JP2005228936A - 発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
高輝度、高発光効率のＧａＮのＬＥＤおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】
ｐ-ｎ接合ＧａＮナノロッドのｐ-ｎ接合面にＩｎＧａＮ量子井戸(quantum well)を差し込んで、ｎ型ＧａＮナノロッド３１、ＩｎＧａＮ量子井戸３３、およびｐ型ＧａＮナノロッド３５がこの順に長手方向に連続してなるＧａＮナノロッド３０を用いる。また、このようなＧａＮナノロッドを多数個アレイ状に配置して、従来の積層フィルム状のＧａＮのＬＥＤに比べてさらに高輝度、高発光効率のＬＥＤを提供する。
【選択図】図１(a)

Description

本発明は、高輝度発光ダイオード(light emitting diode;以下ＬＥＤと称する)に関す
るものであり、詳しくはナノロッド(nanorod、nanowire)構造の発光ダイオードおよびそ
の製造方法に関する。
ＬＥＤは、その開発初期においては計器盤の簡単な表示素子として多く用いられていたが、最近では大規模の電光板などに用いられる高輝度、高視認性、長寿命の総天然色デイスプレー素子として注目されている。このような用途は、最近、青色および緑色の高輝度ＬＥＤが開発されたことにより可能になった。一方、このようなＬＥＤの材料として最近幅広く研究されているものは、ＧａＮのようなIII族-窒素化合物半導体である。これは、III-Ｖ族の窒化物半導体が広いバンドギャップ(Bandgap)を有しているため、窒化物の組
成により可視光線から紫外線までほとんどの全波長域の光が得られるからである。しかし、ＧａＮは、現在ＧａＮと格子整合する基板がないため、主にサファイア基板が用いられているが、不整合が相変わらず多く、熱膨張係数の差も大きい。
従って、通常のＧａＮのＬＥＤ、即ちサファイア基板上にｎ型の不純物の添加されたｎ-ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ活性層と、ｐ型の不純物の添加されたｐ-ＧａＮ層とを順次に積層してなる積層フィルム状のＬＥＤは、前述したＧａＮの物性または成長方法の限界上、格子不整合による多い糸状の転位(threading dislocation)が存在するため、素子の性能(輝度)に限界がある。また、通常の積層フィルム状のＧａＮのＬＥＤは、設計と製造が比
較的簡単で温度依存性が低いなどの長所があるが、前記の糸状の転位の以外にも低い発光効率、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。
一方、このような積層フィルム状のＬＥＤの短所を克服するために、一次元の棒または線状のナノロッド(nanorod、nanowire)でｐ-ｎ接合を成すことにより、ＬＥＤを形成するナノスケールのＬＥＤ、またはマイクロリング(micro-ring)やマイクロディスク(micro-disc)など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またはマイクロスケールのＬＥＤでも、積層フィルム状のＬＥＤと同様に多い糸状の転位が生成されるため、相変わらず満足できる水準の高輝度ＬＥＤは登場していないのが実情である。また、ナノロッド構造のＬＥＤは、単なるｐ-ｎ接合ダイオードである
ため、高輝度を得難い。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または電子ビーム蒸発法により製造されているが、食刻過程でＧａＮの格子構造に損傷を受けるため、輝度や発光効率において満足できる水準の製品が登場されていない。
本発明は、前記の課題に鑑みて高輝度、高発光効率のＧａＮのＬＥＤ構造を提供することをその目的とする。また、本発明は、高輝度、高発光効率のＧａＮのＬＥＤを再現性よく製造する方法を提供することをその目的とする。
前記の技術的課題を達成するために、本発明によるＧａＮのＬＥＤは、ｐ-ｎ接合Ｇａ
Ｎナノロッドのｐ-ｎ接合面にＩｎＧａＮ量子井戸(quantum well)を差し込んで、ｎ型Ｇ
ａＮナノロッド、ＩｎＧａＮ量子井戸、およびｐ型ＧａＮナノロッドがこの順に長手方向に連続してなるＧａＮナノロッドを用いる。また、このようなＧａＮナノロッドを多数個
アレイ状で配置することにより、従来の積層フィルム状のＧａＮのＬＥＤに比べてさらに高輝度、高発光効率のＬＥＤを提供する。
即ち、本発明によるＬＥＤは、
基板と、
前記基板の垂直方向に形成された第１導電型のＧａＮナノロッド(nanorod)と、この第
１導電型のＧａＮナノロッドの上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸(quantum well)と、このＩｎＧａＮ量子井戸上に形成された第２導電型のＧａＮナノロッドを各々備える多数のナノロッドとからなるナノロッドアレイ(nanorod array)と、
