(57)【要約】【課題】従来の積層フィルム型のＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）に比べてチップレベルで非常に高輝度、高い発光効率、多様な発光スペクトルを有するＬＥＤを提供する。【解決手段】ｐ−ｎ接合ＧａＮナノロッドのｐ−ｎ接合面に複数のＩｎＧａＮ層とＧａＮバリア層が交互に積層された多重量子ウェルを挿入し、ｎ型ＧａＮナノロッド、多重量子ウェル、及びｐ型ＧａＮナノロッドをこの順に長手方向に連続してなるＧａＮナノロッドをアレイ状に配置して、ＩｎＧａＮ層の各Ｉｎ含量及び／又は厚さを調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に垂直な方向に形成された第１導電型のナノロッドと、前記第１導電型のナノロッド上に、少なくとも２つの層が互いに異なるＩｎ含量を有する複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層されて形成された多重量子ウェルと、前記多重量子ウェル上に形成された第２導電型のナノロッドとを各々具備する複数のナノロッドから構成されるナノロッドアレイと、
前記ナノロッドアレイの第１導電型のナノロッドに共通的に接続され、電圧を印加する電極パッドと、
前記ナノロッドアレイの第２導電型のナノロッド上に共通的に接続され、電圧を印加する透明電極とを備えることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記第１導電型のナノロッド及び前記第２導電型のナノロッドは、各々ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）又はＺｎＯで形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記複数のナノロッド間の空間を満たす透明絶縁物をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記透明絶縁物は、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）、ＳｉＯ２、エポキシ又はシリコンからなることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記透明絶縁物は、前記ナノロッドの先端部が若干突出するようにナノロッドの高さより低い高さでナノロッドの間を満たしていることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記ナノロッドから放出された光の一部をそれよりさらに長い波長の光に変換させる蛍光物質をさらに含み、前記蛍光物質は、前記透明絶縁物内に分散され、前記ナノロッドから放出された光と前記変換された光との混合により前記発光ダイオードの放出光が全体として白色光になることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
【請求項７】
前記発光ダイオードの放出光が全体として白色光になるように、前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の各Ｉｎ含量が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項８】
前記白色光は、少なくとも３つの色の波長領域内にピーク波長を有することを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。
【請求項９】
前記基板は、サファイア又はガラスの絶縁性基板であり、この絶縁性基板と前記ナノロッドとの間には第１導電型のＧａＮバッファ層が介在されており、前記電極パッドは、前記ＧａＮバッファ層上の一部領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記基板は、シリコン、ＳｉＣ及びＺｎＯからなる群から選択された導電性基板であり、前記電極パッドは、前記導電性基板の前記ナノロッドが形成される面と対向する面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
基板に垂直な方向に第１導電型のナノロッドをアレイ状に形成し、
前記第１導電型のナノロッド各々の上に複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア層（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層された多重量子ウェルを形成し、前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のうち少なくとも２つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は互いに異なるＩｎ含量を有し、
前記多重量子ウェル各々の上に第２導電型のナノロッドを形成し、
前記第１導電型のナノロッドに電圧を印加するための電極パッドを形成し、
前記第２導電型のナノロッド上に共通的に接続され、電圧を印加するための透明電極を形成することを含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１２】
前記第２導電型のナノロッドを形成した後、前記第１導電型のナノロッド、前記多重量子ウェル及び前記第２導電型のナノロッドを含むナノロッドの間に透明絶縁物を満たすことをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１３】
前記透明絶縁物は、前記ナノロッドから放出された光の一部をそれよりさらに長い波長の光に変換させる蛍光物質を含むことを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
前記第１導電型のナノロッド、前記多重量子ウェル及び前記第２導電型のナノロッドは、ＭＯ−ＨＶＰＥ、ＭＢＥ又はＭＯＣＶＤ法を用いてインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で形成されることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１５】
前記発光ダイオードの放出光が全体として白色光になるように、前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は、それの各Ｉｎ含量が調整されて形成されることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１６】
基板と、
前記基板に垂直な方向に形成された第１導電型のナノロッドと、前記第１導電型のナノロッド上に、少なくとも２つのピーク波長の光を放出するように少なくとも２つの層が互いに異なる厚さを有する複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層されて形成された多重量子ウェルと、前記多重量子ウェルの上に形成された第２導電型のナノロッドとを各々備える複数のナノロッドからなるナノロッドアレイと、
前記ナノロッドアレイの第１導電型のナノロッドに共通的に接続され、電圧を印加する電極パッドと、
