発光ダイオード
【課題】本発明は、発光ダイオードに関する。
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第二半導体層の前記活性層と隣接する表面とは反対の表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【解決手段】本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第二半導体層の前記活性層と隣接する表面とは反対の表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮに基づいた半導体からなるＬＥＤは優れた出光効率を有し、寿命が長く、省エネルギー及び環境保全などの利点を有するので、ディスプレイ装置、大きな電子ビルボード、街灯、自動車などの照明素子として広く使用されている。
【０００３】
従来のＬＥＤは、一般にｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、活性層と、ｎ型電極と、ｐ型電極とを含む。活性層はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に位置する。ｐ型電極はｐ型半導体層に配置される。ｎ型電極はｎ型半導体層に配置される。前記ｐ型電極は透明電極である。前記ＬＥＤを使用する場合、前記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層にそれぞれ正電圧及び負電圧を印加することにより、前記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層からの電子及び正孔は前記活性層に移動し、且つ互いに結合して可視光を放射する。
【０００４】
しかし、従来のＬＥＤの光射出率（ＬＥＤの内部からの光が前記ＬＥＤの外に放射される比率）が低い。この原因は、前記ＬＥＤの半導体元素（窒化ガリウム）の屈折率が、大気の屈折率より大きいので、前記活性層からの大きな角度を有する光は、前記ＬＥＤの半導体元素と大気の界面で全反射されることにより、大部分の前記大きな角度を有する光が前記ＬＥＤの内部に抑制され、熱に変換されて消散される。これは、ＬＥＤに対して十分に不利である。
【０００５】
従来のＬＥＤの光射出率が低い状態を改善するために、前記ＬＥＤの半導体元素の表面を粗面処理するなどの方法が次第に掲示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のＬＥＤの半導体元素の表面を粗面処理する方法は、単に小さな入射角を有する光に対しては作用を有するが、より大きな角度を有する光に対して作用を有さないので、より大きな角度を有する光は、ＬＥＤから射出することができない。
【０００７】
従って、前記課題を解決するために、本発明は光射出率が高い発光ダイオードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第二半導体層の前記活性層と隣接する表面とは反対の表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【０００９】
本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第一半導体層の前記基板に隣接する表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【００１０】
本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記基板の前記第一半導体層に隣接する表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【発明の効果】
【００１１】
従来の技術と比べて、本発明の発光ダイオードには、複数の三次元ナノ構造体が配列されて三次元ナノ構造体アレイを形成している。前記三次元ナノ構造体は、梯形構造を有するので、前記三次元ナノ構造体アレイは、少なくとも両層光子クリスタルに相当している。従って、前記発光ダイオードの活性層から放射された光線の射出率を高めることができる。特に、前記三次元ナノ構造体アレイは、前記活性層から放射された大きな角度を有する光線を、小さい角度の光線に変更させる。また、前記三次元ナノ構造体アレイは、前記活性層から放射された大きい角度を有する光線を小さい角度の光線に変更することにより、前記活性層から放射された光が前記発光ダイオードの内部で伝播する現象を減少させ、前記活性層から放射された光の消耗を減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】本発明の実施例１の三次元ナノ構造体アレイのもう一つの構造を示す図である。
【図４】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの製造工程を示す図である。
【図５】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの製造過程において、基板の表面に単層で一つの形状に配列された複数のナノ微球の走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの製造過程において、基板の表面に単層でもう一つの形状に配列された複数のナノ微球の走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施例２の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図９】本発明の実施例３の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１１】本発明の実施例５の発光ダイオードの一つの構造を示す図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩに沿った断面図である。
【図１３】図１１に示す発光ダイオードの光出射効率を示す図である。
【図１４】本発明の実施例６の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１５】本発明の実施例７の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１６】本発明の実施例８の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１７】図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ１００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ１００は、基板１０１及び複数の三次元ナノ構造体１０２を含む。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、前記基板１０１の少なくとも一つの表面に形成されている。前記三次元ナノ構造体１０２は梯形構造体である。
【００１５】
前記基板１０１は、絶縁基板又は半導体基板である。前記基板１０１は、ガラス、クオーツ、シリコン（Ｓｉ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又はマグネシア（ＭｇＯ）からなる。前記基板１０１の寸法及び厚さは実際の応用によって決定する。本実施例において、前記基板１０１は、半導体材料窒化ガリウムを備えた正方形のサファイア基板であり、その辺長が２ｃｍである。
【００１６】
前記三次元ナノ構造体１０２は、梯形凸構造又は梯形凹構造である。前記梯形凸構造は、前記基板１０１の一つの表面から該基板１０１を離れる方向に延伸された梯形型の突起である。前記梯形凹構造は、前記基板１０１の一つの表面から該基板１０１内部に凹んで形成された梯形型の止まり穴である。前記梯形凸構造又は梯形凹構造は、例えば、多層三角柱、多層四角錐、多層六角柱又は多層円柱などの梯形多層構造である。前記梯形凸構造又は梯形凹構造の長さ、幅及び高さがそれぞれ１０００ｎｍより小さい。好ましくは、前記梯形凸構造又は梯形凹構造の長さ、幅及び高さがそれぞれ１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００１７】
本実施例において、前記三次元ナノ構造体１０２は、第一円柱１０４及び第二円柱１０６からなる二層式の梯形凸構造体である。前記第一円柱１０４は、前記基板１０１の一つの表面に接触するように配置される。前記第一円柱１０４の側面は、前記基板１０１の第一円柱１０４が配置された表面に垂直する。前記第二円柱１０６は、前記第一円柱１０４の前記基板１０１に隣接する表面とは反対の表面に配置される。前記第二円柱１０６の側面は、第一円柱１０４の第二円柱１０６が配置された表面に垂直する。前記第二円柱１０６の直径は、前記第一円柱１０４の直径より小さい。好ましくは、前記第一円柱１０４と前記第二円柱１０６とは共軸して設置されている。前記第一円柱１０４及び前記第二円柱１０６は一体化される。前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、隣接した二つの三次元ナノ構造体１０２は等距離で配列される。
【００１８】
本実施例において、前記第一円柱１０４の直径が３０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、その高さが５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。好ましくは、前記第一円柱１０４の直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜５００ｎｍである。より好ましくは、前記第一円柱１０４の直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二円柱１０６の直径が１０ｎｍ〜５００ｎｍであり、その高さが２０ｎｍ〜５００ｎｍである。より好ましくは、前記第二円柱１０６の直径が２０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜３００ｎｍである。前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、隣接した二つの第一円柱１０４の間の距離は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍである。好ましくは、前記隣接した二つの第一円柱１０４の間の距離は、１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
【００１９】
一つの例として、前記第一円柱１０４の、直径が３８０ｎｍであり、高さが１０５ｎｍｎｍである。前記第二円柱１０６の、直径が２８０ｎｍであり、高さが５５ｎｍである。前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、前記隣接した二つの第一円柱１０４の間の距離は、３０ｎｍである。
【００２０】
前記三次元ナノ構造体１０２は、前記基板１０１と一体成型され、両方の材料が同じであることができる。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、アレイ状に配列する。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、六角形、方形、同心円環の形状に配列されることができる。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、単一のパターン又は複数のパターンに配列されることができる。前記単一のパターンは、三角形、矩形、菱形、正方形又は円形である。図３を参照すると、前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、複数の同じパターン又は複数の異なるパターンに配列されている。本実施例において、前記複数の三次元ナノ構造体１０２は六角形パターンに配列されている。
【００２１】
前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、各々の前記三次元ナノ構造体１０２は、二層の梯形構造を有するので、前記三次元ナノ構造体アレイ１００は、二層の三次元ナノ構造体アレイを含むことに相当する。従って、前記三次元ナノ構造体アレイ１００の応用分野は広くなる。例えば、前記三次元ナノ構造体アレイ１００は、ナノ集積回路、発光ダイオード、太陽電池、ナノ光学部品に利用することができる。
【００２２】
図４を参照すると、前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法は、基板１０１を提供するステップ（ａ）と、前記基板１０１の一つの表面に単層ナノ球体アレイ１０８を形成するステップ（ｃ）と、前記単層ナノ球体アレイ１０８をマスクとして利用して、前記基板１０１をエッチングし、同時に前記単層ナノ球体アレイ１０８を加工処理するステップ（ｅ）と、前記単層ナノ球体アレイ１０８を除去するステップ（ｇ）と、を含む。
【００２３】
前記ステップ（ａ）において、前記基板１０１は、ガラス、クオーツ、シリコン（Ｓｉ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、膣か珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、ガリウム窒化物（ＧａＮ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又はマグネシア（ＭｇＯ）からなることができる。本実施例において、前記基板１０１は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってサファイア基板の表面にガリウム窒化物半導体層を生成してなるものである。該基板１０１は、方形基板であり、その辺長が２ｃｍである。更に、前記基板１０１のガリウム窒化物半導体層に対してドーピング加工することにより、Ｐ型半導体層又はＮ型半導体層を形成する。
【００２４】
前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法は、更に前記ステップ（ａ）及びステップ（ｃ）の間に、前記ステップ（ａ）における基板１０１を親水処理するステップ（ｂ）を含むことができる。
【００２５】
前記基板１０１が、シリコン又は二酸化ケイ素からなる場合、前記ステップ（ｂ）は、前記基板１０１を洗浄するステップ（ｂ１）と、前記基板１０１を親水性溶液に浸漬させるステップ（ｂ２）と、前記基板１０１を乾燥するステップ（ｂ３）と、を含む。
【００２６】
前記ステップ（ｂ２）において、前記親水性溶液は、温度が３０℃〜１００℃のＮＨ３・Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏの混合物である。前記基板１０１を前記親水性溶液に浸漬する時間は３０分〜６０分間である。前記親水性溶液混合物における各々の成分の比率はＮＨ３・Ｈ２Ｏ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝０．５−１：１：５である。一つの例として、前記親水性溶液は、温度が７０℃〜８０℃のＮＨ３・Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏの混合物である。前記基板１０１を前記親水性溶液に浸漬する時間が４０分間である。前記親水性溶液混合物における各々の成分の比率はＮＨ３・Ｈ２Ｏ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝０．６：１：５である。
【００２７】
前記ステップ（ｂ３）において、前記ステップ（ｂ２）で親水化処理した前記基板１０１を純水によって２回〜３回洗浄した後、窒素ガスの雰囲気で乾燥する。
【００２８】
前記基板１０１が、窒化ガリウムからなる場合、前記ステップ（ｂ）は、前記基板１０１を洗浄するステップ（ｂ１ａ）と、マイクロ波プラズマ方法を利用して前記基板１０１を処理するステップ（ｂ２ａ）と、を含む。
【００２９】
前記ステップ（ｂ２ａ）において、前記基板１００をマイクロ波プラズマ装置の中に入れ、マイクロ波プラズマの拡散により前記基板１００の親水性を改善する。前記マイクロ波プラズマ装置から酸素プラズマ、塩素プラズマ又はアルゴン・プラズマを発生させることができる。
【００３０】
酸素プラズマを利用して前記基板１００を処理する場合、前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、１０Ｗ〜１５０Ｗであり、酸素プラズマの流量は、１０ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭである。酸素プラズマの作動圧力は２Ｐａ〜３Ｐａである。酸素プラズマを利用して前記基板１００を処理する時間は１秒〜３０秒であるが、５秒〜１０秒であることが好ましい。
【００３１】
塩素プラズマを利用して前記基板１００を処理する場合、前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、５０Ｗ〜１００Ｗである。塩素プラズマの流量は、１０ＳＣＣＭ〜３０ＳＣＣＭである。塩素プラズマの作動圧力は２Ｐａ〜１０Ｐａである。塩素プラズマを利用して前記基板１００を処理する時間は３秒〜５秒である。
【００３２】
アルゴン・プラズマを利用して前記基板１００を処理する場合、前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、５０Ｗ〜１００Ｗである。アルゴン・プラズマの流量は、２ＳＣＣＭ〜１０ＳＣＣＭである。アルゴン・プラズマの作動圧力は２Ｐａ〜１０Ｐａである。アルゴン・プラズマを利用して前記基板１００を処理する時間は１０秒〜３０秒である。
【００３３】
前記ステップ（ｃ）は、ナノ微球体溶液を形成するステップ（ｃ１）と、前記ナノ微球体溶液によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成するステップ（ｃ２）と、前記基板１００の少なくとも一つの表面に形成された液態単層ナノ微球膜を乾燥するステップ（ｃ３）と、を含む。
【００３４】
前記ステップ（ｃ１）において、前記ナノ微球体溶液におけるナノ微球体の直径は、６０ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、前記ナノ微球体溶液におけるナノ微球体の直径は、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ又は４００ｎｍであることができる。前記ナノ微球体は、ポリマー材料又はシリコン材料からなる。前記ポリマー材料は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）又はポリスチレン（ＰＳ）であることができる。本実施例において、乳化重合により、ポリスチレンナノ微球体溶液を合成することができる。
【００３５】
一つの例として、前記ステップ（ｃ２）において、浸漬法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成することができる。該浸漬法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成する方法は、前記ナノ微球体溶液を薄めるステップ（ｃ２１）と、前記基板１００を前記薄められたナノ微球体溶液に挿入するステップ（ｃ２２）と、前記基板１００を前記ナノ微球体溶液から取り出すステップ（ｃ２３）と、を含む。
【００３６】
前記ステップ（ｃ２１）において、前記ナノ微球体溶液は、水又はエタノールを利用して薄めることができる。一つの例として、３μｌ〜５μｌ、０．０１ｗｔ％〜１０ｗｔ％のポリスチレンナノ微球体溶液を、１５０ｍｌの純水及び１μｌ〜５μｌ、０．１ｗｔ％〜３ｗｔ％のｄｏｄｅｃｙｌｓｏｄｉｕｍｓｕｌｆａｔｅ（ＳＤＳ）によって薄めて混合物を得る。前記混合物を３０分〜６０分間維持する。更に、前記混合物に１μｌ〜３μｌ、４ｗｔ％のＳＤＳを加入して、前記ＰＳナノ球体の表面張力を調節することができる。前記ポリスチレンナノ微球体溶液、純水及びＳＤＳを直径が１５ｍｍ〜３８ｍｍの皿に混合することができる。
【００３７】
前記ステップ（ｃ２２）において、前記基板１００を、前記ナノ微球体溶液に入れる場合、前記基板１００を緩やかに傾斜させて皿の側壁に沿って前記ナノ微球体溶液に入れる。前記ナノ微球体溶液から取り出す場合、前記基板１００を緩やかに傾斜させて前記ナノ微球体溶液から取り出す。前記基板１０１を傾斜させて前記ナノ微球体溶液に挿入してから、取り出す場合、前記基板１０１表面と前記ナノ微球体溶液のレベルの間の角度を、５度〜１５度に維持する。前記基板１００を前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す速度は、３ｍｍ／ｈ〜１０ｍｍ／ｈである。本実施例において、前記基板１０１を傾斜させて前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す場合、前記基板１０１表面と前記ナノ微球体溶液のレベルの間の角度が９度である。前記基板１００を前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す速度は、５ｍｍ／ｈである。
【００３８】
もう一つの例として、前記ステップ（ｃ２）において、回転コーティング法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成することができる。該回転コーティング方法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成する方法は、前記ナノ微球体溶液を薄めるステップ（ｃ２１ａ）と、前記基板１００に前記薄められたナノ微球体溶液を滴らせるステップ（ｃ２２ａ）と、前記基板１００を４００回転数／分〜５００回転数／分の速度で５秒〜３０秒間に回転させるステップ（ｃ２３ａ）と、前記基板１００の回転速度を８００回数／分〜１０００回数／分まで高め、前記基板１００を３０秒〜２分間回転させるステップ（ｃ２４ａ）と、前記基板１００の回転速度を１４００回数／分〜１５００回数／分まで高め、前記基板１００を１０秒〜２０秒間回転させるステップ（ｃ２５ａ）と、を含む。
【００３９】
前記ステップ（ｃ２１ａ）において、１０ｗｔ％のポリスチレンナノ微球体溶液を、体積比が１：１のＳＤＳの希釈剤によって薄めることができる。前記ＳＤＳの希釈剤は、体積比が１：４０００のＳＤＳとエタノールの混合物である。
【００４０】
前記ステップ（ｃ２２ａ）において、３ｍｌ〜４ｍｌの薄められたナノ微球体溶液を、前記基板１０１の表面に十分に分散させる。
【００４１】
前記ステップ（ｃ３）において、前記基板１００の少なくとも一つの表面に形成された液態単層ナノ微球膜を乾燥させることにより単層ナノ球体アレイ１０８を得ることができる。図５を参照すると、一つの例として、前記単層ナノ球体アレイ１０８において、各々のナノ球体が６角形で配列する。この場合、前記単層ナノ球体アレイ１０８におけるナノ球体の密度が最大である。図６を参照すると、もう一つの例として、前記単層ナノ球体アレイ１０８において、前記複数のナノ球体は、方形のパターンに密集して配列する。
【００４２】
前記ステップ（ｃ）は、前記ステップ（ｃ３）で単層ナノ球体アレイ１０８を得た後、更に前記単層ナノ球体アレイ１０８を焼成するステップ（ｃ４）を含むことができる。前記単層ナノ球体アレイ１０８の、焼成温度が５０℃〜１００℃であり、焼成時間が１分〜５分間である。
【００４３】
更に、前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法は、前記ステップ（ｂ）及びステップ（ｃ）の間に、前記ステップ（ｂ）において一度親水処理された基板１０１を再び親水処理するステップ（ｍ）を含むことができる。前記ステップ（ｍ）において、前記ステップ（ｂ）で親水処理された基板１０１を１ｗｔ％〜５ｗｔ％のＳＤＳ溶液に２時〜２４時間浸漬する。好ましくは、前記ステップ（ｂ）で親水処理された基板１０１を２ｗｔ％のＳＤＳ溶液に２４時間浸漬する。前記ステップ（ｂ）及びステップ（ｃ）の間に、前記ステップ（ｍ）を行う場合、前記単層ナノ球体アレイ１０８において、各々のナノ球体を方形で配列することができる（図６を参照する）。
【００４４】
前記ステップ（ｅ）において、反応気体１１０によって前記単層ナノ球体アレイ１０８をマスクとして用いて基板１０１に対してエッチングし、同時に前記単層ナノ球体アレイ１０８に対して加工処理することにより梯形構造な三次元ナノ構造体アレイ１００を形成することができる。
【００４５】
前記ステップ（ｅ）において、反応気体１１０による前記基板１０１に対するエッチングはマイクロ波プラズマ装置の中で行われる。前記マイクロ波プラズマ装置から反応気体１１０が生じる。前記反応気体１１０は、より低いイオン・エネルギーで前記単層ナノ球体アレイ１０８の前記基板１０１と隣接する表面とは反対の表面、及び前記基板１０１の前記ナノ球体の間の間隙から露出された部分へ拡散する。この場合、前記基板１０１の前記ナノ球体の間の間隙から露出された部分が反応気体１１０でエッチングされる。同時に、前記単層ナノ球体アレイ１０８におけるナノ球体は、前記反応気体１１０でエッチングされて、より小さい直径のナノ球体になり、前記単層ナノ球体アレイ１０８におけるナノ球体の間の間隙が大きくなる。前記基板１０１の前記ナノ球体の間の間隙から露出された部分が反応気体１１０でエッチングされるので、前記基板１０１のエッチングされる部分はより大きくなる。従って、梯形構造の三次元ナノ構造体アレイ１００を形成することができる。
【００４６】
本実施例において、前記反応気体１１０は、塩素ガス（Ｃｌ２）、アルゴン・ガス（Ａｒ）及び酸素ガス（Ｏ２）からなる。前記塩素ガスの流量は、１０ＳＣＣＭ〜６０ＳＣＣＭであり、前記アルゴン・ガスの流量は、４ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭであり、前記酸素ガスの流量は、４ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭである。前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、４０Ｗ〜７０Ｗである。前記反応気体１１０の作動圧力は２Ｐａ〜１０Ｐａである。前記反応気体１１０を利用して前記基板１００をエッチングする時間は１分〜２．５分間である。前記マイクロ波プラズマ装置の出力と前記反応気体１１０の作動圧力の数値比は、２０：１であることが好ましい。前記マイクロ波プラズマ装置の出力と前記反応気体１１０の作動圧力の数値比が１０：１であることがより好ましい。前記反応気体１１０を利用して前記基板１００をエッチングする時間を制御することにより、前記三次元ナノ構造体アレイ１００における三次元ナノ構造体１０２の間の距離を制御することができる。
【００４７】
更に、前記基板１００のエッチング程度及びエッチング時間を調節するために、反応気体１１０に調節ガスを加えることができる。前記調節ガスは、ホウ素三塩化物（ＢＣｌ３）、四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、三フッ化メタン（ＣＨＦ３）又はそれらの混合物である。調節ガスの入力流量は、２０ＳＣＣＭ〜４０ＳＣＣＭである。
【００４８】
前記単層ナノ球体アレイ１０８を前記基板１０１から除去する場合、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、ブタノン、シクロヘキサン、ヘキサン、メタノール又はエタノールなどの剥離剤を用いて前記基板１０１の表面のナノ球体を除去し、前記三次元ナノ構造体１０２を保留することができる。前記単層ナノ球体アレイ１０８を前記基板１０１から除去する場合、接着テープなどを用いて前記基板１０１の表面のナノ球体を除去することができる。本実施例の三次元ナノ構造体アレイの製造方法によって、図７に示す三次元ナノ構造体アレイ１００は得られる。
【００４９】
（実施例２）
図８を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ２００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ２００は、基板２０１及び複数の三次元ナノ構造体２０２を含む。前記三次元ナノ構造体アレイ２００は、実施例１の三次元ナノ構造体アレイ１００と比べて、次の異なる点がある。前記複数の三次元ナノ構造体２０２は、前記基板２０１の対向する二つの表面に形成されている。前記三次元ナノ構造体２０２は梯形構造体である。
【００５０】
（実施例３）
図９を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ３００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ３００は、基板３０１及び複数の三次元ナノ構造体３０２を含む。前記三次元ナノ構造体アレイ３００は、実施例１の三次元ナノ構造体アレイ１００と比べて、次の異なる点がある。前記各々の三次元ナノ構造体３０２は、第一円柱３０４、第二円柱３０６及び第三円柱３０８からなる三層式の梯形凸構造体である。前記第一円柱３０４、第二円柱３０６及び第三円柱３０８は、前記基板３０１の一つの表面から離れる方向に沿って順次的に積層して配列される。且つ、前記第一円柱３０４、第二円柱３０６及び第三円柱３０８直径は、順次的に減少している。
【００５１】
（実施例４）
図１０を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ４００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ４００は、基板４０１及び複数の三次元ナノ構造体４０２を含む。前記三次元ナノ構造体アレイ４００は、実施例１の三次元ナノ構造体アレイ１００と比べて、次の異なる点がある。前記複数の三次元ナノ構造体４０２は、それぞれ梯形凹構造体である。即ち、前記三次元ナノ構造体４０２は、前記基板４０１の少なくとも一つの表面から該基板４０１内部に凹んで形成された梯形型の止まり穴である。前記三次元ナノ構造体４０２は、第一円柱４０４及び第二円柱４０６からなる二層式の梯形凹構造体である。前記第一円柱４０４と前記第二円柱４０６は共軸する。前記第二円柱４０６は、前記基板４０１の一つの表面及び前記第一円柱４０４の間に位置する。且つ前記第二円柱４０６の直径は前記第一円柱４０４の直径より大きい。
【００５２】
前記三次元ナノ構造体アレイ４００の製造方法は、基板４０１を提供するステップ（Ｈ１）と、前記基板４０１の一つの表面に複数のナノ穴を含むマスクを形成するステップ（Ｈ２）と、前記複数のナノ穴を含むマスクを利用して基板４０１をエッチングし、同時に前記マスクの複数のナノ穴を調整するステップ（Ｈ３）と、前記マスクを除去するステップ（Ｈ４）と、を含む。
【００５３】
前記ステップＨ１において、前記基板４００は実施例１の前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法に利用した前記基板１０１と同じである。
【００５４】
前記ステップＨ２において、前記複数のナノ穴を含むマスクは、アレイの形で配列された複数の穴を含む連続的なフィルムである。前記マスクは、エチレン・テレフタル酸塩（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリイミド（ＰＩ）などのポリマー材料からなる。前記複数のナノ穴を含むマスクは、ナノインプリント方法又はテンプレート沈積方法によって形成することができる。
【００５５】
前記ステップＨ３において、前記マスクを利用して基板４０１をエッチングし、同時に前記マスクの複数のナノ穴を調整することは、前記実施例１の前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法のステップ（ｅ）と同じである。反応気体は、前記マスクの前記基板４０１と隣接する表面とは反対の表面、及び前記基板４０１の前記マスクの穴から露出された部分へ拡散する。この場合、前記基板４０１の前記マスクの穴から露出された部分が反応気体によりエッチングされる。同時に、前記マスクにおける穴は、反応気体にエッチングされて孔径が大きくなり、前記マスクの間の間隙が小さくなる。前記基板４０１の前記マスクにおける穴から更に露出された部分が反応気体によりエッチングされるので、前記基板４０１のエッチングされる部分はより大きくなる。従って、梯形構造の三次元ナノ構造体アレイ４００を形成することができる。
【００５６】
ステップＨ４では、前記マスクはピーリング方法によって除去することができる。
【００５７】
（実施例５）
図１１を参照すると、本実施例は、発光ダイオード１０を提供する。該発光ダイオード１０は、基板１２と、第一半導体層１４と、活性層１６と、第二半導体層１８と、第一電極１３と、第二電極１１と、光子作用体１７と、を含む。前記第一半導体層１４、活性層１６及び第二半導体層１８は、前記基板１２の一つの表面に、該表面から離れる方向に順次的に積層される。前記第一電極１３は、前記第一半導体層１４に電気的に接続されている。前記第二電極１１は、前記第二半導体層１８に電気的に接続されている。前記光子作用体１７は、前記第二半導体層１８の前記基板１２と対向する表面とは反対の表面に配置される。
【００５８】
前記基板１２は、前記第一半導体層１４と、活性層１６と、第二半導体層１８と、第一電極１３と、第二電極１１と、光子作用体１７などの素子を支持するために形成される。前記基板１２は、サファイア、ガリウムヒ素、インジウム・リン酸塩、窒化ケイ素、ガリウム窒化物、酸化亜鉛、アルミニウム窒化ケイ素及びシリコン炭素などの一種又は数種からなる。前記基板１２の厚さは、３００μｍ〜５００μｍである。本実施例において、前記基板１２は、サファイアからなり、その厚さが４００μｍである。
【００５９】
更に、前記発光ダイオード１０は、前記基板１２と前記第一半導体層１４の間に配置された緩衝層（図示せず）を含むことができる。前記緩衝層は、それぞれ前記基板１２と前記第一半導体層１４の対向する表面と接触する。前記緩衝層は、前記基板１２と前記第一半導体層１４の間の格子不整合現象を減少させ、且つ前記基板１２と前記第一半導体層１４の間のエピタキシャル成長の品質を改善することができる。前記緩衝層は、ガリウム窒化物（ＧａＮ）又はアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなる。前記緩衝層の厚さは１０ｎｍ〜３００ｎｍであるが、２０ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００６０】
一つの例として、前記第一半導体層１４は、階段形の構造を有している。この場合、前記第一半導体層１４は、異なる水平面に位置する互いに本質的に平行する第一表面１４１、第二表面１４２及び第三表面１４３を含む。前記第二表面１４２及び前記第三表面１４３は、それぞれ前記第一表面１４１に対向する。前記第二表面１４２及び前記第三表面１４３は、前記第一表面１４１から離れる距離が異なっており、前記第二表面１４２と前記第一表面１４１の間の距離は、前記第三表面１４３と前記第一表面１４１の間の距離より小さい。前記第一半導体層１４の前記第一表面１４１は、前記基板１２に隣接する。前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３は、前記活性層１６に隣接する。前記活性層１６及び前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３の接触面積が同じであることが好ましい。
【００６１】
もう一つの例として、前記第一半導体層１４は、平板形構造を有している。この場合、前記第一半導体層１４は、第一表面１４１、第二表面１４２及び第三表面１４３を含み、前記第二表面１４２及び第三表面１４３は、同じ水平面に位置し、且つそれぞれ前記第一表面１４１に対向する。即ち、前記第二表面１４２及び前記第三表面１４３は、前記第一表面１４１から離れる距離が同じである。この場合も、前記第一半導体層１４の前記第一表面１４１は、前記基板１２に隣接する。前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３は、前記活性層１６に隣接する。前記活性層１６及び前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３の接触面積が同じである。
【００６２】
第一半導体層１４がｎ型半導体層である場合、第二半導体層１８はｐ型半導体層であるが、前記第一半導体層１４がｐ型半導体層である場合、第二半導体層１８はｎ型半導体層である。前記ｎ型半導体層は、電子を提供し、前記ｐ型半導体層は、空洞を提供する。前記ｎ型半導体層は、ｎ型ガリウム窒化物、ｎ型ガリウムヒ素及びｎ型リン酸銅の一種又は数種からなる。前記ｐ型半導体層は、ｐ型ガリウム窒化物、ｐ型ガリウムヒ素及びｐ型リン酸銅の一種又は数種からなる。前記第一半導体層１４の厚さは１μｍ〜５μｍである。前記第二半導体層１８の厚さは０．１μｍ〜３μｍである。本実施例において、前記第一半導体層１４はｎ型ガリウム窒化物からなるｎ型半導体層であり、階段形の構造を有する。前記第二表面１４２及び前記第一表面１４１の間の距離は、０．１μｍである。前記第三表面１４３及び前記第一表面１４１の間の距離は、０．３μｍである。前記第二半導体層１８は、ｐ型ガリウム窒化物からなるｐ型半導体層であり、その厚さが０．３μｍである。
【００６３】
前記活性層１６は、第一半導体層１４の前記第三表面１４３の上に配置されている。前記活性層１６は、単一量子井戸層又は多重量子井戸層である。前記活性層１６は、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、燐化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＰ）及びヒ化アルミニウムガリウム（ＧａＩｎＡｓ）の一種又は数種からなる。前記活性層１６の厚さは、０．０１μｍ〜０．６μｍである。本実施例において、前記活性層１６の厚さは、０．３μｍである。前記活性層１６は、積層されて配置されるＧａＩｎＮ層及びＧａＮ層からなる。前記第一半導体層１４の前記第二表面１４２と前記第二半導体層１８の前記基板１２と対向する表面とは反対の表面との間の垂直距離は０．８μｍである。
【００６４】
前記第一電極１３は、ｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第一半導体１４の型と同じ必要がある。前記第二電極１１は、ｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第二半導体１８の型と同じ必要がある。前記第一電極１３の厚さは０．０１μｍ〜２μｍである。前記第二電極１１の厚さは０．０１μｍ〜２μｍである。前記第一電極１３は、チタン、アルミニウム、ニッケル及び金の一種又は数種からなる。本実施例において、前記第一電極１３は、ｐ型電極であり、ニッケル層及び金層を含む。前記第一電極１３において、ニッケル層の厚さは１５０オングストロームであり、金層の厚さは１０００オングストロームである。前記第二電極１１はｎ型電極であり、ニッケル層及び金層を含む。前記第二電極１１において、ニッケル層の厚さは１５０オングストロームであり、金層の厚さは２０００オングストロームである。前記第一電極１３は、前記第一半導体１４の前記第二表面１４２の上に配置されている。前記第二電極１１は、前記第二半導体層１８の前記活性層１６と接触する表面とは反対の表面の一部に配置される。
【００６５】
前記光子作用体１７は、前記第二半導体層１８の前記活性層１６と接触する表面とは反対の表面に配置される。前記光子作用体１７は、複数の三次元ナノ構造体を含む。前記三次元ナノ構造体は、梯形凸構造又は梯形凹構造である。前記梯形凸構造としては、前記第二半導体層１８の一つの表面から該第二半導体層１８を離れる方向に延伸された梯形型の突起である。前記梯形凹構造としては、前記第二半導体層１８の一つの表面から前記第二半導体層１８の内部に凹んで形成された梯形型の止まり穴である。前記梯形凸構造又は梯形凹構造は、例えば、多層三角柱、多層四角錐、多層六角柱又は多層円柱などの多層梯形構造である。前記光子作用体１７の材料に対しては特に制限がない。前記光子作用体１７の材料は、前記第二半導体層１８の材料と同じであることができる。この場合、前記光子作用体１７は、前記第二半導体層１８と一体化される。本実施例において、前記光子作用体１７は、実施例１で示された三次元ナノ構造体アレイ１００である。もう一つの例として、前記光子作用体１７は、実施例２、３で示された三次元ナノ構造体アレイ２００、３００であることができる。
【００６６】
前記発光ダイオード１０を利用する場合、前記活性層１６から放射された光線は、異なる角度で前記光子作用体１７に達する。前記活性層１６から放射された小さい角度を有する光線は、前記発光ダイオード１０から放射することが容易だが、前記活性層１６から放射された大きい角度を有する光線は、前記光子作用体１７によって屈折されて小さい角度の光線になる。従って、前記発光ダイオード１０の光出射効率を高める。前記梯形構造を有する三次元ナノ構造体からなる前記光子作用体１７は、前記発光ダイオード１０に両層光子クリスタルの役割を果たすので、前記発光ダイオード１０の光射出効率を改善することができる。図１３を参照すると、前記光子作用体１７を利用した前記発光ダイオード１０の光出射効率は、前記光子作用体１７を利用しない従来の発光ダイオードの光出射効率の５倍ほどある。
【００６７】
（実施例６）
図１４を参照すると、本実施例は、発光ダイオード２０を提供する。前記発光ダイオード２０は、基板２２と、第一半導体層２４と、活性層２６と、第二半導体層２８と、第一電極２３と、第二電極２１と、光子作用体２７と、を含む。前記発光ダイオード２０は、実施例５の発光ダイオード１０と比べて、次の異なる点がある。前記光子作用体２７は、前記第一半導体層２４の前記基板２２に隣接する表面に配置される。
【００６８】
（実施例７）
図１５を参照すると、本実施例は、発光ダイオード３０を提供する。前記発光ダイオード３０は、基板３２と、第一半導体層３４と、活性層３６と、第二半導体層３８と、第一電極３３と、第二電極３１と、光子作用体３７と、を含む。前記発光ダイオード３０は、実施例５の発光ダイオード１０と比べて、次の異なる点がある。前記光子作用体３７は、前記基板３２の前記第一半導体層３４に隣接する表面に配置される。
【００６９】
前記発光ダイオード２０、３０を使用する場合、前記活性層２６、３６から放射された光線は、異なる角度で前記第一半導体層２４、３４に達する。前記活性層２６、３６から放射された小さい角度を有する光線は、前記第一半導体層２４、３４を通じて前記発光ダイオード１０から放射することが容易だが、前記活性層２６、３６から放射された大きい角度を有する光線は、前記発光ダイオード２０、３０の光射出面で反射された後、前記光子作用体２７、３７に達し、且つ前記光子作用体２７、３７によって屈折されて小さい角度の光線になる。従って、前記発光ダイオード２０、３０の光出射効率を高める。前記梯形構造を有する三次元ナノ構造体からなる前記光子作用体２７、３７は、前記発光ダイオード２０、３０に両層光子クリスタルの役割を果たすので、前記発光ダイオード２０、３０の光射出効率を改善することができる。
【００７０】
（実施例８）
図１６及び図１７を参照すると、本実施例は、発光ダイオード４０を提供する。前記発光ダイオード４０は、基板４２と、第一半導体層４４と、活性層４６と、第二半導体層４８と、第一電極４３と、第二電極４１と、光子作用体４７と、を含む。前記発光ダイオード４０は、実施例５の発光ダイオード１０と比べて、次の異なる点がある。前記光子作用体４７は、前記実施例４で示された三次元ナノ構造体アレイ４００である。
【符号の説明】
【００７１】
１００、２００、３００、４００ 三次元ナノ構造体アレイ
１０１、２０１、３０１、４０１ 基板
１０２、２０２、３０２、４０２ 三次元ナノ構造体
１０４、２０４、３０４、４０４ 第一円柱
１０６、２０６、３０６、４０６ 第二円柱
１０８ 単層ナノ球体アレイ
１１０ 反応気体
３０８ 第三円柱
１０、２０、３０、４０ 発光ダイオード
１１、２１、３１、４１ 第二電極
１２、２２、３２、４２ 基板
１３、２３、３３、４３ 第一電極
１４、２４、３４、４４ 第一半導体層
１６、２６、３６、４６ 活性層
１７、２７、３７、４７ 三次元ナノ構造体アレイ
１８、２８、３８、４８ 第二半導体層
１４１ 第一表面
１４２ 第二表面
１４３ 第三表面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮに基づいた半導体からなるＬＥＤは優れた出光効率を有し、寿命が長く、省エネルギー及び環境保全などの利点を有するので、ディスプレイ装置、大きな電子ビルボード、街灯、自動車などの照明素子として広く使用されている。
【０００３】
従来のＬＥＤは、一般にｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、活性層と、ｎ型電極と、ｐ型電極とを含む。活性層はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に位置する。ｐ型電極はｐ型半導体層に配置される。ｎ型電極はｎ型半導体層に配置される。前記ｐ型電極は透明電極である。前記ＬＥＤを使用する場合、前記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層にそれぞれ正電圧及び負電圧を印加することにより、前記ｐ型半導体層及びｎ型半導体層からの電子及び正孔は前記活性層に移動し、且つ互いに結合して可視光を放射する。
【０００４】
しかし、従来のＬＥＤの光射出率（ＬＥＤの内部からの光が前記ＬＥＤの外に放射される比率）が低い。この原因は、前記ＬＥＤの半導体元素（窒化ガリウム）の屈折率が、大気の屈折率より大きいので、前記活性層からの大きな角度を有する光は、前記ＬＥＤの半導体元素と大気の界面で全反射されることにより、大部分の前記大きな角度を有する光が前記ＬＥＤの内部に抑制され、熱に変換されて消散される。これは、ＬＥＤに対して十分に不利である。
【０００５】
従来のＬＥＤの光射出率が低い状態を改善するために、前記ＬＥＤの半導体元素の表面を粗面処理するなどの方法が次第に掲示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のＬＥＤの半導体元素の表面を粗面処理する方法は、単に小さな入射角を有する光に対しては作用を有するが、より大きな角度を有する光に対して作用を有さないので、より大きな角度を有する光は、ＬＥＤから射出することができない。
【０００７】
従って、前記課題を解決するために、本発明は光射出率が高い発光ダイオードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第二半導体層の前記活性層と隣接する表面とは反対の表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【０００９】
本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第一半導体層の前記基板に隣接する表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【００１０】
本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む。前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に順次的に前記基板に積層されている。前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続される。前記三次元ナノ構造体アレイは、前記基板の前記第一半導体層に隣接する表面に配置される。前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、前記ナノ構造体は梯形三次元ナノ構造体である。
【発明の効果】
【００１１】
従来の技術と比べて、本発明の発光ダイオードには、複数の三次元ナノ構造体が配列されて三次元ナノ構造体アレイを形成している。前記三次元ナノ構造体は、梯形構造を有するので、前記三次元ナノ構造体アレイは、少なくとも両層光子クリスタルに相当している。従って、前記発光ダイオードの活性層から放射された光線の射出率を高めることができる。特に、前記三次元ナノ構造体アレイは、前記活性層から放射された大きな角度を有する光線を、小さい角度の光線に変更させる。また、前記三次元ナノ構造体アレイは、前記活性層から放射された大きい角度を有する光線を小さい角度の光線に変更することにより、前記活性層から放射された光が前記発光ダイオードの内部で伝播する現象を減少させ、前記活性層から放射された光の消耗を減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】本発明の実施例１の三次元ナノ構造体アレイのもう一つの構造を示す図である。
【図４】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの製造工程を示す図である。
【図５】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの製造過程において、基板の表面に単層で一つの形状に配列された複数のナノ微球の走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの製造過程において、基板の表面に単層でもう一つの形状に配列された複数のナノ微球の走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】図１に示す三次元ナノ構造体アレイの走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施例２の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図９】本発明の実施例３の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１１】本発明の実施例５の発光ダイオードの一つの構造を示す図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩに沿った断面図である。
【図１３】図１１に示す発光ダイオードの光出射効率を示す図である。
【図１４】本発明の実施例６の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１５】本発明の実施例７の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１６】本発明の実施例８の三次元ナノ構造体アレイの一つの構造を示す図である。
【図１７】図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ１００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ１００は、基板１０１及び複数の三次元ナノ構造体１０２を含む。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、前記基板１０１の少なくとも一つの表面に形成されている。前記三次元ナノ構造体１０２は梯形構造体である。
【００１５】
前記基板１０１は、絶縁基板又は半導体基板である。前記基板１０１は、ガラス、クオーツ、シリコン（Ｓｉ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又はマグネシア（ＭｇＯ）からなる。前記基板１０１の寸法及び厚さは実際の応用によって決定する。本実施例において、前記基板１０１は、半導体材料窒化ガリウムを備えた正方形のサファイア基板であり、その辺長が２ｃｍである。
【００１６】
前記三次元ナノ構造体１０２は、梯形凸構造又は梯形凹構造である。前記梯形凸構造は、前記基板１０１の一つの表面から該基板１０１を離れる方向に延伸された梯形型の突起である。前記梯形凹構造は、前記基板１０１の一つの表面から該基板１０１内部に凹んで形成された梯形型の止まり穴である。前記梯形凸構造又は梯形凹構造は、例えば、多層三角柱、多層四角錐、多層六角柱又は多層円柱などの梯形多層構造である。前記梯形凸構造又は梯形凹構造の長さ、幅及び高さがそれぞれ１０００ｎｍより小さい。好ましくは、前記梯形凸構造又は梯形凹構造の長さ、幅及び高さがそれぞれ１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００１７】
本実施例において、前記三次元ナノ構造体１０２は、第一円柱１０４及び第二円柱１０６からなる二層式の梯形凸構造体である。前記第一円柱１０４は、前記基板１０１の一つの表面に接触するように配置される。前記第一円柱１０４の側面は、前記基板１０１の第一円柱１０４が配置された表面に垂直する。前記第二円柱１０６は、前記第一円柱１０４の前記基板１０１に隣接する表面とは反対の表面に配置される。前記第二円柱１０６の側面は、第一円柱１０４の第二円柱１０６が配置された表面に垂直する。前記第二円柱１０６の直径は、前記第一円柱１０４の直径より小さい。好ましくは、前記第一円柱１０４と前記第二円柱１０６とは共軸して設置されている。前記第一円柱１０４及び前記第二円柱１０６は一体化される。前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、隣接した二つの三次元ナノ構造体１０２は等距離で配列される。
【００１８】
本実施例において、前記第一円柱１０４の直径が３０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、その高さが５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。好ましくは、前記第一円柱１０４の直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜５００ｎｍである。より好ましくは、前記第一円柱１０４の直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二円柱１０６の直径が１０ｎｍ〜５００ｎｍであり、その高さが２０ｎｍ〜５００ｎｍである。より好ましくは、前記第二円柱１０６の直径が２０ｎｍ〜２００ｎｍであり、その高さが１００ｎｍ〜３００ｎｍである。前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、隣接した二つの第一円柱１０４の間の距離は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍである。好ましくは、前記隣接した二つの第一円柱１０４の間の距離は、１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
【００１９】
一つの例として、前記第一円柱１０４の、直径が３８０ｎｍであり、高さが１０５ｎｍｎｍである。前記第二円柱１０６の、直径が２８０ｎｍであり、高さが５５ｎｍである。前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、前記隣接した二つの第一円柱１０４の間の距離は、３０ｎｍである。
【００２０】
前記三次元ナノ構造体１０２は、前記基板１０１と一体成型され、両方の材料が同じであることができる。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、アレイ状に配列する。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、六角形、方形、同心円環の形状に配列されることができる。前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、単一のパターン又は複数のパターンに配列されることができる。前記単一のパターンは、三角形、矩形、菱形、正方形又は円形である。図３を参照すると、前記複数の三次元ナノ構造体１０２は、複数の同じパターン又は複数の異なるパターンに配列されている。本実施例において、前記複数の三次元ナノ構造体１０２は六角形パターンに配列されている。
【００２１】
前記三次元ナノ構造体アレイ１００において、各々の前記三次元ナノ構造体１０２は、二層の梯形構造を有するので、前記三次元ナノ構造体アレイ１００は、二層の三次元ナノ構造体アレイを含むことに相当する。従って、前記三次元ナノ構造体アレイ１００の応用分野は広くなる。例えば、前記三次元ナノ構造体アレイ１００は、ナノ集積回路、発光ダイオード、太陽電池、ナノ光学部品に利用することができる。
【００２２】
図４を参照すると、前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法は、基板１０１を提供するステップ（ａ）と、前記基板１０１の一つの表面に単層ナノ球体アレイ１０８を形成するステップ（ｃ）と、前記単層ナノ球体アレイ１０８をマスクとして利用して、前記基板１０１をエッチングし、同時に前記単層ナノ球体アレイ１０８を加工処理するステップ（ｅ）と、前記単層ナノ球体アレイ１０８を除去するステップ（ｇ）と、を含む。
【００２３】
前記ステップ（ａ）において、前記基板１０１は、ガラス、クオーツ、シリコン（Ｓｉ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、膣か珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、ガリウム窒化物（ＧａＮ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又はマグネシア（ＭｇＯ）からなることができる。本実施例において、前記基板１０１は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってサファイア基板の表面にガリウム窒化物半導体層を生成してなるものである。該基板１０１は、方形基板であり、その辺長が２ｃｍである。更に、前記基板１０１のガリウム窒化物半導体層に対してドーピング加工することにより、Ｐ型半導体層又はＮ型半導体層を形成する。
【００２４】
前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法は、更に前記ステップ（ａ）及びステップ（ｃ）の間に、前記ステップ（ａ）における基板１０１を親水処理するステップ（ｂ）を含むことができる。
【００２５】
前記基板１０１が、シリコン又は二酸化ケイ素からなる場合、前記ステップ（ｂ）は、前記基板１０１を洗浄するステップ（ｂ１）と、前記基板１０１を親水性溶液に浸漬させるステップ（ｂ２）と、前記基板１０１を乾燥するステップ（ｂ３）と、を含む。
【００２６】
前記ステップ（ｂ２）において、前記親水性溶液は、温度が３０℃〜１００℃のＮＨ３・Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏの混合物である。前記基板１０１を前記親水性溶液に浸漬する時間は３０分〜６０分間である。前記親水性溶液混合物における各々の成分の比率はＮＨ３・Ｈ２Ｏ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝０．５−１：１：５である。一つの例として、前記親水性溶液は、温度が７０℃〜８０℃のＮＨ３・Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２及びＨ２Ｏの混合物である。前記基板１０１を前記親水性溶液に浸漬する時間が４０分間である。前記親水性溶液混合物における各々の成分の比率はＮＨ３・Ｈ２Ｏ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝０．６：１：５である。
【００２７】
前記ステップ（ｂ３）において、前記ステップ（ｂ２）で親水化処理した前記基板１０１を純水によって２回〜３回洗浄した後、窒素ガスの雰囲気で乾燥する。
【００２８】
前記基板１０１が、窒化ガリウムからなる場合、前記ステップ（ｂ）は、前記基板１０１を洗浄するステップ（ｂ１ａ）と、マイクロ波プラズマ方法を利用して前記基板１０１を処理するステップ（ｂ２ａ）と、を含む。
【００２９】
前記ステップ（ｂ２ａ）において、前記基板１００をマイクロ波プラズマ装置の中に入れ、マイクロ波プラズマの拡散により前記基板１００の親水性を改善する。前記マイクロ波プラズマ装置から酸素プラズマ、塩素プラズマ又はアルゴン・プラズマを発生させることができる。
【００３０】
酸素プラズマを利用して前記基板１００を処理する場合、前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、１０Ｗ〜１５０Ｗであり、酸素プラズマの流量は、１０ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭである。酸素プラズマの作動圧力は２Ｐａ〜３Ｐａである。酸素プラズマを利用して前記基板１００を処理する時間は１秒〜３０秒であるが、５秒〜１０秒であることが好ましい。
【００３１】
塩素プラズマを利用して前記基板１００を処理する場合、前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、５０Ｗ〜１００Ｗである。塩素プラズマの流量は、１０ＳＣＣＭ〜３０ＳＣＣＭである。塩素プラズマの作動圧力は２Ｐａ〜１０Ｐａである。塩素プラズマを利用して前記基板１００を処理する時間は３秒〜５秒である。
【００３２】
アルゴン・プラズマを利用して前記基板１００を処理する場合、前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、５０Ｗ〜１００Ｗである。アルゴン・プラズマの流量は、２ＳＣＣＭ〜１０ＳＣＣＭである。アルゴン・プラズマの作動圧力は２Ｐａ〜１０Ｐａである。アルゴン・プラズマを利用して前記基板１００を処理する時間は１０秒〜３０秒である。
【００３３】
前記ステップ（ｃ）は、ナノ微球体溶液を形成するステップ（ｃ１）と、前記ナノ微球体溶液によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成するステップ（ｃ２）と、前記基板１００の少なくとも一つの表面に形成された液態単層ナノ微球膜を乾燥するステップ（ｃ３）と、を含む。
【００３４】
前記ステップ（ｃ１）において、前記ナノ微球体溶液におけるナノ微球体の直径は、６０ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、前記ナノ微球体溶液におけるナノ微球体の直径は、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ又は４００ｎｍであることができる。前記ナノ微球体は、ポリマー材料又はシリコン材料からなる。前記ポリマー材料は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）又はポリスチレン（ＰＳ）であることができる。本実施例において、乳化重合により、ポリスチレンナノ微球体溶液を合成することができる。
【００３５】
一つの例として、前記ステップ（ｃ２）において、浸漬法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成することができる。該浸漬法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成する方法は、前記ナノ微球体溶液を薄めるステップ（ｃ２１）と、前記基板１００を前記薄められたナノ微球体溶液に挿入するステップ（ｃ２２）と、前記基板１００を前記ナノ微球体溶液から取り出すステップ（ｃ２３）と、を含む。
【００３６】
前記ステップ（ｃ２１）において、前記ナノ微球体溶液は、水又はエタノールを利用して薄めることができる。一つの例として、３μｌ〜５μｌ、０．０１ｗｔ％〜１０ｗｔ％のポリスチレンナノ微球体溶液を、１５０ｍｌの純水及び１μｌ〜５μｌ、０．１ｗｔ％〜３ｗｔ％のｄｏｄｅｃｙｌｓｏｄｉｕｍｓｕｌｆａｔｅ（ＳＤＳ）によって薄めて混合物を得る。前記混合物を３０分〜６０分間維持する。更に、前記混合物に１μｌ〜３μｌ、４ｗｔ％のＳＤＳを加入して、前記ＰＳナノ球体の表面張力を調節することができる。前記ポリスチレンナノ微球体溶液、純水及びＳＤＳを直径が１５ｍｍ〜３８ｍｍの皿に混合することができる。
【００３７】
前記ステップ（ｃ２２）において、前記基板１００を、前記ナノ微球体溶液に入れる場合、前記基板１００を緩やかに傾斜させて皿の側壁に沿って前記ナノ微球体溶液に入れる。前記ナノ微球体溶液から取り出す場合、前記基板１００を緩やかに傾斜させて前記ナノ微球体溶液から取り出す。前記基板１０１を傾斜させて前記ナノ微球体溶液に挿入してから、取り出す場合、前記基板１０１表面と前記ナノ微球体溶液のレベルの間の角度を、５度〜１５度に維持する。前記基板１００を前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す速度は、３ｍｍ／ｈ〜１０ｍｍ／ｈである。本実施例において、前記基板１０１を傾斜させて前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す場合、前記基板１０１表面と前記ナノ微球体溶液のレベルの間の角度が９度である。前記基板１００を前記ナノ微球体溶液に挿入及び取り出す速度は、５ｍｍ／ｈである。
【００３８】
もう一つの例として、前記ステップ（ｃ２）において、回転コーティング法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成することができる。該回転コーティング方法によって前記基板１００の少なくとも一つの表面に液態単層ナノ微球膜を形成する方法は、前記ナノ微球体溶液を薄めるステップ（ｃ２１ａ）と、前記基板１００に前記薄められたナノ微球体溶液を滴らせるステップ（ｃ２２ａ）と、前記基板１００を４００回転数／分〜５００回転数／分の速度で５秒〜３０秒間に回転させるステップ（ｃ２３ａ）と、前記基板１００の回転速度を８００回数／分〜１０００回数／分まで高め、前記基板１００を３０秒〜２分間回転させるステップ（ｃ２４ａ）と、前記基板１００の回転速度を１４００回数／分〜１５００回数／分まで高め、前記基板１００を１０秒〜２０秒間回転させるステップ（ｃ２５ａ）と、を含む。
【００３９】
前記ステップ（ｃ２１ａ）において、１０ｗｔ％のポリスチレンナノ微球体溶液を、体積比が１：１のＳＤＳの希釈剤によって薄めることができる。前記ＳＤＳの希釈剤は、体積比が１：４０００のＳＤＳとエタノールの混合物である。
【００４０】
前記ステップ（ｃ２２ａ）において、３ｍｌ〜４ｍｌの薄められたナノ微球体溶液を、前記基板１０１の表面に十分に分散させる。
【００４１】
前記ステップ（ｃ３）において、前記基板１００の少なくとも一つの表面に形成された液態単層ナノ微球膜を乾燥させることにより単層ナノ球体アレイ１０８を得ることができる。図５を参照すると、一つの例として、前記単層ナノ球体アレイ１０８において、各々のナノ球体が６角形で配列する。この場合、前記単層ナノ球体アレイ１０８におけるナノ球体の密度が最大である。図６を参照すると、もう一つの例として、前記単層ナノ球体アレイ１０８において、前記複数のナノ球体は、方形のパターンに密集して配列する。
【００４２】
前記ステップ（ｃ）は、前記ステップ（ｃ３）で単層ナノ球体アレイ１０８を得た後、更に前記単層ナノ球体アレイ１０８を焼成するステップ（ｃ４）を含むことができる。前記単層ナノ球体アレイ１０８の、焼成温度が５０℃〜１００℃であり、焼成時間が１分〜５分間である。
【００４３】
更に、前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法は、前記ステップ（ｂ）及びステップ（ｃ）の間に、前記ステップ（ｂ）において一度親水処理された基板１０１を再び親水処理するステップ（ｍ）を含むことができる。前記ステップ（ｍ）において、前記ステップ（ｂ）で親水処理された基板１０１を１ｗｔ％〜５ｗｔ％のＳＤＳ溶液に２時〜２４時間浸漬する。好ましくは、前記ステップ（ｂ）で親水処理された基板１０１を２ｗｔ％のＳＤＳ溶液に２４時間浸漬する。前記ステップ（ｂ）及びステップ（ｃ）の間に、前記ステップ（ｍ）を行う場合、前記単層ナノ球体アレイ１０８において、各々のナノ球体を方形で配列することができる（図６を参照する）。
【００４４】
前記ステップ（ｅ）において、反応気体１１０によって前記単層ナノ球体アレイ１０８をマスクとして用いて基板１０１に対してエッチングし、同時に前記単層ナノ球体アレイ１０８に対して加工処理することにより梯形構造な三次元ナノ構造体アレイ１００を形成することができる。
【００４５】
前記ステップ（ｅ）において、反応気体１１０による前記基板１０１に対するエッチングはマイクロ波プラズマ装置の中で行われる。前記マイクロ波プラズマ装置から反応気体１１０が生じる。前記反応気体１１０は、より低いイオン・エネルギーで前記単層ナノ球体アレイ１０８の前記基板１０１と隣接する表面とは反対の表面、及び前記基板１０１の前記ナノ球体の間の間隙から露出された部分へ拡散する。この場合、前記基板１０１の前記ナノ球体の間の間隙から露出された部分が反応気体１１０でエッチングされる。同時に、前記単層ナノ球体アレイ１０８におけるナノ球体は、前記反応気体１１０でエッチングされて、より小さい直径のナノ球体になり、前記単層ナノ球体アレイ１０８におけるナノ球体の間の間隙が大きくなる。前記基板１０１の前記ナノ球体の間の間隙から露出された部分が反応気体１１０でエッチングされるので、前記基板１０１のエッチングされる部分はより大きくなる。従って、梯形構造の三次元ナノ構造体アレイ１００を形成することができる。
【００４６】
本実施例において、前記反応気体１１０は、塩素ガス（Ｃｌ２）、アルゴン・ガス（Ａｒ）及び酸素ガス（Ｏ２）からなる。前記塩素ガスの流量は、１０ＳＣＣＭ〜６０ＳＣＣＭであり、前記アルゴン・ガスの流量は、４ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭであり、前記酸素ガスの流量は、４ＳＣＣＭ〜２０ＳＣＣＭである。前記マイクロ波プラズマ装置の出力は、４０Ｗ〜７０Ｗである。前記反応気体１１０の作動圧力は２Ｐａ〜１０Ｐａである。前記反応気体１１０を利用して前記基板１００をエッチングする時間は１分〜２．５分間である。前記マイクロ波プラズマ装置の出力と前記反応気体１１０の作動圧力の数値比は、２０：１であることが好ましい。前記マイクロ波プラズマ装置の出力と前記反応気体１１０の作動圧力の数値比が１０：１であることがより好ましい。前記反応気体１１０を利用して前記基板１００をエッチングする時間を制御することにより、前記三次元ナノ構造体アレイ１００における三次元ナノ構造体１０２の間の距離を制御することができる。
【００４７】
更に、前記基板１００のエッチング程度及びエッチング時間を調節するために、反応気体１１０に調節ガスを加えることができる。前記調節ガスは、ホウ素三塩化物（ＢＣｌ３）、四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、三フッ化メタン（ＣＨＦ３）又はそれらの混合物である。調節ガスの入力流量は、２０ＳＣＣＭ〜４０ＳＣＣＭである。
【００４８】
前記単層ナノ球体アレイ１０８を前記基板１０１から除去する場合、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、ブタノン、シクロヘキサン、ヘキサン、メタノール又はエタノールなどの剥離剤を用いて前記基板１０１の表面のナノ球体を除去し、前記三次元ナノ構造体１０２を保留することができる。前記単層ナノ球体アレイ１０８を前記基板１０１から除去する場合、接着テープなどを用いて前記基板１０１の表面のナノ球体を除去することができる。本実施例の三次元ナノ構造体アレイの製造方法によって、図７に示す三次元ナノ構造体アレイ１００は得られる。
【００４９】
（実施例２）
図８を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ２００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ２００は、基板２０１及び複数の三次元ナノ構造体２０２を含む。前記三次元ナノ構造体アレイ２００は、実施例１の三次元ナノ構造体アレイ１００と比べて、次の異なる点がある。前記複数の三次元ナノ構造体２０２は、前記基板２０１の対向する二つの表面に形成されている。前記三次元ナノ構造体２０２は梯形構造体である。
【００５０】
（実施例３）
図９を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ３００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ３００は、基板３０１及び複数の三次元ナノ構造体３０２を含む。前記三次元ナノ構造体アレイ３００は、実施例１の三次元ナノ構造体アレイ１００と比べて、次の異なる点がある。前記各々の三次元ナノ構造体３０２は、第一円柱３０４、第二円柱３０６及び第三円柱３０８からなる三層式の梯形凸構造体である。前記第一円柱３０４、第二円柱３０６及び第三円柱３０８は、前記基板３０１の一つの表面から離れる方向に沿って順次的に積層して配列される。且つ、前記第一円柱３０４、第二円柱３０６及び第三円柱３０８直径は、順次的に減少している。
【００５１】
（実施例４）
図１０を参照すると、本実施例は、三次元ナノ構造体アレイ４００を提供する。前記三次元ナノ構造体アレイ４００は、基板４０１及び複数の三次元ナノ構造体４０２を含む。前記三次元ナノ構造体アレイ４００は、実施例１の三次元ナノ構造体アレイ１００と比べて、次の異なる点がある。前記複数の三次元ナノ構造体４０２は、それぞれ梯形凹構造体である。即ち、前記三次元ナノ構造体４０２は、前記基板４０１の少なくとも一つの表面から該基板４０１内部に凹んで形成された梯形型の止まり穴である。前記三次元ナノ構造体４０２は、第一円柱４０４及び第二円柱４０６からなる二層式の梯形凹構造体である。前記第一円柱４０４と前記第二円柱４０６は共軸する。前記第二円柱４０６は、前記基板４０１の一つの表面及び前記第一円柱４０４の間に位置する。且つ前記第二円柱４０６の直径は前記第一円柱４０４の直径より大きい。
【００５２】
前記三次元ナノ構造体アレイ４００の製造方法は、基板４０１を提供するステップ（Ｈ１）と、前記基板４０１の一つの表面に複数のナノ穴を含むマスクを形成するステップ（Ｈ２）と、前記複数のナノ穴を含むマスクを利用して基板４０１をエッチングし、同時に前記マスクの複数のナノ穴を調整するステップ（Ｈ３）と、前記マスクを除去するステップ（Ｈ４）と、を含む。
【００５３】
前記ステップＨ１において、前記基板４００は実施例１の前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法に利用した前記基板１０１と同じである。
【００５４】
前記ステップＨ２において、前記複数のナノ穴を含むマスクは、アレイの形で配列された複数の穴を含む連続的なフィルムである。前記マスクは、エチレン・テレフタル酸塩（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリイミド（ＰＩ）などのポリマー材料からなる。前記複数のナノ穴を含むマスクは、ナノインプリント方法又はテンプレート沈積方法によって形成することができる。
【００５５】
前記ステップＨ３において、前記マスクを利用して基板４０１をエッチングし、同時に前記マスクの複数のナノ穴を調整することは、前記実施例１の前記三次元ナノ構造体アレイ１００の製造方法のステップ（ｅ）と同じである。反応気体は、前記マスクの前記基板４０１と隣接する表面とは反対の表面、及び前記基板４０１の前記マスクの穴から露出された部分へ拡散する。この場合、前記基板４０１の前記マスクの穴から露出された部分が反応気体によりエッチングされる。同時に、前記マスクにおける穴は、反応気体にエッチングされて孔径が大きくなり、前記マスクの間の間隙が小さくなる。前記基板４０１の前記マスクにおける穴から更に露出された部分が反応気体によりエッチングされるので、前記基板４０１のエッチングされる部分はより大きくなる。従って、梯形構造の三次元ナノ構造体アレイ４００を形成することができる。
【００５６】
ステップＨ４では、前記マスクはピーリング方法によって除去することができる。
【００５７】
（実施例５）
図１１を参照すると、本実施例は、発光ダイオード１０を提供する。該発光ダイオード１０は、基板１２と、第一半導体層１４と、活性層１６と、第二半導体層１８と、第一電極１３と、第二電極１１と、光子作用体１７と、を含む。前記第一半導体層１４、活性層１６及び第二半導体層１８は、前記基板１２の一つの表面に、該表面から離れる方向に順次的に積層される。前記第一電極１３は、前記第一半導体層１４に電気的に接続されている。前記第二電極１１は、前記第二半導体層１８に電気的に接続されている。前記光子作用体１７は、前記第二半導体層１８の前記基板１２と対向する表面とは反対の表面に配置される。
【００５８】
前記基板１２は、前記第一半導体層１４と、活性層１６と、第二半導体層１８と、第一電極１３と、第二電極１１と、光子作用体１７などの素子を支持するために形成される。前記基板１２は、サファイア、ガリウムヒ素、インジウム・リン酸塩、窒化ケイ素、ガリウム窒化物、酸化亜鉛、アルミニウム窒化ケイ素及びシリコン炭素などの一種又は数種からなる。前記基板１２の厚さは、３００μｍ〜５００μｍである。本実施例において、前記基板１２は、サファイアからなり、その厚さが４００μｍである。
【００５９】
更に、前記発光ダイオード１０は、前記基板１２と前記第一半導体層１４の間に配置された緩衝層（図示せず）を含むことができる。前記緩衝層は、それぞれ前記基板１２と前記第一半導体層１４の対向する表面と接触する。前記緩衝層は、前記基板１２と前記第一半導体層１４の間の格子不整合現象を減少させ、且つ前記基板１２と前記第一半導体層１４の間のエピタキシャル成長の品質を改善することができる。前記緩衝層は、ガリウム窒化物（ＧａＮ）又はアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなる。前記緩衝層の厚さは１０ｎｍ〜３００ｎｍであるが、２０ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００６０】
一つの例として、前記第一半導体層１４は、階段形の構造を有している。この場合、前記第一半導体層１４は、異なる水平面に位置する互いに本質的に平行する第一表面１４１、第二表面１４２及び第三表面１４３を含む。前記第二表面１４２及び前記第三表面１４３は、それぞれ前記第一表面１４１に対向する。前記第二表面１４２及び前記第三表面１４３は、前記第一表面１４１から離れる距離が異なっており、前記第二表面１４２と前記第一表面１４１の間の距離は、前記第三表面１４３と前記第一表面１４１の間の距離より小さい。前記第一半導体層１４の前記第一表面１４１は、前記基板１２に隣接する。前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３は、前記活性層１６に隣接する。前記活性層１６及び前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３の接触面積が同じであることが好ましい。
【００６１】
もう一つの例として、前記第一半導体層１４は、平板形構造を有している。この場合、前記第一半導体層１４は、第一表面１４１、第二表面１４２及び第三表面１４３を含み、前記第二表面１４２及び第三表面１４３は、同じ水平面に位置し、且つそれぞれ前記第一表面１４１に対向する。即ち、前記第二表面１４２及び前記第三表面１４３は、前記第一表面１４１から離れる距離が同じである。この場合も、前記第一半導体層１４の前記第一表面１４１は、前記基板１２に隣接する。前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３は、前記活性層１６に隣接する。前記活性層１６及び前記第一半導体層１４の前記第三表面１４３の接触面積が同じである。
【００６２】
第一半導体層１４がｎ型半導体層である場合、第二半導体層１８はｐ型半導体層であるが、前記第一半導体層１４がｐ型半導体層である場合、第二半導体層１８はｎ型半導体層である。前記ｎ型半導体層は、電子を提供し、前記ｐ型半導体層は、空洞を提供する。前記ｎ型半導体層は、ｎ型ガリウム窒化物、ｎ型ガリウムヒ素及びｎ型リン酸銅の一種又は数種からなる。前記ｐ型半導体層は、ｐ型ガリウム窒化物、ｐ型ガリウムヒ素及びｐ型リン酸銅の一種又は数種からなる。前記第一半導体層１４の厚さは１μｍ〜５μｍである。前記第二半導体層１８の厚さは０．１μｍ〜３μｍである。本実施例において、前記第一半導体層１４はｎ型ガリウム窒化物からなるｎ型半導体層であり、階段形の構造を有する。前記第二表面１４２及び前記第一表面１４１の間の距離は、０．１μｍである。前記第三表面１４３及び前記第一表面１４１の間の距離は、０．３μｍである。前記第二半導体層１８は、ｐ型ガリウム窒化物からなるｐ型半導体層であり、その厚さが０．３μｍである。
【００６３】
前記活性層１６は、第一半導体層１４の前記第三表面１４３の上に配置されている。前記活性層１６は、単一量子井戸層又は多重量子井戸層である。前記活性層１６は、窒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、燐化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＰ）及びヒ化アルミニウムガリウム（ＧａＩｎＡｓ）の一種又は数種からなる。前記活性層１６の厚さは、０．０１μｍ〜０．６μｍである。本実施例において、前記活性層１６の厚さは、０．３μｍである。前記活性層１６は、積層されて配置されるＧａＩｎＮ層及びＧａＮ層からなる。前記第一半導体層１４の前記第二表面１４２と前記第二半導体層１８の前記基板１２と対向する表面とは反対の表面との間の垂直距離は０．８μｍである。
【００６４】
前記第一電極１３は、ｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第一半導体１４の型と同じ必要がある。前記第二電極１１は、ｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第二半導体１８の型と同じ必要がある。前記第一電極１３の厚さは０．０１μｍ〜２μｍである。前記第二電極１１の厚さは０．０１μｍ〜２μｍである。前記第一電極１３は、チタン、アルミニウム、ニッケル及び金の一種又は数種からなる。本実施例において、前記第一電極１３は、ｐ型電極であり、ニッケル層及び金層を含む。前記第一電極１３において、ニッケル層の厚さは１５０オングストロームであり、金層の厚さは１０００オングストロームである。前記第二電極１１はｎ型電極であり、ニッケル層及び金層を含む。前記第二電極１１において、ニッケル層の厚さは１５０オングストロームであり、金層の厚さは２０００オングストロームである。前記第一電極１３は、前記第一半導体１４の前記第二表面１４２の上に配置されている。前記第二電極１１は、前記第二半導体層１８の前記活性層１６と接触する表面とは反対の表面の一部に配置される。
【００６５】
前記光子作用体１７は、前記第二半導体層１８の前記活性層１６と接触する表面とは反対の表面に配置される。前記光子作用体１７は、複数の三次元ナノ構造体を含む。前記三次元ナノ構造体は、梯形凸構造又は梯形凹構造である。前記梯形凸構造としては、前記第二半導体層１８の一つの表面から該第二半導体層１８を離れる方向に延伸された梯形型の突起である。前記梯形凹構造としては、前記第二半導体層１８の一つの表面から前記第二半導体層１８の内部に凹んで形成された梯形型の止まり穴である。前記梯形凸構造又は梯形凹構造は、例えば、多層三角柱、多層四角錐、多層六角柱又は多層円柱などの多層梯形構造である。前記光子作用体１７の材料に対しては特に制限がない。前記光子作用体１７の材料は、前記第二半導体層１８の材料と同じであることができる。この場合、前記光子作用体１７は、前記第二半導体層１８と一体化される。本実施例において、前記光子作用体１７は、実施例１で示された三次元ナノ構造体アレイ１００である。もう一つの例として、前記光子作用体１７は、実施例２、３で示された三次元ナノ構造体アレイ２００、３００であることができる。
【００６６】
前記発光ダイオード１０を利用する場合、前記活性層１６から放射された光線は、異なる角度で前記光子作用体１７に達する。前記活性層１６から放射された小さい角度を有する光線は、前記発光ダイオード１０から放射することが容易だが、前記活性層１６から放射された大きい角度を有する光線は、前記光子作用体１７によって屈折されて小さい角度の光線になる。従って、前記発光ダイオード１０の光出射効率を高める。前記梯形構造を有する三次元ナノ構造体からなる前記光子作用体１７は、前記発光ダイオード１０に両層光子クリスタルの役割を果たすので、前記発光ダイオード１０の光射出効率を改善することができる。図１３を参照すると、前記光子作用体１７を利用した前記発光ダイオード１０の光出射効率は、前記光子作用体１７を利用しない従来の発光ダイオードの光出射効率の５倍ほどある。
【００６７】
（実施例６）
図１４を参照すると、本実施例は、発光ダイオード２０を提供する。前記発光ダイオード２０は、基板２２と、第一半導体層２４と、活性層２６と、第二半導体層２８と、第一電極２３と、第二電極２１と、光子作用体２７と、を含む。前記発光ダイオード２０は、実施例５の発光ダイオード１０と比べて、次の異なる点がある。前記光子作用体２７は、前記第一半導体層２４の前記基板２２に隣接する表面に配置される。
【００６８】
（実施例７）
図１５を参照すると、本実施例は、発光ダイオード３０を提供する。前記発光ダイオード３０は、基板３２と、第一半導体層３４と、活性層３６と、第二半導体層３８と、第一電極３３と、第二電極３１と、光子作用体３７と、を含む。前記発光ダイオード３０は、実施例５の発光ダイオード１０と比べて、次の異なる点がある。前記光子作用体３７は、前記基板３２の前記第一半導体層３４に隣接する表面に配置される。
【００６９】
前記発光ダイオード２０、３０を使用する場合、前記活性層２６、３６から放射された光線は、異なる角度で前記第一半導体層２４、３４に達する。前記活性層２６、３６から放射された小さい角度を有する光線は、前記第一半導体層２４、３４を通じて前記発光ダイオード１０から放射することが容易だが、前記活性層２６、３６から放射された大きい角度を有する光線は、前記発光ダイオード２０、３０の光射出面で反射された後、前記光子作用体２７、３７に達し、且つ前記光子作用体２７、３７によって屈折されて小さい角度の光線になる。従って、前記発光ダイオード２０、３０の光出射効率を高める。前記梯形構造を有する三次元ナノ構造体からなる前記光子作用体２７、３７は、前記発光ダイオード２０、３０に両層光子クリスタルの役割を果たすので、前記発光ダイオード２０、３０の光射出効率を改善することができる。
【００７０】
（実施例８）
図１６及び図１７を参照すると、本実施例は、発光ダイオード４０を提供する。前記発光ダイオード４０は、基板４２と、第一半導体層４４と、活性層４６と、第二半導体層４８と、第一電極４３と、第二電極４１と、光子作用体４７と、を含む。前記発光ダイオード４０は、実施例５の発光ダイオード１０と比べて、次の異なる点がある。前記光子作用体４７は、前記実施例４で示された三次元ナノ構造体アレイ４００である。
【符号の説明】
【００７１】
１００、２００、３００、４００ 三次元ナノ構造体アレイ
１０１、２０１、３０１、４０１ 基板
１０２、２０２、３０２、４０２ 三次元ナノ構造体
１０４、２０４、３０４、４０４ 第一円柱
１０６、２０６、３０６、４０６ 第二円柱
１０８ 単層ナノ球体アレイ
１１０ 反応気体
３０８ 第三円柱
１０、２０、３０、４０ 発光ダイオード
１１、２１、３１、４１ 第二電極
１２、２２、３２、４２ 基板
１３、２３、３３、４３ 第一電極
１４、２４、３４、４４ 第一半導体層
１６、２６、３６、４６ 活性層
１７、２７、３７、４７ 三次元ナノ構造体アレイ
１８、２８、３８、４８ 第二半導体層
１４１ 第一表面
１４２ 第二表面
１４３ 第三表面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む発光ダイオードであって、
前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順次的に積層され、
前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第二半導体層の前記活性層と隣接する表面とは反対の表面に配置され、
前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、
前記ナノ構造体は、梯形三次元ナノ構造体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む発光ダイオードであって、
前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順次的に積層され、
前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第一半導体層の前記基板に隣接する表面に配置され、
前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、
前記ナノ構造体は、梯形三次元ナノ構造体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む発光ダイオードであって、
前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順次的に積層され、
前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記三次元ナノ構造体アレイは、前記基板の前記第一半導体層に隣接する表面に配置され、
前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、
前記ナノ構造体は、梯形三次元ナノ構造体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１】
基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む発光ダイオードであって、
前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順次的に積層され、
前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第二半導体層の前記活性層と隣接する表面とは反対の表面に配置され、
前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、
前記ナノ構造体は、梯形三次元ナノ構造体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む発光ダイオードであって、
前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順次的に積層され、
前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記三次元ナノ構造体アレイは、前記第一半導体層の前記基板に隣接する表面に配置され、
前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、
前記ナノ構造体は、梯形三次元ナノ構造体であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、第一電極と、第二電極と、三次元ナノ構造体アレイと、を含む発光ダイオードであって、
前記第一半導体層、前記活性層、及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順次的に積層され、
前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記三次元ナノ構造体アレイは、前記基板の前記第一半導体層に隣接する表面に配置され、
前記三次元ナノ構造体アレイは複数のナノ構造体を含み、
前記ナノ構造体は、梯形三次元ナノ構造体であることを特徴とする発光ダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２５８９２３（Ｐ２０１１−２５８９２３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２７１６（Ｐ２０１１−５２７１６）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
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