１に係る発光ダイオード１０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１１２及び第二電極１３２と、を含む。第一半導体層１１０、活性層１２０、第二半導体層１３０及び第二電極１３２は、第一電極１１２の一側に、該一側から離れる方向に順に積層される。第一電極１１２は、第一半導体層１１０に電気的に接続されている。第二電極１３２は、第二半導体層１３０に電気的に接続されている。複数の三次元ナノ構造体１１３は、第一半導体層１１０の活性層１２０と接触する表面に設置されている。
【００１５】
第一半導体層１１０及び第二半導体層１３０は、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層の二種類型の内の一種からなる。第一半導体層１１０がｎ型半導体層である場合、第二半導体層１３０はｐ型半導体層であるが、第一半導体層１１０がｐ型半導体層である場合、第二半導体層１３０はｎ型半導体層である。ｎ型半導体層は電子を提供し、ｐ型半導体層は正孔を提供する。ｎ型半導体層は、ｎ型ガリウム窒化物、ｎ型ガリウムヒ素及びｎ型リン酸銅の一種又は数種からなる。ｐ型半導体層は、ｐ型ガリウム窒化物、ｐ型ガリウムヒ素及びｐ型リン酸銅の一種又は数種からなる。第一半導体層１１０の厚さは１μｍ〜５μｍである。本実施例において、第一半導体層１１０は、ｎ型ガリウム窒化物である。
【００１６】
本実施例において、第一半導体層１１０は相対する第一表面（図示せず）と第二表面（図示せず）を有する。第一表面は第一電極１１２と接触する。第二表面には、活性層１２０及び第二半導体層１３０が積層される。
【００１７】
図１及び図２を参照すると、第一半導体層１１０の第二表面は三次元ナノ構造体アレイを有し、該三次元ナノ構造体アレイは第二表面の第一区域に設置される。三次元ナノ構造体アレイは、複数の三次元ナノ構造体１１３を含む。三次元ナノ構造体アレイは、活性層１２０と接触する第一半導体層１１０の表面に単独で設置されるか、又は、第一半導体層１１０と一体構造を有しても良い。好ましくは、三次元ナノ構造体アレイは、第一半導体層１１０と一体構造に形成されても良い。ここで、一体構造とは、三次元ナノ構造体１１３が、第一半導体層１１０の表面との間に間隙を有することなく、第一半導体層１１０と一体になることを指す。三次元ナノ構造体アレイが、第一半導体層１１０の表面に単独で設置される場合、その材料は、第一半導体層１１０の材料と同じでも、同じでなくても良い。本実施例において、三次元ナノ構造体アレイは、第一半導体層１１０と一体構造を有する。
【００１８】
図２及び図３を参照すると、三次元ナノ構造体アレイにおける各々の三次元ナノ構造体１１３は、突起構造体であり且つ第一半導体層１１０の本体表面から、該第一半導体層１１０の本体表面を離れる方向に向かって突出する。第一半導体層１１０の本体表面において、複数の三次元ナノ構造体１１３の延伸方向は同じである。また、各々の三次元ナノ構造体１１３の、その延伸方向での断面は、Ｍ型であるが、複数の三次元ナノ構造体１１３の、各々の延伸方向での断面もそれぞれＭ型であり、形状や面積は各々同じであることが好ましい。
【００１９】
各々の三次元ナノ構造体１１３は、直線、折れ線或いは曲線によって、第一半導体層１１０の本体表面に延伸し、且つ互いに並列する。複数の三次元ナノ構造体１１３において、隣接する二つの三次元ナノ構造体１１３の間の距離は０ｎｍ〜２００ｎｍである。三次元ナノ構造体１１３の延伸方向は変化しても、或いは変化しなくても良い。延伸方向が変化しない場合、延伸方向は直線である。この場合、複数の三次元ナノ構造体１１３は、各々直線で且つ互いに並列に延伸している。延伸方向が変化する場合、延伸方向は折れ線或いは曲線である。この場合、複数の三次元ナノ構造体１１３は、各々折れ線或いは曲線であり且つ互いに並列にそれぞれ延伸する。延伸方向は変化しても、或いは変化しなくても良い。しかし、該延伸方向において、任意の点を選び、複数の三次元ナノ構造体１１３の該任意の点におけるその断面は、それぞれＭ型であることが好ましい。
【００２０】
複数の三次元ナノ構造体１１３は、一次元アレイによって、第一半導体層１１０の本体の表面に分布して、三次元ナノ構造体アレイを形成する。ここで、一次元アレイとは、複数の三次元ナノ構造体１１３が、第一半導体層１１０の本体の表面に、一つの方向に沿って、一次元アレイの形式によって配列することである。また、一次元アレイの形式によって配列するとは、例えば、図２に示すように、ストリップ状の突部構造体が、一つの方向Ｙ方向に沿って、等間隔に配列すること又は同心円状の突部構造及び同心四角状の突部構造が、その円心から該円心を離れる一つの方向に沿って同心状に配列されること、を指す。
【００２１】
図２を参照すると、本実施例において、三次元ナノ構造体１１３はストリップ状の突起構造体である。該ストリップ状の突起構造体は、直線で同じ方向に沿って延伸している。ここで、ストリップ状の突起構造体の延伸する方向をＸ方向とし、該ストリップ状の突起構造体の延伸する方向と垂直な方向をＹ方向とする。Ｘ方向には、該Ｘ方向に沿って、ストリップ状の突起構造の一端が、対向する他端までそれぞれ延在し、Ｙ方向には、該Ｙ方向に沿って、二つの突起構造からなるストリップ状の複数の三次元ナノ構造体１１３が、互いに並列している。また、この際、各々の三次元ナノ構造体１１３のＸ方向における断面はＭ型である。従って、三次元ナノ構造体１１３は、Ｍ型の三次元ナノ構造体である。
【００２２】
図４を参照すると、各々のＭ型の三次元ナノ構造体１１３は、第一突部１１３２と第二突部１１３４とをそれぞれ有する。第一突部１１３２と第二突部１１３４との、延伸方向は同じであり、且つそれらは互いに並列して、全てＸ方向に沿って延伸している。第一突部１１３２は交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ第一面１１３２ａと第二面１１３２ｂである。第一面１１３２ａと第二面１１３２ｂは、それぞれ平面、曲面或いは折り面でも良い。本実施例において、第一面１１３２ａ及び第二面１１３２ｂは、それぞれ平面である。また、第一面１１３２ａは、第一半導体層１１０の本体の表面と離れる方向に延伸して第二面１１３２ｂと角度θで交差し、第一突部１１３２の先端（図示せず）を形成する。また、第一面１１３２ａは、第一半導体層１１０の本体の表面を延伸して、第一半導体層１１０の本体の表面と角度αで交差する。角度θの角度は、０°（０°は含まず）〜１８０°（１８０°は含まず）であるが、好ましくは、３０°〜６０°である。角度αの角度は０°（０°は含まず）〜９０°であるが、好ましくは、８０°〜９０°である。
【００２３】
第二突部１１３４の構造は、第一突部１１３２の構造と基本的に同じである。第二突部１１３４は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ第一面１１３４ａと第二面１１３４ｂである。また、第一面１１３４ａは、第一半導体層１１０の本体の表面と離れる方向に延伸して第二面１１３４ｂと角度θで交差し、第二突部１１３４の先端を形成する。また、第一面１１３４ａは、第一半導体層１１０の本体の表面を延伸して、第一半導体層１１０の本体の表面に角度αで交差する。更に、第二突部１１３４の第二面１１３４ｂは、第一突部１１３２の第二面１１３２ｂと、第一半導体層１１０の本体の表面に近接する部分で交差して、三次元ナノ構造体１１３の第一溝１１３６を形成する。第一突部１１３２の第二面１１３２ｂの、第一半導体層１１０の本体の表面を延伸する面は、第一半導体層１１０の本体の表面と平行な面と角度βで交差する。角度βの角度は０°（０°は含まず）〜９０°であるが、角度αの角度と同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００２４】
また、隣接する二つの三次元ナノ構造体１１３の間には、第二溝１１３８が形成される。具体的には、一つの三次元ナノ構造体１１３の第二突部１１３４の第一面１１３４ａと、隣接するもう一つの三次元ナノ構造体１１３の第一突部１１３２の第一面１１３２ａとは、第一半導体層１１０の本体の表面で交差して、第二溝１１３８を形成する。即ち、一つの三次元ナノ構造体１１３の第二突部１１３４の第一面１１３４ａと、隣接するもう一つの三次元ナノ構造体１１３の第一突部１１３２の第一面１１３２ａと、の交差線は、第一半導体層１１０の本体の表面上に存在する。
【００２５】