前記ナノロッドアレイの第２導電型のナノロッド上に共通的に接続され、電圧を印加する透明電極とを備えることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１７】
前記第１導電型のナノロッド及び前記第２導電型のナノロッドは、各々ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）又はＺｎＯで形成されることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
前記複数のナノロッド間の空間を満たす透明絶縁物をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記透明絶縁物は、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）、ＳｉＯ２、エポキシ又はシリコンからなることを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
前記透明絶縁物は、前記ナノロッドの先端部が若干突出するようにナノロッドの高さより低い高さでナノロッドの間を満たしていることを特徴とする請求項１８に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記ナノロッドから放出された光の一部をそれよりさらに長い波長の光に変換させる蛍光物質をさらに含み、前記蛍光物質は、前記透明絶縁物内に分散され、前記ナノロッドから放出された光と前記変換された光との混合により前記発光ダイオードの放出光が全体として白色光になることを特徴とする請求項２０に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
前記発光ダイオードの放出光が全体として白色光になるように、前記複数のＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さが調整されていることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
前記白色光は、少なくとも３つの色の波長領域内にピーク波長を有することを特徴とする請求項２２に記載の発光ダイオード。
【請求項２４】
前記複数のＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ層のうち少なくとも２つのＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ層は、互いに異なるＩｎ含量を有し、前記発光ダイオードの放出光が全体として白色光になるように前記複数のＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さ及びＩｎ含量が調整されていることを特徴とする請求項１６に記載の発光ダイオード。
【請求項２５】
基板に垂直な方向に第１導電型のナノロッドをアレイ状に形成し、
前記第１導電型のナノロッド各々の上に複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層された多重量子ウェルを形成し、少なくとも２つのピーク波長の光を放出するように前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のうち少なくとも２つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は互いに異なる厚さを有し、
前記多重量子ウェル各々の上に第２導電型のナノロッドを形成し、
前記第１導電型のナノロッドに電圧を印加するための電極パッドを形成し、
前記第２導電型のナノロッド上に共通的に接続され、電圧を印加するための透明電極を形成することを含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項２６】
前記第２導電型のナノロッドを形成した後、前記第１導電型のナノロッド、前記多重量子ウェル及び前記第２導電型のナノロッドを含むナノロッドの間に透明絶縁物を満たすことをさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２７】
第１導電型のナノロッドと、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層されて形成された多重量子ウェルと、第２導電型のナノロッドとを長手方向に連続して含み、前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のうち少なくても２つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は互いに異なるＩｎ含量を有し、両端に電圧を印加する場合、少なくとも２つのピーク波長の光を放出することを特徴とするナノロッド。
【請求項２８】
前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は、Ｉｎ含量が互いに異なる少なくとも３つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層を含み、両端に電圧を印加する場合、前記少なくとも３つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層によって白色光を放出することを特徴とする請求項２７に記載のナノロッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ、以下、簡単にＬＥＤという）に係り、より詳しくは、窒化物多重量子ウェルを有するナノロッド（ｎａｎｏ  ｒｏｄ）（ナノワイヤ（ｎａｎｏ  ｗｉｒｅ）とも言う）からなるアレイ構造の発光ダイオード、その製造方法、及びナノロッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤは、初期には計器盤の簡単な表示素子として多く利用されたが、最近、大規模の電子的表示板などの、高輝度、高視認性、長寿命のフルカラー・ディスプレイ素子、バックライト光源、及び一般照明用光源として注目されている。これは、最近青色及び緑色の高輝度ＬＥＤが開発されることによって可能になった。一方、このようなＬＥＤの材料として最近多く研究されているものは、ＧａＮのようなＩＩＩ−窒素化合物半導体である。これは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体が広いバンドギャップ（Ｂａｎｄｇａｐ）を有するので、窒化物の組成によって可視光線から紫外線のほぼ全波長領域の光を得ることができるからである。しかし、ＧａＮは、現在ＧａＮと格子整合する基板がないから、主にサファイア基板を使用しているが、不整合が依然として多く、熱膨脹係数の差異も大きい。
【０００３】
