JP2008544536A - ナノ構造体及びそれを採用した発光ダイオードとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物量子ウェルを有するナノ構造体及びそれを採用した発光ダイオードとその製造方法を提供する。
【解決手段】
この発光ダイオードは、基板と、透明電極と、前記基板と前記透明電極との間に介在されたナノ構造体のアレイとを含む。前記ナノ構造体は、それぞれコアナノロッドと前記コアナノロッドを取り囲むナノシェルとを備える。前記コアナノロッドは、前記基板にほぼ垂直方向に形成され、長手方向に結合された第１導電型の第１ナノロッドと、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェルと、第２導電型の第２ナノロッドとを含む。前記ナノシェルは、前記量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で形成され、前記コアナノロッドの少なくとも前記量子ウェルドルをそれぞれ取り囲む。一方、前記透明電極は、前記第２ナノロッドに共通的に連結される。これにより、ナノシェルによって（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェル表面での非発光再結合を防止し、外部量子効率を増加させうる発光ダイオードを提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナノ構造体と、それを採用した発光ダイオード及びそれを製造する方法に関し、より詳しくは、窒化物量子ウェルを有するナノ構造体と、前記ナノ構造体のアレイを採用した発光ダイオード及びそれを製造する方法に関する。
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、大規模の電光板など高輝度、高視認性、長い寿命の総天然色ディスプレイ素子、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。
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、ＧａＮの物性または成長方法の限界上、格子不整合によって多い貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が存在し、素子の性能（輝度）に限界を有している。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、上記貫通転位以外に、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。
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、一次元のロッドまたは線形状のナノロッド（ｎａｎｏ ｒｏｄ， ｎａｎｏ ｗｉｒｅ）でｐ−ｎ接合を達成することによって、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。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、写真エッチング過程で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。
一方、ナノロッド構造のＬＥＤは、体積対比表面の割合が大きくて、表面での非発光再結合（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）が外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）に及ぶ影響が大きい。したがって、表面での非発光再結合の影響を減少させる必要がある。
本発明の技術的課題は、高輝度及び高い発光効率を有するナノ構造体を提供し、表面での非発光再結合の影響を減少させうるナノ構造体を提供することにある。
本発明の他の技術的課題は、表面での非発光再結合の影響を減少させうるナノ構造体アレイを採用した発光ダイオードを提供することにある。
本発明のさらに他の技術的課題は、表面での非発光再結合の影響を減少させうるナノ構造体アレイを採用した発光ダイオードを製造する方法を提供することにある。
上記技術的課題を解決するために、本発明は、ナノ構造体と、前記ナノ構造体を採用した発光ダイオード及び前記発光ダイオード製造方法を提供する。本発明の一態様に係るナノ構造体は、長手方向に結合された（ｊｏｉｎｅｄ）第１導電型の第１ナノロッドと、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェル及び第２導電型の第２ナノロッドとを含むコアナノロッドを含む。前記量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で形成されたナノシェルが少なくとも前記量子ウェルを取り囲む。本発明の一態様によれば、ｐ−ｎ接合面に（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルを介在して高輝度及び高い発光効率を有するナノ構造のＬＥＤを提供でき、ナノシェルによって前記量子ウェル表面での非発光再結合を減少させて発光効率をさらに増加できる。
ここで、第１導電型及び第２導電型は、それぞれｎ型及びｐ型、またはそれぞれｐ型及びｎ型を意味する。また、ナノロッドは、直径に比べて長さが相対的に長くて、直径が１μｍ未満のナノスケールの構造体を意味する。これに加えて、本明細書において、ナノロッドは、ボトム−アップ方式で形成された、すなわちエッチングによって形成されたものでなく、成長によって形成されたナノスケールの構造体を意味する。
前記第１ナノロッド及び第２ナノロッドは、前記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系のナノロッドまたはＺｎＯ系のナノロッドでありうる。前記ＧａＮ系のナノロッドは、ＧａＮまたはＧａＮにＡｌ及び／またはＩｎが添加された３元系または４元系窒化物であり、一般式（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）で表現されうる。ＺｎＯ系のナノロッドは、ＺｎＯまたは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）で表現されうる。
前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質もまた一般式（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ＧａＮ系の窒化物または酸化亜鉛（ＺｎＯ）系の酸化物で形成されうる。前記ＧａＮ系の窒化物内のＡｌ及びＩｎの含量は、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルよりバンドギャップが大きいように選択される。
前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルは、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）層及び複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）バリアーが交互に繰り返されて形成される多重量子ウェルでありうる。
これに加えて、前記複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）層のうち少なくとも２つの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は、Ｉｎ含量及び／または厚さが互いに異なるように形成されうる。Ｉｎ含量が増加するにつれて、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎのバンドギャップが減少する。したがって、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のＩｎ含量を調節して、少なくても２つのピーク波長を有する光、例えば多色光を具現できる。また、ボーア励起半径（Ｂｏｈｒ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｒａｄｉｕｓ）以下の大きさに（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さを減少させれば、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のバンドギャップが増加する。したがって、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さを調節して少なくとも２つのピーク波長を有する光、例えば多色光を具現できる。
本発明の他の態様に係る発光ダイオードは、基板と、透明電極と、前記基板科透明電極の間に介在されたナノ構造体のアレイとを含む。前記ナノ構造体は、それぞれコアナノロッドと前記コアナノロッドを取り囲むナノシェルとを備える。前記コアナノロッドは、前記基板にほぼ垂直方向に形成され、長手方向に結合された第１導電型の第１ナノロッドと、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェルと、第２導電型の第２ナノロッドとを含む。前記ナノシェルは、前記量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で形成され、前記コアナノロッドの少なくとも前記量子ウェルドルをそれぞれ取り囲む。一方、前記透明電極は、前記第２ナノロッドに共通的に連結される。これにより、ナノシェルによって（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェル表面での非発光再結合を防止し、外部量子効率を増加させうる発光ダイオードを提供できる。
前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルは、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）層及び複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）バリアーが交互に繰り返されて形成された多重量子ウェルでありうる。また、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、Ｉｎ含量及び／または厚さが互いに異なることができる。
前記第１ナノロッド、第２ナノロッド及びナノシェルは、それぞれ（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）またはＺｎＯ系で形成されうる。
一方、透明絶縁物、例えばＳＯＧ、ＳｉＯ２、エポキシまたはシリコンが前記ナノ構造体間の空き空間を充満できる。この時、前記第２ナノロッドの先端部は、前記透明絶縁物の上部面から突出して前記透明電極に連結される。また、前記透明絶縁物は、前記コアナノロッドから放出された光の一部を波長変換させる蛍光物質を含有できる。これにより、ナノ構造体から放出された光と前記蛍光物質から波長変換された光の混合によって多色光を具現することが可能である。
第１導電型のバッファー層が前記基板と前記ナノ構造体のアレイとの間に介在されうる。また、前記バッファー層の一部領域が前記ナノ構造体のアレイ部から延長され、前記延長されたバッファー層の一部領域上に電極パッドが形成されうる。前記バッファー層は、前記ナノ構造体の第１ナノロッドと電気的に連結されるので、前記透明電極及び前記バッファー層を介して前記ナノ構造体に電力を供給できる。
前記基板は、サファイアまたはガラス基板のような絶縁性基板でありうる。この場合、前記透明電極及びバッファー層を介して電力が供給される必要がある。これとは異なって、前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＺｎＯなどのような導電性基板であることができ、この場合、前記バッファー層は省略でき、前記電極パッドは、前記アレイと対向する前記導電性基板の面上に形成されうる。
