JP2009542560A - ＩＩＩ族窒化物半導体基板材料及びデバイスにおけるＧａＮナノワイヤーのパルス状成長及び応用 - Google Patents

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Abstract

例示の実施例は、高品質（即ち、無欠陥）のＩＩＩ族窒化物ナノワイヤー及び均一なＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーアレイを含む半導体デバイス、並びに規模の変更が可能なこれらの製造工程であって、各ナノワイヤーの位置、指向方向、断面の特徴、長さ及び結晶化度を正確に管理し得る製造工程を提供する。約１０−１０００ｎｍの例示の直径の一定の断面特徴で約１０ｎｍから約１０００μｍの一様な長さを提供する開示されたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを製造するためにパルス状成長モードを使用することができる。加えて、可視ＬＥＤ及びレーザーの製造を容易にするために、多数のＧａＮナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを合体させることにより高品質のＧａＮ基板構造を形成することができる。更に、各ナノワイヤーの非極性側壁におけるコアシェル成長により、コアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を形成することができる。

Description

政府の権利
本発明は、国防高等研究計画局、陸軍研究局により与えられた契約第ＨＲ００１１−０５−１−０００６号、及び空軍科学研究局により与えられた契約第ＦＡ９５５０−０６−１−０００１号の下で政府支援によりなされた。政府は、本発明における一定の権利を持つことができる。
関連出願
本願は、２００６年３月１０日付け特許文献１、２００６年５月８日付け特許文献２、２００６年５月２５日付け特許文献３、及び２００７年２月１２日付け特許文献４から優先権を主張する。これらは、その全体を参考文献としてここに組み込まれる。
本発明は、半導体材料、デバイス、及びこれらの製造方法に関し、より特別には半導体ナノワイヤー及び半導体ナノワイヤー能動デバイスに概ね関する。
ＩＩＩ族窒化物合金（例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム））より構成されたナノワイヤーは、ナノスケール光電子デバイスのような新しい半導体デバイスの構成の可能性を提供する。例えば、ＧａＮナノワイヤーは、腐食性又は高温の環境において作動するデバイスのための大きいバンド間隙、高融点、及び化学的安定性を提供できる。ＧａＮ及びその関連の合金の大きいバンド間隙は、ディスプレイ用及び照明用に有用な可視範囲の光源の製造も許す。加えて、かかるナノワイヤーの特有の形状が、フォトニクス及びトランスポートデバイスにおける新たなデバイスの範例の探索の可能性を提供する。この可能性を完全に具体化するために、高品質のＩＩＩ族窒化物のナノワイヤー及び又はナノワイヤーのアレイを各ナノワイヤーの形状、位置及び結晶化度を正確かつ均一に管理して作るためには規模の変更が可能な工程を必要とする。
米国暫定出願第６０／７８０，８３３号 明細書 米国特願第６０／７８９，３３７号 明細書 米国特願第６０／８０８，１５３号 明細書 米国特願第６０／８８９，３６３号 明細書
通常のナノワイヤーの製造は蒸気−液体−固体（ＶＬＳ）成長機構に基づき、かつＡｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、又はＩｎのような触媒の使用を含む。しかし、通常の触媒による方法は得られるナノワイヤーの位置及び均一性を管理することができないので問題が生ずる。通常の触媒による方法に伴う更なる問題は、ナノワイヤー内に触媒が必然的に入り込むことである。これは、得られるナノ構造の結晶構造の品質を劣化させる。
そこで、従来技術のこれらの問題及びその他の問題を克服し、高品質のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイ、並びにこれらを製造するための規模の変え得る製造方法を提供することが要求される。更に、高品質のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイに基づくナノワイヤー光電子デバイス及びこれらの製造方法を提供することが望まれる。
種々の実施例に従い、本発明はナノワイヤーの製造方法を含む。この方法において、基板上に選択成長マスクを形成することができる。選択成長マスクは、基板の多数の部分を露出させるパターン化された多数の開口を含むことができる。このとき、半導体材料は、選択非パルス状成長モードを使用し、パターン化された開口の各について露出された基板の多数の部分の各において成長することができる。この成長モードは非パルス状成長モードからパルス状成長モードに変えることができる。半導体材料のパルス状成長モードを続けることにより、多数の半導体ナノワイヤーを形成することができる。
種々の実施例により、本教示は、基板上に配置された選択成長マスクを持つことのできるＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーアレイも含む。選択成長マスクは、基板の多数の部分を露出させるパターン化された多数の開口を持つことができる。ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーは、基板の多数の露出された部分に連結されここから伸び、そして選択成長マスクの頂部の上に伸びることができる。ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーは、一方向に沿って指向され、かつ多数の選定された表面領域の一つの断面の特徴を維持することができる。
種々の実施例により、本教示は、更にＧａＮ基板構造を含む。ＧａＮ基板構造は、多数のＧａＮナノワイヤーを合体したＧａＮ薄膜とすることができ、これは無欠陥である。ＧａＮ薄膜は、約１０７／ｃｍ−２以下の欠陥密度を持つことができる。
本発明の追加の目的及び利点は以下の記述において部分的に説明され、そして記述から部分的に明らかになり、或いは本発明の実行により習得することができる。本発明の目的及び利点は、特に特許請求の範囲において指摘された要素及び組合せの手段により実現され達成されるであろう。
以上の一般的な記述及び以下の詳細な説明の両者は例示的かつ説明的のものに過ぎず、請求項のように本発明を限定するものでないを理解すべきである。
本明細書に組み込まれかつ本明細書の一部を構成する付属図面は、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明の原理を説明するために使用される。
さて、付属図面に示される本発明の例示の実施例を詳細に参照することとする。可能な場合は常に、同じ又は同様な部分を呼ぶために全図面を通して同じ番号が使用されるであろう。以下の説明において、その一部を形成する付属図面が参照され、そしてこれにおいては、本発明を実施し得る特別な実施例を図解する方法で示される。これらの実施例は、本技術熟練者が本発明を実施し得るに十分に詳細に説明され、そして本発明の範囲から離れることなく別の実施例を利用し得ること及び変更をなし得ることを理解すべきである。従って、以下の説明は単なる例示のものである。
本発明は、１種又はそれ以上の実行に関して図解されているが、本発明の精神及び特許請求の範囲からは離れることなく図解例について修正及び／又は変更を行うことができる。加えて、本発明の特別の特徴が幾つかの実行例の中のだた１個の例に関して説明されるが、かかる特徴は、希望されかつ所与の機能又は特定の機能に対して有利であるように、別の実行例の１個以上の別の特徴と組み合わせることができる。更に、詳細な説明及び特許請求の範囲において使用される用語「含んでいる」、「含む」、「持っている」、「持つ」、「有する」又はこれらの変形語の範囲に関し、かかる用語は用語「備える」と同様な方法で含まれることが意図される。用語「少なくとも一つの」は、選択し得る候補項目の一つ又はそれ以上を意味するために使用される。
本発明の広い範囲を説明している数値の範囲及びパラメーターは近似値であるが、特定の例において説明される数値はできるだけ正確に報告される。しかし、いかなる数値も、それぞれの試験測定に見られる標準偏差のため必ず生ずる幾分かの誤差を必然的に含む。更に、ここに開示された全ての範囲は、その中に組み込まれた下位の範囲のどれも全て包含することを理解すべきである。例えば、「１０より少ない」の範囲は、最小値ゼロと最大値１０との間（及びこれらの値を含む）のどれも全てを、即ちゼロに等しいか又はゼロより大きい最小値と１０に等しいか又はこれより小さい最大値、例えば１から５、を有する下位範囲のどれも全てを含むことができる。
例示の実施例は、高品質（即ち、無欠陥）ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤー及び一様なＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーアレイを含む半導体デバイス並びに各ナノワイヤーの位置、指向方向、断面の特徴、長さ及び／又は結晶化度を正確に管理できるこれらの製造方法のための規模の変え得る工程を提供する。特に、選択成長モードからパルス状成長モードへの成長モードの転換に先立って選択成長モードを使用して多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを形成することができる。断面の特徴、例えば、選択成長モードより得られる各ナノワイヤーの断面寸法（例えば、直径又は幅）、及び断面形状は、パルス状成長モードを使用した成長を続けることにより、これを維持することができる。この方法において、アスペクト比の大きいナノワイヤーを形成することができる。例示の一実施例においては、各ナノワイヤーの長さを、例えば約１０ｎｍから約１０００μｍ、例えば約１０ｎｍから約１００μｍとすることができる。
加えて、高品質のＩＩＩ族窒化物、例えば高品質ＧａＮ薄膜は、多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを成端し合体することによりこれを形成することができる。これらＧａＮ薄膜は、固体発光及びＵＶセンサー産業用の可視ＬＥＤ及びレーザーのようなＧａＮベースのデバイスの製造を容易にするＧａＮ基板構造としてこれを使用することができる。
更に、パルス状成長ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの各は非極性側壁を提供できるので、各ナノワイヤーの側壁にＭＱＷ能動シェル構造を作るようにコアシェル成長を使う点で有利である。かかるコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造は、例えばナノワイヤーＬＥＤ及び／又はナノワイヤーレーザーのような高効率を有するナノスケールの光電子デバイスに使用することができる。