従って、通常のＧａＮ  ＬＥＤ、すなわちサファイア基板上にｎ型不純物が添加されたｎ−ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ活性層、及びｐ型不純物が添加されたｐ−ＧａＮ層を順次に積層してなる積層フィルム型のＬＥＤは、前述したＧａＮの物性又は成長方法の限界上、格子不整合に起因する多量の貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が存在するので、素子の性能（輝度）が限定されてしまう。また、通常の積層フィルム型のＧａＮ  ＬＥＤは、設計と製造が比較的簡単であり且つ温度依存性が低いなどの長所があるが、上記貫通転位に加えて、低い発光効率、広いスペクトル幅、大きい出力偏差などの短所を有している。
【０００４】
このような積層フィルム型のＬＥＤの短所を克服するために、一次元（線状）のロッドからなるｐ−ｎ接合を備えたナノスケールのＬＥＤ、又はマイクロリングやマイクロディスクなどのマイクロスケールのＬＥＤが研究されている。しかし、不幸にも、このようなナノスケール又はマイクロスケールのＬＥＤでも、積層フィルム型のＬＥＤと同様に、多量の貫通転位が生成され、依然として満足できる水準の高輝度ＬＥＤは未だ登場していない。また、このようなナノロッド構造のＬＥＤは、単純なｐ−ｎ接合ダイオード型であって、高輝度を得ることが難しい。そして、マイクロリングやマイクロディスク構造のＬＥＤは、現在フォトリソグラフィによって製造されているが、フォトリソグラフィ・エッチング過程でＧａＮの格子構造に損傷が生じ、輝度や発光効率において満足できる水準の製品が登場していない。
【０００５】
一方、ＬＣＤのようなディスプレイのバックライト光源又は一般照明用光源として白色ＬＥＤが使用される。このような白色ＬＥＤは、青色又は紫外線領域の光を放出するＬＥＤチップと、このようなＬＥＤチップから放出された光を吸収して可視光線領域の光を放出する蛍光物質とによって具現されることができる。一般的に、前記蛍光物質は、ＬＥＤチップを覆うエポキシのような透明物質に混入される。従って、このような白色ＬＥＤを製造するために、ＬＥＤチップの上部に蛍光物質が均一に分散された透明物質を準備し、このような透明物質をＬＥＤチップの上部に形成する工程を必要とする。その結果、白色ＬＥＤの製造工程、特にパッケージング工程が複雑になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、高輝度、高い発光効率のＬＥＤ構造を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、チップレベルで高輝度、高い発光効率の多色光を具現することができるＬＥＤを提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、チップレベルで高輝度、高い発光効率の多色光を具現することができるＬＥＤを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記技術的課題を解決するために、本発明によるＬＥＤ（発光ダイオード）では、ｐ−ｎ接合ナノロッドのｐ−ｎ接合面に、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層された多重量子ウェル（ｍｕｌｔｉ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）を挿入して形成される、ｎ型ナノロッド、多重量子ウェル、及びｐ型ナノロッドが長手方向に連続するナノロッドを利用する。また、このような複数のナノロッドをアレイ状に配置する。その結果、従来の積層フィルム型ＧａＮ  ＬＥＤに比べて非常に高輝度、高い発光効率のＬＥＤを提供する。
【００１０】
すなわち、本発明によるＬＥＤは、基板と、前記基板に垂直な方向に形成された第１導電型のナノロッドと、前記第１導電型のナノロッド上に、複数の前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と複数の前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層されて形成された多重量子ウェルと、前記多重量子ウェル上に形成された第２導電型のナノロッドとを各々具備する複数のナノロッドから構成されるナノロッドアレイと、前記ナノロッドアレイの第１導電型のナノロッドに共通的に接続され、電圧を印加する電極パッドと、前記ナノロッドアレイの第２導電型のナノロッド上に共通的に接続され、電圧を印加する透明電極と、を備える。ここで、第１導電型及び第２導電型は、各々ｎ型及びｐ型、又は各々ｐ型及びｎ型を意味する。
【００１１】
前記第１導電型及び第２導電型のナノロッドは、前記多重量子ウェルと格子整合する半導体物質で形成され、例えばＧａＮ系のナノロッド又はＺｎＯ系のナノロッドであることができる。前記ＧａＮ系のナノロッドは、ＧａＮ又はＧａＮにＡｌ及び／又はＩｎが添加された３元系又は４元系窒化物であり、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）で表現されることができる。ＺｎＯ系のナノロッドは、ＺｎＯ又はＺｎＯにＭｇが添加された３元系酸化物であり、一般式Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ（ここで、０≦ｘ＜１）で表現されることができる。
【００１２】
前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のうち少なくとも２つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は、少なくとも２つのピーク波長の光を放出するように、互いに異なるＩｎ含量を有するか、互いに異なる厚さを有するように形成されることができる
【００１３】
一方、前記複数のナノロッドの間には、透明絶縁物、例えば、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）、ＳｉＯ２、エポキシ又はシリコンからなる透明絶縁物を満たすことができる。また、前記透明絶縁物は、前記ナノロッドから放出された光の一部をそれよりさらに長い波長に変換させる蛍光物質を含むことができる。
【００１４】
本発明によれば、前記多重量子ウェルが挿入されたナノロッドのアレイを採用することによって、高輝度、高い発光効率のＬＥＤを提供することができ、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のＩｎ含量、又は前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さを調整するか、ナノロッド間の空間を満たす透明物質に蛍光物質を混入することによって、チップレベルで多色光、例えば白色光を具現することができる発光ダイオードを提供することができる。
【００１５】
一方、本発明によるＬＥＤの製造方法は、基板に垂直な方向に複数の第１導電型のナノロッドをアレイ状に形成することを含む。前記複数の第１導電型のナノロッドの上に各々複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）と、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア層（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）とが交互に積層された多重量子ウェルが形成される。次いで、前記多重量子ウェルの上に各々第２導電型のナノロッドが形成される。一方、前記第１導電型のナノロッドに電圧を印加するための電極パッド及び前記第２導電型のナノロッド上に共通的に接続され、電圧を印加するための透明電極が形成される。ここで、前記第１導電型のナノロッド、多重量子ウェル及び第２導電型のナノロッドは、ＭＯ−ＨＶＰＥ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ−ｈｙｄｒｉｄｅ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）、  ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）又はＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で形成されることができる。また、前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のうち少なくとも２つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は、少なくとも２つのピーク波長の光を放出するように、互いに異なるＩｎ含量を有するか、互いに異なる厚さを有するように形成される。
【００１６】
本発明によるＬＥＤ及びその製造方法によれば、高輝度、高い発光効率のＬＥＤを触媒（ｃａｔａｌｙｓｔ）やテンプレート（ｔｅｍｐｌａｔｅ）がなくても高収率で得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、単一のエピタキシャル成長によって多重量子ウェルを有するナノロッドアレイを形成するので、高輝度、高品質のダイオードを得ることができる。特に、本発明によれば、多重量子ウェルを有するナノロッドをアレイ状に形成してＬＥＤを製造することによって、側壁発光による発光をそのまま生かすことができるので、発光効率を大幅に増加させることができ、同一の面積の従来の発光ダイオードに比べて高輝度のＬＥＤを得ることができる。また、本発明によれば、多重量子ウェルの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さ、Ｉｎの含量、蛍光物質の使用に応じて、チップレベルで多様な波長（発光スペクトル）の可視光又は白色光を出力するＬＥＤを容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。下記実施例は、当業者に本発明の思想が充分に伝達され得るように一例として提供されるものである。従って、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、他の形態で具体化されることもできる。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために誇張して表現している場合がある。明細書全体にわたって同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例に係る発光ダイオードの断面図である。
【００２０】
図２は、図１に示した発光ダイオードの平面図である。
【００２１】
図３は、図１に示した発光ダイオードの多重量子ウェル構造を示す断面図である。
【００２２】
図４乃至図７は、本発明の一実施例に係る発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。
【００２３】
図８は、本発明の一実施例によって製造されたナノロッドアレイの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【００２４】
図９は、本発明の一実施例によって製造された発光ダイオードにおいて各電流に対する発光波長のＥＬ強度を示すグラフである。
【００２５】
図１０は、図９のグラフにおいて各電流によるピーク波長を示すグラフである。
【００２６】
図１１は、本発明の一実施例によって製造された発光ダイオード及び従来の発光ダイオードのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【００２７】
図１２は、本発明の一実施例によって製造された発光ダイオード及び従来の発光ダイオードの光出力−順方向電流特性を示すグラフである。
【００２８】
図１３は、１つのナノロッドに電極を形成したことを示す図である。
【００２９】
図１４は、図１３の場合のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【００３０】
図１は、本発明の一実施例に係るＬＥＤの断面図であり、図２は、図１に示したＬＥＤの平面図である。
図１及び図２を参照すれば、本実施例のＬＥＤは、サファイア基板１０上に、ｎ型ＧａＮバッファ層２０、アレイ状に配列された複数のＧａＮナノロッド３０、複数のＧａＮナノロッド３０の間を満たしている透明絶縁物層４１、透明電極６０、及び電極パッド５０、７０が形成されてなる。
【００３１】
ｎ型ＧａＮバッファ層２０上にアレイ状に配列された複数のＧａＮナノロッド３０は、各々ｎ型ＧａＮナノロッド３１、ＩｎＧａＮ量子ウェル３３、及びｐ型ＧａＮナノロッド３５からなる。このＧａＮナノロッド３０は、実質的に均一な高さと直径を有し、ｎ型ＧａＮバッファ層２０に垂直になるように形成されている。
【００３２】
基板１０上に形成されたｎ型ＧａＮバッファ層２０は、基板１０とｎ型ＧａＮナノロッド３１との格子定数不整合を緩衝し、またｎ型ＧａＮナノロッド３１に電極パッド５０を介して共通的に電圧を印加することができるようにする。
【００３３】
ここで、ＩｎＧａＮ量子ウェル３３は、これがない単純なｐ−ｎ接合ダイオードに比べて高輝度の可視光を得ることができるようにする活性層であって、本実施例では、図３に示されたように、複数のＩｎＧａＮ層３３ａと複数のＧａＮバリア層３３ｂが交互に積層されて形成された多重量子ウェル構造を取っている。特に、後述するが、本実施例の多重量子ウェル３３のＩｎＧａＮ層３３ａとＧａＮバリア層３３ｂとの界面は、非常にきれい（ｃｌｅａｒ）であり、転位が殆どない。
【００３４】
複数のＧａＮナノロッド３０の間は、透明絶縁物層４１によって満たされていて、各々のナノロッドを絶縁し、ナノロッドに加えられる可能性のある衝撃からナノロッドを保護する。また、透明絶縁物層４１は、各々のナノロッドに透明電極６０を共通的に接続するための下地層の役目をする。透明絶縁物層４１の材料としては、特に限定されないが、ナノロッドの間のギャップを十分に満たすことができ、形成が容易であり、ナノロッドの側壁発光（図１の左右方向の矢印を参照）に邪魔にならないように、透明なＳＯＧ、ＳｉＯ２、エポキシ又はシリコンが使用される。また、透明絶縁物層４１は、ｐ型ＧａＮナノロッド３５の高さより少し低く形成され、ｐ型ＧａＮナノロッドの先端部が透明電極６０に共通的に接続されるようにする。
【００３５】
透明電極６０は、共通的にオーム接触するｐ型ＧａＮナノロッド３５に電圧を印加することが可能であり、ナノロッドの長さ方向（図面で上側方向）の発光に邪魔にならないように透明な導電物質からなる。透明電極６０としては、特に限定されないが、薄膜のＮｉ／Ａｕ薄膜が使用される。
【００３６】
透明電極６０上の所定領域には、透明電極及び透明電極を介してｐ型ＧａＮナノロッドに電圧を印加するための端子として電極パッド７０が形成される。この電極パッド７０は、特に限定されないが、Ｎｉ／Ａｕ層からなり、これにはワイヤ（図示せず）がボンディングされる。また、ｎ型ＧａＮバッファ層２０を介してｎ型ＧａＮナノロッド３１に電圧を印加するための電極パッド５０がｎ型ＧａＮバッファ層２０上に形成され、ｎ型ＧａＮバッファ層とオーム接触する。この電極パッド５０は、特に限定されないが、Ｔｉ／Ａｌ層からなり、これにはやはりワイヤ（図示せず）がボンディングされる。
【００３７】
このように構成された本実施例のＬＥＤの２つの電極パッド５０、７０に直流電圧を印加すれば（電極パッド７０に＋電圧を、電極パッド５０に−電圧又は接地電位を印加）、図１に示すように、各々がナノＬＥＤと言えるナノロッドの側壁方向及び垂直方向に高輝度の光が放出される。
【００３８】
特に本実施例では、ＩｎＧａＮ量子ウェルを各ナノロッドに形成したので、単純なｐ−ｎ接合ダイオードに比べて高輝度の可視光が放出される。また、複数のナノＬＥＤによって発光（側壁発光）面積が飛躍的に増加し、従来の積層フィルム型ＬＥＤに比べて非常に高い発光効率が得られる。
【００３９】
一方、本実施例のＬＥＤの放出光の波長は、多重量子ウェルのＩｎＧａＮ層のＩｎ量を調整するか、又は、ＩｎＧａＮ層の厚さを調整することによって、多様に調整することができ、白色光を得ることもできる。以下、図３を参照してさらに詳しく説明する。
【００４０】
まず、ＩｎＧａＮ層３３ａのＩｎ含量を調整して、ＩｎＧａＮ層のうち少なくとも２つの層が互いに異なるＩｎ含量を有するように形成する。ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎ含量が増加するにつれてバンドギャップが小さくなり、発光ダイオード波長が長くなる。従って、Ｉｎ含量が互いに異なるＩｎＧａＮ層は、互いに異なるピーク波長の光を放出し、Ｉｎ含量が多いほど長波長の光を放出する。結果的に、Ｉｎ含量を調整して、３７０ｎｍの紫外線領域から赤外線領域にわたって所望のピーク波長を有するＩｎＧａＮ層を形成することができ、青色、緑色、赤色などすべての可視光を得ることができる。
【００４１】
青色及び黄色、又は青色、緑色及び赤色領域でピーク波長を有するようにＩｎＧａＮ層３３ａのＩｎ含量を調整することによって、チップレベルで白色光を具現することができる発光ダイオードを製造することができる。また、これらの色領域のピーク波長に加えて、他の色領域でもピーク波長を有するようにＩｎＧａＮ層３３ａのＩｎ含量を調整することによって、白色発光ダイオードの演色評価数（ｃｏｌｏｒ  ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ  ｉｎｄｅｘ）を顕著に向上させることができる。
【００４２】
一方、発光波長は、ＩｎＧａＮ層３３ａの厚さを調整することによって変化させることもできる。すなわち、ボーア励起半径以下の大きさにＩｎＧａＮ層の厚さを減少させれば、ＩｎＧａＮ層のバンドギャップが増加する。従って、ＩｎＧａＮ層３３ａの厚さを調整して、少なくとも２つのピーク波長を有する光を放出する多重量子ウェルを形成することができ、これにより、多色光、例えば白色光を具現することができる。
【００４３】
ＩｎＧａＮ層３３ａが互いに異なるピーク波長の光を放出するように前記ＩｎＧａＮ層内のＩｎ含量及び厚さを同時に調整することもできる。
【００４４】
また、多色光は、蛍光物質を利用することによって得ることもできるが、特に本実施例では、透明絶縁物４１に白色光を得るための蛍光物質を添加することによって、簡単に白色発光ＬＥＤを製造することができる。例えば、ナノロッド３０が青色発光するように量子ウェルを構成し、透明絶縁物４１に黄色蛍光物質を添加することによって、全体として白色光を発光するようにできる。
【００４５】
以上、本実施例のＬＥＤ構造について説明したが、具体的な構造や材料は、多様に変形することができる。例えば、上記では、最初にｎ型ＧａＮナノロッドを形成し、その上部にｐ型ＧａＮナノロッドが形成されるものとして説明したが、ｎ型とｐ型の順序は反対にすることもできる。
また、前記ＩｎＧａＮ層は、一般式（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）で表現される窒化物であることができ、前記ｎ型及びｐ型ＧａＮナノロッドは、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）で表現される窒化物、又はＺｎＯからなることができる。また、前記ＧａＮバリアは、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）で表現される窒化物であり、隣接するＩｎＧａＮ層に比べて少ない量のＩｎを含むことができる。また、電極パッド５０、７０の位置や形状も図１及び図２に示された位置や形状に限定されず、ｎ型ＧａＮナノロッド３１とｐ型ＧａＮナノロッド３５の各々に共通的に電圧を印加することができれば、他の位置や形状を取ることもできる。
【００４６】
また、上記では、基板１０としてサファイアを使用したが、ガラス基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板又はシリコン基板を使用することもできる。この場合、絶縁物であるサファイア又はガラス基板とは異なって、シリコンは、適切な不純物（上記実施例に適用すれば、ｎ型不純物）を添加して導電体で形成することができる。従って、この場合、ｎ型ＧａＮバッファ層２０を省略することができ、電極パッド５０もｎ型ＧａＮバッファ層２０上の一部領域に形成する必要なく、シリコン基板の下面（ナノロッド３０が形成される面と反対側面）に形成すればよい。ＺｎＯ基板及びＳｉＣ基板は、一般的に導電特性を有するので、シリコン基板と同様にｎ型ＧａＮバッファ層２０を省略することができ、電極パッド５０も基板の下面に形成することができる。
【００４７】
次に、前述したような本実施例のＬＥＤを製造する方法を説明する。
【００４８】
まず、ＧａＮをエピタキシャル成長法で成長させる方法を説明する。エピタキシャル層を成長させる方法として、大きくは、ＶＰＥ（Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ、気相エピタキシャル）成長法、ＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ、液相エピタキシャル）成長法、ＳＰＥ（Ｓｏｌｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ、固相エピタキシャル）成長法が挙げられる。ここで、ＶＰＥは、反応ガスを基板上に流しながら熱による分解と反応を通じて基板上に結晶を成長させるものであって、反応ガスの原料形態によって、さらに水素化物ＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ  ＶＰＥ、ＨＶＰＥ）、ハロゲン化物ＶＰＥ（ｈａｌｉｄｅ  ＶＰＥ）、有機金属ＶＰＥ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ＶＰＥ、ＭＯＶＰＥ）などに分類することができる。
【００４９】
本実施例では、有機金属水素化物気相エピタキシャル（ＭＯ−ＨＶＰＥ、ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｈｙｄｒｉｄｅ  ＶＰＥ）成長法でＧａＮ層とＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子ウェルを形成するものとして説明するが、本発明が必ずこの方法に限定されるものではなく、適切な他の成長法、例えばＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）又はＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）でＧａＮ層とＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子ウェルを形成することもできる。
【００５０】
Ｇａ、Ｉｎ、及びＮの前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）として、それぞれＧａＣｌ、トリメチルインジウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｉｎｄｉｕｍ、ＴＭＩ）、及びＮＨ３を使用する。ＧａＣｌは、金属ガリウムとＨＣｌを６００〜９５０℃の温度で反応させることによって得ることができる。また、ｎ型ＧａＮナノロッド及びｐ型ＧａＮナノロッドを成長させるためにドーピングされる不純物元素は、各々Ｓｉ及びＭｇであって、これらは、それぞれＳｉＨ４及びＣｐ２Ｍｇ（Ｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）の形態で供給される。
【００５１】
以下、図４乃至図７を参照して本実施例のＬＥＤを製造する方法を詳細に説明する。
【００５２】
まず、図４に示すように、サファイア基板１０を反応器（不図示）内に装入し、基板１０上にｎ型ＧａＮバッファ層２０を形成する。この際、ｎ型ＧａＮバッファ層２０は、前述したように、Ｓｉをドーピングすることによって形成することもできるが、人為的なドーピングなしに成長されたＧａＮは、窒素空孔（ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙ）や酸素不純物などによって基本的にｎ型の特性を有する性質を利用して、人為的なドーピングなしに４００〜５００℃の温度と大気圧又は若干の陽圧で５０〜６０分間Ｇａ及びＮの前駆体をそれぞれ３０〜７０ｓｃｃｍ及び１０００〜２０００ｓｃｃｍの流量で供給することによって、略１．５μｍ程度の厚さのｎ型ＧａＮバッファ層２０を成長させることができる。
【００５３】
次に、図５に示すように、複数のナノロッド３０からなるナノロッドアレイを形成するが、この過程は、上記のｎ型ＧａＮバッファ層２０を成長させた反応器内で、連続的にインサイチュで行われることが好ましい。具体的には、まず、ｎ型ＧａＮナノロッド３１を成長させるが、４００〜６００℃の温度と大気圧又は若干の陽圧で２０〜４０分間Ｇａ及びＮの前駆体をそれぞれ３０〜７０ｓｃｃｍ及び１０００〜２０００ｓｃｃｍの流量で反応器内に供給し、同時にＳｉＨ４をそれぞれ５〜２０ｓｃｃｍの流量で供給することによって、略０．５μｍ高さのｎ型ＧａＮナノロッド３１をｎ型ＧａＮバッファ層２０に垂直な方向に成長させることができる。
【００５４】
一方、通常的に高温（例えば１０００℃又はそれ以上）でＧａＮを成長させれば、初期に形成されるＧａＮのシード（ｓｅｅｄ）が上側方向だけでなく、側方向にも急速に成長し、ナノロッドではない薄膜形状に成長される。この時、シードとシードが側方向に成長して会った境界で必然的に転位が発生し、この転位は、薄膜の厚さ方向成長に伴って、厚さ方向に伝播され、貫通転位が発生する。しかし、上記本実施例のように、工程条件を維持すれば、別途の触媒やテンプレートがなくても、シードが主に上側方向に成長し、実質的に均一な高さと直径を有する複数のｎ型ＧａＮナノロッド３１を成長させることができる。
【００５５】
次いで、ｎ型ＧａＮナノロッド３１上にＩｎＧａＮ量子ウェル３３を成長させるが、この過程もやはりｎ型ＧａＮバッファ層２０を成長させた反応器内で、連続的にインサイチュで行われることが好ましい。具体的には、４００〜５００℃の温度と大気圧又は若干の陽圧でＧａ、Ｉｎ及びＮの前駆体をそれぞれ３０〜７０ｓｃｃｍ、１０〜４０ｓｃｃｍ及び１０００〜２０００ｓｃｃｍの流量で反応器に供給する。これにより、ｎ型ＧａＮナノロッド３１の上にそれぞれＩｎＧａＮ量子ウェル３３が形成される。この時、ＩｎＧａＮ量子ウェル３３を成長させる時間は、所望の厚さに成長されるまで適切に選択するが、この量子ウェル３３の厚さは、前述したように、完成されたＬＥＤの発光ダイオード波長を決定する要素となるので、所望の波長の光に適当な厚さを設定し、それによって成長時間を決定すればよい。また、発光波長は、Ｉｎの量によっても変わるので、所望の波長によって各前駆体の供給する割合を調整してＩｎ含量を調整する。
【００５６】
ＩｎＧａＮ量子ウェル３３は、図３に示したように、複数のＩｎＧａＮ層３３ａと複数のＧａＮバリア層３３ｂが交互に積層されて形成された多重量子ウェル構造を有するように形成され、これは、Ｉｎ前駆体の供給と遮断を各々所定の時間の間に周期的に繰り返すことによって得ることができる。
【００５７】
次に、ＩｎＧａＮ量子ウェル３３の上にｐ型ＧａＮナノロッド３５を成長させる。この過程もやはりｎ型ＧａＮバッファ層２０を成長させた反応器内で、連続的にインサイチュで行われることが好ましい。具体的には、４００〜６００℃の温度と大気圧又は若干の陽圧で２０〜４０分間Ｇａ及びＮの前駆体をそれぞれ３０〜７０ｓｃｃｍ及び１０００〜２０００ｓｃｃｍの流量で反応器内に供給し、同時に上記Ｃｐ２Ｍｇを５〜２０ｓｃｃｍ供給することによって、略０．４μｍ高さのｐ型ＧａＮナノロッド３５を基板１０に垂直な方向に成長させることができる。
【００５８】
図８は、このように成長させたナノロッド３０アレイの走査顕微鏡写真である。図８から分かるように、本実施例の方法によって成長されたＩｎＧａＮ量子ウェルを含むナノロッド３０は、ほぼ均一な高さと直径を有し、非常に高密度で成長されている。前述した工程条件によって成長されるナノロッド３０の平均直径は、量子ウェル３３が形成された部位で約７０〜９０ｎｍになり、ナノロッド３０の間の平均ギャップは、１００ｎｍ程度になる。
【００５９】
このようにナノロッド３０のアレイを形成した後、図６に示したように、ナノロッド３０の間のギャップを透明絶縁物層４１で満たす。この時に使用される透明絶縁物としては、ＳＯＧ、ＳｉＯ２、エポキシ又はシリコンが使用することができ、ＳＯＧの場合、スピンコーティング及び硬化過程を経ることによって、図６に示されたような構造を得る。この時、ＳＯＧを使用してギャップを満たす時には、ギャップが完全に満たされるようにナノロッド３０の間のギャップが８０ｎｍ以上になることがよい。一方、透明絶縁物層４１の厚さは、ナノロッド３０の高さより少し低くする。
【００６０】
次に、図７に示すように、電圧を印加するための電極パッド５０、７０と透明電極６０を形成することによって、ＩｎＧａＮ量子ウェルを備えたナノロッドアレイ構造のＧａＮ  ＬＥＤを完成する。具体的には、図６の状態でｎ型ＧａＮナノロッド３１に電圧を印加する電極パッド５０を形成するために、ｎ型ＧａＮバッファ層２０が一部露出するように、透明絶縁物層４１及びナノロッド３０の一部を除去する。次いで、ｎ型ＧａＮバッファ層２０が一部露出した領域にリフト−オフ法を利用して電極パッド５０を形成する。この電極パッド５０は、例えばＴｉ／Ａｌ層を電子ビーム蒸発法（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を利用して形成することができる。次いで、同様の方法で、例えばＮｉ／Ａｕ層からなる透明電極６０と電極パッド７０を形成する。
【００６１】
一方、透明電極６０は、透明絶縁物層４１より若干突出したナノロッド３０と自然に接触し、結果的にｎ型ＧａＮナノロッド３５と電気的に接続される。また、透明電極６０は、その下部の個別ナノＬＥＤから放出された光を遮断しないように充分に薄くすることがよい。一方、２つの電極パッド５０、７０は、ワイヤなどの外部接続端子がボンディングなどの方法で接続され得るように十分な厚さを有することがよい。
【００６２】
このように、本実施例に係るＧａＮ  ＬＥＤの製造方法によれば、特別な触媒やテンプレートを使用することなく、連続的にｎ型ＧａＮナノロッド３１、ＩｎＧａＮ量子ウェル３３及びｐ型ＧａＮナノロッド３５からなるナノロッド３０をアレイ状に均一に成長させることができる。
【００６３】
一方、本実施例において、本質的でない特徴は、自由に変形可能である。例えば、電極パッド５０、７０と透明電極６０の形成手順や方法は、公知の様々な方法（蒸着、写真エッチングなど）で多様に変形できる。また、前記量子ウェル３３及びナノロッド３１、３５を形成する際に、トリメチルアルミニウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｎｕｍ、ＴＭＡ）のようなＡｌの前駆体を供給してＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎの量子ウェル及びナノロッドを形成することができる。特に、前述した実施例において、各構成物質は、公知の均等な他の材料に置換可能であり、各工程条件は、反応器や使用する材料によって上記で例示された範囲を脱することもできる。
【００６４】
また、上記では、基板１０としてサファイア基板を使用したが、ガラス基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板又はシリコン基板（好ましくは、Ｐなどのｎ型不純物がドーピングされたシリコン基板）を使用することもできる。本実施例に係るナノロッドの製造方法は、低温で工程が進行されるので、ガラス基板を使用することが可能である。また、ＳｉＣ、ＺｎＯ又はシリコン基板を使用する場合、前述したように、ｎ型ＧａＮバッファ層２０を形成する工程は省略されることができ、電極パッド５０もＧａＮバッファ層２０上の一部領域でない基板の下面に形成することができる。すなわち、まず、基板の一面に電極パッドを形成し、その反対面に直接ナノロッド３０を形成すればよい。
【００６５】
次に、前述した本実施例のＧａＮ  ＬＥＤを次のように製造し、発光特性を調査したので、これを簡単に説明する。但し、以下の説明で提示された具体的な数値や方法は、あくまでも１つの例に過ぎず、本発明が、以下の説明に限定されるものではない。
【００６６】
まず、基板１０として、サファイア（０００１）ウェーハを準備し、前述したＭＯ−ＨＶＰＥ法を利用し前述した前駆体を使用してインサイチュでｎ型ＧａＮバッファ層２０、ＧａＮナノロッド３０を成長させた。ここで、ナノロッド３０中のＩｎＧａＮ量子ウェル３３は、完成されたＬＥＤの発光波長が４７０ｎｍ以下になるようにＩｎｘＧａ１−ｘＮの組成比がＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎになるようにした。また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮを６周期繰り返した多重量子ウェルとし、各々の具体的な工程条件とその結果は、次の表に示された通りである。
【００６７】
【表１】
2008544567.tif 000003
【００６８】
このようにして、面積３３ｍｍ２の多重量子ウェルナノロッドアレイを得た。このナノロッドアレイの密度は、１ｍｍ２の面積内にナノロッド３０が約８×１０７個存在し、ナノロッド３０の平均直径は、量子ウェル層部位で７０ｎｍ程度、高さは、約１μｍであった。ｎ型及びｐ型ＧａＮナノロッド３１及び３５でキャリア濃度は、各々１×１０１８ｃｍ−３及び５×１０１７ｃｍ−３程度であり、ＩｎＧａＮ量子ウェルの組成比は、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎであった。
【００６９】
次に、高い縦横比のナノロッド３０の間のギャップをボイド（ｖｏｉｄ）なしに均一に満たすことができるように、ＳＯＧ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社の商品名ＡＣＣＵＧＬＡＳＳＴ−１２Ｂ）を３０００ｒｐｍの回転速度で３０秒間スピンコーティングし、空気中で２６０℃、９０秒間アニーリングして硬化させた。一方、本実施例では、ＳＯＧがギャップを充分に満たすことができるように、このようなスピンコーティング及び硬化過程を２回実施した。その後、窒素雰囲気のファーネス（ｆｕｒｎａｃｅ）で４４０℃、２０分間アニーリングすることによって、厚さが約０．８〜０．９μｍ程度の透明絶縁物層４１を形成した。
【００７０】
次に、フォトリソグラフィと乾式エッチングを利用してｎ型ＧａＮバッファ層２０の一部の領域を露出し、その上にリフト−オフ法と電子ビーム蒸着法により、厚さ２０／２００ｎｍのＴｉ／Ａｌ電極パッド５０を形成し、厚さ２０／４０ｎｍのＮｉ／Ａｕ透明電極６０を各々のナノ−スケールＬＥＤ（ナノロッド）３０とオーミック接触するように蒸着した。そして、最後に、電極パッド５０と同様の方法で、２０／２００ｎｍ厚さのＮｉ／Ａｕ電極パッド７０を形成した。
【００７１】
一方、比較例として、同一の大きさの積層フィルム型のＧａＮ  ＬＥＤを製造した。比較例のＬＥＤで各層の厚さと構成は、本発明の実施例と同一にし、但し、ナノロッドでないという点が異なるだけである。
【００７２】
図９は、上記のように製造した本実施例のＬＥＤに対して２０〜１００ｍＡの直流電流を供給した場合の、ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）スペクトルを示すグラフである。図９から分かるように、本実施例のＬＥＤは、約４６５ｎｍ波長の青色発光ＬＥＤであることが分かる。また、図１０から分かるように、本実施例のＬＥＤは、供給電流が増加するほどピーク波長が少なくなる青色−シフト現象を示す。これは、注入されたキャリアに起因する、量子ウェル内のビルトイン内部分極電界（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｆｉｅｌｄ）のスクリーン効果によるものと考えられる。
【００７３】