第一突部１１３２及び第二突部１１３４に関して、第一半導体層１１０の本体の表面から、該表面と離れる方向に突出するその高さに対する制限はない。ここで、該第一突部１１３２と第二突部１１３４との高さとは、図４のｈ２で示すように、第一半導体層１１０の本体の表面から第一突部１１３２或いは第二突部１１３４の最高点までの距離である。第一突部１１３２の高さと第二突部１１３４の高さは同じでも、或いは同じでなくても良い。第一突部１１３２の高さと第二突部１１３４の高さは、それぞれ１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、第一突部１１３２、或いは第二突部１１３４の最高点の集合体は直線、折れ線或いは曲線でも良い。即ち、第一突部１１３２の第一面１１３２ａと第二面１１３２ｂとが交差して形成される交差線は、直線、折れ線或いは曲線である。これと同様に、第二突部１１３４の第一面１１３４ａと第二面１１３４ｂとが交差して形成される交差線も、直線、折れ線或いは曲線である。各々の三次元ナノ構造体１１３において、第一突部１１３２の最高点と第二突部１１３４の最高点との距離は、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。本実施例において、第一突部１１３２の高さと第二突部１１３４の高さは同じであり、その高さは、１８０ｎｍである。また、第一突部１１３２の最高点と第二突部１１３４の最高点の集合体は、それぞれ直線である。
【００２６】
Ｘ方向における第一突部１１３２と第二突部１１３４の断面は、台形或いは三角形である。本実施例において、第一突部１１３２と第二突部１１３４のＸ方向における断面は、それぞれ三角形である。第一突部１１３２及び第二突部１１３４は、一対の峰を形成し、第一突部１１３２と第二突部１１３４とは接触して、接触線を形成する。また、第一突部１１３２と第二突部１１３４との断面は、互いに同じか、或いは同じでなくても良い。第一突部１１３２と第二突部１１３４との断面が同じである場合、第一突部１１３２と第二突部１１３４とは、対称構造を呈する。ここで、「対称構造」とは、第一突部１１３２と第二突部１１３４との断面が接触線に対して対称であることを指す。また、第一突部１１３２と第二突部１１３４とは非対称構造であっても良い。本実施例において、第一突部１１３２と第二突部１１３４とは対称構造を呈する。
【００２７】
第一突部１１３２と第二突部１１３４との間には間隙がある、或いは間隙がなくても良い。製造における制限と他の条件の影響により、第一突部１１３２の第一面１１３２ａと第二面１１３２ｂは平面ではなく、例えば、その一部分の表面が弧面、折れ面であっても良い。この場合、第一面１１３２ａと第二面１１３２ｂと交差して形成された角度θは、尖った角ではなく、弧角などの他の形状である。しかし、該角の具体的な形状は、第一突部１１３２の全体の構造に影響しなければ良い。また、第二突部１１３４のその一部分の表面が弧面、折れ面である場合、第二面１１３４ｂと第二面１１３４ａと交差して形成される角度θも尖った角ではない。つまり、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、第一突部１１３４の全体の構造に影響しなければ良い。
【００２８】
各々のＭ型を呈する三次元ナノ構造体１１３において、第一突部１１３２と第二突部１１３４との間には、第一溝１１３６がそれぞれ形成されている。第一溝１１３６の延伸する方向は、第一突部１１３２と第二突部１１３４の延伸する方向と同じである。第一溝１１３６の断面の形状はＶ型である。該Ｖ型を呈する溝は、三次元ナノ構造体１１３の表面に位置し、三次元ナノ構造体１１３の延伸方向に沿って延伸する。第一溝１１３６の深度ｈ１は、第一突部１１３２或いは第二突部１１３４の最高点が位置する面と、第一溝１１３６の最低点が位置する面との間の最短距離を指す。即ち、第一溝１１３６の深度ｈ１は、第一溝１１３６が第一半導体層１１０の方向に凹む最小距離である。各々のＭ型三次元ナノ構造体１１３の第一溝１１３６の深度ｈ１は同じである。第一溝１１３６の深度ｈ１は、第一突部１１３２或いは第二突部１１３４の高さｈ２より小さい。
【００２９】
第二溝１１３８は、隣接するＭ型の三次元ナノ構造体１１３の間に形成される。第二溝１１３８の延伸方向は、三次元ナノ構造体１１３の延伸方向と同じである。第二溝１１３８の延伸方向での断面はＶ型或いは倒立の台形である。
【００３０】
Ｘ方向において、各々の点での第二溝１１３８の断面の形状及び面積は基本的に同じであるが、製造における制限と他の条件の影響により誤差が生じる。しかし、該誤差は、横断面の全体の形状に影響しない程度であることが好ましい。第一溝１１３６と第二溝１１３８との、断面の形状、面積及び深度は全て異なる。第二溝１１３８の深度ｈ２は、第一突部１１３２或いは第二突部１１３４の最高点が位置する面から第一半導体層１１０の本体の表面までの最小距離である。第二溝１１３８の深度ｈ２と第一溝１１３６の深度ｈ１とは異なる。第二溝１１３８の深度ｈ２は、第一溝１１３６の深度ｈ１より深い。好ましくは、第一溝１１３６の深度ｈ１と第二溝１１３８の深度ｈ２との比率は、１：１．２≦ｈ１：ｈ２≦１：３である。第一溝１１３６の深度ｈ１は３０ｎｍ〜１２０ｎｍであり、第二溝１１３８の深度ｈ２は１００ｎｍ〜２００ｎｍである。本実施例において、第一溝１１３６の深度ｈ１は８０ｎｍであり、第二溝１１３８の深度ｈ２は１８０ｎｍである。第一突部１１３２と第二突部１１３４との間の距離及び第一溝１１３６の深度ｈ１と第二溝１１３８の深度ｈ２の比率は、製品の具体的な条件に応じて選択することができる。
【００３１】
各々の三次元ナノ構造体１１３の幅は、三次元ナノ構造１１３がＹ方向に延在する最大の長さである。本実施例における三次元ナノ構造体１１３の最大幅λは、三次元ナノ構造体１１３のＸ方向から見た断面の、第一半導体層１１０の本体の表面でＹ方向に沿って延伸する長さを指す。Ｍ型の三次元ナノ構造体１１３の最大幅λは、１００ｎｍ〜３００ｎｍである。第一半導体層１１０の本体の表面と離れる方向に沿って、三次元ナノ構造体１１３の幅は短くなる。即ち、各々の三次元ナノ構造体１１３において、第一突部１１３２の最高点と第二突部１１３４の最高点との間の距離は、三次元ナノ構造体１１３の最大幅より短い。
【００３２】
近接する二つの第二溝１１３８の間の距離は、一つの第二溝１１３８の、第一半導体層１１０の本体の表面の方向に凹んだ最底点から、該一つの第二溝１１３８に近接するもう一つの第二溝１１３８の、第一半導体層１１０の本体の表面の方向に凹んだ最底点までの距離である。即ち、近接する二つの第二溝１１３８の間の距離は、三次元ナノ構造体１１３の最大幅である。また、近接する二つの三次元ナノ構造体１１３の間の距離λ０は同じか、或いは同じでなくても良い。距離λ０は、第一突部１１３２或いは第二突部１１３４の高さの増加によって増加し、その高さが減少する場合は、該距離λ０も減少する。
【００３３】
Ｙ方向において、隣接する二つの三次元ナノ構造体１１３の間の距離λ０は０ｎｍ〜２００ｎｍである。λ０が０である場合、第二溝１１３８の横断面はＶ型である。しかし、λ０＞０である場合、第二溝１１３８の横断面は倒立の台形になる。Ｙ方向において、複数の三次元ナノ構造体１１３は、第二半導体層１３０に周期性を持って互いに平行に設置される。三次元ナノ構造体１１３の周期Ｐは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、該周期Ｐと、三次元ナノ構造体１１３の最大幅λと、隣接する二つの三次元ナノ構造体１１３の距離λ０と、は、下記の式（１）を満たす。
【００３４】
（式１）
Ｐ＝λ＋λ０                            （１）
【００３５】
Ｐと、λ及びλ０の単位は、ナノメートルである。周期Ｐが固定値である場合、λ０が増加すると、λは減少する。これとは逆に、λ０が減少すると、λは増加する。また、複数の三次元ナノ構造体１１３は、複数の周期性によって、第一半導体層１１０の本体の表面に形成されることもできる。即ち、一部の三次元ナノ構造体１１３は、周期Ｐで配列され、もう一部の三次元ナノ構造体１１３は周期Ｐ１（Ｐ≠Ｐ１）で配列されることができる。三次元ナノ構造体１１３が複数の周期性で配列する場合、その応用できる領域を拡大することができる。本実施例において、周期Ｐは約２００ｎｍであり、三次元ナノ構造体１１３の幅λは約１９０ｎｍである。隣接する二つの三次元ナノ構造体１１３の距離λ０は約１０ｎｍである。
【００３６】
活性層１２０は、第一半導体層１１０の第二表面に設置される。具体的には、活性層１２０は複数の三次元ナノ構造体１１３を有する表面を被覆する。また、該活性層１２０が第一半導体層１１０と接触する表面はパターン化表面である。活性層１２０のパターン化表面には、複数の突部と複数の溝が存在し、活性層１２０のパターン化表面に形成されたパターンが、複数の三次元ナノ構造体１１３が形成された三次元ナノ構造体アレイのパターンと互いに噛み合う。ここで噛み合うとは、活性層１２０表面の複数の溝が、三次元ナノ構造体１１３の複数の突部とは対応し、活性層１２０表面の複数の突部は、三次元ナノ構造体１１３の複数の溝と対応することである。
【００３７】
活性層１２０は、単一量子井戸層又は多重量子井戸層であり且つ光子を提供する。活性層１２０は、窒化ガリウム、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、燐化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＰ）及びヒ化アルミニウムガリウム（ＧａＩｎＡｓ）の一種又は数種からなる。活性層１２０の厚さは、０．０１μｍ〜０．６μｍである。本実施例において、活性層１２０の厚さは、０．３μｍであり且つ積層されたＧａＩｎＮ層及びＧａＮ層からなる。
【００３８】
第二半導体層１３０は、活性層１２０の第一半導体層１１０と接触する面とは反対側の表面に設置され、且つ該表面の全てを被覆する。第二半導体層１３０の活性層１２０と離れる表面は発光ダイオード１０の光出射面である。第二半導体層１３０の厚さは、０．１μｍ〜３μｍである。本実施例において、第二半導体層１３０は、マグネシウムがドープされたＰ型ＧａＮであり、その厚さは、０．３μｍである。
【００３９】
第一電極１１２は第一半導体層１１０と電気的に接続し且つ第一半導体層１１０の表面を完全に被覆する。第一電極１１２は、ｐ型電極又はｎ型電極であるが、第一半導体層１１０のタイプと同じである必要がある。第一電極１１２は少なくとも一層の層状構造を有する。第一電極１１２は、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなる。本実施例において、第一電極１１２は、二層構造を有するｎ型電極であり、積層された厚さが１５ｎｍのチタン層及び厚さが２００ｎｍの金層からなる。
【００４０】
第二電極１３２はｐ型電極又はｎ型電極であるが、第二半導体層１３０のタイプと同じ必要がある。第二電極１３２は、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対側の表面の一部に接触して設置される。即ち、第二電極１３２は発光ダイオード１０の光出射面に設置される。第二電極１３２の形状と位置は、発光ダイオード１０の光出射率にほぼ影響しない。第二電極１３２が透明電極である場合、該第二電極１３２は、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対側の表面の全体を被覆して設置されることによって、発光ダイオード１０の電流を分散でき、且つ熱量の発生を減少させることができる。第二電極１３２は、少なくとも一層の層状構造を有する。第二電極１３２は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなるか、カーボンナノチューブ或いはＩＴＯからなることもできる。本実施例において、第二電極１３２はｐ型電極であり、第二半導体層１３０の表面の一端に設置される。第二電極１３２は、厚さが１５ｎｍの一層のチタン及び厚さが１００ｎｍの一層の金からなる二重構造を有するチタン／金電極である。
【００４１】
更に、第一半導体層１１０と第一電極１１２の間に反射層（図示せず）を設置する。該反射層は第一半導体層１１０の表面を被覆する。該反射層は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなる。活性層１２０に形成された光子が反射層に達すると、反射層が、該光子を反射して、発光ダイオード１０の光出射面で出射させるので、発光ダイオード１０の光出射率を高めることができる。
【００４２】
活性層１２０は、複数の三次元ナノ構造体１１３を有する第一半導体層１１０の第一領域に設置される。これにより、活性層１２０と第一半導体層１１０と接触する面積を増加させることができる。また、電子及び正孔が活性層１２０に移動し且つ互いに結合することを高めることができるため、光子の生成数量を増加させて、発光ダイオード１０の光出射効率を高めることができる。
【００４３】
図５を参照すると、実施例１に係る発光ダイオード１０の製造方法は、基板１００を提供し、該基板１００が成長表面１０１を含むステップ（Ｓ１１）と、成長表面１０１の表面に第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ１２）と、第一半導体層１１０の表面に三次元ナノ構造体１１３を形成させるステップ（Ｓ１３）と、第一半導体層１１０の三次元ナノ構造体１１３の表面に、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、を順に成長させるステップ（Ｓ１４）と、基板１００を除去し、第一半導体層１１０を露出させるステップ（Ｓ１５）と、露出した第一半導体層１１０の表面に、第一電極１１２を設置するステップ（Ｓ１５）と、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対の表面に第二電極１３２を形成して、第二半導体層１３０に電気的に接続させるステップ（Ｓ１６）と、を含む。
【００４４】
ステップ（Ｓ１１）において、基板１００の厚さは、３００μｍ〜５００μｍである。基板１００は、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＭｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ：Ｚｎ及びＧａＰ：Ｎの一種又は数種からなることができる。
【００４５】
基板１００は、第一半導体層１１０に対して、結晶を成長させるための成長表面１０１を有し、該成長表面１０１は、第一半導体層１１０の結晶成長を支持する。基板１００の材料は、製造しようとする第一半導体層１１０の材料に応じて選択可能であるが、第一半導体層１１０の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。本実施例において、基板１００はサファイア基板であり、その厚さは４００μｍである。
【００４６】
発光ダイオード１０は、更にバッファ層（図示せず）を含む。該バッファ層は成長表面１０１に形成する。該バッファ層は、第一半導体層１１０の間の格子不整合現象を減少させ、且つ第一半導体層１１０の間のエピタキシャル成長の品質を改善することができる。バッファ層は、ガリウム窒化物（ＧａＮ）又はアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなり、その厚さは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００４７】
基板１００は第一半導体層１１０を成長させる成長表面１０１を提供する。該成長表面１０１は酸素と炭素を除去した滑らかな表面である。基板１００は単層或いは多層である。基板１００が単層である場合に、該基板１００は単結晶構造である。基板１００が多層である場合に、該基板１００は少なくとも一層の単結晶構造を有し、且つ該単結晶構造は成長表面１０１としての結晶面を有する。
【００４８】
ステップ（Ｓ１２）において、第一半導体層１１０は、それぞれ分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学ビームエピタキシー法（ＣＢＥ）、減圧エピタキシャル成長法、低温エピタキシー法、液相エピタキシー法（ＬＰＥ）、選択エピタキシー法、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、超高真空化学蒸着法（ＵＨＶＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）及び有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの一種又は数種の方法によって、結晶を成長させることができる。
【００４９】
本実施例において、第一半導体層１１０は、ケイ素（Ｓｉ）がドープされたｎ型ＧａＮである。有機金属気相成長法によって、第一半導体層１１０を成長させる。ここで、高純度アンモニア（ＮＨ３）を窒素源ガスとして、水素をキャリヤーガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウムの原料ガスとして、シラン（ＳｉＨ４）をケイ素の原料ガスとして用いる。
【００５０】
本実施例において、第一半導体層１１０の成長方法は、サファイア基板を真空反応室に設置し、該反応室を１１００℃〜１２００℃まで加熱し、キャリヤーガス及び窒素源ガスを反応室に導入し、サファイア基板を２００秒〜１０００秒にわたって焼成するステップ（Ｓ１２１）と、キャリヤーガスの雰囲気で、反応室の温度を５００℃〜６５０℃まで下げ、同時にガリウムの原料ガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、低温でＧａＮバッファ層（図示せず）を成長させるステップ（Ｓ１２２）と、ガリウムの原料ガスの導入を停止し、キャリヤーガス及び窒素源ガスの導入を維持し、反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃まで昇温し、３０秒〜３００秒にわたってアニーリング処理するステップ（Ｓ１２３）と、反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、ガリウムの原料ガスを再び導入すると同時に、ケイ素の原料ガスを導入して、高温で第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ１２４）と、を含む。
【００５１】
ステップ（Ｓ１２２）において、第一半導体層１１０と基板１００とは、格子定数が違うため、低温ＧａＮバッファ層は、第一半導体層１１０の格子不整合を更に低減させることができる。
【００５２】
また、ステップ（Ｓ１２３）の後、反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃に保持し、ガリウムの原料ガスを反応室に導入することにより、ドープしない導体層を成長させた後、ケイ素の原料ガスを導入して、第一半導体層１１０を成長させる。該ドープしない導体層は第一半導体層１１０の格子不整合を更に低減させることができる。
【００５３】
図６を併せて参照すると、ステップ（Ｓ１３）は、第一半導体層１１０の表面に、マスク層１０３を設置するステップ（Ｓ１３１）と、マスク層１０３をナノプリント及びエッチング法によって、パターニングするステップ（Ｓ１３２）と、第一半導体層１１０をエッチングして、該第一半導体層１１０の表面をパターニングした後、三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成するステップ（Ｓ１３３）と、マスク層１０３を取り除き、複数の三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ１３４）と、を含む。
【００５４】
ステップ（Ｓ１３１）において、マスク層１０３は単層構造或いは複合構造である。マスク層１０３が単層構造である場合、該マスク層１０３の材料は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＳＯＧ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどであり、マスク層１０３によって、第一半導体層１１０の被覆される部分を保護する。本実施例において、マスク層１０３は複合マスク層である。マスク層１０３は第一マスク層１０３２及び第二マスク層１０３４を含む。第一マスク層１０３２及び第二マスク層１０３４は、第一半導体層１１０に積層され、第一マスク層１０３２は第二マスク層１０３４に被覆される。第一半導体層１１０は、第一マスク層１０３２の一つの表面に隣接し、第二マスク層１０３４は、第一マスク層１０３２の第一半導体層１１０と隣接する表面の反対側の表面に隣接し、且つ第一マスク層１０３２を覆う。第一マスク層１０３２と第二マスク層１０３４の材料は限定されず、必要とするエッチングする深度及びエッチング用気体などに応じて選択できる。第一マスク層１０３２は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＰＭＭＡ、ＰＳ、ＳＡＬ６０１、ＡＲＺ７２０等からなり、第二マスク層１０３４は、ＨＳＱ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。本実施例において、第一マスク層１０３２の材料はＺＥＰ５２０Ａであり、第二マスク層１０３４の材料はＨＳＱである。スクリーン印刷法或いはスピンコーティング法によって、第一マスク層１０３２及び第二マスク層１０３４は、第一半導体層１１０の表面に堆積される。
【００５５】
ステップ（Ｓ１３１）は、第一マスク層１０３２を形成するステップ（Ｓ１３１ａ）と、第二マスク層１０３４を形成するステップ（Ｓ１３１ｂ）と、を含む。
【００５６】
ステップ（Ｓ１３１ａ）において、第一段階では、第一半導体層１１０の表面を洗浄し、第一半導体層１１０の表面に、ＺＥＰ５２０Ａをスピンコーティングする。該スピンコーティングの回転速度は５００回転／分〜６０００回転／分であり、時間は０．５分〜１．５分間である。第二段階では、１４０℃〜１８０℃の温度で乾燥させて、第一半導体層１１０の表面に第一マスク層１０３２を形成する。乾燥時間は３分〜５分間である。この際、第一マスク層１０３２の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍに達する。
【００５７】
ステップ（Ｓ１３１ｂ）において、第一段階では、高圧の条件下で、第一マスク層１０３２の表面に、ＨＳＱをスピンコーティングする。該スピンコーティングの回転速度は２５００回転／分〜７０００回転／分であり、時間は０．５分〜２分間である。第二段階では、ＨＳＱを固化して、第二マスク層１０３４を形成する。この際、第二マスク層１０３４の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍであるが、好ましくは、３００ｎｍ〜５００ｎｍである。第二マスク層１０３４は構造の安定性に優れ、室温でプレスでき、且つプレスの解像度は１０ｎｍ以下に達する。
【００５８】
また、ステップ（Ｓ１３１ａ）とステップ（Ｓ１３１ｂ）の間に更に一つのステップ（Ｓ１３１ｃ）を含むことができる。該ステップ（Ｓ１３１ｃ）において、第一マスク層１０３２の表面に一つの過渡層（図示せず）を形成する。本実施例において、該過渡層はシリカからなり、且つ第二マスク層１０３４をエッチングする際、第一マスク層１０３２を保護することに用いられる。
【００５９】
ステップ（Ｓ１３２）は、ナノパターン化表面を有する金型２００を提供するステップ（Ｓ１３２ａ）と、金型２００のナノパターン化表面を第二マスク層１０３４に貼合し、常温でプレスした後、分離させるステップ（Ｓ１３２ｂ）と、形成された凹溝の底部の第二マスク層１０３４を除去し、第一マスク層１０３２を露出させるステップ（Ｓ１３２ｃ）と、凹溝の低部に対応する第一マスク層１０３２を除去し、第一半導体層１１０を露出させ、パターニングしたマスク層１０３を形成するステップ（Ｓ１３２ｄ）と、を含む。
【００６０】
ステップ（Ｓ１３２ａ）において、金型２００は、硬質材料、或いは軟質材料からなる。金型２００が硬質材料からなる場合、金型２００の材料は、例えば、ニッケル、シリコン或いはシリカである。金型２００が軟質材料からなる場合、金型２００の材料は、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ＰＳ（ポリスチレン）、またはＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）である。金型２００の表面には、ナノパターンが形成されている。該ナノパターンとは、複数の突部が間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部、或いは間隔をおいて配列された複数の同心円状の突部構造、或いは同心四角状の突部構造体からなるアレイである。本実施例において、金型２００の表面に形成されたナノパターンとは、複数の突部が間隔をおいて配列されたアレイである。複数の突部はストリップ状の突部構造であり、且つ同じ方向に沿って延伸する。隣接する二つのストリップ状の突部構造の間には、凹溝が形成されている。ストリップ状の突部構造と凹溝との、それらの延伸する方向から見た断面は、それぞれ矩形である。複数の突部の延伸する方向と垂直する方向に沿った、ストリップ状の突部構造の幅は限定されず、必要に応じて選択できる。本実施例において、金型２００の材料はシリカであり、ストリップ状の突部構造の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、凹溝の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、ストリップ状の突部構造の幅と溝の幅は同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００６１】
ステップ（Ｓ１３２ｂ）において、常温下で、金型２００を通じて、第一半導体層１１０まで圧力を加えることによって、金型２００の表面のナノパターンを、第二マスク層１０３４に転写させる。具体的には、先ず、金型２００のナノパターンを有する表面を、第二マスク層１０３４と貼合させ、次に、真空度が１×１０−１ｍｂａｒ〜１×１０−５ｍｂａｒであり、２ポンド／平方フット〜１００ポンド／平方フットの圧力をかけて、金型２００と第二マスク層１０３４とを貼合し続け、この状態を２分〜３０分間保持し、最後に、金型２００と第二マスク層１０３４とを分離させる。これにより、金型２００の表面のナノパターンは、第二マスク層１０３４に転写される。
【００６２】
第二マスク層１０３４の表面に転写されたナノパターンは、並列に延伸する複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状の突部構造間には、凹溝が形成され、且つ、第二マスク層１０３４の凹溝の大きさ及び形状は、金型２００の突部の大きさ及び形状と対応し、第二マスク層１０３４のストリップ状の突部の大きさ及び形状は、金型２００の凹溝の大きさ及び形状と対応する。圧力を加える過程において、第二マスク層１０３４は、金型２００の突部に圧縮されて薄くなり、第二マスク層１０３４中に凹溝を形成する。これにより、凹溝の底部における第二マスク層１０３４が薄層となり、第一マスク層１０３２の表面に付着する。
【００６３】
ステップ（Ｓ１３２ｃ）において、プラズマエッチング法によって、凹溝の底部における第二マスク層１０３４を除去する。本実施例において、凹溝の底部に残留した第二マスク層１０３４は、反応性プラズマエッチング法によって除去し、第一マスク層１０３２を露出させる。具体的には、パターン化された第二マスク層１０３４が形成された第一半導体層１１０を、反応性プラズマエッチングのシステムに設置し、該反応性プラズマエッチングのシステムによって、四フッ化炭素（ＣＦ４）のプラズマを形成する。その後、該形成された四フッ化炭素のプラズマは拡散し、第二マスク層１０３４に移動する。この際、凹溝の底部の第二マスク層１０３４は、四フッ化炭素プラズマによってエッチングされる。該四フッ化炭素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、該四フッ化炭素プラズマの導入速度は、２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、気圧は、０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、四フッ化炭素プラズマでエッチングする時間は、２秒〜４分間である。本実施例において、四フッ化炭素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該該四フッ化炭素プラズマの導入流量は２６ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１０秒間である。以上の方法により、凹溝の底部における第二マスク層１０３４は、四フッ化炭素プラズマによってエッチングされて、第一マスク層１０３２を露出させる。同時に、第二マスク層１０３４の突部構造はエッチングされて薄くなる。しかし、この際、第二マスク層１０３４のナノパターンは、完全な形態を保持することができる。
【００６４】
ステップ（Ｓ１３２ｄ）において、凹溝の底部の第一マスク層１０３２を、酸素プラズマエッチングのシステム中で、酸素プラズマによってエッチングして、第一半導体層１１０を露出させる。該酸素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、酸素プラズマの導入速度は２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、酸素プラズマでエッチングされる時間は５秒〜５分間である。本実施例において、酸素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該酸素プラズマの導入流量は４０ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１２０秒である。以上の方法により、凹溝と対応する第一マスク層１０３２は、酸素プラズマによってエッチングされ、第二マスク層１０３４は、凹溝と対応しない領域を被覆し、エッチング過程において、第一マスク層１０３２の解像度を有効に保持する。従って、第二マスク層１０３４のナノパターンを、第一マスク層１０３２に複製でき、これにより、マスク層１０３は全体的にパターン化される。
【００６５】
マスク層１０３は、第一半導体層１１０の表面に形成される複数の突部構造１０３１を含む。隣接する該突部構造１０３１の間には、溝１０３３がそれぞれ形成される。溝１０３３と対応する領域における第一半導体層１１０の表面は露出され、突部構造１０３１は、溝１０３３と対応する領域以外の領域を被覆する。また、エッチング気体全体の流動速度及びエッチング方向を抑制させることにより、エッチングが終わった後に形成された突部構造１０３１の側壁は、第一半導体層１１０とほぼ垂直となる。これにより、後続の第一半導体層１１０のエッチング中において形成される三次元ナノ構造体予備成形物１１３１の形状の一致性及び均一性を保証することができる。第一マスク層１０３２をエッチングする過程において、第二マスク層１０３４の突部構造は多少エッチングされる。しかし、第二マスク層１０３４がエッチングされる速度は、第一マスク層１０３２がエッチングされる速度より遅い。従って、第二マスク層１０３４のナノパターンは、基本的に保持される。
【００６６】
ステップ（Ｓ１３３）において、第一半導体層１１０を、誘導結合プラズマエッチングのシステムに設置した後、エッチング用気体を利用して、第一半導体層１１０をエッチングする。エッチングする過程において、溝１０３３に対応する部分の第一半導体層１１０は、該気体によって除去され、第一半導体層１１０の表面に凹溝が形成される。
【００６７】
更に、エッチングする過程は、マスク層１０３に被覆されない第一半導体層１１０の表面をエッチングして、第一半導体層１１０の表面に複数の凹溝を形成し、該複数の凹溝の深度は、全て基本的に同じであるステップ（Ｓ１３３ａ）と、プラズマの衝突作用によって、マスク層１０３中の隣接する二つの突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、突部構造１０３１の頂部（第一半導体層１１０と離れる一端）が二つずつ互いに接近して、最後は接触するステップ（Ｓ１３３ｂ）と、を含む。
【００６８】
ステップ（Ｓ１３３ａ）において、エッチングする過程で、エッチングに採用した気体は、マスク層１０３に被覆されない第一半導体層１１０と反応して保護層を形成する。該保護層は、第一半導体層１１０がさらにエッチングされることを阻止できるので、第一半導体層１１０のエッチングする面積は徐々に小さくなる。即ち、第一半導体層１１０に形成された凹溝の広さは、第一半導体層１１０のエッチング方向に沿って小さくなり、該凹溝の壁は、第一半導体層１１０の表面とほぼ垂直となる。同時に、エッチング用気体は、マスク層１０３の突部構造１０３１の頂部をエッチングすることによって、突部構造１０３１の頂部の幅を次第に狭くさせる。エッチングする過程において、エッチング用気体は、マスク層１０３もエッチングする。しかし、マスク層１０３がエッチングされる速度は、第一半導体層１１０の表面がエッチングされる速度より遅い。従って、第一半導体層１１０がエッチングされて、複数の凹溝が形成される過程において、マスク層１０３の形態及び分布を保持することができる。
【００６９】
ステップ（Ｓ１３３ｂ）は、以下の三つのサブステップを含む。
【００７０】
第一サブステップにおいて、気体によってエッチングする過程中に、プラズマの衝突作用によって、隣接する二つの突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、突部構造１０３１の頂部（第一半導体層１１０と離れる一端）は二つずつ互いに接近して、最後は接触する。
【００７１】
