JP4856666B2 - Light emitting diode element and method for manufacturing the same - Google Patents

Light emitting diode element and method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
JP4856666B2
JP4856666B2 JP2008081667A JP2008081667A JP4856666B2 JP 4856666 B2 JP4856666 B2 JP 4856666B2 JP 2008081667 A JP2008081667 A JP 2008081667A JP 2008081667 A JP2008081667 A JP 2008081667A JP 4856666 B2 JP4856666 B2 JP 4856666B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
emitting diode
semiconductor layer
compound semiconductor
group iii
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008081667A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009238941A (en
Inventor
元一 大津
崇 八井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Agency, National Institute of Japan Science and Technology Agency filed Critical Japan Science and Technology Agency
Priority to JP2008081667A priority Critical patent/JP4856666B2/en
Publication of JP2009238941A publication Critical patent/JP2009238941A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4856666B2 publication Critical patent/JP4856666B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Led Devices (AREA)

Description

本発明は、発光ダイオード素子及びその製造方法に関し、特に、可視光域における広い帯域の発光スペクトルを有し、白色光源として使用するのに好適な発光ダイオード素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a light-emitting diode element and a method for manufacturing the same, and more particularly to a light-emitting diode element having a broad emission spectrum in the visible light region and suitable for use as a white light source and a method for manufacturing the same.

GaN系青色発光ダイオード素子の発明以来、発光ダイオード素子関連の技術の進展が目覚しい。その中でも、効率性、信頼性に優れた白色光源として使用可能な白色発光ダイオード素子の製造技術については、年々著しい進歩を遂げている。   Since the invention of the GaN-based blue light-emitting diode element, the progress of the technology related to the light-emitting diode element has been remarkable. Among them, remarkable progress has been made year by year for the manufacturing technology of white light-emitting diode elements that can be used as a white light source having excellent efficiency and reliability.

従来から提案されている白色発光ダイオード素子の製造技術の一つとしては、赤色、黄色並びに緑色の各色の発光ダイオード素子を一つのパッケージ内に実装させ、これら各発光ダイオード素子を同時に点灯させ、発光色を混色させることによって白色光を実現する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   One of the conventionally proposed technologies for manufacturing white light-emitting diode elements is to mount red, yellow and green light-emitting diode elements in one package, and light up each light-emitting diode element simultaneously to emit light. A technique for realizing white light by mixing colors has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、この他の白色発光ダイオード素子の製造技術としては、青色発光ダイオード素子や、紫外線発光ダイオード素子からの光によって励起される蛍光体を発光ダイオード素子の近傍に設け、この蛍光体によって波長変換を行い、白色光を発生させる技術が提案されている(例えば、特許文献2及び特許文献3参照。)。   As another white light emitting diode element manufacturing technique, a phosphor excited by light from a blue light emitting diode element or an ultraviolet light emitting diode element is provided in the vicinity of the light emitting diode element, and wavelength conversion is performed by this phosphor. Techniques have been proposed that generate white light (see, for example, Patent Document 2 and Patent Document 3).

特開平07−211939号公報Japanese Patent Laid-Open No. 07-211939 特開2002−198573号公報JP 2002-198573 A 特開2005−229048号公報JP 2005-229048 A

しかしながら、上述の特許文献1に開示されたような、三色の発光ダイオード素子を用いて白色光を実現する場合、各色の発光ダイオード素子ごとに駆動電圧、発光出力強度が異なっているため、所望の発光スペクトルを有する白色光源を実現するために、複雑な電力供給回路、並びに駆動回路を設ける必要があった。このため、三色の発光ダイオード素子を用いて白色光を実現する場合は、製造工程数が多くなり製造コストが上昇し易く、さらには、発光ダイオードを小型化しにくいという問題点があった。   However, when white light is realized using the light emitting diode elements of three colors as disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, the driving voltage and the light emission output intensity are different for each light emitting diode element of each color. In order to realize a white light source having an emission spectrum of 1, it is necessary to provide a complicated power supply circuit and a drive circuit. For this reason, when white light is realized using light emitting diode elements of three colors, there are problems that the number of manufacturing steps is increased and the manufacturing cost is likely to increase, and further, it is difficult to reduce the size of the light emitting diode.

また、上述の特許文献2や特許文献3に開示されたような、蛍光体を用いて白色光を実現する場合、発光ダイオード素子から生じた光の一部が、蛍光体内において熱エネルギーに変換されたり、蛍光体内で散乱することになるため、光エネルギーの損失が大きく、エネルギー利用効率が悪いという問題点がある。   In addition, when white light is realized using a phosphor as disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3 described above, part of the light generated from the light emitting diode element is converted into thermal energy in the phosphor. In other words, there is a problem that light energy loss is large and energy utilization efficiency is poor.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、製造が容易であり、エネルギー利用効率に優れ、白色光源として使用するのに好適な発光ダイオード素子の製造方法を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is light emission that is easy to manufacture, has excellent energy utilization efficiency, and is suitable for use as a white light source. The object is to provide a method for manufacturing a diode element.

本発明者は、上述した課題を解決するために、複数の柱状ナノ構造体が表面上に形成された基板が設置されたチャンバ内に対して、ガリウム化合物又はアルミニウム化合物を含む第1のIII族原料ガスと、V族原料ガスと、インジウム化合物を含む第2の原料ガスとを上記チャンバ内へ供給し、上記第2のIII族原料ガスの吸収端波長よりも長波長からなる光を照射することによって、上記柱状ナノ構造体の形状に応じて発生させられる近接場光に基づき上記第2の原料ガスを分解させて、In系III-V族化合物半導体層を上記柱状ナノ構造体の外面上に成長させる工程を有することを特徴とする発光ダイオード素子の製造方法を発明した。   In order to solve the above-described problems, the present inventor has first group III containing a gallium compound or an aluminum compound in a chamber in which a substrate on which a plurality of columnar nanostructures are formed is installed. A source gas, a group V source gas, and a second source gas containing an indium compound are supplied into the chamber and irradiated with light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the second group III source gas. Accordingly, the second source gas is decomposed based on near-field light generated according to the shape of the columnar nanostructure, and the In group III-V compound semiconductor layer is formed on the outer surface of the columnar nanostructure. Invented a method of manufacturing a light-emitting diode device, characterized by having a step of growing the substrate.

即ち、本願請求項1に係る発光ダイオード素子の製造方法は、複数の柱状ナノ構造体が表面上に形成された基板が設置されたチャンバ内に対して、ガリウム化合物又はアルミニウム化合物を含む第1のIII族原料ガスと、V族原料ガスと、インジウム化合物を含む第2の原料ガスとを上記チャンバ内へ供給し、上記第1のIII族原料ガス、V族原料ガス及び第2のIII族原料ガスを分解させて上記柱状ナノ構造体及び基板の外面に堆積させるとともに、上記第2のIII族原料ガスの吸収端波長よりも長波長からなる光を照射することによって、上記柱状ナノ構造体の形状に応じて発生させられる近接場光に基づき上記第2のIII族原料ガスを分解させて、ガリウム又はアルミニウムのインジウムに対する組成比が、上記柱状ナノ構造体の角部及び根元部において大きく、当該角部及び根元部から離間するにつれて小さくなるような濃度分布を有するIII-V族化合物半導体層を上記柱状ナノ構造体の外面上に成長させる工程を有することを特徴とする。

That is, in the method for manufacturing a light-emitting diode device according to claim 1 of the present application, the first containing a gallium compound or an aluminum compound in a chamber in which a substrate on which a plurality of columnar nanostructures are formed is installed. A group III source gas, a group V source gas, and a second source gas containing an indium compound are supplied into the chamber, and the first group III source gas, the group V source gas, and the second group III source material are supplied. Gas is decomposed and deposited on the outer surface of the columnar nanostructure and the substrate, and by irradiating light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the second group III source gas, based on the near-field light is generated in accordance with the shape by decomposing the second group III source gas, the composition ratio of indium gallium or aluminum, the corners of the columnar nano-structure and root portion Oite large, characterized by having a step of growing the group III-V compound semiconductor layer having a smaller becomes such concentration distribution as away from the corner portion and the root portion on the outer surface of the columnar nanostructure.

本願請求項に係る発光ダイオード素子の製造方法は、本願請求項1に記載の発明において、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記柱状ナノ構造体の形状に応じて形成される局所領域に近接場光を発生させ、その発生させた近接場光に基づき上記第2の原料ガスを分解させることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a light-emitting diode device according to the first aspect of the present invention, wherein the step of growing the III-V compound semiconductor layer is formed according to the shape of the columnar nanostructure. Near-field light is generated in a local region, and the second source gas is decomposed based on the generated near-field light.

本願請求項に係る発光ダイオード素子の製造方法は、請求項1又は2に記載の発明において、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程の前に、上記柱状ナノ構造体の外面上に第1導電型のクラッド層を成長させる工程を更に有し、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程の後に、上記柱状ナノ構造体の外面上に第2導電型のクラッド層を成長させる工程を更に有することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a light-emitting diode device according to the first or second aspect of the present invention, wherein the step of growing the III-V compound semiconductor layer is performed on the outer surface of the columnar nanostructure. The method further comprises the step of growing a first conductivity type cladding layer, and after the step of growing the III-V compound semiconductor layer, the second conductivity type cladding layer is grown on the outer surface of the columnar nanostructure. The method further includes a step.

本願請求項に係る発光ダイオード素子の製造方法は、請求項1又は2に記載の発明において、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記柱状ナノ構造体と上記基板との間に第1導電型のクラッド層が積層された基板の上記柱状ナノ構造体の外面上に、当該III-V族化合物半導体層を成長させ、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程の後に、上記柱状ナノ構造体の外面上に第2導電型のクラッド層を成長させる工程を更に有することを特徴とする。

According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a light emitting diode device according to the first or second aspect of the present invention, wherein in the step of growing the III-V group compound semiconductor layer, the columnar nanostructure is interposed between the substrate and the substrate. After the step of growing the group III-V compound semiconductor layer on the outer surface of the columnar nanostructure of the substrate on which the first conductivity type cladding layer is laminated, and growing the group III-V compound semiconductor layer The method further comprises the step of growing a clad layer of the second conductivity type on the outer surface of the columnar nanostructure.

本願請求項に係る発光ダイオード素子の製造方法は、請求項1〜の何れか1項に記載の発明において、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記柱状ナノ構造体としてZnOからなるナノロッドが形成された基板の上記柱状ナノ構造体の外周面上に、当該III-V族化合物半導体層を成長させることを特徴とする。

The method for manufacturing a light-emitting diode element according to claim 5 of the present application is the invention according to any one of claims 1 to 4 , wherein the columnar nanostructure is formed in the step of growing the III-V compound semiconductor layer. The III-V compound semiconductor layer is grown on the outer peripheral surface of the columnar nanostructure of a substrate on which nanorods made of ZnO are formed.

本願請求項に係る発光ダイオード素子の製造方法は、請求項1〜の何れか1項記載の発明において、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記第1の原料ガス及び上記V族原料ガスを、上記基板を所定温度に加熱する、又はプラズマ放電によって分解させ、当該III-V族化合物半導体層を成長させることを特徴とする。

A method for manufacturing a light-emitting diode element according to claim 6 of the present application is the invention according to any one of claims 1 to 5 , wherein in the step of growing the III-V group compound semiconductor layer, the first source gas and The group V source gas is heated to a predetermined temperature or decomposed by plasma discharge to grow the group III-V compound semiconductor layer.

本願請求項に係る発光ダイオード素子の製造方法は、請求項1〜の何れか1項に記載の発明において、上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記第1のIII族原料ガスを供給する代わりに、分子線エピタクシー法によってガリウム原子又はアルミニウム原子を上記チャンバ内へ供給し、当該III-V族化合物半導体層を成長させることを特徴とする。

A manufacturing method of a light emitting diode element according to claim 7 of the present application is the invention according to any one of claims 1 to 6 , wherein in the step of growing the III-V compound semiconductor layer, the first group III Instead of supplying the source gas, gallium atoms or aluminum atoms are supplied into the chamber by molecular beam epitaxy to grow the III-V group compound semiconductor layer.

また、本発明者は、基板と、上記基板の表面上に形成された複数の柱状ナノ構造体と、上記柱状ナノ構造体の外面上に積層され、ガリウム又はアルミニウムとインジウムとが含有されてなるIII-V族化合物半導体層とを備え、上記III-V族化合物半導体層は、ガリウム又はアルミニウムのインジウムに対する組成比が、上記柱状ナノ構造体の角部及び根元部において大きく、当該角部及び根元部から離間するにつれて小さくなるような濃度分布を有することを特徴とする、本願請求項に記載の発光ダイオード素子を発明した。

The inventor also includes a substrate, a plurality of columnar nanostructures formed on the surface of the substrate, laminated on the outer surface of the columnar nanostructure, and contains gallium or aluminum and indium. A group III-V compound semiconductor layer, in which the composition ratio of gallium or aluminum to indium is large at the corners and roots of the columnar nanostructure , and the corners and roots The light-emitting diode element according to claim 8 is invented, wherein the light-emitting diode element has a concentration distribution that decreases with increasing distance from the portion .

本願請求項に係る発光ダイオード素子は、本願請求項に記載の発明において、上記柱状ナノ構造体の外面上には、第1導電型のクラッド層、上記III-V族化合物半導体層及び第2導電型のクラッド層が順次積層されていることを特徴とする。
The light-emitting diode element according to claim 9 of the present invention is the light-emitting diode element according to claim 8 , wherein the first conductive type cladding layer, the III-V group compound semiconductor layer, and the first layer are formed on the outer surface of the columnar nanostructure. A two-conductivity-type clad layer is sequentially laminated.

本願請求項10に係る発光ダイオード素子は、本願請求項9に記載の発明において、上記柱状ナノ構造体は、上記基板上に積層された第1導電型のクラッド層上に形成され、上記柱状ナノ構造体の外面上には、上記III-V族化合物半導体層及び第2導電型のクラッド層が順次積層されていることを特徴とする。
A light-emitting diode device according to claim 10 of the present invention is the light-emitting diode device according to claim 9, wherein the columnar nanostructure is formed on a first conductivity type clad layer stacked on the substrate, and the columnar nanostructure is formed. The III-V group compound semiconductor layer and the second conductivity type cladding layer are sequentially stacked on the outer surface of the structure.

本願請求項11に係る発光ダイオード素子は、本願請求項又は10に記載の発明において、上記第1導電型のクラッド層、上記III-V族化合物半導体層及び上記第2導電型のクラッド層に対して電圧を印加するための一組の電極を更に備えることを特徴とする。
A light emitting diode device according to claim 11 of the present invention is the light emitting diode device according to claim 9 or 10 , wherein the first conductivity type cladding layer, the III-V compound semiconductor layer, and the second conductivity type cladding layer are formed on the first conductivity type cladding layer. A pair of electrodes for applying a voltage is further provided.

本願請求項12に係る発光ダイオード素子は、本願請求項9〜11の何れか1項記載の発明において、上記柱状ナノ構造体は、ZnOからなるナノロッドであることを特徴とする。
The light-emitting diode element according to claim 12 of the present invention is characterized in that, in the invention according to any one of claims 9 to 11 , the columnar nanostructure is a nanorod made of ZnO.

本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって、図6に示すように、活性層15を積層させるべき層の表面において、TMIn等のIII族原料ガスやNH等のV族原料ガスが熱解離等により分解され、成長することになる。また、ナノロッド13の角部13aや境界部13bにおいて、即ち、電場強度の強い近接場光が生じやすい局所領域においては、光源43から照射される光に基づき近接場光が発生する。この発生した近接場光によって、TMInが光解離によってInに大量に分解され、その局所領域において成長することになる。ここで、In以外の原料ガスであるTMGやTMAl等よりもInの原料ガスであるTMIn等のほうが、照射される光と吸収端波長との差が小さいため、In以外の原料ガスの分解量に対してInの原料ガスは1000倍程度多い量分解されることになる。このため、その局所領域の近傍においてInの組成比が高くなり、その局所領域から離間するにつれて連続的にInの組成比が低くなることになる。即ち、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって、ナノロッド13の形状に応じた、Inの濃度分布を有する活性層を得ることができる。 With the method of manufacturing a light emitting diode device to which the present invention is applied, a group III source gas such as TMIn or a group V source gas such as NH 3 is heated on the surface of the layer on which the active layer 15 is to be stacked, as shown in FIG. It is decomposed by dissociation or the like and grows. In addition, near-field light is generated based on the light emitted from the light source 43 in the corner portion 13a and the boundary portion 13b of the nanorod 13, that is, in a local region in which near-field light having a strong electric field strength is likely to be generated. Due to the generated near-field light, TMIn is decomposed in large quantities by photodissociation and grows in the local region. Here, since the difference between the irradiated light and the absorption edge wavelength is smaller in TMIn, which is a source gas of In, than TMG, TMAl, etc., which are source gases other than In, the amount of decomposition of the source gas other than In In contrast, the amount of In source gas is decomposed by about 1000 times. For this reason, the In composition ratio increases in the vicinity of the local region, and the In composition ratio continuously decreases as the distance from the local region increases. That is, an active layer having an In concentration distribution corresponding to the shape of the nanorod 13 can be obtained by the method for manufacturing a light-emitting diode element to which the present invention is applied.

また、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって得られる発光ダイオード素子は、Inと他のIII族元素とを含むIn系III-V族化合物半導体層である活性層15の、Inの他のIII族元素に対する濃度分布が、ナノロッド13の形状に応じて異なっている。Inの他のIII族元素に対する濃度分布が多い部位においては、バンドギャップが小さくなって発光波長が長くなり、Inの他のIII族元素に対する濃度分布が少ない部位においては、バンドギャップが大きくなって発光波長が短くなる。このため、Inの他のIII族元素に対する濃度分布が多い部位である、ナノロッド13の角部13aや境界部13bのような、ナノロッド13の形状に応じて形成される局所領域の近傍においては、例えば、赤色のような放射光が得られ、その局所領域から離間するにつれて、例えば、赤色領域から黄色、緑、青色と連続的に色の異なる放射光が得られることになる。これは、ナノロッド13一つにつき、例えば赤色のようなバンドギャップが比較的小さい場合に得られる発光色から、青色のようなバンドギャップが比較的大きい場合に得られる発光色までの幅広い発光スペクトルの放射光を得ることが可能であること、即ち、白色光源として利用可能な活性層15を得ることが可能であることを意味している。このため、このようなナノロッド13が複数形成されている発光ダイオード素子1により、これを白色光源として用いることが可能となる。   In addition, the light emitting diode element obtained by the method of manufacturing a light emitting diode element to which the present invention is applied includes an In layer III-V compound semiconductor layer containing In and other group III elements, and other than In. The concentration distribution with respect to the group III element differs depending on the shape of the nanorod 13. In the region where the concentration distribution of other In group III elements is large, the band gap becomes smaller and the emission wavelength becomes longer, and in the region where the concentration distribution of other In group III elements is small, the band gap becomes larger. The emission wavelength is shortened. For this reason, in the vicinity of a local region formed according to the shape of the nanorod 13, such as the corner portion 13a and the boundary portion 13b of the nanorod 13, which is a portion having a large concentration distribution with respect to other group III elements of In, For example, radiant light such as red is obtained, and radiant light having different colors continuously from yellow, green, and blue, for example, is obtained from the red region as the distance from the local region increases. This is because, for each nanorod 13, for example, a broad emission spectrum from an emission color obtained when the band gap such as red is relatively small to an emission color obtained when the band gap such as blue is relatively large. This means that it is possible to obtain emitted light, that is, it is possible to obtain an active layer 15 that can be used as a white light source. For this reason, the light emitting diode element 1 in which a plurality of such nanorods 13 are formed can be used as a white light source.

以下、本発明を実施するための最良の形態として、白色光源として使用可能な発光ダイオード素子の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, as a best mode for carrying out the present invention, a method for manufacturing a light-emitting diode element that can be used as a white light source will be described in detail with reference to the drawings.

まず、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって形成された発光ダイオード素子について説明する。   First, a light emitting diode element formed by a method for manufacturing a light emitting diode element to which the present invention is applied will be described.

図1は、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって形成された、発光ダイオード素子1の構成を示しており、(a)はその概略断面側面図を、(b)はその平面図を、(c)が一部拡大断面側面図を示している。   FIG. 1 shows a configuration of a light-emitting diode element 1 formed by a method for manufacturing a light-emitting diode element to which the present invention is applied, wherein (a) is a schematic sectional side view, and (b) is a plan view thereof. (C) has shown the partially expanded sectional side view.

図1に示すように、発光ダイオード素子1は、基板11と、基板11の表面上に形成された複数のナノロッド13とを備えている。基板11上には、図1(a)や図1(c)に示すように、n型クラッド層12が積層されており、複数のナノロッド13は、そのn型クラッド層12の上に形成されている。複数のナノロッド13の外面上並びにn型クラッド層12上には、活性層15と、透明絶縁層16と、p型クラッド層17とが順次積層されている。また、n型クラッド層12の一部の上面12aは、露出されるように形成されており、その露出された上面12aに電極パッド18が取り付けられている。また、p型クラッド層17の表面には電極パッド19が取り付けられている。   As shown in FIG. 1, the light-emitting diode element 1 includes a substrate 11 and a plurality of nanorods 13 formed on the surface of the substrate 11. As shown in FIGS. 1A and 1C, an n-type cladding layer 12 is laminated on the substrate 11, and a plurality of nanorods 13 are formed on the n-type cladding layer 12. ing. An active layer 15, a transparent insulating layer 16, and a p-type cladding layer 17 are sequentially stacked on the outer surfaces of the plurality of nanorods 13 and the n-type cladding layer 12. Further, a part of the upper surface 12a of the n-type cladding layer 12 is formed so as to be exposed, and an electrode pad 18 is attached to the exposed upper surface 12a. An electrode pad 19 is attached to the surface of the p-type cladding layer 17.

基板11は、その表面上において半導体層を堆積、成長させるために用いられるものである。基板11の材質は、例えば、サファイア(Al)やシリコンカーバイト(SiC)によって構成されるものであるが、これに限定されるものではない。 The substrate 11 is used for depositing and growing a semiconductor layer on the surface thereof. The material of the substrate 11 is made of, for example, sapphire (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC), but is not limited thereto.

ナノロッド13は、図2に示すように、基板11の表面に対して略直立状態となるように形成された柱状のナノ構造体である。ナノロッド13の材質は、本実施の形態において、ZnOから構成されているが、これに限定されるものではなく、例えばGaN、AlN、AlGaN若しくはAlGaInNによって構成されていてもよい。   As shown in FIG. 2, the nanorod 13 is a columnar nanostructure formed so as to be substantially upright with respect to the surface of the substrate 11. The material of the nanorod 13 is made of ZnO in the present embodiment, but is not limited thereto, and may be made of, for example, GaN, AlN, AlGaN, or AlGaInN.

ナノロッド13の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の如何なる手法によって具体化されていてもよい。ナノロッド13は、例えば、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって製造される。   The manufacturing method of the nanorod 13 is not particularly limited, and may be embodied by any known technique. The nanorods 13 are manufactured by, for example, metal organic chemical vapor deposition (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

n型クラッド層12は、本実施の形態において、Siのようなn型不純物元素が導入されたGaNである。また、p型クラッド層17は、本実施の形態において、Mgのようなp型不純物元素が導入されたGaNである。なお、この他のn型クラッド層12、p型クラッド層17としては、例えば、AlNが挙げられるが、これに限定するものではなく、公知のいかなる組成のクラッド層から構成されていてもよい。   The n-type cladding layer 12 is GaN doped with an n-type impurity element such as Si in the present embodiment. The p-type cladding layer 17 is GaN doped with a p-type impurity element such as Mg in the present embodiment. Other examples of the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 17 include AlN. However, the present invention is not limited to this, and the clad layer may have any known composition.

透明絶縁層16は、基板11上に形成された複数のナノロッド13間を絶縁するとともに、複数のナノロッド13に加えられる衝撃からナノロッド13そのものを保護するために積層されるものである。また、透明絶縁層16は、ナノロッド13の表面に形成された活性層15の上部が、p型クラッド層17によって共通して電気的に連結されるようにする下地層の役割を果たす。このため、透明絶縁層16は、図1(a)に示すように、その上端部16a高さが活性層15の上端部15a高さより低くなるようにされている。透明絶縁層16の材質は特に限定されないが、例えば透明なSOG(Spin On Glass)、SiO2或いはエポキシ樹脂等によって具体化される。

The transparent insulating layer 16 is laminated to insulate the plurality of nanorods 13 formed on the substrate 11 and to protect the nanorods 13 themselves from an impact applied to the plurality of nanorods 13 . In addition, the transparent insulating layer 16 serves as a base layer that allows the upper part of the active layer 15 formed on the surface of the nanorod 13 to be electrically connected in common by the p-type cladding layer 17. Therefore, the transparent insulating layer 16 is configured such that the height of the upper end portion 16a is lower than the height of the upper end portion 15a of the active layer 15, as shown in FIG. The material of the transparent insulating layer 16 is not particularly limited. For example, the transparent insulating layer 16 is embodied by transparent SOG (Spin On Glass), SiO 2, epoxy resin, or the like.

電極パッド18、電極パッド19は、n型クラッド層12とp型クラッド層17とに対して電圧を印加するための一組の電極端子として取り付けられるものである。この電極パッド18、電極パッド19の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、3〜7nm程度の厚みからなり、Ti、Al、Pd、Au等から選択される何れか一種又は二種以上によって構成される。電極パッド18、電極パッド19には、図示しないワイヤがボンディングされ、これによって電圧が印加される。   The electrode pad 18 and the electrode pad 19 are attached as a set of electrode terminals for applying a voltage to the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 17. The material of the electrode pad 18 and the electrode pad 19 is not particularly limited. For example, the electrode pad 18 and the electrode pad 19 have a thickness of about 3 to 7 nm, and any one or two selected from Ti, Al, Pd, Au, and the like. It is comprised by the above. A wire (not shown) is bonded to the electrode pad 18 and the electrode pad 19, and a voltage is thereby applied.

活性層15は、本発明において最も重要な半導体層である。活性層15は、p型クラッド層17からn型クラッド層12に通電した場合に、即ち、順方向に通電した場合に発光する半導体層のことをいう。活性層15は、本実施の形態において、ガリウム(Ga)と、インジウム(In)と窒素(N)とを含有し、InGaNで表されるIn系III-V族化合物半導体として構成されるものである。活性層15に含有されるGaと、Inとは、Inの主発光ピークの方が、Gaの主発光ピークよりも長波長側の波長領域に属するという条件を満たしている。
The active layer 15 is the most important semiconductor layer in the present invention. The active layer 15 is a semiconductor layer that emits light when the p-type cladding layer 17 is energized to the n-type cladding layer 12 , that is, when energized in the forward direction. In this embodiment, the active layer 15 includes gallium (Ga), indium (In), and nitrogen (N), and is configured as an In-based III-V group compound semiconductor represented by InGaN. is there. Ga and In contained in the active layer 15 satisfy the condition that the main emission peak of In belongs to a wavelength region longer than the main emission peak of Ga.

なお、活性層15は、上述のInGaNからなるものに限定するものではなく、III族元素としてInと、アルミニウム(Al)又はGaのうちの一種又は二種とを含有するとともに、V族元素としてN、リン(P)、砒素(As)のうちの何れか一種が含有されていればよい。活性層15は、例えば、InGaNの他に、InAlN等の3元混晶の半導体層や、AlInGaN、AlInGaPのような4元混晶の半導体層として構成されるものであるが、Inを含有する公知の3元混晶、4元混晶、5元以上の混晶の半導体層として構成されるものであれば特に限定しない。

The active layer 15 is not limited to the above-described InGaN, but contains In as a group III element and one or two of aluminum (Al) or Ga, and as a group V element. Any one of N, phosphorus (P), and arsenic (As ) may be contained. The active layer 15 is configured, for example, as a ternary mixed crystal semiconductor layer such as InAlN or a quaternary mixed crystal semiconductor layer such as AlInGaN or AlInGaP in addition to InGaN, but contains In. There is no particular limitation as long as it is configured as a known ternary mixed crystal, quaternary mixed crystal, or ternary mixed crystal semiconductor layer.

以下、本実施の形態においては、活性層15として、Ga並びにInとNとのIn系III-V族化合物半導体として構成される活性層15を例に説明する。   Hereinafter, in the present embodiment, the active layer 15 will be described using the active layer 15 configured as an In-based III-V compound semiconductor of Ga and In and N as an example.

活性層15は、図3に示すように、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって、ナノロッド13の形状に応じたInの濃度分布を有するように形成されている。このInの濃度分布は、ナノロッド13の形状に応じた位置において、InGa(1−x)N(0≦x≦1)の組成比で表されるものとする。活性層15の濃度分布は、例えば、ナノロッド13の上端の角部13aの近傍や、活性層15が積層されるべき層であるn型クラッド層12とナノロッド13との境界部13bの近傍において、Gaに対するInの組成比が高く構成され、その角部13aや境界部13bから離間するにつれて、Gaに対するInの組成比が減少するようにされている。これは、後述するように、ナノロッド13の形状に応じて形成される、角部13aや境界部13bのような局所領域において、近接場光が発生することに基づいている。 As shown in FIG. 3, the active layer 15 is formed so as to have an In concentration distribution corresponding to the shape of the nanorod 13 by a method for manufacturing a light-emitting diode element to which the present invention is applied. This In concentration distribution is represented by a composition ratio of In x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) at a position corresponding to the shape of the nanorod 13. The concentration distribution of the active layer 15 is, for example, in the vicinity of the upper corner 13a of the nanorod 13 or in the vicinity of the boundary 13b between the n-type cladding layer 12 and the nanorod 13 where the active layer 15 is to be laminated. The composition ratio of In to Ga is high, and the composition ratio of In to Ga decreases as the distance from the corner portion 13a or the boundary portion 13b increases. This is based on the fact that near-field light is generated in a local region such as the corner portion 13a and the boundary portion 13b, which is formed according to the shape of the nanorod 13, as will be described later.

次に、図4に概略的に示すような、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法を実現するための結晶成長装置3について説明する。   Next, a crystal growth apparatus 3 for realizing a method for manufacturing a light emitting diode element to which the present invention is applied as schematically shown in FIG. 4 will be described.

この結晶成長装置3は、MOVPE法を実現するために用いられる装置である。   This crystal growth apparatus 3 is an apparatus used for realizing the MOVPE method.

結晶成長装置3は、チャンバ31と、チャンバ31内に配置され、基板11を載置するためのステージ33と、チャンバ31内に原料ガスを供給するための複数のガス供給管35と、チャンバ31内の原料ガス等を排気するためのガス排気管37と、チャンバ31内に光を導入するための開口窓39とを備えている。   The crystal growth apparatus 3 is disposed in the chamber 31, a stage 33 for placing the substrate 11, a plurality of gas supply pipes 35 for supplying a source gas into the chamber 31, and the chamber 31. A gas exhaust pipe 37 for exhausting the raw material gas and the like inside, and an opening window 39 for introducing light into the chamber 31 are provided.

チャンバ31内には、n型クラッド層12や活性層15等の各半導体層の原料となる原料ガスが複数のガス供給管35から供給されている。チャンバ31内には、チャンバ31内の圧力を検出する図示しない圧力センサが設けられており、圧力センサによって検出された圧力に基づいて、ガス供給管35からのガス供給量並びにガス排気管37による排気量を調節して、チャンバ31内の内圧の自動制御が可能となっている。   In the chamber 31, source gases serving as raw materials for the respective semiconductor layers such as the n-type cladding layer 12 and the active layer 15 are supplied from a plurality of gas supply pipes 35. A pressure sensor (not shown) for detecting the pressure in the chamber 31 is provided in the chamber 31. Based on the pressure detected by the pressure sensor, the gas supply amount from the gas supply pipe 35 and the gas exhaust pipe 37 are used. The internal pressure in the chamber 31 can be automatically controlled by adjusting the exhaust amount.

結晶成長装置3は、チャンバ31の外部であってステージ33の周囲において設けられた複数のRF(Radio Frequency)ヒータ41と、チャンバ31の内部において設けられた図示しない温度センサとを更に備えている。結晶成長装置3は、この温度センサによって検出された温度に基づいて、RFヒータ41によってチャンバ31内、特にステージ33周囲の温度を所定温度に制御可能とされている。   The crystal growth apparatus 3 further includes a plurality of RF (Radio Frequency) heaters 41 provided outside the chamber 31 and around the stage 33, and a temperature sensor (not shown) provided inside the chamber 31. . The crystal growth apparatus 3 can control the temperature inside the chamber 31, particularly around the stage 33, to a predetermined temperature by the RF heater 41 based on the temperature detected by the temperature sensor.

結晶成長装置3には、チャンバ31の外部において、ステージ33上に光を照射するための光源43が設けられている。この光源43からは、図示しない駆動電源による制御に基づき、所定の波長を有する光が射出される。光源43から射出された光は、チャンバ31の開口窓39を介してステージ33上に載置される基板11を照射することになる。   The crystal growth apparatus 3 is provided with a light source 43 for irradiating light onto the stage 33 outside the chamber 31. The light source 43 emits light having a predetermined wavelength based on control by a driving power source (not shown). The light emitted from the light source 43 irradiates the substrate 11 placed on the stage 33 through the opening window 39 of the chamber 31.

この光源43は、例えば、He−Neレーザー発振器、Arレーザー発振器、He−Cdレーザー発振器、C 2レーザー発振器、又は半導体レーザー発振器等によって具体化される。なお、光源43から射出された光のビーム径やビーム形状を制御し、光を照射する範囲を絞るために、照射光学系を設けるようにしてもよい。

The light source 43 is embodied by, for example, a He—Ne laser oscillator, an Ar laser oscillator, a He—Cd laser oscillator, a CO 2 laser oscillator, or a semiconductor laser oscillator. Note that an irradiation optical system may be provided in order to control the beam diameter and beam shape of the light emitted from the light source 43 and narrow the range of light irradiation.

次に、このような構成からなる結晶成長装置3により、発光ダイオード素子1を製造する方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the light-emitting diode element 1 using the crystal growth apparatus 3 having such a configuration will be described.

先ず、図5(a)に示すように、表面上に何も形成されていない基板11を、チャンバ31内のステージ33上に配置し、基板11上においてn型クラッド層12を成長させる。本実施の形態において、n型クラッド層12がGaNであることから、ガス供給管35からガリウム源のIII族原料ガスとしてガリウム化合物のTMG(トリメチルガリウム)、窒素源のV族原料ガスとして窒素化合物のNHを導入するとともに、Siを層内にドーピングするためのSiHを導入する。なお、GaNは、Siを導入しなくとも窒素空孔や酸素不純物等によりn型の特性を有するためSiHの導入を省略してもよい。なお、この場合、例えば、温度を400〜500℃、圧力を1torr〜760torr(大気圧)、TMG、NH及びSiHの流量をそれぞれ30〜70sccm、1000〜2000sccm、5〜20sccm程度となるように調整する。 First, as shown in FIG. 5A, the substrate 11 on which nothing is formed is placed on the stage 33 in the chamber 31, and the n-type cladding layer 12 is grown on the substrate 11. In this embodiment, since the n-type cladding layer 12 is GaN, a gallium compound TMG (trimethylgallium) is used as a group III source gas of a gallium source from a gas supply pipe 35, and a nitrogen compound is used as a group V source gas of a nitrogen source. NH 3 is introduced, and SiH 4 for doping Si into the layer is introduced. Note that since GaN has n-type characteristics due to nitrogen vacancies, oxygen impurities, or the like without introducing Si, the introduction of SiH 4 may be omitted. In this case, for example, the temperature is 400 to 500 ° C., the pressure is 1 torr to 760 torr (atmospheric pressure), and the flow rates of TMG, NH 3 and SiH 4 are about 30 to 70 sccm, 1000 to 2000 sccm, and 5 to 20 sccm, respectively. Adjust to.

次に、図5(b)に示すように、n型クラッド層12上にZnOからなる複数のナノロッド13を形成させる。この場合、亜鉛源の原料ガスとして亜鉛化合物のジエチル亜鉛ガスと、酸素源の原料ガスとして酸素をガス供給管35から供給し、温度、圧力を所定範囲に調整して、ナノロッド13を形成させることになる。なお、この場合、例えば、温度を450℃±10%、圧力を1torr〜760torr(大気圧)程度となるように調整する。なお、ジエチル亜鉛ガスは、亜鉛を含む化合物からなる有機金属ガスであればよく、酸素は、二酸化窒素等の酸素元素を含む化合物からなる気体や蒸気であればよい。   Next, as shown in FIG. 5B, a plurality of nanorods 13 made of ZnO are formed on the n-type cladding layer 12. In this case, diethylzinc gas of zinc compound as the source gas of the zinc source and oxygen as the source gas of the oxygen source are supplied from the gas supply pipe 35, and the temperature and pressure are adjusted to a predetermined range to form the nanorods 13. become. In this case, for example, the temperature is adjusted to 450 ° C. ± 10%, and the pressure is adjusted to about 1 to 760 torr (atmospheric pressure). The diethyl zinc gas may be an organic metal gas made of a compound containing zinc, and the oxygen may be a gas or vapor made of a compound containing an oxygen element such as nitrogen dioxide.

次に、図5(c)に示すように、ナノロッド13の外面上及びn型クラッド層12上に活性層15を成長させる。この場合、ガリウム源のIII族原料ガスとしてガリウム化合物のTMG、インジウム源のIII族原料ガスとしてインジウム化合物のTMIn(トリメチルインジウム)、窒素源のV族原料ガスとしてNH3をガス供給管35から供給することになる。更に、活性層15を成長させるためには、インジウム源のIII族原料ガスであるTMInの吸収端波長よりも長波長からなる光を基板11上へ照射することになる。なお、この場合、基板11上の温度は、TMGやTMInが熱解離可能となる温度である500℃以上となるように調整し、更に、光源43から照射される光の波長は、TMInの吸収端波長が300nm程度であるので、320〜450nm程度となるように調整する。この光源43としては、発振される光の波長がそれぞれ325nm、350nm、410nm程度であるHe−Cdレーザー発振器、CO 2レーザー発振器、半導体レーザー発振器を用いることができる。また、例えば、圧力を1〜760(大気圧)torr、TMG、TMIn及びNH3の流量をそれぞれ30〜70sccm、10〜40sccm、1000〜2000sccmと調整する。
Next, as shown in FIG. 5C, the active layer 15 is grown on the outer surface of the nanorod 13 and on the n-type cladding layer 12. In this case, TMG of a gallium compound as a group III source gas of a gallium source, TMIn (trimethylindium) of an indium compound as a group III source gas of an indium source, and NH 3 as a group V source gas of a nitrogen source are supplied from a gas supply pipe 35. Will do. Furthermore, in order to grow the active layer 15, light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of TMIn which is a group III source gas of the indium source is irradiated onto the substrate 11 . In this case, the temperature on the substrate 11 is adjusted to be 500 ° C. or higher, which is the temperature at which TMG and TMIn can be thermally dissociated, and the wavelength of light emitted from the light source 43 is the absorption of TMIn. Since the edge wavelength is about 300 nm, adjustment is made to be about 320 to 450 nm. As the light source 43, a He—Cd laser oscillator, a CO 2 laser oscillator, or a semiconductor laser oscillator whose wavelengths of oscillated light are about 325 nm, 350 nm, and 410 nm, respectively, can be used. Further, for example, the pressure is adjusted to 1 to 760 (atmospheric pressure) torr, TMG, TMIn, and NH 3 to 30 to 70 sccm, 10 to 40 sccm, and 1000 to 2000 sccm, respectively.

このように調整することにより、図6に示すように、TMGやTMInのIII族原料ガスやNHのV族原料ガスが、活性層15を積層させるべき層の表面である、ナノロッド13の外面上及びn型クラッド層12の表面上において、熱解離により分解され、Ga、In並びにNが堆積されることになる。また、ナノロッド13の角部13aや境界部13bにおいて、即ち、発光強度の強い近接場光が生じやすい局所領域においては、光源43から照射される光に基づき近接場光が発生する。これは、ナノロッド13の形状に応じた部位に、電場強度の異なる近接場光が発生していることを意味している。このナノロッド13の形状に応じて発生した近接場光に基づき、TMInが光解離によってInに大量に分解され、その結果、ナノロッド13の角部13aや境界部13bのような局所領域においてInが大量に堆積されることになる。そして、このようにして、Ga並びにN、Inが分解、堆積されることによって、ナノロッド13の外面上、n型クラッド層12の表面上に活性層15が成長されることになる。 By adjusting in this way, as shown in FIG. 6, the outer surface of the nanorod 13 is a surface of the layer on which the active layer 15 is to be laminated, such as a group III source gas of TMG or TMIn or a group V source gas of NH 3. On the upper surface and the surface of the n-type cladding layer 12, decomposition is performed by thermal dissociation, and Ga, In, and N are deposited. Further, near-field light is generated based on the light emitted from the light source 43 in the corner portion 13a and the boundary portion 13b of the nanorod 13, that is, in a local region in which near-field light having high emission intensity is likely to be generated. This means that near-field light having different electric field strengths is generated at a site corresponding to the shape of the nanorod 13. Based on the near-field light generated according to the shape of the nanorod 13, TMIn is decomposed in large quantities into In by photodissociation, and as a result, a large amount of In is present in local regions such as the corner portions 13a and the boundary portions 13b of the nanorods 13. Will be deposited. In this way, the active layer 15 is grown on the outer surface of the nanorod 13 and the surface of the n-type cladding layer 12 by decomposing and depositing Ga, N, and In.

ここで、TMGの吸収端波長が250nm程度であり、TMInの吸収端波長が300nm程度であるため、320〜450nm程度の波長の光を照射した場合、後述するように、伝搬光によっては各原料ガスが光解離されないが、近接場光によっては各原料ガスが光解離されることになる。特に、照射する光の波長が原料ガスの吸収端波長から長波長側の範囲に移行するにつれて、照射される光に対する原料ガスの吸収係数が急激に減少することが知られている。このため、照射される光と吸収端波長との差がTMGよりも小さいTMInは、TMGの分解量に対して1000倍程度多い量分解されることになる。そして、このように大量に分解されて発生したInが、ナノロッド13の角部13aや境界部13bの近傍に堆積、拡散して成長し、これによって、ナノロッド13の形状に応じてInの濃度分布が異なる活性層15が形成されることになる。   Here, since the absorption edge wavelength of TMG is about 250 nm and the absorption edge wavelength of TMIn is about 300 nm, when irradiating light with a wavelength of about 320 to 450 nm, as described later, depending on the propagation light, each raw material Although the gas is not photodissociated, each source gas is photodissociated depending on near-field light. In particular, it is known that the absorption coefficient of the source gas with respect to the irradiated light rapidly decreases as the wavelength of the irradiated light shifts from the absorption edge wavelength of the source gas to the longer wavelength range. For this reason, TMIn in which the difference between the irradiated light and the absorption edge wavelength is smaller than that of TMG is decomposed by about 1000 times as much as the decomposition amount of TMG. Then, the In generated by being decomposed in a large amount as described above is deposited and diffused in the vicinity of the corner portion 13a and the boundary portion 13b of the nanorod 13 and thereby grows. Thereby, the concentration distribution of In according to the shape of the nanorod 13 Therefore, the active layers 15 having different values are formed.

なお、Inの濃度分布が、ナノロッド13の角部13aや境界部13bから離間するにつれて連続的に減少する理由は以下の通りである。即ち、近接場光に基づき分解される原料ガスは、後述するように、非断熱過程を経て分解される。ここで、非断熱過程によって分解される原料ガスの量は、光強度と光強度勾配との積に比例しており、この非断熱過程によって分解される原料ガスは、下記の式(A)によって表されるf(r)に比例している。なお、下記式(A)における、I(r)は、位置rにおける光強度のことをいい、位置rは、例えば、それぞれが直交するx軸、y軸、z軸からなる直交座標系の座標(x、y、z)で表される位置のことをいう。   The reason why the concentration distribution of In continuously decreases as the distance from the corner 13a and the boundary 13b of the nanorod 13 decreases is as follows. That is, the raw material gas decomposed based on the near-field light is decomposed through a non-adiabatic process as will be described later. Here, the amount of the raw material gas decomposed by the non-adiabatic process is proportional to the product of the light intensity and the light intensity gradient, and the raw material gas decomposed by the non-adiabatic process is expressed by the following equation (A). It is proportional to f (r) expressed. In the following formula (A), I (r) refers to the light intensity at the position r, and the position r is, for example, a coordinate in an orthogonal coordinate system composed of the x-axis, y-axis, and z-axis that are orthogonal to each other. It refers to the position represented by (x, y, z).

Figure 0004856666
Figure 0004856666

近接場光の発生分布は、ナノロッド13の角部13aのような局所領域において極大となり、局所領域から離間するにつれて急激に減少する性質がある。ここで、例えば、図6で示される近接場光と表示されている範囲内のように、近接場光が発生している箇所においては、光強度勾配の値があまり変わらないが、近接場光が滲みだしている箇所から少し外れた箇所においては、光強度勾配の値が零となり、原料ガスが光解離されないこととなる。また、近接場光が発生している箇所においては、光強度勾配の値があまり変わらないが、光強度そのものは局所領域から離間するにつれて急激に減少する。このため、上記のf(r)の値が局所領域から離間するにつれて連続的に減少し、これに比例して、Inの分解量もナノロッド13の角部13a等から離間するにつれて連続的に減少することになる。   The generation distribution of the near-field light has a property that it becomes maximum in a local region such as the corner portion 13a of the nanorod 13 and rapidly decreases as the distance from the local region increases. Here, for example, in the place where the near-field light is generated as in the range indicated as the near-field light shown in FIG. At a location slightly deviated from the location where the oozing starts, the value of the light intensity gradient becomes zero, and the source gas is not photodissociated. Further, in the place where the near-field light is generated, the value of the light intensity gradient does not change so much, but the light intensity itself rapidly decreases as the distance from the local region increases. For this reason, the value of f (r) continuously decreases as the distance from the local region increases, and in proportion to this, the decomposition amount of In also decreases continuously as the distance from the corner portion 13a of the nanorod 13 and the like. Will do.

次に、図7(a)に示すように、ナノロッド13間に透明絶縁層16を形成させる。この透明絶縁層16は、上述したSOG、SiO2、エポキシ樹脂等をスピンコーティング法等を経ることによって形成される。

Next, as shown in FIG. 7A, a transparent insulating layer 16 is formed between the nanorods 13 . The transparent insulating layer 16 is formed by applying the above-described SOG, SiO 2 , epoxy resin or the like through a spin coating method or the like.

次に、図7(b)に示すように、活性層15上並びに透明絶縁層16上にp型クラッド層17を成長させる。本実施の形態において、p型クラッド層17がGaNであることから、ガス供給管35からTMG、NHを含む原料ガスと、Mgを層内にドーピングするためのCpMgを導入する。この場合、例えば、温度を400〜600℃、圧力を1〜760torr、TMG、NH及びCpMgの流量をそれぞれ30〜70sccm、1000〜2000sccm、5〜20sccm程度となるように調整する。 Next, as shown in FIG. 7B, a p-type cladding layer 17 is grown on the active layer 15 and the transparent insulating layer 16. In the present embodiment, since the p-type cladding layer 17 is GaN, a source gas containing TMG and NH 3 and Cp 2 Mg for doping Mg into the layer are introduced from the gas supply pipe 35. In this case, for example, the temperature is adjusted to 400 to 600 ° C., the pressure to 1 to 760 torr, the flow rates of TMG, NH 3 and Cp 2 Mg are adjusted to 30 to 70 sccm, 1000 to 2000 sccm, and 5 to 20 sccm, respectively.

次に、図7(c)に示すように、電圧を印加するための電極パッド18、電極パッド19を形成させる。電極パッド18を形成させるために、n型クラッド層12が一部露出するように、図7(a)に示すような、p型クラッド層17、透明絶縁層16、活性層15、ナノロッド13の一部範囲S1をエッチング等によって選択的に除去する。次に、電極パッド18、電極パッド19を、電子ビーム蒸着法等を用いて形成する。

Next, as shown in FIG. 7C, an electrode pad 18 and an electrode pad 19 for applying a voltage are formed. In order to form the electrode pad 18, the p-type cladding layer 17, the transparent insulating layer 16, the active layer 15, and the nanorod 13 as shown in FIG. The partial range S1 is selectively removed by etching or the like. Next, the electrode pad 18 and the electrode pad 19 are formed using an electron beam evaporation method or the like.

上述のような工程を経て、発光ダイオード素子1が製造される。本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって、図6に示すように、活性層15を積層させるべき層の表面において、TMIn等のIII族原料ガスやNH等のV族原料ガスが熱解離により分解され、成長することになる。また、ナノロッド13の角部13aや境界部13bにおいて、即ち、電場強度の強い近接場光が生じやすい局所領域においては、光源43から照射される光に基づき近接場光が発生する。この発生した近接場光によって、TMInが光解離によってInに大量に分解され、その局所領域において成長することになる。ここで、In以外の原料ガスであるTMGやTMAl等よりもInの原料ガスであるTMIn等のほうが、照射される光と吸収端波長との差が小さいため、In以外の原料ガスの分解量に対してInの原料ガスは1000倍程度多い量分解されることになる。このため、その局所領域の近傍においてInの組成比が高くなり、その局所領域から離間するにつれて連続的にInの組成比が低くなることになる。即ち、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法によって、ナノロッド13の形状に応じた、Inの濃度分布を有する活性層を得ることができる。 The light emitting diode element 1 is manufactured through the steps as described above. With the method of manufacturing a light emitting diode device to which the present invention is applied, a group III source gas such as TMIn or a group V source gas such as NH 3 is heated on the surface of the layer on which the active layer 15 is to be stacked, as shown in FIG. It is decomposed by dissociation and grows. In addition, near-field light is generated based on the light emitted from the light source 43 in the corner portion 13a and the boundary portion 13b of the nanorod 13, that is, in a local region in which near-field light having a strong electric field strength is easily generated. Due to the generated near-field light, TMIn is decomposed in large quantities by photodissociation and grows in the local region. Here, since the difference between the irradiated light and the absorption edge wavelength is smaller in TMIn, which is a source gas of In, than TMG, TMAl, etc., which are source gases other than In, the amount of decomposition of the source gas other than In In contrast, the amount of In source gas is decomposed by about 1000 times. For this reason, the In composition ratio increases in the vicinity of the local region, and the In composition ratio continuously decreases as the distance from the local region increases. That is, an active layer having an In concentration distribution corresponding to the shape of the nanorod 13 can be obtained by the method for manufacturing a light-emitting diode element to which the present invention is applied.

また、本発明によって得られた発光ダイオード素子1は、Inと他のIII族元素とを含むIn系III-V族化合物半導体層である活性層15の、Inの他のIII族元素に対する濃度分布が、ナノロッド13の形状に応じて異なっている。Inの他のIII族元素に対する濃度分布が多い部位においては、バンドギャップが小さくなって発光波長が長くなり、Inの他のIII族元素に対する濃度分布が少ない部位においては、バンドギャップが大きくなって発光波長が短くなる。このため、Inの他のIII族元素に対する濃度分布が多い部位である、ナノロッド13の角部13aや境界部13bのような、ナノロッド13の形状に応じて形成される局所領域の近傍においては、例えば、赤色のような放射光が得られ、その局所領域から離間するにつれて、赤色領域から黄色、緑、青色と連続的に色の異なる放射光が得られることになる。これは、ナノロッド13一つにつき、例えば赤色のようなバンドギャップが比較的小さい場合の発光色から、青色のようなバンドギャップが比較的大きい場合の発光色までの幅広い発光スペクトルの放射光を得ることが可能であること、即ち、白色光源として利用可能な活性層15を得ることが可能であることを意味している。このため、このようなナノロッド13が複数形成されている発光ダイオード素子1により、これを白色光源として用いることが可能となる。   Further, the light-emitting diode element 1 obtained by the present invention has a concentration distribution of the active layer 15 which is an In-based III-V compound semiconductor layer containing In and other Group III elements with respect to other Group III elements of In. However, it differs depending on the shape of the nanorods 13. In the region where the concentration distribution of other In group III elements is large, the band gap becomes smaller and the emission wavelength becomes longer, and in the region where the concentration distribution of other In group III elements is small, the band gap becomes larger. The emission wavelength is shortened. For this reason, in the vicinity of a local region formed according to the shape of the nanorod 13, such as the corner portion 13a and the boundary portion 13b of the nanorod 13, which is a portion having a large concentration distribution with respect to other group III elements of In, For example, radiant light such as red is obtained, and radiant light having different colors continuously from yellow, green, and blue is obtained from the red region as the distance from the local region increases. This is because, for each nanorod 13, for example, emission light having a wide emission spectrum from the emission color when the band gap is relatively small, such as red, to the emission color when the band gap is relatively large, such as blue, is obtained. This means that the active layer 15 usable as a white light source can be obtained. For this reason, the light emitting diode element 1 in which a plurality of such nanorods 13 are formed can be used as a white light source.

特に、本発明における製造方法によって得られた発光ダイオード素子1は、蛍光体を用いていないため、蛍光体を用いることによって生じる光エネルギーの損失が発生せず、エネルギー利用効率に非常に優れている。   In particular, since the light-emitting diode element 1 obtained by the manufacturing method according to the present invention does not use a phosphor, light energy loss caused by using the phosphor does not occur, and the energy utilization efficiency is extremely excellent. .

また、従来における三色の発光ダイオード素子を利用して得られる白色発光ダイオード素子と異なり、各色の発光ダイオード素子毎に、駆動電圧、発光出力等の調整を行う必要がなく、従来技術と比較して容易に白色光を実現可能となる。   Also, unlike the white light emitting diode elements obtained by using the conventional three color light emitting diode elements, it is not necessary to adjust the driving voltage, the light emission output, etc. for each color light emitting diode element, compared with the conventional technique. Thus, white light can be easily realized.

また、本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法は、ナノロッド13の形状に応じてInのGaに対する濃度分布の異なる活性層を、チャンバ31内に所定の原料ガスを導入し、所定の波長の光を照射したうえで、従来から用いられているMOCVD法に基づき行うのみよって得られるため、製造が非常に容易となっている。

In addition, in the method of manufacturing a light emitting diode device to which the present invention is applied, an active layer having a different concentration distribution of In to Ga according to the shape of the nanorod 13 is introduced into the chamber 31 with a predetermined source gas, upon being irradiated with light, since the thus obtained only performed on the basis of the MOCVD method which has been conventionally used, production becomes very easy.

なお、TMInのような各種原料ガスの吸収端波長よりも長波長からなる光を基板11上に照射した場合に、伝搬光によって各原料ガスが光解離されず、近接場光によってのみ各原料ガスが光解離される理由は以下のとおりである。   When the substrate 11 is irradiated with light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of various source gases such as TMIn, each source gas is not photodissociated by propagating light, and each source gas only by near-field light. The reason for the photodissociation of is as follows.

図8は、TMInのような原料ガスを構成するガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について示している。通常、ガス分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Ea以上の光子エネルギーをもつ光、即ち、ガス分子の吸収端波長よりも短波長からなる光(以下、この光を共鳴光という。)を照射すると、このガス分子は、励起準位へ直接励起される。この励起準位は、解離エネルギーEbを超えているため、矢印で示される方向へガス分子を光分解させて活性種や分解生成物が生成される。   FIG. 8 shows the relationship of potential energy with respect to the internuclear distance of gas molecules constituting a source gas such as TMIn. Usually, light having a photon energy greater than the energy difference Ea between the ground level and the excited level relative to the gas molecule, that is, light having a wavelength shorter than the absorption edge wavelength of the gas molecule (hereinafter referred to as resonance of this light). When irradiated with light, the gas molecules are directly excited to the excited level. Since this excitation level exceeds the dissociation energy Eb, active species and decomposition products are generated by photolysis of gas molecules in the direction indicated by the arrows.

本発明においては、上述のような共鳴光をガス分子に照射して、ガス分子を励起準位にまで直接的に励起させてから光分解させる共鳴過程を利用するのではなく、ガス分子の吸収端波長よりも長波長である光(以下、この光を非共鳴光という。)を照射して発生する近接場光によって、ガス分子を光分解させる非共鳴過程を利用して、ガス分子を光分解させる。   In the present invention, absorption of gas molecules is not used, instead of using a resonance process in which gas molecules are irradiated with resonance light as described above, and the gas molecules are directly excited to the excitation level and then photolyzed. Light is emitted from gas molecules using a non-resonant process in which gas molecules are photolyzed by near-field light generated by irradiating light having a wavelength longer than the edge wavelength (hereinafter referred to as non-resonant light). Decompose.

伝搬光を使った通常の光解離では、伝搬光の電場強度が分子サイズの空間内において均一な分布であるため、ガス分子を構成する原子核や電子のうち軽い電子のみが光に対して反応するが、原子核間距離を変化させることができない。これに対して、近接場光を使った光解離では、近接場光の電場強度が、分子サイズの空間内において激しく変位するため不均一な分布となる。このため、近接場光を使った光解離では、ガス分子の電子のみならず、原子核も反応し、原子核間距離を変化させることが可能となり、分子の振動準位への直接的な励起を生じさせることが可能となる(非断熱化学反応)。   In normal photodissociation using propagating light, since the electric field intensity of propagating light is a uniform distribution within the space of the molecular size, only light electrons among the nuclei and electrons that make up gas molecules react to light. However, the internuclear distance cannot be changed. On the other hand, in the photodissociation using near-field light, the electric field intensity of the near-field light is violently displaced in the molecular size space, resulting in an uneven distribution. For this reason, in the photodissociation using near-field light, not only the electrons of gas molecules but also the nuclei react to change the distance between the nuclei, causing direct excitation to the vibrational level of the molecules. (Non-adiabatic chemical reaction).

このように、近接場光である非共鳴光を原料ガスに照射した場合、ガス分子が分子振動準位にまで励起されることになるが、近接場光の発生していない部位においては、ガス分子が励起されないことになる。このため、本発明においては、図6に示すように、近接場光の発生しているナノロッド13の形状及び位置に応じて形成される局所領域においてのみ、光解離が発生し、それ以外の基板11並びにナノロッド13の表面においては、光解離が発生せずに、チャンバ31内を加熱することによる熱解離のみが発生することになる。

Thus, when the source gas is irradiated with non-resonant light that is near-field light, the gas molecules are excited to the molecular vibration level. The molecule will not be excited. For this reason, in the present invention, as shown in FIG. 6, photodissociation occurs only in the local region formed according to the shape and position of the nanorods 13 in which near-field light is generated, and the other substrates. 11 and the surface of the nanorod 13 do not generate photodissociation, but only thermal dissociation by heating the inside of the chamber 31 occurs.

なお、ここで、近接場光である非共鳴光を照射した場合に、ガス分子が基底準位から分子振動準位に至るまでの経路、即ち、非共鳴過程は、図9に示すような、過程T1、過程T2並びに過程T3に分類される。過程T1は、ガス分子が複数の分子振動準位を介して励起され、その結果、励起準位にまで励起された後に、活性種等に解離される過程のことをいう。また、過程T2は、ガス分子の解離エネルギーEb以上の光エネルギーをもつ光を照射した場合に、ガス分子が解離エネルギーEb以上のエネルギー準位の分子振動準位にまで励起され、その結果、活性種等に直接解離される過程のことをいう。また、過程T3は、ガス分子のEb以下の光エネルギーをもつ光を照射した場合に、ガス分子が複数の分子振動準位を介して解離エネルギーEbのエネルギー準位の分子振動準位にまで励起され、その結果、活性種等に直接解離される過程のことをいう。   Here, when non-resonant light, which is near-field light, is irradiated, the path from the gas level to the molecular vibration level, that is, the non-resonant process, as shown in FIG. The processes are classified into process T1, process T2, and process T3. The process T1 refers to a process in which gas molecules are excited through a plurality of molecular vibration levels and, as a result, are excited to an excited level and then dissociated into active species or the like. Further, in the process T2, when light having a light energy equal to or higher than the dissociation energy Eb of the gas molecule is irradiated, the gas molecule is excited to a molecular vibration level having an energy level equal to or higher than the dissociation energy Eb. A process that is directly dissociated into species. In process T3, when light having light energy equal to or lower than Eb of the gas molecule is irradiated, the gas molecule is excited to the molecular vibration level of the energy level of dissociation energy Eb through a plurality of molecular vibration levels. As a result, it refers to the process of being directly dissociated into active species.

また、近接場光とは、物体の表面に伝搬光を照射した場合に、物体の表面にまとわりついて局在する非伝搬光のことをいう。この近接場光は、上述のような局所領域において非常に強い電場成分を発生させて生じることが知られている。なお、ここでいう局所領域とは、例えば、ナノロッド13の形状に応じて形成される、ナノロッド13の角部13a等のことをいう。この局所領域は、ナノロッド13の先端の形状が、その先端に向かうにつれて先鋭化される形状であれば、その先端を含む概念であり、また、ナノロッド13の形状の一部において凹凸が設けられている場合は、その凹凸がなす角部を含む概念である。また、局所領域は、ナノロッド13と、n型クラッド層12のような他の層との間の境界部13bも含む概念である。   Near-field light refers to non-propagating light that clings to and localizes the surface of an object when the surface of the object is irradiated with propagating light. It is known that this near-field light is generated by generating a very strong electric field component in the local region as described above. In addition, the local area | region here means the corner | angular part 13a of the nanorod 13 etc. which are formed according to the shape of the nanorod 13, for example. This local region is a concept that includes the tip of the nanorod 13 as long as the shape of the tip of the nanorod 13 is sharpened toward the tip, and irregularities are provided in part of the shape of the nanorod 13. The concept includes the corners formed by the irregularities. Further, the local region is a concept including the boundary portion 13b between the nanorod 13 and another layer such as the n-type cladding layer 12.

以上、本発明を実施するための形態について例示したが、具体的な構造や材料は多様に変形したものを適用できる。   As mentioned above, although the form for implementing this invention was illustrated, the concrete structure and material can apply what was variously deformed.

例えば、上述した実施の形態においては、n型クラッド層12の上に、p型クラッド層17が積層される例について説明したが、活性層15の両側に積層される半導体層は、異なる導電型の半導体層であればよく、p型クラッド層17を基板11上に積層させ、n型クラッド層12をその上に積層させるようにしてもよい。また、電極パッド18、電極パッド19の位置や形状も、上述した例に限定されず、n型クラッド層12とp型クラッド層17と、その間に介在される活性層15に対して電圧を印加できれば、他の位置や形状であってもよい。   For example, in the above-described embodiment, the example in which the p-type cladding layer 17 is stacked on the n-type cladding layer 12 has been described. However, the semiconductor layers stacked on both sides of the active layer 15 have different conductivity types. The p-type cladding layer 17 may be laminated on the substrate 11 and the n-type cladding layer 12 may be laminated thereon. Further, the positions and shapes of the electrode pad 18 and the electrode pad 19 are not limited to the above-described example, and a voltage is applied to the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 17 and the active layer 15 interposed therebetween. If possible, other positions and shapes may be used.

また、基板11やn型クラッド層12等の材質によっては、互いに隣接する層間の格子定数の差が大きくなり、層上に積層される他の層の格子欠陥等の量が増加してしまう。これを防止するために、各層間にバッファ層を積層させるようにしてもよい。このバッファ層は、この格子定数の違いを緩和させるために形成させるものであり、例えば、AlN、GaN、AlGaN、InGaN並びにInAlGaN等によって具体化される。因みに、基板11とナノロッド13並びに活性層15の格子定数が大きく異なっていない場合にもバッファ層を形成させてよいのは勿論である。   Further, depending on the material such as the substrate 11 and the n-type cladding layer 12, the difference in lattice constant between adjacent layers increases, and the amount of lattice defects and the like of other layers stacked on the layer increases. In order to prevent this, a buffer layer may be laminated between the respective layers. This buffer layer is formed to alleviate this difference in lattice constant, and is embodied by, for example, AlN, GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN, or the like. Incidentally, it goes without saying that the buffer layer may be formed even when the lattice constants of the substrate 11, the nanorods 13 and the active layer 15 are not significantly different.

また、上述の実施の形態においては、Gaの成長とInの成長とを同時に行う場合を例に説明したが、これらの工程を別々に行うようにしてもよい。この場合、図10(a)に示すように、n型クラッド層12上にナノロッド13を形成させた後、図10(b)に示すように、ガス供給管35からNH3とTMGとを供給して、ナノロッド13の周囲並びに基板11上に第1の活性層15を成長させる。この段階においては、第1の活性層15であるIII-V族化合物半導体層中にはInが含まれず、第1の活性層15中の組成比が一定の状態となる。また、この工程における温度、圧力等の条件は、例えば、温度を400〜500℃、圧力を1torr〜760torr、TMG、NH3流量をそれぞれ30〜70sccm、1000〜2000sccm程度となるように調整する。
In the above-described embodiment, the case where Ga growth and In growth are simultaneously performed has been described as an example. However, these steps may be performed separately. In this case, as shown in FIG. 10A, after the nanorods 13 are formed on the n-type cladding layer 12, NH 3 and TMG are supplied from the gas supply pipe 35 as shown in FIG. 10B. Then, the first active layer 15 is grown around the nanorods 13 and on the substrate 11. In this stage, the first group III-V compound semiconductor layer is an active layer 15 does not include In, composition ratio in the first active layer 15 is constant. The conditions such as temperature and pressure in this step are adjusted such that the temperature is 400 to 500 ° C., the pressure is 1 torr to 760 torr, the flow rates of TMG and NH 3 are about 30 to 70 sccm and 1000 to 2000 sccm, respectively. .

次に、ガス供給管35からNH3とTMInとを供給して、更に、Inを含有する原料ガスであるTMInを吸収端波長よりも長波長からなる光を基板11上へ照射し、ナノロッド13の形状や位置に応じて形成される局所領域において近接場光を発生させ、第1の活性層15の上に第2の活性層21としてのIII-V族化合物半導体層を成長させる。この工程における温度、圧力等の条件は、NH3が熱解離可能であればよく、例えば、温度を500℃以上、圧力を1torr〜760torr、TMIn及びNH3の流量をそれぞれ30〜70sccm、1000〜2000sccmと調整する。
Next, NH 3 and TMIn are supplied from the gas supply pipe 35, and further, TMIn, which is a source gas containing In, is irradiated onto the substrate 11 with light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength. Near-field light is generated in a local region formed in accordance with the shape and position of the first, and a III-V group compound semiconductor layer as the second active layer 21 is grown on the first active layer 15 . Conditions such as temperature and pressure in this step are not limited as long as NH 3 can be thermally dissociated. For example, the temperature is 500 ° C. or higher, the pressure is 1 torr to 760 torr, the flow rates of TMIn and NH 3 are 30 to 70 sccm, 1000 to 1000, respectively. Adjust to 2000 sccm.

そして、この発生した近接場光によって、TMInを光解離によってInに分解させて、その局所領域においてInを成長させる。その後は、上述のように、透明絶縁層16、p型クラッド層17、電極パッド18、電極パッド19を設ける工程を行う。   Then, TMIn is decomposed into In by photodissociation by the generated near-field light, and In is grown in the local region. Thereafter, as described above, a process of providing the transparent insulating layer 16, the p-type cladding layer 17, the electrode pad 18, and the electrode pad 19 is performed.

これによって得られた発光ダイオード素子1は、図11に示すように、ナノロッド13の表面上において積層された第1の活性層15であるGaN層上にナノロッド13の形状に応じた第2の活性層21であるInN層が積層されることになる。この場合においては、Inと他のIII族元素との組成比が連続的に異なることによる、連続的な発光スペクトルを有する放射光を得ることができないが、ナノロッド一つにつき、発光色の異なるGaN層やInN層がナノロッド13の形状に応じた箇所に形成されることとなる。このため、このようなナノロッド13が複数形成されている発光ダイオード素子1によって、その発光時においてそれぞれの層に応じた発光スペクトルを有することとなり、各層から発光される色が混色されて、これを白色光源として利用可能となる。
As shown in FIG. 11, the light-emitting diode device 1 thus obtained has a second active activity corresponding to the shape of the nanorod 13 on the GaN layer, which is the first active layer 15 stacked on the surface of the nanorod 13. The InN layer which is the layer 21 is laminated. In this case, radiant light having a continuous emission spectrum cannot be obtained because the composition ratio of In and other group III elements is continuously different, but GaN having different emission colors per nanorod. A layer or an InN layer is formed at a location corresponding to the shape of the nanorod 13. For this reason, the light emitting diode element 1 in which a plurality of such nanorods 13 are formed has an emission spectrum corresponding to each layer at the time of light emission, and the colors emitted from each layer are mixed, It can be used as a white light source.

また、上述の実施の形態においては、活性層15が、Ga並びにInとNとの化合物半導体として構成される例を示したが、上述したように、これがInAlN等の3元混晶、或いはAlInGaN、AlInGaP等の4元混晶の半導体層で構成されていてもよい。例えば、活性層15がInAlNで構成される場合、Alの発光ピークが200nm程度であり、Gaの発光ピークが400nm程度であることから、InAlNで構成される活性層15は、ナノロッド13の形状に応じて層中のInの濃度分布が異なることによって、その発光時において紫色から赤色までの幅広い発光スペクトルを有することになる。また、AlInGaNで構成される活性層15は、ナノロッド13の形状に応じて層中のInの濃度分布が異なることによって、その発光時において360〜370nmの発光スペクトルを有することになる。このように、本発明を適用して得られるIn系III-V族化合物半導体の活性層15は、ナノロッド13の形状に応じて層中のInの濃度分布が異なることにより、その発光時において、濃度分布に応じた帯域の広い発光スペクトルを有している。 In the above embodiment, the active layer 15 is configured as a compound semiconductor of Ga and In and N. However, as described above, this is a ternary mixed crystal such as InAlN or AlInGaN. Alternatively, it may be composed of a quaternary mixed crystal semiconductor layer such as AlInGaP. For example, if the active layer 15 is composed of InAlN, the emission peak of Al N is about 200 nm, since the emission peak of the Ga N is about 400 nm, the active layer 15 composed of InAlN, the nanorods 13 When the concentration distribution of In in the layer varies depending on the shape, a broad emission spectrum from purple to red is obtained at the time of light emission. Further, the active layer 15 made of AlInGaN has an emission spectrum of 360 to 370 nm at the time of light emission because the concentration distribution of In in the layer varies depending on the shape of the nanorod 13. As described above, the In-based III-V compound semiconductor active layer 15 obtained by applying the present invention has a different In concentration distribution in the layer depending on the shape of the nanorods 13, so that at the time of light emission, It has an emission spectrum with a wide band according to the concentration distribution.

なお、Alを活性層15に含める場合に用いられるIII族原料ガスは、例えば、TMAl(トリメチルアルミニウム)やTEAl(トリエチルアルミニウム)が挙げられる。また、Gaを活性層15に含める場合に用いられるIII族原料ガスは、TMGの他にTEG(トリエチルガリウム)が挙げられる。また、Inを活性層15に含める場合に用いられるIII族原料ガスは、TMInの他にTEIn(トリエチルインジウム)が挙げられる。また、Pを活性層15に含める場合に用いられるV族原料ガスは、例えば、PH(ホスフィン)が挙げられる。また、Asを活性層15に含める場合に用いられるV族原料ガスは、例えば、AsH(アルシン)が挙げられる。 Examples of the group III source gas used when Al is included in the active layer 15 include TMAl (trimethylaluminum) and TEAl (triethylaluminum). The group III source gas used when Ga is included in the active layer 15 includes TEG (triethylgallium) in addition to TMG. The group III source gas used when In is included in the active layer 15 includes TEIn (triethylindium) in addition to TMIn. An example of the group V source gas used when P is included in the active layer 15 is PH 3 (phosphine). The group V source gas used when As is included in the active layer 15 is, for example, AsH 3 (arsine).

また、上述の実施の形態においては、n型クラッド層12の上に直接ナノロッド13を形成させた例を示したが、基板11上に直接ナノロッド13を形成させるようにしてもよい。また、チャンバ31内に基板11を配置する場合において、n型クラッド層12及びナノロッド13が予め形成された基板11をチャンバ31内に配置してもよい。   Further, in the above-described embodiment, an example in which the nanorods 13 are directly formed on the n-type cladding layer 12 has been shown, but the nanorods 13 may be directly formed on the substrate 11. Further, when the substrate 11 is disposed in the chamber 31, the substrate 11 on which the n-type cladding layer 12 and the nanorod 13 are formed in advance may be disposed in the chamber 31.

また、ナノロッド13はZnOから構成されるのが最も好ましい。これは、InGaNからなる活性層15とZnOからなるナノロッド13との格子定数が近い値であり、ナノロッド13上に格子欠陥の少ない活性層15を堆積可能となるためである。   The nanorods 13 are most preferably composed of ZnO. This is because the lattice constants of the active layer 15 made of InGaN and the nanorods 13 made of ZnO are close to each other, and the active layer 15 with few lattice defects can be deposited on the nanorods 13.

また、ナノロッド13は、その上端から、活性層15を積層させるべき層の表面にかけてまでの長さが500nm以下とされることが好ましい。これは、ZnOからなるナノロッド13の密度を低減させることが難しいため、ナノロッド13の長さが500nm超であると、一定量以上の密度のZnOのナノロッド13の下部にまで十分な量の原料ガスが行き届かず、ナノロッド13の下部において活性層15を成長させるのが困難となるためである。   Moreover, it is preferable that the length from the upper end to the surface of the layer which should laminate | stack the active layer 15 shall be 500 nm or less. This is because it is difficult to reduce the density of the nanorods 13 made of ZnO. Therefore, if the length of the nanorods 13 exceeds 500 nm, a sufficient amount of source gas reaches the lower part of the ZnO nanorods 13 having a density of a certain amount or more. This is because it is difficult to grow the active layer 15 below the nanorods 13.

また、活性層15を成長させるにあたって、各種III族原料ガスやV族原料ガスを分解させる場合、それぞれの原料ガスを熱解離可能な所定温度にまで基板11を加熱するほかに、プラズマ放電によって分解するようにしてもよい。また、後述するように、分子線エピタクシー法によって活性層15の成長を行なってもよい。この場合においては、ガリウム化合物、アルミニウム化合物を含む原料ガスをチャンバ内に供給する代わりに、分子線エピタクシー法によってガリウム原子又はアルミニウム原子をチャンバ内へ供給して、活性層15を成長させることになる。   When the active layer 15 is grown, when various group III source gases and group V source gases are decomposed, the substrate 11 is heated to a predetermined temperature at which each source gas can be thermally dissociated, and decomposed by plasma discharge. You may make it do. Further, as described later, the active layer 15 may be grown by molecular beam epitaxy. In this case, instead of supplying a source gas containing a gallium compound and an aluminum compound into the chamber, the active layer 15 is grown by supplying gallium atoms or aluminum atoms into the chamber by molecular beam epitaxy. Become.

また、所定の手法によって形成されるナノロッド13の代替として、電子線リソグラフィー、X線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィ等によって基板上に複数の柱状のナノ構造体を形成し、これを利用して上述の発光ダイオード素子1を製造するようにしてもよい。   Further, as an alternative to the nanorods 13 formed by a predetermined method, a plurality of columnar nanostructures are formed on a substrate by electron beam lithography, X-ray lithography, ion beam lithography, and the like, and the above-described light emission is performed using this. The diode element 1 may be manufactured.

また、チャンバ31内の温度を検出して、チャンバ31内の温度を所定領域に制御するための温度制御機構は、上述したRFヒータと温度センサとの組み合わせに限定するものではなく、公知の如何なる構成からなるものであってもよい。また、チャンバ31内の圧力を検出して、チャンバ31内の圧力を所定領域に制御するための圧力調整機構は、上述したガス排気管37と圧力センサに限定するものではなく、公知の如何なる構成からなるものであってもよい。   In addition, the temperature control mechanism for detecting the temperature in the chamber 31 and controlling the temperature in the chamber 31 to a predetermined region is not limited to the combination of the RF heater and the temperature sensor described above, but any known one. It may consist of a configuration. Further, the pressure adjusting mechanism for detecting the pressure in the chamber 31 and controlling the pressure in the chamber 31 to a predetermined region is not limited to the gas exhaust pipe 37 and the pressure sensor described above, and any known configuration is possible. It may consist of.

また、本発明においては、MOCVD法を用いて、活性層やクラッド層等の半導体層の結晶成長を行なったが、本発明はこれに限定するものではなく、分子線エピタクシー法(Molecular Beam Epitaxy)等のような、公知の如何なる物理気相成長法、化学気相成長法を用いて半導体層を成長させてもよい。   In the present invention, crystal growth of a semiconductor layer such as an active layer or a clad layer was performed using MOCVD. However, the present invention is not limited to this, and molecular beam epitaxy (Molecular Beam Epitaxy) is used. The semiconductor layer may be grown using any known physical vapor deposition method or chemical vapor deposition method such as.

本発明を適用した発光ダイオード素子の構成を示す図であり、(a)はその概略断面側面図、(b)はその平面図、(c)はその一部拡大断面側面図である。It is a figure which shows the structure of the light emitting diode element to which this invention is applied, (a) is the schematic sectional side view, (b) is the top view, (c) is the partially expanded sectional side view. ナノロッドの構成の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of a structure of a nanorod. 活性層のInの組成比について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the composition ratio of In of an active layer. 本発明を適用した発光ダイオード素子の製造方法を実現するための結晶成長装置の概略図である。It is the schematic of the crystal growth apparatus for implement | achieving the manufacturing method of the light emitting diode element to which this invention is applied. 発光ダイオード素子の製造方法の手順について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure of the manufacturing method of a light emitting diode element. ナノロッドの周囲並びに基板上に活性層を積層させる点について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the point which laminates | stacks an active layer on the circumference | surroundings of a nanorod and a board | substrate. 発光ダイオード素子の製造方法の手順について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure of the manufacturing method of a light emitting diode element. 共鳴光及び非共鳴光について説明するための図である。It is a figure for demonstrating resonant light and non-resonant light. 非共鳴過程について説明するための図である。It is a figure for demonstrating a non-resonance process. 発光ダイオード素子の製造方法の手順について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure of the manufacturing method of a light emitting diode element. 本発明を適用した発光ダイオード素子の他の構成を示す図であり、(a)はその概略側面断面図、(b)はその一部拡大断面側面図である。It is a figure which shows the other structure of the light emitting diode element to which this invention is applied, (a) is the schematic sectional side view, (b) is the partially expanded sectional side view.

符号の説明Explanation of symbols

1 発光ダイオード素子
3 結晶成長装置
11 基板
12 n型クラッド層
13 ナノロッド
13a 角部
13b 境界部
15 活性層
16 透明絶縁層
17 p型クラッド層
18、19 電極パッド
31 チャンバ
33 ステージ
35 ガス供給管
37 ガス排気管
39 開口窓
41 RFヒータ
43 光源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting diode element 3 Crystal growth apparatus 11 Substrate 12 N-type clad layer 13 Nanorod 13a Corner part 13b Boundary part 15 Active layer 16 Transparent insulating layer 17 P-type clad layer 18, 19 Electrode pad 31 Chamber 33 Stage 35 Gas supply pipe 37 Gas Exhaust pipe 39 Open window 41 RF heater 43 Light source

Claims (12)

複数の柱状ナノ構造体が表面上に形成された基板が設置されたチャンバ内に対して、ガリウム化合物又はアルミニウム化合物を含む第1のIII族原料ガスと、V族原料ガスと、インジウム化合物を含む第2のIII族原料ガスとを上記チャンバ内へ供給し、上記第1のIII族原料ガス、V族原料ガス及び第2のIII族原料ガスを分解させて上記柱状ナノ構造体及び基板の外面に堆積させるとともに、上記第2のIII族原料ガスの吸収端波長よりも長波長からなる光を照射することによって、上記柱状ナノ構造体の形状に応じて発生させられる近接場光に基づき上記第2のIII族原料ガスを分解させて、ガリウム又はアルミニウムのインジウムに対する組成比が、上記柱状ナノ構造体の角部及び根元部において大きく、当該角部及び根元部から離間するにつれて小さくなるような濃度分布を有するIII-V族化合物半導体層を当該柱状ナノ構造体の外面上に成長させる工程を有すること
を特徴とする発光ダイオード素子の製造方法。
A first group III source gas containing a gallium compound or an aluminum compound, a group V source gas, and an indium compound are contained in a chamber in which a substrate on which a plurality of columnar nanostructures are formed is installed. The second group III source gas is supplied into the chamber, and the first group III source gas, the group V source gas, and the second group III source gas are decomposed, and the columnar nanostructure and the outer surface of the substrate And irradiating light having a wavelength longer than the absorption edge wavelength of the second group III source gas, based on the near-field light generated according to the shape of the columnar nanostructure. the second group III source gas is decomposed, the composition ratio of indium gallium or aluminum is greater at the corners and the root portion of the pillar-shaped nanostructure, as separated from the corner portion and the root portion Method of manufacturing a light emitting diode device characterized by comprising a step of growing the group III-V compound semiconductor layer having a concentration distribution such that smaller on the outer surface of the columnar nanostructures.
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記柱状ナノ構造体の形状に応じて形成される局所領域に近接場光を発生させ、その発生させた近接場光に基づき上記第2のIII族原料ガスを分解させること
を特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
In the step of growing the III-V compound semiconductor layer, near-field light is generated in a local region formed according to the shape of the columnar nanostructure, and the second field is generated based on the generated near-field light. The method for producing a light-emitting diode element according to claim 1, wherein the group III source gas is decomposed.
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程の前に、上記柱状ナノ構造体の外面上に第1導電型のクラッド層を成長させる工程を更に有し、
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程の後に、上記柱状ナノ構造体の外面上に第2導電型のクラッド層を成長させる工程を更に有すること
を特徴とする請求項1又は2に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
Before the step of growing the III-V compound semiconductor layer, further comprising the step of growing a cladding layer of the first conductivity type on the outer surface of the columnar nanostructure,
After the step of growing the group III-V compound semiconductor layer, according to claim 1 or 2, characterized by further comprising a step of growing a second conductivity type cladding layer on the outer surface of the columnar nanostructure Manufacturing method of the light emitting diode element.
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記柱状ナノ構造体と上記基板との間に第1導電型のクラッド層が積層された基板の上記柱状ナノ構造体の外面上に、当該III-V族化合物半導体層を成長させ、
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程の後に、上記柱状ナノ構造体の外面上に第2導電型のクラッド層を成長させる工程を更に有すること
を特徴とする請求項1又は2に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
In the step of growing the group III-V compound semiconductor layer, on the outer surface of the columnar nanostructure of the substrate in which a cladding layer of a first conductivity type is stacked between the columnar nanostructure and the substrate, Grow III-V compound semiconductor layer,
After the step of growing the group III-V compound semiconductor layer, according to claim 1 or 2, characterized by further comprising a step of growing a second conductivity type cladding layer on the outer surface of the columnar nanostructure Manufacturing method of the light emitting diode element.
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記柱状ナノ構造体としてZnOからなるナノロッドが形成された基板の上記柱状ナノ構造体の外周面上に、当該III-V族化合物半導体層を成長させること
を特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
In the step of growing the group III-V compound semiconductor layer, the group III-V compound semiconductor layer is formed on the outer peripheral surface of the columnar nanostructure of the substrate on which nanorods made of ZnO are formed as the columnar nanostructure. method of manufacturing a light emitting diode device according to any one of claim 1 to 4, characterized in that growing.
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記第1のIII族原料ガス及び上記V族原料ガスを、上記基板を所定温度に加熱する、又はプラズマ放電によって分解させ、当該III-V族化合物半導体層を成長させること
を特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
In the step of growing the group III-V compound semiconductor layer, the first group III source gas and the group V source gas are decomposed by heating the substrate to a predetermined temperature or by plasma discharge, and the III-V method of manufacturing a light emitting diode device according to any one of claim 1 to 5, characterized in that growing family compound semiconductor layer.
上記III-V族化合物半導体層を成長させる工程では、上記第1のIII族原料ガスを供給する代わりに、分子線エピタクシー法によってガリウム原子又はアルミニウム原子を上記チャンバ内へ供給し、当該III-V族化合物半導体層を成長させること
を特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
In the step of growing the III-V compound semiconductor layer, instead of supplying the first group III source gas, gallium atoms or aluminum atoms are supplied into the chamber by molecular beam epitaxy, and the III- method of manufacturing a light emitting diode device according to any one of claim 1 to 6, characterized in that V group compound semiconductor layer.
基板と、
上記基板の表面上に形成された複数の柱状ナノ構造体と、
上記柱状ナノ構造体の外面上に積層され、ガリウム又はアルミニウムとインジウムとが含有されてなるIII-V族化合物半導体層とを備え、
上記III-V族化合物半導体層は、ガリウム又はアルミニウムのインジウムに対する組成比が、上記柱状ナノ構造体の角部及び根元部において大きく、当該角部及び根元部から離間するにつれて小さくなるような濃度分布を有すること
を特徴とする発光ダイオード素子。
A substrate,
A plurality of columnar nanostructures formed on the surface of the substrate;
A III-V group compound semiconductor layer laminated on the outer surface of the columnar nanostructure and containing gallium or aluminum and indium;
The III-V group compound semiconductor layer has a concentration distribution in which the composition ratio of gallium or aluminum to indium is large at the corners and roots of the columnar nanostructure and decreases as the distance from the corners and roots increases. A light emitting diode element characterized by comprising:
上記柱状ナノ構造体の外面上には、第1導電型のクラッド層、上記III-V族化合物半導体層及び第2導電型のクラッド層が順次積層されていること
を特徴とする請求項記載の発光ダイオード素子。
On the outer surface of the columnar nano-structure, the cladding layer of the first conductivity type, according to claim 8, wherein the said group III-V compound semiconductor layer and the cladding layer of the second conductivity type are sequentially laminated Light emitting diode element.
上記柱状ナノ構造体は、上記基板上に積層された第1導電型のクラッド層上に形成され、
上記柱状ナノ構造体の外面上には、上記III-V族化合物半導体層及び第2導電型のクラッド層が順次積層されていること
を特徴とする請求項記載の発光ダイオード素子。
The columnar nanostructure is formed on a first conductivity type cladding layer laminated on the substrate,
9. The light emitting diode element according to claim 8 , wherein the III-V compound semiconductor layer and the second conductivity type cladding layer are sequentially laminated on the outer surface of the columnar nanostructure.
上記第1導電型のクラッド層、上記III-V族化合物半導体層及び上記第2導電型のクラッド層に対して電圧を印加するための一組の電極を更に備えること
を特徴とする請求項又は10に記載の発光ダイオード素子。
10. The method according to claim 9 , further comprising a pair of electrodes for applying a voltage to the first conductivity type cladding layer, the III-V group compound semiconductor layer, and the second conductivity type cladding layer. Or a light-emitting diode device according to 10 ;
上記柱状ナノ構造体は、ZnOからなるナノロッドであること
を特徴とする請求項11のうち何れか1項に記載の発光ダイオード素子。
The light emitting diode element according to any one of claims 8 to 11 , wherein the columnar nanostructure is a nanorod made of ZnO.
JP2008081667A 2008-03-26 2008-03-26 Light emitting diode element and method for manufacturing the same Expired - Fee Related JP4856666B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008081667A JP4856666B2 (en) 2008-03-26 2008-03-26 Light emitting diode element and method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008081667A JP4856666B2 (en) 2008-03-26 2008-03-26 Light emitting diode element and method for manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009238941A JP2009238941A (en) 2009-10-15
JP4856666B2 true JP4856666B2 (en) 2012-01-18

Family

ID=41252558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008081667A Expired - Fee Related JP4856666B2 (en) 2008-03-26 2008-03-26 Light emitting diode element and method for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4856666B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101766715B1 (en) * 2010-10-25 2017-08-23 엘지이노텍 주식회사 Light emitting diode package
KR20170066319A (en) 2014-08-12 2017-06-14 글로 에이비 Iii-nitride nanowire led with strain modified surface active region and method of making thereof
JP7105442B2 (en) 2018-08-06 2022-07-25 セイコーエプソン株式会社 Light-emitting device and projector

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3809410B2 (en) * 2002-09-19 2006-08-16 独立行政法人科学技術振興機構 Photochemical vapor deposition apparatus and method
EP1583858A4 (en) * 2002-12-09 2008-03-12 Univ California Sacrificial template method of fabricating a nanotube
JP2004356134A (en) * 2003-05-27 2004-12-16 Canon Inc Method of working microstructure, method of manufacturing minute element using the same and minute element
JP2006156442A (en) * 2004-11-25 2006-06-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Method and device for growing semiconductor thin film
CN1850580A (en) * 2005-04-22 2006-10-25 清华大学 Superlattice nano device and its manufacturing method
EP1727216B1 (en) * 2005-05-24 2019-04-24 LG Electronics, Inc. Rod type light emitting diode and method for fabricating the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009238941A (en) 2009-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101646064B1 (en) Method of manufacture for nitride semiconductor light emitting element, wafer, and nitride semiconductor light emitting element
KR100875396B1 (en) Light emitting element
JP5549338B2 (en) Nitrogen compound semiconductor LED for ultraviolet light radiation and method for producing the same
US7180088B2 (en) Nitride based semiconductor light-emitting device
JP4999866B2 (en) Method for growing gallium nitride based semiconductor heterostructure
JP6573076B2 (en) UV light emitting device
JP4864766B2 (en) Method for forming semiconductor layer
JP6902255B2 (en) Ultraviolet light emitting element
US7646027B2 (en) Group III nitride semiconductor stacked structure
JP5403212B2 (en) White LED manufacturing apparatus and method
JP2012114277A (en) Group iii nitride semiconductor light-emitting element
WO2014038106A1 (en) Epitaxial wafer, method for producing same and ultraviolet light emitting device
JPH11251632A (en) Manufacture of gallium nitride semiconductor element
WO2014073139A1 (en) Ultraviolet semiconductor light emitting element and method for manufacturing same
JP2007165405A (en) Light emitting diode
US7675069B2 (en) InAlGaN emitting light in ultraviolet short-wavelength region and process for preparing the same as well as ultraviolet light-emitting device using the same
KR20110084296A (en) Light emitting element producing method and light emitting element
JP4856666B2 (en) Light emitting diode element and method for manufacturing the same
JP2012204540A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP4781028B2 (en) Group III nitride semiconductor laminate and method for manufacturing group III nitride semiconductor light emitting device
JP3875298B2 (en) Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
JP3646502B2 (en) Method for manufacturing group 3 nitride semiconductor device
JP2006066641A (en) Semiconductor element and its manufacturing method
JP4145108B2 (en) Growth method of GaNP crystal
JP4757976B2 (en) GaN compound semiconductor manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110201

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110201

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110404

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111004

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111028

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141104

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees