DE112014004968T5

DE112014004968T5 - Lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112014004968T5
Application number: DE112014004968.9T
Authority: DE
Inventors: Yeon-Woo Seo; Jung-Sub KIM; Young Jin Choi; Denis SANNIKOV; Han-kyu SEONG; Dae-Myung Chun; Jae Hyeok HEO
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-08-04
Also published as: KR101544772B1; CN105765741A; KR20150050284A; CN105765741B

Abstract

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung bereit, die aufweist: eine Basisschicht bestehend aus einem Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Isolierschicht, die auf der Basisschicht ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Öffnungen zum Freilegen von Teilflächen der Basisschicht aufweist; einen Nanokern, der an jedem der freigelegten Bereiche der Basisschicht ausgebildet ist, aus dem Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps besteht und einen oberen Endteil aufweist, der eine Kristallfläche besitzt, welche verschieden ist von einer Kristallfläche der Seitenfläche davon; eine aktive Schicht sowie eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die aufeinanderfolgend an der Oberfläche des Nanokerns ausgebildet sind; und eine stromsperrende Zwischenschicht, die an dem oberen Endteil des Nanokerns derart ausgebildet ist, dass sie zwischen der aktiven Schicht und dem Nanokern angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung, wie z. B. eine Leuchtdiode (LED), ist eine Vorrichtung, bei der darin enthaltene Materialien Licht emittieren. Bei einer LED wird durch Elektronen-Loch-Rekombination erzeugte Energie in davon abzustrahlendes Licht umgewandelt. LEDs werden weithin verwendet als Lichtquellen in Beleuchtungsvorrichtungen und in Anzeigevorrichtungen und als solche tendierte die Entwicklung davon dazu, sich zu beschleunigen.
Kürzlich wurden als neue lichtemittierende Halbleitervorrichtungstechnologien lichtemittierende Halbleitervorrichtungen unter Verwendung von Nanostrukturen entwickelt. Lichtemittierende Halbleitervorrichtungen, welche Nanostrukturen verwenden, haben die Lichtausbeute signifikant verbessert, da eine lichtemittierende Fläche durch Nanostrukturen wesentlich vergrößert ist und sie eine verbesserte Kristallqualität besitzen. Außerdem kann eine Verschlechterung des Wirkungsgrades aufgrund piezoelektrischer Polung verhindert werden und können auch Statikeigenschaften verbessert werden.
Jedoch kann bei einer Nanostruktur eine Spitze davon eine andere Kristallfläche als die anderen Flächen davon aufweisen und in diesem Fall kann, selbst in dem Fall, dass eine aktive Schicht unter gleichen Bedingungen gewachsen wird, die an der Spitze positionierte aktive Schicht eine andere Zusammensetzung aufweisen. Somit kann Licht mit einer Wellenlänge emittiert werden, die von der aus den anderen Bereichen verschiedenen. Zudem ist eine auf der Spitze gebildete Halbleiterschicht relativ dünn, wobei es eine hohe Wahrscheinlichkeit des Erzeugens eines Leckstroms gibt.
OFFENBARUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine neue lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung bereitstellen, die in der Lage ist, einen Leckstrom zu beseitigen, der in einer Nanostruktur verursacht wird, und eine Abweichung einer Wellenlänge des emittierten Lichtes zu verringern.
TECHNISCHE LÖSUNG
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform besitzt eine lichtemittierende Nanostruktur-Vorrichtung eine aus einem Nitrid-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildete Basisschicht, eine Isolierschicht, die auf der Basisschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von Öffnungen besitzt, von denen jede einen Abschnitt der Basisschicht freilegt, eine Mehrzahl von Nanokernen, die jeweils in der Mehrzahl von Öffnungen angeordnet sind und aus dem Nitrid-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, wobei jeder von der Mehrzahl von Nanokernen einen Spitzenabschnitt mit einer anderen Kristallfläche als die einer Seitenfläche besitzt, eine aktive Schicht und eine Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die nacheinander auf Oberflächen von jedem der Mehrzahl von Nanokernen angeordnet sind, und eine stromsperrende Zwischenschicht, die auf dem Spitzenabschnitt von jedem der Mehrzahl von Nanokernen zwischen jedem der Nanokerne und der aktiven Schicht angeordnet ist.
Die stromsperrende Zwischenschicht kann ein undotiertes Nitrid oder ein Nitrid aufweisen, das mit einer Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist.
Die stromsperrende Zwischenschicht kann eine Dicke von 50 nm oder mehr besitzen. Die stromsperrende Zwischenschicht kann eine Störstellenkonzentration von 1,0·10¹⁶/cm³ oder mehr besitzen.
Die Kristallfläche an der Seitenfläche jedes Nanokerns kann senkrecht zu einer oberen Fläche der Basisschicht sein.
Jeder der Nanokerne, die aktive Schicht sowie die Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps können einen Nitrid-Einkristall aufweisen und die stromsperrende Zwischenschicht kann einen Nitrid-Einkristall aufweisen. Die Seitenfläche von jedem der Nanokerne kann eine m-Ebene enthalten und die Oberfläche des Spitzenabschnittes kann eine r-Ebene enthalten.
Die Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung kann weiter eine ohmsche Kontaktelektrode aufweisen, die auf der Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform besitzt eine lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung eine aus einem Nitrid-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildete Basisschicht, eine Isolierschicht, die auf der Basisschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von Öffnungen besitzt, von denen jede einen Abschnitt der Basisschicht freilegt, eine Mehrzahl von Nanokernen, die jeweils in der Mehrzahl von Öffnungen angeordnet sind und aus dem Nitrid-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, wobei jeder von der Mehrzahl von Nanokernen einen Spitzenabschnitt mit einer Kristallfläche aufweist, welche verschieden ist von der einer Seitenfläche, eine aktive Schicht und eine Nitrid-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche nacheinander auf Oberflächen jedes der Mehrzahl von Nanokernen angeordnet sind und eine stromsperrende Zwischenschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist und auf einem dem Spitzenabschnitt von jedem der Mehrzahl von Nanokernen entsprechenden Bereich angeordnet ist.
In der stromsperrenden Zwischenschicht kann eine Dicke des Abschnittes auf einem Bereich, der der Seitenfläche von jedem der Mehrzahl von Nanokernen entspricht, geringer sein als eine Dicke des Abschnittes auf dem Bereich, der dem Spitzenabschnitt entspricht.
Die stromsperrende Zwischenschicht kann ein undotiertes Nitrid oder ein mit einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps dotiertes Nitrid aufweisen.
Die Dicke des Abschnittes auf dem Bereich, der dem Spitzenabschnitt entspricht, kann 50 nm oder mehr sein, und die Dicke des Abschnittes auf dem Bereich, der der Seitenfläche entspricht, kann 20 nm oder weniger sein.
Der Abschnitt auf einem Bereich, der der Seitenfläche entspricht, besitzt die gleiche Störstellenkonzentration wie der des Abschnittes auf dem Bereich, der dem Spitzenabschnitt entspricht, und die stromsperrende Zwischenschicht besitzt eine Störstellenkonzentration von 1,0·10¹⁶/cm³ oder mehr.
Die stromsperrende Zwischenschicht erstreckt sich zu der Isolierschicht. In diesem Fall ist bei der stromsperrenden Zwischenschicht die Dicke des Abschnittes auf dem Bereich, der dem Spitzenabschnitt entspricht, 50 nm oder mehr und die Dicke des Abschnittes auf dem Bereich, der der Seitenfläche entspricht, ist 5 nm bis 20 nm.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform besitzt eine lichtemittierende Nanostruktur-Vorrichtung eine Basisschicht, die aus einem Nitrid-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, eine Isolierschicht, die auf der Basisschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, von denen jede einen Abschnitt der Basisschicht freilegt, eine Mehrzahl von Nanokernen, die jeweils in der Mehrzahl von Öffnungen angeordnet sind und aus dem Nitrid-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, wobei jeder der Mehrzahl von Nanokernen einen Spitzenabschnitt mit einer Kristallfläche besitzt, die verschieden ist von der einer Seitenfläche, eine aktive Schicht und eine Nitrid-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die nacheinander auf Oberflächen jedes der Mehrzahl von Nanokernen angeordnet sind, und eine erste stromsperrende Zwischenschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist und auf einem Bereich, der dem Spitzenabschnitt jedes der Mehrzahl von Nanokernen entspricht, angeordnet ist, und eine zweite stromsperrende Zwischenschicht, die auf dem Spitzenabschnitt jedes der Mehrzahl von Nanokernen zwischen jedem der Nanokerne und der aktiven Schicht angeordnet ist.
Die zweite stromsperrende Zwischenschicht erstreckt sich zu der Isolierschicht und in der zweiten stromsperrenden Zwischenschicht ist eine Dicke des Abschnittes auf einem Bereich, welcher der Seitenfläche jedes der Mehrzahl von Nanokernen entspricht, geringer als eine Dicke eines Abschnittes auf einem Bereich, welcher dem Spitzenabschnitt entspricht.
Die erste stromsperrende Zwischenschicht weist ein undotiertes Nitrid oder ein mit einer Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiertes Nitrid auf, und die zweite stromsperrende Zwischenschicht weist ein undotiertes Nitrid oder ein mit einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps dotiertes Nitrid auf.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Ein aufgrund der lichtemittierenden Nanostrukturen erzeugter Leckstrom kann abgeschwächt sein. Insbesondere kann ein Leckstrom in einem Bereich, der in einem Spitzenabschnitt der lichtemittierenden Nanostruktur angeordnet ist, effektiv gesperrt werden, wodurch eine hocheffiziente lichtemittierende Halbleitervorrichtung bereitgestellt wird. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann außerdem ein zwischen einer Isolierschicht und einer Halbleiterschicht erzeugter Leckstrom verbessert sein. Außerdem, da nur ein Bereich der aktiven Schicht, der auf einer einzelnen Kristallfläche in einer lichtemittierenden Nanostruktur ausgebildet ist, an dem Emittieren von Licht teilnehmen kann, werden homogene optische Eigenschaften gefördert.
Die vorhergehenden technischen Lösungen und Wirkungen sind nicht auf die oben Beschriebenen beschränkt. Die vorhergehenden und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden offenbar anhand der obigen detaillierten Beschreibung der vorliegenden Offenbarung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht, welche eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 und 3 sind perspektivische Ansichten, die schematisch Beispiele eines Nanokerns darstellen, die bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
4 bis 8 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren eines Beispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen.
9 und 10 sind Draufsichten, welche verschiedene Beispiele einer Maske mit einer Öffnung mit verschiedenen Formen darstellen.
11 und 12 sind Querschnittsansichten, welche verschiedene Beispiele einer Maske mit einer Öffnung mit verschiedenen Formen darstellen.
13 und 14 sind schematische Ansichten, die eine Wärmebehandlung oder ein Nachwachsen darstellen, welches auf 7 anwendbar ist.
15 bis 19 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren des Bildens einer Elektrode bezüglich der in 8 dargestellten Vorrichtung darstellen.
20 bis 23 sind Querschnittsansichten, welche Verfahren zum Erhalten von Nanokernen darstellen, wobei die in 11 dargestellte Maske verwendet wird.
24 ist eine Rasterelektronenmikroskopie(SEM)-Fotografie, die erhalten wurde durch Abbilden einer bei einem experimentellen Beispiel verwendeten Maske.
25(a) und 25(b) sind SEM-Fotografien, die erhalten wurden durch Abbilden einer planaren Anordnung von Nanokernen und einer Querschnittsstruktur, welche unter Verwendung einer bei einem experimentellen Beispiel angewendeten Maske gewachsen wurde.
26(a) und 26(b) sind SEM-Fotografien, die erhalten wurden durch Abbilden einer planaren Anordnung von Nanokernen und einer Querschnittstruktur, die bei einem experimentellen Beispiel wärmebehandelt wurde.
27 ist eine Querschnittsansicht, welche eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
28 bis 30 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren eines weiteren Beispiels eines Herstellungsverfahrens einer lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen.
31 bis 35 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren eines Beispiels des Bildens einer Elektrode mit Bezug auf die in 30 dargestellte Vorrichtung darstellen.
36 bis 39 sind Querschnittansichten, welche Hauptverfahren eines Beispiels des Bildens einer Elektrode mit Bezug auf die in 30 dargestellte Vorrichtung darstellen.
40 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Package mit einer in 39 dargestellten lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung darstellt.
41 ist eine Querschnittansicht, welche eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
42 bis 44 sind Ansichten, welche Wellenlängenspektren gemäß einer Anwendung von Strom auf die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung darstellen, welche bei der Ausführungsform 1 bis Ausführungsform 3 erhalten werden.
45 ist ein Graph, der einen Effekt des Verbesserns eines Leckstroms der lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung darstellt, welcher bei Ausführungsform 2 erhalten wird.
46 ist ein Graph, der eine Änderung der Stromdichte über die Dotierkonzentration einer stromsperrenden Zwischenschicht darstellt.
47 ist ein Graph, der eine Änderung der Stromdichte über eine Dicke der stromsperrenden Zwischenschicht darstellt.
48 ist ein Graph, der eine Änderung der Stromdichte über eine Dicke und Dotierkonzentration der Stromsperrenden Zwischenschicht darstellt.
49 und 50 sind Ansichten, welche verschiedene Beispiele eines lichtemittierenden Halbleitervorrichtungs-Package darstellen, das eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet.
51 und 52 sind Ansichten, welche eine Hintergrundbeleuchtungseinheit darstellt, die eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet.
53 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung darstellt, welche ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet.
54 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel eines Scheinwerfers darstellt, der ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
Die Offenbarung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen erläutert werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier ausgeführten bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so vorgesehen werden, dass diese Offenbarung durchgehend und vollständig sein wird und dem Fachmann den Umfang der Offenbarung vollständig vermitteln wird. In den Zeichnungen sind Formen und Dimensionen zum Zwecke der Klarheit möglicherweise übertrieben.
1 ist eine Querschnittsansicht, welche eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Wie in 1 dargestellt ist, enthält eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 10 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform eine Basisschicht 12, die aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, sowie eine Mehrzahl von lichtemittierenden Nanostrukturen 15, die auf der Basisschicht 12 ausgebildet sind.
Die Basisschicht 12 kann auf einem Substrat 11 ausgebildet sein zum Bereitstellen einer Wachstumsfläche für die lichtemittierenden Nanostrukturen 15 und kann zum elektrischen Verbinden mit der Polung der einen Seite der lichtemittierenden Nanostrukturen 15 dienen.
Das Substrat 11 kann ein isolierendes, ein leitfähiges oder ein halbleitendes Substrat sein. Zum Beispiel kann das Substrat 11 ausgebildet sein aus Saphir, SiC, Si, MgAl₂O₄, MgO, LiAlO₂, LiGaO₂ oder GaN. Die Basisschicht 12 kann ein Nitrid-Halbleiter sein, welcher Al_XIn_yGa_1-x-yN (0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ x + y < 1) erfüllt und kann dotiert sein mit einer n-Typ-Störstelle, wie z. B. Silizium (Si), um einen bestimmten Leitfähigkeitstyp zu besitzen.