本発明のさらに他の態様に係る発光ダイオードの製造方法は、基板に垂直方向に第１導電型の第１ナノロッドと、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェル及び第２導電型の第２ナノロッドがそれぞれ長手方向に結合されたコアナノロッドのアレイを形成することを含む。前記量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で少なくとも前記量子ウェルを取り囲むナノシェルを形成する。この際、前記第２ナノロッドの先端部が露出されるように前記ナノシェルを形成する。前記露出された第２ナノロッドに共通的に連結された透明電極を形成する。これにより、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ 量子ウェルの表面での非発光再結合を防止できるナノ構造体のアレイを採用した発光ダイオードを提供できる。
前記ナノシェルを形成することは、前記コアナノロッドをそれぞれ被覆する初期ナノシェルを形成し、前記初期ナノシェルの先端部をエッチングして前記第２ナノロッドの先端部を露出させることを含みうる。
前記初期ナノシェルを形成した後、前記コアナノロッド間の空き空間を満たす透明絶縁物を形成することをさらに含みうる。この時、前記透明絶縁物は、前記第２ナノロッド及び前記ナノシェルの先端部が突出するように前記第２ナノロッドの高さより低い高さで形成される。
一方、前記コアナノロッドのアレイを形成する前に、前記基板上に第１導電型のバッファー層が形成されうる。前記透明電極を形成した後、写真及びエッチング工程を使用して前記透明電極及び前記透明絶縁物をパターニングして前記バッファー層の一部領域を露出させうる。また、前記露出されたバッファー層の一部領域及び前記透明電極上にそれぞれ電極パッドが形成されうる。
本発明によるナノ構造体及びそれを採用した発光ダイオードとその製造方法によれば、表面での非発光再結合の影響を減少させて発光効率をさらに増加させうるナノ構造体を提供でき、このようなナノ構造体のアレイを採用して高輝度及び高い発光効率を有する発光ダイオードを提供できる。
また、表面での非発光再結合の影響を減少させうるナノ構造体アレイを採用した発光ダイオードを製造する方法を提供できる。
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。したがって、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されて表現されることもある。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。
図１は、本発明の一実施例に係る発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）を説明するための断面図であり、図２は、図１に示した発光ダイオードの平面図である。
図１及び図２を参照すれば、前記発光ダイオードは、基板１０上に位置するナノ構造体のアレイを含む。前記基板１０は、サファイア、ガラスのような絶縁性基板であるか、又は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯのような導電性基板でありうる。
前記ナノ構造体のそれぞれは、長手方向に結合されたｎ型第１ナノロッド３１と、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェル３３及びｐ型第２ナノロッド３５を含むコアナノロッドと、前記コアナノロッドの少なくとも前記量子ウェルを取り囲むナノシェル３７ａとを含む。前記コアナノロッドは、前記基板１０にほぼ垂直方向に形成される。一方、前記ナノシェル３７ａは、前記量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で形成される。
前記第１ナノロッド及び前記第２ナノロッドは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）またはＺｎＯで形成されうる。また、前記ナノシェル３７ａは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）またはＺｎＯで形成されうる。ＧａＮ内のＡｌ及びＩｎは、ＧａＮのバンドギャップを変化させるので、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ内のＡｌ及びＩｎの含量は、前記ＩｎＧａＮ量子ウェル３３よりバンドギャップが大きいように選択される。
前記コアナノロッドは、前記基板１０から遠くなるほど直径が小さくなるものとして示されているが、これに限定されるものではない。すなわち、前記コアナノロッドの直径は、基板１０から遠くなるほど大きくなることもでき、図３に示したように均一でありうる。
前記ナノシェル３７ａは、少なくとも前記量子ウェルの側面を覆い、表面での非発光再結合を防止する。前記ナノシェル３７ａは、図示のように、前記第２ナノロッドの端部の一部を除いて、前記コアナノロッドの外周辺部の全体を覆うことができる。
一方、前記基板１０と前記ナノ構造体のアレイとの間にｎ型のバッファー層２０が介在されうる。前記バッファー層２０は、基板１０と第１ナノロッド３１の格子定数不整合を緩衝する。また、前記バッファー層２０は、第１ナノロッド３１に電気的に連結され、電力を供給するための電極として使われる。前記バッファー層２０の一部領域は、前記ナノ構造体のアレイから延長でき、前記延長されたバッファー層の一部領域上に電極パッド５０が形成される。この電極パッド５０は、特に限定されるものではないが、Ｔｉ／Ａｌ層で形成でき、ワイヤ（図示せず）がポンディングされうる。
前記基板１０が導電性基板の場合、前記バッファー層は省略されうる。この場合、前記電極パッド５０は、前記アレイに対向する基板１０の面に形成されうる。
一方、前記第２ナノロッド３５は、透明電極６０に共通的にオーム接触される。透明電極６０は、ナノロッドの長手方向（図面で上側方向）に放出される光を透過できる物質で形成され、特に限定されないが、Ｎｉ／Ａｕ薄膜で形成されうる。透明電極６０上の所定領域には、透明電極６０を介して電力を供給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層で形成でき、この電極パッド７０にワイヤ（不図示）がボンディングされうる。
透明絶縁物４１は、例えば、ＳＯＧ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）、ＳｉＯ２、エポキシまたはシリコンが前記ナノ構造体間の空き空間を充満できる。前記透明絶縁物４１は、ナノ構造体を絶縁し、外部から加わりうる衝撃からナノ構造体を保護する。また、前記透明絶縁物４１は、それぞれのナノロッドに透明電極６０が共通的に連結され得る下地層の役目をする。透明絶縁物４１は、第２ナノロッド３５の先端部が透明電極６０に共通的に連結されるように、第２ナノロッド３５の高さより少し低く形成される。