第二サブステップにおいて、隣接する二つの突部構造１０３１の頂部は、次第に互いに接近して接触するので、第一半導体層１１０の、突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する部分のエッチングする速度は遅くなる。即ち、突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する位置に形成された凹溝の幅は、エッチングされる深度に伴い狭くなり、更に、Ｖ型構造の凹溝を形成する。しかし、この際、該凹溝の深さは比較的浅い。従って、エッチングする気体は同じエッチングする速度で、未だ接触していない突部構造１０３１間において、第一半導体層１１０をエッチングする。これにより、未だ接触していない突部構造１０３１の間に形成されている溝の深度は、突部構造１０３１の頂部が接触する部分に形成される凹溝より深い。
【００７２】
第三サブステップにおいて、突部構造１０３１の頂部が二つずつ接触した後、気体は、接触する部分に被覆された第一半導体層１１０をエッチングし続けることができない。従って、第一半導体層１１０の表面に、第一溝１１３６が形成される。同時に、気体は、接触していない二つの突部構造１０３１間における第一半導体層１１０をエッチングし続け、第二溝１１３８を形成する。これにより、第二溝１１３８の深度は第一溝１１３６の深度より深くなり、三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成する。
【００７３】
本実施例において、気体は混合気体であり、該混合気体はＣｌ２、ＢＣｌ３、Ｏ２、Ａｒ２を含む。プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、混合気体の導入速度は８ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、エッチング時間は５秒〜５分間である。その中で、Ｃｌ２の導入速度は２ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍであり、ＢＣｌ３の導入速度は２ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍであり、Ｏ２の導入速度は３ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍであり、Ａｒ２の導入速度は１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍである。本実施例において、プラズマエッチングのシステムの仕事率は７０Ｗであり、プラズマの導入流動は４０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１２０秒である。その中で、Ｃｌ２の導入速度は２６ｓｃｃｍであり、ＢＣｌ３の導入速度は１６ｓｃｃｍであり、Ｏ２の導入速度は２０ｓｃｃｍであり、Ａｒ２の導入速度は１０ｓｃｃｍである。
【００７４】
マスク層１０３及びエッチングする気体は制限されず、必要に応じて選択できる。エッチングする過程において、マスク層１０３における突部構造１０３１が二つずつ接触することができるならば、純粋な気体、或いは混合気体でも良い。また、必要とする三次元ナノ構造体１１３のサイズと寸法によって、気体の導入速度、気圧、エッチング時間、気体の比率などを選択できる。
【００７５】
ステップ（Ｓ１３４）において、有機溶剤によって、マスク層１０３を溶解して除去した後、三次元ナノ構造体予備成形物１１３１を形成する。該有機溶剤は、例えば、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、ブタノン、シクロヘキサン、ヘキサン、メタノール或いはエタノールなどである。本実施例において、有機溶剤はブタノンである。マスク層１０３はブタノンに溶解されて、第一半導体層１１０から脱離する。マスク層１０３を除去した後、第一半導体層１１０を形成する。即ち第一半導体層１１０に複数の三次元ナノ構造体１１３が形成される。三次元ナノ構造体１１３と第一半導体層１１０は一体成型である。
【００７６】
また、他の媒介或いは基板上に、パターニングされたマスク層１０３を形成した後、該マスク層１０３を、第一半導体層１１０の表面に設置しても良い。
【００７７】
ステップ（Ｓ１４）において、活性層１２０及び第二半導体層１３０の成長方法は、第一半導体層１１０の成長方法と本質的に同じである。本実施例において、活性層１２０及び第二半導体層１３０の成長方法は、第一半導体層１１０が成長するまで、アンモニア、水素及びガリウムの原料ガスを導入し、反応室の温度を７００℃〜９００℃に維持し、反応室のガス圧を５０トル〜５００トルに維持するステップ（Ｓ１４１）と、反応室にインジウムの原料ガスを更に導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系によって多層の量子井戸構造体を成長させて、活性層１２０を形成するステップ（Ｓ１４２）と、インジウムの原料ガスの導入を停止し、反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、反応室のガス圧を７６トル〜２００トルに維持するステップ（Ｓ１４３）と、反応室にマグネシウムの原料ガスを更に導入して、マグネシウムがドープされたＰ型のＧａＮエピタキシャル層を成長させて、第二半導体層１３０を形成するステップ（Ｓ１４４）と、を含む。
【００７８】
ステップ（Ｓ１５）において、レーザー放射法、化学腐食方法などの方法によって、基板１００を除去する。基板１００を除去する方法は、第一半導体層１１０の材料によって選択できる。本実施例において、レーザー放射法によって、基板１００を除去する。
【００７９】
基板１００を除去方法は、第一半導体層１１０が成長した基板１００の表面を、研磨して洗浄するステップ（Ｓ１５１）と、洗浄した基板１００をプラットフォームに置いて、レーザーによって、基板１００と第一半導体層１１０を処理するステップ（Ｓ１５２）と、レーザーによって処理した基板１００を溶液に置いて、基板１００を除去するステップ（Ｓ１５３）と、含む。
【００８０】
ステップ（Ｓ１５１）において、基板１００を研磨することによって、基板１００の表面を滑らかになる。従って、レーザーによって処理する過程において、レーザーの分散を減少させる。次いで、塩酸或いは硫酸によって、基板１００の表面を洗浄する。
【００８１】
ステップ（Ｓ１５２）において、レーザーを研磨した基板１００の表面に入射させる。この際、入射する方向は基板１００を研磨した表面と垂直する方向である。レーザーの波長は、基板１００と第一半導体層１１０の材料によって選択できる。具体的には、レーザーのエネルギーは、基板１００のエネルギーギャップより少なく、第一半導体層１１０のエネルギーギャップより大きい。これにより、レーザーは、基板１００を通過して、第一半導１１０体層に到達し、該半導体層１１０と基板１００が接触する部分で、レーザーの剥離が行われる。また、該半導体層１１０と基板１００が接触する部分の第一半導体層１１０のバッファ層は、レーザーに対する吸収率が高いので、バッファ層の温度は素早く上昇した後、分解される。本実施例において、第一半導体層１１０は窒化ガリウムであり、エネルギーギャップは３．３ｅｖである。基板１００はサファイア基板であり、エネルギーギャップは９．９ｅｖである。レーザーはＫｒＫであり、レーザーの波長は２４８ｎｍであり、エネルギーは５ｅｖであり、パルス幅は２０〜４０ｎｓであり、エネルギー密度は４００〜６００ｍｊ／ｃｍ２であり、スポット形状は正方形であり、フォーカスサイズは０．５ｍｍ×０．５ｍｍであり、基板１００の縁から走査し始める。走査の長さは０．５ｍｍ／ｓである。走査する過程において、窒化ガリウムはガリウムと窒素に分解される。本実施例の第一半導体層１１０は特定のレーザーの波長に対する吸収率が高い。従って相応するレーザーの波長を選択することができる。
【００８２】
真空或いは保護気体の環境下で、レーザーによって処理する。これにより、ナノカーボンチューブを酸化して破壊することを防止することができる。また、ここでの保護気体は、窒素ガス、ヘリウム或はアルゴンなどの不活性の気体である。
【００８３】
ステップ（Ｓ１５３）において、レーザーによって処理された基板１００を酸性溶液に放置して、酸化処理によってガリウムを除去し、基板１００と第一半導体層１１０とを分離させる。該溶液は、ガリウムを溶解できる塩酸、硫酸及び硝酸などである。
【００８４】
ステップ（Ｓ１６）において、第一電極１１２は、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法、イオンスパッタリング法等の物理気相成長法によって形成される。或いは、導電基板を試用して、導電ペースト等によって、第一半導体層１１０の露出する表面の一部に貼付し、第一電極１１２を形成する。本実施例において、第一電極１１２は、電子ビーム蒸着法によって、第一半導体層１１０の露出する表面に形成される。