図１１は、本実施例のＬＥＤと比較例のＬＥＤの、常温でのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。図１１から分かるように、ターン−オン電圧は、本実施例のＬＥＤが比較例に比べて若干高い。これは、有効接触面積が、本実施例の場合、比較例の場合より非常に小さく（本実施例のＬＥＤは複数のナノＬＥＤの集合として見られ、各ナノＬＥＤの電極６０との接触面積が比較例の場合に比べて非常に小さい）、従って、その抵抗が相対的に大きいからであると思われる。
【００７４】
図１２は、順方向電流に対する光出力を示すグラフであって、本実施例のＬＥＤが比較例のＬＥＤに比べて光出力が飛躍的に大きいことが分かる（２０ｍＡの電流で４．３倍であり、それさえもこれは光検出器の検出面積が１ｍｍ２である場合の差異であって、実際感じる光出力はこれよりさらに大きい差異が生じるかもしれない）。これは、前述したように、ナノロッドアレイを形成することによって、同一の面積の積層薄膜型ＬＥＤに比べて側壁発光を有効に利用することができるからである。また、ＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）の温度依存性実験から、本実施例のＬＥＤが非常に優秀な量子効率を有することを確認することができた。
【００７５】
一方、図１３は、１つのナノロッド１３０に電極を形成した場合を示す図であり、図１４は、この場合のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。図１３に示された構造のナノＬＥＤは、上記のように製造されたナノロッドアレイをメタノールに分散させた後、これを酸化されたシリコン基板のような基板に付着し、ｎ型ＧａＮナノロッド１３１の側には、Ｔｉ／Ａｌ電極パッド１５０を、ｐ型ＧａＮナノロッド１３５の側には、Ｎｉ／Ａｕ電極パッド１７０を形成することによって得ることができる。このように得られた１つのナノロッドからなるナノＬＥＤに対してＩ−Ｖ特性を調査した図１４から分かるように、このナノＬＥＤは、非常にきれい（ｃｌｅａｒ）で且つ正確な整流特性を示す。これは、ｐ、ｎ型ナノロッド１３５、１３１とＩｎＧａＮ量子ウェル１３３を単一のエピタキシャル成長で形成したからであると思われる。
【００７６】
以上、本発明は、好ましい実施例及び多くの具体的な変形実施例を参照して説明された。しかしながら、具体的に説明されたものとは異なる多くのその他の実施例がまた本発明の思想及び範囲内に入ることは、この分野の当業者にとって自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明によれば、単一のエピタキシャル成長によってＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ多重量子ウェルを有するナノロッドアレイを形成するので、高輝度、高品質のダイオードを得ることができる。特に、本発明によれば、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルを有するナノロッドをアレイ状に形成してＬＥＤを製造することによって、側壁発光による発光をそのまま生かすことができるので、発光効率を大幅に増加させることができ、同一の面積の従来の発光ダイオードに比べて高輝度のＬＥＤを得ることができる。また、本発明によれば、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルの厚さ、Ｉｎの含量、蛍光物質の使用に応じて、チップレベルで多様な波長の可視光又は白色光を出力するＬＥＤを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施例に係る発光ダイオードの断面図である。
【図２】図１に示した発光ダイオードの平面図である。
【図３】図１に示した発光ダイオードの多重量子ウェル構造を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。
【図５】本発明の一実施例に係る発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係る発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。
【図８】本発明の一実施例によって製造されたナノロッドアレイの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】本発明の一実施例によって製造された発光ダイオードにおいて各電流に対する発光波長のＥＬ強度を示すグラフである。
【図１０】図９のグラフにおいて各電流によるピーク波長を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施例によって製造された発光ダイオード及び従来の発光ダイオードのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施例によって製造された発光ダイオード及び従来の発光ダイオードの光出力−順方向電流特性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、１つのナノロッドに電極を形成したことを示す図である。
【図１４】図１４は、図１３の場合のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７９】
１０    サファイア基板
２０    ｎ型ＧａＮバッファ層［＝第１導電型のＧａＮバッファ層］
３０、１３０    （ＧａＮ）ナノロッド
３１、１３１    ｎ型ＧａＮナノロッド［＝第１導電型のナノロッド］
３３、１３３    ＩｎＧａＮ量子ウェル［＝多重量子ウェル］
３３ａ    ＩｎＧａＮ層［＝（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層］
３３ｂ    ＧａＮバリア（層）［＝（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎバリア（層）］
３５、１３５    ｐ型ＧａＮナノロッド［＝第２導電型のナノロッド］
４１    透明絶縁物（層）
６０    透明電極
５０、７０    電極パッド
１５０    Ｔｉ／Ａｌ電極パッド
１７０    Ｎｉ／Ａｕ電極パッド
【図１】
2008544567.tif 000004
【図２】
2008544567.tif 000005
【図３】
2008544567.tif 000006
【図４】
2008544567.tif 000007
【図５】
2008544567.tif 000008
【図６】
2008544567.tif 000009
【図７】
2008544567.tif 000010
【図８】
2008544567.tif 000011
【図９】
2008544567.tif 000012
【図１０】
2008544567.tif 000013
【図１１】
2008544567.tif 000014
【図１２】
2008544567.tif 000015
【図１３】
2008544567.tif 000016
【図１４】
2008544567.tif 000017
【国際調査報告】
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