前記ナノロッドアレイの第１導電型のＧａＮナノロッドに共通して連結されて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ＧａＮナノロッド上に共通して連結されて電圧を印加する透明電極とを備える。ここで、第１導電型および第２導電型は、各々ｎ型およびｐ型、あるいは各々ｐ型およびｎ型を意味する。
前記多数のナノロッド間には、例えばＳＯＧ(Spin-On-Glass)、ＳｉＯ2またはエポキシ樹脂などの透明でギャップフィル特性に優れた透明絶縁物が埋め込まれる。
また、前記量子井戸は、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮバリア(barrier)層とが交
互に積層されて形成された多重量子井戸(multi quantum well)から製造できる。
一方、本発明によるＧａＮのＬＥＤの製造方法は、
基板の垂直方向に多数の第１導電型のＧａＮナノロッドをアレイ状で形成する段階と、
前記多数の第１導電型のＧａＮナノロッドの上に各々ＩｎＧａＮ量子井戸を形成する段階と、
前記ＩｎＧａＮ量子井戸の上に第２導電型のＧａＮナノロッドを各々形成する段階と、
前記第１導電型のＧａＮナノロッドに電圧を印加するための電極パッドを形成する段階と、
前記第２導電型のＧａＮナノロッド上に共通して連結されて電圧を印加するための透明電極を形成する段階とを含む。ここで、上記第１導電型のＧａＮナノロッド、ＩｎＧａＮ量子井戸および第２導電型のＧａＮナノロッドは、ＭＯ-ＨＶＰＥ(metalorganic-hydride
vapor phase epitaxy)法によりインサイチュ(in-situ)で形成することが望ましい。
本発明に係るＧａＮのＬＥＤおよびその製造方法によれば、高輝度、高発光効率のＬＥＤを、触媒(catalyst)やテンプレート(template)を用いることなく高収率で得ることができる。
本発明によれば、単一のエピタキシャル成長によりＩｎＧａＮ量子井戸を有するＧａＮナノロッドを形成するため、従来の成長方法をそのまま用いながらも高輝度、高品質のダイオードが得られる。
特に、本発明によれば、ＩｎＧａＮ量子井戸を持つナノロッドを多数個アレイ状で形成してＬＥＤを製造することにより、側壁発光による光がそのまま生かせるため発光効率が大幅に増加して、同一面積の従来の発光ダイオードに比べて輝度が著しく高いＬＥＤが得られる。
また、本発明によれば、ＩｎＧａＮ量子井戸の厚さ、Ｉｎの含量、蛍光物質の使用により多様な波長の可視光または白色光を出力するＬＥＤを手軽に得ることができる。
以下添付した図面に基づいて本発明の望ましい実施の形態を詳しく説明する。
図１(a)は、本発明の望ましい実施の形態に係るＬＥＤの断面構造を示した模式図であ
り、図１(b)は図１(a)に示したＬＥＤの平面構造を示した平面図である。
図１(a)および図１(b)を参照して本実施の形態のＬＥＤ構造を説明すると、本実施の形態のＬＥＤはサファイア(sapphire)基板１０上に、ｎ型ＧａＮバッファー層２０、アレイ状に配列された多数のＧａＮナノロッド３１、３３、３５、ＧａＮナノロッドの間を埋め込んでいる透明絶縁物層４１、透明電極６０、電極パッド５０、７０が形成されて成る。
基板１０の上に形成されたｎ型ＧａＮバッファー層２０は、基板１０とｎ型ＧａＮナノロッド３１との格子定数の不整合を緩衝し、またｎ型ＧａＮナノロッド３１に電極パッド５０を介して共通に電圧を印加できるようにする役割を果たす。
ｎ型ＧａＮバッファー層２０の上にアレイ状で配列された多数のＧａＮナノロッド３１、３３、３５は、各々ｎ型ＧａＮナノロッド３１と、ＩｎＧａＮ量子井戸３３と、ｐ型ＧａＮナノロッド３５とから成る。この多数のＧａＮナノロッドは、実質的に均一な高さと直径を有し、ｎ型ＧａＮバッファー層２０に垂直に形成されている。
ここで、ＩｎＧａＮ量子井戸３３は、これを有していない単なるｐ-ｎ接合ダイオード
に比べて高輝度の可視光が得られるようにする活性層であり、本実施の形態では、図２に示したように、複数のＩｎＧａＮ層３３ａと複数のＧａＮバリア層３３ｂとが交互に積層されて形成された多重量子井戸(multi quantum well)構造を有している。後述するが、特に、本実施の形態の多重量子井戸３３のＩｎＧａＮ層３３ａと、ＧａＮバリア層３３ｂとの界面は非常にきれいで転位(dislocation)がほとんどない。
多数のＧａＮナノロッド３１、３３、３５の間は、透明絶縁物層４１により埋め込まれているため、各々のナノロッドを絶縁し、ナノロッドに加えられ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が共通して連結されるようにする下地層の役割を果たす。透明絶縁物層４１の材料としては特に限定されることはないが、ナノロッド間のギャップを充分に埋め込むとともに、後続するアニーリング工程などの熱に耐えられ、ナノロッドの側壁発光(図１(a)の左右方向の矢印参照)の