【００８５】
ステップ（Ｓ１７）において、第二電極１３２の製造方法は、第一電極１１２の製造方法と同じである。本実施例において、第二電極１３２は電子ビーム蒸着法によって形成し、且つ第二半導体層１３０に表面の一部に設置する。
【００８６】
（実施例２）
図７を参照すると、実施例２に係る発光ダイオード２０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１１２及び第二電極１３２と、を含む。第一半導体層１１０、活性層１２０、第二半導体層１３０及び第二電極１３２は、第一電極１１２の一側に、該一側から離れる方向に順に積層される。第一電極１１２は、第一半導体層１１０に電気的に接続されている。第二電極１３２は、第二半導体層１３０に電気的に接続されている。複数の三次元ナノ構造体１１３は、第一半導体層１１０の活性層１２０と接触する表面に設置されている。また、複数の三次元ナノ構造体１２３が、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面に設置されている。
【００８７】
実施例２に係る発光ダイオード２０の構造は、実施例１に係る発光ダイオード１０の構造と基本的に同じである。異なる点は、発光ダイオード２０において、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面にも複数の三次元ナノ構造体１２３が形成されていることである。図８を参照すると、三次元ナノ構造体１２３は、第一突部１２３２及び第二突部１２３４を有し、第一突部１２３２と第二突部１２３４との間には第一溝１２３６が形成され、隣接する二つの三次元ナノ構造体１２３の間には第二溝１２３８が形成される。三次元ナノ構造体１２３と三次元ナノ構造体１１３とは構造が同じであり、且つ対応して設置される。該対応して設置されるとは、活性層１２０の表面の複数の三次元ナノ構造体１２３と、第一半導体層１１０の表面の複数の三次元ナノ構造体１１３とは、起伏趨勢が同じであることを指す。具体的には、第一突部１２３２と第一突部１１３２とは同軸であり、第二突部１２３４と第二突部１１３４とは同軸であり、第一溝１２３６と第一溝１１３６とは同軸であり、第二溝１２３８と第二溝１１３８とは同軸である。
【００８８】
第二半導体層１３０は、複数の三次元ナノ構造体１２３の表面に設置される。また該複数の三次元ナノ構造体１２３は複数の溝と突部を有するため、第二半導体層１３０の表面に、複数の三次元ナノ構造体（図示せず）を形成する。具体的には、第二半導体層１３０の複数の溝は、三次元ナノ構造体１２３の複数の突部と対応し、第二半導体層１３０の複数の突部は、三次元ナノ構造体１２３の複数の溝と対応する。
【００８９】
図９を参照すると、実施例２に係る発光ダイオード２０の製造方法は、基板１００を提供し、該基板１００が成長表面１０１を含むステップ（Ｓ２１）と、成長表面１０１の表面に第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ２２）と、第一半導体層１１０の表面に三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ２３）と、第一半導体層１１０の三次元ナノ構造体１１３の表面に、活性層１２０を成長させ、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面に、複数の三次元ナノ構造体１２３を形成するステップ（Ｓ２４）と、複数の三次元ナノ構造体１２３の表面に第二半導体層１３０を形成するステップ（Ｓ２５）と、基板１００を除去し、第一半導体層１１０を露出させるステップ（Ｓ２６）と、露出した第一半導体層１１０の表面に、第一電極１１２を設置するステップ（Ｓ２７）と、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対の表面に第二電極１３２を形成して、第二半導体層１３０に電気的に接続させるステップ（Ｓ２８）と、を含む。
【００９０】
実施例２の発光ダイオード２０の製造方法は、実施例１の発光ダイオード１０の製造方法とは基本的に同じである。異なる点は、活性層１２０を成長させる過程において、第一半導体層１１０が形成された基板１００を垂直成長の反応室に置いて、反応条件（例えば、気体の導入速度、流動方向）を制御することである。これによって、活性層１２０の成長の方向及び厚さを制御することができ、活性層１２０は、複数の三次元ナノ構造体１１３に対応する起伏趨勢を有して成長することができる。即ち、第一突部１１３２及び第二突部１１３４は互いに対応して各々突部を形成し、第一溝１１３６と及び第二溝１１３８も互いに対応して、各々溝を形成する。従って、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面に複数の三次元ナノ構造体１２３を形成することができる。
【００９１】
（実施例３）
図１０を参照すると、実施例３に係る発光ダイオード３０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１１２及び第二電極１３２と、を含む。第一半導体層１１０、活性層１２０、第二半導体層１３０及び第二電極１３２は、第一電極１１２の一側に、該一側から離れる方向に順に積層される。第一電極１１２は、第一半導体層１１０に電気的に接続されている。第二電極１３２は、第二半導体層１３０に電気的に接続されている。複数の三次元ナノ構造体１１３は、第一半導体層１１０の活性層１２０と接触する表面に設置されている。また、複数の三次元ナノ構造体１３３は、第二半導体層１３０の第一半導体層１１０と離れる表面に設置されている。
【００９２】
実施例３に係る発光ダイオード３０の構造は、実施例１に係る発光ダイオード１０の構造と基本的に同じであるが、異なる点は、発光ダイオード３０において、第二半導体層１３０の第一半導体層１１０と離れる表面に、複数の三次元ナノ構造体１３３が形成されたことである。図１１を参照すると、三次元ナノ構造体１３３は、第一突部１３３２及び第二突部１３３４を有し、第一突部１３３２と第二突部１３３４との間には第一溝１３３６が形成され、隣接する二つの三次元ナノ構造体１３３の間には第二溝１３３８が形成されている。三次元ナノ構造体１３３と三次元ナノ構造体１１３とは構造が同じである。
【００９３】
実施例３に係る発光ダイオード３０の製造方法は、基板１００を提供し、基板１００が成長表面１０１を含むステップ（Ｓ３１）と、成長表面１０１の表面に第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ３２）と、第一半導体層１１０の表面に三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ３３）と、第一半導体層１１０の三次元ナノ構造体１１３の表面に、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、を順に成長させるステップ（Ｓ３４）と、第二半導体層１３０の第一半導体層１１０と離れる表面上に複数の三次元ナノ構造体１３３を形成するステップ（Ｓ３５）と、基板１００を除去し、第一半導体層１１０を露出させるステップ（Ｓ３６）と、露出した第一半導体層１１０の表面に、第一電極１１２を設置するステップ（Ｓ３７）と、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対の表面に第二電極１３２を形成して、第二半導体層１３０に電気的に接続させるステップ（Ｓ３８）と、を含む。
【００９４】
（実施例４）
図１２を参照すると、実施例４に係る発光ダイオード４０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１１２及び第二電極１３２と、を含む。第一半導体層１１０、活性層１２０、第二半導体層１３０及び第二電極１３２は、第一電極１１２の一側に、該一側から離れる方向に順に積層される。第一電極１１２は、第一半導体層１１０に電気的に接続されている。第二電極１３２は、第二半導体層１３０に電気的に接続される。複数の三次元ナノ構造体１１３は、第一半導体層１１０の活性層１２０と接触する表面に設置されている。複数の三次元ナノ構造体１２３は、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面に設置されている。複数の三次元ナノ構造体１３３は、第二半導体層１３０の第一半導体層１１０と離れる表面に設置されている。
【００９５】
