発光ダイオード
【課題】光出射率が高い発光ダイオードを提供する。
【解決手段】発光ダイオード１０は、基板１００と、第一半導体層１１０と、第二半導体層１３０と、活性層１２０と、複数の三次元ナノ構造体１４０と、第一電極１５０及び第二電極１６０と、を含む。第二半導体層の活性層に隣接する表面と反対側の表面は、発光ダイオードの光出射面であり、複数の三次元ナノ構造体は、発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部とを含み、第一突部と第二突部とは同じ延伸規則によって延伸し、三次元ナノ構造体の第一突部と第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、第二溝の深度は第一溝より深い。
【解決手段】発光ダイオード１０は、基板１００と、第一半導体層１１０と、第二半導体層１３０と、活性層１２０と、複数の三次元ナノ構造体１４０と、第一電極１５０及び第二電極１６０と、を含む。第二半導体層の活性層に隣接する表面と反対側の表面は、発光ダイオードの光出射面であり、複数の三次元ナノ構造体は、発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、第一突部と第二突部とを含み、第一突部と第二突部とは同じ延伸規則によって延伸し、三次元ナノ構造体の第一突部と第二突部との間には、第一溝が形成され、隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、第二溝が形成され、第二溝の深度は第一溝より深い。
【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】
窒化ガリウム（ＧａＮ）を利用した半導体からなるＬＥＤは、優れた光出射率を有し、寿命が長く、また省エネルギーなどの利点を有するので、近年、ディスプレイ装置、電光掲示板、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。前記活性層はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に位置する。前記ｐ型電極はｐ型半導体層に設置され、前記ｎ型電極はｎ型半導体層に設置される。また、前記ｐ型電極は透明電極である。前記ＬＥＤを使用する際、前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層に対して、正電圧及び負電圧をそれぞれ印加することにより、前記ｐ型半導体層及び前記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（特許文献１を参照）。
【０００４】
しかし、従来のＬＥＤは、光出射率が低いという欠点を有する。この原因は、前記ＬＥＤの半導体（窒化ガリウム）の屈折率が、大気の屈折率より大きいので、前記活性層から出射した広角度を有する光が前記ＬＥＤの半導体と大気の界面で全反射されることにより、大部分の光が前記ＬＥＤの内部に抑制され、熱に変換されて消散するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９７５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、前記課題を解決するために、本発明は光出射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】
【０００７】
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、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順に積層され、前記第一電極が、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側野表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、各々の三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、各々の隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、前記第二溝の深度は前記第一溝より深い。
【０００８】
本発明の発光ダイオードは、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、順に積層され、前記第一電極が、前記第一半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面の少なくとも一部に設置され、前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、各々の三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、各々の隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、前記第二溝の深度は前記第一溝より深い。
【０００９】
各々の三次元ナノ構造体の、その延伸方向での断面は、Ｍ型になる。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べて、本発明の発光ダイオードには、三次元構造体アレイが複数のＭ型三次元ナノ構造体が配列されて形成され、Ｍ型の中に形成された溝と、隣接する二つのＭ型の間に形成された溝との深さは異なるので、前記三次元ナノ構造体アレイは、少なくとも二層光子クリスタルに相当する。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出射率を高めることができる。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な角度を有する光線を、小さい角度の光線に変更させ、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】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図２】図１中の第二半導体層の構造を示す図である。
【図３】図１中の第二半導体層の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図２中のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】図１に示す発光ダイオードの光出射効率を示す図である。
【図６】図１に示す発光ダイオードの製造工程を示す図である。
【図７】図２中の第二半導体層の製造工程を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図９】図８に示す発光ダイオードの製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の発光ダイオード及びその製造方法の実施例について説明する。以下の各々の実施例において、同じ部材は同じ符号で標示する。
【００１３】
（実施例１）
図１を参照すると、実施例１に係る発光ダイオード１０は、基板１００と、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１５０と、第二電極１６０及び三次元ナノ構造体アレイ１４０と、を含む。前記第一半導体層１１０、活性層１２０及び第二半導体層１３０は、前記基板１００の一つの表面に、該表面から離れる方向に順に積層される。前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０に電気的に接続され、前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０に電気的に接続されている。前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０の、前記基板１００側と反対側の表面に形成される。
【００１４】
前記基板１００は、前記第一半導体層１１０に対して、結晶を成長させるための成長表面１０１（図６を参照）を提供し、該成長表面１０１は、前記第一半導体層１１０の結晶成長を支持する。また、前記基板１００の厚さは、３００μｍ〜５００μｍであり、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＭｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ：Ｚｎ及びＧａＰ：Ｎの一種又は数種からなることができる。前記基板１００の材料は、前記製造しようとする第一半導体層１１０の材料に応じて選択可能であるが、前記第一半導体層１１０の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。本実施例において、前記基板１００はサファイア基板である。
【００１５】
更に、発光ダイオード１０は、バッファ層（図示せず）を含むことができる。前記バッファ層は、前記基板１００及び前記第一半導体層１１０の間に設置される。該バッファ層は、前記基板１００と前記第一半導体層１１０の間の格子不整合現象を減少させ、前記第一半導体層１１０の成長質量を高める。前記バッファ層は、ＧａＮ又はＡｌＮからなり、且つその厚さは、１０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００１６】
前記第一半導体層１１０は、前記基板１００の前記成長表面１０１に設置される。また、前記発光ダイオード１０が、更にバッファ層を含む場合、前記第一半導体層１１０は、前記バッファ層の前記基板１００側と反対側の表面に設置される。前記第一半導体層１１０及び前記第二半導体層１３０は、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層の二種類の内の一種からなる。前記第一半導体層１１０がｎ型半導体層である場合、第二半導体層１３０はｐ型半導体層であるが、前記第一半導体層１１０がｐ型半導体層である場合、第二半導体層１３０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型半導体層は正孔を提供する。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１１０の厚さは１μｍ〜５μｍである。本実施例において、前記第一半導体層１１０は、ｎ型ガリウム窒化物である。
【００１７】
一つの例として、前記第一半導体層１１０は、平板状の構造を有している。この場合、前記第一半導体層１１０は、第一表面１１１、第二表面１１２及び第三表面１１３を含み、前記第二表面１１２及び第三表面１１３は、同じ水平面に位置し、且つそれぞれ前記第一表面１１１に対向する。即ち、前記第二表面１１２及び前記第三表面１１３は、前記第一表面１１１からの距離が同じである。この場合、前記第一半導体層１１０の前記第一表面１１１は、前記基板１００に隣接し、前記第一半導体層１１０の前記第三表面１１３は、前記活性層１２０に隣接する。前記活性層１２０及び前記第一半導体層１１０の前記第三表面１１３に対する接触面積は同じである。また、前記第一半導体層１１０の前記第二表面１１２上に、前記第一電極１５０が設置される。
【００１８】
前記活性層１２０は、前記第一半導体層１１０の前記第三表面１１３上に設置され、且つ単一量子井戸層又は多重量子井戸層である。前記活性層１２０は、光子を提供し、且つ窒化ガリウム・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１２０の厚さは、０．０１μｍ〜０．６μｍである。本実施例において、前記活性層１２０の厚さは、０．３μｍである。前記活性層１２０は、積層された窒化ガリウム・インジウム層及びＧａＮ層からなる。
【００１９】
前記第一電極１５０は、ｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第一半導体１１０の型と同じである必要がある。前記第一電極１５０の厚さは０．０１μｍ〜２μｍである。前記第一電極１５０は、前記第一半導体１１０の前記第二表面１１２上に、且つ前記活性層１２０と間隔をおいて設置される。前記第一電極１５０は、少なくとも一層の層状構造体であり、銀、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１５０は、二層構造を有するｎ型電極であり、積層された厚さが１５ｎｍのチタン層及び厚さが２００ｎｍの金層からなる。
【００２０】
前記第二半導体層１３０は、前記活性層１２０の前記基板１００側と反対側の表面に設置され、且つ該表面を全て被覆する。前記第二半導体層１３０の厚さは、０．１μｍ〜３μｍである。本実施例において、前記第二半導体層１３０は、マグネシウムがドープされたＰ型ＧａＮであり、その厚さは、０．３μｍである。
【００２１】
図２を合わせて参照すると、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、複数の三次元ナノ構造体１４２を含む。該複数の三次元ナノ構造体１４２の材料は、前記第二半導体層１３０の材料と同じでも、同じでなくても良い。
【００２２】
各々の前記三次元ナノ構造体１４２は、突起構造体である。該三次元ナノ構造体１４２は、前記第二半導体層１３０の表面から離れる方向に向かって突出する。前記三次元ナノ構造体１４２は、前記第二半導体層１３０の表面に単独で設置されるか、又は、前記第二半導体層１３０と一体構造に形成されても良い。ここで、一体構造とは、前記三次元ナノ構造体１４２が、前記第二半導体層１３０との間に間隙を有することなく、前記第二半導体層１３０と一体になることを指す。前記第二半導体層１３０の表面において、前記複数の三次元ナノ構造体１４２の延伸する規則は同じである。各々の三次元ナノ構造体１４２の、その延伸する方向の断面は、Ｍ型であるが、前記複数の三次元ナノ構造体１４２の各々の延伸する方向の断面は、それぞれＭ型であり、且つ形状や面積は各々同じであることが好ましい。
【００２３】
各々の前記三次元ナノ構造体１４２は、直線、折れ線或いは曲線によって、前記第二半導体層１３０の表面に延伸し、且つ互いに並列する。前記複数の三次元ナノ構造体１４２において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の間の距離は０ｎｍ〜２００ｎｍである。前記延伸する方向は変化しても、或いは変化しなくても良い。前記延伸する方向が変化しない場合、前記延伸方向は直線である。つまり、前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、直線に、且つ互いに並列にそれぞれ延伸している。前記延伸する方向が変化する場合、前記延伸方向は、折れ線或いは曲線である。この場合、前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、折れ線或いは曲線で、且つ互いに並列にそれぞれ延伸する。前記延伸する方向は変化しても、或いは変化しなくても、該延伸する方向において、任意の点を選び、前記複数の三次元ナノ構造体１４２の該任意の点におけるその断面は、それぞれＭ型であることが好ましい。
【００２４】
前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、一次元アレイによって、前記第二半導体層１３０の表面に分布して、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成する。ここで、一次元アレイとは、前記複数の三次元ナノ構造体１４２が、前記第二半導体層１３０の表面に、一つの方向に沿って、一次元アレイの形式によって配列することである。また、ここで一次元アレイの形式によって配列するとは、例えば、図２に示すように、ストリップ状の突部構造体が、一つの方向Ｙ方向に沿って、等間隔に配列すること、又は、同心円状の突部構造及び同心四角状の突部構造が、円心から該円心を離れる一つの方向に沿って同心状に配列することを指す。本実施例において、前記三次元ナノ構造体１４２は、ストリップ状の突起構造体であり、該ストリップ状の突起構造体が、直線で同じ方向に沿って延伸している。ここで、前記ストリップ状の突起構造体の延伸する方向をＸ方向とし、該ストリップ状の突起構造体の延伸する方向と垂直な方向をＹ方向とする。前記Ｘ方向には、該Ｘ方向に沿って、前記ストリップ状の突起構造の一端が、対向する他端までそれぞれ延在し、前記Ｙ方向には、該Ｙ方向に沿って、二つの突起構造からなるストリップ状の前記複数の三次元ナノ構造体１４２が、互いに並列している。また、この際、各々の前記三次元ナノ構造体１４２のＸ方向における断面はＭ型である。従って、前記三次元ナノ構造体１４２は、Ｍ型の三次元ナノ構造体である。
【００２５】
図４を参照すると、各々の前記M型の三次元ナノ構造体１４２は、第一突部１４２２と第二突部１４２４をそれぞれ有する。前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との、延伸する方向は同じであり、且つ互いに並列して、全てＸ方向に沿って延伸している。前記第一突部１４２２は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ第一面１４２２ａと第二面１４２２ｂである。前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂは、それぞれ平面、曲面或いは折り面でも良い。本実施例において、前記第一面１４２２ａ及び前記第二面１４２２ｂは、それぞれ平面である。また、前記第一面１４２２ａは、前記第二半導体層１３０と離れる方向に延伸して、前記第二面１４２２ｂと角度θで交差し、前記第一突部１４２２の先端を形成する。また、前記第一面１４２２ａは、前記第二半導体層１３０へ延伸して、前記第二半導体層１３０と角度αで交差する。前記角度θの角度は、０°（０°は含まず）〜１８０°（１８０°は含まず）であるが、好ましくは、３０°〜６０°である。前記角度αの角度は０°（０°は含まず）〜９０°であるが、好ましくは、８０°〜９０°である。
【００２６】
前記第二突部１４２４の構造は、前記第一突部１４２２の構造と基本的に同じである。前記第二突部１４２４は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ前記第一面１４２４ａと前記第二面１４２４ｂである。また、前記第一面１４２４ａは、前記第二半導体層１３０と離れる方向に延伸して、前記第二面１４２４ｂと角度θで交差して、前記第二突部１４２４の先端を形成する。また、前記第一面１４２４ａは、前記第二半導体層１３０へ延伸して、前記第二半導体層１３０と角度αで交差する。更に、前記第二突部１４２４の前記第二面１４２４ｂは、前記第一突部１４２２の前記第二面１４２２ｂと、前記第二半導体層１３０に近接する部分で交差して、前記三次元ナノ構造体１４２の第一溝１４２６を形成する。前記第一突部１４２２の前記第二面１４２２ｂの、前記第二半導体層１３０への延伸面は、前記第二半導体層１３０に対して角度βで交差する。前記β角の角度は０°（０°は含まず）〜９０°であるが、前記α角の角度と同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００２７】
また、隣接する二つの三次元ナノ構造体１４２の間には、第二溝１４２８が形成される。具体的には、一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第二突部１４２４の前記第一面１４２４ａと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａとは、前記第二半導体層１３０で交差して、前記第二溝１４２８を形成する。即ち、一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第二突部１４２４の前記第一面１４２４ａと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａと、の交差線は、前記第二半導体層１３０上に存在する。
【００２８】
前記第一突部１４２２および前記第二突部１４２４に関して、前記第二半導体層１３０から、前記第二半導体層１３０と離れる方向に突出するその高さに対する制限はない。ここで、該前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との高さとは、図４のｈ２で示すように、前記第二半導体層１３０の表面から前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の最高点までの距離である。前記第一突部１４２２の高さと前記第二突部１４２４の高さは同じでも、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１４２２の高さと前記第二突部１４２４の高さは、それぞれ１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の最高点の集合体は直線、折れ線或いは曲線でも良い。即ち、前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂと交差して形成される交差線は、直線、折れ線或いは曲線である。これと同様に、前記第二突部１４２４の前記第一面１４２４ａと前記第二面１４２４ｂと交差して形成される交差線は、直線、折れ線或いは曲線である。各々の前記三次元ナノ構造体１４２において、前記第一突部１４２２の最高点と前記第二突部１４２４の最高点との距離は、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。本実施例において、前記第一突部１４２２の高さと前記第二突部１４２４の高さは同じであり、その高さは、１８０ｎｍである。また、前記第一突部１４２２の最高点と前記第二突部１４２４の最高点の集合体は、それぞれ直線である。
【００２９】
前記Ｘ方向において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４の断面は、台形或いは三角形である。本実施例において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４のＸ方向での断面は、それぞれ三角形である。前記第一突部１４２２及び前記第二突部１４２４は、一対の峰を形成し、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは接触して、接触線を形成する。また、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との断面は、同じか、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との断面が同じである場合、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは、対称構造を呈する。ここで、「対称構造」とは、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との断面が接触線に対して対称であることを指す。また、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは非対称構造であっても良い。本実施例において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは対称構造を呈する。
【００３０】
前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との間には間隙があるか、或いは間隔がなくてもよい。また、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは、前記第二半導体層１３０との間に間隙がなくても接続することができる。製造における制限と他の条件の影響により、前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂは平面ではなく、例えば、その一部分の表面が弧面、折れ面であっても良い。この場合、前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂと交差して形成された角度θは、尖った角ではなく、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、前記第一突部１４２２の全体の構造に影響しなければ良い。また、前記第二突部１４２４のその一部分の表面が弧面、折れ面である場合、前記第二面１４２４ｂと前記第二面１４２４ａと交差して形成される角度θも、尖った角ではない。つまり、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、前記第一突部１４２４の全体の構造に影響しなければ良い。
【００３１】
各々のＭ型を呈する前記三次元ナノ構造体１４２において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との間には、前記第一溝１４２６がそれぞれ形成されている。前記第一溝１４２６の延伸する方向は、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４の延伸する方向と同じである。前記第一溝１４２６の断面の形状はＶ型である。該Ｖ型を呈する溝は、前記三次元ナノ構造体１４２の表面に位置し、前記三次元ナノ構造体１４２の延伸方向に沿って延伸する。前記第一溝１４２６の深度ｈ１は、前記第一突部１４２２或いは第二突部１４２４の最高点が位置する面と、前記第一溝１４２６の最低点が位置する面との間の最短距離を指す。即ち、前記第一溝１４２６の深度ｈ１は、前記第一溝１４２６が前記第二半導体層１３０の方向に凹む最小距離である。前記各々のＭ型三次元ナノ構造体１４２の前記第一溝１４２６の深度ｈ１はそれぞれ同じである。前記第一溝１４２６の深度ｈ１は、前記第一突部１４２２或いは第二突部１４２４の高さｈ２より小さい。
【００３２】
前記第二溝１４２８は、隣接するＭ型の前記三次元ナノ構造体１４２の間に形成される。前記第二溝１４２８の延伸方向は、前記三次元ナノ構造体１４２の延伸方向と同じである。前記第二溝１４２８の延伸方向での断面はＶ型或いは倒立の台形である。
【００３３】
前記Ｘ方向において、各々の点での前記第二溝１４２８の断面の形状及び面積は基本的に同じであるが、製造における制限と他の条件の影響により、誤差が生じる。しかし、該誤差は、横断面の全体の形状に影響しない程度であることが好ましい。前記第一溝１４２６と前記第二溝１４２８との、断面の形状、面積及び深度は全て異なる。前記第二溝１４２８の深度ｈ２は、前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の最高点が位置する面から前記第二半導体層１３０の表面までの最小距離である。また、前記第二溝１４２８の深度ｈ２は、前記第一溝１４２６の深度ｈ１より深く、好ましくは、前記第一溝１４２６の深度ｈ１と前記第二溝１４２８の深度ｈ２との比率は、１：１．２≦ｈ１：ｈ２≦１：３である。前記第一溝１４２６の深度ｈ１は３０ｎｍ〜１２０ｎｍであり、前記第二溝１４２８の深度ｈ２は１００ｎｍ〜２００ｎｍである。本実施例において、前記第一溝１４２６の深度ｈ１は８０ｎｍであり、前記第二溝１４２８の深度ｈ２は１８０ｎｍである。前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との間の距離及び前記第一溝１４２６の深度ｈ１と前記第二溝１４２８の深度ｈ２の比率は、製品の具体的な条件に応じて選択することができる。
【００３４】
各々の前記三次元ナノ構造体１４２の幅は、Ｍ型の前記三次元ナノ構造１０２がＹ方向に延在する最大の長さである。本実施例における前記三次元ナノ構造体１４２の幅λは、前記第二半導体層１３０上で、前記Ｙ方向に沿って延伸する長さを指す。前記Ｍ型の三次元ナノ構造体１４２の最大幅λは、１００ｎｍ〜３００ｎｍである。前記第二半導体層１３０と離れる方向に沿って、三次元ナノ構造体１４２の幅は短くなる。即ち、各々の前記三次元ナノ構造体１４２において、前記第一突部１４２２の最高点と前記第二突部１４２４の最高点との間の距離は、前記三次元ナノ構造体１４２の最大幅より短い。
【００３５】
近接する二つの前記第二溝１４２８の間の距離は、一つの前記第二溝１４２８の、前記第二半導体層１３０の方向に凹んだ最底点から、該一つの第二溝１４２８に近接するもう一つの前記第二溝１４２８の、前記第二半導体層１３０の方向に凹んだ最底点までの距離である。即ち、近接する二つの前記第二溝１４２８の間の距離は、前記三次元ナノ構造体１４２の最大幅である。また、近接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の間の距離λ０は同じか、或いは同じでなくても良い。前記距離λ０は、前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の高さの増加によって増加し、その高さが減少する場合は、該距離λ０も減少する。
【００３６】
前記Ｙ方向において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の間の距離λ０は０ｎｍ〜２００ｎｍである。前記λ０が０である場合、前記第二溝１４２８の横断面はＶ型である。しかし、前記λ０＞０である場合、前記第二溝１４２８の横断面は倒立の台形である。前記Ｙ方向において、複数の前記三次元ナノ構造体１４２は、前記第二半導体層１３０上に周期性を持って平行に設置される。前記三次元ナノ構造体１４２の周期Ｐは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、該周期Ｐと、前記三次元ナノ構造体１４２の最大幅λと、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の距離λ０と、は、下記の式（１）を満たす。
【００３７】
〔式１〕
Ｐ＝λ＋λ０ （１）
【００３８】
前記Ｐと、前記λ及びλ０の単位は、ナノメートルである。前記周期Ｐが固定値である場合、λ０が増加するとλは減少する。これとは逆に、λ０が減少するとλは増加する。また、前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、複数の周期性によって、前記第二半導体層１３０に形成されることもできる。即ち、一部の三次元ナノ構造体１４２は、周期Ｐで配列され、もう一部の三次元ナノ構造体１４２は周期Ｐ１（Ｐ≠Ｐ１）で配列されることができる。前記三次元ナノ構造体１４２が複数の周期性で配列する場合、その応用できる領域を拡大することができる。本実施例において、前記周期Ｐは約２００ｎｍであり、前記三次元ナノ構造体１４２の幅λは約１９０ｎｍである。隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の距離λ０は約１０ｎｍである。また、前記三次元ナノ構造体１４２と、前記第二半導体層１３０とが一体構造を有する場合、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の性能は更に優れたものとなる。
【００３９】
前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０と一体構造を有する場合と、前記第二半導体層１３０に積層されて二重構造を有する場合がある。前記三次元ナノ構造体アレイ１４０が、前記第二半導体層１３０に積層されて二重構造を有する場合、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０と同じｐ型半導体層又はｎ型半導体層である。本実施例において、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０と一体構造を有する。また、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０のパターン化された表面は、前記発光ダイオード１０の光出射面とする。
【００４０】
前記第二電極１６０はｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第二半導体１３０のタイプと同じ必要がある。前記第二電極１６０は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の一部の表面に設置され、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０に電気的に接続される。本実施例において、前記第二電極１６０は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０と直接的に接触して、電気的に接続される。この際、前記第二電極１６０の一部は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の溝に充填される。また、前記第二電極１６０の形状及び設置位置は、前記発光ダイオード１０の光の出射に影響しないならば、如何なる形状及び設置位置でも良い。前記第二電極１６０が透明材料からなる場合、前記第二電極１６０は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の全体の表面に被覆することができる。前記第二電極１６０は、少なくとも一層の層状構造を有する。前記第二電極１６０は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなるか、また、カーボンナノチューブ或いはＩＴＯからなることもできる。本実施例において、前記第二電極１６０はｐ型電極であり、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の一部の表面に設置される。前記第二電極１６０は、厚さが１５ｎｍの一層のチタン及び厚さが１００ｎｍの一層の金からなる二重構造を有し、チタン／金電極を形成する。
【００４１】
更に、前記発光ダイオード１０は、反射層（図示せず）を含むことができる。前記反射層は、前記基板１００の、前記第一半導体１１０が設置された表面と反対する表面に設置される。前記反射層は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなる。前記活性層１２０に形成された光子は、前記反射層に達すると、前記反射層が該光子を反射して、前記発光ダイオード１０の光出射面で出射させるので、前記発光ダイオード１０の光出射率を高めることができる。
【００４２】
前記発光ダイオード１０を利用する場合、前記活性層１２０から放射された光線は、異なる角度で前記三次元ナノ構造体アレイ１４０に達する。前記活性層１２０から放射された小さな角度を有する光線は、容易に前記発光ダイオード１０から放射される、前記活性層１２０から放射された大きな角度を有する光線は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０によって屈折されて、小さな角度の光線になる。従って、前記発光ダイオード１０の光出射効率を高めることができる。前記Ｍ型の三次元ナノ構造体からなる前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記発光ダイオード１０に対して、二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５を参照すると、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を利用した前記発光ダイオード１０の光出射効率は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を利用しない従来の発光ダイオードの光出射効率の約５倍である。
【００４３】
図６を参照すると、実施例１に係る発光ダイオード１０の製造方法は、結晶を成長させるための成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ１０）と、前記基板１００の前記成長表面１０１に、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、を順に成長させ、発光ダイオードチップ予備成形物を形成するステップ（Ｓ２０）と、前記第二半導体層１３０の前記基板１００側と反対側の表面に三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成するステップ（Ｓ３０）と、前記第二半導体層１３０及び前記活性層１２０の一部をエッチングして、前記第一半導体層１１０の表面の一部を露出させ、該露出した一部の表面に、第一電極１５０を形成するステップ（Ｓ４０）と、前記第二半導体層１３０の一部の表面に第二電極１６０を形成するステップ（Ｓ５０）と、を含む。
【００４４】
前記ステップ（Ｓ１０）において、前記基板１００は、前記第一半導体層１１０に対して、結晶を成長させるための前記成長表面１０１を提供し、前記成長表面１０１は、前記第一半導体層１１０の結晶成長を支持する。前記基板１００の前記成長表面１０１は、平滑な表面であり、且つ酸素又は炭素などの不純物は含まれていない。前記基板１００は、単層構造又は多層構造を有する。前記基板１００が単層構造を有する場合、前記基板１００は単結晶構造体である。この時、前記基板１００は少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面は前記第一半導体層１１０の前記成長表面１０１として用いられる。前記基板１００が多層構造を有する場合、前記基板１００は、少なくとも一層の前記単結晶構造体を含み、また、前記単結晶構造体は少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面は前記第一半導体層１２０の前記成長表面１０１として用いられる。前記基板１００の材料は、前記製造しようとする前記第一半導体層１１０の材料に応じて選択可能であるが、前記第一半導体層１１０の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。本実施例において、前記基板１００はサファイア基板である。
【００４５】
前記ステップ（Ｓ２０）において、前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０は、それぞれ分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学ビームエピタキシー法（ＣＢＥ）、減圧エピタキシャル成長法、低温エピタキシー法、液相エピタキシー法（ＬＰＥ）、選択エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ）、超高真空化学蒸着法（ＵＨＶＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）及び有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの一種又は数種の方法によって、結晶を成長させることができる。
【００４６】