妨害にならないように透明なＳＯＧ、ＳｉＯ2またはエポキシ樹脂が用いられる。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て、ｐ型ＧａＮナノロッド３５の先端部が透明電極６０に共通して連結されるようにする。
透明電極６０は、ｐ型ＧａＮナノロッド３５に共通にオーミック(Ohmic)接合して電圧
を印加することが可能で、ナノロッドの長手方向(図面の上方向)発光に妨害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ることはないが、薄膜のＮｉ/Ａｕ薄膜が用いられる。
透明電極６０上の所定領域には、透明電極(つまり、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は特に限定されることはないが、Ｎｉ/Ａｕ層からなり、ここにはワイヤ(図示せず)がボンディングさ
れる。また、ｎ型ＧａＮバッファー層２０を介してｎ型ＧａＮナノロッドに電圧を印加するための電極パッド５０が、ｎ型ＧａＮバッファー層２０上に形成されて、ｎ型ＧａＮバッファー層とオーミック接合する。この電極パッド５０は特に限定されることはないが、Ｔｉ/Ａｌ層から成り、ここにもワイヤ(図示せず)がボンディングされる。
このように構成された本実施の形態のＬＥＤの二つの電極パッド５０、７０に直流電圧を印加すると(電極パッド７０に(+)の電圧を、電極パッド５０に(-)電圧または接地転位
を印加)、図１(a)に示したように、各々がナノＬＥＤといえるナノロッドの側壁方向および長手方向に高輝度の光が放出される。
特に、本実施の形態ではＩｎＧａＮ量子井戸を各ナノロッドから形成したため、単なるｐ-ｎ接合ダイオードより高輝度の可視光が放出される。また、多数のナノＬＥＤにより
発光(側壁発光)面積が飛躍的に増えて、発光効率が従来の積層フィルム状のＬＥＤよりさらに高い発光効率が得られる。
一方、本実施の形態のＬＥＤの放出光の波長は、ＩｎＧａＮ量子井戸においてＩｎ量を調節したり、量子井戸３３の厚さを調節することにより多様に調節できるとともに、白色光も得られる。詳しく説明すれば次のようである。
まず、ＩｎＧａＮ中のＩｎの含量を増加させると、バンドギャップが小さくなって発光波長が長くなる現象を用いて、紫外線領域から青、緑、赤など全ての可視光領域までの放出光が得られる。また、発光波長は、量子井戸、即ちＩｎＧａＮ層３３ａの厚さを調節することにより変化させることもできる。即ち、ＩｎＧａＮ層の厚さを増加させると、バンドギャップが小さくなって赤色側の放出光が得られる。
さらに、本実施の形態のＬＥＤは、前述したように多重量子井戸構造を有しているため、これを用いれば白色光が得られる。即ち、多重量子井戸の複数のＩｎＧａＮ層３３ａをいくつかのグループに分け、各グループごとにＩｎＧａＮ層中のＩｎの含量を相異に調節することにより、例えば、青色の発光グループ、緑色の発光グループおよび赤色の発光グループを構成すれば全体として白色光が得られる。また、白色光は、蛍光物質を用いても得られるが、特に本実施の形態では透明絶縁物層４１に白色光を得るための蛍光物質を添加することにより、簡単に白色の発光ＬＥＤを製造できる。例えば、ナノロッド３０が青色に発光するように量子井戸を構成し、透明絶縁物層４１に黄色の蛍光物質を添加すると、全体として白色光が発光するようにすることができる。
以上、本実施の形態のＬＥＤの構造について説明したが、具体的な構造と材料は多様に変形できる。例えば、上記ではｎ型のＧａＮ層を形成し、その上部にｐ型ＧａＮナノロッドが形成される態様により説明したが、ｎ型とｐ型とは逆であってもよい。また、電極パッド５０、７０の位置や形状も図１(a)および図１(b)に示した位置や形状に限定されずに各々ｎ型のＧａＮナノロッド３１とｐ型ＧａＮナノロッド３５とに共通に電圧を印加できれば、他の位置や形状であってもよい。
また、上記では基板１０としてサファイアを用いたが、シリコン基板も用いることができる。この場合、絶縁物であるサファイアとは異なり、シリコンは適切な不純物(上記の
実施の形態に適用すればｎ型の不純物)を添加して導電体とすることができる。従って、
ｎ型ＧａＮバッファー層２０が不要になるとともに、電極パッド５０もｎ型ＧａＮバッファー層２０上の一部領域に形成する必要がなく、シリコン基板の下面(ナノロッド３０が
形成される面の反対側の面)に形成すればよい。
次に、前述したような本実施の形態のＧａＮのＬＥＤを製造する方法を説明する。
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には、大別して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)成長法がある。ここで、ＶＰＥ成長法は反応ガスを基
板上に流しながら熱による分解と反応とを通じて基板上に結晶を成長させる方法で、反応ガスの原料の形態によって水素化物ＶＰＥ(hydride VPE;HVPE) 成長法、ハロゲン化物Ｖ
ＰＥ(halide VPE) 成長法、有機金属ＶＰＥ(metalorganic VPE；MOVPE) 成長法などに分
けられる。
本実施の形態では、有機金属水素化物気相エピタキシャル(MO-HVPE；metalorganic hydride VPE)成長法によりＧａＮ層とＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸とを形成することと説明するが、本発明は必ずこの方法に限定されるものではなく、好適にほかの成長法でＧａＮ層とＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸とを形成することもできる。
Ｇａ、ＩｎおよびＮの前駆体(precursor)としては各々ＧａＣｌ、トリメチルインジウ
ム(trimethylindium)およびＮＨ3を用いる。ＧａＣｌは、金属ガリウムとＨＣｌとを６００〜９５０℃の温度で反応させることにより得られる。また、ｎ型ＧａＮおよびｐ型ＧａＮ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およびＭｇで、これらは各々ＳｉＨ4およびＣｐ2Ｍｇ(Bis(cyclopentadienyl)magnesium)の形態で供給される。
以下に、図３(a)ないし図３(d)を参照して本実施の形態のＧａＮのＬＥＤを製造する方法を詳しく説明する。
まず、図３(a)に示したように、サファイアウエハーでなる基板１０を反応器(図示せず)に入れ、基板１０上にｎ型ＧａＮバッファー層２０を形成する。このとき、ｎ型ＧａＮ
バッファー層２０は、前述したようにＳｉをドーピングすることにより形成できるが、人為的にドーピングしなくても成長したＧａＮは、窒素空孔(nitrogen vacancy)や酸素不純物などにより基本的にｎ型の特性を有する。この性質を用いて、人為的なドーピングなしに温度４００〜５００℃、大気圧または若干陽圧とし、５０〜６０分間ＧａおよびＮの前駆体を各々３０〜７０sccmおよび１０００〜２０００sccmの流量で供給することにより約１.５μｍ程の厚さのｎ型ＧａＮバッファー層２０を成長させることができる。
次に、図３(b)に示したように、多数のナノロッド３０で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バッファー層２０を成長させたその反応器内で連続的にインサイチュ(in-situ)で行うことが望ましい。具体的にまず、ｎ型ＧａＮナノロッ
ド３１を成長させるが、温度４００〜６００℃、大気圧または若干陽圧とし、２０〜４０分間ＧａおよびＮの前駆体を各々３０〜７０sccmおよび１０００〜２０００sccmの流量で反応機内に供給し、同時にＳｉＨ4を５〜２０sccmの流量で供給することにより約０.５μｍ高さのｎ型ＧａＮナノロッド３１をｎ型ＧａＮバッファー層２０上にその垂直方向に成長させることができる。
一方、通常、高温(例えば、１０００℃またはそれ以上)でＧａＮを成長させると、初期に形成されるＧａＮのシード(seed)が上方向にのみならず側方にも急速に成長して、ナノロッド状ではなく薄膜状に成長する。この際、シードとシードが側方に成長して合った境界では必然的に転位が生じ、その転位は薄膜の厚さ方向への成長に伴い厚さ方向に伝播して糸状転位が生じる。しかし、上記の本実施の形態のような工程条件を保つと、別途の触媒やテンプレートなしであってもシードが主に上方向に成長して、実質的に均一な高さと直径とを持つ多数のｎ型ＧａＮナノロッド３１を成長させることができる。
次に、ｎ型ＧａＮナノロッド３１上にＩｎＧａＮ量子井戸３３を成長させるが、この過程もｎ型ＧａＮナノロッド３１を成長させたその反応器内で連続的にインサイチュで行うことが望ましい。具体的に、温度４００〜５００℃、大気圧または若干陽圧とし、Ｇａ、ＩｎおよびＮの前駆体を各々３０〜７０sccm、１０〜４０sccmおよび１０００〜２０００sccmの流量で反応器に供給する。そうすると、多数のｎ型ＧａＮナノロッド３１の上に各
々ＩｎＧａＮ量子井戸３３が形成される。このとき、ＩｎＧａＮ量子井戸３３を成長させる時間は、所望する厚さに成長するまで適当に選択されるが、この量子井戸３３の厚さは、前述したように、完成したＬＥＤの発光波長を決める要素になるため、所望する波長の光に好適な厚さとなるように設定し、それによって成長時間を決めればよい。また、発光波長はＩｎの量によっても変化するため、所望する波長によって各前駆体の供給比率を調節する。
さらに、ＩｎＧａＮ量子井戸３３は、図２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井戸構造とすることも可能であるが、これはＩｎの前駆体の供給と遮断とを各々所定時間周期的に繰り返すことにより得られる。
次に、ＩｎＧａＮ量子井戸３３上にｐ型ＧａＮナノロッド３５を成長させる。この過程もＩｎＧａＮ量子井戸３３を成長させたその反応器内で、連続的にインサイチュで行うことが望ましい。具体的に、温度４００〜６００℃、大気圧または若干陽圧とし、２０〜４０分間ＧａおよびＮの前駆体を各々３０〜７０sccmおよび１０００〜２０００sccmの流量で反応器内へ供給し、同時にＣｐ2Ｍｇを５〜２０sccm供給することにより約０.４mm高さのｐ型ＧａＮナノロッド３５を基板１０に対し垂直方向に成長させることができる。
図４は、このように成長させたナノロッド３０アレイの走査電子顕微鏡の写真である。図４からわかるように、本実施の形態の方法により成長したＩｎＧａＮ量子井戸を含むナノロッド３０は、ほとんど均一な高さと直径を有し、かなり高密度で形成（成長）されている。一方、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、量子井戸３３が形成された部位で約７０〜９０nmになり、ナノロッド３０間の平均ギャップは１００nmほどである。
このようにナノロッド３０アレイを形成したのち、図３(c)に示したように、ナノロッ
ド３０間のギャップを透明絶縁物層４０で埋め込む。このとき用いられる透明絶縁物としては、前述したようにＳＯＧ、ＳｉＯ2またはエポキシ樹脂などが好適で、ＳＯＧやエポ
キシ樹脂を用いて埋め込む場合は、スピンコーテイングおよび硬化過程を経ることにより、図３(c)に示したような構造が得られる。このとき、透明絶縁物を用いてギャップを埋
め込む場合は、ギャップが完全に埋め込まれるようにナノロッド３０間のギャップが８０nm以上になることが良い。一方、透明絶縁物層４０の厚さは、ナノロッド３０の高さより少し低くする。
次に、図３(d)に示したように、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り、ＩｎＧａＮ量子井戸を備えたナノロッドアレイ構造のＧａＮのＬＥＤを完成する。具体的には、図３(c)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バッファー層２０が一部露出するように透明絶縁物層４０およびナノロッド３０の一部を除去する。次に、ｎ型ＧａＮバッファー層２０が一部露出した領域にリフト-オフ法(lift-off process)を用いて電極パ
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)を用いて形成できる。次に、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とを形成する。
一方、透明電極６０は、透明絶縁物層４１より少し突出したナノロッド３０と自然に接触され、結果としてｎ型ＧａＮナノロッド３５と電気的に連結される。また、透明電極６０は、その下の個別ナノＬＥＤから放出された光を塞がないように充分薄くすることが好ましく、一方二つの電極パッド５０、７０に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連結されるように充分な厚さを持つことが好ましい。
このように本実施の形態に係るＧａＮのＬＥＤの製造方法によると、特別な触媒やテンプレートなしに、連続的にｎ型ＧａＮナノロッド３１と、ＩｎＧａＮ量子井戸３３とｐ型ＧａＮナノロッド３５とからなるナノロッドをアレイ状に均一成長させることができる。
一方、本実施の形態において本質ではない特徴はいくらでも変形可能である。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、公知の様々な種類の方法(蒸
着、写真食刻など)に多様に変形することができる。特に、前述した実施の形態における
各構成物質は、公知の均等なほかの材料に置換可能であり、各工程条件は反応器や使用材料によって上記例示の範囲からずれることもあり得る。
また、上記では基板１０としてサファイアウエハーを用いたが、シリコンウエハー(望
ましくは、リン（Ｐ）などのｎ型不純物がドーピングされたシリコンウエハー)が用いら
れる。この場合前述したように、ｎ型ＧａＮバッファー層２０は不要で、電極パッド５０もＧａＮバッファー層２０上の一部領域ではなくシリコン基板の下面に形成できる。即ち、シリコンウエハーの一面にまず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。 次に、前述した本発明のＧａＮのＬＥＤを次のように製造した実施例について発光特性を調べた。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と方法は、あくまでも一例に過ぎず、本発明は以下の説明に限定されることではない。
まず、基板１０としてサファイア(０００１)ウエハーを用意し、前述したＭＯ-ＨＶＰ
Ｅ法と前述した前駆体を用いて、インサイチュでｎ型ＧａＮバッファー層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量子井戸３３は、完成したＬＥＤの発光波長が４７０nm以下になるようＩｎxＧａ1-xＮの組成比は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井戸
とし、各々の具体的な工程条件とその結果は次の表のようである。
Figure 2005228936
このようにして３３mm2面積の多重量子井戸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個程存在し、ナノロッド３０の平均直径は量子井戸層部位で７０nmほど、高さは約１μｍであった。ｎ型およびｐ型ＧａＮナノロッド３１、３５のキャリア濃度は各々１×１０18cm-3、５×１０17cm-3程であり、ＩｎＧａＮ量子井戸の組成比はＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎであった。
次に、高い縦横比のナノロッド３０間のギャップをボイド(ｖｏｉｄ)なしに均一に埋め
込むようにＳＯＧ(Honeywell Electronic Materials社の商品名ACCUGLASS T-12B)を３０
００rpmの回転速度で３０秒間スピンコーテイングし、大気中で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がギャップを充分埋め込むようにスピンコーテイングおよび硬化過程を２回に分けて実施した。その後、窒素雰囲気の炉(furnace)内で４４０℃、２０分間アニーリングすることにより、厚さ約０.８〜０.９mm程の
透明絶縁物層４０を形成した。
次に、フォトリソグラフィと乾式食刻を用いるリフト-オフ法と電子ビーム蒸発法によ
り、２０/２００nm厚さのＴｉ/Ａｌ電極パッド５０を一部領域が露出したｎ型ＧａＮバッファー層２０上に形成し、２０/４０nm厚さのＮｉ/Ａｕ透明電極６０を各々のナノスケールＬＥＤ３０とオーミック接合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。
一方、比較例として、同一の大きさの積層フィルム状のＧａＮのＬＥＤを製造した。比較例のＬＥＤにおける各層の厚さと構成は、本発明の実施例と同一にし、但しナノロッドではないという点のみ異なる。
図５(a)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)スペクトルを示したグラフである。図５(a)に示したように、本実施例のＬＥＤは約４６５nm波長の青色発光ＬＥＤであることがわかる。また、図５(b)に示したように、本実施例のＬＥＤは供給電流が増えるほどピーク
波長が少なくなる青色-シフト現象を見せる。これは、注入されたキャリアによる量子井
戸内の内部分極フィールド(built-in internal polarization field)のスクリーン効果に起因すると思われる。
図６は、本実施例のＬＥＤと比較例のＬＥＤに対して常温でのＩ-Ｖ特性を示したグラ
フである。図６に示したように、ターン-オン電圧は本実施例のＬＥＤが比較例に比べて
少し高い。これは、有効接触面積が本実施例のほうが比較例よりはるかに小さく(本実施
例のＬＥＤは多数のナノＬＥＤの集合とみなすことができる。従って、各ナノＬＥＤの電極６０との接触面積が比較例に比べてはるかに小さい)、従って抵抗がそのほど大きいか
らであると考えられる。
図７は、順方向電流に対する光出力を示したグラフであり、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わかる(２０mAの電流では４.３倍であり、それさえも光検出機の検出面積が１mm2である場合の差で、実際に感じる光出力はこれ
より大きい差が生じるのであろう)。これは、前述したようにナノロッドアレイを形成す
ることにより、同一面積の積層薄膜型ＬＥＤに比べて側壁発光が有効に用いられるからである。また、温度依存的なＰＬ(Photoluminescence)実験から本実施例のＬＥＤがより著
しく量子効率性があることを確認できた。
一方、図８は、一つのＩｎＧａＮ量子井戸ナノロッドに電極を形成した場合を示したものであり、図９はこの場合のＩ-Ｖ特性を示したグラフである。図８に示した構造のナノ