実施例４に係る発光ダイオード４０の構造は、実施例２に係る発光ダイオード２０の構造と基本的に同じであるが、異なる点は、発光ダイオード４０において、第二半導体層１３０の第一半導体層１１０と離れる表面に、複数の三次元ナノ構造体１３３が形成されたことである。三次元ナノ構造体１３３は、第一突部１３３２及び第二突部１３３４を有し、第一突部１３３２と第二突部１３３４との間には第一溝１３３６が形成され、隣接する二つの三次元ナノ構造体１３３の間には第二溝１３３８が形成されている。三次元ナノ構造体１３３と三次元ナノ構造体１１３とは構造が同じである。
【００９６】
実施例４に係る発光ダイオード４０の製造方法は、基板１００を提供し、該基板１００が成長表面１０１を含むステップ（Ｓ４１）と、成長表面１０１の表面に第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ４２）と、第一半導体層１１０の表面に三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ４３）と、第一半導体層１１０の三次元ナノ構造体１１３の表面に、活性層１２０を成長させ、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面に複数の三次元ナノ構造体１２３を形成するステップ（Ｓ４４）と、複数の三次元ナノ構造体１２３の表面に第二半導体層１３０を形成するステップ（Ｓ４５）と、第二半導体層１３０の第一半導体層１１０と離れる表面に複数の三次元ナノ構造体１３３を形成するステップ（Ｓ４６）と、基板１００を除去し、第一半導体層１１０を露出させるステップ（Ｓ４７）と、露出した第一半導体層１１０の表面に、第一電極１１２を設置するステップ（Ｓ４８）と、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対の表面に第二電極１３２を形成して、第二半導体層１３０に電気的に接続させるステップ（Ｓ４９）と、を含む。
【００９７】
（実施例５）
図１３を参照すると、実施例５に係る発光ダイオード５０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１１２及び第二電極１３２と、を含む。第一半導体層１１０、活性層１２０、第二半導体層１３０及び第二電極１３２は、第一電極１１２の一側に、該一側から離れる方向に順に積層される。第一電極１１２は、第一半導体層１１０に電気的に接続されている。第二電極１３２は、第二半導体層１３０に電気的に接続されている。複数の三次元ナノ構造体１１３は、第一半導体層１１０の活性層１２０と接触する表面に設置されている。複数の三次元ナノ構造体１１５は、第一半導体層１１０の活性層１２０と離れる表面に設置されている。
【００９８】
実施例５に係る発光ダイオード５０の構造は、実施例１に係る発光ダイオード１０の構造と基本的に同じであるが、異なる点は、発光ダイオード５０において、第一半導体層１１０の活性層１２０と離れる表面に、複数の三次元ナノ構造体１１５が形成されたことである。三次元ナノ構造体１１５と三次元ナノ構造体１１３とは構造が同じであり、横断面はＭ型である。第一電極１１２は複数の三次元ナノ構造体１１５を被覆している。
【００９９】
実施例５に係る発光ダイオード５０の製造方法は、基板１００を提供し、該基板１００が成長表面１０１を含むステップ（Ｓ５１）と、成長表面１０１の表面に第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ５２）と、第一半導体層１１０の表面に三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ５３）第一半導体層１１０の三次元ナノ構造体１１３の表面に、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、を順に成長させるステップ（Ｓ５４）と、基板１００を除去し、第一半導体層１１０を露出させるステップ（Ｓ５５）と、露出した第一半導体層１１０の表面に、複数の三次元ナノ構造体１１５を形成するステップ（Ｓ５６）と、第一電極１１２で複数の三次元ナノ構造体１１５を被覆するステップ（Ｓ５７）と、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対の表面に第二電極１３２を形成して、第二半導体層１３０に電気的に接続させるステップ（Ｓ５８）と、を含む。
【０１００】
（実施例６）
図１４を参照すると、実施例６に係る発光ダイオード６０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１１２及び第二電極１３２と、を含む。第一半導体層１１０、活性層１２０、第二半導体層１３０及び第二電極１３２は、第一電極１１２の一側に、該一側から離れる方向に順に積層される。第一電極１１２は、第一半導体層１１０に電気的に接続されている。第二電極１３２は、第二半導体層１３０に電気的に接続されている。複数の三次元ナノ構造体１１３は、第一半導体層１１０の活性層１２０と接触する表面に設置されている。複数の三次元ナノ構造体１１５は、第一半導体層１１０の活性層１２０と離れる表面に設置されている。複数の三次元ナノ構造体１２３は、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面に設置されている。
【０１０１】
実施例６に係る発光ダイオード６０の構造は、実施例２に係る発光ダイオード２０の構造と基本的に同じであるが、異なる点は、発光ダイオード６０において、第一半導体層１１０の活性層１２０と離れる表面に、複数の三次元ナノ構造体１１５が形成されたことである。三次元ナノ構造体１１５と三次元ナノ構造体１１３とは構造が同じである。
【０１０２】
実施例６に係る発光ダイオード６０の製造方法は、基板１００を提供し、該基板１００が成長表面１０１を含むステップ（Ｓ６１）と、成長表面１０１の表面に第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ６２）と、第一半導体層１１０の表面に三次元ナノ構造体１１３を形成するステップ（Ｓ６３）と、第一半導体層１１０の三次元ナノ構造体１１３の表面に、活性層１２０を成長させ、活性層１２０の第一半導体層１１０と離れる表面に複数の三次元ナノ構造体１２３を形成するステップ（Ｓ６４）と、複数の三次元ナノ構造体１２３の表面に第二半導体層１３０を形成するステップ（Ｓ６５）と、第二半導体層１３０の第一半導体層１１０と離れる表面に複数の三次元ナノ構造体１３３を形成するステップ（Ｓ６６）と、基板１００を除去し、第一半導体層１１０を露出させるステップ（Ｓ６７）と、露出した第一半導体層１１０の表面に、複数の三次元ナノ構造体１１５を形成し、第一電極１１２で複数の三次元ナノ構造体１１５を被覆するステップ（Ｓ６８）と、第二半導体層１３０の活性層１２０と接触する表面とは反対の表面に第二電極１３２を形成して、第二半導体層１３０に電気的に接続させるステップ（Ｓ６９）と、を含む。
【符号の説明】
【０１０３】
１０、２０、３０、４０、５０、６０    発光ダイオード
１００    基板
１０１    成長表面
１０３    マスク層
１１０    第一半導体層
１１２    第一電極
１１３、１２３、１３３、１１５    三次元ナノ構造体
１２０    活性層
１３０    第二半導体層
１３２    第二電極
１０３１    突部構造
１０３２    第一マスク層
１０３３    溝
１０３４    第二マスク層
１１３１    三次元ナノ構造体予備成形物
１１３２、１２３２、１３３２    第一突部
１１３４、１２３４、１３３４    第二突部
１１３６、１２３６、１３３６    第一溝
１１３８、１２３８、１３３８    第二溝
１１３２ａ、１１３４ａ、    第一面
１１３２ｂ、１１３４ｂ、    第二面
２００    金型
【図１】
0005980669.tif 000002
【図２】
0005980669.tif 000003
【図３】
0005980669.tif 000004
【図４】
0005980669.tif 000005
【図５】
0005980669.tif 000006
【図６】
0005980669.tif 000007
【図７】
0005980669.tif 000008
【図８】
0005980669.tif 000009
【図９】
0005980669.tif 000010
【図１０】
0005980669.tif 000011
【図１１】
0005980669.tif 000012
【図１２】
0005980669.tif 000013
【図１３】
0005980669.tif 000014
【図１４】
0005980669.tif 000015