（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）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、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の単一量子ウェルであるか、図３に示されたように、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）層３３ａと、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）バリアー層３３ｂが交互に積層されて形成された多重量子ウェルでありうる。前記ナノシェル３７ａは、少なくとも前記多重量子ウェルの側面を覆い、多重量子ウェル表面での非発光再結合を防止する。
前記２つの電極パッド５０、７０を介して前記ナノ構造体に電力を供給すれば、図１に示されたように、前記コア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。特に、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ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によって発光ダイオード（側壁発光）面積が飛躍的に増加し、発光効率が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。これに加えて、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルをナノシェルで取り囲み、量子ウェル表面での非発光再結合を防止するので、発光効率をさらに向上させうる。
一方、本実施例のＬＥＤの放出光の波長は、多重量子ウェルの（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のＩｎ量を調節するか、又は、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さを調節することによって、多様に調節することができ、白色光を得ることもできる。図３を参照してさらに詳しく説明すれば、次の通りである。
まず、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層３３ａのＩｎ含量を調節して（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層が互いに異なるＩｎ含量を有するように形成する。（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層は、Ｉｎ含量が増加するにつれてバンドギャップが小くなって発光ダイオード波長が長くなる。したがって、Ｉｎ含量が互いに異なる（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ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含量を調節して、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（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ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。
青色及び黄色、または青色、緑色及び赤色領域でピーク波長を有するように（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層３３ａのＩｎ含量を調節することによって、チップレベルで白色光を具現できる発光ダイオードを製造できる。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（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層３３ａのＩｎ含量を調節することによって、白色発光ダイオードの演色評価数を顕著に向上させうる。
一方、発光波長は、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層３３ａの厚さを調節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（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層の厚さを減少させれば、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層のバンドギャップが増加する。したがって、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層３３ａの厚さを調節して少なくとも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できる。
（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ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（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ層内のＩｎ含量及び厚さを同時に調節することもできる。
また、蛍光物質を利用することによって多色光を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を製造できる。例えば、ナノロッド３０が青色発光され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れば、全体として白色光が発光されるようにできる。
上記では、ｎ型の第１ナノロッド３１が形成され、上部にｐ型の第２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。
以下、本発明の一実施例に係る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として、大きく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）などに分類できる。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）または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。また、ここでは、ＩｎＧａＮとＧａＮの成長を例として説明するが、前駆体を調節して所望の組成を有する（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎを成長させうる。
Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ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）、トリメチルアルミニウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｕｕｍ；ＴＭＡ）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及び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。
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。
図４を参照すれば、基板１０を反応器（図示せず）内に装入し、前記基板上にバッファー層２０を形成する。前記基板１０は、サファイアまたはガラスのような絶縁性基板であるか、又は、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＣまたはＺｎＯのような導電性基板でありうる。
前記バッファー層２０は、ＧａＮで形成でき、前述したように、Ｓｉをドーピングしてｎ型で形成されうる。これとは異なって、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、４００〜５００℃の温度と大気圧または若干の陽圧で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、人為的なドーピングなしに略１．５μｍ程度の厚さのｎ型ＧａＮバッファー層２０を成長させうる。
一方、前記バッファー層２０は、場合によって、Ｍｇをドーピングしてｐ型で形成されうる。また、前記基板１０が導電性の場合、前記バッファー層２０は省略されうる。
図５を参照すれば、前記バッファー層２０上に複数のコアナノロッド３０のアレイを形成する。前記コアナノロッド３０のアレイは、ｎ型ＧａＮバッファー層２０を成長させた反応器内でインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で形成されうる。
まず、ｎ型ＧａＮナノロッド３１を成長させる。４００〜６００℃の温度と大気圧または若干の陽圧で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バッファー層２０に垂直な方向に成長させうる。
一方、通常的に高温（例えば１０００℃またはそれ以上）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に成長する。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電位が発生し、この電位は、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を成長しうる。
その後、ｎ型ＧａＮナノロッド３１上にＩｎＧａＮ量子ウェル３３を成長させる。具体的に、４００〜５００℃の温度と大気圧または若干の陽圧で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る。また、発光波長は、Ｉｎの量によって異なるので、所望の波長によって各前駆体の供給する割合を調節してＩｎ含量を調節する。
ＩｎＧａＮ量子ウェル３３は、図３に示されたように、複数のＩｎＧａＮ層３３ａと複数のＧａＮバリアー層３３ｂが交互に積層されて形成された多重量子ウェル構造で形成でき、Ｉｎ前駆体の供給と遮断を繰り返すことによって形成されうる。
次いで、ＩｎＧａＮ量子ウェル３３上にｐ型ＧａＮナノロッド３５を成長させる。具体的に、４００〜６００℃の温度と大気圧または若干の陽圧で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うる。
次いで、前記コアナノロッド３０を覆う初期ナノシェル３７を形成する。また、前記初期ナノシェル３７は、同一の反応器内でインサイチュで成長させうる。具体的に、前記ｐ型ＧａＮナノロッド３５を形成した後、反応器内の残留ガスを排出し、Ｇａ及びＮの前駆体をそれぞれ１０〜２００ｓｃｃｍ及び１００〜２０００ｓｃｃｍの流量でさらに反応器内に供給する。前記反応器の温度は、４００〜８００℃でありうる。この時、ＴＭＡのようなＡｌ前駆体及び／またはＴＭＩを一緒に供給できる。これにより、前記コアナノロッド３０を覆うＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）の初期ナノシェル３７を形成できる。
これとは異なって、前記ナノシェルは、前記反応器と異なる反応器を利用して形成でき、前記初期ナノシェル３０は、ＭｇドーピングされたＺｎＯで形成することもできる。
図６を参照すれば、前記初期ナノシェルが形成された後、前記コアナノロッド３０間の空き空間を満たす透明絶縁物４０を形成する。前記透明絶縁物４０は、前記第２ナノロッド３５及び前記初期ナノシェル３７の先端部が突出するように前記第２ナノロッド３５より低い高さに形成される。このために、前記透明絶縁物４０をコーティングした後、選択的エッチング工程を使用して前記透明絶縁物４０をリセスさせうる。
前記透明絶縁物４０は、前記コアナノロッド３０から放出された光を透過させ、ギャップフィル特性が良好な物質なら使用可能であり、例えばＳＯＧ、ＳｉＯ２、エポキシまたはシリコンで形成されうる。ＳＯＧの場合、スピンコーティング及び硬化過程を経って形成されうる。
次いで、前記初期ナノシェル３７の先端部を選択的にエッチングして前記第２ナノロッド３５の先端部を露出させる。その結果、前記第２ナノロッド３５の端部を除いて、前記コアナノロッド３０を覆うナノシェル３７ａが形成され、ナノ構造体が完成する。
前記選択的エッチング工程は、乾式または湿式エッチングがいずれも可能である。但し、前記初期ナノシェル３７と前記第２ナノロッド３５が同一の物質である場合、乾式エッチングが好ましい。
図７を参照すれば、前記第２ナノロッド３５が露出された基板の全面上に透明電極６０を形成する。前記透明電極６０は、透明絶縁物４０より少し突出した第２ナノロッド３５とオーム接触する。前記透明電極６０は、コアナノロッド３０から放出された光がよく透過するように充分に薄くするのが良い。
次いで、写真及びエッチング工程を使用して前記透明電極６０及び前記透明縁物４０の一部を除去し、前記バッファー層２０の一部領域を露出させる。この時、前記一部領域上に形成されたナノ構造体も一緒に除去する。これにより、発光ダイオード領域、すなわちナノ構造体のアレイが位置する領域を限定する透明絶縁物４１が残存し、前記発光ダイオード領域からバッファー層２０が突出して外部に露出する。
露出した前記バッファー層２０上にリフト−オフ法（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用して電極パッド５０を形成する。前記電極パッドは、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。同様の方法で、前記透明電極６０上に、例えばＮｉ／Ａｕ層で電極パッド７０を形成する。
上記では、前記バッファー層を露出させる前に透明電極６０を形成したが、前記透明電極６０を形成する工程は、バッファー層２０を露出させた後に形成されうる。
本実施例によれば、触媒やテンプレートなく、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ナノロッドからなるコアナノロッドを均一に成長させうる。
また、本実施例によ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なので、発光ダイオードの製造費用を減少させうる。また、ＳｉＣ、ＺｎＯまたはシリコーン基板を使用する場合、前述したように、ｎ型ＧａＮバッファー層２０を形成する工程は省略でき、電極パッド５０もＧａＮバッファー層２０上の一部領域ではない基板の下面に形成できる。すなわち、まず、基板の一面に電極パッドを形成し、その反対面に直接コアナノロッド３０を形成すれば良い。
本発明の実施例によれば、表面での非発光再結合の影響を減少させて発光効率をさらに増加させうるナノ構造体を提供でき、このようなナノ構造体のアレイを採用して高輝度及び高い発光効率を有する発光ダイオードを提供できる。
また、表面での非発光再結合の影響を減少させうるナノ構造体アレイを採用した発光ダイオードを製造する方法を提供できる。
本発明の一実施例に係る発光ダイオードを説明するための断面図である。 図１に示した発光ダイオードの平面図である。 本発明の一実施例に係るナノ構造体を説明するための断面図である。 本発明の一実施例に係る発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施例に係る発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施例に係る発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施例に係る発光ダイオードを製造する方法を説明するための断面図である。
符号の説明
１０ 基板
２０ ｎ型のバッファー層
３１ ｎ型第１ナノロッド
３３ 量子ウェル
３５ 第２ナノロッド
３７ａ ナノシェル
４１ 透明絶縁物
５０、７０ 電極パッド
６０ 透明電極

Claims (20)

  1. 長手方向に結合された第１導電型の第１ナノロッドと、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェルと、第２導電型の第２ナノロッドとを含むコアナノロッドと、
    少なくとも前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルを取り囲み、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で形成されるナノシェルと、
    を含むことを特徴とするナノ構造体。
  2. 前記量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質は、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）またはＺｎＯであるが、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ内のＡｌ及びＩｎ含量は、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルよりバンドギャップが大きいように選択されることを特徴とする請求項１に記載のナノ構造体。
  3. 前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルは、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）層及び複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）バリアーが交互に繰り返されて形成される多重量子ウェルであることを特徴とする請求項１に記載のナノ構造体。
  4. 前記ナノシェルは、前記第２ナノロッドの端部の一部を除いて、前記コアナノロッドの外周辺部を取り囲むことを特徴とする請求項１に記載のナノ構造体。
  5. 基板と、
    前記基板にほぼ垂直方向に形成され、長手方向に結合された第１導電型の第１ナノロッドと、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェル及び第２導電型の第２ナノロッドをそれぞれ含むコアナノロッドと、前記コアナノロッドの少なくとも前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルドルをそれぞれ取り囲み、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で形成されるナノシェルと、を含むナノ構造体のアレイと、
    前記第２ナノロッドに共通的に連結される透明電極と、
    を含むことを特徴とする発光ダイオード。
  6. 前記第１ナノロッド及び前記第２ナノロッドは、それぞれＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）またはＺｎＯで形成されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
  7. 前記量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質は、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）またはＺｎＯであるが、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ内のＡｌ及びＩｎ含量は、前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルよりバンドギャップが大きいように選択されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
  8. 前記ナノ構造体間の空き空間を満たす透明絶縁物をさらに含み、前記第２ナノロッドの先端部は、前記透明絶縁物の上部面から突出して前記透明電極に連結されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
  9. 前記透明絶縁物は、ＳＯＧ、ＳｉＯ２、エポキシまたはシリコンであることを特徴とする請求項８に載の発光ダイオード。
  10. 前記透明絶縁物は、前記コアナノロッドから放出された光の一部を波長変換させる蛍光物質を含有することを特徴とする請求項８に載の発光ダイオード。
  11. 前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルは、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）層及び複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）バリアーが交互に繰り返されて形成される多重量子ウェルであることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
  12. 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、Ｉｎ含量または厚さが互いに異なることを特徴とする請求項１１に記載の発光ダイオード。
  13. 前記基板と前記ナノ構造体のアレイとの間に介在される第１導電型のＧａＮバッファー層をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
  14. 前記バッファー層の一部領域が前記ナノ構造体のアレイから延長され、前記延長されたバッファー層の一部領域上に形成される電極パッドをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード。
  15. 基板に垂直方向に第１導電型の第１ナノロッドと、（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）量子ウェル及び第２導電型の第２ナノロッドがそれぞれ長手方向に結合されたコアナノロッドのアレイを形成し、
    前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルよりバンドギャップが大きい物質で前記コアナノロッドをそれぞれ被覆する初期ナノシェルを形成し、
    前記初期ナノシェルの先端部をエッチングして前記第２ナノロッドの先端部を露出させるナノシェルを形成し、
    前記露出された第２ナノロッドに共通的に連結される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。
  16. 前記初期ナノシェルを形成した後、前記コアナノロッド間の空き空間を満たす透明絶縁物を形成することをさらに含み、前記透明絶縁物は、前記第２ナノロッド及び前記ナノシェルの先端部が突出するように前記第２ナノロッドの高さより低い高さで形成されることを特徴とする請求項１５に記載の発光ダイオードの製造方法。
  17. 前記コアナノロッドのアレイを形成する前に、前記基板上に第１導電型のＧａＮバッファー層を形成し、
    写真及びエッチング工程を使用して前記透明絶縁物をパターニングして前記バッファー層の一部領域を露出させること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の製造方法。
  18. 前記透明電極及び前記露出されたバッファー層の一部領域上にそれぞれ電極パッドを形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の発光ダイオードの製造方法。
  19. 前記（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ量子ウェルは、複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）層及び複数の（ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙ）Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１及び０≦ｘ＋ｙ≦１）バリアーが交互に積層された多重量子ウェル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の製造方法。
  20. 前記第１ナノロッド、多重量子ウェル及び第２ナノロッドは、ＭＯ−ＨＶＰＥ、ＭＢＥまたは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１９に記載の発光ダイオードの製造方法。
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