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附着させ、ｎ型ＧａＮナノロッド１３１側にはＴｉ/Ａｌ電極パッド１５０を、ｐ型ＧａＮナノロッド１３５側にはＮｉ/Ａｕ電極パッド１７０を形成することにより得られる。このように得られたナノロッド一つで成るナノＬＥＤに対してＩ-Ｖ特性を調べた。図９からわかるように、このナノＬＥＤは非常にきれ
いで正確な整流特性を見せる。これはｐ、ｎ型ナノロッドと量子井戸とを単一エピタキシャル成長で形成したからであると考えられる。
以上、望ましい実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本明細書および図面に記載された実施の形態は本発明の最も望ましい実施の形態に過ぎず、本発明の技術的思想を制限するものではなく、本出願のときにこれらを代替可能な多様な均等物と変形例とがあり得ることを理解すべきである。
図１(a)は、本発明の望ましい実施の形態に係る発光ダイオードの断面構造を示した模式図である。 図１(b)は、図１(a)に示した発光ダイオードの平面構造を示した平面図である。 図２は、図１(a)に示した発光ダイオードの多重量子井戸構造を示した断面図である。 図３(a)は、本発明の一実施の形態により発光ダイオードを製造する過程を示した断面図である。 図３(b)は、本発明の一実施の形態により発光ダイオードを製造する過程を示した断面図である。 図３(c)は、本発明の一実施の形態により発光ダイオードを製造する過程を示した断面図である。 図３(d)は、本発明の一実施の形態により発光ダイオードを製造する過程を示した断面図である。 本発明の一実施の形態により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５(a)は、本発明の一実施の形態により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強度を示したグラフである。 図５(b)は、図５(a)のグラフにおいて各電流に対するピーク波長を示したグラフである。 図６は、本発明の一実施の形態により製造された発光ダイオードと従来の発光ダイオードのＩ-Ｖ特性を示したグラフである。 図７は、本発明の一実施の形態により製造された発光ダイオードと従来の発光ダイオードの光出力-順方向電流特性を示したグラフである。 図８は、本発明による一つのＧａｎＮナノロッドからなる発光ダイオードを示した模式図である。 図９は、図８に示した発光ダイオードのＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
符号の説明
１０．．基板
２０．．バッファー層
３１．．ｎ型ＧａＮナノロッド
３３．．ＩｎＧａＮ量子井戸
３３ａ．．ＩｎＧａＮ層
３３ｂ．．ＧａＮバリア層
３５．．ｐ型ＧａＮナノロッド
４１．．透明絶縁物層
５０．．電極パッド
６０．．透明電極
７０．．電極パッド

Claims (20)

  1. 基板と、
    前記基板の垂直方向に形成された第１導電型のＧａＮナノロッド(nanorod)と、この第
    １導電型のＧａＮナノロッドの上に形成されたＩｎＧａＮ量子井戸(quantum well)と、このＩｎＧａＮ量子井戸上に形成された第２導電型のＧａＮナノロッドを各々備える多数のナノロッドとからなるナノロッドアレイ(nanorod array)と、
    前記ナノロッドアレイの第１導電型のＧａＮナノロッドに共通して連結されて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ＧａＮナノロッド上に共通して連結されて電圧を印加する透明電極とを備える発光ダイオード。
  2. 前記多数のナノロッドの間に透明絶縁物が埋め込ま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。
  3. 前記透明絶縁物は、ＳＯＧ(Spin-On-Glass)、ＳｉＯ2またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
  4. 前記透明絶縁物には、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蛍光物質が添加されていることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
  5. 前記透明絶縁物は、前記ナノロッドの先端部が少し突出するようにナノロッドの高さより低い高さにナノロッドの間に埋め込まれていることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
  6. 前記量子井戸は、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮバリア(barrier)層とが交互に積
    層されて形成された多重量子井戸(multi quantum well)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。
  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多重量子井戸の複数のＩｎＧａＮ層の各Ｉｎ含量が相異に調節されていることを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
  8. 前記基板はサファイア(sapphire)基板であり、このサファイア基板と前記ナノロッドとの間には第１導電型のＧａＮバッファー層(buffer layer)が介在されており、前記電極パッドは前記ＧａＮバッファー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。
  9. 前記基板はシリコン基板であり、前記電極パッドは前記シリコン基板のナノロッドが形成される面と反対側の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。
  10. 基板の垂直方向に多数の第１導電型のＧａＮナノロッドをアレイ状で形成する段階と、
    前記多数の第１導電型のＧａＮナノロッドの上に各々ＩｎＧａＮ量子井戸を形成する段階と、
    前記ＩｎＧａＮ量子井戸の上に第２導電型のＧａＮナノロッドを各々形成する段階と、
    前記第１導電型のＧａＮナノロッドに電圧を印加するための電極パッドを形成する段階と、
    前記第２導電型のＧａＮナノロッド上に共通して連結されて電圧を印加するための透明電極を形成する段階とを含む発光ダイオードの製造方法。
  11. 前記第２導電型のＧａＮナノロッドを形成する段階に続いて、第１導電型のＧａＮナノロッドと、ＩｎＧａＮ量子井戸と、第２導電型のＧａＮナノロッドとからなるナノロッドの間に透明絶縁物を埋め込む段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
  12. 前記透明絶縁物は、ＳＯＧ(Spin-On-Glass)、ＳｉＯ2またはエポキシ樹脂であ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。
  13. 前記透明絶縁物には、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蛍光物質が添加されてい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。
  14. 前記量子井戸を形成する段階は、ＩｎＧａＮ層を形成する段階と、ＧａＮバリア(barrier)層を形成する段階とを交互に繰り返すことにより多重量子井戸を形成する段階である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
  15. 前記第１導電型のＧａＮナノロッドと、ＩｎＧａＮ量子井戸と、第２導電型のＧａＮナノロッドとは、ＭＯ-ＨＶＰＥ(metalorganic-hydride vapor phase epitaxy)法によりイ
    ンサイチュ(in-situ)で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード
    の製造方法。
  16. 前記基板はサファイア基板であり、上記第１導電型のＧａＮナノロッドを形成する段階の以前に、前記サファイア基板上に第１導電型のＧａＮバッファー層を形成する段階をさらに含み、前記電極パッドは前記ＧａＮバッファー層上の一部領域に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
  17. 前記基板はシリコン基板であり、前記電極パッドは前記シリコン基板のナノロッドが形成される面と反対側の面に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオードの製造方法。
  18. 第１導電型のＧａＮナノロッドと、ＩｎＧａＮ量子井戸と、第２導電型のＧａＮナノロッドとがこの順に長手方向に連続してなるＧａＮナノロッド。
  19. 前記量子井戸は、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮバリア(barrier)層とが交互に形
    成された多重量子井戸(multi quantum well)であることを特徴とする請求項１８に記載のＧａＮナノロッド。
  20. 請求項１８または請求項１９に記載されたＧａＮナノロッドと、このＧａＮナノロッドの両端に電圧を印加するための電極とを備えるＧａＮ発光ダイオード。
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