ここで使用される用語「ナノワイヤー」は、一般に、少なくも１個の小寸法を有する、例えば約１０００ｎｍ以下の幅又は直径のような断面寸法の一つを有する適宜の細長い導電体又は半導体をいう。種々の実施例において、小寸法は約１００ｎｍ以下とすることができる。別の種々の実施例においては、小寸法を約１０ｎｍ以下とすることができる。ナノワイヤーは、約１００以上のアスペクト比（例えば、長さ対幅、及び／又は大寸法対小寸法）を持つことができる。種々の実施例において、アスペクト比を約２００以上とすることができる。別の種々の実施例においては、アスペクト比を約２０００以上とすることができる。例示の一実施例においては、ナノワイヤーの断面は、ある一方向の断面寸法を１０００ｎｍより小さくし、かつ直交方向の寸法を１０００ｎｍよりかなり大きくすることができるような高度の非対称性とすることができる。
用語「ナノワイヤー」は、限定するものではないが、ナノシャフト、ナノピラー、ナノニードル、ナノロッド、及びナノチューブ（例えば、単一壁のナノチューブ、多数壁のナノチューブ）、並びに糸、縒り糸、布などの形式におけるナノファイバーのようなこれらの種々の機能化された派生の小繊維形式のものを含んだ同様な直径のその他の細長い構造体も包含する。
ナノワイヤーは、例えば、長方形、多角形、正方形、長円形、又は円形のような種々の断面形状を持つことができる。このため、ナノワイヤーは、円筒状及び／又は円錐状の３次元（３Ｄ）形状を持つことができる。種々の実施例において、多数のナノワイヤーを相互に、例えば、実質的に平行、円弧状、サイン波状などとすることができる。
ナノワイヤーは、支持体上に／支持体から形成することができ、この支持体はナノワイヤーをこれに連結し、そしてこれから延ばす（例えば成長させる）ことができる選択された表面区域を含むことができる。ナノワイヤーの支持体は、Ｓｉ，ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ又はＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、金属、セラミック、又はガラスを含む種々の材料から形成された基板を含むこともできる。ナノワイヤーの支持体は、基板上に形成された選択成長マスクを持つこともできる。種々の実施例において、ナノワイヤーの支持体は、更に、選択成長マスクと基板との間に配置された緩衝層を含むことができる。
種々の実施例において、ナノワイヤー能動デバイス、例えばナノワイヤーＬＥＤ又はナノワイヤーレーザーは、ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを使用して形成することができる。種々の実施例において、ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイ及びナノワイヤー能動デバイスは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系、例えば、ＩＩＩ族窒素化合物材料系を使用して形成することができる。ＩＩＩ族元素の例はＧａ，Ｉｎ、又はＡｌを含み、これらは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジューム（ＴＭＩｎ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）のような例示のＩＩＩ族前駆物質から形成することができる。例示のＮ前駆物質は、例えば、アンモニア（ＮＨ３）とすることができる。その他のＶ族元素、例えばＰ又はＡｓも、第３ブチルフォシン（ＴＢＰ）又はアルシン（ＡｓＨ３）のような例示のＶ族前駆物質とともに使用される。
以下の説明において、ＩＩＩ−Ｎ半導体合金化合物は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮのようなＩＩＩ族窒化物の組合せにより説明することができる。一般に、化合物中の元素は種々のモル分率で組み合わせることができる。例えば、半導体合金化合物ＩｎＧａＮは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮで表すことができ、この場合、モル分率ｘは、１．００より小さい任意の数である。加えて、モル分率の数値に応じて種々の能動デバイスを同様な化合物から作ることができる。例えば、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎは（この場合、ｘは約０．３である）、青色発光用のＬＥＤのＭＱＷ活性領域で使用することができ、一方、Ｉｎ０．４３Ｇａ０．５７Ｎ（ｘは約０．４３である）は、緑色発光用のＬＥＤのＭＱＷ活性領域で使用することができる。
種々の実施例において、ナノワイヤー、ナノワイヤーアレイ、及び／又はナノワイヤー能動デバイスは、周期表のＩＩ族、例えばＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ及びＨｇからのｐ型ドープ剤；周期表のＶ族、例えばＣからのｐ型ドープ剤；或はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅよりなるグループから選定されたｎ型ドープ剤を含むことができる。
種々の実施例において、ナノワイヤー、ナノワイヤーアレイ、並びにナノワイヤー能動デバイスは、高品質のヘテロ構造を持つことができ、そして限定するものではないが、（有機金属気相エピタキシャル成長（ＯＭＶＰＥ）としても知られる）有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタクシ（ＭＢＥ）、ガスソースＭＢＥ（ＧＳＭＢＥ）、有機金属ＭＢＥ（ＭＯＭＢＥ）、原子層エピタクシ（ＡＬＥ）、又はヒドリド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）を含んだ種々の結晶成長技術により形成される。
種々の実施例において、多相成長モード、例えば２相成長モードは、これを、ナノワイヤー、ナノワイヤーアレイ、並びにナノワイヤー能動デバイスの高品質結晶成長に使うことができる。例えば、選択成長モードのような第１の相の成長モードは、これをナノワイヤー及び又はナノワイヤーアレイの選択的成長及び核生成のための条件を提供するために使用することができる。選択成長モードにおいては、標準結晶成長方法、例えば標準ＭＯＣＶＤを、希望の厚さ、例えば約１０ｎｍ以上を有するナノワイヤーの成長の核生成に使用することができる。
第２の相の成長モードは、各ナノワイヤーの成長を継続し、第１の成長モードからのその断面の特徴を維持し、そして任意の希望の長さを提供する工程を作ることができる。第２の相の成長モードは、第１の相の成長モードを停止させ得る成長モード転換により適用することができる。第２の相の成長モードにおいては、パルス状成長モード、例えば、パルス状ＭＯＣＶＤを使うことができる。
ここに使用される用語「パルス状成長モード」は、ＩＩＩ族及びＶ族の前駆物質ガスを設計された順序で交互に結晶成長反応装置に導入する工程を呼ぶ。例えば、ＧａＮのナノワイヤー、ナノワイヤーアレイ及び／又はナノワイヤー能動デバイス形成には前駆物質としてＴＭＧａ及びＮＨ３を使用することができる。このパルス状成長モードにおいては、ＴＭＧａ及びＮＨ３は、設計流量（例えば、約１０ｓｃｃｍ）のＴＭＧａをある時間（例えば、約２０秒間）導入し、続いて設計流量（例えば、約１５００ｓｃｃｍ）のＮＨ３をある時間（例えば、約３０秒間）導入するシーケンスで交互に導入することができる。種々の実施例において、希望の長さの各ナノワイヤーに対して１回以上のシーケンスを行う（繰り返す）ことができる。種々の実施例において、各ナノワイヤーの成長速度は指向方向に依存する。
種々の実施例において、明らかにされたナノワイヤー、ナノワイヤーアレイ及び／又はナノワイヤー能動デバイスの形成に絶縁材料を内包させることができる。例えば、多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの形成中に、絶縁材料で選択成長マスクを作ることができる。別の例においては、ナノワイヤーＬＥＤ及び／又はナノワイヤーレーザーのような能動デバイス用の電気絶縁のために絶縁材料を使うことができる。ここに使用される絶縁材料は、限定するものではないが、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２），窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）、フルオリネーテッドシリコンジオキサイド（ＳｉＯＦ）、シリコンオキシカーバイド（ＳｉＯＣ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ）、ナイトライドハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、バリウムストロンチウムチタネート（ＢＳＴ）、レッドジルコネートチタネート（ＰＺＴ）、ジルコニウムシリケート（ＺｒＳｉＯ２）、酸化チタニウム（ＴａＯ２）、又はその他の絶縁材料を含むことができる。その他の種々の実施例により、開示されたナノワイヤーの選択成長のために、例えばタングステンのような導電金属の成長マスクを使用することができる。
ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの半導体デバイス及び成長のための規模の変え得る工程のための例示の実施例が、図１Ａ−１Ｃ、図２−３、図４Ａ−４Ｃ、図５、及び図６Ａ−６Ｄに示される。
図１Ａ−１Ｃは、本発明の教示に従った製造の種々の段階における例示の半導体ナノワイヤーデバイス１００の断面図を示す。本技術の通常の熟練者は、図１Ａ−１Ｃに示されたナノワイヤーデバイス１００は一般化された略図であること、及び別の層／ナノワイヤーを追加し得ること、又は存在する層／ナノワイヤーを除去し又は変更し得ることが容易に分かるであろう。
図１に示されるように、ナノワイヤーデバイス１００は、基板１１０、選択成長マスク１３５、及びパターン化された多数の開口１３８を含むことができる。選択成長マスク１３５及びパターン化された多数の開口１３８は基板１１０上に配置することができ、この場合、パターン化された多数の開口１３８は選択成長マスク１３５を通して点在させることができる。
基板１１０は、その上にＩＩＩ族窒化物材料を成長させることができる適宜の基板とすることができ。種々の実施例において、基板１１０は、限定するものではないが、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、シリコン・オン・インシュレター（ＳＯＩ）、ＧａＮ又はＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、金属、セラミック又はガラスを含むことができる。
選択成長マスク１３５は、基板１１０上に形成された絶縁層（図示せず）にパターンを描きエッチングすることにより形成することができる。種々の実施例において、絶縁層は、本技術の通常の熟練者に知られる技術を使用して適宜の絶縁材料から作られ形成することができる。次いで、絶縁層は、浸漬干渉リソグラフ及び非線形干渉リソグラフを含む干渉リソグラフ（ＩＬ）、ナノインプリントリソグラフ（ＮＬ），及び広い肉眼で見える面積上にナノ構造又はナノ構造のパターンを作り得るｅビームリソグラフの一つ以上を使用してパターンが作られる。パターン作成後、パターン化された多数の開口１３８を形成するためにエッチ処理、例えば、反応性イオンエッチングを使用することができる。エッチング処理は、下の層、即ち基板１１０の表面で停止させることができ、そして基板１１０の多数の表面部分１３９を露出させる。種々の実施例において、選択成長マスク１３５は、パルス状にされたナノワイヤー成長のための希望のような選択的な成長を提供するために、例えば、タングステンより作られた導電金属のマスクとすることができる。
パターン化された多数の開口１３８は選択成長マスク１３５と同じ厚さ、例えば約３０ｎｍ以下、及び約１０ｎｍから約１０００ｎｍの直径のような断面寸法を持つことができる。更なる例として、直径を約１０ｎｍから約１００ｎｍとすることができる。例示の実施例においては、パターン化された多数の開口１３８は、ピッチ（即ち、任意の２個の隣接しているパターン化された開口間の中心から中心までの間隔）が約５０ｎｍから約１０μｍの範囲の六角アレイを持つことができる。種々の実施例において、パターン化された多数の開口１３８のアレイを形成することができる。その後、パターン化された多数の開口１３８のナノスケールの特徴は、ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの形成のための次の工程に移される。
種々の実施例において、ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの成長に先立ち、図１Ａに示されたデバイス１００に種々の洗浄手順を行うことができる。例えば、洗浄手順は、予備洗浄（即ち、成長反応装置外で行われる洗浄）とこれに続く本洗浄（即ち、成長反応装置内で行われる洗浄）とを含むことができる。選択成長マスク１３５に使用される材料に応じて種々の洗浄方法を使うことができる。例示の実施例においては、窒化ケイ素の選択成長マスクは、標準の予備洗浄に続いて例示のＭＯＣＶＤ反応装置内にデバイス１００を装填し、そして流れている水素の下でデバイス１００を約３分間、約９５０℃に加熱することにより洗浄することができる。この水素−減圧により、デバイス１００の表面の望ましくない自然酸化物を除去できる。本技術の通常の熟練者は、基板１１０と選択成長マスク１３５との材料の組合せに応じて、別の洗浄手順を使用できることを理解するであろう。
図１Ｂにおいて、選択成長マスク１３５により定められたパターン化された多数の開口１３８の各を満たすように、多数のナノ構造の核１４０を、基板１１０の多数の露出された表面部分１３９から選択的に成長させることができる。選択成長マスク１３５は、そのナノパターンを、パターン化された多数の開口１３８から多数のナノ構造の核１４０にネガティブに複写するための選択成長の型として作用する。この方法で、パターン化された多数の開口１３８のパターン化された開口の各の位置、及び形状と寸法のような断面の特徴により、多数のナノ構造の核１４０の各の位置、及び形状と寸法のような断面の特徴を決めることができる。例えば、パターン化された多数の開口１３８は、寸法が約２５０ｎｍの六角のアレイを含むことができる。このとき、この六角のアレイは、約２５０ｎｍ以下の同様又はより小さい寸法を有する多数のナノ構造の核１４０の成長に写し替えられる。別の例において、パターン化された多数の開口１３８の１個以上が例示直径約１００ｎｍのほぼ円形であるならば、多数のナノ構造の核１４０の１個以上の核が、円形開口内で約１００ｎｍ又はそれ以下のよ小さい直径を有して成長することができる。そこで、多数のナノ構造の核１４０は、よく定められた位置に置かれかつ選択成長マスク１３５により定められたパターン化された多数の開口１３８に相当する形状にされる。種々の実施例において、多数のナノ構造の核１４０は、例えば、標準のＭＯＣＶＤ工程により形成することができる。
この方法において、図１Ｂに示されたデバイス１００は、ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイ用の支持体として使用でき、多数の選定された表面領域（即ち、多数のナノ構造の核１４０の各表面）を持つ。次いで、選定された多数の表面領域から多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを成長させることができる。種々の実施例において、選択成長マスク１３５は、多数のナノワイヤーの形成後に多数のナノ構造の核１４０を露出させるために、適切なエッチング処理により除去することができる。
図１Ｃにおいて、多数のナノ構造の核１４０が選択成長マスク１３５の頂部から突き出るより前に、例えば、選択成長モードを終了しパルス状成長モードを適用することにより多数のナノ構造の核１４０の成長を続けることによって多数のナノワイヤー１４５を形成することができる。多数のナノワイヤー１４５は、ナノ構造の核１４０と同じ材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、又はＡｌＧａＮより形成することができる。種々の実施例において、多数のナノワイヤー１４５の各からヘテロ構造を形成することができる。種々の実施例において、希望の用途に応じて、多数のナノワイヤー１４５にｎ型及び／又はｐ型のドープ剤を組み入れることができる。
多数のナノ構造の核１４０が選択成長マスク１３５の頂部より突き出て成長するより前にパルス状成長モードに切り替えることにより、希望の長さに達するまで、多数のナノワイヤー１４５の各の断面形状及び寸法のような特徴を保つことができる。言い換えれば、ナノワイヤー１４５の形状及び寸法のような断面の特徴は実質的に一定であり開口１３８のそれと同じ又は同様である。種々の実施例において、各ナノワイヤーの長さは、μｍ台、例えば、約２０μｍ又はそれ以上とすることができる。
種々の実施例において、ナノワイヤーデバイス内に緩衝層を形成することができる。図２は、本教示に従った緩衝層を有する第２の例示の半導体ナノワイヤーデバイス２００を示す。示されるように、ナノワイヤーデバイス２００は、基板１１０のような基板と選択成長マスク１３５のような選択成長マスクとの間（図１Ａ−１Ｃを参照）に配置された緩衝層２２０を持つことができる。種々の実施例において、緩衝層２２０は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮより、例えば標準のＭＯＣＶＤにより形成された平らな半導体薄膜とすることができる。種々の実施例において、緩衝層２２０の厚さは、例えば約１００ｎｍから約１０μｍとすることができる。種々の実施例において、緩衝層２２０は、多数のナノワイヤー１４０の各ナノワイヤーの下端への電気接続を提供するためにｎ型又はｐ型ドープ剤でドーピングすることができる。本技術の通常の熟練者に知られる種々のドープ剤の一つを使用することができる。
種々の実施例において、多数のナノ構造の核１４０の指向方向は一つの方向に沿って管理することができ、一方、これは、パターン化された多数の開口１３８を単結晶の方向に沿って計画的に指向させるように管理することができる。例えば、パターン化された多数の開口１３８は、これを、図２に示されるように緩衝層２２の１個の方向に沿って意図的に方向付けすることができる。例示の実施例においては、ＩＬパターン化中、選択成長マスク１３５の開口を、ＧａＮ緩衝層の＜１１００＞方向に沿って意図的に方向付けすることができる。別の実施例において、サファイア基板においてＧａＮ緩衝層を成長させるとき、ＧａＮ緩衝層とサファイア単位セルとの間のｃ軸まわりで３０゜回転させることができる。
図３は、本発明の教示に従って２相成長モードを使用して多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを形成するための例示の工程を示す。特に、図３は、例えば、図１−２において説明されたような多数のナノワイヤー１４５を形成するための選択成長３１０とこれに続くパルス状成長３２０との間の（第１のガス流量曲線３０２及び第２のガス流量曲線３０６とを含んだ）前駆物質ガスの流量曲線を示す。示されるように、転換時刻ｔｉにおけるパルス状成長３２０の開始（成長モードの転換）により選択成長３１０を停止させることができる。パルス状成長３２０は、更に多数のパルス状シーケンス、例えば、第１のシーケンスループ３２４、第２のシーケンスループ３２８及び／又は追加のシーケンスループを含むことができる。種々の実施例において、第１のシーケンスループ３２４は第２のシーケンスループ３２８として繰り返すことができる。
ＧａＮナノワイヤー及び又はナノワイヤーアレイを形成するための例示の実施例において、第１のガス流量曲線３０２は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）のような第１の前駆物質ガスのために描かれ、そして第２のガス流量曲線３０６はアンモニア（ＮＨ３）のような第２の前駆物質ガスのために描かれる。選択成長３１０の間、例示のＧａＮナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイが、一定流量約１０ｓｃｃｍの第１の前駆物質ガスＴＭＧａ、及び一定流量約１５００ｓｃｃｍの第２の前駆物質ガスＮＨ３を有するＭＯＣＶＤ反応装置において形成される。このことは次のことを意味する。即ち、選択成長３１０の間は、前駆物質ガス（即ち、ＴＭＧａ及びＮＨ３）は連続して流れ、パルス状にされない（即ち、ＩＩＩ族及びＶ族の前駆物質ガスは、両者とも、連続した非パルス状成長モードで一緒に基板に提供される）。更に、Ｖ族の前駆物質ガス（例えば、ＴＭＧａ）とＩＩＩ族の前駆物質ガス（例えば、ＮＨ３）とは、これらを同時に導入させることができ、またＶ族／ＩＩＩ族の比を、一定、例えば約１００対約５００に維持することができる。例示の実施例においては、Ｖ族／ＩＩＩ族の比を約１５０に維持することができる。更に、選択成長３１０のためのその他の反応装置条件は、例えば、初期反応温度が約１０１５℃から約１０６０℃、反応圧力が約１３３．３ｈＰａ（約１００トル）、そして水素／窒素キャリヤーガス混合物は約４０００ｓｃｃｍの層流である。成長中、基板が高速回転されるビーコターボディスク（Ｖｅｅｃｏ ＴｕｒｂｏＤｉｓｃ）のモデルＰ７５ＭＯＣＶＤのような適宜適切なＭＯＣＶＤ反応装置を使用することができる。
パルス状成長３２０の間、ＴＭＧａのような第１の前駆物質ガス及びＮＨ３のような第２の前駆物質ガスを、例えば、第１のシーケンスループ３２４として示された設計シーケンスで交互に成長反応装置に導入することができる。種々の実施例において、パルス状シーケンス中の各交互段階の持続時間はナノワイヤー及びナノワイヤーアレイの成長に影響を与え、これは特定の反応装置の形状に対して更に最適化することができる。例えば、第１のパルス状シーケンスループ３２４において、約２０秒間のようなある時間（図示せず）、ＴＭＧａを約１０ｓｃｃｍの流量で導入し、続いて例えば１０秒間、キャリアガス（例えば、水素／窒素の混合物）を除去し、この間は前駆物質ガスを導入せず、続いて約３０秒間のようなある時間（図示せず）、ＮＨ３を約１５００ｓｃｃｍの流量で導入し、更に続いて例えば１０秒間、前駆物質を含まずにキャリアガス（例えば、水素／窒素の混合物）を除去する。反応装置の構造に応じて、例えば、ＩＩＩ族の反応に対しては１５−４０秒間、Ｖ族の反応に対しては１５−４０秒間、そして各反応物導入段階間の除去用ガスに対しては５−１５秒間のような別のパルス持続時間を使うこともできる。種々の実施例において、第１のシーケンスループ３２４のようなパルス状シーケンスは、ＧａＮナノワイヤーがある長さに達するまで繰り返すことができる。例えば、シーケンスループ３２４は、第２のシーケンスループ３２８、第３のシーケンスループ（図示せず）等々として繰り返すことができる。各シーケンスループにおいて、Ｖ族前駆物質ガス（例えば、ＴＭＧａ）及びＩＩＩＶ族前駆物質ガス（例えば、ＮＨ３）は、例えば、約６０から約３００の間の効果的なＶ族／ＩＩＩ族比を持つことができる。種々の実施例において、温度、反応装置の圧力、及びパルス状成長３２０のためのキャリアガスの流量は、選択成長３１０と同じ設定に維持することができる。本技術の通常の熟練者は、この明らかにされた成長パラメーターは例示的なものであり、使用される特定の反応装置に応じて変更し得ることを理解するであろう。
種々の実施例において、転換時刻（ｔ１）は、選択成長３１０の持続時間により決定することができる。転換時刻（ｔ１）は、各開口、例えば、図１−２に示されたパターン化された多数の開口１３８の内側の成長速度に依存する。一方、各開口の内側の成長速度は各前駆物質ガスの（例えばガス流量曲線３０２及びび３０４として示される）ガス流量、及びパターン化された多数の各開口の形状に依存する。この形状依存性は、例えば、ＴＭＧａ及び／又はＮＨ３からの成長のニュートリエントが選択成長マスク及び開かれた開口の両者の上に置かれるために生ずる。選択成長３１０の間、選択成長マスク上に置かれたニュートリエントは大きい表面移動性を有しマスク面から出ることができ、或はこれが開かれた開口に十分に近い場合はこの開口に広がり、そしてこの開口における成長速度に大きくする。従って、この追加的な成長速度に対する貢献は、開口の寸法及び開口間の距離に基づいて非常に変わる。多数のＧａＮナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを形成するための例示の実施例においては、成長モードの転換は１分間の選択成長持続時間後に（即ち、ｔ１＝１分間で）行うことができる。これは、パターン化された開口の内側のＧａＮの成長速度から経験的に決められる。例えば、ＧａＮ成長速度は約０．６μｍ／ｈｒであり、そしてパターン化された開口は約２００ｎｍの直径と約１μｍのピッチとを持った六角形アレイの形式とすることができる。
種々の実施例においては、多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの成長は、成長モードの転換が行われる時刻により影響を受ける。例えば、成長モードの転換は、多数のナノ構造の核１４０が、（図１−２に見られる１３５のように）選択成長マスク上に突き出た後で行うことができる。種々の実施例において、成長モードの転換を、ナノワイヤーの核が（例えば、図１−２に示されるように）選択成長マスクの上側から突き出るまで成長する「前」に行うか「後」で行うかに応じて異なった形状／寸法のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを得ることができる。
図４Ａ−４Ｃは、ナノワイヤーの核が選択成長マスクの上側から突き出すように成長した「後」に成長モード転換をすることにより形成された第３の例示の半導体ナノワイヤーデバイスを示す。本技術の通常の熟練者は、図４Ａ−４Ｃに示されたナノワイヤーデ４００は一般化された略図で表されること、及び別の層／ナノワイヤーを加え得ること或いは図に示されている層／ナノワイヤーを除去し又は変更し得ることが容易に分かるであろう。
図４Ａにおいて、デバイス４００は、デバイス１００について図１Ｃにおいて説明されたと同様な構造を有し、かつ同様な製造工程により形成される。図示のように、デバイス４００は、基板４１０、選択成長マスク４３５及び多数のナノ構造の核４４０を含むことができる。選択成長マスク４３５及び多数のナノ構造の核４４０は構造４１０上に形成され、多数のナノ構造の核４４０はこれらを選択成長マスク４３５全体に分布させることができる。
基板４１０は、上にＩＩＩ族窒化物材料を成長させ得るデバイス１００の基板１１０と実質的に同様な適宜のものとすることができる。例えば、基板４１０は、サファイア、炭化ケイ素、又はシリコンとすることができる。同様に、多数のナノ構造の核４４０は、図１Ｂに示されたデバイス１００の多数のナノ構造の核１４０のそれと同様に形成することができる。例えば、多数のナノ構造の核４４０は、基板４１０上の選択成長マスク４３５により定められたパターン化された多数の開口（図示せず）をまず形成することにより形成することができる。このとき、パターン化された多数の開口の各は、例えば標準ＭＯＣＶＤを使用し内部に半導体材料（例えばＧａＮ）を成長させることにより満たすことができる。多数のナノ構造の核４４０は、厚さが例えば約３０ｎｍでかつ幅又は直径が例えば約１０ｎｍから約２００ｎｍのような断面寸法を有する選択成長マスク４３５を持つことができる。更に追加の例として、断面寸法の幅又は直径を約１０ｎｍから約１００ｎｍとすることができる。
図４Ｂにおいて、デバイス４００は、成長の転換が選択成長マスク４３５の上側の上に多数のナノ構造の核４４０が突き出した「後」に生じたとき、多数のナノ構造の核４４０から横方向並びに垂直方向に成長した多数のナノ構造４４２を含むことができる。例えば、多数のナノ構造４４２の各は、側方に広がり選択成長マスク４３５の表面上で部分的に横方向に成長することができる。種々の実施例において、多数のナノ構造４４２は頂部結晶面を提供するピラミッド状構造を含むことができる。例えば、多数のピラミッド状ＧａＮナノ構造は、頂面（０００１）を含むことができ、そしてこの頂面の寸法は、各ナノ構造の成長の程度により管理することができる。特に、成長の初期段階において、多数のナノ構造４４２が、横方向でかつ部分的に選択成長マスク４３５の表面上で成長するとき、頂面の寸法を増加させそして多数のナノ構造の核４４０の断面寸法より広くすることができる。成長が継続すると、頂面の先端の寸法が多数のナノ構造の核４４０のそれより小さくなるように、頂面寸法を減少させることができる。このため、各ピラミッドの頂面の寸法は、例えば、多数のピラミッド状ナノ構造の成長を停止させるように選択成長モードの終了させる（即ち、成長モードを転換させる）ことにより管理することができる。種々の実施例において、例示のピラミッド状の頂部は先端を切り落とした形にすることができ、そしてパルス状成長モードを使用した続くナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの成長のために各切り取られた頂部の面の寸法を維持することができる。種々の実施例において、多数のナノ構造４４２の各の切り取られた頂面の直径は、多数のナノ構造の核４４０の各の直径より小さくなるように管理することができる。種々の実施例において、多数のナノ構造４４２の各の切り取られた頂面は、例えば、正方形、多角形、長方形、長円形、及び円形の例示の断面を持つことができる。
図４Ｂに示されたデバイス４００は、ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの支持体として使用することができ、これも多数の選択された面の領域（即ち、多数のナノ構造４４２の各の切り取られた頂部の面の表面）を持つことができる。このとき、多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイは、多数の選択された面の領域から成長するこおができ、そして多数の選択された面の領域の各の断面の特徴（即ち、寸法及び形状）を維持する。
図４Ｃにおいて、多数のナノワイヤー４４５は、パルス状成長モードを使用してデバイス４００の多数の選択された面の領域の各から（即ち、多数のナノ構造４４２の各の頂面から）半導体材料（例えば、ＧａＮ）の成長を継続することにより形成することができる。結果として、多数のナノワイヤー４４５は、規則正しく間隔を空けられかつ約２０から約５００ｎｍの範囲の例示の直径、及び例示の形状、例えば正方形、多角形、長方形、長円形、及び円形の例示の断面を持つことができる。
半導体材料が選択成長マスク４３５の頂部の上に突き出るように成長した「後」でパルス状成長モードを使うことにより、多数のナノ構造４４２の例示のピラミッド状の構造の頂面に多数のナノワイヤー４４５を形成することができる。多数のナノワイヤー４４５の各の断面形状及び寸法のような特徴は、希望の長さに達するまで切り取られた頂面の特徴を有し一定に維持される。種々の実施例において、各ナノワイヤーの長さは、例えば、約２０μｍ又はそれ以上のようなμｍ台で管理することができる。
図５は、本発明の教示に従った緩衝層を有する例示の半導体ナノワイヤーデバイス５００を示す。図示のように、ナノワイヤーデバイス５００は、基板４１０のような基板と選択成長マスク４３５のような選択成長マスクとの間に配置された緩衝層５２０を持つことができる。緩衝層５２０は、図２に示された緩衝層２２０と同様な層とすることができる。緩衝層５２０は、例えば、標準ＭＯＣＶＤを使用して、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はＡｌＧａＮより形成された平らな薄膜とすることができる。種々の実施例において、緩衝層５２０の厚さは約１００ｎｍから約１０μｍとすることができる。種々の実施例において、緩衝層５２０は、各ナノワイヤーの下端との電気的接続を提供するために、ｎ型又はｐ型のドープ剤でドーピングすることができる。
