(57)【要約】  本発明は、ナノ構造の発光ダイオード、即ちＬＥＤに関する。本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイスは、複数の独立したナノ構造のＬＥＤからなるアレイを含む。各ナノ構造のＬＥＤは、光を生成する活性領域を有する。ナノ構造のデバイスは、複数のリフレクタを更に有し、それぞれが、１つの独立したナノ構造のＬＥＤ（またはナノ構造のＬＥＤのグループ）に結合されている。個々のリフレクタは、独立したナノ構造のＬＥＤそれぞれの活性領域、またはナノ構造のＬＥＤのグループの活性領域に面した凹面を有する。
2010514207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ構造のＬＥＤデバイス(101)であって、それぞれが発光のための活性領域(120)を有する、複数の独立したナノ構造のＬＥＤ(100)のアレイと、それぞれが１つの独立したナノ構造のＬＥＤ(100)またはナノ構造のＬＥＤのグループに結合された複数のリフレクタとを有し、各リフレクタ(135)は、前記独立したナノ構造のＬＥＤそれぞれの活性領域、または前記ナノ構造のＬＥＤのグループの活性領域に面した凹面を有することを特徴とするナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項２】
前記各リフレクタ(135)は、前記ナノ構造のＬＥＤを上から見た場合に、該ナノ構造のＬＥＤ(100)それぞれの中心の上に位置していることを特徴とする請求項１に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項３】
前記各リフレクタ(135)は、前記ナノ構造のＬＥＤのグループの上面をまとめて覆うことを特徴とする請求項１に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項４】
前記リフレクタ(135)それぞれは、前記ナノ構造のＬＥＤ(100)それぞれの上面を覆うことを特徴とする請求項２に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項５】
前記各リフレクタ(135)の凹面は、前記ナノ構造のＬＥＤ(100)それぞれの上面の形状により決められることを特徴とする請求項４に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項６】
前記ナノ構造のＬＥＤ(100)は、尖った上部と、垂直な側面を有する長く延びた構造を有し、前記リフレクタ(135)それぞれは、少なくとも前記尖った上部を覆うことを特徴とする請求項５に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項７】
前記リフレクタ(135)それぞれは、前記垂直な側面の一部を覆うことを特徴とする請求項６に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項８】
前記ナノ構造のＬＥＤ(100)は、角錐構造であることを特徴とする請求項５に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項９】
前記リフレクタ(135)は、また、前記ナノ構造のＬＥＤの上部コンタクトであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１０】
前記ナノ構造のＬＥＤのアレイは、前記アレイの平面内方向に近い角度方向へ放射された波長の光を防ぐように構成された光子結晶を形成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１１】
前記リフレクタ(135)は、連結して、前記複数のナノ構造のＬＥＤ(100)を覆う連続反射層(535)を形成することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１２】
充填層(507)は、前記ナノ構造のＬＥＤの一部を覆い、前記連続反射層(535)は、少なくとも、前記ナノ構造のＬＥＤの上面と、前記ナノ構造のＬＥＤ間の前記充填層を覆うことを特徴とする請求項１１に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１３】
前記ナノ構造のＬＥＤ(100)は、放射された光の少なくとも一部を、前記各リフレクタ(135)に向ける導波管であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１４】
前記複数のナノ構造のＬＥＤは、ＬＥＤアレイ層であって、前記ＬＥＤアレイ層に構成された、対応する複数の活性領域(120)を有する前記ＬＥＤアレイ層と、前記ＬＥＤアレイ層(180)と平行な平面に構成されたリフレクタ層(180)とを有し、前記リフレクタ層は、それぞれが、１つの活性領域(120)または活性領域(120)のグループに面した凹面を有し、前記ＬＥＤアレイ(180)を介して光の向きを決めるように構成された、複数のリフレクタ(135)を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１５】
前記ナノ構造のＬＥＤ及び前記リフレクタは周期的に繰り替えされており、前記リフレクタ層(181)の前記リフレクタ(135)の周期性は、前記ＬＥＤアレイ層(180)における前記独立したナノ構造のＬＥＤの周期性に関連していることを特徴とする請求項１４に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１６】
前記各リフレクタ(135)は、前記ナノ構造のＬＥＤを上から見た場合に、該ナノ構造のＬＥＤ(100)それぞれの中心の上に位置していることを特徴とする請求項１４に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１７】
前記リフレクタ層(181)の前記リフレクタ(135)の周期性は、前記ＬＥＤアレイ層(180)の前記独立したナノ構造のＬＥＤの周期性に、nまたは1/n, n=l, 2, 3の級数として関連していることを特徴とする請求項１５に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１８】
前記ナノ構造のＬＥＤ及び前記リフレクタは周期的に繰り替えされており、前記リフレクタ層(181)の前記リフレクタ(135)の周期性は、前記ＬＥＤアレイ層(180)における前記独立したナノ構造のＬＥＤの周期性との相互関連が無いことを特徴とする請求項１４に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項１９】
前記各リフレクタ(135)は、前記ナノ構造のＬＥＤ(100)それぞれの上面を覆うことを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項２０】
前記リフレクタ(135)は、連結して、前記複数のナノ構造のＬＥＤ(100)を覆う連続反射層(535)形成することを特徴とする請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項２１】
充填層(507)は、前記ナノ構造のＬＥＤの一部を覆い、前記連続反射層(535)は、少なくとも、前記ナノ構造のＬＥＤの上面と、前記ナノ構造のＬＥＤ間の前記充填層を覆うことを特徴とする請求項２０に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項２２】
前記ナノ構造のＬＥＤのアレイは、前記ＬＥＤアレイ層(180)に光子結晶を形成し、前記光子結晶は、前記アレイの平面内方向に近い角度の方向への放射された波長の光を防ぐように構成されていることを特徴とする請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス(101)。
【請求項２３】
複数のナノ構造のＬＥＤを含むナノ構造のＬＥＤデバイスを製造する方法であって、
（ａ）リソグラフィにより、基板上の成長位置を決める；
（ｂ）前記決められた成長位置で、前記基板からナノ構造のＬＥＤを成長させる；
（ｃ）前記ナノ構造のＬＥＤの少なくとも最上部にリフレクタ素材を堆積させることで、前記各ナノ構造のＬＥＤに独立したリフレクタを形成する；
ステップを含むことを特徴とする。
【請求項２４】
前記ナノ構造のＬＥＤの成長ステップの後、前記リフレクタ素材の堆積ステップの前に行われる、前記ナノ構造のＬＥＤを覆う前記リフレクタの内側の表面の形状を決めるために、前記ナノ構造のＬＥＤの上部分を形成するステップを更に有することを特徴とする請求項２３に記載のナノ構造のＬＥＤを製造する方法。
【請求項２５】
前記ナノ構造のＬＥＤの上部分を形成する前記ステップは、予め決められた形状を提供するために、前記ナノ構造のＬＥＤの上部から素材を取り除くステップを含むことを特徴とする請求項２４に記載のナノ構造のＬＥＤを製造する方法。
【請求項２６】
前記リフレクタの内側の表面を決めるための予め決められた形状を形成するために、前記ナノ構造のＬＥＤの上部を形成するステップは、透明な素材を前記ナノ構造のＬＥＤの少なくとも最上部に追加するステップを含むことを特徴とする請求項２４に記載のナノ構造のＬＥＤを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、即ちＬＥＤに関する。特に、本発明は、ナノ構造のアレイを有するナノ構造のＬＥＤデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日普及しているタイプの発光ダイオード（ＬＥＤ）は、プレーナー技術の上に成り立っている。ＰＮ接合を基板上に複数の層として構成することで、デバイスを基本的に水平にすることができる。光生成再結合は、これらの層のサブセットにおいて起こる。半導体層は、空気の屈折率よりも実質的に高い屈折率を有するため、生成された光の相当量が層内で反射されてしまい、デバイスの有効な発光に寄与しない。実際、層はＬＥＤの水平面における導光体のようにふるまう。デバイス内に閉じこめられたＬＥＤの光の影響を緩和し、半導体層から効率的に光を抽出するための対策が提案されている。このような対策は、部分が、水平面に対して様々な角度をとるように、表面を変えることを含む。同様のアプローチが欧州特許公開第1369935号に提案されており、それには、光を拡散するため、または、光を吸収して異なる波長の光を生成するために、ナノサイズの粒子がＬＥＤデバイスに備えられている。加えて、プレーナー技術は、以下に更に記述するように、最小化及び適した素材の選択という点において、制約を加えている。
【０００３】
ナノスケール技術の向上、及び、特に、ナノワイヤを製造する能力は、プレーナー技術ではできなかった、構造を設計して素材を組み合わせる可能性を開いた。この発展の基の１つは、ナノワイヤの１Ｄ特性が、プレーナー技術で作られたデバイスにおける異素材間の格子整合の必要性を無くすことを可能にしたことである。例えば、InPのナノワイヤは、InAsまたはSi上で、欠陥無く成長することができることがこれまでに示され、用いられている。Samuelsonらによる米国特許公開第2004007546号では、例えば、ナノワイヤＬＥＤ等、ナノワイヤ構造に基づく複数のデバイスが開示されている。これらのＬＥＤは、量子閉じ込め効果を与える内部ヘテロ構造を有する。
【０００４】
米国特許公開第20030168964号は、ナノワイヤの下端にある導電性の透明な基板と、上端にある透明なカバー基板との間にまとまって搭載されたＬＥＤとして動作する、複数のナノワイヤの部品を開示しており、各個別のナノワイヤは、Ｐ型、N型、及び発光層の構造を有する。ナノワイヤは、導電性の透明な基板を通して発光するように構成されていると言われている。
【０００５】
他のナノワイヤＬＥＤもこれまでに報告されている。Hirumaらは、垂直なGaAsナノワイヤｐｎＬＥＤを製造した。Haraguchiらによる「量子結晶に形成されるGaAsのｐｎ接合」Appl. Phys. Lett. 60 (6) 1992に記載されているように、ナノワイヤは、SOGに埋め込まれ、Au/Ge/Niトップコンタクトにより覆われている。これらのデバイスは、室温での電気冷光を示した。GaNベースのナノワイヤＬＥＤはQuianらによる「Core/Multishell Nanowire Heterostrucrure as Multicolor, High-Efficiency Light-Emitting Diodes」に記載されてようにして、製造することができる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の概要
この技術では、ＬＥＤデバイスを構成するためにナノ構造を用いることができることが示されてきた。ナノ技術により提供される可能性を完全に利用するために、効率に関する更なる改善が必要である。
【０００７】
本発明の目的は、従来のデバイス及び方法の欠点を解決することのできるナノ構造のＬＥＤデバイス及びその製造方法を提供することである。これは、請求項1で定義されるデバイス及び請求項２３で定義される方法により達成することができる。
【０００８】
本発明に係るナノ構造のＬＥＤデバイスは、複数の独立したナノ構造のＬＥＤのアレイを有する。各ナノ構造のＬＥＤは、発光のための活性領域を有する。ナノ構造のＬＥＤデバイスは、更に、それぞれが１つの独立したナノ構造のＬＥＤ、または、ナノ構造のＬＥＤのグループに結合された複数のリフレクタを有する。各リフレクタは、独立したナノ構造のＬＥＤそれぞれの活性領域、またはナノ構造のＬＥＤのグループの活性領域に面した凹面を有する。
【０００９】
本発明に係るナノ構造のＬＥＤデバイスとして、ＬＥＤアレイ層及びリフレクタ層を含むものを見ることができる。複数のナノ構造のＬＥＤは、ＬＥＤアレイ層に構成された、対応する複数の活性領域を有するＬＥＤアレイ層を形成する。リフレクタ層は、ＬＥＤアレイ層と平行な平面に構成され、それぞれが、１つまたはグループの活性領域に面した凹面を有し、ＬＥＤアレイを介して光の向きを決めるように構成された、複数のリフレクタを含む。リフレクタ層のリフレクタの周期は、ナノ構造のＬＥＤ、または、それに結合された活性領域の周期に関連していてもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態では、各リフレクタは上面を覆い、場合によっては、長く延びたナノ構造のＬＥＤ、典型的には、ナノワイヤから形成されたＬＥＤの側面の一部を覆っている。
【００１１】
一実施形態によれば、ナノ構造のＬＥＤは角錐形状をしており、リフレクタは基板側の側面以外、基本的に、ナノ構造のＬＥＤの全ての面を覆う。
【００１２】
個々のリフレクタを、連続反射する層を形成するために繋げても良い。一実施形態では、連続反射層は、ナノ構造のＬＥＤの上面、及び、ナノ構造間の空間を埋めるために提供された充填層の両用を覆う。
【００１３】
リフレクタまたは連続反射層を、ナノ構造のＬＥＤに直接供給しても良い。または、リフレクタの形状を定めるために、間にスペーサー素材を入れても良い。また、コンタクトまたはコンタクト層を、リフレクタとナノ構造のＬＥＤとの間に入れても良い。別の例では、連続反射する層を、ナノ構造のＬＥＤへの上部コンタクトとして用いる。
【００１４】
本発明の利点の１つは、ナノ構造のＬＥＤデバイスの効率を充分に上げることができることである。更なる利点は、ナノ構造のＬＥＤデバイスを既定の方法で製造できることである。
【００１５】
また、本発明のナノ構造のＬＥＤに関する更なる利点は、製造をコスト効率のよい工業生産に適用することができることである。
【００１６】
本発明の実施形態は従属請求項により定義されている。本発明の他の目的、利点、及び新規な特徴は、添付の図面及び請求項を合わせて考慮することで、以下に示す本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１ａ】図１ａは、本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイスの概略を示す図である。
【図１ｂ】、
【図１ｃ】、
【図１ｄ】、
【図１ｅ】図１ｂ〜ｅは、本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイスで用いられる直立した個々のナノ構造のＬＥＤを示す図である。
【図２】図２ａ）〜ｆ）は、本発明のリフレクタの概略を示す図である。
【図３ａ】、
【図３ｂ】、
【図３ｃ】図３ａ〜ｃは、本発明にかかるリフレクタを有するナノ構造のＬＥＤデバイスの異なる実施形態を概略的に示す図である。
【図４ａ】、
【図４ｂ】図４ａ〜ｂは、本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイスを含まれるナノ構造のＬＥＤの実施形態を概略的に示す図である。
【図５ａ】、
【図５ｂ】、
【図５ｃ】図５ａ〜ｃは、本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイスの実施形態を概略的に示す図である。
【図６】図６は、本発明にかかる方法における基本的な製造ステップを示す図である。
【図７】図７は、ＬＥＤナノ構造を概略的に示す図である。
【図８ａ】図８ａは、図７のナノ構造ＬＥＤのSEM画像である。
【図８ｂ】図８ｂは、活性ＬＥＤナノ構造の画像である。
【図９】図９は、第１のMOVPEステップの後の本発明のナノワイヤ構造のSEM画像である。
【図１０】図１０ａ〜ｃは、図７及び図９にかかるナノワイヤ及びＬＥＤナノ構造の光ルミネッセンスのグラフである。
【図１１】図１１は、ａ）GaP及びSi上に成長したGaAsＬＥＤのエレクトロルミネッセンスに依存する電力を示し、ｂ）GaP及びSiベースのＬＥＤナノ構造からの80mAでのELスペクトルである。
【図１２】図１２ａ〜ｃは、選択的に成長した異なる形状のナノ構造のSEM画像を示す。
【図１３】図１３ａ〜ｂは、ＬＥＤ構造の２つの別の形状のSEM画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の好適な実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
詳細な説明
本発明に係るナノ構造の発光ダイオード、即ちＬＥＤのデバイスは、直立したナノ構造のＬＥＤを含む。個々のナノ構造のＬＥＤは、例えば、ナノワイヤを使用することにより形成される。ナノワイヤは、ＬＥＤにおける活性素子として、またはナノ構造の必須素材として用いられ、ナノワイヤを用いることで、例えば、基板の素材には適さない素材を用いて、ナノ構造を製造することができる。半導体基板上にナノワイヤを成長させるのに適した方法は、米国特許公開第2003010244号に記載されている。ヘテロ構造を有する、エピタキシャル成長させたナノワイヤを提供する方法は、米国特許公開第20040075464号に開示されている。ナノ構造のＬＥＤは、他の方法、例えば、D.Kapolnekら著の"SpatialcontrolofInGaNluminescencebyMOCVDselectiveepitaxy"、CrystalGrowth189/190(1998)83-86に示されているように、GaN基板上のInGaN/GaN六角錐構造として形成しても良い。
【００２０】
この出願の目的のために、直立したナノワイヤは、基板からいくらかの角度を持って突出したナノワイヤと解釈されるべきである。直立したナノワイヤは、例えば、基板からエピタキシャル成長する。基板と成す角度は、典型的には基板及びナノワイヤに含まれる素材、及び、基板の表面，及び成長条件によって変わる。これらのパラメータを制御することで、例えば、垂直方向等の一方向や、限られた１組の方向を指す、ナノワイヤを製造することができる。例えば、ナノワイヤ及び基板が、周期表のコラム第３族、第５族、第４族の元素から成る、亜鉛鉱及びダイアモンド半導体でできている場合、そのようなナノワイヤは、[111]方向に成長することが可能で、どの{111}基板の表面に対しても垂直な方向に成長させることができる。表面に対する法線とナノワイヤの軸方向とが成す角度として与えられる他の方向は、70,53°{111}、54,73°{100}、35,27°{110}、そして90°{110}を含む。従って、ナノワイヤは１つ、または限られたセットの方向を定義する。
【００２１】
上部、最上部、下部、下方向などの全ての参照は、底にある基板と、基板から上方向に延びるナノワイヤとを考えることによりなされる。垂直はナノワイヤの長手方向に平行な方向を指し、水平は基板により形成される平面に平行な方向を指す。この用語は、理解し易くするために用いるものであり、特定のアセンブリ方向を限定するものではない。
図１ａに、本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイス101を概略的に示すが、それぞれが光を生成する個々の活性領域120を有する、ナノ構造のＬＥＤ100の少なくとも１つのアレイを含む。ナノ構造のＬＥＤは、製造中に基板105から成長する。本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイス101は一般的に「フリップフロップ」構造と呼ばれるものであるように設計され、基板105を通して光が抽出される。別の例では、基板が製造中に取り除かれ、ナノ構造ＬＥＤ100から直接、または、バッファ層またはナノ構造のＬＥＤ100の下面を覆う保護層（不図示）を介して、光が放射される。本発明によれば、生成された光は、少なくともその一部がナノ構造のＬＥＤと比べて、光がデバイスを離れる、つまり、最上端に近い、ナノ構造のＬＥＤの端の反対側の端に近い位置にあるリフレクタ135により向けられる。リフレクタ135は、活性領域からの光を基板の方向に、照準または焦点を合わせる。ナノ構造のＬＥＤアレイ及び基板平面の法線方向に向けられた光を照準合わせることで、内部反射が減るため、デバイスの光抽出に有利である。高度に方向を定められた発光は、いくつかのＬＥＤの応用に有利である。リフレクタ135が活性領域120に面した基本的な凹面を有するため、光の照準を合わせることができる。ここで、凹面は、図２に示すように、これらに限定されるものではないが、連続曲面(a)、開いた矩形(openrectangle)(b)、角が丸い開いた矩形(c)、複数の直線パーツを角度を変えてつなげたもの(d)、三角形の２本の足(e)、または複数の連続曲線(f)を形成する断面を含む、非常に広い解釈をされるべきである。照準合わせも広く解釈されるべきであり、ＬＥＤデバイスを離れる光が、厳密に水平でなくてもよいが、一般的に好ましい方向に向いていることを含む。
【００２２】
リフレクタは、成長及び／またはその後の処理の間に形成された構造の上に、高反射金属層として堆積してもよい。リフレクタの典型的な素材は、これらに限られるものではないが、Ag、Al（波長λ＜500 nmの緑及び青の範囲のＬＥＤ向け）、赤外線、赤、オレンジ、琥珀色の領域のＬＥＤのための、同じものとauを含む。また、例えば、algaas/gaasまたはgan/alganの繰り返し層を含む複数層構造をリフレクタとして用いても良い。リフレクタの堆積方法は、これらに限られるものではないが、蒸着、スパッタリング、電解メッキまたは無電解メッキを含む。リフレクタを腐食及び酸化から守るために、例えば、sio2、Si3N4、または同様の素材から追加の保護絶縁層を形成してもよい。この層では、リフレクタとの電気的な接続を提供するために、開口を作ってもよい。
【００２３】
