JP4160000B2 - Light emitting diode and manufacturing method thereof - Google Patents
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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。
The present invention relates to a light emitting diode (hereinafter referred to as an LED), and more particularly, to a light emitting diode having a nanorod structure and a method for manufacturing the same.
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。
In the early stages of development, LEDs were widely used as simple display elements for instrument panels. Recently, however, LEDs are used for large-scale electric boards, etc. It is attracting attention as. Such applications have become possible with the recent development of blue and green high brightness LEDs. On the other hand, a group III-nitrogen compound semiconductor such as GaN has been extensively studied as a material for such an LED. This is because the group III-V nitride semiconductor has a wide bandgap, so that light in almost all wavelength ranges from visible light to ultraviolet light can be obtained depending on the composition of the nitride. However, since GaN currently has no substrate lattice-matched with GaN, a sapphire substrate is mainly used, but there are still many mismatches and the difference in thermal expansion coefficient is also large.
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。
Therefore, an n-GaN layer doped with an n-type impurity, an InGaN active layer, and a p-GaN layer doped with a p-type impurity are sequentially stacked on a normal GaN LED, that is, a sapphire substrate. The laminated film-like LED thus formed has a limit in device performance (luminance) because of the above-mentioned limitations on the physical properties of GaN or the growth method, because there are many threading dislocations due to lattice mismatch. In addition, the ordinary laminated film-like GaN LED has advantages such as relatively simple design and manufacture and low temperature dependence, but besides the above-mentioned thread-like dislocations, low luminous efficiency, wide spectral width, It has disadvantages such as large output deviation.
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。
On the other hand, in order to overcome the shortcomings of the laminated film-like LED, a nanoscale LED that forms an LED by forming a pn junction with a one-dimensional rod or a linear nanorod (nanorod, nanowire). Alternatively, micro-scale LEDs such as micro-rings and micro-discs have been studied. However, unfortunately, even with such nanoscale or microscale LEDs, as many thread-like dislocations are generated as in the case of laminated film-like LEDs, no satisfactory high-brightness LEDs have yet appeared. It is a fact. Moreover, since the LED of the nanorod structure is a simple pn junction diode, it is difficult to obtain high luminance. Microring and microdisk LEDs are currently manufactured by photolithography or electron beam evaporation, but the GaN lattice structure is damaged during the etching process, so that the brightness and luminous efficiency are satisfactory. The product has not appeared.
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。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a GaN LED structure having high luminance and high luminous efficiency. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a GaN LED having high luminance and high luminous efficiency with good reproducibility.
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。
In order to achieve the above technical problem, a GaN LED according to the present invention has a pn junction Ga.
Inserting an InGaN quantum well into the pn junction surface of the N nanorod to form an n-type G
A GaN nanorod in which an aN nanorod, an InGaN quantum well, and a p-type GaN nanorod are successively arranged in this order is used. Further, by arranging a large number of such GaN nanorods in an array, an LED having higher luminance and higher luminous efficiency than that of a conventional laminated film-like GaN LED is provided.
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。
That is, the LED according to the present invention is
A substrate,
A first conductivity type GaN nanorod formed in a direction perpendicular to the substrate, an InGaN quantum well formed on the first conductivity type GaN nanorod, and an InGaN quantum well on the InGaN quantum well. A nanorod array comprising a plurality of nanorods each having a GaN nanorod of the second conductivity type formed;
An electrode pad commonly connected to the first conductivity type GaN nanorods of the nanorod array to apply a voltage;
A transparent electrode that is commonly connected to the second conductivity type GaN nanorods of the nanorod array and applies a voltage. Here, the first conductivity type and the second conductivity type mean n-type and p-type, respectively, or p-type and n-type, respectively.
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。 A transparent insulating material having excellent gap fill characteristics, such as SOG (Spin-On-Glass), SiO 2 or epoxy resin, is embedded between the plurality of nanorods.
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。
The quantum well may be manufactured from a multi quantum well formed by alternately laminating a plurality of InGaN layers and a plurality of GaN barrier layers.
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。
On the other hand, a method of manufacturing a GaN LED according to the present invention includes:
Forming a number of first conductivity type GaN nanorods in an array in the vertical direction of the substrate;
Forming an InGaN quantum well on each of the plurality of first conductivity type GaN nanorods;
Forming a second conductivity type GaN nanorod on each of the InGaN quantum wells;
Forming an electrode pad for applying a voltage to the first conductivity type GaN nanorod;
Forming a transparent electrode connected to the second conductivity type GaN nanorods in common and applying a voltage. Here, the GaN nanorods of the first conductivity type, the InGaN quantum wells, and the GaN nanorods of the second conductivity type are MO-HVPE (metalorganic-hydride).
It is desirable to form in-situ by vapor phase epitaxy method.
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。 According to the GaN LED and the manufacturing method thereof according to the present invention, a high-luminance, high-luminance LED can be obtained in a high yield without using a catalyst or a template.
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。 According to the present invention, since a GaN nanorod having InGaN quantum wells is formed by a single epitaxial growth, a high-luminance and high-quality diode can be obtained while using a conventional growth method as it is.
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。 In particular, according to the present invention, by forming a large number of nanorods having InGaN quantum wells in an array and manufacturing an LED, the light emitted from the side wall can be used as it is, so that the light emission efficiency is greatly increased and the same area is obtained. An LED having significantly higher luminance than that of a conventional light emitting diode can be obtained.
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。 Further, according to the present invention, an LED that outputs visible light or white light having various wavelengths can be easily obtained by using the thickness of the InGaN quantum well, the content of In, and the use of a fluorescent material.
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。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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。
FIG. 1 (a) is a schematic view showing a cross-sectional structure of an LED according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is a plan view showing a planar structure of the LED shown in FIG. 1 (a). FIG.
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。
The LED structure of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. The LED of this embodiment has an n-type
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。
The n-type
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。
A large number of
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。
Here, the InGaN
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。
A large number of
The
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。
The
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。
In a predetermined region on the
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。
When a DC voltage is applied to the two
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。
In particular, in this embodiment, since the InGaN quantum well is formed from each nanorod, visible light with higher luminance is emitted than a simple pn junction diode. In addition, the area of light emission (side wall light emission) is dramatically increased by a large number of nano LEDs, and the light emission efficiency is higher than that of conventional laminated film LEDs.
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。
On the other hand, the wavelength of the emitted light of the LED of the present embodiment can be variously adjusted by adjusting the amount of In in the InGaN quantum well or by adjusting the thickness of the
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。
First, when the In content in InGaN is increased, emission light from the ultraviolet region to all visible light regions such as blue, green, and red can be obtained using the phenomenon that the bandgap becomes smaller and the emission wavelength becomes longer. . Further, the emission wavelength can be changed by adjusting the thickness of the quantum well, that is, the
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。
Furthermore, since the LED of this embodiment has a multiple quantum well structure as described above, white light can be obtained by using this. That is, by dividing the plurality of InGaN layers 33a of the multiple quantum well into several groups and adjusting the content of In in the InGaN layer for each group, for example, a blue light emitting group, a green light emitting group, etc. If a red light emitting group is formed, white light can be obtained as a whole. White light can also be obtained by using a fluorescent material. In particular, in the present embodiment, a white light-emitting LED is easily manufactured by adding a fluorescent material for obtaining white light to the transparent insulating
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。
Although the structure of the LED of the present embodiment has been described above, the specific structure and material can be variously modified. For example, in the above description, an n-type GaN layer is formed and a p-type GaN nanorod is formed thereon, but the n-type and p-type may be reversed. Further, the positions and shapes of the
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。
In the above description, sapphire is used as the
The n-type
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。 Next, a method for manufacturing the GaN LED of the present embodiment as described above will be described.
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。
First, a method for growing GaN by an epitaxial growth method will be described. The epitaxial layer growth methods are roughly classified into VPE (Vapor Phase Epitaxial) growth method, LPE (Liquid Phase Epitaxial) growth method, and SPE (Solid Phase Epitaxial) growth method. is there. Here, the VPE growth method is a method in which a crystal is grown on a substrate through thermal decomposition and reaction while flowing a reaction gas over the substrate, and a hydride VPE (hydride VPE; HVPE) growth method depending on the form of the raw material of the reaction gas. , Halide V
It can be divided into PE (halide VPE) growth method and metalorganic VPE (MOVPE) growth method.
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。 In the present embodiment, it will be described that a GaN layer and an InGaN / GaN quantum well are formed by metal organic hydride vapor phase epitaxy (MO-HVPE), but the present invention is not limited to this method. The GaN layer and the InGaN / GaN quantum well can be preferably formed by other growth methods without being limited thereto.
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。
GaCl, trimethylindium and NH 3 are used as precursors for Ga, In and N, respectively. GaCl is obtained by reacting metal gallium and HCl at a temperature of 600 to 950 ° C. Impurity elements doped to grow n-type GaN and p-type GaN are Si and Mg, respectively, which are supplied in the form of SiH 4 and Cp 2 Mg (Bis (cyclopentadienyl) magnesium), respectively.
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。 Hereinafter, a method of manufacturing the GaN LED of this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (d).
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。
First, as shown in FIG. 3A, a
The
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。
Next, as shown in FIG. 3B, a nanorod array composed of a large number of
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。 On the other hand, normally, when GaN is grown at a high temperature (for example, 1000 ° C. or higher), the initially formed GaN seed rapidly grows not only in the upward direction but also in the lateral direction. It grows in the form of a thin film rather than a film. At this time, dislocations inevitably occur at the boundary where the seeds and the seeds grow sideways, and the dislocations propagate in the thickness direction along with the growth in the thickness direction of the thin film to generate thread dislocations. However, if the process conditions as in the above-described embodiment are maintained, seeds grow mainly upwards without a separate catalyst or template, and a large number of substantially uniform heights and diameters are obtained. N-type GaN nanorods 31 can be grown.
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。
Next, an InGaN quantum well 33 is grown on the n-
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。 Further, as shown in FIG. 2, the InGaN quantum well 33 may have a multiple quantum well structure formed by alternately laminating a plurality of InGaN layers 33a and a plurality of GaN barrier layers 33b. This is obtained by repeating the supply and blocking of the In precursor periodically for a predetermined time.
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。
Next, p-type GaN nanorods 35 are grown on the InGaN quantum well 33. This process is also preferably performed in situ continuously in the reactor in which the InGaN quantum well 33 is grown. Specifically, a
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。
FIG. 4 is a scanning electron microscope photograph of the
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。
After forming the
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。
Next, as shown in FIG. 3D,
A
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。
On the other hand, the
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。
As described above, according to the method of manufacturing a GaN LED according to the present embodiment, a nanorod composed of an n-
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。
On the other hand, features that are not essential in the present embodiment can be modified in any number. For example, the formation procedure and method of the
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。
In the above description, a sapphire wafer is used as the
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。
First, a sapphire (0001) wafer is prepared as the
The n-type
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。
In this way, a 33 mm 2 area multiple quantum well nanorod array was obtained. The density of the nanorod array was about 8 × 10 7
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。
Next, SOG (trade name ACCUGLASS T-12B of Honeywell Electronic Materials Co., Ltd.) 30 so that the gaps between the high aspect ratio nanorods 30 are uniformly filled without voids.
Spin coating was performed for 30 seconds at a rotation speed of 00 rpm, and the film was cured by annealing at 260 ° C. for 90 seconds in the atmosphere. On the other hand, in this example, the spin coating and the curing process were performed in two steps so that the SOG sufficiently filled the gap. Then, the
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。
Next, a Ti /
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。 On the other hand, as a comparative example, a GaN LED having the same size and a laminated film shape was manufactured. The thickness and the configuration of each layer in the LED of the comparative example are the same as those of the embodiment of the present invention, except that they are not nanorods.
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。
FIG. 5A is a graph showing an EL (electroluminescence) spectrum when a direct current of 20 to 100 mA is supplied to the LED of this example manufactured as described above. As shown in FIG. 5A, it can be seen that the LED of this example is a blue light emitting LED having a wavelength of about 465 nm. In addition, as shown in FIG. 5B, the LED of this example shows a blue-shift phenomenon in which the peak wavelength decreases as the supply current increases. This may be due to the screen effect of the built-in internal polarization field in the quantum well due to the injected carriers.
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。
FIG. 6 is a graph showing IV characteristics at room temperature for the LED of this example and the LED of the comparative example. As shown in FIG. 6, the turn-on voltage of the LED of this example is slightly higher than that of the comparative example. This is because the effective contact area of the present example is much smaller than that of the comparative example (the LED of this example can be regarded as a collection of a large number of nano LEDs. Therefore, the contact area of each nano LED with the
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。
FIG. 7 is a graph showing the light output with respect to the forward current, and it can be seen that the light output of the LED of this example is remarkably higher than that of the LED of the comparative example (4.3 times at 20 mA current). Yes, even if the detection area of the light detector is 1 mm 2 , the light output actually felt will be larger than this). This is because, as described above, by forming the nanorod array, the side wall light emission is effectively used as compared with the laminated thin film LED having the same area. Moreover, it was confirmed from the temperature-dependent PL (Photoluminescence) experiment that the LED of this example has a significantly higher quantum efficiency.
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。
On the other hand, FIG. 8 shows a case where an electrode is formed on one InGaN quantum well nanorod, and FIG. 9 is a graph showing IV characteristics in this case. In the nano LED having the structure shown in FIG. 8, after the nanorod array manufactured as described above is dispersed in methanol, the nanorod array is attached to a substrate such as an oxidized silicon substrate, on the n-
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。 Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the embodiments described in this specification and the drawings are only the most desirable embodiments of the present invention, and limit the technical idea of the present invention. It should be understood that there are a variety of equivalents and variations that can be substituted at the time of this application.
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
10. .
Claims (8)
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、温度400〜500℃で大気圧または若干の陽圧下に、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、温度400〜600℃で大気圧または若干の陽圧下に、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。 Forming a large number of first conductivity type GaN nanorods in a vertical direction of the substrate in an array at a temperature of 400 to 600 ° C. under atmospheric pressure or slightly positive pressure;
Forming an InGaN quantum well on each of the first conductivity type GaN nanorods at a temperature of 400 to 500 ° C. under atmospheric pressure or slightly positive pressure;
Forming GaN nanorods of the second conductivity type on the InGaN quantum well, respectively, at a temperature of 400 to 600 ° C. under atmospheric pressure or slightly positive pressure;
Forming an electrode pad for applying a voltage to the first conductivity type GaN nanorod;
Forming a transparent electrode connected to the second conductivity type GaN nanorods in common and applying a voltage.
ことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの製造方法。 The step of forming the quantum well is a step of forming a multiple quantum well by alternately repeating a step of forming an InGaN layer and a step of forming a GaN barrier layer. 2. A method for producing a light-emitting diode according to 1.
ンサイチュ(in-situ)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の
製造方法。 The first conductivity type GaN nanorod, the InGaN quantum well, and the second conductivity type GaN nanorod are formed in-situ by an MO-HVPE (metalorganic-hydride vapor phase epitaxy) method. The method of manufacturing a light emitting diode according to claim 1, wherein
The method of claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate, and the electrode pad is formed on a surface of the silicon substrate opposite to a surface on which nanorods are formed.
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