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JP2001308374A - クアンタムホールの形成方法とそのクアンタムホールを用いる半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

クアンタムホールの形成方法とそのクアンタムホールを用いる半導体発光素子及びその製造方法

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Publication number
JP2001308374A
JP2001308374A JP2001056771A JP2001056771A JP2001308374A JP 2001308374 A JP2001308374 A JP 2001308374A JP 2001056771 A JP2001056771 A JP 2001056771A JP 2001056771 A JP2001056771 A JP 2001056771A JP 2001308374 A JP2001308374 A JP 2001308374A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum
light emitting
ion beam
hole
holes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001056771A
Other languages
English (en)
Inventor
Hoon Kim
勲 金
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JORYOKU KOORIA KK
Original Assignee
JORYOKU KOORIA KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JORYOKU KOORIA KK filed Critical JORYOKU KOORIA KK
Publication of JP2001308374A publication Critical patent/JP2001308374A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H10H20/80—Constructional details
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    • H10H20/813—Bodies having a plurality of light-emitting regions, e.g. multi-junction LEDs or light-emitting devices having photoluminescent regions within the bodies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • H10H20/01—Manufacture or treatment
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体基板にナノメートル程度の直径を有す
る複数のクアンタムホールを形成する方法と、その複数
のクアンタムホールを用いて所定の色相の光を出力する
半導体発光素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 イオンビーム走査装置のイオンビームの
加速電圧、大きさ及び入射時間とを調節して半導体基板
に所望の直径及び深さを有するクアンタムホールを形成
する。また、Ｐ型半導体層７０上に真性半導体層を成長
させ、該真性半導体層に複数のクアンタムホールを形成
した後、クアンタムホール内には、インジウムガリウム
ニトリド（ＩｎＧａＮ）を単結晶成長させて充填し、ク
アンタムホール層７２を形成する。その上にＮ型半導体
層７４を形成して半導体発光素子を製造する。また、前
記製造により半導体発光素子を得る。また、前記インジ
ウムの混合比を調節して、赤色、緑色及び青色の３基本
色相を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板などにナ
ノメートルほどの微細直径を有する複数のクアンタムホ
ールを形成するクアンタムホールの形成方法と、その微
細直径を有するクアンタムホールを用いて所定色相の光
を放出する半導体発光素子及びその半導体発光素子を製
造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電気エネルギーを用いて光エネルギーを
放出するものとしては、白熱ランプ及びハロゲンランプ
などを始め、いろいろのランプが知られている。前記ラ
ンプは単色光を放出するもので、多様な色相を照明する
ためには、多様な色相のフィルタ及びゲルなど使用しな
ければならない。しかしながら、多様な色相のフィルタ
及びゲルなどを使用することは、ほかの色相に変更する
場合、それに適した色相のフィルタ及びゲルなどを取り
替えて使用しなければならないので、多様な色相を表現
する技術の発展に限界があった。したがって、より多様
な照明又は発光手段に対応できる新技術の開発が要求さ
れた。このような要求に応じ、半導体を用いて所定色相
の光を放出する発光手段である発光ダイオード（Light
Emitting Diode）が開発され広く使用されている。最も
広く使用される代表的な発光ダイオードとしてはバルク
型発光ダイオードがある。前記バルク型発光ダイオード
はＰ型半導体及びＮ型半導体間にＰＮ接合層を形成し、
Ｐ型半導体及びＮ型半導体にそれぞれ電極を形成したも
のである。このようなバルク型発光ダイオードは、Ｐ型
半導体及びＮ型半導体の電極に電源を印加する場合、Ｐ
型半導体の正孔及びＮ型半導体の電子がＰＮ接合層に移
動して相互結合することで、励起及び遷移されて所定の
光を放出することになる。
【０００３】図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は従来のバルク型
発光ダイオードの構成を示す図である。従来のバルク型
半導体発光素子はＰ型半導体層１２とＮ型半導体層１４
と間にＰＮ接合層１６を形成しているもので、ＧａＮ素
材で構成されるＰ型半導体層１２の上部にＩｎＧａＮを
バルク形態に結晶成長させることで結晶成長層であるＰ
Ｎ接合層１６を形成し、ＰＮ接合層１６の上部にＮ型半
導体層１４を形成している。前記Ｐ型半導体層１２とＮ
型半導体層１４は複数層からなり得る。このようなバル
ク型発光ダイオードが所定色相の光を放出させるように
するためには、基本的に光の三原色である赤色、緑色及
び青色の波長をそれぞれ発散する発光ダイオード１０、
１０ａ、１０ｂを構成すべきである。赤色、緑色及び青
色の波長を発散する３種の発光ダイオード１０、１０
ａ、１０ｂを構成するためには、それぞれのＰＮ接合層
１６を形成する物質、つまりＩｎＧａＮのなかでインジ
ウム（Ｉｎ）の構成比が相違する必要があり、３種がそ
れぞれ異なるインジウム構成比を有する半導体積層物を
必要とする。すなわち、赤色、緑色及び青色のＰＮ接合
層１６ともバルク型で、ＩｎＧａＮを単結晶成長するも
のであり、これらの各インジウム（Ｉｎ）の成分構成比
は異なるように形成することで、赤色、緑色及び青色を
出力するようにする。ここで、インジウム（Ｉｎ）の成
分構成比をそれぞれ相違するように形成する理由は、電
子及び正孔のキャリヤ間の再結合エネルギーを調節する
一つの手段として使用されるためである。このように、
バルク型に形成された各色相に対する発光ダイオード１
０、１０ａ、１０ｂは適宜の程度に切断して赤色の発光
ダイオード１８、緑色の発光素子１８ａ及び青色の発光
ダイオード１８ｂの端子素子形態として使用するか、又
は発光ダイオード１８、緑色の発光素子１８ａ及び青色
の発光ダイオード１８ｂの単位素子を一つの表示パネル
で結合して使用する。
【０００４】図２は従来のバルク型発光ダイオードを用
いて所定の画像が再現できるようにした表示パネルの構
成を示す図面である。赤色、緑色及び青色の光を放出す
るバルク型発光ダイオード１０、１０ａ、１０ｂを使っ
て多様な色相が表現できる画像を具現し得るようにする
ためには、それぞれ赤色、緑色及び青色の光を放出する
複数のバルク型発光ダイオード１０、１０ａ、１０ｂを
結合して一つの表示パネルに形成する。例えば、１３個
の赤色発光ダイオード１０、８個の緑色発光ダイオード
１０ａ、及び４個の青色発光ダイオード１０ｂの単位素
子を結合して一つの表示パネル２０を形成する。
【０００５】図３は図２の表示パネルにおける光の波長
及び強さを示すグラフである。図３のグラフから分かる
ように、従来のバルク型発光ダイオード１０、１０ａ、
１０ｂからなる表示パネル２０は、光の強さが弱い場
合、かなり広範囲な波長分布を有することになる。そし
て、上部の頂点、つまり光の強さが強い場合には、緩や
かな曲線をなす波長の分布を有することになる。したが
って、複数のバルク型発光ダイオード１０、１０ａ、１
０ｂからなる表示パネル２０が特定色相を表現する場
合、正確に特定された色相の波長を鮮明な波長の幅で現
すことができない。このことは、複数光の波長が合成さ
れる場合、可視範囲内で人の視神経により特定色相に対
する視神経の感じに相当する色相を感じるようにするも
のと解釈される。すなわち、特定色相が有する固有の波
長を正確な波長の範囲内で出力するものであることを意
味するもので、特定色相を鮮明に固有の波長で描写する
ことができない。更に、前記バルク型発光ダイオードは
大きいので、多様な色相及び繊細な映像を表現し得る小
型の表示素子に製造し難い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、半導体基板などにナノメートルほどの微細直径
を有するクアンタムホールを形成するクアンタムホール
形成方法を提供することにある。本発明のほかの目的
は、ナノメートルほどの直径を有するクアンタムホール
を用いて所定色相の光を放出するクアンタムホールを用
いる半導体発光素子及びその製造方法を提供することに
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、クアンタムホ
ールを形成するため、イオンビーム操作装置を用いる。
すなわち、イオンビーム操作装置のイオン銃から出力さ
れるイオンを集束してイオンビームを形成し、集束した
イオンビームの焦点を調節し、加速及び偏向させながら
半導体基板に入射されるようにして、半導体基板上にナ
ノメートルほどの直径を有する複数のクアンタムホール
を形成する。この際に、イオンビームを加速させる加速
電圧と、イオンビームを集束させるコンデンサレンズの
焦点調節状態によるイオンビームの大きさと、クアンタ
ムホールを形成する位置に入射されるイオンビームの入
射時間とを調節することで、所望の深さ及び大きさを有
する複数のクアンタムホールを形成する。本発明の半導
体発光素子は、Ｐ型半導体層の上部に真性半導体層を成
長させ、成長させた真性半導体層に複数のクアンタムホ
ールを形成してクアンタムホール層を形成し、そのクア
ンタムホール層のクアンタムホール内には真性半導体よ
りエネルギーバンドギャップの小さい材料を単結晶成長
で充填させることにより所定色相の光を放出させるよう
にし、クアンタムホール層の上部にはＮ型半導体層を形
成する。
【０００８】したがって、本発明の単位半導体発光素子
はミクロン単位と極めて小さく製造することができ、ク
アンタムホールに単結晶成長させる材料によって赤色、
緑色及び青色の光の三原色を選択的に放出し得るように
製造することができるもので、これを集約して使用する
場合、多様な照明装置、電光板、広告版、及び種々の映
像表示装置などの開発が可能である。また、本発明はデ
ジタル照明ができ、多様な照明施設を用い、多彩に色相
及びサイズなどを調節することができる。例えば、赤
色、緑色及び青色をそれぞれ放出する複数の単位半導体
発光素子はマトリックスなどに集約し、この集約した複
数の単位半導体発光素子をデジタルで制御して選択的に
所定色相の光を放出するようにするデジタル照明が可能
である。したがって、照明が単に暗さを照らす低次元か
ら音楽の拍子及び音色などによって色相が華やかに変わ
る高次元水準への技術的向上が期待される。また、デジ
タル技術を適用する場合、人間には感じられないほどに
繊細で精巧で微細に色感を調節して所定の映像を鮮明に
表示することができ、熱又は紫外線などを全く発生しな
く、使用寿命もほぼ永久的であると言える。そして、３
個の単位半導体発光素子のみで鮮明な光の三原色を放出
することができるので、電光板又は表示装置を小さく縮
小して所定の映像を具現しても鮮明に映像を表示するこ
とができる。また、色相を表現する光の波長範囲の帯域
が狭くて鮮明であるので、色相をはっきりと表現して完
全なイメージを再現することができる。
【０００９】そして、本発明の半導体発光素子の大きさ
はミクロン単位程度に製造されるが色相は鮮明に表現す
ることができ、放出する光エネルギーの強さを高くする
ことができるので、明るい画像が再現できる特色があ
る。本発明は、光エネルギーの強さにおいても色相を表
現する光の波長の集中度においても、現在商用化されて
いるバルク型の発光ダイオードよりもレーザーによる発
光素子に近いと言える。集中度の極めて高い正確な波長
の光エネルギーを放出させ得る発光素子を具現すること
もできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、添付図面の図４ないし図２
２に基づいて本発明のクアンタムホールの形成方法とそ
のクアンタムホールを用いる半導体発光素子及びその製
造方法を詳細に説明する。本発明においては、要求され
る極微の大きさを有する複数のクアンタムホールを形成
するため、集束されたイオンビーム（Focused Ion Bea
m）を使用する。図４は集束されたイオンビームを出力
して、本発明で求められる微細直径及び深さを有する複
数のクアンタムホールを微細な間隔で形成するイオンビ
ーム走査装置を概略に示す図である。ここで、符号４０
はイオンを高速で放出するイオン銃である。前記イオン
銃４０の前方にはコンデンサレンズ４２、４２ａが配置
される。前記コンデンサレンズ４２、４２ａは所定大き
さのスリットと印加電圧によって発生する電界及び磁界
などからなるもので、前記イオン銃４０から放出された
イオンはコンデンサレンズ４２、４２ａを通過しながら
集束されてイオンビームに形成され、形成されたイオン
ビームは前方の基板４４に入射される。そして、前記コ
ンデンサレンズ４２ａと前記基板４４との間のイオンビ
ームが通過する経路には走査用偏向手段４６、４８が配
置されることにより、イオンビームを上下及び左右に変
更させる。そして、前記イオンビームの進行速度は加速
手段（図示せず）に印加する加速電圧のレベルで調節す
る。
【００１１】このようなイオンビーム走査装置を用いる
本発明は、基板のクアンタムホールを形成する位置にイ
オンビームを入射させて衝撃を与える場合、基板のクア
ンタムホールを形成する位置は、その衝撃により基板の
表面組織が破損されて分離され、クアンタムホールが形
成される。基板に要求される直径及び深さを有するクア
ンタムホールを形成するためには、イオンビームの定量
的分析が要求される。特に、適当な電圧環境及び時間的
制約、適切なイオンビームの入射時間及び適切なイオン
ビームの大きさなどの環境がみんな正確に調節された場
合に、所望の直径及び深さを有するクアンタムホールが
形成される。例えば、イオンビームを加速するための加
速電圧が一定値以下である場合、イオンビームの直進性
が弱くなり、基板４４に到達し得ないか、基板４４の最
上位レベルの原子を分離させることができないため、ク
アンタムホールを形成することができなくなる。加速電
圧が一定値以上である場合は、イオンビームがあまり加
速され、基板４４内にイオンビームのイオンが注入され
る現象が発生する。したがって、所望の直径及び深さの
クアンタムホールを形成するためには、適当な強さの加
速電圧でイオンビームを加速させることが要求される。
そして、イオンビームの入射時間、つまりクアンタムホ
ールを形成する位置にイオンビームを入射させる時間が
一定時間以上を超える場合は、そのクアンタムホールが
あまり大きくなる。よって、本発明において、適当な直
径のクアンタムホールを得るためには、イオンビームを
加速させる加速電圧と、イオンビームを集束させるコン
デンサレンズ４２、４２ａの焦点を正確に調節しなけれ
ばならなく、またイオンビームがクアンタムホールの形
成位置に入射される時間を適切に選定すべきである。こ
のように、イオンビーム走査装置で所望の直径及び深さ
のクアンタムホールを形成するためには、多様な条件が
充足されなければならない。
【００１２】本発明において、クアンタムホールを形成
するための実施例として、クアンタムホールの形成面積
１ｍｍ×１ｍｍに対してイオンビームを入射させる全時
間は５ｓｅｃ以内に設定し、入射されるイオンビームの
全体量を１×１０１６ＣＭ− ２、加速電圧を２５〜３５
ｋＶ、及びイオンビームの直径を１００ｎｍの条件とす
る場合、基板４４に複数の微細クアンタムホールを形成
することができる。ここで、イオンビームの大きさはコ
ンデンサレンズ４２、４２ａの焦点を調節するもので、
イオンビームの大きさを多様に調節することができる。
そして、前記提示の数値は一実施例に過ぎなく、各条件
によって具体的数値の変化は必然的なものであり、本発
明はこのような数値に限定されるものではない。
【００１３】図５ａないし図５ｃは、本発明において、
半導体基板のクアンタムホールを形成する位置に入射さ
せるイオンビームの入射時間を可変させる場合、クアン
タムホールの直径が調節されることを示す図である。ク
アンタムホールを形成する基板の全大きさを同一にし、
イオンビームを同じ間隔（ａ１１＝ａ１２＝ａ１３）で
移動、つまりクアンタムホールを形成すべき位置に移動
させ、そのクアンタムホールを形成すべき位置に入射さ
れるイオンビームの入射時間を調節する場合、イオンビ
ームの入射時間によってクアンタムホール７０の直径は
違うことになる。例えば、イオンビームの入射時間を短
くする場合、図５ａに示すように、クアンタムホール５
０の直径（ｄ１１）はおよそ１００ｎｍとなるが、イオ
ンビームの入射時間を中程度及び長く設定する場合は、
図５ｂ及び図５ｃに示すように、クアンタムホール５０
の直径（ｄ１２、ｄ１３）はおよそ５００ｎｍ及び１μ
ｍに増加する。すなわち、イオンビームの入射時間を長
く設定するほどにクアンタムホール５０の直径が大きく
なることが分かる。
【００１４】図６は、本発明のクアンタムホールを形成
するため、イオンビームが移動する基板軌跡の実施例を
示す図である。本発明においては、イオンビームがクア
ンタムホールを形成する基板の最初位置６０から最終位
置６２まで、例えば左側上端の位置６０から右側下端の
位置６２までジグザグに移動する。ここで、イオンビー
ムの移動は、クアンタムホールを形成する位置にイオン
ビームが移動された場合、イオンビームの移動を設定の
約１〜５ｍｓの時間停止させることで、そのクアンタム
ホールを形成する位置にイオンビームがつづいて走査さ
れるようにする。設定の約１〜５ｍｓの時間が経過した
ら、イオンビームをクアンタムホールの形成されるつぎ
の位置に移動させてから停止させた後、設定の約１〜５
ｍｓの時間のうちにイオンビームが入射されるようにす
る動作を繰り返す。クアンタムホールを形成する最終位
置６２までイオンビームの入射が完了された場合、再び
最初の位置６０に復帰した後、最終の位置６２までジグ
ザグに移動しながら前段階でと同じ位置、つまるクアン
タムホール形成位置にイオンビームが繰り返し入射され
るようにする。この際に、イオンビームの直径を数ｎｍ
〜数百ｎｍくらいの大きさに焦点を調節して薄膜基板上
にクアンタムホールを形成する。すなわち、集束された
イオンビームにてクアンタムホールを形成するにあっ
て、焦点が調節され、加速電圧により運動力を持たせら
れたイオンビームを磁界により極微の薄膜をスキャニン
グするごとく移動させながらイオンビームの入射による
衝撃を印加すると、イオンビームの大きさと同じ大きさ
のスポット状のクアンタムホールが規則的に基板上に形
成される。このようなイオンビームの入射動作を高真空
状態で行うと、短時間内に基板に数百万個程度のクアン
タムホールを形成することができる。例えば、極微の薄
板である半導体基板の１ｍｍ×１ｍｍの領域にわずか数
十分内に１００ｎｍ程度の深さを有するおよそ４００万
個程度のクアンタムホールを形成することができる。こ
の際に、形成されるクアンタムホールの深さは、基板の
素材及びイオンビームを加速させる加速電圧の大きさに
よって違う。そして、クアンタムホールの大きさはコン
デンサレンズの焦点調節によるイオンビームの直径と、
イオンビームの入射時間で調節する。このように、本発
明は加速電圧及びイオンビームの入射時間とイオンビー
ムの焦点を調節することで、所望の大きさ、深さ及び間
隔を有するクアンタムホールを形成することができ、ま
た集束されたイオンビームにより短時間内に無数のクア
ンタムホールを基板に形成することができる。
【００１５】図７は本発明のクアンタムホールを用いる
半導体発光素子の積層形態を説明する図である。同図に
示すように、下部の半導体基板に不純物でドーピングし
てＰ型半導体層７０を形成し、該Ｐ型半導体層７０上に
ドーピングされていない真性半導体を一定の高さに成長
させて真性半導体層を形成する。前記真性半導体層の上
部には、前記イオンビーム走査装置により、極小で無数
の孔（クアンタムホール）からなるクアンタムホール層
７２を形成する。前記クアンタムホール層７２の複数の
クアンタムホールに対する熱処理は８００℃〜１０００
℃の温度でおよそ１０秒間急速熱処理（rapid thermal
annealing）を行うもので、この急速熱処理によりクア
ンタムホールが清浄になる。次いで、前記クアンタムホ
ールの内部に、バンドギャップが真性半導体より小さい
物質を再結晶成長させて充填させる。前記クアンタムホ
ールの内部には、クアンタムホール層７２の真性半導体
よりバンドギャップが小さい材料が充填され、複数のク
アンタムドットからなるクアンタムドット層が形成され
る。クアンタムドットを形成する場合、クアンタムホー
ル以外の面に載せられた材料は全て熱拡散によりクアン
タムホールの内部に移動される。クアンタムドット層７
２が形成された後、そのクアンタムドット層７２に再び
真性半導体を一定の厚さだけ成長させて真性半導体層を
形成し、真性半導体層の上部に不純物でドーピングした
Ｎ型半導体層７４を成長させる。その後、前記Ｐ型半導
体層７０及びＮ型半導体層７４に電極を形成する。前記
Ｐ型半導体層７０及びＮ型半導体層７４に形成した電極
に電源を印加する場合、Ｐ型半導体層７０の正孔とＮ型
半導体層７４の電子がクアンタムホール層７２に移動す
ることになる。前記移動した正孔及び電子のキャリヤは
クアンタムホール層７２、つまりクアンタムドット層の
無数のクアンタムドットで集中的に再結合されることに
より、高エネルギーを有する光が放出される。前記放出
される光は固有の波長を有するもので、半導体発光素子
を製造する場合、予定された固有の光を出力することに
なる。
【００１６】したがって、本発明においては、半導体発
光素子を製造する場合、赤色、緑色及び青色の波長を出
力し得る環境に造成して光の三原色である赤色、緑色及
び青色の発光素子に製作することができる。ここで、本
発明は、Ｐ型半導体層７０を複数の正孔供給層７０ａ、
７０ｂで形成することもでき、またＮ型半導体層７４も
複数の電子供給層７４ａ、７４ｂで構成することができ
る。本発明の半導体発光素子は、前記Ｐ型半導体層７
０、複数のクアンタムホール内に、バンドギャップが基
盤材料より小さい材料の再結晶成長で充填されたクアン
タムホール層７２及びＮ型半導体層７４からなる半導体
積層物を適当な大きさに切断して単位半導体発光素子に
作ることができる。前記半導体積層物を切断する場合に
も、切断されたそれぞれが所定の光を放出する半導体発
光素子となるので、以降では半導体積層物及び半導体発
光素子を大きく区分しなくて説明を進める。
【００１７】図８は本発明の半導体発光素子におけるク
アンタムドット層を説明する図である。Ｐ型半導体層７
０の上部に真性半導体で一定高さの層を形成し、その一
定高さの層の上部に前記イオンビーム走査装置で無数の
クアンタムホールを形成してクアンタムホール層７２を
形成する。クアンタムホール層７２には、真性半導体と
エネルギーバンドギャップの異なる材料を再結晶成長さ
せて充填させる。このように、エネルギーバンドギャッ
プの異なる材料がクアンタムホールに全て充填されたも
のがクアンタムドット８０である。図９は本発明の半導
体発光素子の実施例を示す図である。同図に示すよう
に、ガリウムニトリド（ＧａＮ）をドーピングしたＰ型
半導体層７０上に真性半導体層を成長させ、該真性半導
体層に複数のクアンタムホールを形成した後、クアンタ
ムホール内にインジウムガリウムニトリド（ＩｎＧａ
Ｎ）を単結晶成長させることで、クアンタムホール層７
２、つまりクアンタムドット層を形成する。このクアン
タムホール層７２の上部にはガリウムニトリド（Ｇａ
Ｎ）をドーピングしたＮ型半導体層７４を形成する。こ
こで、ガリウムニトリド（ＧａＮ）の代わりにガリウム
砒素（ＧａＡｓ）を使用することができ、インジウムガ
リウムニトリド（ＩｎＧａＮ）の代わりにインジウム砒
素（ＩｎＡｓ）を使用することができ、そのほかにも適
当な素材で代替して使用し得ることはもちろんである。
前記実施例において、Ｐ型半導体層７０及びＮ型半導体
層７４に電極を連結し、電流を通電させる場合、前述し
たように、クアンタムホール層７２のクアンタムドット
が所定の色相で発光することになる。
【００１８】図１０ないし図１２は本発明の半導体発光
素子の実施例の構成と特性を説明する図である。図１０
（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の半導体発光素子の実施例
の構成を示す図である。本発明はＧａＮ素材からなるＰ
型半導体層７０の上部にクアンタムホール層７２及びＮ
型半導体層７４が順次形成されたものである。前記クア
ンタムホール層７２は、真性半導体層に複数のクアンタ
ムホールを形成し、その複数のクアンタムホールにＩｎ
ＧａＮを単結晶成長させて充填させる。ここにおいて、
クアンタムホールを便宜上拡大して示したが、実際には
ナノメートル程度の極微の孔である。本発明の半導体発
光素子も光の三原色を構成する３要素である赤色、緑色
及び青色の光を放出し得るものでなければならない。図
１０（ａ）（ｂ）（ｃ）においては、それぞれ赤色、緑
色及び青色の光を放出し得るようにした３種の半導体発
光素子１００、１０２、１０４を示した。赤色、緑色及
び青色の３基本色相はそれぞれの半導体積層物において
クアンタムホール層７２のインジウム（Ｉｎ）の構成比
によって決定される。すなわち、クアンタムホール層７
２内のインジウム比によって本発明の半導体発光素子の
独特な色相が決定されるもので、赤色、緑色及び青色の
クアンタムホール層７２は、クアンタムホールの内部に
ＩｎＧａＮを単結晶成長させて充填させるにあって、そ
れぞれに要求されるＩｎの成分比で充填させる。このよ
うに、クアンタムホール層７２から製造される本発明の
半導体発光素子は再び適宜の大きさに切断されて、単位
赤色発光素子１００ａ、単位緑色発光素子１０２ａ及び
単位青色発光素子１０４ａとして使用される。
【００１９】図１１は本発明の半導体発光素子により画
像を再現するための表示パネルの構成を示す図である。
本発明は、一つずつの単位赤色発光素子１００ａ、単位
緑色発光素子１０２ａ及び青色発光素子１０４ａを組み
合わせて一つの表示パネル１１０に形成して、所定画像
の色相を表現し得るようにする。図１２は図１１の表示
パネルにより表現される光の波長及び強さを測定して示
すグラフである。図１２に示すように、本発明の半導体
発光素子は波長の頂点が著しく、下部の波長帯域幅が狭
い。これは、本発明の半導体発光素子の表示パネル１１
０ユニットは狭い範囲の波長帯域で所定の色相を表現し
得ることを示すもので、所定の色相を鮮明に表示するこ
とができる。
【００２０】図１３ａないし図１３ｃは色相別にエネル
ギーの大きさをバンドダイアグラムで示す図である。図
１３ａはＩｎの組成比を０．１％程度にして青色を表す
ようにする場合のエネルギーの大きさを示すものであ
る。直線で表示されたフェルミエネルギー（Ｅｆ；Ferm
i energy）１３０を中心とし、上部の線は電子による伝
導帯（Ｅｃ；conduction band）１３２を示し、下部の
線は正孔による価電子帯（Ｅｖ；valenceelectron ban
d）１３４を示す。Ｉｎの組成比を０．１％程度にした
とき、エネルギーの大きさがＥ１ １３６の大きさで発
散され、このとき、可視光線として青色波長の光が発散
される。図１３ｂはＩｎの組成比を０．５％程度にして
緑色を表すようにする場合のエネルギーの大きさを示す
ものである。Ｉｎの組成比を０．５％程度にした場合、
エネルギーの大きさがＥ２ １３６ａの大きさで発散さ
れ、このとき、可視光線として緑色波長の光が発散され
る。図１３ｃはＩｎの組成比を０．８％程度にして赤色
を表すようにした場合のエネルギーの大きさを示すもの
である。Ｉｎの組成比を０．８％程度にした場合、エネ
ルギーの大きさがＥ３ １３６ｂの大きさで発散され、
このとき、可視光線として赤色波長の光が発散される。
すなわち、青色、緑色及び青色のエネルギーは、青色が
最も高く、緑色は中程度であり、赤色は最も低いことが
分かる。
【００２１】図１４ないし図１６は本発明のクアンタム
ホールを用いる形態の半導体発光素子を示す図である。
図１４は一つのクアンタムホール層で同じに３色相の光
を放出し得るようにする本発明の半導体発光素子のほか
の実施例の構成を示す図である。Ｐ型半導体層７０とＮ
型半導体層７４間に、真性半導体からなり三つの大きさ
を有するクアンタムホール１４０が規則的に配設された
クアンタムホール層７２が設けられる。前記クアンタム
ホール層７２のクアンタムホール１４０には、その大き
さによってエネルギーバンドギャップの異なる材料を再
結晶成長させて充填させる。この充填過程により、前記
クアンタムホール層７２の全てのクアンタムホール１４
０は、その大きさによってエネルギーバンドギャップの
異なる材料で充填されたクアンタムドットとなる。そし
て、相違した三つの大きさのクアンタムホール１４０を
有するクアンタムドットを一つの単位発光ユニットに切
断され発光素子として使用される。
【００２２】図１５は、図１４のクアンタムホールの大
きさの相違した三つの発光素子を一つの単位発光ユニッ
トに切断して示す図である。本発明のほかの実施例にお
いて、一つの単位発光ユニット１５０の内部には、最大
のクアンタムホール１５２に形成される赤色の発光素子
と、最小のクアンタムホール１５４に形成される青色の
発光素子と、前記クアンタムホール１５２、１５４の中
間大きさのクアンタムホール１５６に形成される緑色の
発光素子とが設けられる。すなわち、青色はエネルギー
が最大であるので、最小大きさのクアンタムホール１５
４に形成し、赤色はエネルギーが最小であるので、最大
大きさのクアンタムホール１５２に形成し、緑色はエネ
ルギーが青色のエネルギーと赤色のエネルギーとの中程
度であるので、中程度の大きさを有するクアンタムホー
ルに形成する。
【００２３】図１６は図１５の発光ユニットにより表現
される光の波長と強さを示すグラフである。このグラフ
は本発明のほかの実施例による半導体発光素子の単位発
光ユニットも狭い範囲の波長で色を表現することができ
るもので、所定の色相を鮮明に描写し得ることが分か
る。
【００２４】図１７ａないし図１７ｃは、前記のような
本発明のほかの実施例において、クアンタムホールの大
きさを相違させて半導体発光素子を製造する場合、エネ
ルギー大きさの変化と色相をバンドダイアグラムで示す
図で、フェルミエネルギーＥｆ １７０を中心とし、上
部の線は電子による伝導帯Ｅｃ １７２を示し、下部の
線は正孔による価電子帯Ｅｖ １７４を示す。図１７ａ
はクアンタムホールの大きさを最大に形成する場合のエ
ネルギー大きさを示す。クアンタムホールの大きさが大
きい場合、エネルギーはＥ１ １７６の大きさで発散さ
れ、このとき、可視光線として赤色波長の光が発散され
る。図１７ｂはクアンタムホールの大きさを中程度の大
きさに形成する場合のエネルギー大きさを示す。クアン
タムホールの大きさが中程度である場合、エネルギーは
Ｅ２ １７６ａの大きさで発散され、このとき、可視光
線として緑色波長の光が発散される。図１７ｃはクアン
タムホールの大きさを最小に形成する場合のエネルギー
大きさを示す。クアンタムホールの大きさが最小である
場合、エネルギーＥ３ １７６ｂの大きさで発散され、
このとき、可視光線として青色波長の光が発散される。
したがって、本発明のほかの実施例と同様に、クアンタ
ムホールの大きさを適宜調節して発散エネルギーの大き
さを変化させる場合、赤色、緑色及び青色の光を放出す
る半導体発光素子が形成できることが分かる。
【００２５】図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の半
導体発光素子において、それぞれの色相による光の強さ
である輝度を調節する実施例を示す図である。赤色、緑
色及び青色の３色相の光を放出する半導体発光素子１８
０、１８２、１８４を製造するため、それぞれのクアン
タムホール層１８０ａ、１８２ａ、１８４ａのクアンタ
ムホール内にエネルギーバンドギャップの異なる材料を
再結晶成長させるにあって、その構成比を相違させてク
アンタムホール層１８０ａ、１８２ａ、１８４ａのクア
ンタムホールを充填する。この際に、それぞれのクアン
タムホール層１８０ａ、１８２ａ、１８４ａに形成され
るそれぞれのクアンタムホールの大きさは互いに同じに
する。このようなそれぞれの半導体発光素子１８０、１
８２、１８４を適宜の大きさに切断する場合、相違した
大きさに切断して輝度を調節する。例えば、赤色の半導
体発光素子１８０は最大の大きさに切断して単位発光素
子１８０ｂに形成し、緑色の半導体発光素子１８２は中
程度の大きさに切断して単位発光素子１８２ｂに形成
し、青色の半導体発光素子１８４は最小の大きさに切断
して単位発光素子１８４ｂに形成する。このように、単
位発光素子１８０ｂ、１８２ｂ、１８４ｂの大きさを相
違するように切断することにより、単位発光素子１８０
ｂ、１８２ｂ、１８４ｂが出力する光の強さである輝度
を調節する。
【００２６】図１９は図１８のものから切断した単位発
光素子で単位発光ユニットを形成したものを示す図であ
る。単位発光ユニット１９０をなす３個の単位発光素子
１８０ｂ、１８２ｂ、１８４ｂの大きさが互いに違う
が、それぞれのクアンタムホールの大きさは同一であ
る。そして、それぞれのクアンタムホール層のクアンタ
ムホール内にエネルギーバンドギャップの異なる材料を
再結晶成長させるにあって、その構成比を相違させてク
アンタムホールを充填する。
【００２７】図２０は図１９の単位発光ユニットにより
表現される光の波長と強さを示すグラフである。このグ
ラフから分かるように、本発明の単位発光ユニットは狭
い範囲の波長で色を表現し得るもので、所定の色相を鮮
明に表示することができる。
【００２８】図２１（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図２２
（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の半導体発光素子におい
て、各色相による光の強さである輝度を調節するための
ほかの実施例を示す図である。図２１は赤色、緑色及び
青色の３色相の半導体発光素子２１０、２１２、２１４
を形成するため、それぞれのクアンタムホール層２１０
ａ、２１２ａ、２１４ａのクアンタムホール内にエネル
ギーバンドギャップの異なる材料で再結晶成長させるに
あって、その構成比は同一にしながらクアンタムホール
層２１０ａ、２１２ａ、２１４ａのクアンタムホールを
充填する。この際に、それぞれのクアンタムホール層２
１０ａ、２１２ａ、２１４ａに形成されているクアンタ
ムホールの大きさは相違する。そして、各色相の半導体
発光素子２１０、２１２、２１４を切断することにおい
ては、図２１のように、同じ大きさに切断して単位発光
素子２１０ｂ、２１２ｂ、２１４ｂを形成するか、又は
図２２のように、相違した大きさに切断して単位発光素
子２２０ｂ、２２２ｂ、２２４ｂを形成する。すなわ
ち、赤色、緑色及び青色の単位発光素子の大きさをみん
な同じに切断するか、又は相違するように切断すること
により、その単位発光素子からなる単位発光ユニットか
ら放出される光の輝度を調節することができる。この際
に、単位発光素子の大きさを相違するように切断して別
の特徴を与えることができるのはもちろんである。
【００２９】以上では、本発明を特定の好ましい実施例
に関連して例示し説明したが、本発明はこれに限定され
なく、前記特許請求の範囲に決められる本発明の精神又
は範囲を逸脱しない限度内で多様に改造及び変更できる
ことが当業者であれば容易に分かるであろう。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、半導体
により所定色相の光を出力する発光素子において、光の
三原色である赤色、緑色及び青色波長の強さが極めて集
中して出力されるので、正確な色相を表現することがで
きる。そして、極微の単位発光素子を製作し得る技術を
提供することができるので、小型の画像用モニターの製
作を可能にし、小型に製造しても画像の鮮明度又は色相
の明確性が低下しないように製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のバルク型発光ダイオードの構成を示す
図である。
【図２】 従来のバルク型発光ダイオードから形成した
表示パネルの構成を示す図である。
【図３】 図２の表示パネルに対する光の波長及び強さ
を示すグラフである。
【図４】 本発明で要求される微細クアンタムホールを
半導体基板に形成するイオンビーム走査装置を概略的に
示す図である。
【図５ａ】 本発明において半導体基板のクアンタムホ
ール形成位置に入射させるイオンビームの入射時間が短
い場合のクアンタムホールを示す図である。
【図５ｂ】 同上のイオンビームの入射時間が中程度の
場合のクアンタムホールを示す図である。
【図５ｃ】 同上のイオンビームの入射時間が長い場合
のクアンタムホールを示す図である。
【図６】 本発明においてクアンタムホールを形成する
場合、イオンビームが移動する基板軌跡の実施例を示す
図である。
【図７】 本発明の半導体発光素子の積層形態を示す図
である。
【図８】 本発明の半導体発光素子におけるクアンタム
ドット層を示す図である。
【図９】 本発明の半導体発光素子の構成を示す図であ
る。
【図１０】 本発明の半導体発光素子の実施例の構成を
示す図である。
【図１１】 図１０の半導体発光素子により画像を再現
し得るようにした表示パネルの構成を示す図である。
【図１２】 図１１の表示パネルにより表現される光の
波長及び強さを示すグラフである。
【図１３ａ】 色相別エネルギーの大きさをバンドダイ
アグラムで示す図である。
【図１３ｂ】 色相別エネルギーの大きさをバンドダイ
アグラムで示す図である。
【図１３ｃ】 色相別エネルギーの大きさをバンドダイ
アグラムで示す図である。
【図１４】 一つの半導体発光素子が３色相の光を放出
し得るようにクアンタムホールを形成したほかの実施例
の構成を示す図である。
【図１５】 図１４の半導体発光素子を切断した単位発
光ユニットを示す図である。
【図１６】 図１５の単位発光ユニットにより表現され
る光の波長と強さを示すグラフである。
【図１７ａ】 本発明のほかの実施例において、クアン
タムホールの大きさを最大に形成する場合のエネルギー
の大きさを示す図である。
【図１７ｂ】 クアンタムホールの大きさを中程度に形
成する場合のエネルギーの大きさを示す図である。
【図１７ｃ】 クアンタムホールの大きさを最小に形成
する場合のエネルギーの大きさを示す図である。
【図１８】 本発明の半導体発光素子において、各色相
による光の強さである輝度を調節する実施例を説明する
図である。
【図１９】 図１８のものから切断した単位発光素子か
ら単位発光ユニットを形成したものを示す図である。
【図２０】 図１９の単位発光ユニットにより表現され
る光の波長と強さを示すグラフである。
【図２１】 本発明の半導体発光素子において、各色相
による光の強さである輝度を調節するため、単位発光素
子を同じ大きさに形成したほかの実施例を示す図であ
る。
【図２２】 本発明の半導体発光素子において、各色相
による光の強さである輝度を調節するため、単位発光素
子を相違した大きさに形成したほかの実施例を示す図で
ある。
【符号の説明】
４０ イオン層 ４２、４２ａ コンデンサレンズ ４４ 基板 ４６、４８ 走査用偏向手段 ９０ Ｐ型半導体層 ９２ クアンタムホール層 ９４ Ｎ型半導体層 １００ クアンタムドット １２０ａ、１２２ａ、１２４ａ 単位赤色、緑色及び青
色発光素子 １３０ 表示パネル １７０ 単位発光ユニット １７２、１７４、１７６ クアンタムホール
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年６月４日（２００１．６．４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】
【従来の技術】電気エネルギーを用いて光エネルギーを
放出するものとしては、白熱ランプ及びハロゲンランプ
などを始め、いろいろのランプが知られている。前記ラ
ンプは単色光を放出するもので、多様な色相を照明する
ためには、多様な色相のフィルタ及びゲルなど使用しな
ければならない。しかしながら、多様な色相のフィルタ
及びゲルなどを使用することは、ほかの色相に変更する
場合、それに適した色相のフィルタ及びゲルなどを取り
替えて使用しなければならないので、多様な色相を表現
する技術の発展に限界があった。したがって、より多様
な照明又は発光手段に対応できる新技術の開発が要求さ
れた。このような要求に応じ、半導体を用いて所定色相
の光を放出する発光手段である発光ダイオード（Light
Emitting Diode）が開発され広く使用されている。最も
広く使用される代表的な発光ダイオードとしてはバルク
型発光ダイオードがある。前記バルク型発光ダイオード
はＰ型半導体及びＮ型半導体の間にＰＮ接合層を形成
し、Ｐ型半導体及びＮ型半導体にそれぞれ電極を形成し
たものである。このようなバルク型発光ダイオードは、
Ｐ型半導体及びＮ型半導体の電極に電源を印加する場
合、Ｐ型半導体の正孔及びＮ型半導体の電子がＰＮ接合
層に移動して相互結合することで、励起及び遷移されて
所定の光を放出することになる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００３】図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は従来のバルク型
発光ダイオードの構成を示す図である。従来のバルク型
半導体発光素子はＰ型半導体層１２とＮ型半導体層１４
との間にＰＮ接合層１６を形成しているもので、ＧａＮ
素材で構成されるＰ型半導体層１２の上部にＩｎＧａＮ
をバルク形態に結晶成長させることで結晶成長層である
ＰＮ接合層１６を形成し、ＰＮ接合層１６の上部にＮ型
半導体層１４を形成している。前記Ｐ型半導体層１２と
Ｎ型半導体層１４は複数層からなり得る。このようなバ
ルク型発光ダイオードが所定色相の光を放出させるよう
にするためには、基本的に光の三原色である赤色、緑色
及び青色の波長をそれぞれ発散する発光ダイオード１
０、１０ａ、１０ｂを構成すべきである。赤色、緑色及
び青色の波長を発散する３種の発光ダイオード１０、１
０ａ、１０ｂを構成するためには、それぞれのＰＮ接合
層１６を形成する物質、つまりＩｎＧａＮのなかでイン
ジウム（Ｉｎ）の構成比が相違する必要があり、３種が
それぞれ異なるインジウム構成比を有する半導体積層物
を必要とする。すなわち、赤色、緑色及び青色のＰＮ接
合層１６ともバルク型で、ＩｎＧａＮを単結晶成長する
ものであり、これらの各インジウム（Ｉｎ）の成分構成
比は異なるように形成することで、赤色、緑色及び青色
を出力するようにする。ここで、インジウム（Ｉｎ）の
成分構成比をそれぞれ相違するように形成する理由は、
電子及び正孔のキャリヤ間の再結合エネルギーを調節す
る一つの手段として使用されるためである。このよう
に、バルク型に形成された各色相に対する発光ダイオー
ド１０、１０ａ、１０ｂは適宜の程度に切断して赤色の
発光ダイオード１８、緑色の発光素子１８ａ及び青色の
発光ダイオード１８ｂの単位素子形態として使用する
か、又は発光ダイオード１８、緑色の発光素子１８ａ及
び青色の発光ダイオード１８ｂの単位素子を一つの表示
パネルで結合して使用する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】図３は図２の表示パネルにおける光の波長
及び強さを示すグラフである。図３のグラフから分かる
ように、従来のバルク型発光ダイオード１０、１０ａ、
１０ｂからなる表示パネル２０は、光の強さが弱い場
合、かなり広範囲な波長分布を有することになる。そし
て、上部の頂点、つまり光の強さが強い場合には、緩や
かな曲線をなす波長の分布を有することになる。したが
って、複数のバルク型発光ダイオード１０、１０ａ、１
０ｂからなる表示パネル２０が特定色相を表現する場
合、正確に特定された色相の波長を鮮明な波長の幅で現
すことができない。このことは、複数光の波長が合成さ
れる場合、可視範囲内で人の視神経により特定色相に対
する視神経の感じに相当する色相を感じるようにするも
のと解釈される。すなわち、特定色相が有する固有の波
長を正確な波長の範囲内で出力するものでないことを意
味するもので、特定色相を鮮明に固有の波長で描写する
ことができない。更に、前記バルク型発光ダイオードは
大きいので、多様な色相及び繊細な映像を表現し得る小
型の表示素子に製造し難い。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、クアンタムホ
ールを形成するため、イオンビーム走査装置を用いる。
すなわち、イオンビーム走査装置のイオン銃から出力さ
れるイオンを集束してイオンビームを形成し、集束した
イオンビームの焦点を調節し、加速及び偏向させながら
半導体基板に入射されるようにして、半導体基板上にナ
ノメートルほどの直径を有する複数のクアンタムホール
を形成する。この際に、イオンビームを加速させる加速
電圧と、イオンビームを集束させるコンデンサレンズの
焦点調節状態によるイオンビームの大きさと、クアンタ
ムホールを形成する位置に入射されるイオンビームの入
射時間とを調節することで、所望の深さ及び大きさを有
する複数のクアンタムホールを形成する。本発明の半導
体発光素子は、Ｐ型半導体層の上部に真性半導体層を成
長させ、成長させた真性半導体層に複数のクアンタムホ
ールを形成してクアンタムホール層を形成し、そのクア
ンタムホール層のクアンタムホール内には真性半導体よ
りエネルギーバンドギャップの小さい材料を単結晶成長
で充填させることにより所定色相の光を放出させるよう
にし、クアンタムホール層の上部にはＮ型半導体層を形
成する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】したがって、本発明の単位半導体発光素子
はミクロン単位と極めて小さく製造することができ、ク
アンタムホールに単結晶成長させる材料によって赤色、
緑色及び青色の光の三原色を選択的に放出し得るように
製造することができるもので、これを集約して使用する
場合、多様な照明装置、電光板、広告版及び種々の映像
表示装置などの開発が可能である。また、本発明はデジ
タル照明が可能であって、多様な照明施設を容易に又は
多彩に色相及びサイズなどを調節することができる。例
えば、赤色、緑色及び青色をそれぞれ放出する複数の単
位半導体発光素子はマトリックスなどに集約し、この集
約した複数の単位半導体発光素子をデジタルで制御して
選択的に所定色相の光を放出するようにするデジタル照
明が可能である。したがって、照明が単に暗さを照らす
低次元から音楽の拍子及び音色などによって色相が華や
かに変わる高次元水準への技術的向上が期待される。ま
た、デジタル技術を適用する場合、人間には感じられな
いほどに繊細で精巧で微細に色感を調節して所定の映像
を鮮明に表示することができ、熱又は紫外線などを全く
発生しなく、使用寿命もほぼ永久的であると言える。そ
して、３個の単位半導体発光素子のみで鮮明な光の三原
色を放出することができるので、電光板又は表示装置を
小さく縮小して所定の映像を具現しても鮮明に映像を表
示することができる。また、色相を表現する光の波長範
囲の帯域が狭くて鮮明であるので、色相をはっきりと表
現して完全なイメージを再現することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】そして、本発明の半導体発光素子の大きさ
はミクロン単位程度に製造されるが色相は鮮明に表現す
ることができ、放出する光エネルギーの強さを高くする
ことができるので、明るい画像が再現できる特色があ
る。本発明は、光エネルギーの強さにおいても色相を表
現する光の波長の集中度においても、現在商用化されて
いるバルク型の発光ダイオードよりもレーザーによる発
光素子に近いと言える。また、集中度の極めて高い正確
な波長の光エネルギーを放出させ得る発光素子を具現す
ることもできる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、添付図面の図４ないし図２
２に基づいて本発明のクアンタムホールの形成方法とそ
のクアンタムホールを用いる半導体発光素子及びその製
造方法を詳細に説明する。本発明においては、要求され
る極微の大きさを有する複数のクアンタムホールを形成
するため、集束されたイオンビーム（Focused Ion Bea
m）を使用する。図４は集束されたイオンビームを出力
して、本発明で求められる微細直径及び深さを有する複
数のクアンタムホールを微細な間隔で形成するイオンビ
ーム走査装置を概略に示す図である。ここで、符号４０
はイオンを高速で放出するイオン銃である。前記イオン
銃４０の前方にはコンデンサレンズ４２、４２ａが配置
される。前記コンデンサレンズ４２、４２ａは所定大き
さのスリットと印加電圧によって発生する電界及び磁界
などからなるもので、前記イオン銃４０から放出された
イオンはコンデンサレンズ４２、４２ａを通過しながら
集束されてイオンビームに形成され、形成されたイオン
ビームは前方の基板４４に入射される。そして、前記コ
ンデンサレンズ４２ａと前記基板４４との間のイオンビ
ームが通過する経路には走査用偏向手段４６、４８が配
置されることにより、イオンビームを上下及び左右に偏
向させる。そして、前記イオンビームの進行速度は加速
手段（図示せず）に印加する加速電圧のレベルで調節す
る。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】このようなイオンビーム走査装置を用いる
本発明は、基板のクアンタムホールを形成する位置にイ
オンビームを入射させて衝撃を与える場合、基板のクア
ンタムホールを形成する位置は、その衝撃により基板の
表面組織が破損されて分離され、クアンタムホールが形
成される。基板に要求される直径及び深さを有するクア
ンタムホールを形成するためには、イオンビームの定量
的分析が要求される。特に、適当な電圧環境及び時間的
制約、適切なイオンビームの入射時間及び適切なイオン
ビームの大きさなどの環境がみんな正確に調節された場
合に、所望の直径及び深さを有するクアンタムホールが
形成される。例えば、イオンビームを加速するための加
速電圧が一定値以下である場合、イオンビームの直進性
が弱くなり、基板４４に到達し得ないか、基板４４の最
上位レベルの原子を分離させることができないため、ク
アンタムホールを形成することができなくなる。加速電
圧が一定値以上である場合には、イオンビームがあまり
加速され、基板４４内にイオンビームのイオンが注入さ
れる現象が発生する。したがって、所望の直径及び深さ
のクアンタムホールを形成するためには、適当な強さの
加速電圧でイオンビームを加速させることが要求され
る。そして、イオンビームの入射時間、つまりクアンタ
ムホールを形成する位置にイオンビームを入射させる時
間が一定時間以上を超える場合は、そのクアンタムホー
ルがあまり大きくなる。よって、本発明において、適当
な直径のクアンタムホールを得るためには、イオンビー
ムを加速させる加速電圧と、イオンビームを集束させる
コンデンサレンズ４２、４２ａの焦点を正確に調節しな
ければならなく、またイオンビームがクアンタムホール
の形成位置に入射される時間を適切に選定すべきであ
る。このように、イオンビーム走査装置で所望の直径及
び深さのクアンタムホールを形成するためには、多様な
条件が充足されなければならない。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】図５ａないし図５ｃは、本発明において、
半導体基板のクアンタムホールを形成する位置に入射さ
せるイオンビームの入射時間を可変させる場合、クアン
タムホールの直径が調節されることを示す図である。ク
アンタムホールを形成する基板の全大きさを同一にし、
イオンビームを同じ間隔（ａ１１＝ａ１２＝ａ１３）で
移動、つまりクアンタムホールが形成される位置に移動
させ、そのクアンタムホールが形成される位置に入射さ
れるイオンビームの入射時間を調節する場合、イオンビ
ームの入射時間によってクアンタムホール５０の直径は
違うことになる。例えば、イオンビームの入射時間を短
くする場合、図５ａに示すように、クアンタムホール５
０の直径（ｄ１１）はおよそ１００ｎｍとなるが、イオ
ンビームの入射時間を中程度及び長く設定する場合は、
図５ｂ及び図５ｃに示すように、クアンタムホール５０
の直径（ｄ１２、ｄ１３）はおよそ５００ｎｍ及び１μ
ｍに増加する。すなわち、イオンビームの入射時間を長
く設定するほどにクアンタムホール５０の直径が大きく
なることが分かる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１４】図６は、本発明のクアンタムホールを形成
するため、イオンビームが移動する基板軌跡の実施例を
示す図である。本発明においては、イオンビームがクア
ンタムホールを形成する基板の最初位置６０から最終位
置６２まで、例えば左側上端の位置６０から右側下端の
位置６２までジグザグに移動する。ここで、イオンビー
ムの移動は、クアンタムホールを形成する位置にイオン
ビームが移動された場合、イオンビームの移動を設定し
た約１〜５ｍｓの時間停止させることで、そのクアンタ
ムホールを形成する位置にイオンビームがつづいて走査
されるようにする。設定した約１〜５ｍｓの時間が経過
したら、イオンビームをクアンタムホールの形成される
つぎの位置に移動させた後、イオンビームの移動を停止
及び設定した約１〜５ｍｓの時間のうちにイオンビーム
が入射されるようにする動作を繰り返す。クアンタムホ
ールを形成する最終位置６２までイオンビームの入射が
完了された場合、再び最初の位置６０に復帰した後、最
終の位置６２までジグザグに移動しながら前段階でと同
じ位置、つまるクアンタムホール形成位置にイオンビー
ムが繰り返し入射されるようにする。この際に、イオン
ビームの直径を数ｎｍ〜数百ｎｍくらいの大きさに焦点
を調節して薄膜基板上にクアンタムホールを形成する。
すなわち、集束されたイオンビームにてクアンタムホー
ルを形成するにあって、焦点が調節され、加速電圧によ
り運動力を持たせられたイオンビームを磁界により極微
の薄膜をスキャニングするごとく移動させながらイオン
ビームの入射による衝撃を印加すると、イオンビームの
大きさと同じ大きさのスポット状のクアンタムホールが
規則的に基板上に形成される。このようなイオンビーム
の入射動作を高真空状態で行うと、短時間内に基板に数
百万個程度のクアンタムホールを形成することができ
る。例えば、極微の薄板である半導体基板の１ｍｍ×１
ｍｍの領域にわずか数十分内に１００ｎｍ程度の深さを
有するおよそ４００万個程度のクアンタムホールを形成
することができる。この際に、形成されるクアンタムホ
ールの深さは、基板の素材及びイオンビームを加速させ
る加速電圧の大きさによって違う。そして、クアンタム
ホールの大きさはコンデンサレンズの焦点調節によるイ
オンビームの直径と、イオンビームの入射時間で調節す
る。このように、本発明は加速電圧及びイオンビームの
入射時間とイオンビームの焦点を調節することで、所望
の大きさ、深さ及び間隔を有するクアンタムホールを形
成することができ、また集束されたイオンビームにより
短時間内に無数のクアンタムホールを基板に形成するこ
とができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】図１３ａないし図１３ｃは色相別にエネル
ギーの大きさをバンドダイアグラムで示す図である。図
１３ａはＩｎの組成比を０．１％程度にして青色を表す
ようにする場合のエネルギーの大きさを示すものであ
る。直線で表示されたフェルミエネルギー（Ｅｆ；Ferm
i energy）１３０を中心とし、上部の線は電子による伝
導帯（Ｅｃ；conduction band）１３２を示し、下部の
線は正孔による価電子帯（Ｅｖ；valenceelectron ban
d）１３４を示す。Ｉｎの組成比を０．１％程度にした
とき、エネルギーの大きさがＥ１ １３６の大きさで発
散され、このとき、可視光線として青色波長の光が発散
される。図１３ｂはＩｎの組成比を０．５％程度にして
緑色を表すようにする場合のエネルギーの大きさを示す
ものである。Ｉｎの組成比を０．５％程度にした場合、
エネルギーの大きさがＥ２ １３６ａの大きさで発散さ
れ、このとき、可視光線として緑色波長の光が発散され
る。図１３ｃはＩｎの組成比を０．８％程度にして赤色
を表すようにした場合のエネルギーの大きさを示すもの
である。Ｉｎの組成比を０．８％程度にした場合、エネ
ルギーの大きさがＥ３ １３６ｂの大きさで発散され、
このとき、可視光線として赤色波長の光が発散される。
すなわち、青色、緑色及び赤色のエネルギーは、青色が
最も高く、緑色は中程度であり、赤色は最も低いことが
分かる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２１】図１４ないし図１６は本発明のクアンタム
ホールを用いる形態の半導体発光素子を示す図である。
図１４は一つのクアンタムホール層で同時に３色相の光
を放出し得るようにする本発明の半導体発光素子のほか
の実施例の構成を示す図である。Ｐ型半導体層７０とＮ
型半導体層７４間に、真性半導体からなり三つの大きさ
を有するクアンタムホール１４０が規則的に配列された
クアンタムホール層７２が設けられる。前記クアンタム
ホール層７２のクアンタムホール１４０には、その大き
さによってエネルギーバンドギャップの異なる材料を再
結晶成長させて充填させる。この充填過程により、前記
クアンタムホール層７２の全てのクアンタムホール１４
０は、その大きさによってエネルギーバンドギャップの
異なる材料で充填されたクアンタムドットとなる。そし
て、相違した三つの大きさのクアンタムホール１４０を
有するクアンタムドットを一つの単位発光ユニットに切
断され発光素子として使用される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２５】図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の半
導体発光素子において、それぞれの色相による光の強さ
である輝度を調節する実施例を示す図である。赤色、緑
色及び青色の３色相の光を放出する半導体発光素子１８
０、１８２、１８４を製造するため、それぞれのクアン
タムホール層１８０ａ、１８２ａ、１８４ａのクアンタ
ムホール内にエネルギーバンドギャップの異なる材料を
再結晶成長させるにあって、その構成比を相違させてク
アンタムホール層１８０ａ、１８２ａ、１８４ａのクア
ンタムホールを充填する。この際に、それぞれのクアン
タムホール層１８０ａ、１８２ａ、１８４ａに形成され
るそれぞれのクアンタムホールの大きさは同じにする。
このようなそれぞれの半導体発光素子１８０、１８２、
１８４を適宜の大きさに切断する場合、相違した大きさ
に切断して輝度を調節する。例えば、赤色の半導体発光
素子１８０は最大の大きさに切断して単位発光素子１８
０ｂに形成し、緑色の半導体発光素子１８２は中程度の
大きさに切断して単位発光素子１８２ｂに形成し、青色
の半導体発光素子１８４は最小の大きさに切断して単位
発光素子１８４ｂに形成する。このように、単位発光素
子１８０ｂ、１８２ｂ、１８４ｂの大きさを相違するよ
うに切断することにより、単位発光素子１８０ｂ、１８
２ｂ、１８４ｂが出力する光の強さである輝度を調節す
る。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２８】図２１（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図２２
（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の半導体発光素子におい
て、各色相による光の強さである輝度を調節するための
ほかの実施例を示す図である。図２１は赤色、緑色及び
青色の３色相の半導体発光素子２１０、２１２、２１４
を形成するため、それぞれのクアンタムホール層２１０
ａ、２１２ａ、２１４ａのクアンタムホール内にエネル
ギーバンドギャップの異なる材料で再結晶成長させるに
あって、その構成比は同一にしながらクアンタムホール
層２１０ａ、２１２ａ、２１４ａのクアンタムホールを
充填する。この際に、それぞれのクアンタムホール層２
１０ａ、２１２ａ、２１４ａに形成されているクアンタ
ムホールの大きさは相違する。そして、各色相の半導体
発光素子２１０、２１２、２１４を切断することにおい
ては、図２１のように、同じ大きさに切断して単位発光
素子２１０ｂ、２１２ｂ、２１４ｂを形成するか、又は
図２２のように、相違した大きさに切断して単位発光素
子２２０ｂ、２２２ｂ、２２４ｂを形成する。すなわ
ち、赤色、緑色及び青色の単位発光素子の大きさをみん
な同じに切断するか、又は相違するように切断すること
により、その単位発光素子からなる単位発光ユニットか
ら放出される光の輝度を調節することができる。この際
に、単位発光素子の大きさを各々相違するように切断し
て別の特徴を与えることができるのはもちろんである。

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 正孔供給の機能をするＰ型半導体層と、 前記Ｐ型半導体層に一定高さに真性半導体層を形成し、
    その真性半導体層に複数のクアンタムホールを形成した
    クアンタムホール層と、 前記クアンタムホール層の上部に形成され、電子供給の
    機能をするＮ型半導体層とからなり、 前記複数のクアンタムホール内には、前記真性半導体よ
    りエネルギーバンドギャップの小さい材料が単結晶成長
    で充填されたことを特徴とするクアンタムホールを用い
    た半導体発光素子。
  2. 【請求項２】 前記クアンタムホールの大きさは１０〜
    １００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載
    のクアンタムホールを用いた半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層はＧ
    ａＮをドーピングしたものであり、前記クアンタムホー
    ルにはＩｎＧａＮを単結晶成長させて充填させたことを
    特徴とする請求項１記載のクアンタムホールを用いた半
    導体発光素子。
  4. 【請求項４】 前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層はＧ
    ａＡｓをドーピングしたものであり、前記クアンタムホ
    ールにはＩｎＡｓを単結晶成長させて充填させたことを
    特徴とする請求項１記載のクアンタムホールを用いた半
    導体発光素子。
  5. 【請求項５】 半導体基板に不純物をドーピングしてＰ
    型半導体層に形成する過程と、 前記Ｐ型半導体層の上面に、ドーピング処理されていな
    い真性半導体を一定の厚さに成長させて真性半導体層を
    形成する過程と、 前記真性半導体層の上面に複数のクアンタムホールを形
    成する過程と、 前記クアンタムホール層の複数のクアンタムホールを熱
    処理する過程と、 前記熱処理されたクアンタムホールの内部に、バンドギ
    ャップが前記真性半導体より小さい材料で再結晶成長さ
    せることで、再結晶成長物質で充填されたクアンタムド
    ット層を形成する過程と、 前記クアンタムドット層に更に真性半導体を一定の厚さ
    に成長させ、不純物をドーピングしてＮ型半導体層を形
    成する過程とからなることを特徴とするクアンタムホー
    ルを用いる半導体発光素子の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記クアンタムホール内の再結晶成長
    は、真空状態で熱拡散により再結晶成長物質がクアンタ
    ムホールの内部に充填されるようにすることを特徴とす
    る請求項５記載のクアンタムホールを用いる半導体発光
    素子の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層はＧ
    ａＮをドーピングして形成し、前記クアンタムホールに
    はＩｎＧａＮを単結晶成長させて充填させることを特徴
    とする請求項５記載のクアンタムホールを用いる半導体
    発光素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層はＧ
    ａＡｓをドーピングして形成し、前記クアンタムホール
    にはＩｎＡｓを単結晶成長させて充填させることを特徴
    とする請求項５記載のクアンタムホールを用いる半導体
    発光素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記再結晶成長物質は、インジウムを含
    む物質からなり、発光させる赤色、緑色及び青色によっ
    て前記インジウムの混合比を調節することを特徴とする
    請求項５記載のクアンタムホールを用いる半導体発光素
    子の製造方法。
  10. 【請求項１０】 一つの半導体発光素子内に、発光させ
    る赤色、緑色及び青色によってクアンタムホールの大き
    さを相違するように形成し、その相違するように形成し
    たクアンタムホール内にそれぞれ赤色、緑色及び青色の
    当該再結晶成長物質を充填させることで、一つの半導体
    発光素子が光の三原色を放出させるようにすることを特
    徴とする請求項５記載のクアンタムホールを用いる半導
    体発光素子の製造方法。
  11. 【請求項１１】 赤色、緑色及び青色を発光させる各半
    導体発光素子によってクアンタムホールの大きさを相違
    するように形成し、その相違するように形成したクアン
    タムホール内にそれぞれ赤色、緑色及び青色の当該再結
    晶成長物質を充填させ、赤色、緑色及び青色の半導体発
    光素子を同一大きさの単位半導体発光素子に切断した
    後、切断された赤色、緑色及び青色の単位半導体発光素
    子を結合して光の三原色を放出させるようにすることを
    特徴とする請求項５記載のクアンタムホールを用いる半
    導体発光素子の製造方法。
  12. 【請求項１２】 赤色、緑色及び青色を発光させる各半
    導体発光素子に同じ大きさのクアンタムホールを形成
    し、そのクアンタムホール内にそれぞれ赤色、緑色及び
    青色の当該再結晶成長物質を充填させ、赤色、緑色及び
    青色の半導体発光素子を相違した大きさの単位半導体発
    光素子に切断した後、その相違した大きさを有する赤
    色、緑色及び青色の単位半導体発光素子を結合して光の
    三原色を放出させるようにすることを特徴とする請求項
    ５記載のクアンタムホールを用いる半導体発光素子の製
    造方法。
  13. 【請求項１３】 前記クアンタムホールは、集束イオン
    ビームを入射させて形成することを特徴とする請求項５
    記載のクアンタムホールを用いる半導体発光素子の製造
    方法。
  14. 【請求項１４】 イオン銃から高速でイオンを放出させ
    るようにする過程と、 前記放出されたイオンを集束させてイオンビームを形成
    する過程と、 前記集束されたイオンビームを走査用偏向手段により上
    下及び左右に偏向させながら前方の半導体基板のクアン
    タムホールを形成すべき複数の位置に入射させる過程
    と、 前記イオンビームが半導体基板に入射されながら衝撃に
    よりそのイオンが半導体基板内に注入されなく、物理的
    に半導体基板の表面組織が除去されるようにイオンビー
    ムの加速電圧でイオンビームの速度を調節する過程と、 半導体基板に単独イオンビーム形態のクアンタムホール
    が形成されるようにする範囲のイオンビーム入射時間を
    設定し、クアンタムホールの大きさによってイオンビー
    ムの大きさを設定し、その設定値によってイオンビーム
    を制御してクアンタムホールを形成する過程とからなる
    ことを特徴とするクアンタムホールの形成方法。
  15. 【請求項１５】 半導体基板のクアンタムホールを形成
    すべき領域の面積１ｍｍ×１ｍｍに対し、イオンビーム
    の全入射時間５ｓｅｃ以内、イオンビームの入射時間に
    よるイオンの全量１×１０１６ｃｍ−２、加速電圧２５
    〜３５ｋＶ、集束イオンビームの大きさ１００ｎｍ以内
    に設定することを特徴とする請求項１４記載のクアンタ
    ムホールの形成方法。
  16. 【請求項１６】 クアンタムホールの直径は、イオンビ
    ームの大きさ及び／又はイオンビームの入射時間で調節
    することを特徴とする請求項１４記載のクアンタムホー
    ルの形成方法。
  17. 【請求項１７】 クアンタムホールの深さは、イオンビ
    ームの加速電圧で調節することを特徴とする請求項１４
    記載のクアンタムホールの形成方法。
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