(57)【要約】【課題】本発明の発光ダイオードの緑黄色光周波の好ましくない効率と、発光ダイオードの発光効率低下の問題を克服する。【解決手段】複数個のｎ型窒化ガリウムナノロッドと、それにオーミック接触されるｎ型窒化ガリウムナノロッドアレイを有する第一電極と、各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上に設置される一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクと、複数個のｐ型窒化ガリウムナノロッドを有し、各ｐ型窒化ガリウムナノロッドは一個のｎ型窒化ガリウムナノロッドに対応され、対応される各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上方の前記窒化インジウムガリウムナノディスクの上方に設置されるｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイと、前記ｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイにオーミック接触される第二電極を主に含む。【選択図】図１ａ
2012033893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードであって、
第一電極と、
前記第一電極にオーミック接触される複数個のｎ型窒化ガリウムナノロッドを有するｎ型窒化ガリウムナノロッドアレイと、
各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上に設置される一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクと、
複数個のｐ型窒化ガリウムナノロッドを有し、各ｐ型窒化ガリウムナノロッドは一個のｎ型窒化ガリウムナノロッドに対応されると共に、対応される各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上方の前記窒化インジウムガリウムナノディスクの上方に設置されるｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイと、
前記ｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイにオーミック接触される第二電極を含むことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクの数量は二個以上で、窒化ガリウム障壁層は各二個の窒化インジウムガリウムナノディスク間に設置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】
前記一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクのエレクトロルミネセンス発光は単色光或いは多色光であ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４】
前記発光ダイオードのエレクトロルミネセンス発光は偏光であ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５】
各前記窒化インジウムガリウムナノディスクの厚さは１０ｎｍ以上とす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６】
各前記窒化インジウムガリウムナノディスクの厚さは１０ｎｍから４０ｎｍとす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】
駆動電流が増加した場合、前記発光ダイオードのエレクトロルミネセンス発光の波長を変化させずに維持させ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】
前記発光ダイオードの発光色温と前記発光ダイオードの駆動電流は無関係であ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９】
駆動電流が５ｍＡを超過した場合、前記発光ダイオードの色温は６０００Ｋを保持させることを特徴とする、請求項８に記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
前記発光ダイオードの駆動電流の密度が５０Ａ／ｃｍ2まで増加した場合、前記発光ダイオードの相対外部量子効率も変化するが、飽和或いは低下はしないことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記第一電極或いは前記第二電極は透明電極で、各前記ｐ型窒化ガリウムナノロッド或いは各前記ｎ型窒化ガリウムナノロッドは両端を有し、前記透明電極に近い一端は他端より幅広いことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
発光ダイオードであって、
第一電極と、
前記第一電極にオーミック接触されるｎ型窒化ガリウムナノロッドと、
前記ｎ型窒化ガリウムナノロッド上に設置される一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクと、
前記一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスク上方に設置されるｐ型窒化ガリウムナノロッドと、
前記ｐ型窒化ガリウムナノロッドにオーミック接触される第二電極を含むことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１３】
前記一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクの数量は二個以上で、窒化ガリウム障壁層は各二個の窒化インジウムガリウムナノディスク間に設置されることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項１４】