成長過程において、格子欠陥が発生することを防止するために、前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０は同じ半導体材料からなることが好ましい。本実施例において、真性半導体エピタキシャル層を成長させるための原料ガスに、ドーピング要素を含むガスを導入することにより、直接的にドープされた半導体エピタキシャル層を成長させることができる。また、該ドーピング要素を変更し、成長時間を制御することにより、前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０を順に成長させることができる。
【００４７】
本実施例において、前記第一半導体層１１０は、ケイ素（Ｓｉ）がドープされたＮ型ＧａＮである。前記活性層１２０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの複合構造体である。前記第二半導体層１３０はマグネシウムがドープされたＰ型ＧａＮである。前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０を、前記有機金属気相成長法によって、前記基板１００の前記成長表面１０１に成長させる。ここで、高純度アンモニア（ＮＨ３）を窒素源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウムの原料ガスとして、窒素又は水素又はそれらの混合気体をキャリヤーガスとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウム（Ｉｎ）の原料ガスとして、シラン（ＳｉＨ４）をケイ素の原料ガスとして、シクロペンタジエネルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をマグネシウムの原料ガスとして用いる。
【００４８】
本実施例において、前記第一半導体層１１０の成長方法は、サファイア基板を真空反応室に設置し、前記反応室を１１００℃〜１２００℃まで加熱し、キャリヤーガス及び窒素源ガスを反応室に導入し、前記サファイア基板を２００秒〜１０００秒にわたって焼成するステップ（Ｓ２０１）と、キャリヤーガスの雰囲気で、前記反応室の温度を５００℃〜６５０℃まで下げ、前記反応室のガス圧を５００トル〜６００トルに維持し、同時にガリウムの原料ガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、１０ｎｍ〜５０ｎｍの低温ＧａＮバッファ層（図示せず）を成長させるステップ（Ｓ２０２）と、ガリウムの原料ガスの導入を停止し、キャリヤーガス及び窒素源ガスの導入を維持し、前記反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃まで昇温し、前記反応室のガス圧を１１００トル〜１２００トルに維持して、３０秒〜３００秒にわたってアニーリング処理するステップ（Ｓ２０３）と、前記反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、前記反応室のガス圧を１００トル〜３００トルに維持し、ガリウムの原料ガスを再び導入すると同時に、ケイ素の原料ガスを導入して、３μｍのケイ素がドープされたＮ型のＧａＮからなる前記第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ２０４）と、を含む。
【００４９】
また、前記ステップ（Ｓ２０１）の後、前記ステップ（Ｓ２０２）の前に、前記反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃に保持し、ガリウムの原料ガスを反応室に導入することにより、前記低温ＧａＮバッファ層に真性半導体層を成長させる。該真性半導体層は、前記第一半導体層１１０の格子不整合を更に低減させることができる。
【００５０】
前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０の成長方法は、前記第一半導体層１１０の成長方法と本質的に同じである。本実施例において、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０の成長方法は、前記第一半導体層１１０が成長するまで、ケイ素の原料ガスの導入を停止し、前記反応室の温度を７００℃〜９００℃に維持し、前記反応室のガス圧を５０トル〜５００トルに維持するステップ（Ｓ２１１）と、前記反応室にインジウムの原料ガスを更に導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系で、且つ多層の量子井戸構造体を成長させて、前記活性層１２０を形成するステップ（Ｓ２１２）と、インジウムの原料ガスの導入を停止し、前記反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、前記反応室のガス圧を７６トル〜２００トルに維持するステップ（Ｓ２１３）と、前記反応室にマグネシウムの原料ガスを更に導入して、１００ｎｍ〜２００ｎｍのマグネシウムがドープされたＰ型のＧａＮエピタキシャル層を成長させて、前記第二半導体層１３０を形成するステップ（Ｓ２１４）と、を含む。
【００５１】
図７を併せて参照すると、前記ステップ（Ｓ３０）において、前記第二半導体層１３０の表面に前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成する方法は、前記第二半導体層１３０の表面にマスク層１０３を形成するステップ（Ｓ３０１）と、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチング法によって、パターン化させるステップ（Ｓ３０２）と、前記第二半導体層１３０をエッチングして、前記第二半導体層１３０の表面をパターン化して、三次元ナノ構造体予備成形物１４２１を形成するステップ（Ｓ３０３）と、残留しているマスク層１０３を取り除き、前記第二半導体層１３０に前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成するステップ（Ｓ３０４）と、を含む。
【００５２】
前記ステップ（Ｓ３０１）において、前記マスク層１０３は単層構造或いは複合構造である。前記マスク層１０３に形成するパターンの精確度を保証するために、前記マスク層１０３の厚さは実際の要件（エッチングする深度、エッチング用気体など）に応じて選択することができる。前記マスク層１０３が単層構造である場合、該マスク層１０３の材料は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＰＭＭＡ、ＰＳ（ポリスチレン）、ＳＯＧ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。前記マスク層１０３は、前記第二半導体層１３０の被覆される部分を保護するために用いられる。本実施例において、前記マスク層１０３は複合マスク層である。前記マスク層１０３は、第一マスク層１０３２と、第二マスク層１０３４と、を含む。前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、前記第二半導体層１３０に積層され、前記第二マスク層１０３４は前記第一マスク層１０３２を被覆する。前記第二半導体層１３０は、前記第一マスク層１０３２の一つの表面に隣接し、前記第二マスク層１０３４は、前記第一マスク層１０３２の前記第二半導体層１３０と隣接する表面の反対側の表面に隣接し、且つ前記第一マスク層１０３２を覆う。前記第一マスク層１０３２と前記第二マスク層１０３４の材料は限定されず、必要とするエッチングする深度及びエッチングする気体などによって選択できる。前記第一マスク層１０３２は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＰＭＭＡ、ＰＳ、ＳＡＬ６０１又はＡＲＺ７２０などからなる。前記第二マスク層１０３４は、ＨＳＱ、ＳＯＧ或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。本実施例において、前記第一マスク層１０３２の材料はＺＥＰ５２０Ａであり、前記の材料はＨＳＱである。前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、スクリーン印刷法或いはスピンコーティング法によって、前記第二半導体層１３０の表面に堆積させる。
【００５３】
前記第二半導体層１３０の表面に、前記第一マスク層１０３２を形成する工程は、以下のステップを含む。
【００５４】
第一ステップにおいて、前記第二半導体層１３０の表面を洗浄し、前記第二半導体層１３０の表面に、ＺＥＰ５２０Ａをスピンコーティングして、スピンコーティング層を形成する。該スピンコーティング回転速度は５００回転／分〜６０００回転／分であり、時間は０．５分〜１．５分である。第二ステップにおいて、スピンコーティング層を１４０℃〜１８０℃の温度で乾燥させて、前記第二半導体層１３０の表面に前記第一マスク層１０３２を形成する。前記スピンコーティングの乾燥時間は３分〜５分である。この際、前記第一マスク層１０３２の厚さは、１００ｎｍ〜５００ｎｍに達する。
【００５５】
前記第一マスク層１０３２上に、前記第二マスク層１０３４を形成する工程は、以下のステップを含む。
【００５６】
第一ステップにおいて、高圧の条件下で、前記第一マスク層１０３２の表面に、前記ＨＳＱをスピンコーティングする。該スピンコーティング回転速度は２５００回転／分〜７０００回転／分であり、時間は０．５分〜２分である。第二ステップにおいて、前記スピンコーティングされたＨＳＱを固化して、前記第二マスク層１０３４を形成する。この際、前記第二マスク層１０３４の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍであるが、好ましくは、３００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二マスク層１０３４は構造の安定性に優れ、室温でプレスでき、且つプレスの解像度は１０ｎｍ以下に達する。
【００５７】
また、前記第一マスク層１０３２上に、前記第二マスク層１０３４を形成する工程の前に、前記第一マスク層１０３２の表面に一つの過渡層（図示せず）を形成することができる。本実施例において、該過渡層はシリカからなり、前記過渡層は、前記第二マスク層１０３４をエッチングする際、前記第一マスク層１０３２を保護することに用いられる。
【００５８】
前記ステップ（Ｓ３０２）において、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチング法によって、パターン化させる方法は、ナノパターン化表面を有する金型２００を提供するステップ（Ｓ３１２）と、前記金型２００のナノパターン化表面を、前記第二マスク層１０３４に貼合して常温でプレスした後、分離することにより、前記第二マスク層１０３４に複数の凹溝を形成するステップ（Ｓ３２２）と、前記複数の凹溝の底部に残留した前記第二マスク層１０３４を除去し、前記第一マスク層１０３２を露出させるステップ（Ｓ３３２）と、前記第一マスク層１０３２の、前記複数の凹溝に対応する一部を除去し、前記第二半導体層１３０を露出させ、パターン化された前記マスク層１０３を形成するステップ（Ｓ３４２）と、を含む。
【００５９】
前記ステップ（Ｓ３１２）において、前記金型２００は、硬質材料、或いは軟質材料からなる。前記金型２００が硬質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、例えば、ニッケル、シリコン或いはシリカであり、前記金型２００が軟質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）である。前記金型２００の表面には、ナノパターンが形成されている。該金型２００の表面のナノパターンとは、間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部、或いは間隔をおいて配列された複数の同心円状の突部構造体、或いは間隔をおいて配列された複数の同心四角状の突部構造体からなるアレイである。本実施例において、前記金型２００の表面に形成されたナノパターンとは、間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部からなるアレイである。前記複数のストリップ状の突部は、同じ方向に沿って延伸する。隣接する二つのストリップ状の突部の間には、凹溝が形成されている。前記ストリップ状の突部と凹溝と、それらの延伸する方向での断面は、それぞれ矩形である。前記複数の突部の延伸する方向と垂直する方向に沿った、前記ストリップ状の突部の幅は限定されず、必要に応じて選択できる。本実施例において、前記ストリップ状の突部の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記凹溝の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記ストリップ状の突部の幅と溝の幅とは同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００６０】
前記ステップ（Ｓ３２２）において、常温下で、前記金型２００を通じて、前記第二半導体層１３０まで圧力を加えることにより、前記金型２００の表面のナノパターンを、前記第二マスク層１０３４に転写させる。具体的には、先ず、前記金型２００のナノパターンを有する表面を、前記第二マスク層１０３４と貼合させ、次に、１×１０-１ｍｂａｒ〜１×１０-５ｍｂａｒの真空度で、２ポンド／平方フット〜１００ポンド／平方フットの圧力をかけて、この状態を２分間〜３０分間保持し、最後に、前記金型２００と前記第二マスク層１０３４とを分離させる。これにより、前記金型２００の表面のナノパターンは、記第二マスク層１０３４に転写される。
【００６１】
前記第二マスク層１０３４の表面に転写されたナノパターンは、並列し、同じ方向に沿って延伸する複数のストリップ状の突部を含み、隣接するストリップ状の突部の間には、凹溝が形成され、且つ、前記第二マスク層１０３４の凹溝の大きさ及び形状は、前記金型２００の突部の大きさ及び形状と対応し、前記第二マスク層１０３４のストリップ状の突部の大きさ及び形状は、前記金型２００の凹溝の大きさ及び形状と対応する。圧力を加える過程において、前記第二マスク層１０３４は、前記金型２００の突部に圧縮されて、薄くなり、前記第二マスク層１０３４中に凹溝を形成する。これにより、凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４が薄層となり、前記第一マスク層１０３２の表面に付着する。
【００６２】
前記ステップ（Ｓ３３２）において、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部に残留し第二マスク層材料を、プラズマエッチング法によって除去する。本実施例において、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部に残留した第二マスク層材料は、反応性プラズマエッチング法によって除去して、前記第一マスク層１０３２を露出させる。具体的には、パターン化された前記第二マスク層１０３４が形成された前記発光ダイオードチップ予備成形物を、反応性プラズマエッチングのシステムに設置し、該反応性プラズマエッチングのシステムによって、四フッ化炭素（ＣＦ４）のプラズマを形成する。その後、該形成された前記四フッ化炭素のプラズマは拡散して、前記第二マスク層１０３４に移動する。この際、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部の第二マスク層材料は、前記四フット炭素プラズマによって、エッチングされる。該四フッ化炭素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、該四フッ化炭素プラズマの導入速度は、２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、気圧は、０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、前記四フッ化炭素プラズマによってエッチングする時間は、２秒〜４分である。本実施例において、前記四フッ化炭素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該四フッ化炭素プラズマの導入流量は２６ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１０秒である。以上の方法により、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部に残留した第二マスク層材料は、前記四フッ化炭素プラズマにエッチングされて、前記第一マスク層１０３２を露出させる。同時に、前記第二マスク層１０３４の複数の突部はエッチングされて薄くなる。しかし、この際、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、完全な形態を保持することができる。
【００６３】
前記ステップ（Ｓ３４２）において、前記第二マスク層１０３４の凹溝によって露出された前記第一マスク層１０３２を、酸素プラズマエッチングのシステム中で、酸素プラズマによってエッチングして、前記第二半導体層１３０の一部の表面を露出させる。該酸素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、前記酸素プラズマの導入速度は２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、形成された気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、酸素プラズマにエッチングされる時間は５秒〜５分である。本実施例において、前記酸素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該酸素プラズマの導入流量は４０ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１２０秒である。以上の方法により、前記第一マスク層１０３２の、前記第二マスク層１０３４の凹溝と対応する一部は、酸化によってエッチングされ、前記第二マスク層１０３４は、エッチング過程において、前記第一マスク層１０３２の解像度を有効に保持する。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンを、前記第一マスク層１０３２に複製でき、これにより、前記マスク層１０３は全体的にパターン化される。
【００６４】
パターン化された前記マスク層１０３は、前記第二半導体層１３０の表面に間隔をおいて形成された複数の突部構造１０３１を含み、且つ各々の隣接する二つの突部構造１０３１の間には、一つの溝１０３３がそれぞれ形成される。また、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３の前記溝１０３３と対応する一部の表面は露出される。前記マスク層１０３の前記突部構造１０３１は、前記第二半導体層１３０の、前記溝１０３３と対応する領域以外の領域を被覆する。また、前記ステップ（Ｓ３４２）において、前記マスク層１０３に対する、エッチング気体の全体の流動速度及びエッチング方向を抑制させることにより、前記マスク層１０３がエッチングが終わった後に形成された前記突部構造１０３１の側壁は、前記第二半導体層１３０の表面とほぼ垂直となる。これにより、後続の前記第二半導体層１３０をエッチングする工程において、形成される前記三次元ナノ構造体予備成形物１４２１の形状の一致性及び均一性を、保証できる。前記第一マスク層１０３２をエッチングする過程において、前記第二マスク層１０３４の突部は多少エッチングされる。しかし、前記第二マスク層１０３４がエッチングされる速度は、前記第一マスク層１０３２がエッチングされる速度より遅い。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、基本的に保持される。
【００６５】
前記ステップ（Ｓ３０３）において、前記パターン化された前記マスク層１０３が形成された前記発光ダイオードチップ予備成形物を、誘導結合プラズマエッチングのシステムに配置した後、エッチング用気体を利用して、前記第二半導体層１３０をエッチングする。該気体は、前記第二半導体層１３０及び前記マスク層１０３の材料によって選択され、エッチングする対象に対して、高いエッチング速度を有することを保証する。前記第二半導体層１３０をエッチングする過程において、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３の前記溝１０３３に対応する一部は、該気体によって除去され、前記第二半導体層１３０の表面に凹溝を形成する。
【００６６】
本実施例の前記ステップ（Ｓ３０３）において、前記第二半導体層１３０をエッチングする工程は、エッチング気体によって、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３に被覆されない一部の表面をエッチングし、前記第二半導体層１３０に複数の凹溝を形成し、該複数の凹溝の深度が、互いに基本的に同じであるステップ（Ｓ３１３）と、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層１０３の各々の隣接する二つの前記突部構造１０３１が、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部（前記第二半導体層１３０と離れる一端）が二つずつ互いに接近して、最後は接触するステップ（Ｓ３２３）と、を含む。
【００６７】
前記ステップ（Ｓ３１３）において、前記第二半導体層１３０をエッチングする過程に、エッチング工程に採用した気体は、前記マスク層１０３に被覆されない前記第二半導体層１３０と反応して、保護層を形成する。該保護層は、前記第二半導体層１３０がさらにエッチングされるのを阻止するので、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３における二つの前記突部構造１０３１間の部分は、エッチング深度に伴って、エッチングされる面積は徐々に小さくなる。即ち、前記第二半導体層１３０に形成された凹溝の広さは、前記第二半導体層１３０のエッチング方向に沿って小さくなり、該凹溝の内壁は、前記基板１００の表面と垂直せず、一定の角度を有する。同時に、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３の、前記突部構造１０３１の頂部をエッチングすることによって、前記突部構造１０３１の頂部の幅を次第に狭くさせる。前記エッチングする過程において、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３もエッチングする。しかし、前記マスク層１０３がエッチングされる速度は、前記第二半導体層１３０がエッチングされる速度より遅い。従って、前記第二半導体層１３０をエッチングして、複数の凹溝を形成する過程において、前記マスク層１０３の形態及び分布も保持することができる。
【００６８】
前記ステップ（Ｓ３２３）は、以下の三つのサブステップを含む。
【００６９】
第一サブステップにおいて、前記第二半導体層１３０の気体によって、エッチングする過程中に、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層１０３の隣接する二つの前記突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部は二つずつ互いに接近して、最後は接触する。
【００７０】
第二サブステップにおいて、前記マスク層１０３の隣接する二つの前記突部構造１０３１の頂部は、次第に互いに接近して接触するので、前記第二半導体層１３０の、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する部分のエッチング速度は遅くなる。即ち、前記第二半導体層１３０の、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する位置に形成された凹溝の幅は、エッチングされる深度に伴い狭くなり、更に、Ｖ型の溝を形成し、この際、該溝の深さは比較的浅い。同時に、前記第二半導体層１３０の、接触されない前記突部構造１０３１の間に対応する部分も、エッチング気体と同じ速度でエッチングされるので、前記第二半導体層１３０の、接触されない前記突部構造１０３１の間に対応する位置に形成された溝の深度は、前記第二半導体層１３０の、前記突部構造１０３１の頂部が接触する部分に対応する位置に形成された溝より深い。
【００７１】
第三のサブステップにおいて、前記マスク層１０３の前記突部構造１０３１の頂部が二つずつ接触した後、気体は、前記突部構造１０３１の頂部が接触する部分に被覆された前記第二半導体層１３０をエッチングし続けることができない。従って、前記第二半導体層１３０の表面に、前記第一溝１４２６が形成される。同時に、気体は、接触していない二つの前記突部構造１０３１間における前記第二半導体層１３０をエッチングし続け、前記第二溝１４２８を形成する。従って、前記第二溝１４２８の深度は前記第一溝１４２６の深度より深く、前記三次元ナノ構造体予備成形物１４２１を形成する。
【００７２】
前記ステップ（Ｓ３０３）おいて、本実施例に利用するエッチング気体は混合気体であり、該混合気体はＣl２、ＢＣl３、Ｏ２、Ａｒ２を含む。プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、混合気体の導入速度は８ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、エッチングする時間は５秒〜５分間である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入流動は２ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は３ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍである。エッチングする速度と精確性を保証するために、混合気体の導入速度は、好ましくは、４０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍである。本実施例において、前記プラズマエッチングのシステムの仕事率は７０Ｗであり、プラズマの導入流動は４０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は２Ｐａであり、エッチングする時間は１２０秒である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２６ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入速度は１６ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は２０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１０ｓｃｃｍである。
【００７３】
前記マスク層１０３及びエッチング気体は制限されず、必要に応じて選択でき、エッチング過程において、前記マスク層１０３における前記突部構造１０３１が二つずつ接触することができるならば、純粋な気体、或いは混合気体でも良い。また、必要とする三次元ナノ構造体のサイズによって、気体の導入速度、気圧、エッチング時間、気体の比率などを選択できる。
【００７４】
本実施例において、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチングの方法によって、前記マスク層１０３に複数のストリップ状の突部構造及び凹溝を形成する。しかし、前記マスク層１０３を処理する方法はこれらに限定されず、パターニングされた前記マスク層１０３が、複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状突部構造の間に凹溝を形成し、前記マスク層１０３が、前記第二半導体層１３０に設置された後、前記第二半導体層１３０の表面が前記凹溝によって露出されれば良い。又は、他の媒介或いは基板に、前記パターニングされた前記マスク層１０３を形成した後、前記マスク層１０３が前記第二半導体層１３０の表面に設置されれば良い。
【００７５】
前記ステップ（Ｓ３０４）において、有機溶剤によって、前記残留したマスク層１０３を溶解して除去した後、前記三次元ナノ構造体予備成形物１４２１を形成する。該有機溶剤は、例えば、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、メタノール或いはエタノールなどである。本実施例において、前記有機溶剤はブタノンである。前記残留したマスク層１０３はブタノンに溶解されて、前記第二半導体層１３０から脱離する。前記残留したマスク層１０３を除去した後、パターン化された前記第二半導体層１３０を形成する。即ち、前記第二半導体層１３０に、複数の前記三次元ナノ構造体１４２が形成される。該方法によって、前記三次元ナノ構造体１４２と前記第二半導体層１３０とは一体構造を有する。
【００７６】
前記ステップ（Ｓ４０）において、前記第二半導体層１３０及び前記活性層１２０をエッチングする工程は、前記第二半導体層１３０の表面にフォトレジストを均一にコーティングするステップ（Ｓ４０１）と、前記フォトレジスト層の一部を除去して、前記第二半導体層１３０の表面の一部を露出させるステップ（Ｓ４０２）と、前記フォトレジスト層が形成された前記発光ダイオード基体を真空反応室に放置して、前記反応室に四塩化ケイ素及び塩素の反応気体を導入し、グロー放電による反応気体のプラズマを生成して、前記第二半導体層１３０と前記活性層１２０と、を反応させるステップ（Ｓ４０３）と、を含む。前記反応気体プラズマを生成するためのグロー放電の電力は５０Ｗである。前記反応気体塩素の流量は２６ｓｃｃｍであり、前記反応気体四塩化ケイ素の流量は４ｓｃｃｍである。また、反応室の気圧は２Ｐａである。前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０の露出した表面に設置される。前記第一電極１５０はＰ型電極又はＮ型電極であるが、前記第一半導体層１１０のタイプと同じでなければならない。前記第一電極１５０は、例えば電子ビーム蒸着法、真空蒸着法、イオンスパッタリング法等の物理気相成長法によって形成される。
【００７７】
前記ステップ（Ｓ５０）において、前記第二電極１６０の製造方法は、前記第一電極１５０の製造方法と同じである。前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０の表面の一部に設置され且つ接触する。前記第二電極１６０はＰ型電極又はＮ型電極であるが、前記第二半導体層１３０のタイプと同じでなければならない。前記発光ダイオード１０の光出射率に影響を与えない限り、前記第二電極１６０は、前記発光ダイオード１０の光出射面に設置される。前記第二電極１６０が、透明材料からなる場合、前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０の表面を全て覆うことができる。
【００７８】
（実施例２）
図８を参照すると、実施例２に係る発光ダイオード２０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１５０と、第二電極１６０及び三次元ナノ構造体アレイ１４０と、を含む。前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０は、前記第一電極１５０の一つの表面に、該表面から離れる方向に順に積層される。前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０に電気的に接続され、前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０に電気的に接続されている。前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０の、前記活性層１２０から離れる表面に形成される。本実施例２の前記発光ダイオード２０は、実施例１の前記発光ダイオード１０と比べて、次の点が異なる。前記発光ダイオード２０は、基板を含まず、前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０の、前記活性層１２０側と反対側の表面に、前記第一半導体層１１０の全体表面を被覆して設置される。
【００７９】
更に、前記発光ダイオード２０は、反射層を含み、前記第一半導体層１１０及び前記第一電極１５０の間に設置される。
【００８０】
図９を参照すると、実施例２に係る発光ダイオード２０の製造方法は、結晶を成長させるための成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ１０）と、前記基板１００の前記成長表面１０１に、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、を順に成長させ、発光ダイオードチップ予備成形物を形成するステップ（Ｓ２０）と、前記第二半導体層１３０の前記基板１００から離れる表面に三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成するステップ（Ｓ３０）と、前記基板１００を除去するステップ（Ｓ６０）と、前記第一半導体層１１０の露出した表面に、第一電極１５０を形成するステップ（Ｓ４０ａ）と、前記第二半導体層１３０の一部の表面に第二電極１６０を形成するステップ（Ｓ５０）と、を含む。
【００８１】
前記実施例２の前記発光ダイオード２０の製造方法は、実施例１の前記発光ダイオード１０の製造方法と比べて、次の点が異なる。前記実施例２の前記発光ダイオード２０の製造方法は、更に前記基板１００を除去するステップ（Ｓ６０）を含む。また、前記実施例２のステップ（Ｓ４０ａ）は、前記実施例１のステップ（Ｓ４０）のような、前記第二半導体層１３０及び前記活性層１２０の一部をエッチングして、前記第一半導体層１１０の表面の一部を露出させて、前記第一半導体層１１０の露出した一部の表面に、前記第一電極１５０を形成せず、前記基板１００が除去された後、前記第一半導体層１１０の露出した表面（前記第一半導体層１１０の前記活性層１２０から離れる表面）に前記第一電極１５０を形成する。
【００８２】
前記ステップ（Ｓ６０）において、前記基板１００を除去するために、レーザー照射法、エッチング法又は熱膨張収縮法を利用する。前記基板１００を除去する方法は、前記基板１００及び前記第一半導体層１１０の材料によって選択する。本実施例において、前記基板１００は、レーザー照射により除去する。前記基板１００を除去する工程は、前記基板１００の前記第一半導体層１１０が形成されない表面を研磨して、洗浄するステップ（Ｓ６０１）と、レーザービームを提供して、前記基板１００を研磨して、洗浄した表面を照射するステップ（Ｓ６０２）と、レーザービームによって照射された前記基板１００を溶液に浸漬して、前記基板１００を除去するステップ（Ｓ６０３）と、を含む。
【００８３】
前記ステップ（Ｓ６０１）において、レーザーによって前記基板１００を照射する場合、散乱現象が発生するのを減少させるために、前記基板１００の表面を機械研磨法又は化学研磨法によって研磨して、滑らかな表面に加工する。さらに、前記基板１００の表面にある金属不純物、油汚れ等を除去するために、前記基板１００の表面を塩酸又は硫酸を用いて洗浄する。
【００８４】
前記ステップ（Ｓ６０２）において、前記基板１００の研磨された表面に対して垂直に前記レーザービームを照射する。これにより、前記レーザービームを、前記基板１００と前記第一半導体層１１０の間まで照射させることができる。レーザービームの波長は、第一半導体層１１０及び前記基板１００の材料によって選択される。前記レーザービームのエネルギーは、前記基板１００のバンドギャップより小さいか、又は、前記第一半導体層１１０のバンドギャップより大きいことが好ましい。これにより、レーザービームは前記基板１００を通じて前記第一半導体層１１０に到達する。この時、前記基板１００と前記第一半導体層１１０の接合部分の、前記第一半導体層１１０のバッファ層は、レーザービームを吸収して、急速に加熱されて分解される。本実施例において、前記第一半導体層１１０はＧａＮからなり、そのバンドギャップは３．３ｅＶであり、前記基板１００は、バンドギャップが９．９ｅＶのサファイアであるので、前記レーザービームの波長は、２４８ｎｍであり、エネルギーは５ｅＶであり、パルス幅は２０ｎｓ〜４０ｎｓであり、エネルギー密度は４００ｍＪ／ｃｍ２〜６００ｍＪ／ｃｍ２であり、光スポットは０．５ｍｍの辺長を有する正方形である。前記レーザービームの前記基板１００での光スポットを、０．５ｍｍ／ｓの速度で前記基板１００に対して相対移動させる。この場合、前記低温ＧａＮバッファ層は、レーザービームを吸収して、ガリウムと窒素に分解される。しかし、前記波長のレーザービームが前記第一半導体層１１０に吸収される量は少ないか、又は吸収されないので、レーザービームによって前記基板１００を照射する過程において、前記高温ＧａＮによって前記第一半導体層１１０は、破壊されない。
【００８５】
前記ステップ（６０３）において、前記ステップ（６０２）で分解されたガリウムを酸溶液に浸漬させて除去する。これにより、前記基板１００を前記第一半導体層１１０から分離させることができる。前記酸溶液は、塩酸、硫酸又は硝酸のようなガリウムを溶解できる溶液である。
【符号の説明】
【００８６】
１０、２０ 発光ダイオード
１００ 基板
１０１ 成長表面
１１０ 第一半導体層
１１１ 第一表面
１１２ 第二表面
１５０ 第一電極
１１３ 第三表面
１２０ 活性層
１３０ 第二半導体層
１４２１ 三次元ナノ構造体予備成形物
１４２６ 第一溝
１４２８ 第二溝
１０３ マスク層
１０３１ 突部構造
１０３２ 第一マスク層
１０３３ 溝
１０３４ 第二マスク層
１６０ 第二電極
１４０ 三次元ナノ構造体アレイ
１４２ 三次元ナノ構造体
１４２２ 第一突部
１４２４ 第二突部
１４２２ａ、１４２４ａ 第一面
１４２２ｂ、１４２４ｂ 第二面
２００ 金型
【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】
窒化ガリウム（ＧａＮ）を利用した半導体からなるＬＥＤは、優れた光出射率を有し、寿命が長く、また省エネルギーなどの利点を有するので、近年、ディスプレイ装置、電光掲示板、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。前記活性層はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に位置する。前記ｐ型電極はｐ型半導体層に設置され、前記ｎ型電極はｎ型半導体層に設置される。また、前記ｐ型電極は透明電極である。前記ＬＥＤを使用する際、前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層に対して、正電圧及び負電圧をそれぞれ印加することにより、前記ｐ型半導体層及び前記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（特許文献１を参照）。
【０００４】
しかし、従来のＬＥＤは、光出射率が低いという欠点を有する。この原因は、前記ＬＥＤの半導体（窒化ガリウム）の屈折率が、大気の屈折率より大きいので、前記活性層から出射した広角度を有する光が前記ＬＥＤの半導体と大気の界面で全反射されることにより、大部分の光が前記ＬＥＤの内部に抑制され、熱に変換されて消散するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９７５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、前記課題を解決するために、本発明は光出射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】
【０００７】
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、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順に積層され、前記第一電極が、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側野表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、各々の三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、各々の隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、前記第二溝の深度は前記第一溝より深い。
【０００８】
本発明の発光ダイオードは、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、順に積層され、前記第一電極が、前記第一半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面の少なくとも一部に設置され、前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、各々の三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、各々の隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、前記第二溝の深度は前記第一溝より深い。
【０００９】
各々の三次元ナノ構造体の、その延伸方向での断面は、Ｍ型になる。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べて、本発明の発光ダイオードには、三次元構造体アレイが複数のＭ型三次元ナノ構造体が配列されて形成され、Ｍ型の中に形成された溝と、隣接する二つのＭ型の間に形成された溝との深さは異なるので、前記三次元ナノ構造体アレイは、少なくとも二層光子クリスタルに相当する。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出射率を高めることができる。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な角度を有する光線を、小さい角度の光線に変更させ、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】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図２】図１中の第二半導体層の構造を示す図である。
【図３】図１中の第二半導体層の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図２中のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】図１に示す発光ダイオードの光出射効率を示す図である。
【図６】図１に示す発光ダイオードの製造工程を示す図である。
【図７】図２中の第二半導体層の製造工程を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る発光ダイオードの構造を示す図である。
【図９】図８に示す発光ダイオードの製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の発光ダイオード及びその製造方法の実施例について説明する。以下の各々の実施例において、同じ部材は同じ符号で標示する。
【００１３】
（実施例１）
図１を参照すると、実施例１に係る発光ダイオード１０は、基板１００と、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１５０と、第二電極１６０及び三次元ナノ構造体アレイ１４０と、を含む。前記第一半導体層１１０、活性層１２０及び第二半導体層１３０は、前記基板１００の一つの表面に、該表面から離れる方向に順に積層される。前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０に電気的に接続され、前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０に電気的に接続されている。前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０の、前記基板１００側と反対側の表面に形成される。
【００１４】
前記基板１００は、前記第一半導体層１１０に対して、結晶を成長させるための成長表面１０１（図６を参照）を提供し、該成長表面１０１は、前記第一半導体層１１０の結晶成長を支持する。また、前記基板１００の厚さは、３００μｍ〜５００μｍであり、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＭｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ：Ｚｎ及びＧａＰ：Ｎの一種又は数種からなることができる。前記基板１００の材料は、前記製造しようとする第一半導体層１１０の材料に応じて選択可能であるが、前記第一半導体層１１０の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。本実施例において、前記基板１００はサファイア基板である。
【００１５】
更に、発光ダイオード１０は、バッファ層（図示せず）を含むことができる。前記バッファ層は、前記基板１００及び前記第一半導体層１１０の間に設置される。該バッファ層は、前記基板１００と前記第一半導体層１１０の間の格子不整合現象を減少させ、前記第一半導体層１１０の成長質量を高める。前記バッファ層は、ＧａＮ又はＡｌＮからなり、且つその厚さは、１０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００１６】
前記第一半導体層１１０は、前記基板１００の前記成長表面１０１に設置される。また、前記発光ダイオード１０が、更にバッファ層を含む場合、前記第一半導体層１１０は、前記バッファ層の前記基板１００側と反対側の表面に設置される。前記第一半導体層１１０及び前記第二半導体層１３０は、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層の二種類の内の一種からなる。前記第一半導体層１１０がｎ型半導体層である場合、第二半導体層１３０はｐ型半導体層であるが、前記第一半導体層１１０がｐ型半導体層である場合、第二半導体層１３０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型半導体層は正孔を提供する。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１１０の厚さは１μｍ〜５μｍである。本実施例において、前記第一半導体層１１０は、ｎ型ガリウム窒化物である。
【００１７】
一つの例として、前記第一半導体層１１０は、平板状の構造を有している。この場合、前記第一半導体層１１０は、第一表面１１１、第二表面１１２及び第三表面１１３を含み、前記第二表面１１２及び第三表面１１３は、同じ水平面に位置し、且つそれぞれ前記第一表面１１１に対向する。即ち、前記第二表面１１２及び前記第三表面１１３は、前記第一表面１１１からの距離が同じである。この場合、前記第一半導体層１１０の前記第一表面１１１は、前記基板１００に隣接し、前記第一半導体層１１０の前記第三表面１１３は、前記活性層１２０に隣接する。前記活性層１２０及び前記第一半導体層１１０の前記第三表面１１３に対する接触面積は同じである。また、前記第一半導体層１１０の前記第二表面１１２上に、前記第一電極１５０が設置される。
【００１８】
前記活性層１２０は、前記第一半導体層１１０の前記第三表面１１３上に設置され、且つ単一量子井戸層又は多重量子井戸層である。前記活性層１２０は、光子を提供し、且つ窒化ガリウム・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１２０の厚さは、０．０１μｍ〜０．６μｍである。本実施例において、前記活性層１２０の厚さは、０．３μｍである。前記活性層１２０は、積層された窒化ガリウム・インジウム層及びＧａＮ層からなる。
【００１９】
前記第一電極１５０は、ｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第一半導体１１０の型と同じである必要がある。前記第一電極１５０の厚さは０．０１μｍ〜２μｍである。前記第一電極１５０は、前記第一半導体１１０の前記第二表面１１２上に、且つ前記活性層１２０と間隔をおいて設置される。前記第一電極１５０は、少なくとも一層の層状構造体であり、銀、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１５０は、二層構造を有するｎ型電極であり、積層された厚さが１５ｎｍのチタン層及び厚さが２００ｎｍの金層からなる。
【００２０】
前記第二半導体層１３０は、前記活性層１２０の前記基板１００側と反対側の表面に設置され、且つ該表面を全て被覆する。前記第二半導体層１３０の厚さは、０．１μｍ〜３μｍである。本実施例において、前記第二半導体層１３０は、マグネシウムがドープされたＰ型ＧａＮであり、その厚さは、０．３μｍである。
【００２１】
図２を合わせて参照すると、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、複数の三次元ナノ構造体１４２を含む。該複数の三次元ナノ構造体１４２の材料は、前記第二半導体層１３０の材料と同じでも、同じでなくても良い。
【００２２】
各々の前記三次元ナノ構造体１４２は、突起構造体である。該三次元ナノ構造体１４２は、前記第二半導体層１３０の表面から離れる方向に向かって突出する。前記三次元ナノ構造体１４２は、前記第二半導体層１３０の表面に単独で設置されるか、又は、前記第二半導体層１３０と一体構造に形成されても良い。ここで、一体構造とは、前記三次元ナノ構造体１４２が、前記第二半導体層１３０との間に間隙を有することなく、前記第二半導体層１３０と一体になることを指す。前記第二半導体層１３０の表面において、前記複数の三次元ナノ構造体１４２の延伸する規則は同じである。各々の三次元ナノ構造体１４２の、その延伸する方向の断面は、Ｍ型であるが、前記複数の三次元ナノ構造体１４２の各々の延伸する方向の断面は、それぞれＭ型であり、且つ形状や面積は各々同じであることが好ましい。
【００２３】
各々の前記三次元ナノ構造体１４２は、直線、折れ線或いは曲線によって、前記第二半導体層１３０の表面に延伸し、且つ互いに並列する。前記複数の三次元ナノ構造体１４２において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の間の距離は０ｎｍ〜２００ｎｍである。前記延伸する方向は変化しても、或いは変化しなくても良い。前記延伸する方向が変化しない場合、前記延伸方向は直線である。つまり、前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、直線に、且つ互いに並列にそれぞれ延伸している。前記延伸する方向が変化する場合、前記延伸方向は、折れ線或いは曲線である。この場合、前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、折れ線或いは曲線で、且つ互いに並列にそれぞれ延伸する。前記延伸する方向は変化しても、或いは変化しなくても、該延伸する方向において、任意の点を選び、前記複数の三次元ナノ構造体１４２の該任意の点におけるその断面は、それぞれＭ型であることが好ましい。
【００２４】
前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、一次元アレイによって、前記第二半導体層１３０の表面に分布して、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成する。ここで、一次元アレイとは、前記複数の三次元ナノ構造体１４２が、前記第二半導体層１３０の表面に、一つの方向に沿って、一次元アレイの形式によって配列することである。また、ここで一次元アレイの形式によって配列するとは、例えば、図２に示すように、ストリップ状の突部構造体が、一つの方向Ｙ方向に沿って、等間隔に配列すること、又は、同心円状の突部構造及び同心四角状の突部構造が、円心から該円心を離れる一つの方向に沿って同心状に配列することを指す。本実施例において、前記三次元ナノ構造体１４２は、ストリップ状の突起構造体であり、該ストリップ状の突起構造体が、直線で同じ方向に沿って延伸している。ここで、前記ストリップ状の突起構造体の延伸する方向をＸ方向とし、該ストリップ状の突起構造体の延伸する方向と垂直な方向をＹ方向とする。前記Ｘ方向には、該Ｘ方向に沿って、前記ストリップ状の突起構造の一端が、対向する他端までそれぞれ延在し、前記Ｙ方向には、該Ｙ方向に沿って、二つの突起構造からなるストリップ状の前記複数の三次元ナノ構造体１４２が、互いに並列している。また、この際、各々の前記三次元ナノ構造体１４２のＸ方向における断面はＭ型である。従って、前記三次元ナノ構造体１４２は、Ｍ型の三次元ナノ構造体である。
【００２５】
図４を参照すると、各々の前記M型の三次元ナノ構造体１４２は、第一突部１４２２と第二突部１４２４をそれぞれ有する。前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との、延伸する方向は同じであり、且つ互いに並列して、全てＸ方向に沿って延伸している。前記第一突部１４２２は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ第一面１４２２ａと第二面１４２２ｂである。前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂは、それぞれ平面、曲面或いは折り面でも良い。本実施例において、前記第一面１４２２ａ及び前記第二面１４２２ｂは、それぞれ平面である。また、前記第一面１４２２ａは、前記第二半導体層１３０と離れる方向に延伸して、前記第二面１４２２ｂと角度θで交差し、前記第一突部１４２２の先端を形成する。また、前記第一面１４２２ａは、前記第二半導体層１３０へ延伸して、前記第二半導体層１３０と角度αで交差する。前記角度θの角度は、０°（０°は含まず）〜１８０°（１８０°は含まず）であるが、好ましくは、３０°〜６０°である。前記角度αの角度は０°（０°は含まず）〜９０°であるが、好ましくは、８０°〜９０°である。
【００２６】
前記第二突部１４２４の構造は、前記第一突部１４２２の構造と基本的に同じである。前記第二突部１４２４は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ前記第一面１４２４ａと前記第二面１４２４ｂである。また、前記第一面１４２４ａは、前記第二半導体層１３０と離れる方向に延伸して、前記第二面１４２４ｂと角度θで交差して、前記第二突部１４２４の先端を形成する。また、前記第一面１４２４ａは、前記第二半導体層１３０へ延伸して、前記第二半導体層１３０と角度αで交差する。更に、前記第二突部１４２４の前記第二面１４２４ｂは、前記第一突部１４２２の前記第二面１４２２ｂと、前記第二半導体層１３０に近接する部分で交差して、前記三次元ナノ構造体１４２の第一溝１４２６を形成する。前記第一突部１４２２の前記第二面１４２２ｂの、前記第二半導体層１３０への延伸面は、前記第二半導体層１３０に対して角度βで交差する。前記β角の角度は０°（０°は含まず）〜９０°であるが、前記α角の角度と同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００２７】
また、隣接する二つの三次元ナノ構造体１４２の間には、第二溝１４２８が形成される。具体的には、一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第二突部１４２４の前記第一面１４２４ａと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａとは、前記第二半導体層１３０で交差して、前記第二溝１４２８を形成する。即ち、一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第二突部１４２４の前記第一面１４２４ａと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体１４２の前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａと、の交差線は、前記第二半導体層１３０上に存在する。
【００２８】
前記第一突部１４２２および前記第二突部１４２４に関して、前記第二半導体層１３０から、前記第二半導体層１３０と離れる方向に突出するその高さに対する制限はない。ここで、該前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との高さとは、図４のｈ２で示すように、前記第二半導体層１３０の表面から前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の最高点までの距離である。前記第一突部１４２２の高さと前記第二突部１４２４の高さは同じでも、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１４２２の高さと前記第二突部１４２４の高さは、それぞれ１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の最高点の集合体は直線、折れ線或いは曲線でも良い。即ち、前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂと交差して形成される交差線は、直線、折れ線或いは曲線である。これと同様に、前記第二突部１４２４の前記第一面１４２４ａと前記第二面１４２４ｂと交差して形成される交差線は、直線、折れ線或いは曲線である。各々の前記三次元ナノ構造体１４２において、前記第一突部１４２２の最高点と前記第二突部１４２４の最高点との距離は、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。本実施例において、前記第一突部１４２２の高さと前記第二突部１４２４の高さは同じであり、その高さは、１８０ｎｍである。また、前記第一突部１４２２の最高点と前記第二突部１４２４の最高点の集合体は、それぞれ直線である。
【００２９】
前記Ｘ方向において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４の断面は、台形或いは三角形である。本実施例において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４のＸ方向での断面は、それぞれ三角形である。前記第一突部１４２２及び前記第二突部１４２４は、一対の峰を形成し、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは接触して、接触線を形成する。また、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との断面は、同じか、或いは同じでなくても良い。前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との断面が同じである場合、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは、対称構造を呈する。ここで、「対称構造」とは、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との断面が接触線に対して対称であることを指す。また、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは非対称構造であっても良い。本実施例において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは対称構造を呈する。
【００３０】
前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との間には間隙があるか、或いは間隔がなくてもよい。また、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４とは、前記第二半導体層１３０との間に間隙がなくても接続することができる。製造における制限と他の条件の影響により、前記第一突部１４２２の前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂは平面ではなく、例えば、その一部分の表面が弧面、折れ面であっても良い。この場合、前記第一面１４２２ａと前記第二面１４２２ｂと交差して形成された角度θは、尖った角ではなく、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、前記第一突部１４２２の全体の構造に影響しなければ良い。また、前記第二突部１４２４のその一部分の表面が弧面、折れ面である場合、前記第二面１４２４ｂと前記第二面１４２４ａと交差して形成される角度θも、尖った角ではない。つまり、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、前記第一突部１４２４の全体の構造に影響しなければ良い。
【００３１】
各々のＭ型を呈する前記三次元ナノ構造体１４２において、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との間には、前記第一溝１４２６がそれぞれ形成されている。前記第一溝１４２６の延伸する方向は、前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４の延伸する方向と同じである。前記第一溝１４２６の断面の形状はＶ型である。該Ｖ型を呈する溝は、前記三次元ナノ構造体１４２の表面に位置し、前記三次元ナノ構造体１４２の延伸方向に沿って延伸する。前記第一溝１４２６の深度ｈ１は、前記第一突部１４２２或いは第二突部１４２４の最高点が位置する面と、前記第一溝１４２６の最低点が位置する面との間の最短距離を指す。即ち、前記第一溝１４２６の深度ｈ１は、前記第一溝１４２６が前記第二半導体層１３０の方向に凹む最小距離である。前記各々のＭ型三次元ナノ構造体１４２の前記第一溝１４２６の深度ｈ１はそれぞれ同じである。前記第一溝１４２６の深度ｈ１は、前記第一突部１４２２或いは第二突部１４２４の高さｈ２より小さい。
【００３２】
前記第二溝１４２８は、隣接するＭ型の前記三次元ナノ構造体１４２の間に形成される。前記第二溝１４２８の延伸方向は、前記三次元ナノ構造体１４２の延伸方向と同じである。前記第二溝１４２８の延伸方向での断面はＶ型或いは倒立の台形である。
【００３３】
前記Ｘ方向において、各々の点での前記第二溝１４２８の断面の形状及び面積は基本的に同じであるが、製造における制限と他の条件の影響により、誤差が生じる。しかし、該誤差は、横断面の全体の形状に影響しない程度であることが好ましい。前記第一溝１４２６と前記第二溝１４２８との、断面の形状、面積及び深度は全て異なる。前記第二溝１４２８の深度ｈ２は、前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の最高点が位置する面から前記第二半導体層１３０の表面までの最小距離である。また、前記第二溝１４２８の深度ｈ２は、前記第一溝１４２６の深度ｈ１より深く、好ましくは、前記第一溝１４２６の深度ｈ１と前記第二溝１４２８の深度ｈ２との比率は、１：１．２≦ｈ１：ｈ２≦１：３である。前記第一溝１４２６の深度ｈ１は３０ｎｍ〜１２０ｎｍであり、前記第二溝１４２８の深度ｈ２は１００ｎｍ〜２００ｎｍである。本実施例において、前記第一溝１４２６の深度ｈ１は８０ｎｍであり、前記第二溝１４２８の深度ｈ２は１８０ｎｍである。前記第一突部１４２２と前記第二突部１４２４との間の距離及び前記第一溝１４２６の深度ｈ１と前記第二溝１４２８の深度ｈ２の比率は、製品の具体的な条件に応じて選択することができる。
【００３４】
各々の前記三次元ナノ構造体１４２の幅は、Ｍ型の前記三次元ナノ構造１０２がＹ方向に延在する最大の長さである。本実施例における前記三次元ナノ構造体１４２の幅λは、前記第二半導体層１３０上で、前記Ｙ方向に沿って延伸する長さを指す。前記Ｍ型の三次元ナノ構造体１４２の最大幅λは、１００ｎｍ〜３００ｎｍである。前記第二半導体層１３０と離れる方向に沿って、三次元ナノ構造体１４２の幅は短くなる。即ち、各々の前記三次元ナノ構造体１４２において、前記第一突部１４２２の最高点と前記第二突部１４２４の最高点との間の距離は、前記三次元ナノ構造体１４２の最大幅より短い。
【００３５】
近接する二つの前記第二溝１４２８の間の距離は、一つの前記第二溝１４２８の、前記第二半導体層１３０の方向に凹んだ最底点から、該一つの第二溝１４２８に近接するもう一つの前記第二溝１４２８の、前記第二半導体層１３０の方向に凹んだ最底点までの距離である。即ち、近接する二つの前記第二溝１４２８の間の距離は、前記三次元ナノ構造体１４２の最大幅である。また、近接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の間の距離λ０は同じか、或いは同じでなくても良い。前記距離λ０は、前記第一突部１４２２或いは前記第二突部１４２４の高さの増加によって増加し、その高さが減少する場合は、該距離λ０も減少する。
【００３６】
前記Ｙ方向において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の間の距離λ０は０ｎｍ〜２００ｎｍである。前記λ０が０である場合、前記第二溝１４２８の横断面はＶ型である。しかし、前記λ０＞０である場合、前記第二溝１４２８の横断面は倒立の台形である。前記Ｙ方向において、複数の前記三次元ナノ構造体１４２は、前記第二半導体層１３０上に周期性を持って平行に設置される。前記三次元ナノ構造体１４２の周期Ｐは１００ｎｍ〜５００ｎｍである。更に、該周期Ｐと、前記三次元ナノ構造体１４２の最大幅λと、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の距離λ０と、は、下記の式（１）を満たす。
【００３７】
〔式１〕
Ｐ＝λ＋λ０ （１）
【００３８】
前記Ｐと、前記λ及びλ０の単位は、ナノメートルである。前記周期Ｐが固定値である場合、λ０が増加するとλは減少する。これとは逆に、λ０が減少するとλは増加する。また、前記複数の三次元ナノ構造体１４２は、複数の周期性によって、前記第二半導体層１３０に形成されることもできる。即ち、一部の三次元ナノ構造体１４２は、周期Ｐで配列され、もう一部の三次元ナノ構造体１４２は周期Ｐ１（Ｐ≠Ｐ１）で配列されることができる。前記三次元ナノ構造体１４２が複数の周期性で配列する場合、その応用できる領域を拡大することができる。本実施例において、前記周期Ｐは約２００ｎｍであり、前記三次元ナノ構造体１４２の幅λは約１９０ｎｍである。隣接する二つの前記三次元ナノ構造体１４２の距離λ０は約１０ｎｍである。また、前記三次元ナノ構造体１４２と、前記第二半導体層１３０とが一体構造を有する場合、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の性能は更に優れたものとなる。
【００３９】
前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０と一体構造を有する場合と、前記第二半導体層１３０に積層されて二重構造を有する場合がある。前記三次元ナノ構造体アレイ１４０が、前記第二半導体層１３０に積層されて二重構造を有する場合、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０と同じｐ型半導体層又はｎ型半導体層である。本実施例において、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０と一体構造を有する。また、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０のパターン化された表面は、前記発光ダイオード１０の光出射面とする。
【００４０】
前記第二電極１６０はｐ型電極又はｎ型電極であるが、前記第二半導体１３０のタイプと同じ必要がある。前記第二電極１６０は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の一部の表面に設置され、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０に電気的に接続される。本実施例において、前記第二電極１６０は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０と直接的に接触して、電気的に接続される。この際、前記第二電極１６０の一部は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の溝に充填される。また、前記第二電極１６０の形状及び設置位置は、前記発光ダイオード１０の光の出射に影響しないならば、如何なる形状及び設置位置でも良い。前記第二電極１６０が透明材料からなる場合、前記第二電極１６０は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の全体の表面に被覆することができる。前記第二電極１６０は、少なくとも一層の層状構造を有する。前記第二電極１６０は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなるか、また、カーボンナノチューブ或いはＩＴＯからなることもできる。本実施例において、前記第二電極１６０はｐ型電極であり、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０の一部の表面に設置される。前記第二電極１６０は、厚さが１５ｎｍの一層のチタン及び厚さが１００ｎｍの一層の金からなる二重構造を有し、チタン／金電極を形成する。
【００４１】
更に、前記発光ダイオード１０は、反射層（図示せず）を含むことができる。前記反射層は、前記基板１００の、前記第一半導体１１０が設置された表面と反対する表面に設置される。前記反射層は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなる。前記活性層１２０に形成された光子は、前記反射層に達すると、前記反射層が該光子を反射して、前記発光ダイオード１０の光出射面で出射させるので、前記発光ダイオード１０の光出射率を高めることができる。
【００４２】
前記発光ダイオード１０を利用する場合、前記活性層１２０から放射された光線は、異なる角度で前記三次元ナノ構造体アレイ１４０に達する。前記活性層１２０から放射された小さな角度を有する光線は、容易に前記発光ダイオード１０から放射される、前記活性層１２０から放射された大きな角度を有する光線は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０によって屈折されて、小さな角度の光線になる。従って、前記発光ダイオード１０の光出射効率を高めることができる。前記Ｍ型の三次元ナノ構造体からなる前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記発光ダイオード１０に対して、二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５を参照すると、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を利用した前記発光ダイオード１０の光出射効率は、前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を利用しない従来の発光ダイオードの光出射効率の約５倍である。
【００４３】
図６を参照すると、実施例１に係る発光ダイオード１０の製造方法は、結晶を成長させるための成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ１０）と、前記基板１００の前記成長表面１０１に、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、を順に成長させ、発光ダイオードチップ予備成形物を形成するステップ（Ｓ２０）と、前記第二半導体層１３０の前記基板１００側と反対側の表面に三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成するステップ（Ｓ３０）と、前記第二半導体層１３０及び前記活性層１２０の一部をエッチングして、前記第一半導体層１１０の表面の一部を露出させ、該露出した一部の表面に、第一電極１５０を形成するステップ（Ｓ４０）と、前記第二半導体層１３０の一部の表面に第二電極１６０を形成するステップ（Ｓ５０）と、を含む。
【００４４】
前記ステップ（Ｓ１０）において、前記基板１００は、前記第一半導体層１１０に対して、結晶を成長させるための前記成長表面１０１を提供し、前記成長表面１０１は、前記第一半導体層１１０の結晶成長を支持する。前記基板１００の前記成長表面１０１は、平滑な表面であり、且つ酸素又は炭素などの不純物は含まれていない。前記基板１００は、単層構造又は多層構造を有する。前記基板１００が単層構造を有する場合、前記基板１００は単結晶構造体である。この時、前記基板１００は少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面は前記第一半導体層１１０の前記成長表面１０１として用いられる。前記基板１００が多層構造を有する場合、前記基板１００は、少なくとも一層の前記単結晶構造体を含み、また、前記単結晶構造体は少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面は前記第一半導体層１２０の前記成長表面１０１として用いられる。前記基板１００の材料は、前記製造しようとする前記第一半導体層１１０の材料に応じて選択可能であるが、前記第一半導体層１１０の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。本実施例において、前記基板１００はサファイア基板である。
【００４５】
前記ステップ（Ｓ２０）において、前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０は、それぞれ分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学ビームエピタキシー法（ＣＢＥ）、減圧エピタキシャル成長法、低温エピタキシー法、液相エピタキシー法（ＬＰＥ）、選択エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ）、超高真空化学蒸着法（ＵＨＶＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）及び有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの一種又は数種の方法によって、結晶を成長させることができる。
【００４６】
成長過程において、格子欠陥が発生することを防止するために、前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０は同じ半導体材料からなることが好ましい。本実施例において、真性半導体エピタキシャル層を成長させるための原料ガスに、ドーピング要素を含むガスを導入することにより、直接的にドープされた半導体エピタキシャル層を成長させることができる。また、該ドーピング要素を変更し、成長時間を制御することにより、前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０を順に成長させることができる。
【００４７】
本実施例において、前記第一半導体層１１０は、ケイ素（Ｓｉ）がドープされたＮ型ＧａＮである。前記活性層１２０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの複合構造体である。前記第二半導体層１３０はマグネシウムがドープされたＰ型ＧａＮである。前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０を、前記有機金属気相成長法によって、前記基板１００の前記成長表面１０１に成長させる。ここで、高純度アンモニア（ＮＨ３）を窒素源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウムの原料ガスとして、窒素又は水素又はそれらの混合気体をキャリヤーガスとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウム（Ｉｎ）の原料ガスとして、シラン（ＳｉＨ４）をケイ素の原料ガスとして、シクロペンタジエネルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をマグネシウムの原料ガスとして用いる。
【００４８】
本実施例において、前記第一半導体層１１０の成長方法は、サファイア基板を真空反応室に設置し、前記反応室を１１００℃〜１２００℃まで加熱し、キャリヤーガス及び窒素源ガスを反応室に導入し、前記サファイア基板を２００秒〜１０００秒にわたって焼成するステップ（Ｓ２０１）と、キャリヤーガスの雰囲気で、前記反応室の温度を５００℃〜６５０℃まで下げ、前記反応室のガス圧を５００トル〜６００トルに維持し、同時にガリウムの原料ガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、１０ｎｍ〜５０ｎｍの低温ＧａＮバッファ層（図示せず）を成長させるステップ（Ｓ２０２）と、ガリウムの原料ガスの導入を停止し、キャリヤーガス及び窒素源ガスの導入を維持し、前記反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃まで昇温し、前記反応室のガス圧を１１００トル〜１２００トルに維持して、３０秒〜３００秒にわたってアニーリング処理するステップ（Ｓ２０３）と、前記反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、前記反応室のガス圧を１００トル〜３００トルに維持し、ガリウムの原料ガスを再び導入すると同時に、ケイ素の原料ガスを導入して、３μｍのケイ素がドープされたＮ型のＧａＮからなる前記第一半導体層１１０を成長させるステップ（Ｓ２０４）と、を含む。
【００４９】
また、前記ステップ（Ｓ２０１）の後、前記ステップ（Ｓ２０２）の前に、前記反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃に保持し、ガリウムの原料ガスを反応室に導入することにより、前記低温ＧａＮバッファ層に真性半導体層を成長させる。該真性半導体層は、前記第一半導体層１１０の格子不整合を更に低減させることができる。
【００５０】
前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０の成長方法は、前記第一半導体層１１０の成長方法と本質的に同じである。本実施例において、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０の成長方法は、前記第一半導体層１１０が成長するまで、ケイ素の原料ガスの導入を停止し、前記反応室の温度を７００℃〜９００℃に維持し、前記反応室のガス圧を５０トル〜５００トルに維持するステップ（Ｓ２１１）と、前記反応室にインジウムの原料ガスを更に導入して、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系で、且つ多層の量子井戸構造体を成長させて、前記活性層１２０を形成するステップ（Ｓ２１２）と、インジウムの原料ガスの導入を停止し、前記反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、前記反応室のガス圧を７６トル〜２００トルに維持するステップ（Ｓ２１３）と、前記反応室にマグネシウムの原料ガスを更に導入して、１００ｎｍ〜２００ｎｍのマグネシウムがドープされたＰ型のＧａＮエピタキシャル層を成長させて、前記第二半導体層１３０を形成するステップ（Ｓ２１４）と、を含む。
【００５１】
図７を併せて参照すると、前記ステップ（Ｓ３０）において、前記第二半導体層１３０の表面に前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成する方法は、前記第二半導体層１３０の表面にマスク層１０３を形成するステップ（Ｓ３０１）と、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチング法によって、パターン化させるステップ（Ｓ３０２）と、前記第二半導体層１３０をエッチングして、前記第二半導体層１３０の表面をパターン化して、三次元ナノ構造体予備成形物１４２１を形成するステップ（Ｓ３０３）と、残留しているマスク層１０３を取り除き、前記第二半導体層１３０に前記三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成するステップ（Ｓ３０４）と、を含む。
【００５２】
前記ステップ（Ｓ３０１）において、前記マスク層１０３は単層構造或いは複合構造である。前記マスク層１０３に形成するパターンの精確度を保証するために、前記マスク層１０３の厚さは実際の要件（エッチングする深度、エッチング用気体など）に応じて選択することができる。前記マスク層１０３が単層構造である場合、該マスク層１０３の材料は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＰＭＭＡ、ＰＳ（ポリスチレン）、ＳＯＧ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。前記マスク層１０３は、前記第二半導体層１３０の被覆される部分を保護するために用いられる。本実施例において、前記マスク層１０３は複合マスク層である。前記マスク層１０３は、第一マスク層１０３２と、第二マスク層１０３４と、を含む。前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、前記第二半導体層１３０に積層され、前記第二マスク層１０３４は前記第一マスク層１０３２を被覆する。前記第二半導体層１３０は、前記第一マスク層１０３２の一つの表面に隣接し、前記第二マスク層１０３４は、前記第一マスク層１０３２の前記第二半導体層１３０と隣接する表面の反対側の表面に隣接し、且つ前記第一マスク層１０３２を覆う。前記第一マスク層１０３２と前記第二マスク層１０３４の材料は限定されず、必要とするエッチングする深度及びエッチングする気体などによって選択できる。前記第一マスク層１０３２は、ＺＥＰ５２０Ａ、ＰＭＭＡ、ＰＳ、ＳＡＬ６０１又はＡＲＺ７２０などからなる。前記第二マスク層１０３４は、ＨＳＱ、ＳＯＧ或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。本実施例において、前記第一マスク層１０３２の材料はＺＥＰ５２０Ａであり、前記の材料はＨＳＱである。前記第一マスク層１０３２及び前記第二マスク層１０３４は、スクリーン印刷法或いはスピンコーティング法によって、前記第二半導体層１３０の表面に堆積させる。
【００５３】
前記第二半導体層１３０の表面に、前記第一マスク層１０３２を形成する工程は、以下のステップを含む。
【００５４】
第一ステップにおいて、前記第二半導体層１３０の表面を洗浄し、前記第二半導体層１３０の表面に、ＺＥＰ５２０Ａをスピンコーティングして、スピンコーティング層を形成する。該スピンコーティング回転速度は５００回転／分〜６０００回転／分であり、時間は０．５分〜１．５分である。第二ステップにおいて、スピンコーティング層を１４０℃〜１８０℃の温度で乾燥させて、前記第二半導体層１３０の表面に前記第一マスク層１０３２を形成する。前記スピンコーティングの乾燥時間は３分〜５分である。この際、前記第一マスク層１０３２の厚さは、１００ｎｍ〜５００ｎｍに達する。
【００５５】
前記第一マスク層１０３２上に、前記第二マスク層１０３４を形成する工程は、以下のステップを含む。
【００５６】
第一ステップにおいて、高圧の条件下で、前記第一マスク層１０３２の表面に、前記ＨＳＱをスピンコーティングする。該スピンコーティング回転速度は２５００回転／分〜７０００回転／分であり、時間は０．５分〜２分である。第二ステップにおいて、前記スピンコーティングされたＨＳＱを固化して、前記第二マスク層１０３４を形成する。この際、前記第二マスク層１０３４の厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍであるが、好ましくは、３００ｎｍ〜５００ｎｍである。前記第二マスク層１０３４は構造の安定性に優れ、室温でプレスでき、且つプレスの解像度は１０ｎｍ以下に達する。
【００５７】
また、前記第一マスク層１０３２上に、前記第二マスク層１０３４を形成する工程の前に、前記第一マスク層１０３２の表面に一つの過渡層（図示せず）を形成することができる。本実施例において、該過渡層はシリカからなり、前記過渡層は、前記第二マスク層１０３４をエッチングする際、前記第一マスク層１０３２を保護することに用いられる。
【００５８】
前記ステップ（Ｓ３０２）において、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチング法によって、パターン化させる方法は、ナノパターン化表面を有する金型２００を提供するステップ（Ｓ３１２）と、前記金型２００のナノパターン化表面を、前記第二マスク層１０３４に貼合して常温でプレスした後、分離することにより、前記第二マスク層１０３４に複数の凹溝を形成するステップ（Ｓ３２２）と、前記複数の凹溝の底部に残留した前記第二マスク層１０３４を除去し、前記第一マスク層１０３２を露出させるステップ（Ｓ３３２）と、前記第一マスク層１０３２の、前記複数の凹溝に対応する一部を除去し、前記第二半導体層１３０を露出させ、パターン化された前記マスク層１０３を形成するステップ（Ｓ３４２）と、を含む。
【００５９】
前記ステップ（Ｓ３１２）において、前記金型２００は、硬質材料、或いは軟質材料からなる。前記金型２００が硬質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、例えば、ニッケル、シリコン或いはシリカであり、前記金型２００が軟質材料からなる場合、前記金型２００の材料は、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）である。前記金型２００の表面には、ナノパターンが形成されている。該金型２００の表面のナノパターンとは、間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部、或いは間隔をおいて配列された複数の同心円状の突部構造体、或いは間隔をおいて配列された複数の同心四角状の突部構造体からなるアレイである。本実施例において、前記金型２００の表面に形成されたナノパターンとは、間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部からなるアレイである。前記複数のストリップ状の突部は、同じ方向に沿って延伸する。隣接する二つのストリップ状の突部の間には、凹溝が形成されている。前記ストリップ状の突部と凹溝と、それらの延伸する方向での断面は、それぞれ矩形である。前記複数の突部の延伸する方向と垂直する方向に沿った、前記ストリップ状の突部の幅は限定されず、必要に応じて選択できる。本実施例において、前記ストリップ状の突部の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記凹溝の幅は５０ｎｍ〜２００ｎｍである。また、前記ストリップ状の突部の幅と溝の幅とは同じでも、或いは同じでなくても良い。
【００６０】
前記ステップ（Ｓ３２２）において、常温下で、前記金型２００を通じて、前記第二半導体層１３０まで圧力を加えることにより、前記金型２００の表面のナノパターンを、前記第二マスク層１０３４に転写させる。具体的には、先ず、前記金型２００のナノパターンを有する表面を、前記第二マスク層１０３４と貼合させ、次に、１×１０-１ｍｂａｒ〜１×１０-５ｍｂａｒの真空度で、２ポンド／平方フット〜１００ポンド／平方フットの圧力をかけて、この状態を２分間〜３０分間保持し、最後に、前記金型２００と前記第二マスク層１０３４とを分離させる。これにより、前記金型２００の表面のナノパターンは、記第二マスク層１０３４に転写される。
【００６１】
前記第二マスク層１０３４の表面に転写されたナノパターンは、並列し、同じ方向に沿って延伸する複数のストリップ状の突部を含み、隣接するストリップ状の突部の間には、凹溝が形成され、且つ、前記第二マスク層１０３４の凹溝の大きさ及び形状は、前記金型２００の突部の大きさ及び形状と対応し、前記第二マスク層１０３４のストリップ状の突部の大きさ及び形状は、前記金型２００の凹溝の大きさ及び形状と対応する。圧力を加える過程において、前記第二マスク層１０３４は、前記金型２００の突部に圧縮されて、薄くなり、前記第二マスク層１０３４中に凹溝を形成する。これにより、凹溝の底部における前記第二マスク層１０３４が薄層となり、前記第一マスク層１０３２の表面に付着する。
【００６２】
前記ステップ（Ｓ３３２）において、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部に残留し第二マスク層材料を、プラズマエッチング法によって除去する。本実施例において、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部に残留した第二マスク層材料は、反応性プラズマエッチング法によって除去して、前記第一マスク層１０３２を露出させる。具体的には、パターン化された前記第二マスク層１０３４が形成された前記発光ダイオードチップ予備成形物を、反応性プラズマエッチングのシステムに設置し、該反応性プラズマエッチングのシステムによって、四フッ化炭素（ＣＦ４）のプラズマを形成する。その後、該形成された前記四フッ化炭素のプラズマは拡散して、前記第二マスク層１０３４に移動する。この際、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部の第二マスク層材料は、前記四フット炭素プラズマによって、エッチングされる。該四フッ化炭素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、該四フッ化炭素プラズマの導入速度は、２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、気圧は、０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、前記四フッ化炭素プラズマによってエッチングする時間は、２秒〜４分である。本実施例において、前記四フッ化炭素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該四フッ化炭素プラズマの導入流量は２６ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１０秒である。以上の方法により、前記第二マスク層１０３４の凹溝の底部に残留した第二マスク層材料は、前記四フッ化炭素プラズマにエッチングされて、前記第一マスク層１０３２を露出させる。同時に、前記第二マスク層１０３４の複数の突部はエッチングされて薄くなる。しかし、この際、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、完全な形態を保持することができる。
【００６３】
前記ステップ（Ｓ３４２）において、前記第二マスク層１０３４の凹溝によって露出された前記第一マスク層１０３２を、酸素プラズマエッチングのシステム中で、酸素プラズマによってエッチングして、前記第二半導体層１３０の一部の表面を露出させる。該酸素プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、前記酸素プラズマの導入速度は２ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍであり、形成された気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、酸素プラズマにエッチングされる時間は５秒〜５分である。本実施例において、前記酸素プラズマエッチングシステムの仕事率は４０Ｗであり、該酸素プラズマの導入流量は４０ｓｃｃｍであり、気圧は２Ｐａであり、エッチング時間は１２０秒である。以上の方法により、前記第一マスク層１０３２の、前記第二マスク層１０３４の凹溝と対応する一部は、酸化によってエッチングされ、前記第二マスク層１０３４は、エッチング過程において、前記第一マスク層１０３２の解像度を有効に保持する。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンを、前記第一マスク層１０３２に複製でき、これにより、前記マスク層１０３は全体的にパターン化される。
【００６４】
パターン化された前記マスク層１０３は、前記第二半導体層１３０の表面に間隔をおいて形成された複数の突部構造１０３１を含み、且つ各々の隣接する二つの突部構造１０３１の間には、一つの溝１０３３がそれぞれ形成される。また、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３の前記溝１０３３と対応する一部の表面は露出される。前記マスク層１０３の前記突部構造１０３１は、前記第二半導体層１３０の、前記溝１０３３と対応する領域以外の領域を被覆する。また、前記ステップ（Ｓ３４２）において、前記マスク層１０３に対する、エッチング気体の全体の流動速度及びエッチング方向を抑制させることにより、前記マスク層１０３がエッチングが終わった後に形成された前記突部構造１０３１の側壁は、前記第二半導体層１３０の表面とほぼ垂直となる。これにより、後続の前記第二半導体層１３０をエッチングする工程において、形成される前記三次元ナノ構造体予備成形物１４２１の形状の一致性及び均一性を、保証できる。前記第一マスク層１０３２をエッチングする過程において、前記第二マスク層１０３４の突部は多少エッチングされる。しかし、前記第二マスク層１０３４がエッチングされる速度は、前記第一マスク層１０３２がエッチングされる速度より遅い。従って、前記第二マスク層１０３４のナノパターンは、基本的に保持される。
【００６５】
前記ステップ（Ｓ３０３）において、前記パターン化された前記マスク層１０３が形成された前記発光ダイオードチップ予備成形物を、誘導結合プラズマエッチングのシステムに配置した後、エッチング用気体を利用して、前記第二半導体層１３０をエッチングする。該気体は、前記第二半導体層１３０及び前記マスク層１０３の材料によって選択され、エッチングする対象に対して、高いエッチング速度を有することを保証する。前記第二半導体層１３０をエッチングする過程において、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３の前記溝１０３３に対応する一部は、該気体によって除去され、前記第二半導体層１３０の表面に凹溝を形成する。
【００６６】
本実施例の前記ステップ（Ｓ３０３）において、前記第二半導体層１３０をエッチングする工程は、エッチング気体によって、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３に被覆されない一部の表面をエッチングし、前記第二半導体層１３０に複数の凹溝を形成し、該複数の凹溝の深度が、互いに基本的に同じであるステップ（Ｓ３１３）と、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層１０３の各々の隣接する二つの前記突部構造１０３１が、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部（前記第二半導体層１３０と離れる一端）が二つずつ互いに接近して、最後は接触するステップ（Ｓ３２３）と、を含む。
【００６７】
前記ステップ（Ｓ３１３）において、前記第二半導体層１３０をエッチングする過程に、エッチング工程に採用した気体は、前記マスク層１０３に被覆されない前記第二半導体層１３０と反応して、保護層を形成する。該保護層は、前記第二半導体層１３０がさらにエッチングされるのを阻止するので、前記第二半導体層１３０の、前記マスク層１０３における二つの前記突部構造１０３１間の部分は、エッチング深度に伴って、エッチングされる面積は徐々に小さくなる。即ち、前記第二半導体層１３０に形成された凹溝の広さは、前記第二半導体層１３０のエッチング方向に沿って小さくなり、該凹溝の内壁は、前記基板１００の表面と垂直せず、一定の角度を有する。同時に、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３の、前記突部構造１０３１の頂部をエッチングすることによって、前記突部構造１０３１の頂部の幅を次第に狭くさせる。前記エッチングする過程において、前記エッチング用気体は、前記マスク層１０３もエッチングする。しかし、前記マスク層１０３がエッチングされる速度は、前記第二半導体層１３０がエッチングされる速度より遅い。従って、前記第二半導体層１３０をエッチングして、複数の凹溝を形成する過程において、前記マスク層１０３の形態及び分布も保持することができる。
【００６８】
前記ステップ（Ｓ３２３）は、以下の三つのサブステップを含む。
【００６９】
第一サブステップにおいて、前記第二半導体層１３０の気体によって、エッチングする過程中に、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層１０３の隣接する二つの前記突部構造１０３１は、次第に相対して傾倒し、前記突部構造１０３１の頂部は二つずつ互いに接近して、最後は接触する。
【００７０】
第二サブステップにおいて、前記マスク層１０３の隣接する二つの前記突部構造１０３１の頂部は、次第に互いに接近して接触するので、前記第二半導体層１３０の、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する部分のエッチング速度は遅くなる。即ち、前記第二半導体層１３０の、前記突部構造１０３１の頂部の接触する部分に対応する位置に形成された凹溝の幅は、エッチングされる深度に伴い狭くなり、更に、Ｖ型の溝を形成し、この際、該溝の深さは比較的浅い。同時に、前記第二半導体層１３０の、接触されない前記突部構造１０３１の間に対応する部分も、エッチング気体と同じ速度でエッチングされるので、前記第二半導体層１３０の、接触されない前記突部構造１０３１の間に対応する位置に形成された溝の深度は、前記第二半導体層１３０の、前記突部構造１０３１の頂部が接触する部分に対応する位置に形成された溝より深い。
【００７１】
第三のサブステップにおいて、前記マスク層１０３の前記突部構造１０３１の頂部が二つずつ接触した後、気体は、前記突部構造１０３１の頂部が接触する部分に被覆された前記第二半導体層１３０をエッチングし続けることができない。従って、前記第二半導体層１３０の表面に、前記第一溝１４２６が形成される。同時に、気体は、接触していない二つの前記突部構造１０３１間における前記第二半導体層１３０をエッチングし続け、前記第二溝１４２８を形成する。従って、前記第二溝１４２８の深度は前記第一溝１４２６の深度より深く、前記三次元ナノ構造体予備成形物１４２１を形成する。
【００７２】
前記ステップ（Ｓ３０３）おいて、本実施例に利用するエッチング気体は混合気体であり、該混合気体はＣl２、ＢＣl３、Ｏ２、Ａｒ２を含む。プラズマエッチングのシステムの仕事率は１０Ｗ〜１５０Ｗであり、混合気体の導入速度は８ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は０．５Ｐａ〜１５Ｐａであり、エッチングする時間は５秒〜５分間である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入流動は２ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は３ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍである。エッチングする速度と精確性を保証するために、混合気体の導入速度は、好ましくは、４０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍである。本実施例において、前記プラズマエッチングのシステムの仕事率は７０Ｗであり、プラズマの導入流動は４０ｓｃｃｍであり、形成される気圧は２Ｐａであり、エッチングする時間は１２０秒である。その中で、前記Ｃl２の導入速度は２６ｓｃｃｍであり、前記ＢＣl３の導入速度は１６ｓｃｃｍであり、前記Ｏ２の導入速度は２０ｓｃｃｍであり、前記Ａｒ２の導入速度は１０ｓｃｃｍである。
【００７３】
前記マスク層１０３及びエッチング気体は制限されず、必要に応じて選択でき、エッチング過程において、前記マスク層１０３における前記突部構造１０３１が二つずつ接触することができるならば、純粋な気体、或いは混合気体でも良い。また、必要とする三次元ナノ構造体のサイズによって、気体の導入速度、気圧、エッチング時間、気体の比率などを選択できる。
【００７４】
本実施例において、前記マスク層１０３をナノプリント及びエッチングの方法によって、前記マスク層１０３に複数のストリップ状の突部構造及び凹溝を形成する。しかし、前記マスク層１０３を処理する方法はこれらに限定されず、パターニングされた前記マスク層１０３が、複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状突部構造の間に凹溝を形成し、前記マスク層１０３が、前記第二半導体層１３０に設置された後、前記第二半導体層１３０の表面が前記凹溝によって露出されれば良い。又は、他の媒介或いは基板に、前記パターニングされた前記マスク層１０３を形成した後、前記マスク層１０３が前記第二半導体層１３０の表面に設置されれば良い。
【００７５】
前記ステップ（Ｓ３０４）において、有機溶剤によって、前記残留したマスク層１０３を溶解して除去した後、前記三次元ナノ構造体予備成形物１４２１を形成する。該有機溶剤は、例えば、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、メタノール或いはエタノールなどである。本実施例において、前記有機溶剤はブタノンである。前記残留したマスク層１０３はブタノンに溶解されて、前記第二半導体層１３０から脱離する。前記残留したマスク層１０３を除去した後、パターン化された前記第二半導体層１３０を形成する。即ち、前記第二半導体層１３０に、複数の前記三次元ナノ構造体１４２が形成される。該方法によって、前記三次元ナノ構造体１４２と前記第二半導体層１３０とは一体構造を有する。
【００７６】
前記ステップ（Ｓ４０）において、前記第二半導体層１３０及び前記活性層１２０をエッチングする工程は、前記第二半導体層１３０の表面にフォトレジストを均一にコーティングするステップ（Ｓ４０１）と、前記フォトレジスト層の一部を除去して、前記第二半導体層１３０の表面の一部を露出させるステップ（Ｓ４０２）と、前記フォトレジスト層が形成された前記発光ダイオード基体を真空反応室に放置して、前記反応室に四塩化ケイ素及び塩素の反応気体を導入し、グロー放電による反応気体のプラズマを生成して、前記第二半導体層１３０と前記活性層１２０と、を反応させるステップ（Ｓ４０３）と、を含む。前記反応気体プラズマを生成するためのグロー放電の電力は５０Ｗである。前記反応気体塩素の流量は２６ｓｃｃｍであり、前記反応気体四塩化ケイ素の流量は４ｓｃｃｍである。また、反応室の気圧は２Ｐａである。前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０の露出した表面に設置される。前記第一電極１５０はＰ型電極又はＮ型電極であるが、前記第一半導体層１１０のタイプと同じでなければならない。前記第一電極１５０は、例えば電子ビーム蒸着法、真空蒸着法、イオンスパッタリング法等の物理気相成長法によって形成される。
【００７７】
前記ステップ（Ｓ５０）において、前記第二電極１６０の製造方法は、前記第一電極１５０の製造方法と同じである。前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０の表面の一部に設置され且つ接触する。前記第二電極１６０はＰ型電極又はＮ型電極であるが、前記第二半導体層１３０のタイプと同じでなければならない。前記発光ダイオード１０の光出射率に影響を与えない限り、前記第二電極１６０は、前記発光ダイオード１０の光出射面に設置される。前記第二電極１６０が、透明材料からなる場合、前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０の表面を全て覆うことができる。
【００７８】
（実施例２）
図８を参照すると、実施例２に係る発光ダイオード２０は、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、第一電極１５０と、第二電極１６０及び三次元ナノ構造体アレイ１４０と、を含む。前記第一半導体層１１０、前記活性層１２０及び前記第二半導体層１３０は、前記第一電極１５０の一つの表面に、該表面から離れる方向に順に積層される。前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０に電気的に接続され、前記第二電極１６０は、前記第二半導体層１３０に電気的に接続されている。前記三次元ナノ構造体アレイ１４０は、前記第二半導体層１３０の、前記活性層１２０から離れる表面に形成される。本実施例２の前記発光ダイオード２０は、実施例１の前記発光ダイオード１０と比べて、次の点が異なる。前記発光ダイオード２０は、基板を含まず、前記第一電極１５０は、前記第一半導体層１１０の、前記活性層１２０側と反対側の表面に、前記第一半導体層１１０の全体表面を被覆して設置される。
【００７９】
更に、前記発光ダイオード２０は、反射層を含み、前記第一半導体層１１０及び前記第一電極１５０の間に設置される。
【００８０】
図９を参照すると、実施例２に係る発光ダイオード２０の製造方法は、結晶を成長させるための成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ１０）と、前記基板１００の前記成長表面１０１に、第一半導体層１１０と、活性層１２０と、第二半導体層１３０と、を順に成長させ、発光ダイオードチップ予備成形物を形成するステップ（Ｓ２０）と、前記第二半導体層１３０の前記基板１００から離れる表面に三次元ナノ構造体アレイ１４０を形成するステップ（Ｓ３０）と、前記基板１００を除去するステップ（Ｓ６０）と、前記第一半導体層１１０の露出した表面に、第一電極１５０を形成するステップ（Ｓ４０ａ）と、前記第二半導体層１３０の一部の表面に第二電極１６０を形成するステップ（Ｓ５０）と、を含む。
【００８１】
前記実施例２の前記発光ダイオード２０の製造方法は、実施例１の前記発光ダイオード１０の製造方法と比べて、次の点が異なる。前記実施例２の前記発光ダイオード２０の製造方法は、更に前記基板１００を除去するステップ（Ｓ６０）を含む。また、前記実施例２のステップ（Ｓ４０ａ）は、前記実施例１のステップ（Ｓ４０）のような、前記第二半導体層１３０及び前記活性層１２０の一部をエッチングして、前記第一半導体層１１０の表面の一部を露出させて、前記第一半導体層１１０の露出した一部の表面に、前記第一電極１５０を形成せず、前記基板１００が除去された後、前記第一半導体層１１０の露出した表面（前記第一半導体層１１０の前記活性層１２０から離れる表面）に前記第一電極１５０を形成する。
【００８２】
前記ステップ（Ｓ６０）において、前記基板１００を除去するために、レーザー照射法、エッチング法又は熱膨張収縮法を利用する。前記基板１００を除去する方法は、前記基板１００及び前記第一半導体層１１０の材料によって選択する。本実施例において、前記基板１００は、レーザー照射により除去する。前記基板１００を除去する工程は、前記基板１００の前記第一半導体層１１０が形成されない表面を研磨して、洗浄するステップ（Ｓ６０１）と、レーザービームを提供して、前記基板１００を研磨して、洗浄した表面を照射するステップ（Ｓ６０２）と、レーザービームによって照射された前記基板１００を溶液に浸漬して、前記基板１００を除去するステップ（Ｓ６０３）と、を含む。
【００８３】
前記ステップ（Ｓ６０１）において、レーザーによって前記基板１００を照射する場合、散乱現象が発生するのを減少させるために、前記基板１００の表面を機械研磨法又は化学研磨法によって研磨して、滑らかな表面に加工する。さらに、前記基板１００の表面にある金属不純物、油汚れ等を除去するために、前記基板１００の表面を塩酸又は硫酸を用いて洗浄する。
【００８４】
前記ステップ（Ｓ６０２）において、前記基板１００の研磨された表面に対して垂直に前記レーザービームを照射する。これにより、前記レーザービームを、前記基板１００と前記第一半導体層１１０の間まで照射させることができる。レーザービームの波長は、第一半導体層１１０及び前記基板１００の材料によって選択される。前記レーザービームのエネルギーは、前記基板１００のバンドギャップより小さいか、又は、前記第一半導体層１１０のバンドギャップより大きいことが好ましい。これにより、レーザービームは前記基板１００を通じて前記第一半導体層１１０に到達する。この時、前記基板１００と前記第一半導体層１１０の接合部分の、前記第一半導体層１１０のバッファ層は、レーザービームを吸収して、急速に加熱されて分解される。本実施例において、前記第一半導体層１１０はＧａＮからなり、そのバンドギャップは３．３ｅＶであり、前記基板１００は、バンドギャップが９．９ｅＶのサファイアであるので、前記レーザービームの波長は、２４８ｎｍであり、エネルギーは５ｅＶであり、パルス幅は２０ｎｓ〜４０ｎｓであり、エネルギー密度は４００ｍＪ／ｃｍ２〜６００ｍＪ／ｃｍ２であり、光スポットは０．５ｍｍの辺長を有する正方形である。前記レーザービームの前記基板１００での光スポットを、０．５ｍｍ／ｓの速度で前記基板１００に対して相対移動させる。この場合、前記低温ＧａＮバッファ層は、レーザービームを吸収して、ガリウムと窒素に分解される。しかし、前記波長のレーザービームが前記第一半導体層１１０に吸収される量は少ないか、又は吸収されないので、レーザービームによって前記基板１００を照射する過程において、前記高温ＧａＮによって前記第一半導体層１１０は、破壊されない。
【００８５】
前記ステップ（６０３）において、前記ステップ（６０２）で分解されたガリウムを酸溶液に浸漬させて除去する。これにより、前記基板１００を前記第一半導体層１１０から分離させることができる。前記酸溶液は、塩酸、硫酸又は硝酸のようなガリウムを溶解できる溶液である。
【符号の説明】
【００８６】
１０、２０ 発光ダイオード
１００ 基板
１０１ 成長表面
１１０ 第一半導体層
１１１ 第一表面
１１２ 第二表面
１５０ 第一電極
１１３ 第三表面
１２０ 活性層
１３０ 第二半導体層
１４２１ 三次元ナノ構造体予備成形物
１４２６ 第一溝
１４２８ 第二溝
１０３ マスク層
１０３１ 突部構造
１０３２ 第一マスク層
１０３３ 溝
１０３４ 第二マスク層
１６０ 第二電極
１４０ 三次元ナノ構造体アレイ
１４２ 三次元ナノ構造体
１４２２ 第一突部
１４２４ 第二突部
１４２２ａ、１４２４ａ 第一面
１４２２ｂ、１４２４ｂ 第二面
２００ 金型
【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、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順に積層され、
前記第一電極が、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、
前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、
各々の前記三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、
前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、
各々の前記三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、
各々の隣接する二つの前記三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、
前記第二溝の深度は前記第一溝より深いことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、順に積層され、
前記第一電極が、前記第一半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面の少なくとも一部に設置され、
前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、
前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、
各々の前記三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、
前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、
各々の前記三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、
各々の隣接する二つの前記三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、
前記第二溝の深度は前記第一溝より深いことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
各々の三次元ナノ構造体の、その延伸する方向における断面は、Ｍ型であ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。
【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、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板に順に積層され、
前記第一電極が、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、
前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、
各々の前記三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、
前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、
各々の前記三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、
各々の隣接する二つの前記三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、
前記第二溝の深度は前記第一溝より深いことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、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が、順に積層され、
前記第一電極が、前記第一半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面の少なくとも一部に設置され、
前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記第二半導体層の前記活性層に隣接する表面と反対側の表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、
前記複数の三次元ナノ構造体は、前記発光ダイオードの光出射面に、一次元アレイの形式によって設置され、
各々の前記三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、
前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ延伸規則によって延伸し、
各々の前記三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、
各々の隣接する二つの前記三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、
前記第二溝の深度は前記第一溝より深いことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
各々の三次元ナノ構造体の、その延伸する方向における断面は、Ｍ型であ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。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図５】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８４９５３（Ｐ２０１３−８４９５３Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２１９１９２（Ｐ２０１２−２１９１９２）
【出願日】平成２４年１０月１日（２０１２．１０．１）
【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２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１日（２０１２．１０．１）
【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）】
[ Back to top ]