図６Ａ−６Ｄは、本発明の教示に従って触媒の使用なしで多相成長モードにより成長された（ナノ構造の核１４０、４４０及びナノワイヤー１４５、４４５の両者とも基板上に置かれた金属触媒の使用なしで成長した）多数の規則的なＧａＮナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの例示の結果を示す。図６Ａ−６Ｄに示されるように、多数のＧａＮナノワイヤー６１０は、位置、指向方向、長さ、断面の特徴（例えば、寸法及び／又は形状）、及び結晶化度が極めて均一な状態で成長することができる。ここに説明されるように、ある実施例においては、各ナノワイヤーの位置及び寸法は、図１−２に示されたパターン化された多数の開口の各開口１３８のそれに対応することができる。別の実施例においては、各ナノワイヤーの位置及び寸法は図４−５に示された多数のナノ構造４４２の各頂部の面のそれに対応することができる。
図６Ａは、例示のＧａＮナノワイヤー６１０の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の結果を示し、一方、図６Ｂは、ＧａＮナノワイヤー６１０の長距離秩序度によるＳＥＭ結果を示す。種々の実施例において、各ナノワイヤーは単結晶の性質を持つことができる。
図６Ｃは、ＧａＮナノワイヤー６１０の指向方向を単結晶に沿い、例えば、例示のＧａＮナノワイヤー６１０の結晶軸方向（０００１）に沿わせる得ることを示す。更に、各ナノワイヤーの小さい中央の頂面（０００１）を、各ナノワイヤー頂部の傾斜面｛１１０２｝により境界を定めることができる。
図６Ｄは、各ＧａＮナノワイヤーの側面の六角形対称を示している例示のＧａＮナノワイヤー６１０の平面図である。側面は｛１１００｝族の側面を有する選択成長マスク６２０の方向に対して直角である。種々の実施例において、例示のＧａＮナノワイヤー６１０の直径は約１０００ｎｍ又はそれ以下とすることができる。
図６Ａ−６Ｄに示されるナノワイヤーの不変の横方向の形状（例えば、断面形状）の不変性は、ＧａＮの成長が垂直方向にのみ、即ち、頂部の面（０００１）及び｛１１０２｝にのみ生じ得ることを示す。例えば、パルス状成長の多数のＧａＮナノワイヤー６１０の垂直方向の成長速度は、例えば、約２μｍ／ｈｒ又はこれ以上とすることができる。一方、側面｛１１００｝における（即ち、横方向の）ＧａＮの成長速度は、その大きい面積にもかかわらず本質的に無視することができる。例示の実施例においては、ＧａＮナノワイヤー６１０は約２０μｍ又はそれ以上の一様な長さを持って成長し、そして３０ｎｍの選択成長マスクが使用されたとき、約２５０ｎｍ又はそれ以下の一様な直径を維持する。種々の実施例において、ナノワイヤーの形状を管理するために、キャリアガス混合物における水素の存在を使用することができる。
加えて、図６Ａ−６Ｄに示された例示の一様なＧａＮナノワイヤー６１０は高品質、即ち、本質的にスレッディング転位（ＴＤ）がないものとすることができる。例えば、図２及び図５に示されるＧａＮナノワイヤー１４５及び／又は４４５は、選択成長マスク１３５及び／又は４３５の下にあるＧａＮ緩衝層２２０及び／又は５２０においてスレッディング転移が観察された場合でもスレッディング転移は観察できない。これは、これらの転移がナノワイヤーから逸れて、成長マスクの下方の面で終わるためと信じられる。更に、無欠陥ＧａＮナノワイヤー６１０は、例えばサファイア、６Ｈ−ＳｉＣのような炭化ケイ素、又はＳｉ（１１１）のようなシリコンのような種々の基板において成長させることができる。
種々の実施例において、均一でかつ高品質のＧａＮナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを、高品質ＧａＮ基板構造の製造に使用することができる。ＧａＮ基板は、固体発光用の可視ＬＥＤ及びレーザーの製造及びＵＶセンサー産業に非常に便利であるため、市場で入手できるＧａＮ基板が望まれる。更に、ＧａＮ基板は、高出力の高周波回路及びデバイスのような他の関連応用にも使用できる。
種々の実施例において、ＧａＮ基板構造は、これを、ナノヘテロエピタクシのような技術を用いて図１−６に説明されたような多数のナノワイヤーを成端し合体するこよにより形成することができる。図７Ａ−７Ｄは、デバイス１００（図１Ｃ参照）、デバイス２００（図２参照）、デバイス４００（図４Ｃ参照）、及びデバイス５００（図５参照）の多数のＧａＮナノワイヤーから形成されたＧａＮ基板構造７１２、７１４、７１５、及び７１７を含む４種の例示の半導体デバイスを示す。
例えば、形成された多数のナノワイヤー（例えば、１４５又は４４５）を、適切な高さに成長した後に合体させ、次いでＧａＮ基板構造（例えば、基板７１２、７１４、７１５、又は７１７）に形成することができるようにＧａＮの成長条件を変更することができる。ＧａＮ基板構造は、連続した単結晶でかつ完全に合体された平らな薄膜とすることができる。「適切な高さ」は、各ナノワイヤー（例えば、ＧａＮ）と基板（例えば、ＳｉＣ又はＳｉ）の組合せに対して決定され、かつ上方の合体されたＧａＮ薄膜（即ち、ＧａＮ基板構造）における欠陥密度が非常に小さいことを許す高さとすることができる。更に「適切な高さ」は、得られた半導体デバイス、例えば、図７Ａ−７Ｄに示されたものの機械的に頑丈な構造を維持できる高さとすることができる。種々の実施例において、多数のＧａＮナノワイヤー（例えば、１４５又は４４５）にはスレディング欠陥が存在しないので、これら多数のナノワイヤーの頂部においてＧａＮ基板構造（例えば、基板７１２、７１４、７１５、又は７１７）の合体を行うことができ、そして、例えば、約１０７／ｃｍ２又はこれ以下のような極めて小さい欠陥密度を有するＧａＮ基板構造を作り提供することができる。
ナノワイヤー形成工程の種々の実施例により、工程段階（例えば、蒸着、選択成長マスクのパターンの描画とエッチング、ナノワイヤーの核の選択的成長、ナノワイヤーのパルス状成長、及び例示のＧａＮ基板構造の形成）は、これを大きな基板面積に規模を変えることができる。これらは自動ウエーハ取扱いを含んだ製造上の要求に容易に広げることができ、また可視及び近紫外線のＬＥＤからの光抽出用のホトニック結晶の効率確立のために、より大きい寸法のウエーハに容易に広げることができる。
図８−１２は、ナノワイヤーＬＥＤ及びナノワイヤーレーザーを含んだナノワイヤー能動デバイスの例示の実施例、及び規模を変換し得るこれらの製造工程を示す。種々の実施例において、ＧａＮナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイのような開示されたＩＩＩ−Ｖ族ナノワイヤー及びナノワイヤーアレイは、特有の特性を有するこれらの能動デバイスを提供する。これは、各パルス状成長ＧａＮナノワイヤーが｛１１００｝族の側壁を有し、かつこれら側壁への垂線がＩＩＩ族窒素材料のための非極性の方向とすることができるためである。従って、各ＧａＮナノワイヤーのこれら側面に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸又はその他のＩＩＩ族窒化物量子井戸のような高品質のＩＩＩ族窒化物量子井戸を形成することができる。
例えば、ナノワイヤー成長の挙動は、パルス状成長モード中に、例示のＭＯＣＶＤガス相にトリメチルアルミニウム（Ａｌ）又はトリメチルインジウム（Ｉｎ）のような別の前駆物質ガスを加えたとき、大きく変えることができる。この場合、ＧａＮナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイに少量（例えば、約１％）であってもＡｌ又はＩｎの分子が加えられると、各ＧａＮナノワイヤーはその断面寸法（例えば、幅又は直径）が時間とともに横方向に成長することができる。この横方向成長の挙動がコアシェルヘテロ構造の生成を許し、即ち、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮ合金が各ＧａＮナノワイヤーのコア上で成長しこれを囲むことができる。その結果、コアシェル成長は、発光デバイス用のコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を作ることができる。
種々の実施例において、開示された２相成長モードを使用してＧａＮナノワイヤーを成長させた後で、例示のＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮ合金のコアシェルを成長させるための追加の第３の成長条件を確立することができる。この第３の成長モードは、例えば、図３に３１０で示されたような選択成長モードに使用されたものと同様な連続的成長とすることができる。種々の別の実施例においては、第３の成長条件のためにパルス状成長モードを使用することができる。
種々の実施例においては、例えば、ナノワイヤーＬＥＤ及び／又はナノワイヤーレーザーのような高効率のナノスケールの光電子デバイスを提供するためにコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使うことができる。例えば、得られたコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造（即ち、各ナノワイヤーコアの側壁上にＭＱＷ能動シェルを有する構造）は、各ナノワイヤーコアが非極性側壁を有するため、圧電フィールドから影響を受けず、また組み合わせられた量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）からも影響を受けない。ＱＣＳＥを無くすことにより、ＬＥＤ及びレーザーの性能を改善するために能動領域における放射再結合効率を増加させることができる。加えて、ＱＣＳＥの欠如により、より広い量子井戸を使うことができ、これによりナノワイヤーベースのレーザーの重なり積分及び共振器利得を改善することができる。特有のコアシェル構造のため、コアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使った更なる例示の効率の利益を明らかに増加させることができる。
図８は、本発明の教示による例示のコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造デバイス８００の断面方向で層にされた構造を示す。本技術の通常の熟練者は、図８に示されたデバイス８００が一般化された略図を表すこと、及びその他の材料／層／シェルを加え得ること或いは存在している材料／層／シェルを除去し又は変更し得ることが容易に分かるであろう。
示されるように、デバイス８００は、基板８１０、ドープされた緩衝層８２０、選択成長マスク８２５、ドープされたナノワイヤーコア８３０、及び第１のドープされたシェル８４０、ＭＱＷシェル構造８５０、第２のドープされたシェル８６０、及び第３のドープされたシェル８７０を有するシェル構造８３５を含むことができる。
選択成長マスク８２５は、基板８１０上のドープされた緩衝層８２０の上に形成することができる。ドープされたナノワイヤーコア８３０は、選択成長マスク８２５を経てドープされた緩衝層８２０に伸びこれと連結される。この場合、ドープされたナノワイヤーコア８３０は、選択成長マスク８２５により絶縁することができる。シェル構造８３５は、コアシェル能動構造を有するドープされたナノワイヤーコア８３０を殻で覆う（シェルする）ように形成することができ、そしてシェル構造８３５も選択成長マスク８２５上に設けることができる。加えて、シェル構造８３５は、第１の第１のドープされたシェル８４０上のＭＱＷシェル構造８５０に上に形成し得る第２のドープされたシェル８６０の上に第３のドープされたシェル８７０を蒸着させることにより形成することができる。
基板８１０は、基板１１０及び４１０（図１−２及び図４−５を参照）と同様な基板とすることができ、そして、限定するものではないが、サファイア、炭化ケイ素、シリコン又はＧａＡｓ又はＧａＮのようなＩＩＩ−Ｖ族の基板を含んでいる。
ドープされた緩衝層８２０は、基板８１０上に形成することができる。ドープされた緩衝層８２０は、緩衝層２２０及び／又は５２０（図２及び図５を参照）と同様なものとすることができる。ドープされた緩衝層８２０は、本技術の通常の熟練者に知られる種々の結晶成長方法により、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮより形成することができる。種々の実施例において、ドープされた緩衝層８２０は、ドープされたナノワイヤーコア８３０と同様な導電型でドープすることができる。ある実施例においては、ドープされた緩衝層８２０は、デバイス８００から取り去ることができる。
選択成長マスク８２５は、緩衝層８２０上に形成された選択成長マスク１３５及び／又は４３５（図１−２及び図４−５を参照）と同様な選択成長マスクとすることができる。種々の実施例において、選択成長マスク８２５は、基板８１０上に直接形成することができる。選択成長マスク８２５は、多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの選択的な成長を定める。選択成長マスク８２５は、適宜の絶縁材料、又は本技術の通常の熟練者に知られたその他のマスク材料より形成することができる。
ドープされたナノワイヤーコア８３０は、２相成長モードを使用して形成された図１−２及び図４−７に示された多数のナノワイヤーの適宜のナノワイヤーを使用することができる。ドープされたナノワイヤーコア８３０は、シリコン、ゲリマニウム、セレン、硫黄及びテルルのような種々の不純物によるドーピングによりｎ型にすることがきで、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮより形成することができる。種々の実施例において、ドープされたナノワイヤーコア８３０は、ベリリウム、ストロンチウム、バリウム、亜鉛、又はマグネシウムを入れることによりｐ型とすることができる。本技術の通常の熟練者に知られるその他のドープ剤を使用することができる。種々の実施例において、ドープされたナノワイヤーコア８３０の高さは、能動構造デバイス８００の高さをほぼ定めることができる。例えば、ドープされたナノワイヤーコア８３０は、約１μｍから約１０００μｍの高さを持つことができる。
材料ＧａＮがドープされたナノワイヤーコア８３０用として使用されたとき、ドープされたナノワイヤーコア８３０は、非極性側壁面｛１１００｝（即ち、ｍ面）を持つことができる。これらの面におけるコアシェルの成長により、ＭＱＷシェル構造８５０を含んだシェル構造８３５を成長させることができ、そしてこのデバイス８００は圧電フィールドから影響されず、かつ組み合わせられた量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）から影響を受けない。
第１のドープされたシェル８４０は、パルス状成長が使用されたとき、例示のコアシェル成長によるドープされたナノワイヤーコア８３０の非極性側壁面から形成しこれを覆うことができる。例えば、第１のドープされたシェル８４０は、コアシェルヘテロ構造を形成しているドープされたナノワイヤーコア８３０のパルス状成長中に、少量のＡｌを添加することにより形成することができる。導電型の第１のドープされたシェル８４０及びドープされたナノワイヤーコア８３０は、例えば、ｎ型と同様に作ることができる。種々の実施例において、第１のドープされたシェル８４０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮを含むことができ、この場合ｘは、０．０５又は０．１０のような１．００より小さい任意の数とすることができる。
ＭＱＷシェル構造８５０は、パルス状成長モードが使用されたとき、例示のコアシェル成長により第１のドープされたシェル８４０の上に形成することができる。特に、ＭＱＷシェル構造８５０は、コアシェルヘテロ構造の形成を継続するために第１のドープされたシェル８４０のパルス状成長中に少量のＡｌ及び／又はＩｎを添加することにより形成することができる。種々の実施例において、ＭＱＷシェル構造８５０は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとＧａＮとの交互の層を含むことができ、この場合、ｘは、例えば、０．０５又は１．００より小さい任意の別の数とすることができる。また、ＭＱＷシェル構造８５０は、例えばＩｎｘＧａＮ１−ｘとＧａＮとの交互の層を含むことができ、この場合、ｘは、例えば、約０．２０から約０．４５の範囲の任意の数とすることができる。
第２のドープされたシェル８６０は、ＭＱＷシェル構造８５０上に形成することができる。第２のドープされたシェル８６０は、十分な厚さ、例えば約５００ｎｍから約２０００ｎｍを有しＭＱＷシェル構造８５０用の緩衝層として使用することができる。第２のドープされたシェル８６０は、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮより形成でき、この場合、ｘは、０．２０又は０．３０のような１．００より小さい任意の数とすることができる。第２のドープされたシェル８６０は、第３のドープされたシェル８７０と同様に導電型でドープすることができる。
第３のドープされたシェル８７０は、能動構造デバイス８００の上を覆うように第２のドープされたシェル９６０からコアシェルの成長を続けることにより形成することができる。第３のドープされたシェル８７０は、例えば、ＧａＮより形成され、そしてｎ型又はｐ型になるようにドープされる。種々の実施例において、第１のドープされたシェル８３０がｎ型のシェルであるとすると、第２のドープされたシェル８６０及び／又は第３のドープされたシェル８７０をｐ型シェルとすることができる。この関係は逆にすることができる。種々の実施例において、第３のドープされたシェル８７０は、約５０から約５００ｎｍの厚さを持つことができる。
種々の実施例において、図８に示されたコアシェル能動構造デバイス８００は、ウエーハのような大きい面積内に多数のデバイス８００が含まれるとき、これらを互いに電気的に絶縁することができる。図９は、本発明の教示に従って図８に示された各コアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を絶縁するように蒸着された絶縁材料９１０を含んでいる能動構造デバイス９００を示す。
図９に示されるように、絶縁材料９１０は選択成長マスク８２５上に成長させ、そしてシェル構造８３５の側壁、より特別には第３のドープされたシェル８７０の側壁と横方向に連結させることができる。種々の実施例において、絶縁材料９１０は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）、又はその他の絶縁材料のような適宜の電気絶縁材料とすることができる。幾つかの実施例においては、絶縁材料９１０を固化可能な絶縁材とすることができる。絶縁材料９１０は、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）又はスピンオン技術により希望の高さ又は厚さに成型することができる。種々の実施例において、絶縁材料９１０の高さ／厚さは、本技術の通常の熟練者に知られるエッチング又はリフトオフ法を使用して、蒸着された絶縁材料の頂部から絶縁材料の一部分を取り去ることにより、更に調節することができる。絶縁座料９１０の厚さは、コアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動デバイスが使用される特別な応用に応じて調節することができる。
種々の実施例において、ＭＱＷ能動シェル構造は、これをパルス状成長ナノワイヤーの非極性側壁上に作ることができるので、図８−９に示されたコアシェル成長により種々のナノワイヤーＬＥＤ及びナノワイヤーレーザーを形成することができる。例示のＬＥＤ又はレーザーの放射波長をλとしたとき、例えば、ナノワイヤーがλ／２に等しいピッチを有する六角形アレイに配列されるならば、ナノワイヤーのアレイは発光作用を刺激するように光学的フィードバックを提供することができる。図１０−１２は、本発明の教示に従って図８−９に示された構造に基づいて形成された例示のナノスケールの能動デバイスを示す。
図１０Ａ−１０Ｃは、本発明の教示に従って図８−９に示されたコアシリコンナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使用している例示のナノワイヤーＬＥＤデバイス１０００を示す。
種々の実施例において、ナノワイヤーＬＥＤデバイス１０００は、例えば、デバイス９００上に形成された電気コンタクトを含んで作ることができる。電気コンタクトは、本技術の通常の熟練者に知られる技術を用いて、Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、Ａｌ又はＡｕのような多くの多層組合せにおけるチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、又は金（Ａｕ）のような金属から形成された導電構造を含むことができる。
図１０Ａにおいて、デバイス１０００は、デバイス９００の表面、即ち、絶縁材料９１０及びシリコン構造８３５の第３のドープされたシリコン８７０の各面に、デバイス９００の表面上に形成された導電構造１０４０を含むことができる。導電構造１０４０は、続いて作られるＬＥＤデバイス構造１０００のｐ電極に使用される透明層とすることができる。例示の実施例においては、導電構造１０４０（又はｐ電極）は、例えば、Ｔｉ／Ａｕの層状化された金属組合せとすることができる。
種々の実施例において、デバイス１０００は、調節された厚さ（又は高さ）を有する絶縁層１０１０を含むことができる。絶縁層１０１０の厚さを調整することにより、シェル構造８３５の側壁上に形成された導電構造１０４０（又はｐ電極）の大きさ（厚さ又は高さ）を、ナノワイヤー能動デバイスの希望の用途に従って調整することができる。例えば、厚い絶縁層１０１０は、導電構造１０４０（又はｐ電極）を、例えば、ナノワイヤーＬＥＤ及び／又はナノワイヤーレーザー用のコアシェル構造の能動デバイスの頂部に閉じ込めることができる。或いは、調整された薄い絶縁層１０１０のため、導電構造１０４０（又はｐ電極）は、より大きい厚さ又は高さ（即ち大きくされた大きさ）を持つことができ、これにより能動デバイスの抵抗を減らすことができる。しかし、種々の実施例において、導電構造１０４０（又はｐ電極）の厚さが大きくなるとレーザー共振器のような能動デバイスへの寄与が小さくなることが予想される。本技術の通常の熟練者に知られるように、導電構造１０４０（又はｐ電極）の最適の性能は、期待される共振器の損失と能動デバイスの抵抗の減少とのバランスにより達成することができる。
種々の実施例において、例示のＬＥＤデバイス１０００のシェル構造８３５の側壁に沿った導電構造１０４０（又はｐ電極）の厚さは、高効率性能のために約１μｍから約９μｍの範囲とすることができる。種々の実施例において、ＬＥＤデバイス１０００は、例えば、約１０μｍの全高を持つことができる。
図１０Ｂにおいて、デバイス１０００は、ｐ電極１０４５、絶縁部１０１５、及び選択成長マスク８２５内にエッチングされたトレンチ１０３５を有する選択接触マスク１０２５を更に含むことができる（図１０Ａを参照）。
ｐ電極１０４５及び下にある絶縁部１０１５は、導電構造１０４０と絶縁層１０１０とを、パターンを描きエッチングすることより形成することができる（図１０Ａを参照）。その結果、選択成長マスク８３５の表面の諸部分（図示せず）が露出され、そして各コアシェル構造の両側において絶縁部１０１５により分離される。パターンの描画及びエッチング工程の後、選択成長マスク８２５の表面の露出部分を通ってトレンチ１０３５を形成することにより選択接触マスク１０２５が形成される。この場合、コアシェル構造の各面が少なくも１個のトレンチ１０３５を含むことができる。その結果として、下にある緩衝層８２０の表面部分をトレンチ１０３５の底面として使うことができる。
種々の実施例において、選択接触マスク１０２５の厚さは、ＬＥＤデバイス１０００の性能に対して決定的である。例えば、３０ｎｍの厚さを有する窒化ケイ素の選択成長マスクは、ＬＥＤデバイス１０００の破壊前、約２０ボルト又はそれ以上の電圧を支持するに十分な厚さである。種々の実施例において、選択接触マスク１０２５は、約３０ｎｍ又はこれ以下の厚さを持つことができる。しかし、本技術の通常の熟練者は、より厚い選択成長マスクを、ナノワイヤー及びナノワイヤー能動デバイスの工程に容易に適応させ得ることを理解するであろう。
図１０Ｃにおいて、デバイス１０００は、ドープされた緩衝層８２０とナノワイヤーコア８３０とを含んだ中央導電領域とｎ側のコンタクトとの間の導電を確保するために形成されたｎ電極１０８０を含むことができる。中央導電領域は、例えば、多量にドープされたｎ＋ＧａＮ領域とすることができる。種々の実施例において、ｎ電極１０８０は、選択接触マスク１０２５の各面の上及びトレンチ１０３５の底部に導電材料を蒸着させることにより形成された導電構造を持つことができる。例示の実施例においては、ｎ電極１０８０は、例えば、Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕのような層状化された金属の組合せで形成することができる。
図１０ＣのナノワイヤーＬＥＤデバイス１０００の得られた光は、１０９９において青及び緑の波長に対して透明な基板８２０を通して引き出すことができる。種々の実施例において、ナノワイヤーＬＥＤデバイス１０００は十分な回折に対して十分に小さいため、デバイス１０００の頂部において、より拡散した光出力が生じ得る。この拡散光出力は、ある種の固体発光の応用に有利である。
この方法で、開示されたナノワイヤーＬＥＤデバイス１０００は、伝統的なＬＥＤデバイスと比較して特有の性質を提供することができる。第１、通常の平らなＬＥＤ構造と比較して、コアシェル成長能動領域の面積（即ち、ＭＱＷ能動シェル面積）を、例えば約１０倍に増加させ得るため、より高い明るさを有することができる。第２、ＬＥＤの出力効率を増加させるように光の取出しを改善することができる。これは、ＬＥＤデバイスの形状を、能動領域の面積の大部分をウエーハ面、即ち基板の面に直角に指向させるように作り得るためである。ＭＱＷ能動領域のどの側の閉じ込め領域もＬＥＤ光を垂直方向に案内する傾向を持つことができる。第３、多数のナノワイヤー及びナノワイヤーアレイの各の位置及び直径が極めて正確であるため、得られるＬＥＤデバイス１００のアレイもフォトニック結晶として構成することができ、これが、更に光出力結合効率を改良する。第４、電気接触面積、例えば、ｐ電極１０４５の接触面積の増加のため、ナノワイヤーＬＥＤの抵抗を非常に小さくすることができる。最後に、ＬＥＤデバイス１０００が高度の明るさを有する特定化された光出力を提供するので、与えられたウエーハについてより多数のデバイスを加工することができる。これが製造費用を低下させかつ製造効率を高くする。例えば、金属接触を許すように、ＬＥＤデバイス１０００は、例えば、約１００μｍのピッチ間隔（即ち、２個の隣接するナノワイヤーデバイス間の中心間間隔）を持つことができる。１０１．６ｍｍ（４インチ）ウエーハは、同時に製造し得る多数の、例えば約７８万個又はそれ以上のナノワイヤーＬＥＤデバイス１０００を含むことができる。種々の実施例において、１個の１０１．６ｍｍ（４インチ）ウエーハが１００万個以上のＬＥＤデバイス１０００を収容し得るようにピッチ間隔を更に小さくすることができる。
図１１−１２は、本発明の教示により図８−１０に示されたコアシェル成長ナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使用した例示のナノワイヤーレーザーデバイスを示す。ナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイの側面は単原子層の尺度の平面度を有する正確な｛１１００｝面であるため、これら超平面の「側壁構造」上にレーザーデバイス用の高品質ＭＱＷ能動領域を形成することができる。加えて、側壁面の垂直な指向方向及びナノワイヤーの均一な周期性と長さが、光共振器を形成するための面の高生産量のエッチング又はへき開方法を提供することができる。均一な周期性のため、フォトニック結晶の光共振器素直に確立することができる。
図１１に示されるように、ナノワイヤーレーザーデバイス１１００は、レーザー能動構造としてコアシェル成長ナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使用している図８−１０で説明された工程で作ることができる。ナノワイヤーレーザーデバイス１１００は、研磨されたシェル構造１１３５、研磨されたｐ電極１１４５、及びレーザー能動構造を覆うように研磨されたシェル構造１１３５及び研磨されたｐ電極１１４５の各表面上に形成されたパッシベーション層１１９５を含むことができる。
研磨されたシェル構造１１３５及び研磨されたｐ電極１１４５は、図１０Ｃに示されるようにコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造（即ち、レーザーデバイス構造）の（底の端部としての基板８１０に関して）上の端部における研磨（即ち、除去）により形成することができる。機械的な支持体としてエッチされた絶縁部１０１５を使用して種々の研磨方法、例えば、化学的、機械的な研磨）を使用することができる。
研磨段階は、ナノワイヤーレーザーデバイス１１００の製造を減少させることなく同時に多数のレーザー面を研磨するために使用される。高製造効率のために、例えば、約７８万又はそれ以上のような多数のナノワイヤーレーザーデバイス１１００を１０１．６ｍｍ（４インチ）ウエーハ上に形成することができる。種々の実施例において、１個の１０１．６ｍｍ（４インチ）ウエーハが、例えば、１００万以上のレーザーデバイス１１００を収容できるように、ピッチ間隔を更に小さくすることができる。
種々の実施例において、研磨されたシェル構造１１３５の側壁に沿って形成された研磨されたＰ電極１１４５の大きさ（例えば、厚さ又は高さ）は、レーザーデバイス１１００の最適性能のために、下にあるエッチされた絶縁部１０１５の厚さを調整することにより調整することができる。種々の実施例において、図１１に示された研磨されたシェル構造１１３５の側壁に沿って研磨されたＰ電極１１４５の厚さは、全高が約１０μｍのとき、約１μｍから約５μｍの範囲とすることができる。
パッシベーション層１１９５は、各レーザー能動構造の研磨された頂端部に、即ち、研磨されたｐ電極１１４５及び研磨されたシェル構造１１３５の各面に形成することができる。パッシベーション層１１９５は、ナノワイヤーレーザーデバイス１１００の不当な非放射性再結合又は接続漏洩を避けるように構成することができる。種々の実施例において、パッシベーション層１１９５は、例えば、本技術の通常の技術者に知られる適宜の絶縁材料から、約１０から１００ｎｍの厚さで形成することができる。
幾つかの実施例において、ナノワイヤーの共振器（即ち、ナノワイヤーコア８３０）を囲んでいる研磨されたシェル構造１１３５に使用される材料の構成及び屈折率は、１１９９における光レイジング工程に影響を与える。例えば、ナノワイヤーが約２００ｎｍの例示の直径を有するときは、光レイジングモードの内の幾つかを共振器の外に置くことができる。従って、レーザーは、共振器を囲んでいる材料の構成及び屈折率に対して、即ち、研磨されたシェル構造１１３５の各層に使用された材料に対して、より敏感にすることができる。
別の実施例において、レーザー光共振器（即ち、ナノワイヤーコア８３０）には物理的な下方の面はないので、選択成長マスク１０２５の近傍における有効屈折率の変化があり得る。この屈折率の変化は、光レイジングモードの幾つかが共振器の外側に存在し得ることにより支援される（即ち、より大きくされる）。例示の一実施例においては、ナノワイヤーレーザーデバイス１１００（図１１を参照）は、反射を最大にするように選択接触マスク１０２５の厚さを調整することにより光で調節することができる。例えば、レーザーデバイス１１００用の選択接触マスク１０２５の光学的厚さは、デバイスが４５０ｎｍの青い光を出しているとき、約２２０ｎｍから約２３０ｎｍの範囲とすることができる。
図１２は別の例示のレーザーデバイス１２００を示し、これにおいては、ドープされた緩衝層８２０が図１１に示されるレーザーデバイス１１００の２層の間に配置されるのとは逆に、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラースタック１２２０を基板８１０の層と選択成長マスク１０２５との間に配置することができる。
ＤＢＲミラースタック１２２０は、エピタキシャルＤＢＲミラースタックとすることができる。ＤＢＲミラースタック１２２０は、例えば、ＧａＮ及びＡｌＧａＮの１／４波長交互層を含むことができる。種々の実施例において、ＤＢＲミラースタック１２２０は、反射性を改良しかつレーザー１２９９の共振器のＱを増加させるように同調させることができる。
種々の実施例において、図１０−１２に示された全てのナノワイヤー能動デバイスは、ヘテロ構造のおり抵抗の大きいｐ電極（例えば、ｐ電極１０４５及び／又は１１４５）を、各コアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造の外周である大きい面積に置くことができるので、低いデバイス抵抗を提供することができる。例えば、（図１０に示された）ＬＥＤデバイス１０００については、ｐ電極１０４５は、デバイス抵抗を更に減らすようにデバイス１０００の頂部を完全に覆うようなパターンとすることができる。
１個のナノワイヤーが説明の目的で図８−１２に示されたが、本技術の通常の熟練者は、ナノスケールの能動デバイス用の（例えば、図１−６に示された）多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイは、これらを同時に大きい面積（例えばウエーハ全体）に導くことができる。
ここに明らかにされた本発明の明細及び実際から、本技術の熟練者には、本発明のその他の実施例が明らかであろう。明細及び諸例は例示のためだけのものであり、本発明の範囲及び精神は特許請求の範囲により示されることが意図される。
本発明の教示による製造の種々の段階における例示の半導体ナノワイヤーデバイスの断面図を示す。 本発明の教示による第２の例示の半導体ナノワイヤーデバイスを示す。 本発明の教示による２相成長モードを使用し多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイを形成するための例示の工程を示す。 本発明の教示による第３の例示の半導体ナノワイヤーデバイスを示す。 本発明の教示による第４の例示の半導体ナノワイヤーデバイスを示す。 本発明の教示による触媒の使用無しの２相成長モードによる多数の配列されたＧａＮナノワイヤーアレイのための例示の結果を示す。 本発明の教示による図１−６に示された多数のナノワイヤー及び／又はナノワイヤーアレイから形成されたＧａＮ基板構造を含む半導体デバイスの４種の例示の変更例を示す。 本発明の教示による例示のコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ（多量子井戸）能動構造を示す。 本発明の教示による別の例示のコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を示す。 本発明の教示による図８−９に説明されたコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使用して形成された例示のナノワイヤーＬＥＤデバイスを示す。 本発明の教示による図８−９に説明されたコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使用している例示のナノワイヤーレーザーデバイスを示す。 本発明の教示による図８−９に説明されたコアシェルナノワイヤー／ＭＱＷ能動構造を使用している別の例示のナノワイヤーレーザーデバイスを示す。

Claims (25)

  1. 基板の複数の部分を露出させるパターン化された複数の開口を有する選択成長マスクを基板上に形成する工程、
    パターン化された各開口に露出された基板の複数の部分の各々において半導体材料を成長させるために選択非パルス状成長モードを使用する工程、
    非パルス状成長モードからパルス状成長モードへの成長モードの転換を行う工程、及び
    半導体材料のパルス状成長モードを継続することにより複数の半導体ナノワイヤーを形成する工程、を有するナノワイヤーの製造方法。
  2. 基板が、支持用基板面上に緩衝層を備え、そして半導体材料が緩衝層のパターン化された複数の開口を通って選択的に成長する請求項１記載の方法。
  3. 基板が、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ及びＧａＡｓよりなるグループから選定された１種又はそれ以上の材料からなる請求項１又は２記載の方法。
  4. 半導体材料の選択非パルス状成長より前に１回又はそれ以上の洗浄工程を更に有する請求項１又は２記載の方法。
  5. パターン化された複数の開口が、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの直径及び約５０ｎｍから約１０μｍのピッチを有する六角形のアレイを形成する請求項１又は２記載の方法。
  6. 複数の半導体ナノワイヤーの各々とパターン化された複数の開口の各々との断面の特徴が実質的に同様である請求項１又は２記載の方法。
  7. 断面の特徴が、多角形、長方形、正方形、長円形、及び円形よりなるグループから選定された形状である請求項６記載の方法。
  8. 半導体材料の成長が選択成長マスクの頂部の上に突き出す前に、非パルス状成長モードからパルス状成長モードへの成長モードの転換を行う工程が行われる請求項６記載の方法。
  9. 複数の半導体ナノワイヤー用の半導体材料が、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮよりなるグループから選定された１種又はそれ以上の材料よりなる請求項１又は２記載の方法。
  10. 選択成長が、約１００から約５００の範囲のＩＩＩ族／Ｖ族の比を有するＩＩＩ族及びＶ族の前駆物質ガスを有する請求項１又は２記載の方法。
  11. パルス状成長が、成長反応装置炉にＩＩＩ族及びＶ族の半導体材料の前駆物質ガスを、１個又はそれ以上のシーケンスループで交互に導入することを有し、この際に、前駆物質ガスが約６０から約３００の範囲のＩＩＩ族／Ｖ族の比を有する請求項１又は２記載の方法。
  12. パルス状成長が、約２μｍ／ｈｒ又はそれ以上の垂直方向成長速度を有する請求項１又は２記載の方法。
  13. 複数のナノワイヤーの各々が約１０ｎｍから約１００μｍの長さを有する請求項１又は２記載の方法。
  14. 選択成長マスクの表面に部分的に配置された複数の截頭ピラミッド状のナノ構造を形成するために、半導体材料の成長が選択成長マスクの頂部上に突き出た後で、非パルス状成長モードからパルス化成長モードへの転換の工程が行われ；更に
    複数のナノワイヤーを形成する工程が、半導体ナノワイヤーの断面の特徴と複数のピラミッド状ナノ構造の各の頂部の面の特徴とが実質的に同様であるように半導体材料のパルス状成長を継続することにより、複数のピラミッド状ナノ構造の各々に半導体ナノワイヤーを形成することを有する
    請求項１又は２記載の方法。
  15. 半導体ナノワイヤーが、パターン化された複数の開口の各々より小さい断面寸法を有する請求項１４記載の方法。
  16. 多数の選定された表面領域を備えた支持体と、支持体の複数の選定された表面領域の各々に連結されかつこれから伸びているＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーとを有し、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーが単一の方向に沿って指向され、かつ複数の選定された表面領域の一つの断面の特徴を維持している、請求項１又は２記載の方法により形成されたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーアレイ。
  17. （０００１）結晶軸方向に沿って指向されたＧａＮナノワイヤーを更に有する請求項１６記載のナノワイヤーアレイ。
  18. ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮよりなるグループから選定された１種又はそれ以上の材料よりなる請求項１６記載のナノワイヤーアレイ。
  19. ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーが、多角形、長方形、正方形、長円形、及び円形よりなるグループから選定された１種又はそれ以上の断面形状を有する請求項１６記載のナノワイヤーアレイ。
  20. ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーが、約１００又はそれ以上のアスペクト比及び約２５０ｎｍ又はそれ以下の断面寸法を更に有する請求項１６記載のナノワイヤーアレイ。
  21. 支持体が、基板上に配置された選択成長マスクを通して基板の複数の部分の各々に配置されたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーの核を有し、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーの核の表面が支持体の複数の選定された表面領域の一つを有する請求項１６記載のナノワイヤーアレイ。
  22. 支持体が、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーの核から形成されかつ選択成長マスク上に部分的に配置されたピラミッド状のＩＩＩ族窒化物ナノ構造を更に有し、ピラミッド状のＩＩＩ族窒化物ナノ構造の頂部の面が支持体の複数の選定された表面領域の一つを有する請求項２１記載のナノワイヤーアレイ。
  23. 基板、
    基板の複数の部分を露出させるパターン化された複数の開口を有する前記基板上の選択成長マスク、及び
    基板の多数の部分の各に連結されかつこれから伸びているＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーを有し、前記ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーは、単一の方向に沿って指向されかつ多数の選定された表面領域の一つの断面の特徴を維持し、更に選択成長マスクの頂部の上に伸びているＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーアレイ。
  24. 複数のＧａＮナノワイヤーの各々が無欠陥である複数のＧａＮナノワイヤーを有する請求項１又は２記載の方法により形成されるナノワイヤーアレイ、及び
    複数のＧａＮナノワイヤーから合体され約１０７／ｃｍ−２又はこれ以下の欠陥密度を有するＧａＮ薄膜
    を有するＧａＮ基板構造。
  25. 請求項１又は２の方法により形成された多数のナノワイヤーを有する基板。
JP2008558549A 2006-03-10 2007-03-09 ナノワイヤーの製造方法、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤーアレイ、及びＧａＮ基板構造 Active JP5592610B2 (ja)

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