本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイスにおける個々のリフレクタの寸法は、実施形に応じて大きく変化し、少なくとも、個々のナノ構造のＬＥＤの大きさ及び形状に応じて変化することはない。典型的な直径及び高さの範囲は、最も広い部分で、1/10ナノメーターから、数マイクロメーターまでである。本発明の一実施形態によれば、各リフレクタ135の内部凹面は、少なくとも、個別のナノ構造のＬＥＤそれぞれの上面の輪郭により決まる。ナノ構造のＬＥＤの側面の一部または全部も、リフレクタの部分を定めている。
【００２４】
ナノ構造のＬＥＤデバイス101は、ＬＥＤアレイ層180内に設けられた対応する複数の活性領域120を有する複数のナノ構造ＬＥＤ100を含むＬＥＤアレイ層180を有する、垂直に層が重ねられたデバイスと見なすことができる。ＬＥＤアレイ層180に平行な平面はリフレクタ層181であり、１つまたは１グループの上の活性領域に向けられ、ＬＥＤアレイ180を介して光を方向付けるように構成された凹面を有する複数のリフレクタ135を含む。本発明の一実施形態によれば、リフレクタ層181の個別のリフレクタ135の周期性は、個別のナノ構造のＬＥＤの周期性に関連している。リフレクタ層181の周期性はｎまたは1/n, n=l, 2, 3...の級数として、ＬＥＤアレイ層180の周期性に関連している。別の例では、リフレクタ層181はランダムな構成またはＬＥＤアレイ層180の周期性に相互に関係しない周期性を有する。
【００２５】
ナノ構造アレイに関する位置の接近していること及びリフレクタの不揃いな形状は、層が複数の使い道を持つことができる、という更なる利点をもたらす。活性領域への近さ、及び、活性領域と比較してジョイント半導体とリフレクタ素材の相対的な表面接合領域の高さにより、伝統的なプレーナーＬＥＤにおけるものよりも高い効率性を有する熱伝導体として機能できる。上述した近さ、及び、接合部の相対的な表面接合領域の高さのため、ＬＥＤアレイとの電気的コンタクトとしても有利である。このように、この多目的層は、ＬＥＤ効率化のためのデバイスの設計を容易にすることができる。
【００２６】
ナノ構造のＬＥＤに基づくデバイスは、１つの連続した面からではなく、光が多数の個別の光源から発光されるところが、伝統的なプレーナーＬＥＤと根本的に異なる。どのアレイの設計も、リソグラフィ手段により実現することができる。そのようなＬＥＤのアレイのピッチ及びパターンは様々である。本発明では、アレイの平面に近い方向への発光を防ぐために、三角形及び６角形アレイといった、光子結晶特性にアレイを構成し、ピッチを発光した光の波長の１／２に近くにするとよい。この、活性アレイにおける光子結晶デザインの利用は、活性領域の外、及び、光を半導体から抽出するためのインターフェース近辺に位置する光子結晶パターンの利用とは本質的に異なる。これは、提案された光子結晶特性の利用は、光を、半導体から、鏡及び最終的な光抽出インターフェースに向けて並べることを目的としているからである。紫外線から赤外線までの光では、このようなアレイのピッチは、おおよそ0, 1 -4μmの範囲内にあると言うことができる。個々のＬＥＤの具体的なサイズは、アレイピッチの選択により、しばしば制限される。
【００２７】
本発明にかかるナノ構造のＬＥＤを図１ｂ〜ｅに簡単に示す。図１ｂは、ナノワイヤ110により構成され、基板105を含むナノ構造のＬＥＤを表しており、ナノワイヤ110は基板105からエピタキシャル成長したものである。ナノワイヤ110の一部は、体積要素115により囲まれている。体積要素115は、ナノワイヤ110にエピタキシャル接続されていることが好ましい。ダイオードの機能に不可欠なｐｎ接合は体積要素115内、または、ナノワイヤ110内に形成されている。体積要素115上の、例えば、最上部上または、周辺外部表面上のラッピング構成内にトップコンタクトが提供される。ナノ構造のＬＥＤ100の反対端を、例えば、共通ボトムコンタクトを形成している基板を経て、基板に近い専用のコンタクト層を介して、または、ナノワイヤ110の下部端のラップコンタクトにより、接続しても良い。ラップコンタクトは、Ｌ字型かコンタクト層の厚みにより決まるナノワイヤとのコンタクトまでの長さを有する。ナノワイヤ110は、典型的には50 nmから500 nm程度の直径を有し、体積要素は、500 nmから10 μm程度の直径を有する。体積要素により覆われていないナノワイヤの長さの一部は、使い方応じて、10 nmから数 μmの範囲で変化する。体積要素の長さは、典型的且つ好ましくは、1 〜 5 μm程度である。体積要素115、またはバルブは、異なる形状を有してもよく、活性領域が異なる位置及び形状となるように体積要素及びナノワイヤを組み合わせることで、光生成に必要な再結合条件を与える。体積要素115は、さらに高度なドーピングを提供し、電子キャリアがナノワイヤ内に注入される。本発明によれば、ナノ構造のＬＥＤは、基板105、または、基板が除去された場合にはサポート構造を通って、光がデバイスから出るように設計される。つまり、図を参照すると、光は下方向に向けられる。本発明によれば、生成された光の少なくとも一部は、光がナノワイヤからデバイスを出るところ、つまり、ナノワイヤ110のトップエンドの近くの端と、ナノワイヤの反対側の端の近くに位置するリフレクタ135により、方向付けられる。図示されたリフレクタ135は、体積要素115の切り取られた角錐の上部分に沿った断面を有するが、この形状は、公知の方法により作ることができる。図から分かるように、リフレクタの形状は体積要素115の形状に沿っており、製造の点から見ると、好ましい実施形を表している。しかしながら、上述したように、多くの異なる形状を予測し、製造することが可能であり、図示した形状及び体積要素により与えられる形状は、限定しない例と考えるべきである。
【００２８】
図１ｃは他のデザインを示す図であり、体積要素115は、貝殻構造の複数の層116、117を有する。ドーピング層117は、pまたはn領域を提供し、ウェル層116は動作中の活性領域120を含む。別の例では、ウェルを複数のサブ層から作ることもできる。構造はドーピング特性を強めるために他の層（不図示）を含んでも良く、接続などを向上させることができる。本実施の形態では、活性領域120は、概ねナノワイヤ110の外にある。リフレクタ135は、本実施の形態では、貝殻構造を取り囲む。体積要素／貝殻構造は、ここでは先端が尖ったものとして図示しているが、これは１つの可能な、技術的に達成可能な実行例を表したものである。リフレクタは、存在する堆積技術により体積要素に接着することができるので、所望の本質的な凹形状にすることができる。上述した接続、寸法などは、この実施形態にとっても適切なものである。図１ａ〜ｃに概略を示した本実施形態のナノ構造のＬＥＤ(100)は、尖った先端を有する長い構造として説明することができる。この場合、尖った、とは、図に示すように、最も外側の最上部が切り取られた形状も含むことは理解されよう。ナノ構造のＬＥＤは、さらに、垂直な表面を有する長く伸びた円筒部を有する。垂直な表面という言葉は、長く伸びた円錐の表面も含む。
【００２９】
更なる実施形態を図１ｄに示す。ナノワイヤ110は、体積要素115を形成する、成長しすぎた四角錐により囲まれている。活性領域120は、この場合、ナノワイヤに構成されるか、図示のように貝殻構造が提供された場合には、体積要素に構成される。リフレクタ135は、角錐形状に沿って、対応する角錐形状、図示した断面では三角形、を形成する。図示した例では、体積要素115とリフレクタ135との間にコンタクト137が提供されている。
【００３０】
図１ｅに概略的に示すものは、ナノワイヤの助けを借りずに形成されたナノ構造のＬＥＤである。第１の 半導体素材の四角錐160が基板 105上に形成され、続いて半導体層161, 162を成長させることで、ｐｎ接合が形成され、活性領域120となる。また、このタイプの構造には、本願発明にかかるリフレクタ135を供給することもできる。
【００３１】
図１ａ〜ｅの細い矢印は、活性領域から放射される光の可能な反射経路を示し、基板105への照準合わせ効果を示している。.
【００３２】
全ての実施形態において、トップコンタクトを形成する体積要素の上に接続手段が必要である。トップコンタクトは、体積要素とリフレクタとの間にあっても良く、その場合、透明または半透明な素材であることが好ましい。別の例は、他のデザインでも実現可能であるが、図１ｄに示すように、体積要素を覆う透明な接続層125と、接続層125の上に、層として形成されたリフレクタ135である。さらに異なる例では、例えば層の形状であるリフレクタ135は、コンタクトとリフレクタの両方として動作する。
【００３３】
基板105及び直立構造の一部は、薄膜または、図１ｂに示すように、ナノ構造のＬＥＤを取り巻く空間を埋める素材としての被膜層107により覆われていても良い。
【００３４】
図１ａ〜ｅに示す実施形態によれば、複数のナノワイヤを有するデバイスを示している図３ａに示すように、リフレクタ135を各ナノ構造ＬＥＤ100に結合してもよい。リフレクタは、１つのナノ構造ＬＥＤのみを覆うが、光の経路を示す細い矢印が示すように、他の活性領域120から放射された光の照準も合わせることに貢献している。
【００３５】
別の例では、図３ｂに示すように、リフレクタ135は、複数のナノ構造ＬＥＤと結合している。ナノワイヤの方向に基板に向かって見ると、リフレクタ135は複数のナノ構造ＬＥＤの活性領域120を覆っている。適切な光学的特性を有する補間素材136をナノ構造ＬＥＤとリフレクタ135との間に入れることが好ましい。補間素材136は、凹形状のリフレクタの形成を容易にする。補間素材は、放射された波長の光にとって、透明でなければならない。例えば、スパッタリング、蒸着、またはCVDなどの方法を用いて堆積された、SiO2、Al2O3、またはSi3N4の絶縁層であってもよい。別の例では、個々のナノ構造のＬＥＤの成長とは異なる条件下でエピタキシャル成長する間に堆積された半導体素材であってもよい。リフレクタを介した接続がし易くなるように、導電性を持たせてもよい。
【００３６】
図３ｃに概略を示した更に別の例では、リフレクタ135の断面は、ナノ構造ＬＥＤの直径より充分に小さく、複数のリフレクタは、各ナノ構造100と結合されている。この形状を達成するために、個々のナノ構造のＬＥＤの上面は、エッチングまたはレーザー描画方法を用いて形成することができる。
【００３７】
本発明の一実施形態によれば、ナノ構造のＬＥＤのナノワイヤを、ナノ構造のＬＥＤにより生成された光の少なくとも一部を、直立したナノワイヤにより与えられる方向に導く導波管として用いる。理想的な導波ナノワイヤＬＥＤ構造は、コアよりも低い屈折率を有する、１以上の周辺被膜によって覆われた高屈折率コアを含む。構造は、円対称または略円対称である。円対称構造の光生成導波はファイバーオプティクスの応用でよく知られており、希土類が添加されたファイバーアンプ及びレーザーの分野で、多くの類似物を作ることができる。しかしながら、違いの１つは、説明したナノワイヤＬＥＤ構造が電気励起と見なすことができるのに対し、ファイバーアンプは、光励起であることである。１つのよく知られた形状の長所は、所謂、開口数NAで、NA = √（n12 - n22）であり、n1及びn2は、それぞれ、コア及び被膜の屈折率である。NAは、導波管によって捕らえられた光の角度によって決まる。導波管のコア内で生成された光では、捕捉角度φは、n1 - cos(φ) = n2として求めることができる。NA及び捕捉した光の角度は、新しいＬＥＤ構造の最適化において、重要なパラメータである。
【００３８】
第３族から第５族の半導体コア素材の典型的な値は、2.5〜3.5の範囲の屈折率である。1.4〜2.0の屈折率を有するSiO2またはSiNなどのガラスタイプの被膜素材と組み合わせた場合、捕捉角度は65度にもなる。捕捉角度65度は、生成された光の75％まで、構造により捕えて、（両方向に）導光することが可能であることを意味する。
【００３９】
光抽出の最適化において、構造からの光抽出を最適化するために、ナノワイヤ構造に沿って、ＮＡが変化することを考慮しなければならない。一般的に、光の生成が出口位置から最も離れたところで起きる場合に、ＮＡが最も高くなるようにすることが理想的である。これにより、捕捉され、出口に向けて導光された光を最大にすることができる。反対に、構造の出口端に近いほど、生成された光が任意の方向に放射し、放射光のほとんどが構造の最上部及びその側面にぶつかって、射出するため、ＮＡは小さくすることができる。構造の最上部において低ＮＡを有することで、光の捕捉と、構造内の下方向への導光も最小になるが、これは、リフレクタが構造の底に挿入されていない限り、理想的ではない。低NAは第３族から第５族のナノワイヤのコアを、少し低い屈折率を有する異なる構成の別の第３族から第５族の被膜で覆うことにより得ることができる。.
【００４０】
図４ａに概略的に示す実施形態によれば、ナノワイヤ110またはナノワイヤ110の一部が、生成された光の少なくとも一部をナノワイヤの延びた方向により与えられる通常の方向に向ける導波管116を形成するように構成される。このナノワイヤの機能は、図において細い矢印で表している。ｐｎ接合により、活性領域120がナノワイヤまたはナノワイヤの近傍に構成されることになり、光が生成される。なお、図４ａにおける活性領域120の位置は、限定されない一例である。ナノ構造のＬＥＤの異なる部品の素材は、ナノワイヤが、周辺を取り巻く素材に対して良好な導波特性を有するように、つまり、導波管116の素材の屈折率が、周辺素材の屈折率よりも大きいように、選択される。ナノワイヤ110または導波管116が第１の屈折率nwを有し、導波管部分116のナノワイヤ周辺の素材、典型的には被膜層107が第２の屈折率ncを有し、体積要素が第３の屈折率nVEを有する場合、nw＞nc且つnw＞nVEである。ナノ構造のＬＥＤの典型的な値は、nw≒3、nc≒1.5、nVE≒3である。
【００４１】
導波管116に１以上の被膜層を提供しても良い。第１の被膜層112は、ナノワイヤの表面特性を向上させるために導入され、例えば、GaAsのナノワイヤが用いられた場合、GaInPの被膜層112を追加することで、特性が向上することが示されてきた。さらに、例えば、光学的な被膜層113等の被膜層を、特に、ナノワイヤ110の導光特性を向上させるためにファイバーオプティクスの分野で確立されているような方法で導入しても良い。光学的な被膜層113は、典型的には、ナノワイヤの屈折率と、周辺素材の屈折率との間の屈折率を有する。または、被膜層113は、特定の場合に光透過性を向上することが示されている、徐々に変化する屈折率を有する。光学的な被膜層113が用いられた場合、ナノワイヤの屈折率nwにより、ナノワイヤと被膜層の両方の有効屈折率が決まる。
【００４２】
適切に定められた直径を有するナノワイヤを成長させる能力は、上述した文献及び以下に例示するように、本発明の一実施形態よれば、ナノ構造のＬＥＤ100により生成される光の波長に関してナノワイヤ110または少なくとも導波管116の導光特性を最適化するために用いられる。よく知られているように、ＬＥＤの光生成の基本である再結合処理は、素材の特性に応じて、狭い波長帯域の光を生成する。実施形態では、ナノワイヤ110の直径は、生成された光の波長に好適に対応するように選択する。好ましくは、ナノワイヤ110の寸法は、生成された光の特定の波長について最適化された均一な光共振器が、ナノワイヤに沿って提供されるような寸法である。コアナノワイヤは光を捕らえるのに充分な幅でなければならない。経験則では、λを生成された光の波長、nwをナノワイヤ110の屈折率とすると、直径はλ/2nwより大きくなければならない。
【００４３】
可視領域の光を生成するように構成されたナノ構造のＬＥＤでは、ナノワイヤの導波部の直径は、ナノワイヤを有効な導波管とするためには、好ましくは、80nmより大きくなければならない。赤外線及び近赤外線では、110 nmを超える直径があれば充分である。ナノワイヤの直径の好ましいおおよその上限は成長の制約により与えられ、500 nm程度である。ナノワイヤ110の長さは、典型的且つ好ましくは、1〜10 μm程度であり、活性領域120に充分な体積を提供することができると同時に、内部吸光を起こしてしまうような不必要な長さではない。
【００４４】
図４ａに示す実施形態では、基板105を介する光の抽出を更に高めるためにナノワイヤ110の導波特性とリフレクタ135の照準合わせとを組み合わせる。活性領域120で生成された光の相当部分はナノワイヤにより下方向に導かれる。しかしながら、光の一部は、導波管116に「取り込まれる」こと無く、様々な方向に放射される。この光の一部はリフレクタ135により、導波管116またはナノ構造の他の部分を介して基板方向に反射させることができる。
【００４５】
図４ｂに概略を示す実施形態では、光は、ナノワイヤ110の半径方向の外に本質的に位置する活性領域120で生成される、つまり、図１ｂを参照して説明した貝殻構造を有する実施形態に対応する。この実施形態では、体積要素が導波特性を有するように、体積要素には被膜層440が供給される。体積要素115の上のリフレクタ135は、上向きに放射された光の少なくとも一部を下方向に反射する。
【００４６】
上述した実施形態では、理解を妨げないようにするために、光が基板105を介して放射されるものとして説明した。しかしながら、ナノ構造のＬＥＤを有するＬＥＤデバイでは、基板を除去したり、または、光の照射を促進するために、図４ａに示すように切り欠き１３０を設けても良い。例えばGaNのバッファ層のような他の層を、ナノワイヤの核を強化するために、または、例えばSiO2の保護層をナノワイヤの側に設けても良い。基板は、ラッピング及びエッチング方法を用いて除去することができ、これにより基板素材は、切削されるか、エッチングにより削り取られる。または、リフトオフ処理を、基板からエピタキシャル成長した構造を分離するために用いても良い。
【００４７】
複数のナノ構造のＬＥＤ100を有するナノ構造のＬＥＤデバイス101における個々のリフレクタ135は、図５ａに概略を示すように、複数のナノ構造のＬＥＤ100を覆う連続反射層535として都合良く形成することができる。連続反射層535は、複数の個別のリフレクタと見なすべきである。図から分かるように、本実施形態における連続反射層535は、ナノ構造ＬＥＤそれぞれの表面の大部分を覆う。連続反射層535は、図に示すように、個々のナノ構造ＬＥＤ100間の空間を埋めても良い。別の例では、図５ｂに示すように、例えばSiO2の充填層507がナノ構造のＬＥＤデバイスに提供され、ナノ構造のＬＥＤの高さ部分の一部を覆う。本実施形態では、連続反射層535を、ナノ構造のＬＥＤを覆う、本質的には凹面の、複数の独立したリフレクタ135と、それに繋がった、充填層507を覆う本質的には平面536として示すことができる。この解決法は、光が外に導かれるより前、つまり、繋がれた平面と、基板またはバッファ層との間で、更なる反射を起こす。これは、ナノ構造の高さと、光の更なる生成、及び、繰り返しの反射による高吸収損失との間で矛盾を起こす。ナノ構造における伸びた方向に対して低い角度を有する光が、光の大部分の第１の反射が、リフレクタの凹部分で起きるように導かれるため、ナノ構造の導波特性は、この効果を制限する。
【００４８】
本発明の別の実現例を図５ｃに示す。個々のナノ構造のＬＥＤに、ナノ構造のＬＥＤの円筒表面全体を覆う透明な導電層540を設ける。スパッタリング堆積により堆積された、透明な導電性の酸化物（例えば、ITO)を、そのような層を形成するために用いることができる。実質的に、ナノ構造のＬＥＤの間の空間は、例えば、SiO2、Si3N4、Al2O3等の透明な絶縁素材507により埋められ、ＬＥＤの先端部分は露出している。最後に、実際には、複数の独立したリフレクタ135を有するリフレクタ535が形成される。リフレクタ層は、各ナノ構造のＬＥＤの透明なコンタクト層540との電気的なコンタクトを形成している。この構造によりリフレクタの光学的な特性を利用しつつ、接合領域全体に、良好に電流を注入することができる。
【００４９】
ナノ構造のＬＥＤデバイスを応用するためのデザインの選択は、多くのパラメータに依存する。光のコリメーション、及び、抽出及びデバイス効率とに関して、放射された光の内、第１の反射で既に、高いパーセンテージで下方向に向けられるため、図１ｄを参照して説明した角錐構造が、最適なものに近いと予測できる。しかしながら、デザインは、表面領域の高い利用を必要とするため、図１ｂ〜ｄに示すもののようなより長い構造よりも、製造コストが高くなる。図１３ａに示すような長い角錐構造は、これらのパラメータ間の機能的折衷を表している。
【００５０】
ナノ構造のＬＥＤを製造する方法は、上述した処理によれば、まず、ナノワイヤを成長させることである。そして、ナノワイヤの一部をマスクし、体積要素を選択的に再成長させる。この方法を図６に示す。体積要素は、軸方向及び半径方向共に成長するため、ナノワイヤが部分的にマスクされると、ナノワイヤは体積要素に囲まれるようになる。適切なマスキング素材としては、例えば、窒化シリコン、酸化シリコンなどがある。
【００５１】
VLS成長したナノワイヤ等、ナノワイヤの成長が物質により部分的に強調されたシステムを考えると、成長条件を変えることにより半径と軸方向との成長を変化させる能力により、ナノワイヤ／高次元の３Ｄ列を形成するために、手順（ナノワイヤ成長、マスク形成、その後の選択的成長）を繰り返すことができる。ナノワイヤ成長と選択的成長とが、個別の成長条件により区別されないシステムでは、まず、ナノワイヤを長さに沿って成長させ、そして、異なる選択的成長ステップにより、異なるタイプの3Ｄ領域または体積要素を成長させるとよい。
【００５２】
本発明にかかるナノ構造のＬＥＤデバイスを製造する方法は、
【００５３】
ａ）リソグラフィにより、基板上の成長位置を決める；
ｂ）決められた成長位置で、基板からナノ構造のＬＥＤを成長させる；
ｃ）ナノ構造のＬＥＤの少なくとも最上部にリフレクタ素材を堆積させることで、各ナノ構造のＬＥＤに独立したリフレクタを形成する；
という基本的ステップを備える。
方法の詳細は、ナノ構造のＬＥＤデバイスの素材、所望の形状、及び機能によって変わる。製造例を以下に示す。
【００５４】
方法は、ナノ構造のＬＥＤの成長工程の後、リフレクタ素材を堆積する前に行われる、ナノ構造のＬＥＤを覆うリフレクタの内側表面の形状を決めるために、ナノ構造のＬＥＤの上部分を形成するステップを含む。様々なエッチングまたはアブレーション方法を用いることができる。または、リフレクタの形状を決めるために、ナノ構造の最上部に素材を追加しても良い。
【００５５】
ナノ構造のＬＥＤデバイスの用途、適した製造処理の可能性、素材のコストなどに応じて、広範囲の素材を、構造の異なる部分に用いることができる。更に、ナノワイヤを基にした技術は、そうでなければ組み合わせることが不可能な、欠点の無い素材の組み合わせを許容する。第３族〜第５族の半導体は、高速且つ低電力な電子機器を容易にする特性を有するため、特に重要である。基板に適した素材は、これらに限られるものではないが、Si、GaAs、GaP、GaP:Zn、GaAs、InAs、InP、GaN、Al2O3、SiC、Ge、GaSb、ZnO、InSb、,SOI（シリコン・オン・インシュレーター）、CdS、ZnSe、CdTeを含む。ナノワイヤ110及び体積要素115に適した素材は、これらに限られるものではないが、GaAs(p)、InAs、Ge、ZnO、InN、GaInN、GaN AlGaInN、BN、InP、InAsP、GaInP、InGaP:Si、InGaP:Zn、GaInAs、AlInP、GaAlInP、GaAlInAsP、GaInSb、InSb、Siを含む。例えば、GaPの為の可能なドナードーパントは、Si、Sn、Te、Se、S等であり、同素材に対するアクセプタードーパントは、Zn、Fe、Mg、Be、Cd等である。なお、ナノワイヤ技術は、GaN、InN及びAlN等の窒化物の使用を可能にしたので、従来の技術では容易に達成できなかった波長領域の光を発光するＬＥＤの製造を容易にすることができる。その他の商業的に特に重要な組み合わせは、これらに限るものではないが、GaAs、GaInP、GaAlInP、GaPシステムを含む。典型的なドーピングレベルは、1018から1020の範囲である。当業者であれば、これら及びその他の素材は馴染み深いものであり、他の素材及び素材の組み合わせが可能であることはわかる。
【００５６】
低抵抗のコンタクト素材の適切さは、堆積する素材によって異なるが、金属、合金、及びAl、Al-Si、TiSi2、TiN、W、MoSi2、PtSi、CoSi2、WSi2、In、AuGa、AuSb、AuGe、PdGe、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au、Pd/Au、ITO(InSnO)などの非金属合成物、及び、例えば、メタルとITOの組み合わせを用いることができる。
【００５７】
図６に示す、GaAs及びInGaPで形成された活性ナノワイヤ領域を有する発光pnダイオード／アレイを製造するための本発明に係る製造方法は、以下のステップを含む：
１．リソグラフィにより、p+型GaP基板1305上に、部分的な触媒の範囲を限定。
２．ナノワイヤ1310を、部分的な触媒1331から成長させる。成長パラメータは、触媒ワイヤ成長に応じて調整する。
３．ナノワイヤの周りに薄膜InGaP濃縮層1312を半径方向に成長させる(被膜層)。
４．SiO2をマスク素材1332として堆積させる。
５．ナノワイヤの上部を開けるために、マスク1332をバックエッチングする。
６．n+型InGaPの体積要素1315を選択的に成長させる。成長パラメータは半径方向に成長するように調整される。
７．体積要素615の少なくとも一部に、反射素材を堆積することで体積要素の上にリフレクタを形成する。
【００５８】
成長処理は、例えば、ナノワイヤがヘテロ構造を含み、反射層等が提供されるように、知られた方法で変更することができる。いくつかの実施形態で用いられる軸113は、まず、細いナノワイヤを成長させ（ステップ２）、反射層または、下部分を覆う選択的成長マスクを堆積させ、そして、ナノワイヤの太さが増すように被膜層またはナノワイヤを半径方向に成長させることにより、提供される。.
【００５９】
本発明に係るナノ構造のＬＥＤデバイスで用いられるナノ構造のＬＥＤを実現する更なる例として、GaP及びSi基板上にエピタキシャル成長されたGaAsナノワイヤがある。ＬＥＤ機能は、どちらの種類の基板上にも確立されてきた。構造は、温度依存の光ルミネッセンス、エレクトロルミネッセンス、及び放射パターンの点で評価される。
【００６０】
ＬＥＤデバイスは、実現物によれば、Si上で成長し、まとめられた第３族〜第５族の発光ナノワイヤダイオードアレイを含む。各デバイスは、GaPまたはSi上に直線成長したGaAsナノワイヤコアの周りに作られる。各ダイオードの部分は、これら個別のナノサイズのp-i-n発光構造における活性領域として動作する。
【００６１】
図７に示すＬＥＤデバイス701は、p-i-nダイオード構造700を含む。基板705は、共通のp層として機能するため、デバイスの統合部である。各ナノ構造のＬＥＤ700構造は、ナノワイヤ710、ナノワイヤの少なくとも一部を囲む被膜730、キャップまたはバルブ715、及びトップコンタクトを有する。pドープ、nドープ、真性の半導体素材の順番は、基板素材に依存する。GaP上の構造は、p-GaP（基板）705、i-GaP711／i-GaAsの（ナノワイヤ）710、i-InGaP（被膜）730、n-InGaP（バルブ）715である。Si上の構造は、p-Si（基板）705、i-GaP／i-GaAs（ナノワイヤ）710、i-InGaP（被膜）730／n-InGaP（バルブ）715である。ナノワイヤの基部におけるi-GaP711（ナノワイヤ）は、両方のデバイス共に約60 nmの厚さで、成長品質と電子バリアの向上という、核形成セグメントの２つの目的を助ける。
【００６２】
製造処理の概略を以下に記す。THMaメタル有機ソース及びTMInが、前駆体ガスとしてのAsH3、PH3、及びSi2H6と共に用いられる。２つの成長工程が適用される。まず、2 μmの長さのGaAs/GaPナノワイヤが、任意に堆積された、直径60nmのナノメーターサイズの、1/μm2の分子濃度を有するAuエーロゾルを用いて、粒子支援成長により、p-GaP (111)B (p≒1018cm-3)及びSi（111）（p≒1015cm-3）基板上に成長される。ナノワイヤは、GaAsに名目的に格子整合した、厚さ40 nmの放射状のInGaP被膜層により囲まれている。このステップの後、光ルミネッセンスまたはその後のナノＬＥＤの製造のために、サンプルをアンロードする。厚さ80 nmのSiO2が、ＬＥＤを製造するために一列に並べられたサンプルの上に堆積される。SiO2は、基板表面のみを覆うところまで、ナノワイヤの約lμmの側面までバックエッチングされる。サンプルはその後MOVPEリアクタに再ロードされ、放射状のSiドープInGaP層は、GaAs/InGaPコア構造の上部に選択的に成長させられる。ＬＥＤは、それぞれが約40000の独立したナノ構造のＬＥＤを覆う、厚さ150〜300nmの200×200μm2の正方形のNi/Ge/Auコンタクトにより完全に覆われている。p型コンタクトは、導電性Agペーストで基板の裏側に作られる。他のコンタクト手段として、例えば、透明なコンタクトを用いることがこの技術では知られており、本発明の方法及びデバイスに容易に適応させることができる。構造の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を図８ａに示す。
【００６３】
SiとGaPデバイスとの重要な違いは、ナノワイヤの基部におけるヘテロ構造シーケンスで、GaP基板上には、p-GaP（基板）／i-GaP層（ナノワイヤ）／i-GaAs層（ナノワイヤ）があるのに対し、Si基板上には、p-Si（基板）／i-GaP（ナノワイヤ）／i-GaAs（ナノワイヤ）がある。また、正孔注入条件及び内部抵抗の両方が、２つの構造間でかなり異なることは、予測できるはずである。
【００６４】
図９は、第１のMOVPEステップ後のナノワイヤ構造を示す。図では、薄膜InGaP被膜層を有するGaAsナノワイヤ、ナノワイヤの基部におけるGaP核形成セグメントを示しており、Auベースの種粒子がまだ先端に付着している。このような構造は、PLによる特徴付けのために、中性基板にも移動される。図９に示すように、歩留まりはGaP基板及びSi基板共に、基本的に100％である。Si上でのナノ構造のＬＥＤの製造は、ナノワイヤが基板に垂直な(111)方向に均一に並べられ、基本的に何れのナノワイヤも、基板から延びる、３つの傾いた(111)方向に成長しないところまで精密化される。これをSi(111)上の第３族〜第５族のナノワイヤ成長である従来技術方法と比較する。Si基板上の予め決められたアレイ構造における、良く整列された第３族〜第５族のナノワイヤの成長は、図９に示すように、光学デバイスの大規模製造、及び他のほとんどの応用にとって、欠くことができない。
【００６５】
ＬＥＤ機能は、光ルミネッセンス（PL）測定により示すことができる。ここで示す測定は、室温と、１０Ｋの温度で行われた。結果を図１０ａ〜ｃ及び図８ｂのグラフに示す。473 nmのレーザー発光を、励起源として用いた。PLは光学顕微鏡によって集められ、分光器によって分光し、液体窒素冷却CCDカメラにより検出した。
【００６６】
基板の影響を受けずにナノワイヤからのPLを調べるために、ナノワイヤを壊して、ナノワイヤが成長した基板から移動し、パターン化されたAu表面上に堆積した。この方法でナノワイヤを個別に調べることができる。図１０ａに示すように、このようにして成長したナノワイヤから１０Ｋで得られたPLスペクトルは、Si基板上から成長したナノワイヤと、Si基板(Si)から成長したナノワイヤと、GaP基板(GaP)から成長したナノワイヤとで似通っていた。破線は、基板上にまだ立っている（多数の）ナノワイヤからのスペクトルである。個別のナノワイヤからのスペクトルは、大きな差を示し、GaP基板から成長したナノワイヤがより体系化されていた。Siから成長したナノワイヤの平均PL濃度は、GaPから成長した対応するナノワイヤの約1/20程度であった。これは、SiのＬＥＤで見られるエレクトロルミネッセンスが、GaPのＬＥＤより10〜30倍低いことに、適正に一致している。室温では、スペクトルは広くて特徴が無く、２つのサンプルからのナノワイヤ間のスペクトルの差は、非常に小さかった。
【００６７】
GaP上のＬＥＤも、Si上のＬＥＤも、図Ｔａ−ｂに示すように、前方バイアスをかけた時に、エレクトロルミネッセンス（EL）を示した。光のスペクトルのピークは、GaAsのバンドギャップエネルギーとかなり一致している。
【００６８】
光電力／光電流の依存関係を、Si基(Si)及びGaP基(GaP)のＬＥＤについて、図１１ａ及びｂに示す。GaP上のＬＥＤは、Si（40 mA）の半分の電流負荷（20 mA）で点灯し、60 mAでは、電力出力はGaP基板上では、およそ３０倍高い。しかしながら、100 mAでは、電力比がSi基ＬＥＤの10倍まで減少した。80 mA負荷でのELスペクトルのピークを、両方のデバイスについて示す。SiのＬＥＤピークは、GaP基板デバイスと比較して、多少の赤方偏移と、1.35 eV付近で可能な特別のピークを持つtailを示す。ピークのシフトは、GaP及びSi上での異なるIn及びGa散乱により説明することができ、異なるInGaP組成に導く。デバイスをプッシュし、高電流となることで、ピーク電力がGaPデバイスで約14OmAとなるのを見ることができる。これは、Siデバイスでは見ることができず、これらの電流レベルでは非放射性再結合、または、競合する漏洩メカニズムがELを支配していることを示しているのかも知れない。
【００６９】
GaN等の第３族窒化物ナノワイヤ及びナノ構造上に作られたＬＥＤデバイスは、他の素材の組み合わせでは得ることのできない波長の光を生成することができるため、商業的に高い重要性を有する。更なる実施例として、GaNエピタキシャルフィルム、サファイア、SiCまたはSi、更には自己支持性GaN上に、どのようにしてGaNナノ構造を選択領域成長により製造するかを説明する。最初の基板上に、SiNx（厚さ30 nm）の層がPECVDにより堆積される。続くステップで、ドットパターンのGaN開口（直径約100 nm）のアレイをエピタキシャルビームリソグラフィ（EBL）、リアクティブイオンエッチング（RIE）により生成する。開口のピッチは、1.0〜3.2 μmの間にする。そして、GaNナノワイヤ及びGaN/InGaN ナノ構造の ＬＥＤを成長させるために、このように処理されたサンプルが水平MOCVDチャンバに挿入される。図１２ａ〜ｃ、及び図１３ａ〜ｂのSEM画像に示すように、様々な形状を形成することができる。図１２ａ及びｂに示すように角錐構造を形成することができる。図１２ｃ及び図１３ｂでは、角錐形状端を有するナノワイヤを形成することができることを示しており、本発明の効率的なリフレクタを形成するのに有利である。垂直な側壁は、通常６(1101)面ある。角錐は、通常、６つの同等の(1101)面により範囲を定められているが、図１３ａに示すように、より高い屈折率面を形成し、別の屈折率面を１つのナノ構造のＬＥＤ内に収容することができる。
【００７０】
最も実践的と考えられるものと、好適な実施形態とを関連させて本発明を説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ、添付の請求項の範囲内で様々な変更及び同等の構成を含むことを意図していることは理解されよう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年8月18日(2009.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ構造のＬＥＤデバイスであって、それぞれが発光のための活性領域を有する、複数の独立したナノ構造のＬＥＤのアレイと、それぞれが１つの独立したナノ構造のＬＥＤまたはナノ構造のＬＥＤのグループに結合された複数のリフレクタとを有し、各リフレクタは、前記独立したナノ構造のＬＥＤそれぞれの活性領域、または前記ナノ構造のＬＥＤのグループの活性領域に面した凹面を有することを特徴とするナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項２】
前記各リフレクタは、前記ナノ構造のＬＥＤを上から見た場合に、該ナノ構造のＬＥＤそれぞれの中心の上に位置していることを特徴とする請求項１に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項３】
前記ナノ構造のＬＥＤは、尖った上部と、垂直な側面を有する長く延びた構造を有し、前記各リフレクタの前記凹面は前記ナノ構造のＬＥＤそれぞれの上面の形状により決められており、前記リフレクタそれぞれは、少なくとも前記尖った上部を覆うことを特徴とする請求項２に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項４】
前記リフレクタそれぞれは、前記垂直な側面の一部を覆うことを特徴とする請求項３に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項５】
前記ナノ構造のＬＥＤは、角錐構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項６】
前記リフレクタは、また、前記ナノ構造のＬＥＤの上部コンタクトを形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項７】
前記ナノ構造のＬＥＤのアレイは、前記アレイの平面内方向に近い角度方向へ放射された波長の光を防ぐように構成された光子結晶を形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項８】
前記リフレクタは、連結して、前記複数のナノ構造のＬＥＤを覆う連続反射層を形成し、充填層は、前記ナノ構造のＬＥＤの一部を覆い、前記連続反射層は、少なくとも、前記ナノ構造のＬＥＤの上面と、前記ナノ構造のＬＥＤ間の前記充填層を覆うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項９】
前記ナノ構造のＬＥＤの少なくとも一部は、放射された光の少なくとも一部を、前記各リフレクタに向ける導波管を構成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項１０】
前記複数のナノ構造のＬＥＤは、ＬＥＤアレイ層であって、前記ＬＥＤアレイ層に構成された、対応する複数の活性領域を有する前記ＬＥＤアレイ層と、前記ＬＥＤアレイ層と平行な平面に構成されたリフレクタ層とを有し、前記リフレクタ層は、それぞれが、１つの活性領域または活性領域のグループに面した凹面を有し、前記ＬＥＤアレイを介して光の向きを決めるように構成された、複数のリフレクタを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項１１】
前記ナノ構造のＬＥＤ及び前記リフレクタは周期的に繰り替えされており、前記リフレクタ層の前記リフレクタの周期性は、前記ＬＥＤアレイ層における前記独立したナノ構造のＬＥＤの周期性に関連していることを特徴とする請求項１０に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項１２】
前記ナノ構造のＬＥＤ及び前記リフレクタは周期的に繰り替えされており、前記リフレクタ層の前記リフレクタの周期性は、前記ＬＥＤアレイ層における前記独立したナノ構造のＬＥＤの周期性との相互関連が無いことを特徴とする請求項１０に記載のナノ構造のＬＥＤデバイス。
【請求項１３】
複数のナノ構造のＬＥＤを含むナノ構造のＬＥＤデバイスを製造する方法であって、
（ａ）リソグラフィにより、基板上の成長位置を決めるステップと、
（ｂ）前記決められた成長位置で、前記基板からナノ構造のＬＥＤを成長させるステップと、
（ｃ）前記ナノ構造のＬＥＤの少なくとも最上部にリフレクタ素材を堆積させることで、前記各ナノ構造のＬＥＤに独立したリフレクタを形成するステップと
を含むことを特徴とするナノ構造のＬＥＤを製造する方法。
【請求項１４】
前記ナノ構造のＬＥＤの成長ステップの後、前記リフレクタ素材の堆積ステップの前に行われる、前記ナノ構造のＬＥＤを覆う前記リフレクタの内側の表面の形状を決めるために、前記ナノ構造のＬＥＤの上部分を形成するステップを更に有することを特徴とする請求項１３に記載のナノ構造のＬＥＤを製造する方法。
【請求項１５】
前記ナノ構造のＬＥＤの上部分を形成する前記ステップは、予め決められた形状を提供するために、前記ナノ構造のＬＥＤの上部から素材を取り除くステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載のナノ構造のＬＥＤを製造する方法。
【請求項１６】
前記リフレクタの内側の表面を決めるための予め決められた形状を形成するために、前記ナノ構造のＬＥＤの上部を形成するステップは、透明な素材を前記ナノ構造のＬＥＤの少なくとも最上部に追加するステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載のナノ構造のＬＥＤを製造する方法。
【国際調査報告】
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