前記一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクのエレクトロルミネセンス発光は単色光或いは多色光であることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項１５】
前記発光ダイオードのエレクトロルミネセンス発光は偏光であることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項１６】
前記発光ダイオードのエレクトロルミネセンス発光は偏光比を有し、前記偏光比と前記発光ダイオードのエレクトロルミネセンス発光の波長及び前記窒化インジウムガリウムナノディスクの直径は無関係であることを特徴とする、請求項１５に記載の発光ダイオード。
【請求項１７】
前記発光ダイオードの駆動電流の密度は８０００Ａ／ｃｍ2以上に達することを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項１８】
各前記窒化インジウムガリウムナノディスクの厚さは１０ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項１９】
前記発光ダイオードはサブ波長光学リソグラフィーの光源となり、接触或いは近接露光、リトグラフィー方式により、前記発光ダイオードが照射する波長の範囲内のフォトレジストを感光させ、ここでは前記フォトレジストは前記発光ダイオードの近接場範囲内に位置されることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項２０】
ラスター走査による前記単体ナノロッド発光ダイオードと前記フォトレジストの走査を経て、サブ波長光学リソグラフィーを完成させることを特徴とする、請求項１９に記載の発光ダイオード。
【請求項２１】
前記発光ダイオードはサブ波長光画像技術の光源となり、オブジェクトは前記発光ダイオードの近接範囲内に位置されることを特徴とする、請求項１２に記載の発光ダイオード。
【請求項２２】
ラスター走査による前記発光ダイオードと前記オブジェクトの走査を経て前記光画像を完成させることを特徴とする、請求項２１に記載の発光ダイオード。
【請求項２３】
発光ダイオードの製造方法であって、
第一電極の形成と、
複数個のｎ型窒化ガリウムナノロッドを有し、前記第一電極にオーミック接触されるｎ型窒化ガリウムナノロッドアレイの形成と、
各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上に一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクの形成と、
複数個のｐ型窒化ガリウムナノロッドを有し、各ｐ型窒化ガリウムナノロッドは一個のｎ型窒化ガリウムナノロッドに対応されると共に、対応される各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上方の前記窒化インジウムガリウムナノディスクの上方に形成されるｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイの形成と、
前記ｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイにオーミック接触される第二電極の形成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２４】
これら前記ｎ型窒化ガリウムナノロッドとp型窒化ガリウムナノロッドの格子構造は六方ウルツ鉱型構造であり、ここではこれら前記ナノロッドは六方ウルツ鉱型構造のｃ軸方向に沿いエピタキシー成長することを特徴とする、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２５】
プラズマ援用分子線エピタキシー法を利用して前記ｎ型窒化ガリウムナノロッド、前記ｐ型窒化ガリウムナノロッド、及び前記窒化インジウムガリウムナノディスクを製作することを特徴とする、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２６】
記プラズマ援用分子線エピタキシー法は、ＩＩＩ族窒化物フィルムの成長時に用いられるＩＩＩ族分子線と窒素の流束比の比較の下に窒素リッチ(nitrogen-rich)の条件で使用されることを特徴とする、請求項２５に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２７】
各窒化インジウムガリウムナノディスクの発光波長はエピタキシー工程の温度及びＩＩＩ族半導体の分子線の流束により決定されることを特徴とする、請求項２６に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２８】
前記一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクは、一個或いは複数個のＴ１窒化インジウムガリウムナノディスク、一個或いは複数個のＴ２窒化インジウムガリウムナノディスク、及び一個或いは複数個のＴ３窒化インジウムガリウムナノディスクを含み、このエピタキシー温度はＴ１＞Ｔ２＞Ｔ３となることを特徴とする、請求項２７に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項２９】
これらの異なる前記エピタキシー温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で成長するナノディスクを結合させる事で、エレクトロルミネセンス発光は白色光となることを特徴とする、請求項２８に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３０】
二個以上の前記窒化インジウムガリウムナノディスクを形成させる場合、各二個の窒化インジウムガリウムナノディスク間の窒化ガリウム障壁層の形成を更に含ことを特徴とする、請求項２３に記載の発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物発光ダイオードとその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明の応用に於いて極めて大きなポテンシャルを有する、白色発光ダイオードを基礎とする固体の光源は非常に重要視されている。白色ダイオードにとっては、多色性(polychromatic)の発光体(emitter)を制御する事で、例えば赤、黄、緑、青等の発光体を混合させてその発光効力と色彩表現1、2を制御する。昨今、窒化インジウムガリウム(indium gallium nitride、InGaN)化合物半導体は白色ダイオードの最もポテンシャルの高い材料として使用されている。これは窒化インジウムガリウムＩｎXＧａ1-XＮ（０≦ｘ≦１）により直接バンドギャップが近赤外線エリア(0.6 eV、 InN)より連続的に調整されて近紫外線エリア(3.4 eV、 GaN)に至り、全ての可視スペクトルをカバーする。然しながら、窒化インジウムガリウム(InGaN)の波長より長い範囲は、発光効率は大幅に低下2-5し、その応用を制限させてしまう。現在のところ、高効率の窒化インジウムガリウム(InGaN)発光ダイオードは青色光エリアに限られている。そのために、全ての白色ダイオードは通常黄色燐光剤、例えばセリウム(cerium)のイットリウム・アルミニウム・ガーネット(yttrium aluminum garnet)を利用し、冷光ダウンコンバート(luminescence down-conversion)技術により、白色光を発生させる。但し、ストークスシフトロス(Stokes shift loss)と色彩表現1、2には制限がある為、燐光剤(phosphor)を利用し変換された光源の効率と発光品質は不十分である。また、市場では全可視光線の周波数をカバーする発光体による色彩表現の最良化が望まれている。このため、ＩｎＧａＮの更に長い周波数での発光効率の改善が現在の研究の主流となっている。特に、半導体材料の波長５５０ｎｍから５９０ｎｍ間に於ける緑黄色光の周波数、即ち「緑黄色光バンドギャップ」(green-yellow gap)として知られる、その発光効率ははっきりと下降を示しているが、現在如何なる半導体材料もこの周波数帯で高効率を得られる発光ダイオード2、5を製造出来ていない。
【０００３】
同一の発光体は、異なる波長では異なる発光効率を有するが、これは格子構造そのものが極性を有する事と、窒化インジウム(InN)と窒化ガリウム(GaN)間の格子不整合(lattice mismatch)が、約１１％である事に起因する。従来の高品質ＩｎＧａＮ発光ダイオードは、六方ウルツ鉱型構造(wurtzite crystal structure)のＧａＮが極性ｃ軸(c-axis)方向に沿い成長する平面性のＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造である。このため、インジウムリッチのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の成長には、高密度の欠点と、内部静電(圧電)場(>1 MV/cm6、7)の問題がある。内部電場は電子と正孔の波動関数(wave function)を開かせ、量子閉じ込めシュタルク効果(quantum confined Stark effect、QCSE)が引き起こされ、発光体が長波長の範囲にある時、発光効率が高まらなくなる。
【０００４】
インジウムプアの青色光ＩｎＧａＮ発光ダイオードについては、キャリア閉じ込め現象(carrier localization phenomenon)と極薄の量子井戸構造を利用し、例えば商業製品のＩｎＧａＮ発光ダイオード或いはレーザーダイオードの幅は約２から４ｎｍであり、これにより欠点である密度とＱＣＳＥの影響を低減出来る。残念ながら、上述の方法ではインジウムリッチのＩｎＧａＮ量子井戸構造には応用出来ず、これは強い電荷閉じ込めの欠乏と、より大きな内部電場を有する事に起因する。このほか、極性ｃ−平面(c-plane)ＩｎＧａＮダイオードについては、ＱＣＳＥ或いは量子井戸構造に相関する更に他の不利な特性があり、例えば、駆動電流が増加した場合、内部電場がキャリア遮蔽を起こし、発光効率を低下させ、またこの中心の波長は青色光の波長方向に移動される。このため、如何にＱＣＳＥの問題を解決させるかは、照明光源発展にとって克服しなければならない切実な課題である。
【０００５】
参考文献１： Schubert、 E. F. & Kim、 J. K. Sold-state light sources getting small. Science 308、 1274-1278 (2005);
参考文献２： Krames、 M. R.、 Shchekin、 O. B.、 Mueller-Mach、 R.、 Mueller、 G. O.、 Zhou、 L.、 Harbers、 G. & Craford、 M. G. Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting. J. Disp. Technol. 3、 160-175 (2007);
参考文献３： Mukai、 T.、 Yamada、 M. & Nakamura、 S. Characteristics of InGaN-based uv/blue/green/amber/red light-emitting diodes. Jpn. J. Appl. Phys. 38、 3976-3981 (1999);
参考文献４： Xu、 T.、 Nikiforov、 A. Yu.、 France、 R.、 Thomidis、 C.、 Williams、 A. & Moustakas、 T. D. Blue-green-red LEDs based on InGaN quantum dots grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Phys. Stat. Sol. A 204、 2098-2102 (2007);
参考文献５： Humphreys、 C. J. Solid-state lighting. MRS Bull. 33、 459-470 (2008);
参考文献６： Fiorentini、 V.、 Bernardini、 F.、 Della Sala、 F.、 Di Carlo、 A. & Lugli、 P. Effects of macroscopic polarization in III-V nitride multiple quantum wells. Phy. Rev. B 60、 8849-8858 (1999);
参考文献７： Waltereit、 P.、 Brandt、 O.、 Trampert、 A.、 Grahn、 H. T.、 Menniger、 J.、 Ramsteiner、 M.、 Reiche、 M. & Ploog、 K. H. Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes. Nature 406、 865-868 (2000);
参考文献８： Masui、 H.、 Nakamura、 S.、 DenBaars、 S. P. & Mishra、 U. K. Nonpolar and semipolar III-nitride light-emitting diodes: Achievements and challenges. IEEE Trans. Electron Devices 57、 88-100 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
過去数年来ＱＣＳＥ効果克服の為に多くの研究がなされており、例えば各種基板上に非極性のａ−平面(a-plane)或いはｍ−平面(m-plane)7、8を成長させる等がある。しかしながら、前述した従来の技術では、非極性の方法はそれ自身に制限と困難8を有する為、「緑黄色光バンドギャップ」の効率低下問題に対しての、最良の解決策とはならない。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、緑黄色光の周波数の好ましくない効率と、発光ダイオードの発光効率低下問題の克服を主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る発光ダイオードは、第一電極と、
第一電極にオーミック接触される複数個のｎ型窒化ガリウムナノロッドを有するｎ型窒化ガリウムナノロッドアレイと、
各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上に設置される一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクと、
複数個のｐ型窒化ガリウムナノロッドを有し、各ｐ型窒化ガリウムナノロッドは一個のｎ型窒化ガリウムナノロッドに対応されると共に、対応される各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上方の窒化インジウムガリウムナノディスクの上方に設置されるｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイと、
ｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイにオーミック接触される第二電極を含むことを特徴とする発光ダイオード。
【０００９】
また、本発明に係る発光ダイオードは、第一電極と、
第一電極にオーミック接触されるｎ型窒化ガリウムナノロッドと、
ｎ型窒化ガリウムナノロッド上に設置される一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクと、
一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスク上方に設置されるｐ型窒化ガリウムナノロッドと、
ｐ型窒化ガリウムナノロッドにオーミック接触される第二電極を含むことを特徴とする発光ダイオード。
また、本発明に係る発光ダイオードの製造方法は、第一電極の形成と、
複数個のｎ型窒化ガリウムナノロッドを有し、第一電極にオーミック接触されるｎ型窒化ガリウムナノロッドアレイの形成と、
各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上に一個或いは複数個の窒化インジウムガリウムナノディスクの形成と、
複数個のｐ型窒化ガリウムナノロッドを有し、各ｐ型窒化ガリウムナノロッドは一個のｎ型窒化ガリウムナノロッドに対応されて、対応される各ｎ型窒化ガリウムナノロッド上方の窒化インジウムガリウムナノディスクの上方に形成されるｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイの形成と、
ｐ型窒化ガリウムナノロッドアレイにオーミック接触される第二電極の形成を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】本発明に係る実施形態の白色発光ダイオードの立体図である。
【図１ｂ】図１ａの発光ダイオードが、２０ｍＡの駆動電流を加えられた時に白色光を発生させる写真であり、図の下方は各種駆動電流時のエレクトロルミネセンス発光(micro-electroluminescence、EL)の１０倍拡大した顕微鏡写真である。
【図１ｃ】図１ａの発光ダイオードが、２０ｍＡの駆動電流を加えられた時のエレクトロルミネセンス発光の１００倍拡大の顕微鏡写真の、発光ダイオードが全周波数の可視光線を発生させる様子である。
【図１ｄ】図１ａの発光ダイオードの国際照明委員会(CIE 1931)のｘｙ色度図の、駆動電流５ｍＡから２５ｍＡのものである。
【図２ａ】本発明に係る実施形態のＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッドアレイ白色発光ダイオードの、駆動電流１ｍＡから２５ｍＡのエレクトロルミネセンス発光のスペクトルグラフである。
【図２ｂ】図２ａの二つのピーク波長(448、569 nm)と全体の駆動電流とエレクトロルミネセンス発光強度の関係図である。
【図３ａ】本発明に係る実施形態の単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードの電流−電圧曲線である。
【図３ｂ】本発明に係る複数の実施形態の単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードのエレクトロルミネセンス発光スペクトルグラフの、各発光ダイオードがＩｎＧａＮナノディスクを有するものである。
【図３ｃ】図３ａの単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードが、駆動電流が１００ｎＡから５００ｎＡに増加した場合の、発光主波長が４７５ｎｍを維持する様子である。
【図４ａ】図３ａの単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードの、駆動電流５００ｎＡ時の偏光(polarized)エレクトロルミネセンス発光のスペクトルグラフである。
【図４ｂ】図３ａの単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードが、極座標を利用したエレクトロルミネセンス発光強度の二次元分布とナノロッド幾何的相対関係の表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本案の各実施形態について詳述し、図式を例示する。これらの詳細な説明以外に、本発明は更に広範囲に亘り他の実施形態を施行でき、ここで述べられる実施形態の代替、改修、当量の変化は全て本案の範囲内であり、以後の特許範囲の基準とする。明細書の説明では、読者が本発明を完全に理解できる様、特定の子細について多く詳述するが、然しながら本発明は部分的に、或いはこれらの特定の子細を全て省略する前提でも実施可能である。このほか、周知のステップ或いは部材はこの特定の子細では説明せず、本発明が不必要な制限を受けるのを避ける。図式中の同じ或いは類似する部材については、同じ或いは類似する符号を用いて表示する。特に注意したいのは、図式は概略に用いらているに過ぎず、特に説明する物を除いては、部材の実際の寸法或いは数量を示す訳ではない。
【００１２】
本発明に係る実施形態の方法では、利用シリコン基板上に組み立てられたＧａＮナノロッドアレイを結晶成長のテンプレートとし、ナノロッドアレイ上でＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッドのヘテロ接合構造を成長させ、これにより本発明の主目的を完成させる。上述の方法の最大の特徴は圧電分極効果(piezoelectric polarization effects)の排除であり、これにより厚さ数十ナノメートル(nm)に達する各ＩｎＧａＮナノディスク構造が形成可能となる。上述の方法を利用して、本発明に係る実施形態では、無燐光体の白色光(多色変化)ナノロッドアレイ発光ダイオード、及び偏光のフルカラー(単色)単体ナノロッド発光ダイオードについて全体的に例示する。
【００１３】
以下に本発明に係る好ましい実施形態の、白色光のを発生させる多色ナノロッドアレイ発光ダイオードの無燐光体について述べる。まず、プラズマ援用分子線エピタキシー法により、３インチの、ｎ型シリコン(111)基板上に、六方ウルツ鉱型(wurtzite)構造のｃ軸(c-axis)に沿って成長し垂直に自動配列されるＧａＮナノロッドアレイが作られる。上述のプラズマ援用分子線エピタキシー法の詳細な内容はＣｈｅｎ、Ｈ．−Ｙ．、Ｌｉｎ、Ｈ．−Ｗ．、Ｓｈｅｎ、Ｃ．−Ｈ．  ＆  Ｇｗｏ、Ｓ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  ｏｒｉｅｎｔｅｄ  ＧａＮ  ｎａｎｏｒｏｄｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  Ｓｉ(111) ｂｙ  ｐｌａｓｍａ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８９、  ２４３１０５  (2006)を参照し、その内容を本文中に挿入させ、本案の明細書の一部分とする。上述の方法により成長したナノロッドアレイは、歪緩和(strain-free)の、無転位(dislocation-free)の単結晶構造であり、これは相似する格子構造を持つ歪緩和ＩｎＧａＮナノディスクを成長させる。
【００１４】
図１ａから図１ｄにかけては本発明に係る実施形態の発光ダイオードを図示し、この内の図１ａは発光ダイオードの立体図である。図１ｂは発光ダイオードが２０ｍＡの駆動電流を加えられた時に白色光を発生させた写真であり、図の下方には各種駆動電流時のエレクトロルミネセンス発光の拡大倍率１０倍の顕微鏡写真(micro-electroluminescence、EL)を示す。図１ｃは発光ダイオードが２０ｍＡの駆動電流を加えられた時のエレクトロルミネセンス発光の拡大倍率１００倍の顕微鏡写真である。図１ｄは発光ダイオードの国際照明委員会(CIE 1931)のｘｙ色度図における、駆動電流が５ｍＡから２５ｍＡに増加した際の、色温が自然白色光である６０００Ｋ(黒体軌跡での表示)を保持する様子である。
【００１５】
図１ａによると、本実施形態の発光ダイオードは、チタン／金(Ti/Au複合層)電極２がシリコン基板１上に設置されるｎ型シリコン基板１と、複数のｎ型ＧａＮナノロッドで構成され、チタン／金電極にオーミック接触されるｎ型窒化ガリウム(GaN)ナノロッドアレイ３と、各ｎ型ＧａＮナノロッド上に設置される一個或いは複数個窒化インジウムガリウム(InGaN)ナノディスク４と、複数のｐ型ＧａＮナノロッドで構成され、ＩｎＧａＮナノディスク４の上方に設置され、一個のｐ型ＧａＮナノロッドは一個のｎ型ＧａＮナノロッドに対応されるｐ型ＧａＮナノロッドアレイ５と、ｐ型ＧａＮナノロッドアレイ5にオーミック接触されるニッケル／金(Ni/Au複合層)電極６を含む。注意すべきは、チタン／金電極２はｎ型ＧａＮナノロッドアレイ３に直接接触されるのではなく、シリコン基板１とｎ型ＧａＮナノロッドアレイ３によりオーミック接触される点である。このほか、ニッケル／金電極６は透明電極であり、各ｐ型ＧａＮナノロッド5は両端を有し、また透明電極に近い一端は他端より幅広く、この構造は漏電の回避に役立つ。
【００１６】
上述の発光ダイオードの白色発光は、ＧａＮナノロッドｐ−ｎをヘテロ接合構造のＩｎＧａＮナノディスク４に積層させて混光效果を完成させる。注意したいのは、前述の一個或いは複数個の各ＩｎＧａＮナノディスク４は多くの異なる波長を照射させる発光体で構成されており、その平均的な照射される波長は結晶成長時の温度ＴとＩｎ／Ｇａの分子線の流束比(flux)により制御される。ナノディスクは複数の成長温度が組み合わされる事で本実施形態の様になり、発光ダイオードは三種類の異なる成長温度(T1、T2、T3)が組み合わされるＩｎＧａＮナノディスクを有し、ここでは三つのＴ１、一つのＴ２、一つのＴ３を有するＩｎＧａＮナノディスクであり、またその結晶成長温度はＴ１＞Ｔ２＞Ｔ３となる。本発明に係る他の実施形態では、発光の要求に基き、異なる数量或いは組み合わせを有するＩｎＧａＮナノディスクである。このほか、各二個のＩｎＧａＮナノディスク間には、ＧａＮ障壁層７が設置される。
【００１７】
従来の平面性ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の、ＩｎＧａＮ活性層の厚さは２ｎｍから４ｎｍに制限されている。本発明に係る実施形態では、成長するナノディスクは歪緩和の長所を有し、これにより積層しての成長がナノディスクの厚さを制御する事になる。例えば、各ナノディスクの厚さが１０ｎｍから２５ｎｍになる。このほかにも、ナノディスクの数量と位置は精確に制御されなければならず、これにより図１ｂに示す白色光效果が得られる。本実施形態で提供される厚いＩｎＧａＮナノディスクはより大きく、調整も可能な活性層を提供し、また高い駆動電流時には、過剰な電子を低減させ、キャリアが捕捉される現象を改善させる。本文で後述する、厚いナノディスクは発光ダイオードの効率低下問題を有効的に解決できる。このほか、図１ｃに示す本実施形態のナノロッドアレイ発光ダイオードは、各種の多様な色彩(フルカラー)光を発生させる能力を有する。従来の燐光体の発光ダイオードについて言えば、多色性の光を発生させる場合、新たなフルカラー燐光体ロッドアレイを作り出す必要があり、もしその温度の安定性、量子の効率、化学的ロバスト性(chemical robustness)を考慮するならば、これは気の遠くなる任務といえる。
【００１８】
図２ａは本発明に係る上述の実施形態のＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッドアレイ白色発光ダイオードの、駆動電流１ｍＡから２５ｍＡの際のエレクトロルミネセンス発光のスペクトルグラフである。図によると、駆動電流２０ｍＡ時に、二つの主な発光のピーク波長は青色光の周波数帯４４８ｎｍと黄色光の周波数帯５６９ｎｍにそれぞれ位置される。図によると、駆動電流が増加すると青色光に偏移する発光波長の量は、無視してよい程に小さくなる。これは本発明に係る実施形態の発光ダイオードの発光体がＱＣＳＥ効果を有効的に排除している事を示す。発光ダイオードの活性層構造中の、成長温度Ｔ１のナノディスクは青色光を照射する周波数帯を提供し、成長温度Ｔ２のナノディスクは黄色光の周波数帯を提供し、成長温度Ｔ３のナノディスクは少な目の赤色光の周波数帯と黄色光の周波数帯の混合を提供する。駆動電流の増加に従い、青色光は無論の事、黄色光の周波数帯も無視できる程度の波長の偏移量を示す。エレクトロルミネセンス発光のスペクトルグラフを鑑みると、青色光の周波数帯と黄色光の周波数帯の混合は図１ｂに示す白色光效果を示す。図１ｄによると、極めて小さい波長の偏移は、ＩｎＧａＮナノディスク発光体の圧電分極効果は無視できる程度である事を示し、ナノロッドアレイ発光ダイオードの色温は、駆動電流の影響を受けないようになる。青色光の周波数帯の１．３ｎｍと黄色光の周波数帯の２．４ｎｍは偏移量が小さく、これはＩｎＧａＮとＧａＮ間の微小な自発分極のミスマッチ(spontaneous polarization mismatch)による可能性がある。
【００１９】
前述の、高速な駆動電流時の効率低下は、現在発光ダイオードの発展にとって大きな障害となっている。効率低下の原因は、学会に於いて広く討論され、例えばオージェ型非発光再結合(Auger nonradiative recombination)や、キャリアオーバーフロー(carrier overflow)、分極場(polarization fields)、貫通転位(threading dislocation)等、いくつかのメカニズムが提出されている。本発明に係る実施形態で提供する厚い歪緩和のＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッドヘテロ接合構造は効率低下問題を克服するものである。
【００２０】
図２ｂは図２ａの二つのピーク波長(448、569 nm)と全体の駆動電流とエレクトロルミネセンス発光強度の関係図である。無論青色光の周波数帯(448 nm)或いは黄色光の周波数帯(569 nm)は、駆動電流が増加した場合、そのエレクトロルミネセンス発光の強度も直線的に増加し、また斜率が固定される。これにより、発光ダイオード全体が発生させる白色光は、駆動電流増加の影響で変化される事はないと証明される。このほかに、発光ダイオード全体のエレクトロルミネセンス発光のスペクトルグラフは発光強度が減衰していない事を示す。
【００２１】
注意する点は、図中の駆動電流は２５ｍＡ(電流密度約53 A/cm2)で測定したのみで、本実施形態の発光ダイオードの実際の駆動電流と電流密度これよりずっと大きい。効率低下前の最大電流密度を測定する為に、本発明に係る他の実施形態では単体ナノロッド発光ダイオードを提供し、その光電特性を測定する。
【００２２】
図３ａは本発明に係る実施形態の単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードの室温下での電流−電圧(I-V)曲線である。図によると、−１０Ｖの場合は漏電は発生しない。図中の挿入図は単体ナノロッド発光ダイオードのフィールドエミッション走査電子顕微鏡(FE-SEM)のグラフと、構造の概略図である。図によると、スケールバー(scale bar)は５００ｎｍ、単体ナノロッド発光ダイオードの長さ約２μｍ、それを含む直径は９０ｎｍ、厚さ４０ｎｍの単一ＩｎＧａＮナノディスク４となっている。Ｉ−Ｖ曲線は好ましいダイオード特性を示している。また、用意された単体ナノロッド発光ダイオードは漏電しておらず、それ自身を通過する実際の電流密度値の測定に適合している。
【００２３】
図３ｂは本発明に係る複数の実施形態の単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードのエレクトロルミネセンス発光のスペクトルグラフであり、ここでは各発光ダイオードは単体のＩｎＧａＮナノディスクを有するのみである。スペクトルグラフによると、単一のＩｎＧａＮナノディスクが発生させる光は全て単色光であり、約２５ｎｍと狭いスペクトルバンド幅を有する。顕微鏡図像(図示せず)によると、５００ｎＡの駆動電流の場合、これらの単体ナノロッド発光ダイオードが顕示する回折限界(diffraction-limited)を有する点光源はそれぞれ紫色光、青色光、青緑色光、緑色光、黄色光である。図３ｃは図３ａの単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードの、駆動電流が１００ｎＡから５００ｎＡまで増加された場合、発光のピーク波長が４７５ｎｍを維持することを示す。このほか、挿入図はエレクトロルミネセンス発光強度及び相対的な外部量子効率(external quantum efficiency、EQE)と駆動電流密度の関係を示す。相対ＥＱＥ値は固定の集光装置の、直流電流方式での、エレクトロルミネセンス発光強度から駆動電流を除く事で得られる。挿入図によると、駆動電流の密度が増加した場合、相対ＥＱＥも増加する。従来の発光ダイオードは、同じ様なＥＱＥ増加の趨勢下では、電流密度を１０Ａ／ｃｍ2より小さく維持するのみである。本実施形態では、ナノロッドの直径は９０ｎｍであり、これにより電流密度値を換算できる。挿入図によると、本発明に係る実施形態の発光ダイオードが、駆動電流密度が８０００Ａ／ｃｍ2に達した場合でも、ＥＱＥ効率は依然として減衰の傾向を示さない。従来のＩｎＧａＮ発光ダイオードと比較し、その駆動電流密度が約１０Ａ／ｃｍ2の場合、比較的厚めのＩｎＧａＮ活性層を有する発光ダイオードにとっては、その駆動電流密度は僅か２００Ａ／ｃｍ2である。本実施形態の発光ダイオードの高い駆動電流密度は、厚さ４０ｎｍにも達する歪緩和のナノディスク構造に起因する。
【００２４】
ディスプレイへの応用については、例えばバックライトシステムでは、発光ダイオードが発生される光は偏光化が必須であり、そのシステム効率を改善できる。非極性ｍ−平面ＩｎＧａＮ発光ダイオードに対しては、文献中に指摘されるｉｎ−ｐｌａｎｅ方向に発生される異方性(anisotropy)の光の為、液晶ディスプレイのバックライトシステムに応用される機会がある。このほかに、従来の極性ｃ−平面ＩｎＧａＮ発光ダイオードはこの特性が欠乏している。然しながら、本発明に係る実施形態の発光ダイオードの、その極性ナノロッドが発生させる光は、高度に偏光化されている。図４ａは図３ａの単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードが、駆動電流が５００ｎＡの場合の偏光(polarized)エレクトロルミネセンス発光のスペクトルグラフである。図中の曲線Ａは偏光方向とＧａＮナノロッドの軸方向に平行なエレクトロルミネセンス発光強度(電場EEL//c)であり、曲線Ｂは偏光方向とＧａＮナノロッドの軸方向に垂直なエレクトロルミネセンス発光強度(電場EEL⊥c)であり、ここではナノロッドの軸方向は六方ウルツ鉱型構造(wurtzite crystal structure)の極性ｃ軸の方向である。このほか、偏光比(polarization ratio)ρの定義はρ＝（Ｉ//−Ｉ⊥）／（Ｉ//＋Ｉ⊥）であり、ここではＩ//とＩ⊥はｃ軸方向にそれぞれ平行、または垂直なエレクトロルミネセンス発光強度を示す。計算後に得られる偏光比ρは−０．８５である。このほか、図４ａの挿入図は１００倍に拡大した顕微鏡の図像である。
【００２５】
図４ｂは図３ａに示す単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードの、極座標を利用して表示されるエレクトロルミネセンス発光強度の二次元分布とナノロッド幾何的相対関係である。前述の偏光比ρは−０．８５であるという測定結果は、単体ナノロッド発光ダイオードが発生させる光が高度偏光化されている事を示し、図４ｂの内容が実証される事になる。従来の極性ナノロッド或いはナノワイヤ(nanowire)とは異なり、本発明に係る実施形態の発光ダイオードは高度な異方性の光を発生させ、負の偏光比−０．８５は偏光方向がナノロッドの長軸方向に垂直である事を示す。以前の研究では、幅が１００ｎｍより小さい単体ＧａＮナノロッド内の光閉じ込め効果(optical confinement effect)が光の偏光化の原因であると指摘されている。この理論に基くと、偏光比は発光波長とナノロッド直径の函数であると言える。但し反対に、本発明の実験結果は、偏光はＧａＮナノロッド中間に設置されるＩｎＧａＮナノディスク構造から来ている事を示している。このほか、負の偏光比は、偏光と発光波長及びＩｎＧａＮナノディスクの直径の依存関係が弱い事を示す。これらの特性は偏光を必要とするあらゆる応用の助けになる。
【００２６】
本発明に係る実施形態で提供されるナノロッドアレイ発光ダイオードと単体ナノロッド発光ダイオードは、従来の技術の物とは異なる厚さの、歪緩和のＩｎＧａＮナノディスク発光体であり、現在の発光ダイオードが抱える問題、特に白色発光ダイオードの発展を阻害する制限、例えば、「緑黄色光バンドギャップ」や高い駆動電流時の効率低下等を克服する。このほか、本発明に係る実施形態の発光ダイオードの製作には特殊なナノテクノロジーを必要とせず、また半導体基板上に大量製造を可能とする。このほか、本発明に係る実施形態のＩｎＧａＮナノディスクの数量、厚さ及び構造は需要に基き設計され、発光或いはディスプレイ装置の最適化に応用される。
◎白色光ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッドアレイ発光ダイオードの製作例
【００２７】
2012033893.tif 000003
【００２８】
発光ダイオード形成の為に、本実施形態では先ず誘導結合プラズマ(inductively coupled plasma、ICP)により２６０×２８０μｍ2のプラットフォームが形成され、有効的に電流が通過するエリアは約４７，１００μｍ2となる。続いて上述のプラットフォーム上で二酸化シリコンによるエッチングマスクが行われ、エッチングによりその上にＧａＮナノロッドとナノプレートを成長させるエリアを形成させる。次に、１０-7ｔｏｒｒの真空下で、蒸発法によりシリコン基板及びｐ型ＧａＮナノロッドアレイにそれぞれオーミック接触されるチタン／金電極とニッケル／金電極を形成させ、厚さはそれぞれ６０ｎｍ／４０ｎｍ及び１５ｎｍ／３５ｎｍとなる。ニッケル／金電極の厚さは光線を透過させる程薄い。
【００２９】
白色発光ダイオードの電流電圧曲線は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ２４００ソースメータで室温下で測定される。エレクトロルミネセンス発光のスペクトルと光ルミネセンスのスペクトル(photoluminescence、PL)の測定は、光学分光システムとプローブステーションシステム(probing station)を結合させ測定設備とする。室温下で１０倍対物レンズ(Mitutoyo、屈折率NA = 0.28)で拡大させ、液体窒素冷却機能を装備する電荷結合素子(CCD)感測チップのスペクトル計(HR460、Jobin-Yvon)に結合させてエレクトロルミネセンス発光のスペクトルを測定する。スペクトル計はＮＩＳＴアメリカ国立標準技術研究所に準ずるタングステン光源(Ocean Optics、HL-2000-CAL)により校正が行われる。
◎単体ＩｎＧａＮ／ＧａＮナノロッド発光ダイオードの製作例
【００３０】
本実施形態では前述するＰＡＭＢＥ方法により単体ナノロッド発光ダイオードが製作される。先ず、３インチの、ｎ型シリコン(111)基板上は、７７０℃の条件で、シリコンが混和される、厚さ約１．２μｍのｎ型ＧａＮナノロッドをシリコン基板上に成長させる。その後、７０５℃にて、ガリウム分子線平衡圧３．５×１０-8ｔｏｒｒ、インジウム分子線平衡圧２．６×１０-8ｔｏｒｒの条件で、ｎ型ＧａＮナノロッド上に厚さ４０ｎｍのＩｎＧａＮナノディスクを成長させる。最後に、６８５℃の条件で、厚さ約８００ｎｍのｐ型ＧａＮナノロッドをＩｎＧａＮナノディスク上方に成長させる。
【００３１】
ＰＡＭＢＥエピタキシー工程終了後、単体ナノロッド発光ダイオードを１ｗｔ％のフッ化水素酸水溶液に３０秒間浸し、ナノロッド表面上に発生する酸化層を除去する。続いて、単体ナノロッド発光ダイオードを超音波洗浄方式で、イソプロパノール溶液中で懸濁させた後、単体ナノロッド発光ダイオードを表面を約５００ｎｍの酸化層が覆うシリコン基板上に設置させる。両接触電極のパターン(pattern)は光学リトグラフィーのリフトオフ(photolithography and lift off)で製作される。両接触電極は全てチタン／金であり、厚さは全て２０ｎｍ／３５ｎｍである。この製作方法では槽内圧力約１０-7ｔｏｒｒの範囲で、電子ビーム蒸着法にて製作が行われる。蒸着工程後、単体ナノロッド発光ダイオードは、真空槽内圧力１０-9ｔｏｒｒの条件下で、６００℃で２０秒間徐冷処理が行われる。
【００３２】
単体ナノロッド発光ダイオードの電流電圧曲線は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ２４００ソースメータ及びフィールドエミッション走査電子顕微鏡(Zeiss、 Ultra 55)をＺｙｖｅｘ  Ｓ１００ナノマニピュレータシステムに結合させ、室温下で測定される。エレクトロルミネセンス発光のスペクトルの測定は、室温下で１００倍対物レンズ(Mitutoyo、 屈折率NA = 0.5)で収集後に測定される。
【００３３】
本発明に係る実施形態で提供される単体ナノロッドは複数の特定の応用を有する。実施形態では、本発明の単体ナノロッド発光ダイオードはサブ波長(subwavelength)光学リソグラフィーの光源とし、接触(contact)或いは近接露光、リトグラフィー(proximity printing)方式により、照射される波長の範囲内のフォトレジストを感光させ、ここではフォトレジストは単体ナノロッド発光ダイオードの近接場(near-field)範囲内に位置される。サブ波長光学リソグラフィーはラスター走査(raster scanning)を利用して単体ナノロッド発光ダイオードとフォトレジストの走査を完成させる。他の実施形態では、本発明の単体ナノロッド発光ダイオードはサブ波長(subwavelength)光画像技術の光源となり、オブジェクトを単体ナノロッド発光ダイオードの近接場(near-field)範囲内に位置させ、ラスター走査(raster scanning)を利用して単体ナノロッド発光ダイオードとオブジェクトを走査させ光画像を完成させる。
【００３４】
上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１    ｎ型シリコン基板
２    チタン／金電極
３    ｎ型ＧａＮナノロッドアレイ／ｎ型ＧａＮナノロッド
４    ＩｎＧａＮナノディスク
５    ｐ型ＧａＮナノロッドアレイ／ｐ型ＧａＮナノロッド
６    ニッケル／金電極
７    ＧａＮ障壁層
Ｔ１  ＩｎＧａＮナノディスク
Ｔ２  ＩｎＧａＮナノディスク
Ｔ３  ＩｎＧａＮナノディスク
【図１ａ】
2012033893.tif 000004
【図１ｂ】
2012033893.tif 000005
【図１ｃ】
2012033893.tif 000006
【図１ｄ】
2012033893.tif 000007
【図２ａ】
2012033893.tif 000008
【図２ｂ】
2012033893.tif 000009
【図３ａ】
2012033893.tif 000010
【図３ｂ】
2012033893.tif 000011
【図３ｃ】
2012033893.tif 000012
【図４ａ】
2012033893.tif 000013
【図４ｂ】
2012033893.tif 000014