Eine Isolierschicht 13 kann auf der Basisschicht 12 mit Öffnungen H ausgebildet sein, welche lichtemittierenden Nanostrukturen 15 (insbesondere Nanokernen) ermöglichen, darin zu wachsen. Die Basisschicht 12 wird durch die Öffnungen freigelegt und Nanokerne 15a können in den freigelegten Bereichen gebildet werden. Die Isolierschicht 13 kann verwendet werden als eine Maske zum Wachsen der Nanokerne 15a. Die Isolierschicht 13 kann aus einem Isoliermaterial, wie z. B. SiO₂ oder SiN_x, welches bei einem Halbleiterverfahren verwendet wird, ausgebildet sein.
Die lichtemittierenden Nanostrukturen 15 können den Nanokern 15a enthalten, der aus einem Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, sowie eine aktive Schicht 15b und eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps 15c, welche nacheinander auf einer Oberfläche des Nanokerns 15a ausgebildet sind.
Der Nanokern 15a kann eine Nitrid-Halbleiterschicht sein, welche ähnlich zu der Basisschicht 12 n-dotiertes Al_xIn_yGa_1-x-yN (0 ≤ x <1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ x + y < 1) ist. Zum Beispiel kann der Nanokern 15a aus n-dotiertem GaN ausgebildet sein. Die aktive Schicht 15b kann eine Multi-Quantentopf(MQW)-Struktur besitzen, bei der Quantentopfschichten und Quantenbarriereschichten alternierend gestapelt sind. Zum Beispiel kann in einem Fall eines Nitrid-Halbleiters eine GaN/InGaN-Struktur verwendet werden. Die aktive Schicht 94 kann außerdem eine Einzelquantentopf(SQW)-Struktur besitzen. Die Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 15c kann ein Kristall sein, der p-dotiertes Al_XIn_yGa_1-x-yN (0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ x + y < 1) ist.
Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 10 kann eine Kontaktelektrode 16 enthalten, die mit der Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 15c einen ohmschen Kontakt bildet. Die Kontaktelektrode 16, welche bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform verwendet wird, kann aus einem transparenten Elektrodenmaterial ausgebildet sein, um Licht zu den lichtemittierenden Nanostrukturen (in der Richtung entgegengesetzt zu der Substratseite) zu emittieren. Zum Beispiel kann die Kontaktelektrode 16 aus einem transparenten Elektrodenmaterial, wie z. B. Indiumzinnoxid (ITO), ausgebildet sein und kann aus Graphen ausgebildet sein, je nach Bedarf.
Die Kontaktelektrode 16 kann Materialien wie z. B. Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au oder dergleichen enthalten und kann eine Struktur besitzen, die zwei oder mehr Schichten, wie z. B. Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag, Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt oder dergleichen enthält, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. Eine reflektierende Elektrodenstruktur kann als eine Flip-Chip-Struktur implementiert sein, je nach Bedarf.
Eine isolierende Schutzschicht 17 kann auf oberen Oberflächen der lichtemittierenden Nanostrukturen 15 ausgebildet sein. Die isolierende Schutzschicht 17 kann eine Passivierungsschicht sein, welche die lichtemittierenden Nanostrukturen 15 schützt. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform existiert ein Raum zwischen der Mehrzahl von lichtemittierenden Nanostrukturen selbst nachdem die Kontaktelektrode 16 gebildet wurde, so dass die isolierende Schutzschicht 17 derart ausgebildet sein kann, dass sie den Raum füllt. Die isolierende Schutzschicht 17 kann aus einem isolierenden Material wie z. B. SiO₂ oder SiN_x ausgebildet sein. Insbesondere kann die isolierende Schutzschicht 17 aus Tetraethoxysilan (TEOS), Borphosphorsilikatglas (BPSG), CVD-SiO₂, Spin-On-Glas (SOG) oder ein Spin-On-Dielektrikum(SOD)-Material ausgebildet sein, um den Raum zwischen den lichtemittierenden Nanostrukturen 15 zu füllen.
Jedoch ist das Füllen unter Verwendung der isolierenden Schutzschicht 17 nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann bei einer anderen Konfiguration ein Elektrodenelement, das mit der Kontaktelektrode 16 verknüpft ist, die Gesamtheit oder einen Abschnitt des Raumes zwischen den lichtemittierenden Nanostrukturen 15 auffüllen.
Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 10 kann eine erste und eine zweite Elektrode 19a und 19b enthalten. Die erste Elektrode 19a kann angeordnet sein in einem teilweise freiliegenden Bereich der Basisschicht 12, welche aus dem Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist. Außerdem kann die zweite Elektrode 19b angeordnet sein in einem freiliegenden Abschnitt eines verlängerten Bereichs der Kontaktelektrode 16.
Wie in 1 dargestellt, besitzt der Nanokern 15a einen Spitzenabschnitt T mit einer Kristallfläche, die verschieden ist von Oberflächen der anderen Bereiche. Wie in 1 dargestellt, kann der Spitzenabschnitt T anders als die Seitenfläche des Nanokerns 15 eine schräge Kristallfläche aufweisen. Zum Beispiel kann der Spitzenabschnitt T des Nanokerns 15 eine hexagonale Pyramidenform besitzen.
Eine stromsperrende Zwischenschicht 14 kann auf einer Oberfläche des Spitzenabschnittes T des Nanokerns 15a ausgebildet sein. Die stromsperrende Zwischenschicht 14 kann zwischen der aktiven Schicht 15b und dem Nanokern 15a angeordnet sein.
Die stromsperrende Zwischenschicht 14 kann ausgebildet sein aus einem Material mit hohen elektrischen Widerstand zum Sperren eines Leckstroms, der in dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 15a verursacht werden kann. Zum Beispiel kann die stromsperrende Zwischenschicht 14 eine Halbleiterschicht sein, die nicht willentlich dotiert ist oder kann eine Halbleiterschicht sein, die mit einer Störstelle eines zweiten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu dem des Nanokerns 15a dotiert ist. Zum Beispiel in einem Fall, bei dem der Nanokern 15a n-dotiertes GaN ist, kann die stromsperrende Zwischenschicht 14 undotiertes GaN oder mit einer p-Typ-Störstelle wie z. B. Magnesium (Mg) dotiertes GaN sein. Die stromsperrende Zwischenschicht 14 kann ein Bereich mit hohem Widerstand sein, der aus dem gleichen Material (z. B. GaN) ausgebildet ist, aber mit verschiedenen Dotierkonzentrationen oder Dotiermaterialien implementiert ist, ohne besonders unterschieden zu werden gegenüber einer benachbarten Schicht. Zum Beispiel kann GaN gewachsen werden, während eine n-Typ-Störstelle dazu geliefert wird, um den Nanokern 15a zu bilden und dabei kann durchgehend GaN gewachsen werden, während das Liefern der n-Typ-Störstelle verhindert wird oder während eine p-Typ-Störstelle, wie z. B. Magnesium (Mg), dazu geliefert wird, um eine gewünschte stromsperrende Zwischenschicht 14 zu bilden. Außerdem, während ein GaN-Nanokern 15a gewachsen wird, kann eine Quelle von Aluminium (Al) und/oder Indium (In) zusätzlich geliefert werden zum Bilden einer stromsperrenden Zwischenschicht 14, die aus einer unterschiedlichen Zusammensetzung Al_XIn_yGa_1-x-yN (0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ x + y < 1) ausgebildet ist.
Wenn die stromsperrende Zwischenschicht 14 als eine Halbleiterschicht ausgebildet ist, kann sie eine Dicke besitzen, die gleich oder größer als etwa 50 nm ist, um einen ausreichenden elektrischen Widerstand aufzuweisen. Die Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps der stromsperrenden Zwischenschicht 14 kann etwa 1,0·10¹⁶/cm³ oder mehr sein. In dem Fall der mit der Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps dotierten stromsperrenden Zwischenschicht 14 können eine Dicke und eine Konzentration davon geeignet implementiert sein, um komplementär zueinander zu sein. Zum Beispiel, wenn die Dicke gering ist, kann eine Dotierkonzentration erhöht sein, zum Sicherstellen des Widerstandes und umgekehrt.
Die stromsperrende Zwischenschicht 14, die bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform verwendet wird, wird beschränkt angeordnet nur auf dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 15a. Aufgrund der selektiven Abscheidung der stromsperrenden Zwischenschicht 14 trägt der auf der Oberfläche des Spitzenabschnittes T des Nanokerns 15a angeordnete aktive Bereich möglicherweise nicht wesentlich zu einer Lichtemission bei. So wird ein Stromfluss durch den Bereich der aktiven Schicht, der auf einer Seitenfläche des Nanokerns 15a ausgebildet ist, normalerweise garantiert, während ein Stromfluss durch den Bereich der aktiven Schicht, der auf dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 15a ausgebildet ist, durch die stromsperrende Zwischenschicht 14 gesperrt wird.
Auf diese Art und Weise, da nur der auf der gleichen Kristallfläche (Seitenfläche) ausgebildete Bereich der aktiven Schicht wesentlich zu einer Lichtemission beiträgt, kann selbst wenn der Bereich der aktiven Schicht, der auf der verschiedenen Kristallfläche (Spitzenabschnitt) angeordnet ist, ein anderes Zusammensetzungsverhältnis aufweist, ein Einfluss davon auf eine Wellenlänge des emittierten Lichtes (z. B. eine Zunahme in einer Halbwärtsbreite) minimiert werden, und als ein Ergebnis kann eine gewünschte Wellenlänge des emittierten Lichtes genau geplant werden.
Ein Einfluss einer Kristallfläche eines Nanokerns, die bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform verwendet wird, wird im Detail beschrieben werden mit Bezug auf die 2 und 3. Ein in 2 gezeigter Nanokern 25 kann unterteilt werden in einen Hauptteil M, der eine Seitenfläche mit einer ersten Kristallfläche vorsieht, und einen Spitzenabschnitt T, der eine Oberfläche mit einer zweiten Kristallfläche verschieden von der ersten Kristallfläche in Abhängigkeit von Wachstumsrichtungen vorsieht.
In einem Fall, bei dem der Nanokern 25 eine Kristallstruktur mit einem hexagonalen System besitzt, wie z. B. ein Nitrid-Einkristall, kann eine erste Kristallfläche eine nicht-polare Ebene (m-Ebene) sein, und kann die zweite Kristallfläche eine Mehrzahl von nicht-polaren Ebenen (r-Ebenen) sein. Ähnlich dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Nanokern 15a kann der Nanokern 25 eine Säulenstruktur besitzen, bei der der Spitzenabschnitt T eine hexagonale Pyramidenform besitzt.
Selbst in dem Fall, bei dem eine aktive Schicht auf der Oberfläche des Nanokerns 25 unter Verwendung des gleichen Verfahrens gewachsen wird, variieren die Zusammensetzungen der aktiven Schicht (insbesondere der Gehalt an Indium, wenn eine InGaN-Schicht gewachsen wird) aufgrund des Unterschieds zwischen den Eigenschaften der jeweiligen Kristallflächen, und eine Wellenlänge des Lichts, das von dem auf der Oberfläche (r-Ebene) des Spitzenabschnitts des Nanokerns 25 gewachsenen aktiven Schichtabschnitts erzeugt wird, und eine Wellenlänge des Lichts, das von der Seitenfläche (m-Ebene) des Nanokerns 25 erzeugt wird, kann verschieden sein. Als Folge ist eine Halbwertsbreite der Wellenlänge des emittierten Lichts verschieden, was es schwierig macht, Licht mit einer gewünschten Wellenlänge genau zu planen. Da außerdem Halbleiterschichten (aktive Schicht und Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps) an dem Spitzenabschnitt als eine nicht-polare Ebene relativ dünn gewachsen werden, kann ein Leckstrom konzentriert sein.
Um dieses Problem zu lösen, wird wie in 1 dargestellt die stromsperrende Zwischenschicht 14 an dem Spitzenabschnitt des Nanokerns gebildet zum Verringern eines Leckstroms, um eine Lichtausbeute zu erhöhen, und da der aktive Schichtabschnitt, der an dem Spitzenabschnitt positioniert ist, nicht aktiv ist beim Emittieren von Licht, kann eine Wellenlänge des emittierten Lichts genau geplant werden.
Neben dem in 2 dargestellten Nanokern kann die vorhergehende stromsperrende Zwischenschicht auch vorteilhaft angewendet werden auf Nanokerne mit verschiedenen Kristallstrukturen und Formen, bei denen ein bestimmter Bereich eine unterschiedliche Kristallfläche besitzt. Zum Beispiel kann wie in 3 dargestellt die stromsperrende Zwischenschicht in ähnlicher Art und Weise angewendet werden, selbst wenn der Spitzenabschnitt des Nanokerns keine nicht-polare Ebene besitzt.
Wie in 3 dargestellt, besitzt ein Nanokern 25' ähnlich zu dem Fall aus 2 einen Hauptteil M, der mit einer Seitenfläche mit einer ersten Kristallfläche m vorgesehen ist, während ein Spitzenabschnitt T eine Kristallfläche c' verschieden von der ersten Kristallfläche m besitzt, aber es ist keine vollständig nicht-polare Ebene.
Selbst bei dieser Konfiguration kann eine aktive Schicht verschiedene Zusammensetzungen besitzen und können gewachsene Halbleiterschichten verschiedene Dicken aufweisen aufgrund des Unterschieds in den Eigenschaften der jeweiligen Kristallflächen, wodurch verschiedene Wellenlängen des emittierten Lichts bewirkt werden und ein Leckstrom resultiert. In diesem Fall kann durch Anwenden der stromsperrenden Zwischenschicht 14 wie oben beschrieben mit Bezug auf 1 auf den Spitzenabschnitt T des Nanokerns 25' vor dem Wachsen einer aktiven Schicht ein Stromfluss von dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 25' zu der aktiven Schicht unterdrückt werden. Als Ergebnis kann ein durch Erzeugen eines Leckstroms und eines Unterschieds in Wellenlängen des emittierten Lichts bewirktes Problem angegangen werden, um eine hocheffiziente lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung bereitzustellen.
Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann hergestellt werden durch verschiedene Herstellungsverfahren. 4 bis 8 stellen ein Beispiel eines Verfahrens des Herstellens einer lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung dar, insbesondere stellen sie ein Verfahren des Wachsens von Nanokernen derart dar, dass die Nanokerne aufgebracht werden mit einer Maske als einer Formstruktur.
Wie in 4 dargestellt kann ein Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps auf einem Substrat 31 gewachsen werden zum Bereitstellen einer Basisschicht 32. Die Basisschicht 32 stellt eine Kristallwachstumsfläche zum Wachsen von lichtemittierenden Nanostrukturen bereit und dient dem elektrischen Verbinden von Polaritäten der einen Seiten der lichtemittierenden Nanostrukturen. Somit kann die Basisschicht 32 als ein Halbleiter-Einkristall mit elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet werden. Wenn die Basisschicht 32 direkt gewachsen wird, kann das Substrat 31 ein Kristallwachstumssubstrat sein. Bevor die Basisschicht 32 gewachsen wird, kann zusätzlich eine Mehrfachschichtstruktur mit einer Pufferschicht aus Al_XIn_yGa_1-x-yN (0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ x + y < 1) auf dem Substrat 31 gebildet werden. Die Mehrfachschichtstruktur kann Zwischenschichten bestehend aus einer undotierten GaN-Schicht und einer AlGaN-Schicht oder Kombinationen davon enthalten, wodurch ein Leckstrom zu der Pufferschicht von der Basisschicht 32 verhindert wird und eine Kristallqualität der Basisschicht 32 erhöht wird.
Anschließend wird wie in 5 dargestellt eine Maske 33 mit einer Mehrzahl von Öffnungen H und mit einer Ätzstoppschicht auf der Basisschicht 32 gebildet.
Die bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform verwendete Maske 33 kann eine erste auf der Basisschicht 32 ausgebildete erste Materialschicht 33a und eine zweite Materialschicht 33b enthalten, die auf der ersten Materialschicht 33a ausgebildet ist und eine Ätzrate größer als die der ersten Materialschicht 33a aufweist.
Die erste Materialschicht 33a kann als die Ätzstoppschicht vorgesehen sein. So besitzt die erste Materialschicht 33a eine Ätzrate, die geringer ist als die der zweiten Materialschicht 33b unter Ätzbedingungen der zweiten Materialschicht 33b. Die erste Materialschicht 33a kann zumindest aus einem Material ausgebildet sein, das elektrisch isolierende Eigenschaften besitzt, und je nach Bedarf kann außerdem die zweite Materialschicht 33b aus einem isolierenden Material ausgebildet sein.
Die erste und die zweite Materialschicht 33a und 33b können aus verschiedenen Materialien gebildet werden, um eine gewünschte Differenz der Ätzraten zu erhalten. Zum Beispiel kann die erste Materialschicht 33a aus einem SiN-basierten Material gebildet werden, während die zweite Materialschicht 33b aus SiO₂ gebildet wird. Alternativ kann eine Differenz der Ätzraten erreicht werden durch Ausnützen einer Lufteinschlussdichte. Die zweite Materialschicht 33b oder beide, die erste und die zweite Materialschicht 33a und 33b, können gebildet werden aus einem porösen Material, und ein Unterschied der Ätzraten zwischen der ersten und der zweiten Materialschicht 33a und 33b kann sichergestellt werden durch Einstellen eines Unterschiedes in der Porosität.
In diesem Fall können die erste und die zweite Materialschicht 33a und 33b aus dem gleichen Material gebildet werden. Zum Beispiel kann die erste Materialschicht aus SiO₂ mit einer ersten Porosität gebildet werden, und kann die zweite Materialschicht 33b aus SiO₂ aber mit einer zweiten Porosität größer als die erste Porosität gebildet werden. Dementsprechend kann unter Bedingungen, bei denen die zweite Materialschicht 33b geätzt wird, die erste Materialschicht 33a eine geringere Ätzrate als die der zweiten Materialschicht 33b besitzen.
Eine Gesamtdicke der ersten und der zweiten Materialschichten 33a und 33b kann entworfen werden unter Berücksichtigung der Höhe einer gewünschten lichtemittierenden Nanostruktur. Ein Ätzstoppniveau kann durch die erste Materialschicht 33a entworfen werden unter Berücksichtigung einer Gesamthöhe der Maske 33 von einer Oberfläche der Basisschicht 32. Nachdem die erste und die zweite Materialschicht 33a und 33b nacheinander auf der Basisschicht 32 gebildet wurden, wird eine Mehrzahl von Öffnungen H gebildet zum Freilegen des Bereichs der Basisschicht 32. Die Öffnungen H können durch ein Bilden von Fotoresist auf der Maskenschicht 33 und ein Durchführen von Lithografie sowie eines Nass-/Trocken-Ätzverfahrens daran gebildet werden. Eine Größe jeder Öffnung H kann geplant werden unter Berücksichtigung einer Größe einer gewünschten lichtemittierenden Nanostruktur. Zum Beispiel kann jede Öffnung H, welche die Oberfläche der Basisschicht 32 freilegt, eine Weite (Durchmesser) besitzen, die gleich oder kleiner als 600 nm ist, oder darüber hinaus in einem Bereich von 50 nm bis 500 nm ist.
Jede Öffnung H kann gebildet werden unter Verwendung eines Halbleiterverfahrens, und zum Beispiel kann jede Öffnung H mit einem hohen Aspektverhältnis gebildet werden unter Verwendung eines Tiefätzverfahrens. Das Aspektverhältnis jeder Öffnung H kann gleich oder größer als 5:1, oder außerdem gleich oder größer als 10:1 sein.
Während sie in Abhängigkeit von Ätzbedingungen variiert, kann jede Öffnung H im Allgemeinen in der ersten und der zweiten Materialschicht 33a und 33b eine Weite besitzen, welche zu der Basisschicht 32 hin abnimmt (siehe das experimentelle Beispiel und 24).
Im Allgemeinen wird ein Trockenätzverfahren verwendet als das Tiefätzverfahren, und können reaktive Ionen, die von einem Plasma oder von Ionenstrahlen erzeugt sind, welche in einem Hochvakuum erzeugt sind, verwendet werden. Verglichen mit Nassätzen erlaubt Trockenätzen Präzisionsbearbeitung an einer Mikrostruktur ohne geometrische Einschränkungen. Ein CF-basiertes Gas kann verwendet werden für ein Oxidschichtätzen der Maske 33. Zum Beispiel kann ein durch Kombinieren von zumindest einem von O₂ und Ar mit einem Gas wie z. B. CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈ oder CHF₃ erhaltenes Ätzmittel verwendet werden.
Eine planare Form und Anordnung der Öffnungen H kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Zum Beispiel können in einem Fall einer planaren Form die Öffnungen H derart realisiert werden, dass sie verschiedene Formen, wie z. B. polygonale, quadratische, ovale und kreisförmige Formen besitzen. Die in 5 dargestellte Maske 33 kann eine Anordnung von Öffnungen H mit einem runden Querschnitt wie in 9 dargestellt besitzen, aber die Maske 33 kann je nach Bedarf irgendwelche andere Formen und Anordnungen aufweisen. Zum Beispiel kann die Maske 33 eine Anordnung von Öffnungen mit einem regelmäßigen hexagonalen Querschnitt aufweisen, wie eine in 10 dargestellte Maske 33'.
Die in 5 dargestellten Öffnungen H können eine Säulenstruktur mit einem gleichbleibenden Durchmesser (oder Weite) besitzen, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt und die Öffnungen H können verschiedene andere Strukturen besitzen, welche ein geeignetes Ätzverfahren verwenden. Zum Beispiel sind in 11 und 12 Masken mit Öffnungen H dargestellt, welche verschiedene Formen besitzen. In dem Fall aus 11 kann eine Maske 43 mit einer ersten und einer zweiten Materialschicht 43a und 43b Öffnungen H mit einer Säulenform mit einem Querschnitt aufweisen, der zu einem oberen Abschnitt davon hin zunimmt. In dem Fall aus 12 kann eine Maske 43' mit einer ersten und einer zweiten Materialschicht 43a' und 43b' Öffnungen H mit einer Säulenform mit einem Querschnitt besitzen, der zu einem oberen Abschnitt davon hin abnimmt.
Danach wird wie in 6 dargestellt ein Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps auf den freigelegten Bereichen der Basisschicht 32 gewachsen zum Füllen der Mehrzahl von Öffnungen H, wobei dadurch eine Mehrzahl von Nanokernen 35a gebildet wird, und eine stromsperrende Zwischenschicht 34 wird anschließend auf Spitzenabschnitten T der Nanokerne 35a gebildet.
Der Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps der Nanokerne 35a kann ein n-dotierter Nitrid-Halbleiter sein und kann ein Material sein, das identisch ist zu dem des Halbleiters des ersten Leitfähigkeitstyps der Basisschicht 32. Zum Beispiel können die Basisschicht 32 und die Nanokerne 35a aus n-dotiertem GaN gebildet werden.
Ein Nitrid-Einkristall, welcher die Nanokerne 35a bildet, kann unter Verwendung einer metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder einer Molekularstrahlepitaxie (MBE) gebildet werden, und in diesem Fall wirkt die Maske 33 als eine Form für den gewachsenen Nitrid-Einkristall zum Bereitstellen von Nanokernen 35, die der Form der Öffnungen H entsprechen. So kann der Nitrid-Einkristall selektiv auf den Bereichen der Basisschicht 32 gewachsen werden, die durch die Öffnungen H freigelegt sind, kann in die Öffnungen H gefüllt (oder eingebracht) werden und der eingebrachte Nitrid-Einkristall kann eine Form besitzen, welche der der Öffnungen H entspricht.
Mit dem Belassen der Maskenschicht 33 so wie sie ist wird die stromsperrende Zwischenschicht 34 auf Oberflächen der Spitzenabschnitte T der Nanokerne 35a gebildet. Somit kann die stromsperrende Zwischenschicht 34 auf den gewünschten Spitzenabschnitten T leicht gebildet werden, sogar ohne Durchführen eines Verfahrens des Bildens einer zusätzlichen Maske.
Die stromsperrende Zwischenschicht 34 kann eine Halbleiterschicht sein, welche nicht willentlich dotiert ist, oder kann eine Halbleiterschicht sein, welche mit einer Störstelle eines zweiten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu dem der Nanokerne 35a dotiert ist. Zum Beispiel in einem Fall, bei dem die Nanokerne 35a n-dotiertes GaN sind, kann die stromsperrende Zwischenschicht 34 undotiertes GaN sein oder kann mit einer p-Typ-Störstelle wie z. B. Magnesium (Mg) dotiertes GaN sein. In diesem Fall können die Nanokerne 35a und die stromsperrende Zwischenschicht 34 durchgehend gebildet werden durch Ändern nur des Typs der Störstelle während des gleichen Wachstumsverfahrens. Auf diese Art und Weise werden das Verfahren des Bildens der stromsperrenden Zwischenschicht 34 und das Formverfahren kombiniert, um das Gesamtverfahren weiter zu vereinfachen.
Anschließend wird wie in 7 dargestellt die erste Materialschicht 33a, eine Ätzstoppschicht der Maske 33, entfernt, so dass Seitenflächen der Mehrzahl von Nanokernen 35a teilweise freigelegt werden.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann durch Anwenden eines Ätzverfahrens des selektiven Entfernens der zweiten Materialschicht 33b nur die zweite Materialschicht 33b entfernt werden, während die erste Materialschicht 33a belassen wird. Die verbleibende erste Materialschicht 33a kann dazu dienen, zu verhindern, dass die aktive Schicht 35b und die Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 35c verbunden werden mit der Basisschicht 32 in einem nachfolgenden Wachstumsverfahren.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann ein zusätzliches Wärmebehandlungsverfahren eingeführt werden während des Verfahrens des Bildens der lichtemittierenden Nanostrukturen unter Verwendung der Maske mit Öffnungen als eine Form, um Kristallinität zu verbessern.
Zuerst kann vor dem Bilden der stromsperrenden Zwischenschicht 34 ein Stabilisierungsverfahren (Wärmebehandlungsverfahren) durchgeführt werden während die Nanokerne 35a gewachsen werden zum Verbessern der Kristallqualität der Nanokerne 35a. So kann, wenn die Nanokerne 35a derart gewachsen sind, dass sie einen gewünschten Wachstumszwischenpunkt (eine Höhe in einem Bereich von etwa 0,2 μm bis 1,8 μm von der Basisschicht) erreicht haben, eine Versorgung mit einer TMGa-Quelle, einer Gruppe-III-Element-Quelle von GaN beendet werden, und eine Wärmebehandlung kann durchgeführt werden bei einer Temperatur (in einem Bereich von etwa 1000°C bis 1200°C), die ähnlich der des Substrats während des Wachstums ist, für etwa 5 Sekunden bis 5 Minuten in einer NH₃-Atmosphäre.
Außerdem, nachdem die Nanokerne 35a vollständig gewachsen sind und die obere Schicht 33b der Maske 33 entfernt ist, können die Oberflächen der Nanokerne 35a wärmebehandelt werden unter vorbestimmten Bedingungen zum Ändern einer Kristallfläche jedes Nanokerns 35a in eine stabile Fläche, welche vorteilhaft für ein Kristallwachstum ist, wie eine nicht-polare oder polare Kristallfläche. Dieses Verfahren wird mit Bezug auf die 13 und 14 geschrieben werden.
13 und 14 sind schematische Ansichten, welche eine Wärmebehandlung oder ein Nachwachsen darstellen, die auf das Verfahren aus 7 anwendbar sind.
13 stellt in 7 erhaltene Nanokerne 35a dar. Die Nanokerne 35a besitzen eine Kristallfläche, die in Abhängigkeit von der Form der Öffnungen bestimmt wird. Obwohl sie sich in Abhängigkeit der Form der Öffnungen unterscheiden, können die so erhaltenen Oberflächen der Nanokerne 35a eine relativ instabile Kristallfläche besitzen, die nicht ein guter Zustand ist, der für ein nachfolgendes Kristallwachstum vorteilhaft ist.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform, wenn die Öffnungen eine zylindrische Säulenform besitzen, kann die Seitenfläche jedes Nanokerns 35a gebildet werden durch eine gekrümmte Oberfläche anstatt einer bestimmten Kristallfläche, wie in 13 gezeigt ist.
Wenn solche Nanokerne wärmebehandelt werden, werden instabile Kristalle an den Oberflächen davon derart angeordnet, dass sie eine stabile Kristallfläche, wie z. B. eine nicht-polare oder eine polare Ebene, besitzen wie in 14 gezeigt ist.
Was die Wärmebehandlungsbedingungen betrifft können die Nanokerne bei einer Temperatur wärmebehandelt werden, die gleich oder größer als 600°C ist, und bei einem bestimmten Beispiel bei einer Temperatur in einem Bereich von 800°C bis 1200°C für einige Sekunden bis mehrere 10 Minuten (1 Sekunde bis 60 Minuten), um eine gewünschte stabile Kristallfläche zu haben. Bei dem Wärmebehandlungsverfahren, wenn die Substrattemperatur geringer als 600°C ist, ist es schwierig, Kristalle der Nanokerne zu wachsen und umzuordnen, was es erschwert, einen Wärmebehandlungseffekt zu erzielen, und wenn die Substrattemperatur höher ist als 1200°C, wird Stickstoff (N) von den GaN-Kristallflächen ausgasen und sich so die Kristallqualität verschlechtern. Außerdem ist es bei einer Zeitspanne von weniger als einer Sekunde schwierig, einen ausreichenden Wärmebehandlungseffekt zu erzielen, und eine Wärmebehandlung, die für mehrere 10 Minuten, z. B. für eine Zeitspanne von mehr als 60 Minuten, durchgeführt wird, kann die Effizienz des Herstellungsverfahrens verschlechtern.
Das Nachwachsverfahren, das in diesem Schritt eingeführt wird, kann durchgeführt werden unter ähnlichen Bedingungen, wie diejenigen zum Wachsen der Nanokerne 35a. Zum Beispiel kann ein n-dotiertes GaN nachgewachsen werden auf den Oberflächen der Nanokerne 35a durch Wiederaufnehmen eines MOCVD-Verfahrens unter Bedingungen, die gleich denjenigen zum Wachsen von n-dotiertem GaN für die Nanokerne 15a sind, nach dem Entfernen der Maske.
Wie in 13 gezeigt, wenn die Nanokerne 35a auf einer C(0001)-Ebene eines Saphirsubstrats (einer (111)-Ebene im Falle eines Siliziumsubstrates) gewachsen werden, können die Nanokerne 35a mit einer zylindrischen Form wärmebehandelt oder nachgewachsen werden in einem geeigneten Temperaturbereich, wie er oben erwähnt ist, zum Ändern einer gekrümmten Oberfläche (Seitenfläche), einer instabilen Kristallfläche in eine hexagonale Kristallsäule (35a' in 14) mit einer nicht-polaren Ebene (m-Ebene) als einer stabilen Kristallfläche. Die Stabilisierung der Kristallfläche kann realisiert werden durch das Wärmebehandlungsverfahren, das bei einer hohen Temperatur durchgeführt wird, oder durch das Nachwachsverfahren.
Was die Wärmebehandlung betrifft, wenn auf der Oberfläche angeordnete Kristalle neu angeordnet werden bei einer hohen Temperatur oder ein Quellengas innerhalb einer Kammer verbleibt, wird ein solches Restquellengas abgeschieden zum Durchführen eines teilweisen Nachwachsens zum Bilden einer stabilen Kristallfläche.
Insbesondere, wenn das Nachwachsverfahren durchgeführt wird wie es in 13 gezeigt ist können TMGa und NH₃ in eine MOCVD-Kammer geliefert werden, und das gelieferte TMGa und NH₃ können auf den Oberflächen der Nanokerne 35a reagieren zum Durchführen von Nachwachsen und zum Bilden stabiler Kristallebenen. Aufgrund dieses Nachwachsens können Weiten der nachgewachsenen Nanokerne 35a' etwas vergrößert werden relativ zu denjenigen der Nanokerne 35a vor dem Nachwachsverfahren (siehe 13 und 14).
Auf diese Art und Weise kann eine Kristallinität der Nanokerne erhöht werden durch Einführen des zusätzlichen Wärmebehandlungs- oder Nachwachs-Verfahrens. So können durch das Wärmebehandlungs- und das Nachwachs-Verfahren Unregelmäßigkeiten (z. B. Defekte oder dergleichen), welche auf den Oberflächen der Nanokerne nach dem Entfernen der Maske vorhanden sind, entfernt werden, und eine Kristallstabilität kann stark erhöht werden durch Neuanordnen der internen Kristalle. Das Nachwachsverfahren kann durchgeführt werden durch In-Situ-Wachsen unter Bedingungen, die ähnlich sind zu denjenigen zum Wachsen der Nanokerne nach dem Entfernen der Maske.
Anschließend werden wie in 8 dargestellt die aktive Schicht 35b und die Halbleiterschicht 35c des zweiten Leitfähigkeitstyps auf den Oberflächen der Mehrzahl von Nanokernen 35a' gewachsen.
Durch dieses Verfahren kann jede lichtemittierende Nanostruktur 35 eine Kern-Hüllen-Struktur besitzen, welche den aus dem Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps gebildeten Nanokern 35a', die den Nanokern 35a' bedeckende aktive Schicht 35b und eine aus der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 35b gebildete Hüllenschicht enthält.
Der Nanokern 35a' kann einen Spitzenabschnitt mit einer von der Seitenfläche davon verschiedenen Kristallfläche besitzen, und wie oben erwähnt können Abschnitte II der aktiven Schicht 35b und der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf dem Spitzenabschnitt ausgebildet sind, und die Abschnitte I der aktiven Schicht und der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps verschiedene Zusammensetzungen und/oder Dicken aufweisen. Um einen Leckstrom und ein Problem einer Wellenlänge des emittierten Lichts anzugehen, wird die stromsperrende Zwischenschicht 34 auf dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 35a angeordnet. Aufgrund der selektiven Abscheidung der stromsperrenden Zwischenschicht 34 kann ein Stromfluss durch den auf dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 35a' gebildeten aktiven Bereich hindurch gesperrt werden durch die stromsperrende Zwischenschicht 34, während ein Stromfluss durch den Bereich der aktiven Schicht hindurch, der auf der Seitenfläche des Nanokerns 35a' ausgebildet ist, normal gewährleistet werden kann.
Dementsprechend kann ein an dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 35a' konzentrierter Leckstrom unterdrückt werden, wobei die Effizienz erhöht wird, und eine gewünschte Wellenlänge des emittierten Lichts kann genau geplant werden.
Die bei der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform verwendete Maske enthält die zwei Materialschichten, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt und die Maske kann auch realisiert werden mit drei oder mehr Schichten.
Zum Beispiel in einem Fall, bei dem eine Maske eine erste bis dritte Materialschicht nacheinander auf der Basisschicht gebildet aufweist, kann die zweite Materialschicht als eine Ätzstoppschicht aus Material gebildet werden, das unterschiedlich ist von denjenigen der ersten und dritten Materialschicht. Die erste bis dritte Materialschicht können bei Bedarf aus dem gleichen Material gebildet werden.
Unter Ätzbedingungen der dritten Materialschicht besitzt zumindest die zweite Materialschicht eine Ätzrate, die geringer ist als die der dritten Materialschicht, so dass die zweite Materialschicht als eine Ätzstoppschicht wirkt. Die zumindest erste Materialschicht kann aus einem Material mit elektrisch isolierenden Eigenschaften gebildet werden, und die zweite oder dritte Materialschicht kann bei Bedarf auch aus einem Isoliermaterial gebildet werden.
Bei der in 8 dargestellten lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung können Elektroden mit verschiedenen Strukturen gebildet werden. 15 bis 19 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren eines Beispiels des Bildens einer Elektrode darstellen.
Zunächst wird wie in 15 dargestellt eine Kontaktelektrode 36 auf den in 8 erhaltenen lichtemittierenden Nanostrukturen 35 gebildet.
Die Kontaktelektrode 36 kann ein geeignetes Material enthalten, das einen ohmschen Kontakt mit der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 35c auf Oberflächen der lichtemittierenden Nanostrukturen 35 realisiert. Das Material für den ohmschen Kontakt kann zumindest eines von Materialien, wie z. B. ITO, ZnO, einer Graphen-Schicht, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt und Au enthalten, und kann eine Struktur mit zwei oder mehreren Schichten, wie z. B. Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag, Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al oder Ni/Ag/Pt, besitzen. Bei einem speziellen Beispiel kann die in 15 dargestellte Kontaktelektrode 36 gebildet werden durch Anwenden eines Elektroplattierverfahrens auf das Material für einen ohmschen Kontakt, der als eine Keimschicht verwendet wird. Zum Beispiel kann Cu/Ni zum Bilden der gewünschten Kontaktelektrode 36 plattiert werden nachdem Ag/Ni/Cr-Schichten als Keimschichten gebildet wurden.
Die bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform verwendete Kontaktelektrode kann eine reflektierende Metallschicht zum Auskoppeln von Licht in einer Richtung zu dem Substrat hin sein, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt und die Kontaktelektrode 36 kann aus einem transparenten Elektrodenmaterial, wie z. B. Indiumzinnoxid (ITO), gebildet werden zum Auskoppeln von Licht in einer Richtung zu den lichtemittierenden Nanostrukturen 35 hin.
Danach werden wie in 16 dargestellt freigelegte Bereiche e1, in denen die lichtemittierenden Nanostrukturen 35 freigelegt sind, in Bereichen gebildet, in denen eine Elektrode mit einer Polarität ausgebildet werden soll, und werden wie in 17 dargestellt die freigelegten lichtemittierenden Nanostrukturen 36 selektiv entfernt zum Bilden von freigelegten Basisbereichen e2, in denen Abschnitte der Basisschicht 32 freigelegt sind. Das in 16 dargestellte Verfahren ist ein Ätzverfahren für ein Elektrodenmaterials wie z. B. Metall, und das in 17 dargestellte Verfahren ist ein Ätzverfahren für ein Halbleitermaterial. Beide Verfahren können unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt werden.
Anschließend wird wie in 18 dargestellt eine Isolierschicht 37 so gebildet, dass Kontaktbereiche Ta und Tb einer Elektrode freigelegt werden. Die Kontaktbereiche T1 einer ersten Elektrode können als zumindest Teilbereiche der freigelegten Bereiche e2 der Basisschicht 32 vorgesehen sein, und der Kontaktbereich Tb einer zweiten Elektrode kann als ein Bereich vorgesehen werden, in dem ein Abschnitt der Kontaktelektrode 36 freiliegend ist.
Danach werden wie in 19 dargestellt eine erste und eine zweite Elektrode 39a und 39b derart gebildet, dass sie mit den Kontaktbereichen Ta und Tb der ersten bzw. zweiten Elektrode verbunden sind. Als ein bei diesem Verfahren verwendetes Elektrodenmaterial kann ein gemeinsames Elektrodenmaterial der ersten und der zweiten Elektrode 39a und 39b verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Material für die erste und die zweite Elektrode 39a und 39b Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn oder ein eutektisches Metall davon sein.
20 bis 23 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren des Bildens von lichtemittierenden Nanostrukturen unter Verwendung der in 5 gezeigten Maske 43 darstellen.
Wie in 20 dargestellt können Nanokerne 65a auf einer Basisschicht 62 unter Verwendung der Maske 43 gewachsen werden. Die Maske 43 besitzt Öffnungen mit einer Weite, die zu einem unteren Abschnitt davon hin abnimmt. Die Nanokerne 65a können derart gewachsen werden, dass sie eine Form besitzen, welche der der Öffnungen entspricht.
Um die Kristallqualität der Nanokerne 65a weiter zu verbessern, kann ein Wärmebehandlungsverfahren ein oder mehrere Male während des Wachstums der Nanokerne 65a durchgeführt werden. Insbesondere kann eine Oberfläche eines Spitzenabschnittes jedes Nanokerns 65a neu angeordnet werden derart, dass sie eine hexagonal-pyramidale Kristallfläche aufweist, wobei somit eine stabile Kristallstruktur erhalten wird und eine hohe Qualität eines in einem nachfolgenden Verfahren gewachsenen Kristalls sichergestellt wird.
Das Wärmebehandlungsverfahren kann durchgeführt werden unter der oben beschriebenen Temperaturbedingung. Zum Beispiel kann das Wärmebehandlungsverfahren zur Zweckmäßigkeit des Verfahrens bei einer Temperatur durchgeführt werden, die gleich oder ähnlich der Wachstumstemperatur der Nanokerne 65a ist. Außerdem kann das Wärmebehandlungsverfahren derart durchgeführt werden, dass eine Metallquelle wie z. B. TMGa gestoppt wird während ein Druck und eine Temperatur gleich oder ähnlich zu dem Wachstumsdruck und der Wachstumstemperatur der Nanokerne 65a aufrecht erhalten werden. Das Wärmebehandlungsverfahren kann für einige Sekunden bis einige 10 Minuten fortgesetzt werden (z. B. 5 Sekunden bis 30 Minuten), aber ein ausreichender Effekt kann selbst mit einer Zeitspanne in einem Bereich von etwa 10 Sekunden bis 60 Sekunden erzielt werden.
Das während des Wachstumsverfahrens der Nanokerne 65a eingeführte Wärmebehandlungsverfahren kann die Verschlechterung der Kristallinität verhindern, welche bewirkt wird, wenn die Nanokerne 65a mit einer großen Geschwindigkeit gewachsen werden, und somit können ein schnelles Kristallwachstum und exzellente Kristallqualität unterstützt werden.
Eine Zeit eines Wärmebehandlungsverfahrens-Abschnittes und die Anzahl der Wärmebehandlungsverfahren zum Stabilisieren können verschiedenartig abgewandelt werden entsprechend einer Höhe und einem Durchmesser der endgültigen Nanokerne.
Zum Beispiel in einem Fall, bei dem eine Weite jeder Öffnung in einem Bereich von 300 nm bis 400 nm liegt und eine Höhe jeder Öffnung (Dicke der Maske) etwa 2,0 μm ist, kann eine Stabilisierungszeitspanne in einem Bereich von etwa 10 Sekunden bis 60 Sekunden eingeführt werden an einem Mittelpunkt, d. h. etwa 1,0 μm, zum Wachsen von Kernen mit gewünschter hoher Qualität. Das Stabilisierungsverfahren kann entsprechend den Kernwachstumsbedingungen weggelassen werden.
Anschließend kann wie in 21 dargestellt eine stromsperrende Zwischenschicht 64 auf Spitzenabschnitten der Nanokerne 65a gebildet werden.
Nachdem die Nanokerne 65a mit einer gewünschten Höhe gebildet wurden, kann die stromsperrende Zwischenschicht 64 auf den Oberflächen der Spitzenabschnitte der Nanokerne 65a gebildet werden, wobei die Maske 43 so beibehalten wird wie sie ist. Somit, da die Maske 43 so wie sie ist verwendet wird, kann die stromsperrende Zwischenschicht 64 leicht in den gewünschten Bereichen (der Oberfläche der Spitzenabschnitte) der Nanokerne 65a gebildet werden ohne eine zusätzliche Maske zu bilden.
Die stromsperrende Zwischenschicht 64 kann eine Halbleiterschicht sein, welche nicht willentlich dotiert ist, oder kann eine Halbleiterschicht sein, die mit einer Störstelle eines zweiten Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu dem der Nanokerne 65a dotiert ist. Zum Beispiel in einem Fall, bei dem die Nanokerne n-dotiertes GaN sind, kann die stromsperrende Zwischenschicht 64 undotiertes GaN oder GaN sein, das mit Magnesium (Mg) als eine p-Typ-Störstelle dotiert ist. In diesem Fall können die Nanokerne 65a und die stromsperrende Zwischenschicht 64 durchgehend gebildet werden durch Ändern von Typen einer Störstelle während desselben Wachstumsverfahrens. Zum Beispiel in einem Fall des Stoppens von Silizium(Si)-Dotieren und Einbringen von Magnesium (Mg) und Wachsen desselben für etwa eine Minute unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen für das Wachstum der n-dotierten GaN-Nanokerne, kann die stromsperrende Zwischenschicht 64 mit einer Dicke gebildet werden, die eine Dicke in einem Bereich von etwa 200 nm bis 300 nm besitzt, und solch eine stromsperrende Zwischenschicht 64 kann effektiv einen Leckstrom von einigen μA oder mehr sperren. Auf diese Art und Weise kann die stromsperrende Zwischenschicht auf einfache Art und Weise gebildet werden während des Form-Typ-Verfahrens wie bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform.
Anschließend werden wie in 22 dargestellt Abschnitte der Maskenschicht 43 zum Erreichen der ersten Materialschicht 43a als eine Ätzstoppschicht entfernt zum Freilegen von Seitenflächen der Mehrzahl von Nanokernen 65a.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann durch Anwenden des Ätzverfahrens des selektiven Entfernens der zweiten Materialschicht 43b nur die zweite Materialschicht 43b entfernt werden, während die erste Materialschicht 43a erhalten bleiben kann. Die verbleibende erste Materialschicht 43a kann dazu dienen, zu verhindern, dass die aktive Schicht und die Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps mit der Basisschicht 62 in einem nachfolgenden Wachstumsverfahren verbunden werden.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform eine zusätzliche Wärmebehandlung oder ein zusätzliches Nachwachsen eingeführt werden während des Verfahrens des Bildens der lichtemittierenden Nanostrukturen unter Verwendung der Maske mit Öffnungen als eine Form, um eine Kristallinität zu erhöhen.
Nachdem die zweite Materialschicht 43b der Maske 43 entfernt wurde, können die Oberflächen der Nanokerne 65a wärmebehandelt oder nachgewachsen werden unter vorbestimmten Bedingungen zum Umwandeln instabiler Kristallflächen der Nanokerne 65a in stabile Kristallflächen (siehe 13 und 14). Insbesondere werden bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die Nanokerne 65a auf den Öffnungen mit schrägen Seitenwänden gewachsen, um die schrägen Seitenwände entsprechend der Form der Öffnungen zu besitzen, aber wie in 23 dargestellt werden, nachdem die Wärmebehandlung oder das Nachwachsen durchgeführt wurde, Kristalle auf den Oberflächen der Nanokerne 65a neu angeordnet oder nachgewachsen, so dass die Nanokerne 65a' einen im Wesentlichen gleichförmigen Durchmesser (oder Weite) besitzen. Außerdem besitzen die Spitzenabschnitte der Nanokerne 65a unmittelbar nachdem sie gewachsen wurden eine unvollständige hexagonal-pyramidale Form, aber die Nanokerne 65a' können nach der Wärmebehandlung oder dem Nachwachsen eine hexagonal-pyramidale Form mit gleichmäßigen Oberflächen besitzen. Auf diese Art und Weise können die Nanokerne mit einer nicht gleichmäßigen Weite nach dem Entfernen der Maske nachgewachsen (und neu angeordnet) werden, um durch das Wärmebehandlungs- oder das Nachwachs-Verfahren eine hexagonal-pyramidale säulenförmige Struktur mit einer gleichmäßigen Weite zu besitzen.
Im Folgenden werden die Ergebnisse des Nachwachsens (Neu-Anordnens) der Nanokerne basierend auf dem Wärmebehandlungsverfahren wie oben beschrieben durch ein spezielles experimentelles Beispiel beschrieben werden.
Experimentelles Beispiel (Wärmebehandlungsverfahren) Zwei Schichten aus SiN/SiO₂ werden auf einer n-dotierten GaN-Basisschicht gebildet und Öffnungen werden gebildet. Hierbei wurde die SiN-Schicht („a” in 24) derart gebildet, dass sie eine Dicke von etwa 100 nm aufweist, und wurde die SiO₂-Schicht („b” in 24) derart gebildet, dass sie eine Dicke von 2500 nm besitzt. Öffnungen der Maske wurden gebildet durch Durchführen von Ätzen mit einem Plasma, welches erhalten wird durch Kombinieren von C₄F₈, O₂ und Ar für etwa 5 Minuten durch ein Fotoresist (eine auf „b” angeordnete Schicht in 24)-Verfahren. 24 ist eine Rasterelektronenmikroskopie(SEM)-Fotografie, die erhalten wurde durch Abbilden eines Querschnitts einer durch das Verfahren erhaltenen Öffnung. Wie in 24 dargestellt besitzt die Öffnung der Maske eine Weite, welche zu einem unteren Abschnitt davon hin abnimmt.
Nanokerne wurden auf den Öffnungen der Maske unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens gewachsen. Hierbei wurden TMGa und NH₃ als Quellengase verwendet, und Nanokerne wurden für etwa 20 Minuten gewachsen, während die Temperatur eines Substrates bei etwa 1100°C gehalten wurde.
Um eine Kristallqualität der Nanokerne zu verbessern wurde während des Wachstums der Nanokerne ein Stabilisierungsverfahren (Wärmebehandlungsverfahren) zusätzlich durchgeführt. So wurde, wenn die Nanokerne 35a beim Wachsen eine Höhe von etwa 1,0 μm erreicht haben, an einem gewünschten Zwischenpunkt (etwa 10 Minuten) der Nanokerne eine Versorgung mit einer TMGa-Quelle gestoppt und eine Wärmebehandlung durchgeführt bei einer Temperatur (von etwa 1100°C) ähnlich der des Substrats während des Wachstums für etwa 30 Sekunden bis 50 Sekunden in einer NH₃-Atmosphäre. Dann wurde das Nachwachsverfahren durchgeführt unter Bedingungen ähnlich denjenigen zum Wachsen der Nanokerne.
Nachdem das Wachstum der gewünschten Nanokerne abgeschlossen war, wurde die SiO₂-Schicht („b” in 24) der Maske entfernt. Die der Form der Öffnungen entsprechenden Nanokerne traten mit einer zylindrischen Form mit schrägen Seitenwänden auf (siehe 25). Die Nanokerne mit der zylindrischen Struktur wurden untersucht und hatten eine Höhe von etwa 2467 nm und einen Durchmesser von etwa 350 nm.
Nachdem die Maske entfernt wurde, wurde ein Wärmebehandlungsverfahren angewendet. So wurde das Wärmebehandlungsverfahren bei einer Substrattemperatur von etwa 1100°C (1000°C bis 1200°C) für etwa 20 Minuten (15 Minuten bis 25 Minuten) durchgeführt.
Nach dem Wärmebehandlungsverfahren wurden Kristalle der Nanokerne nachgewachsen und neu angeordnet, und es wurde bestätigt, dass der Durchmesser, der in der Höhenrichtung nicht gleichmäßig war, in einen im Wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser geändert wurde und die unvollständige hexagonal-pyramidale Form der Spitzenabschnitte der Nanokerne in eine hexagonal-pyramidale Form mit gleichmäßigen Oberflächen nach den Wärmebehandlungsverfahren geändert wurde (siehe 26).
Im Detail war ein Durchmesser w1 jedes Nanokerns vor dem Wärmebehandlungsverfahren 350 nm, aber nach dem Wärmebehandlungsverfahren war die Weite (w2: Intervall zwischen zwei Flächen des Hexagons) etwa 410 nm, etwa 60 nm oder größer. Außerdem wurde bestätigt, dass während der Grad einer Zunahme gering ist, eine Höhe des Nanokerns von 2467 nm in 2470 nm geändert wurde, wobei sich eine Zunahme von etwa 3 nm zeigt.
Wie bei dem experimentellen Beispiel wurde bestätigt, dass die Nanokerne mit einer ungleichmäßigen Weite nach dem Entfernen der Maske derart nachgewachsen (und neu angeordnet) wurden, dass sie aufgrund des Wärmebehandlungsverfahren die hexagonal-pyramidale Säulenstruktur mit einer gleichmäßigen Weite besitzen.
Während des vorhergehenden Wärmebehandlungsverfahrens kann eine Größe und eine Form der Nanokerne nach dem Nachwachsen relativ geändert werden in Abhängigkeit von einer Wärmebehandlungsverfahrenstemperatur (nämlich einer Substrattemperatur) und einer Wärmebehandlungsverfahrenszeit, in Abhängigkeit davon, ob ein Quellengas geliefert wird oder nicht, oder in Abhängigkeit von einer Menge des gelieferten Quellengases. Zum Beispiel wird die Wärmebehandlung durchgeführt bei einer Temperatur von 1000°C oder mehr für 5 oder mehr Minuten in einem Zustand, in dem eine Lieferung eines Quellengases gestoppt ist. Kristalle werden auf der Oberfläche der Nanokerne neu angeordnet, wobei sich eine Änderung der Größe der Nanokerne aufgrund eines Ätzeffektes (nämlich N-Ausgasen) verringert. Die Änderung des Durchmessers der Nanokerne kann gehalten werden auf einem Niveau von 50% oder weniger in Anbetracht der Verfahrenszeit, -Bedingung und Kosten. Wie oben beschrieben kann die Gleichförmigkeit des Durchmessers (oder der Weite) der Nanokerne auch gehalten werden bei 95% oder mehr durch Hinzufügen des Nachwachsverfahrens. In diesem Fall kann der Durchmesser jedes in einer Gruppe gewachsenen Nanokerns, in der Größen von Öffnungen der Maske gleich sind, im Wesentlichen gleich sein.
Mit der vorhergehenden beispielhaften Ausführungsform wurde das Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung zum Wachsen von Nanokernen unter Verwendung einer Maske mit Öffnungen als eine Formstruktur beschrieben, aber die beispielhafte Ausführungsform kann abgewandelt oder verbessert werden in verschiedene bestimmte Beispiele.
Zumindest ein Abschnitt der Mehrzahl von Nanokernen kann so gestaltet werden, dass zumindest ein Querschnitt (oder ein Durchmesser) davon oder ein Intervall dazwischen verschieden ist von dem von anderen Nanokernen.
Bei der vorhergehenden beispielhaften Ausführungsform wurde die n-seitige stromsperrende Zwischenschicht, die auf den Spitzenabschnitten der Nanokerne unterhalb der aktiven Schicht angeordnet ist, beschrieben, aber eine solche stromsperrende Zwischenschicht kann auch unterhalb der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps implementiert werden als eine p-seitige stromsperrende Zwischenschicht, die auf dem Bereich der aktiven Schicht ausgebildet ist, der den Spitzenabschnitten der Nanokerne entspricht. 27 ist eine Querschnittsansicht, welche eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung darstellt, die eine p-seitige stromsperrende Zwischenschicht gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 80, welche in 27 dargestellt ist, enthält eine Basisschicht 82, die auf einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, sowie eine Mehrzahl von auf der Basisschicht 82 ausgebildeten lichtemittierenden Nanostrukturen 85.
Jede lichtemittierende Nanostruktur 85 enthält einen Nanokern 85a, der aus einem Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, und eine aktive Schicht 85b sowie eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps 85c, welche nacheinander auf einer Oberfläche des Nanokerns 85 ausgebildet sind.
Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 80 kann eine Kontaktelektrode 86 aufweisen, welche mit der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 85c verbunden ist. Eine isolierende Schutzschicht 88 kann auf der lichtemittierenden Nanostruktur 85 ausgebildet sein. Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 80 kann eine erste und eine zweite Elektrode 89a und 89b enthalten. Die erste Elektrode 89a kann in einem teilweise freiliegenden Bereich der Basisschicht 82 angeordnet sein, welche aus dem Halbleiter des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist. Außerdem kann die zweite Elektrode 89b in einem freiliegenden Abschnitt eines verlängerten Bereichs der Kontaktelektrode 86 angeordnet sein.
Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform kann ähnlich der in 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsform sein, und eine Beschreibung der jeweils entsprechenden Elemente, die mit Bezug auf 1 beschrieben wurden, kann kombiniert werden mit Beschreibungen der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform außer es ist anders erwähnt.
Wie in 27 dargestellt besitzt der Nanokern 85 einen Spitzenabschnitt T mit einer Kristallfläche, die unterschiedlich ist zu denen der anderen Bereiche.
Anders als die in 1 dargestellte stromsperrende Zwischenschicht 14 ist die bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform verwendete stromsperrende Zwischenschicht 87 in einem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 85a entsprechenden Bereich 87a ausgebildet, um so zwischen der aktiven Schicht 85b und der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 85c angeordnet zu sein, und erstreckt sich von dem Bereich 87a zu einem Bereich 87b, welcher einer Seitenfläche des Nanokerns 85a entspricht.
Die stromsperrende Zwischenschicht 87 kann eine undotierte Halbleiterschicht oder eine mit einer Störstelle eines ersten Leitfähigkeitstyps dotierte Halbleiterschicht sein. Die stromsperrende Zwischenschicht 87 kann undotiertes GaN oder mit einer n-Typ-Störstelle wie z. B. Silizium (Si) dotiertes GaN sein.
Insbesondere kann wie in 27 dargestellt die stromsperrende Zwischenschicht 87 auf der gesamten Oberfläche der Nanostruktur ausgebildet sein, so dass an der Seitenfläche und an dem Spitzenabschnitt der Nanokerne 85a angeordnete Abschnitte unterschiedliche Dicken aufweisen. So kann bei der stromsperrenden Zwischenschicht 87 eine Dicke t2 des Abschnitts 87b, der in dem Bereich, der der Seitenfläche des Nanokerns 85a entspricht, angeordnet ist, geringer sein als eine Dicke t1 des Abschnittes 87a, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 85a entspricht.
Die Dickenvariationen können leicht realisiert werden durch Festlegen von Wachstumsbedingungen für den Halbleiter-Einkristall derart, dass das Wachstum in einer vertikalen Richtung dominiert. Die Dickenvariationen können gesteuert werden durch geeignetes Einstellen von Wachstumsverfahrensfaktoren (z. B. Druck, Flussmenge der Quelle, Temperatur und dergleichen).
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform besitzt die stromsperrende Zwischenschicht 87 die ausreichende Dicke t1 in dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 85a, ein Leckstrom LC kann effektiv verhindert werden, und da die stromsperrende Zwischenschicht 87 eine relativ geringe Dicke t2 an der Seitenfläche des Nanokerns 85a aufweist, kann eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit zum Treiben der lichtemittierenden Vorrichtung sichergestellt werden.
Um effektiv das selektive Sperren und die elektrische Leitung sicherzustellen, wird die stromsperrende Zwischenschicht 87 vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie eine ausreichende Dickenvariation aufweist. Bei der stromsperrenden Zwischenschicht 87 ist die Dicke t1 des dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 85a entsprechenden Abschnittes 87a etwa 50 nm oder mehr, und die Dicke t2 des Abschnittes 87b, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 85a entspricht, kann etwa 20 nm oder weniger sein.
Dementsprechend wird normalerweise ein Stromfluss C1 zu der auf der Seitenfläche des Nanokerns 85a ausgebildeten aktiven Schichtbereichs sichergestellt, während ein Stromfluss C2 zu dem aktiven Schichtbereich, welcher an dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 85a ausgebildet ist, durch die stromsperrende Zwischenschicht 87 unterbrochen wird.
Die Einstellung des Widerstands kann außerdem realisiert werden durch die Störstellenkonzentration, aber in einem Fall, bei dem zwei Bereiche mit dem gleichen Verfahren gewachsen werden, kann es vielmehr leichter sein, die Dicken der jeweiligen Bereiche einzustellen zum Bilden einer gewünschten selektiven hohen Widerstandsstruktur.
In dem Fall des Einstellens der Dicken der zwei Abschnitte der stromsperrenden Zwischenschicht 87 können der Abschnitt 87b, welcher in dem Bereich angeordnet ist, der der Seitenfläche des Nanokerns 85a entspricht, und der Abschnitt 87a, welcher in dem Bereich angeordnet ist, der dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 85a entspricht, die im Wesentlichen gleiche Störstellenkonzentration aufweisen. Die stromsperrende Zwischenschicht 87 kann mit der Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Konzentration derart dotiert werden, dass die stromsperrende Zwischenschicht 87 einen geeigneten Widerstand von etwa 1,0·10¹⁶/cm³ oder mehr aufweist.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann sich die stromsperrende Zwischenschicht 87 derart erstrecken, dass sie angrenzend an eine Oberfläche der Isolierschicht 83 ist. Der Abschnitt 87b, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 85a entspricht, kann sich zu der Isolierschicht 83 erstrecken, um einen in einem Raum zwischen der Isolierschicht 83 und der Halbleiterschicht (insbesondere der aktiven Schicht 85b) erzeugten Leckstrom LC effektiv zu sperren. Hierbei ist der erzeugte Leckstrom LC gering relativ zu dem in dem Spitzenabschnitt T, und somit kann ein zusätzlicher Leckstromunterdrückungseffekt erzielt werden, selbst in dem Fall, dass die Dicke t2 gering ist. Um solch einen Leckstromunterdrückungseffekt zu erzielen kann die Dicke t2 des Abschnittes 87b, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 85a entspricht, etwa 5 nm oder mehr sein.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf 28 bis 30 und 31 bis 35 beschrieben werden.
28 bis 30 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren des Bilden einer lichtemittierenden Nanostruktur bei dem Verfahren zum Herstellen einer lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform darstellen.
Wie in 28 dargestellt wird eine Isolierschicht 93 als eine Maske gebildet auf einer aus einem Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildeten Basisschicht 92, wird eine Mehrzahl von Nanokernen 95a auf freiliegenden Bereichen der Basisschicht 92 ausgebildet und wird eine aktive Schicht 95b auf Oberflächen der Mehrzahl von Nanokernen 95a gebildet (das Wärmebehandlungsverfahren oder das Nachwachsverfahren, welche oben mit Bezug auf 13 und 14 beschrieben wurden, können außerdem bei diesem Verfahren angewendet werden und detaillierte Beschreibungen davon werden weggelassen).
Die Maske 93 besitzt Öffnungen H zum Wachsen der Nanokerne 95. Eine solche Öffnung H wird möglicherweise nicht in Bereichen E1 und E2 gebildet, in denen Elektroden gebildet werden sollen, um die Nanokerne 95a darin zu wachsen. Wie oben beschrieben besitzt ein Spitzenabschnitt T jedes Nanokerns 95a eine Kristallfläche (z. B. eine r-Ebene), die verschieden ist von einer Kristallfläche (z. B. m-Ebene) einer Seitenfläche davon, wodurch bewirkt wird, dass die aktive Schicht 95b gemäß den Kristallflächen verschiedene Zusammensetzungen besitzt und eine relativ geringe Dicke aufweist, was zu einer Änderung in der emittierten Lichtwellenlängencharakteristik und zu Erzeugung eines Leckstroms führt.
Anschließend wird wie in 29 dargestellt eine stromsperrende Zwischenschicht 97 gebildet auf einer Oberfläche der aktiven Schicht 95b. Die stromsperrende Zwischenschicht 97 kann derart gebildet werden, dass sie sich von einem dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 95a entsprechenden Bereich zu einem Bereich erstreckt, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 95a entspricht.
Auf diese Art und Weise wird die stromsperrende Zwischenschicht 97 auf den gesamten Oberflächen der Nanostruktur gebildet, aber eine Dicke t2 des Abschnittes, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 95a entspricht, kann geringer sein als eine Dicke t1 des Abschnittes, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 95a entspricht.
Die stromsperrende Zwischenschicht 97 kann eine undotierte Halbleiterschicht oder eine Halbleiterschicht sein, welche mit einer Störstelle eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist. Die stromsperrende Zwischenschicht 97 kann undotiertes GaN oder mit einer n-Typ-Störstelle, wie z. B. Silizium (Si), dotiertes GaN sein.
Danach wird wie in 30 dargestellt eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps 95c auf der stromsperrenden Zwischenschicht 97 gebildet. Dementsprechend kann die stromsperrende Zwischenschicht 97 zwischen der aktiven Schicht 95b und der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 95c angeordnet sein. Durch diese Struktur kann ein Stromfluss zu einem Bereich der aktiven Schicht 95b, der an der Seitenfläche des Nanokerns ausgebildet ist, normal sichergestellt werden, während ein Stromfluss zu dem Bereich der aktiven Schicht 95b, welcher an dem Spitzenabschnitt des Nanokerns 95a ausgebildet ist.
Bei der in 30 dargestellten lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung können Elektroden mit verschiedenen Anordnungen gebildet werden. 31 bis 35 sind Querschnittsansichten, welche Hauptverfahren zum Bilden von Elektroden darstellen.
Wie in 31 dargestellt wird eine Kontaktelektrode 96 auf den lichtemittierenden Nanostrukturen 95 gebildet, und anschließend wird eine erste Passivierungsschicht 98a gebildet. Solch eine erste Passivierungsschicht 98a kann aus verschiedenen isolierenden Schutzschichtmaterialien wie oben erwähnt bei der vorhergehenden beispielhaften Ausführungsform gebildet werden.
Anschließend wird wie in 32 dargestellt die erste Passivierungsschicht 98a selektiv entfernt zum Freilegen von Teilbereichen der Basisschicht 92 und der Kontaktelektrode 96, um Elektrodenbildungsbereiche (e1) bereitzustellen. Zusätzlich können die freigelegten Bereiche e1 als Bereiche vorgesehen werden, in denen eine erste Elektrode gebildet werden soll. Dieses Verfahren kann unter Verwendung eines allgemeinen Fotolithografieverfahrens realisiert werden.
Danach kann wie in 33 dargestellt ein Fotoresist PR gebildet werden zum Definieren von Kontaktbereichen e2 einer ersten und einer zweiten Elektrode. Anschließend werden wie in 34 dargestellt eine erste und eine zweite Elektrode 99a und 99b in den Kontaktbereichen der ersten und der zweiten Elektrode gebildet. Als ein Elektrodenmaterial, das bei diesem Verfahren verwendet wird, kann ein allgemeines Elektrodenmaterial der ersten und der zweiten Elektrode 99a und 99b verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Material für die erste und die zweite Elektrode 99a und 99b Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, NiSn, TiW, AuSn oder ein eutektisches Metall davon sein.
Anschließend wird wie in 35 dargestellt eine zusätzliche zweite Passivierungsschicht 98b nach Bedarf gebildet. Die zweite Passivierungsschicht 98b kann eine Schutzschicht 98 zusammen mit der ersten Passivierungsschicht 98a bereitstellen. Die zweite Passivierungsschicht 98b kann den freigelegten Halbleiterbereich bedecken, um denselben zu schützen, und kann auch die erste und die zweite Elektrode 99a und 99b fest halten.
Die zweite Passivierungsschicht 98b kann aus einem Material gebildet werden, das identisch ist zu dem der ersten Passivierungsschicht 98a.
36 bis 39 sind Querschnittsansichten, die Hauptverfahren eines Beispiels zum Bilden einer Elektrode bezüglich der in 30 gezeigten Vorrichtung darstellen.
Zuerst wird wie in 36 dargestellt eine Kontaktelektrode 106 auf der in 30 erhaltenen lichtemittierenden Nanostruktur 95 gebildet. Die Kontaktelektrode 106 kann ähnlich zu der oben mit Bezug auf 5 beschriebenen sein.
Die Kontaktelektrode 106 kann ein geeignetes Material enthalten, das in der Lage ist, einen ohmschen Kontakt mit der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 95c auf einer Oberfläche der lichtemittierenden Nanostruktur 95 zu realisieren. Das Material für den ohmschen Kontakt kann zumindest eines von den Materialien ITO, ZnO, einer Graphenschicht, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au und dergleichen enthalten, und kann eine Struktur mit zwei oder mehreren Schichten, wie z. B. Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag, Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt und dergleichen enthalten. Vorzugsweise kann das ohmsche Kontaktmaterial, das zum Bilden der Kontaktelektrode 106 verwendet wird, in Anbetracht der Lichtauskopplungseffizienz eine reflektierende Metallschicht sein. Bei einem bestimmten Beispiel kann die in 36 dargestellte Kontaktelektrode 106 gebildet werden durch Anwenden eines Elektroplattierverfahrens an dem Material für den ohmschen Kontakt als eine Keimschicht. Zum Beispiel können nach dem Bilden von Ag/Ni/Cr als Keimschichten Cu/Ni elektroplattiert werden zum Bilden der gewünschten Kontaktelektrode 106.
Anschließend kann wie in 37 dargestellt ein Permanentsubstrat 115 an die Kontaktelektrode 106 gebondet werden.
Das Permanentsubstrat 115 kann ein isolierendes oder ein leitfähiges Substrat sein. Zum Beispiel kann das Permanentsubstrat 115 ein Silizium(Si)-Substrat oder ein Si-Al-Legierungs-Substrat sein. Das Permanentsubstrat 115 kann an die Kontaktelektrode 106 gebondet werden unter Verwendung einer Bonding-Metallschicht 111. Die Bonding-Metallschicht 111 kann aus einem Metall ausgebildet sein, das aus der Gruppe bestehend aus Ni, Pt, Au, Cu, Co, Sn, In, Zn, Bi, Au und Kombinationen davon oder Legierungen davon ausgewählt wird. Zum Beispiel kann die Bonding-Metallschicht 111 eine eutektische Metallschicht wie z. B. Ni/Sn sein.
Danach kann wie in 38 dargestellt ein zum Wachsen von Kristallen verwendetes Substrat 81 entfernt werden von der Halbleiterbasisschicht 92 des ersten Leitfähigkeitstyps.
Dieses Verfahren kann durchgeführt werden unter Verwendung eines Laser-Lift-Off(LLO)-Verfahrens oder eines Schleif/Ätz-Verfahrens. Zum Beispiel in einem Fall, bei dem das Substrat 81 ein Saphiersubstrat ist, kann das Wachstumssubstrat 81 getrennt werden von der Halbleiterbasisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps 92 durch Strahlen eines Laserstrahls auf eine Grenzfläche zwischen dem Substrat 81 und der Halbleiterbasisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps 92. Während dessen kann in einem Fall, bei dem das Substrat 81 ein undurchsichtiges Substrat wie z. B. Silizium (Si) ist, das Substrat 81 entfernt werden unter Verwendung eines Schleif/Ätz-Verfahrens.
Anschließend wird wie in 39 dargestellt ein Elektrodenkontaktfleck 116 auf einer Oberfläche der Halbleiterbasisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps 92 gebildet, von der das Wachstumssubstrat 81 entfernt wurde, um eine gewünschte lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 110 zu erhalten. Das Permanentsubstrat 115, ein leitfähiges Substrat, kann verwendet werden als eine Elektrode, die mit einer externen Schaltung verbunden ist.
40 ist eine Querschnittsansicht, welche ein lichtemittierendes Vorrichtungs-Package mit der in 15D dargestellten lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung darstellt.
Ein in 40 dargestelltes lichtemittierendes Vorrichtungs-Package enthält ein Package-Substrat 121 mit einer ersten und einer zweiten Elektrodeneinheit 122a und 122b sowie eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 110, welche auf dem Package-Substrat 121 montiert ist.
Ein Permanentsubstrat 115 der lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 110 ist mit der ersten Elektrodeneinheit 122a des Package-Substrates 121 verbunden, und ein Elektrodenkontaktfleck der lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 110 kann mit der zweiten Elektrodeneinheit 122b des Package-Substrats 121 mit einem Draht W verbunden sein.
In dem Package 100 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist eine Kontaktelektrode 96 als eine stark reflektierende Elektrode ausgebildet, wodurch eine Lichtauskopplungseffizienz der lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung signifikant verbessert werden kann.
41 ist eine Querschnittsansicht, welche eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Bei der beispielhaften Ausführungsform werden eine n-seitige stromsperrende Zwischenschicht und eine p-seitige stromsperrende Zwischenschicht wie oben beschrieben kombiniert.
Eine in 41 dargestellte lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung enthält eine aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildete Basisschicht 152 sowie eine Mehrzahl von lichtemittierenden Nanostrukturen 155, die auf der Basisschicht 152 ausgebildet sind.
Jede lichtemittierende Nanostruktur 155 enthält einen Nanokern 155a, der aus einem Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, sowie eine aktive Schicht 155b und eine Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps 155c, welche nacheinander auf einer Oberfläche des Nanokerns 155a ausgebildet sind.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform können Beschreibungen mit Bezug auf 1 und 27 kombiniert werden mit detaillierten Beschreibungen einer Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform, und Beschreibungen der jeweiligen Elemente, welche dem in 1 dargestellten entsprechen, können mit den Beschreibungen der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kombiniert werden.
Wie in 41 dargestellt enthält der Nanokern 155a einen Spitzenabschnitt T mit einer Kristallfläche, die verschieden ist von denjenigen der anderen Bereiche.
Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung 150 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform enthält eine erste stromsperrende Zwischenschicht 154, die auf einer n-Seite ausgebildet ist, und eine zweite stromsperrende Zwischenschicht 157, die auf einer p-Seite ausgebildet ist, basierend auf der aktiven Schicht 155b als einer Referenz. Die erste stromsperrende Zwischenschicht 154 kann an einem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 155a derart ausgebildet sein, dass sie zwischen der aktiven Schicht 155b und dem Nanokern 155a angeordnet ist. Außerdem kann die zweite stromsperrende Zwischenschicht 157 in einem Bereich ausgebildet sein, welcher dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 155a entspricht, derart, dass sie zwischen der aktiven Schicht 155b und der Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps 155c angeordnet ist.
Die erste stromsperrende Zwischenschicht 154 kann ein undotierter Halbleiter oder ein Halbleiter sein, der mit einer Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, und die zweite stromsperrende Zwischenschicht 157 kann eine undotierte Halbleiterschicht oder eine Halbleiterschicht sein, die mit einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist.
Eine Dicke t0 der ersten stromsperrenden Zwischenschicht 154 kann etwa 20 nm oder mehr, vorzugsweise 50 nm oder mehr sein, um einen ausreichenden elektrischen Widerstand zu erhalten. Mit der Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps der ersten stromsperrenden Zwischenschicht 154 kann ein gewünschter hoher Widerstand mit etwa 1,0·10¹⁶/cm³ oder mehr erzielt werden.
Anders als die erste stromsperrende Zwischenschicht kann die zweite stromsperrende Zwischenschicht 157 auf der gesamten Oberfläche der Nanostruktur gebildet werden, so dass Abschnitte davon, welche an der Seitenfläche und an dem Spitzenabschnitt T angeordnet sind, verschiedene Dicken aufweisen können. So kann bei der zweiten stromsperrenden Zwischenschicht 157 eine Dicke t2 des Abschnittes 157b, welcher in dem Bereich angeordnet ist, der der Seitenfläche des Nanokerns 155a entspricht, geringer sein als eine Dicke t1 des Abschnittes 157a, welcher in dem Bereich angeordnet ist, der dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 155a entspricht.
Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform, da die zweite stromsperrende Zwischenschicht 157 die ausreichende Dicke t1 in dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 155 aufweist, kann ein Leckstrom effektiv verhindert werden, und da die zweite stromsperrende Zwischenschicht 157 eine relativ geringe Dicke t2 an der Seitenfläche des Nanokerns 155a aufweist, kann eine gewünschte elektrische Leitung zum Treiben der lichtemittierenden Vorrichtung sichergestellt werden.
Um effektiv das selektive Sperren und die elektrische Leitung sicherzustellen, wird die zweite stromsperrende Zwischenschicht 157 mit geeigneten Dickenvariationen gebildet. Bei der zweiten stromsperrenden Zwischenschicht 157 ist die Dicke t1 des Abschnittes 157a, welcher dem Spitzenabschnitt T des Nanokerns 155a entspricht, etwa 50 nm oder mehr, und kann die Dicke t2 des Abschnittes 157b, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 155 entspricht, etwa 20 nm oder weniger sein.
Außerdem kann sich die zweite stromsperrende Zwischenschicht 157 derart erstrecken, dass sie an eine Oberfläche der Isolierschicht 153 angrenzt. Der Abschnitt 157b, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 155a entspricht, kann sich zu der Isolierschicht 153 erstrecken, um effektiv einen Leckstrom zu sperren, der in einem Bereich zwischen der Isolierschicht 153 und der Halbleiterschicht (insbesondere der aktiven Schicht 155b) erzeugt wird. Um solch einen Effekt einer Unterdrückung des Leckstroms zu erzielen, kann die Dicke t2 des Abschnittes 157, der in dem Bereich angeordnet ist, welcher der Seitenfläche des Nanokerns 155 entspricht, etwa 5 nm oder mehr sein.
Im Folgenden werden Bedingungen einer stromsperrenden Zwischenschicht zusammen mit Effekten der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben werden durch bestimmte beispielhafte Ausführungsformen.
Ausführungsform 1
Eine Maske mit einer zweischichtigen Struktur mit SiN_x (120 nm)/SiO₂ (1900 nm) wurde auf einer n-dotierten GaN-Schicht als einer Basisschicht gebildet. Eine Mehrzahl von Öffnungen, die jede einen Durchmesser von etwa 300 nm aufweist, wurde in der Maske durch ein Ätzverfahren gebildet. Nanokerne, n-dotiertes GaN, wurden derart gewachsen, dass sie eine Höhe von etwa 1800 nm besitzen, unter Verwendung der Maske als einer Form.
Anschließend wurde bei Beibehaltung der Maske so wie sie ist eine p-dotierte GaN-Schicht, die mit einer Magnesium(Mg)-Störstelle mit einer Konzentration von etwa 5·10¹⁷/cm³ dotiert wurde, mit einer Dicke von etwa 100 nm auf oberen Oberflächen der Nanokerne gebildet. Danach wurde die SiO₂-Schicht, eine obere Schicht der Maske, entfernt, und wurden die Nanokerne bei einer Temperatur von etwa 1100°C wärmebehandelt. Anschließend wurden nacheinander eine aktive Schicht mit einer Mehrzahl von In_0,2Ga_0,8N-Topfschichten und eine Mehrzahl von GaN-Barriereschichten, eine p-dotierte AlGaN-EBL-Schicht und p-dotiertes GaN an Oberflächen der Nanokerne als Hüllenschichten gebildet zum Bilden von lichtemittierenden Nanostrukturen.
Eine ITO-Schicht wurde an Oberflächen der so erhaltenen lichtemittierenden Nanostrukturen abgeschieden, Räume zwischen den lichtemittierenden Nanostrukturen wurden gefüllt, so dass die lichtemittierenden Nanostrukturen bedeckt wurden durch Verwenden von Spin-On-Glas (SOG), und Elektrodenstrukturen wurden gebildet, wodurch eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung hergestellt wird.
Mit der bei Ausführungsform 1 erhaltenen lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung wurde ein Stromsperreffekt durch die stromsperrende Zwischenschicht geprüft während ein angelegter Strom schrittweise von 30 mA bis 120 mA erhöht wurde. Die Ergebnisse sind als Graph in 42 dargestellt.
Wie in 42 dargestellt zeigen experimentelle Ergebnisse dieser Ausführungsform, dass eine Weite der Schwankungen der Wellenlänge 27 nm war. Es kann gesehen werden, dass eine solche Weite der Schwankungen der Wellenlänge signifikant geringer ist als eine Weite (etwa 39 nm) der Schwankungen der Wellenlänge in dem Fall, bei dem keine stromsperrende Zwischenschicht vorgesehen wurde.
Da die an der Oberfläche (r-Ebene) des Spitzenabschnittes jedes Nanokerns angeordnete aktive Schicht eine große Variationsbreite der Wellenlänge gemäß einem angelegten Strom relativ zu der aktiven Schicht in anderen Bereichen aufweist, zeigt eine solche Verringerung (geringere Breite), dass die an der Oberfläche (r-Ebene) des Spitzenabschnittes des Nanokerns angeordnete stromsperrende Zwischenschicht gemäß dieser Ausführungsform einen Strom in dem entsprechenden Bereich effektiv sperrt.
Ausführungsform 2
Ähnlich zu der Ausführungsform 1 wurde eine Maske mit einer zweischichtigen Struktur mit SiN_x (120 nm)/SiO₂ (1900 nm) auf einer n-dotierten GaN-Schicht als einer Basisschicht gebildet. Eine Mehrzahl von Öffnungen, die jede einen Durchmesser von etwa 300 nm besitzen, wurde in der Maske durch ein Ätzverfahren gebildet. Nanokerne (n-dotiertes GaN), wurden mit einer Höhe von etwa 1800 nm gewachsen durch Verwenden der Maske als einer Form.
Jedoch wurde bei dieser Ausführungsform anders als bei Ausführungsform 1 eine stromsperrende Zwischenschicht nach dem Bilden einer aktiven Schicht gebildet. So wurde die SiO₂-Schicht, eine obere Schicht der Maske, erst entfernt, wurden Nanokerne bei einer Temperatur von etwa 1100°C wärmebehandelt, wurde eine aktive Schicht mit einer Mehrzahl von In_0,2Ga_0,8N-Topfschichten und einer Mehrzahl von GaN-Barriereschichten gebildet, und wurde eine stromsperrende Zwischenschicht, eine n-dotierte GaN-Schicht, die mit einer Silizium(Si)-Störstelle mit einer Konzentration von etwa 5·10¹⁷/cm³ dotiert wurde, auf der aktiven Schicht gebildet. Die stromsperrende Zwischenschicht wurde an einer Seitenfläche derart gebildet, dass sie an die verbleibende SiN_x-Schicht angrenzt. Hierbei wurden Wachstumsbedingungen der stromsperrenden Zwischenschicht in einer vertikalen Richtung verstärkt, um eine Dicke der stromsperrenden Zwischenschicht in dem Spitzenabschnitt größer festzulegen als die der stromsperrenden Zwischenschicht an der Seitenfläche (eine Dicke der stromsperrenden Zwischenschicht in dem Spitzenabschnitt war etwa 80 nm und eine Dicke davon an der Seitenfläche war etwa 15 nm).
Anschließend wurden eine p-dotierte AlGaN-EBL-Schicht und eine p-dotierte GaN-Schicht nacheinander auf der stromsperrenden Zwischenschicht gebildet zum Bilden von lichtemittierenden Nanostrukturen. Eine ITO-Schicht wurde auf Oberflächen der lichtemittierenden Nanostrukturen abgeschieden, und eine ITO-Schicht wurde auf Oberflächen der somit erhaltenen lichtemittierenden Nanostrukturen abgeschieden, Räume zwischen den lichtemittierenden Nanostrukturen wurden gefüllt, so dass die lichtemittierenden Nanostrukturen durch Verwenden von Spin-On-Glas (SOG) bedeckt wurden, und Elektrodenstrukturen wurden gebildet, wodurch eine lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung hergestellt wird.
Mit der in Ausführungsform 2 erhaltenen lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung wurde ein Stromsperreffekt durch die stromsperrende Zwischenschicht geprüft während ein angelegter Strom schrittweise von 10 mA bis 120 mA erhöht wurde. Die Ergebnisse sind als ein Graph in 43 dargestellt.
Wie in 43 dargestellt zeigten experimentelle Ergebnisse dieser Ausführungsform, dass eine Weite von Abweichungen der Wellenlänge 24 nm war. So ist verglichen mit dem Fall (50 nm) ohne eine stromsperrende Zwischenschicht die Weite von Abweichungen der Wellenlänge signifikant geringer. Dies ist deshalb so, da die stromsperrende Zwischenschicht, die an der r-Ebene, d. h. dem Spitzenabschnitt ausgebildet ist, gemäß dieser Ausführungsform den Einfluss von Schwankungen der Wellenlänge gemäß einem angelegten Strom durch die r-Ebene verringert. Auf diese Art und Weise kann gesehen werden, dass die stromsperrende Zwischenschicht gemäß dieser Ausführungsform effizient einen Strom in dem Spitzenabschnitt der Nanostruktur sperrt.
Zusätzlich war wie in 45 dargestellt bei der Struktur der verwandten Technik C2 ein Leckstrom 150 mA bei –4 V, aber es kann gesehen werden, dass wenn eine stromsperrende Zwischenschicht gemäß dieser Ausführungsform E2 bereitgestellt wurde, ein Leckstrom signifikant auf 5 mA gedrückt wurde. Dies ist deshalb so, da wie oben mit Bezug auf 27 beschrieben der Effekt des Vorhandenseins der stromsperrenden Zwischenschicht zunimmt, wenn ein Leckstrom, welcher in einer Halbleiterschicht erzeugt wurde, die an einer Oberfläche einer Isolierschicht angeordnet ist, sowie ein Leckstrom, der an dem Spitzenabschnitt des Nanokerns erzeugt wurde, unterdrückt werden.
Ausführungsform 3
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wurden beide stromsperrenden Zwischenschichten gemäß Ausführungsform 1 und Ausführungsform 2 verwendet. So wurde die n-seitige stromsperrende Zwischenschicht (Mg-dotiertes GaN oder undotiertes GaN) auf einer oberen Oberfläche der Nanokerne gebildet bevor die obere Schicht (SiO₂) der Maske entfernt wurde gemäß dem Verfahren der Ausführungsform 1, und wurde anschließend die obere Schicht der Maske entfernt, wurde die aktive Schicht auf der Oberfläche des Nanokerns gebildet und wurde die p-seitige stromsperrende Zwischenschicht (Si-dotiertes GaN oder undotiertes GaN) gebildet gemäß dem Verfahren der Ausführungsform 2.
Als Nächstes wurde ähnlich zu der vorhergehenden beispielhaften Ausführungsform ein Elektroden- und Passivierungs-Bildungsverfahren durchgeführt zum Herstellen einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung.
Mit der bei Ausführungsform 3 erhaltenen lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung wurde ein stromsperrender Effekt der stromsperrenden Zwischenschicht geprüft, während ein angelegter Strom schrittweise von 10 mA bis 120 mA erhöht wurde. Die Ergebnisse sind als Graph in 44 dargestellt. Wie in 44 dargestellt zeigten experimentelle Ergebnisse dieser Ausführungsform, dass eine Weite von Abweichungen der Wellenlänge 19 nm war. So ist die Weite von Abweichungen der Wellenlänge, verglichen mit dem Fall (50 nm) ohne eine stromsperrende Zwischenschicht, signifikant geringer.
Somit wurde bestätigt, dass durch Verwenden von zwei Arten einer stromsperrenden Zwischenschicht ein Strom in dem Spitzenabschnitt der Nanostruktur effektiv gesperrt wurde.
46 ist ein Graph, welcher eine Veränderung der Stromdichte über die Dotierkonzentration einer stromsperrenden Zwischenschicht dargestellt, und 47 ist ein Graph, welcher eine Veränderung der Stromdichte über eine Dicke der stromsperrenden Zwischenschicht dargestellt.
Zunächst war, wie in 46 dargestellt, bei einer Konfiguration, bei der die n-seitige stromsperrende Zwischenschicht (zwischen der aktiven Schicht und dem Spitzenabschnitt des Nanokerns) und die p-seitige stromsperrende Zwischenschicht (zwischen der aktiven Schicht und der p-dotierten Halbleiterschicht) verwendet wurden, bei einer Dicke der p-seitigen stromsperrenden Zwischenschicht von 50 nm, eine Stromdichte etwa 160 willkürliche Einheiten, wenn eine Konzentration der Störstelle des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps etwa 1,0·10¹⁷/cm³ war. So wurde die Stromdichte auf 1/10 verringert im Vergleich zu dem Fall ohne die stromsperrende Zwischenschicht (Stromdichte ~1600 willkürliche Einheiten). In einem Fall, bei dem eine Dicke der p-seitigen stromsperrenden Zwischenschicht 100 nm war, war eine Stromdichte etwa 160 willkürliche Einheiten bei einer relativ geringen Konzentration von 1,0·10¹⁶/cm³, die um 1/10 verringert war gegenüber dem Fall (Stromdichte ~1600 willkürliche Einheiten) ohne die stromsperrende Zwischenschicht.
Wie in 47 dargestellt wurde es bestätigt, dass in dem Fall, bei dem die n-seitige stromsperrende Zwischenschicht und die p-seitige stromsperrende Zwischenschicht getrennt verwendet wurden, eine Stromdichte auf 1/10 verringert wurde, wenn beide stromsperrenden Zwischenschichten eine Dicke von 50 nm oder größer hatten. Bei der Konfiguration, bei der die zwei Arten einer stromsperrenden Zwischenschicht verwendet wurden, wurde ein gewünschter Effekt erhalten, selbst wenn die stromsperrenden Zwischenschichten eine geringere Dicke von 30 nm oder mehr hatten.
Um den Effekt der Verbesserung des Leckstroms gemäß Bedingungen hoher Dotierkonzentration bei der lichtemittierenden Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 zu bestätigen, wurde das Auftreten eines Leckstroms geprüft durch Änderung einer Störstellenkonzentration (p-Typ-Störstelle) der stromsperrenden Zwischenschicht bis zu 1·10¹⁹/cm³. Die Dotierkonzentration von Silizium (Si), der n-Typ-Störstelle des Nanokerns, die bei dieser Ausführungsform verwendet wurde, war etwa auf einem Niveau von 1~9·10¹⁹/cm³, und das Auftreten des Leckstroms wurde definiert durch einen Prozentsatz des Leckstroms, wenn die stromsperrende Zwischenschicht verwendet wurde relativ zu einem Leckstrom (Stromdichte: 1600 willkürliche Einheiten), wenn keine stromsperrende Zwischenschicht verwendet wurde, und die Messergebnisse sind in 48 gezeigt.
Bezugnehmend auf 48 wurde bestätigt, dass Effekte der Verbesserung des Leckstroms etwas verschieden waren entsprechend den Dicken. Es kann gesehen werden, dass das Auftreten eines Leckstroms verringert wurde mit zunehmender Dicke von 50 nm auf 200 nm. So war in einem Fall einer Störstellenkonzentration von 1·10¹⁷/cm³ das Auftreten des Leckstroms 15%, wenn eine Dicke der stromsperrenden Zwischenschicht 50 nm war, und war 12%, wenn eine Dicke davon 100 nm war, und war 6,5%, wenn eine Dicke davon 200 nm war, wodurch angezeigt wird, dass ein Leckstrom signifikant unterdrückt wurde. Außerdem, wenn die Störstellenkonzentration 1·10¹⁸/cm³ oder mehr war, war das Auftreten des Leckstroms 5% oder weniger, und wenn die Störstellenkonzentration 1·10¹⁹/cm³ oder mehr war, war das Auftreten des Leckstroms 1% oder weniger unabhängig von einer Dicke der stromsperrenden Zwischenschicht, wodurch angezeigt wird, dass der Leckstrom vollständig unterdrückt war.
Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform wie oben beschrieben kann implementiert werden in verschiedenen andere Packages als dem in 40 dargestellten Package.
49 und 50 sind Ansichten, die Beispiele eines Package darstellen, welches die vorhergehende lichtemittierende Halbleitervorrichtung verwendet.
Ein in 49 dargestelltes lichtemittierendes Halbleitervorrichtung-Package 500 kann eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung 501, einen Package-Körper 502 und ein Paar von Anschluss-Rahmen 503 aufweisen.
Die lichtemittierende Halbleitervorrichtung 501 kann die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung sein. Die lichtemittierende Halbleitervorrichtung 501 kann an dem Anschluss-Rahmen 503 montiert und elektrisch mit dem Anschluss-Rahmen durch einen Draht W verbunden sein.
Wenn notwendig kann die lichtemittierende Halbleitervorrichtung 501 an einem anderen Bereich montiert werden, z. B. an dem Package-Körper 502 anstatt an dem Anschluss-Rahmen 503. Außerdem kann der Package-Körper 502 eine Schalenform besitzen zum Verbessern der Effizienz der Reflektion des Lichts. Eine Kapselung 505, welche aus einem lichtdurchlässigen Material ausgebildet ist, kann in der reflektierenden Schale ausgebildet sein zum Verkapseln der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung 501, des Drahtes W und dergleichen.
Ein in 50 dargestelltes lichtemittierendes Halbleitervorrichtungs-Package kann eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung 601, eine Montageplatte 610 und eine Kapselung 603 enthalten.
Eine Wellenlängenumwandlungseinheit 602 kann auf einer Oberfläche und einer Seitenfläche der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung 601 ausgebildet sein. Die lichtemittierende Halbleitervorrichtung 601 kann an der Montageplatte 610 montiert sein und elektrisch mit der Montageplatte 610 durch einen Draht W verbunden sein.
Die Montageplatte 610 kann eine obere Elektrode 613, eine untere Elektrode 614 und eine Durchgangselektrode 612, welche die obere Elektrode 613 und die untere Elektrode 614 verbindet, enthalten. Die Montageplatte 610 kann als eine Platte wie z. B. PCB, MCPCB, MPCB, FPCB oder dergleichen vorgesehen sein, und die Struktur der Montageplatte 610 kann verschiedene Formen aufweisen.
Die Wellenlängenumwandlungseinheit 602 kann einen Leuchtstoff, einen Quantenpunkt oder dergleichen enthalten. Die Kapselung 603 kann derart ausgebildet sein, dass sie eine Linsenstruktur mit einer oberen Oberfläche mit einer konvexen Kuppel-Form aufweist. Jedoch kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform die Kapselung 603 eine Linsenstruktur mit einer konvexen oder einer konkaven Oberfläche besitzen zum Einstellen eines Strahlungswinkels des durch eine obere Oberfläche der Kapselung 603 emittierten Lichts.
Die lichtemittierende Nanostruktur-Halbleitervorrichtung und ein Package mit demselben gemäß der beispielhaften Ausführungsform wie oben beschrieben können vorteilhafterweise angewendet werden auf verschiedene Anwendungsprodukte.
51 und 52 sind Ansichten, welche eine Hintergrundbeleuchtungseinheit darstellen, welche ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet.
Bezugnehmend auf 51 enthält eine Hintergrundbeleuchtungseinheit 1000 auf einem Substrat 1002 montierte Lichtquellen 1001 sowie ein oder mehrere über den Lichtquellen 1001 angeordnete optische Schichten 1003. Die zuvor erwähnte lichtemittierende Halbleitervorrichtung oder ein die lichtemittierende Halbleitervorrichtung verwendendes Package können als die Lichtquellen 1001 verwendet werden.
Anders als die Hintergrundbeleuchtungseinheit 1000 in 51, bei der Lichtquellen 1001 Licht zu einer Oberseite hin emittieren, auf der eine Flüssigkristallanzeige angeordnet ist, ist eine Hintergrundbeleuchtungseinheit 2000 als ein weiteres in 52 dargestelltes Beispiel derart konfiguriert, dass die Lichtquellen 2001 auf einem Substrat 2002 Licht in einer seitlichen Richtung emittieren, und das emittierte Licht kann einfallend auf eine Führungsplatte 2003 gemacht werden, um so in eine Flächenlichteinheit umgewandelt zu werden. Durch die Lichtführungsplatte 2003 hindurchgehendes Licht wird nach oben emittiert, und um eine Lichtauskopplungseffizienz zu verbessern, kann eine reflektierende Schicht 2004 auf einer unteren Oberfläche der Lichtführungsplatte 2003 angeordnet sein.
53 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung darstellt, welche ein lichtemittierendes Halbleitervorrichtungs-Package davon gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet.
Eine Beleuchtungsvorrichtung 3000 ist dargestellt, zum Beispiel als ein Glühlampentyp in 53 und enthält ein lichtemittierendes Modul 3003, eine Treibereinheit 3008 und eine externe Verbindungseinheit 3010.
Außerdem kann die Beleuchtungsvorrichtung 3000 weiter externe Strukturen, wie z. B. ein äußeres und ein inneres Gehäuse 3006 und 3009 sowie eine Abdeckeinheit 3007 enthalten. Das lichtemittierende Modul 3003 kann eine Lichtquelle 3001 mit der zuvor erwähnten lichtemittierenden Halbleitervorrichtungs-Package-Struktur oder einer Struktur ähnlich dazu sowie eine Leiterplatte 3002 mit der darauf montierten Lichtquelle 3001 besitzen. Zum Beispiel können die erste und die zweite Elektrode der zuvor erwähnten lichtemittierenden Halbleitervorrichtung elektrisch verbunden sein mit einem Elektrodenmuster der Leiterplatte 3002. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird dargestellt, dass eine einzelne Lichtquelle 3001 auf der Leiterplatte 3002 montiert ist, aber je nach Bedarf kann eine Mehrzahl von Lichtquellen montiert sein.
Das äußere Gehäuse 3006 kann als eine Wärmeabfuhreinheit dienen und kann eine Wärmefuhrplatte 3004, welche in direktem Kontakt mit dem lichtemittierenden Modul 3003 ist, zum Erhöhen der Wärmeabgabe, sowie Wärmeabfuhrfinnen 3005 enthalten, welche die Seitenflächen der Beleuchtungsvorrichtung 3000 umgeben. Außerdem kann die Abdeckeinheit 3007 auf dem lichtemittierenden Modul 3003 installiert sein und eine konvexe Linsenform aufweisen. Die Treibereinheit 3008 ist in dem inneren Gehäuse 3009 installiert und mit der externen Verbindungseinheit 3010 verbunden, welche eine Sockelstruktur besitzt zum Aufnehmen von Leistung von einer externen Leistungsquelle. Außerdem kann die Treibereinheit 3008 dazu dienen, Leistung in eine passende Stromquelle zum Treiben der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung 3001 des lichtemittierenden Moduls 3003 umzuwandeln und dieselbe bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Treibereinheit 3008 konfiguriert sein als ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, eine Gleichrichtungsschaltungskomponente oder dergleichen.
54 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung darstellt, welche ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet.
Bezugnehmend auf 54 kann ein Scheinwerfer 4000 oder dergleichen eine Lichtquelle 4001, eine reflektierende Einheit 4005 und eine Linsendeckeleinheit 4004 enthalten. Die Linsendeckeleinheit 4004 enthält eine hohle Führung 4003 und eine Linse 4002. Die Lichtquelle 4001 kann die zuvor erwähnte lichtemittierende Halbleitervorrichtung oder ein Package mit der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung enthalten.
Der Scheinwerfer 4000 kann weiter eine Wärmeabfuhreinheit 4012 enthalten, welche von der Lichtquelle 4001 erzeugte Wärme nach außen abführt. Um effektiv Wärme abzuführen, kann die Wärmeabfuhreinheit 4012 eine Wärmesenke 4010 und einen Kühlerlüfter 4011 enthalten. Außerdem kann der Scheinwerfer 4000 ein Gehäuse 4009, welches die Wärmeabfuhreinheit 4012 und die reflektierende Einheit 4005 trägt, enthalten, und das Gehäuse 4009 kann ein in einer Fläche davon ausgebildetes zentrales Loch 4008 aufweisen, in der die Wärmeabfuhreinheit 4012 gekoppelt ist.
Außerdem kann das Gehäuse 4009 ein vorderseitiges Loch 4007 aufweisen, das in einer anderen Fläche ausgebildet ist, die integral mit der einen Fläche verbunden ist und in einer Richtung in einem rechten Winkel gebogenen ist. Das vorderseitige Loch 4007 kann der reflektierenden Einheit 4005 ermöglichen, dass sie fest oberhalb der Lichtquelle 4001 angeordnet ist. Dementsprechend ist eine Vorderseite geöffnet durch die reflektierende Einheit 4005, und die reflektierende Einheit 4005 ist an dem Gehäuse 4009 derart befestigt, dass die geöffnete Vorderseite dem vorderseitigen Loch 4007 entspricht und das von der reflektierenden Einheit 4005 reflektierte Licht durch das vorderseitige Loch 4007 hindurchgehen kann, um nach außen abgegeben zu werden.
Während beispielhafte Ausführungsformen oben gezeigt und beschrieben wurden, wird es Fachleuten einleuchten, dass Abwandlungen und Variationen gemacht werden können ohne von der Idee und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert sind, abzuweichen.

Claims

Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung mit: einer Basisschicht, die aus einem Nitrid-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; einer Isolierschicht, die auf der Basisschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, von denen jede einen Abschnitt der Basisschicht freilegt; einer Mehrzahl von Nanokernen, die in der Mehrzahl der Öffnungen jeweilig angeordnet sind und aus dem Nitrid-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, wobei jeder der Mehrzahl von Nanokernen einen Spitzenabschnitt mit einer Kristallfläche aufweist, die verschieden ist von der einer Seitenfläche; einer aktiven Schicht und einer Nitrid-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die aufeinanderfolgend auf Oberflächen jedes der Mehrzahl von Nanokernen angeordnet sind; und einer stromsperrenden Zwischenschicht, die an dem Spitzenabschnitt jeder der Mehrzahl von Nanokernen zwischen jedem der Nanokerne und der aktiven Schicht angeordnet ist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die stromsperrende Zwischenschicht ein undotiertes Nitrid oder ein Nitrid aufweist, das mit einer Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die stromsperrende Zwischenschicht eine Dicke von 50 nm oder mehr aufweist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die stromsperrende Zwischenschicht eine Störstellenkonzentration von 1,0·10¹⁶/cm³ oder mehr aufweist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kristallflächen an den Seitenflächen der Nanokerne senkrecht zu einer oberen Fläche der Basisschicht sind.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der Nanokerne, die aktive Schicht und die Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps einen Nitrid-Einkristall aufweisen, und wobei die stromsperrende Zwischenschicht einen Nitrid-Einkristall aufweist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 1 weiter mit einer zusätzlichen stromsperrenden Zwischenschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und an einem Bereich angeordnet ist, welcher dem Spitzenabschnitt jedes der Mehrzahl von Nanokernen entspricht.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die zusätzliche stromsperrende Zwischenschicht ein undotiertes Nitrid oder ein Nitrid aufweist, das mit einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die zusätzliche stromsperrende Zwischenschicht derart ausgebildet ist, dass sie sich von dem Bereich, der dem Spitzenbereich entspricht, zu einem Bereich erstreckt, welcher der Seitenfläche jedes der Nanokerne entspricht.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 9, wobei in der zusätzlichen stromsperrenden Zwischenschicht eine Dicke des Abschnittes an dem Bereich, welcher der Seitenfläche entspricht, geringer ist als eine Dicke des Abschnittes an dem Bereich, der dem Spitzenabschnitt entspricht.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Abschnitt an dem Bereich, welcher der Seitenfläche entspricht, sich zu einer Oberfläche der Isolierschicht erstreckt.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung mit: einer Basisschicht, die aus einem Nitrid-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; einer Isolierschicht, die auf der Basisschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, von denen jede einen Abschnitt der Basisschicht freilegt; einer Mehrzahl von Nanokernen, die in der Mehrzahl von Öffnungen jeweilig angeordnet sind und aus dem Nitrid-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, wobei jeder der Mehrzahl von Nanokernen einen Spitzenabschnitt mit einer Kristallfläche enthält, die verschieden ist von der einer Seitenfläche; einer aktiven Schicht und einer Nitrid-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die aufeinanderfolgend an Oberflächen jedes der Mehrzahl von Nanokernen angeordnet sind; und einer stromsperrenden Zwischenschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist und an einem Bereich angeordnet ist, welcher dem Spitzenabschnitt jedes der Mehrzahl von Nanokernen entspricht.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 12, wobei bei der stromsperrenden Zwischenschicht eine Dicke des Abschnittes an einem Bereich, welcher der Seitenfläche jedes der Mehrzahl von Nanokernen entspricht, geringer ist als eine Dicke des Abschnittes an dem Bereich, welcher dem Spitzenabschnitt entspricht.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die stromsperrende Zwischenschicht ein undotiertes Nitrid oder ein Nitrid aufweist, das mit einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, und wobei in der stromsperrenden Zwischenschicht die Dicke des Abschnittes an dem Bereich, welcher dem Spitzenabschnitt entspricht, 50 nm oder mehr ist, und die Dicke des Abschnittes an dem Bereich, welcher der Seitenfläche entspricht, 20 nm oder weniger ist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Abschnitt an dem Bereich, welcher der Seitenfläche entspricht, die gleiche Störstellenkonzentration aufweist wie die des Abschnittes an dem Bereich, welcher dem Spitzenabschnitt entspricht.
Lichtemittierende Nanostruktur nach Anspruch 13, wobei sich die stromsperrende Zwischenschicht zu einer Oberfläche der Isolierschicht erstreckt.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 16, wobei in der stromsperrenden Zwischenschicht die Dicke des Abschnittes an dem Bereich, welcher dem Spitzenabschnitt entspricht, 50 nm oder mehr ist, und die Dicke des Abschnittes an dem Bereich, welcher der Seitenfläche entspricht, 5 nm bis 20 nm ist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung mit: einer Basisschicht, die aus einem Nitrid-Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; einer Isolierschicht, die auf der Basisschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, von denen jede einen Abschnitt der Basisschicht freilegt; einer Mehrzahl von Nanokernen, die in der Mehrzahl von Öffnungen angeordnet sind und aus dem Nitrid-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, wobei jeder der Mehrzahl von Nanokernen einen Spitzenabschnitt mit einer Kristallfläche aufweist, die verschieden ist von der einer Seitenfläche; einer aktiven Schicht und einer Nitrid-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die aufeinanderfolgend an Oberflächen jedes der Mehrzahl von Nanokernen angeordnet sind; einer ersten stromsperrenden Zwischenschicht, die zwischen der aktiven Schicht und der Nitrid-Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist und die auf einem Bereich, welcher dem Spitzenabschnitt jedes der Mehrzahl von Nanokernen entspricht, angeordnet ist; und einer zweiten stromsperrenden Zwischenschicht, welche an dem Spitzenabschnitt jedes der Mehrzahl von Nanokernen zwischen jedem der Nanokerne und der aktiven Schicht angeordnet ist.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 18, wobei sich die erste stromsperrende Zwischenschicht zu einer Oberfläche der Isolierschicht erstreckt, und in der ersten stromsperrenden Zwischenschicht eine Dicke des Abschnittes an einem Bereich, welcher der Seitenfläche jedes der Mehrzahl von Nanokernen entspricht, geringer ist als eine Dicke eines Abschnittes an dem Bereich, welcher dem Spitzenabschnitt entspricht.
Lichtemittierende Nanostrukturvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die erste stromsperrende Zwischenschicht ein undotiertes Nitrid oder ein Nitrid aufweist, das mit einer Störstelle des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, und wobei die zweite stromsperrende Zwischenschicht ein undotiertes Nitrid oder ein Nitrid aufweist, das mit einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist.