JP2012246216A - Method for forming nanostructure on substrate and use of the same - Google Patents

Method for forming nanostructure on substrate and use of the same Download PDF

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ジアンウェイジェイス チェン
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a silicon substrate which exhibits reduced reflectivity.SOLUTION: The disclosure is directed to a method for forming nanostructures on a substrate including silicon comprising the steps of: (a) depositing a layer of transition metal on the surface of the substrate; (b) annealing the layer of the transition metal to form a patterned transition metal layer; and (c) etching the substrate to form the nanostructures on the substrate surface.

Description

本発明は、ケイ素を含む基板上にナノ構造を作製する方法及びその使用に関する。   The present invention relates to a method for producing nanostructures on a silicon-containing substrate and the use thereof.

様々な構造形態及び結晶方位を有するケイ素(Si)は、光電子デバイス及び太陽電池用途に広く使用されている。しかしながら、平坦なケイ素は、強いスペクトル依存性を示す固有の高い反射率を有する。したがって、広いスペクトル域における反射の効率的な抑制が研究されており、この技術的問題を克服するために、これまで数多くの解決策が提案されている。   Silicon (Si) with various structural forms and crystal orientations is widely used in optoelectronic devices and solar cell applications. However, flat silicon has an inherently high reflectivity that exhibits a strong spectral dependence. Therefore, efficient suppression of reflections over a wide spectral range has been studied, and numerous solutions have been proposed to overcome this technical problem.

1つの知られた手法において、ケイ素基板の表面反射率の低減を目指し、深い表面テクスチャリングが提案されている。例えば、平滑ケイ素基板表面をエッチングに供し、Si粗面を得ることができる(すなわち「テクスチャリング」)。そのようなテクスチャリングにより、粗面化されたSi表面は低減された反射率を示すことができる。しかしながら、そのような「テクスチャリング」法の1つの制限は、特定の型の表面方位を有するケイ素、すなわちケイ素<100>にのみ適用可能であるという点である。さらに、深い表面テクスチャリングを施されたSi基板は、入射光の角度とともに急激に増加する反射率を示す傾向があることも判明している。   In one known approach, deep surface texturing has been proposed with the aim of reducing the surface reflectivity of the silicon substrate. For example, a smooth silicon substrate surface can be subjected to etching to obtain a Si rough surface (ie, “texturing”). With such texturing, the roughened Si surface can exhibit reduced reflectivity. However, one limitation of such a “texturing” method is that it is applicable only to silicon having a specific type of surface orientation, ie silicon <100>. It has also been found that Si substrates with deep surface texturing tend to exhibit reflectivity that increases rapidly with the angle of incident light.

したがって、別の知られた手法において、反射防止コーティング、例えばSiOコーティング、Siコーティング、及びTiOコーティング等がケイ素基板表面上に提供される。そのような手法の1つの制限は、反射防止コーティングのそれぞれの種類が、典型的には、限定されたスペクトル域における反射率の低減、及び特定の入射角度のみに対して有用であるに過ぎないとう点にある。したがって、反射防止コーティングの使用は、Si基板が広いスペクトルの放射線、例えば広範囲の波長にわたる太陽放射に供される場合には、反射率の低減に好適ではない。 Thus, in another known approach, anti-reflective coatings such as SiO x coatings, Si 3 N 4 coatings, TiO x coatings, and the like are provided on the silicon substrate surface. One limitation of such an approach is that each type of anti-reflective coating is typically only useful for reduced reflectivity in a limited spectral range and only for a specific angle of incidence. In the point. Thus, the use of anti-reflective coatings is not suitable for reducing reflectivity when the Si substrate is subjected to a broad spectrum of radiation, for example solar radiation over a wide range of wavelengths.

この欠点を克服するために、二層反射防止コーティングを提供することも提案されている。そのような二重層コーティングにより反射率の低減を改善し得るが、これらのコーティングの製造は困難で、適用する上で高価であり、光起電モジュールに使用される場合、有効性に欠けることが知られている。   To overcome this drawback, it has also been proposed to provide a two-layer anti-reflective coating. Such double layer coatings can improve the reduction of reflectivity, but the production of these coatings is difficult, expensive to apply and may lack effectiveness when used in photovoltaic modules. Are known.

上記の技術的問題を解決するためのさらに別の手法は、触媒エッチングである。しかしながら、この技術は以下の欠点を有する。まず、触媒エッチングは、ケイ素基板上の複雑な3次元(3D)ナノ構造の生成には好適ではない。さらに、この技術では、特に構造がナノサイズ範囲に至るまでより微小となる場合、様々な程度の複雑性を有する高アスペクト比の構造を提供することが困難である。   Yet another approach to solving the above technical problem is catalytic etching. However, this technique has the following disadvantages. First, catalytic etching is not suitable for producing complex three-dimensional (3D) nanostructures on a silicon substrate. Furthermore, with this technique, it is difficult to provide high aspect ratio structures with varying degrees of complexity, especially when the structures are smaller to the nanosize range.

提案されている別の技術では、ハロゲンガスの存在下でのSi基板のレーザパルスによる照射が関与する。この技術において、スパイク形成は、レーザパルスの特性に強く依存する。レーザパルスは超高速で非常に強くなければならず、照射は、ハロゲン、例えばSFの存在下で行われなければならない。しかしながら、この技術の欠点は、Si基板のエッチング深さ及びエッチング均一性の低い制御性にあり、これによりSiウェハにわたるエッチング深さの大きな変動がもたらされる。 Another proposed technique involves irradiation of the Si substrate with a laser pulse in the presence of a halogen gas. In this technique, spike formation is strongly dependent on the characteristics of the laser pulse. The laser pulse must be very fast and very strong, and the irradiation must be carried out in the presence of a halogen, for example SF 6 . However, the drawback of this technique is the low controllability of the Si substrate etch depth and etch uniformity, which results in large variations in etch depth across the Si wafer.

したがって、上述の技術的問題を克服する、又は少なくとも改善する、低減された反射率を示すケイ素基板を製造するための方法を提供する必要がある。   Accordingly, there is a need to provide a method for manufacturing a silicon substrate exhibiting reduced reflectivity that overcomes or at least ameliorates the above technical problems.

一態様において、ケイ素を含む基板上にナノ構造を提供する方法であって、(a)前記基板の表面上に遷移金属の層を堆積させるステップと、(b)前記遷移金属の層をアニールして、パターン化遷移金属層を形成させるステップと、(c)前記基板をエッチングして、前記基板表面上にナノ構造を形成させるステップとを含む方法が提供される。   In one aspect, a method for providing nanostructures on a silicon-containing substrate comprising: (a) depositing a transition metal layer on a surface of the substrate; and (b) annealing the transition metal layer. Providing a patterned transition metal layer; and (c) etching the substrate to form nanostructures on the substrate surface.

有利には、本開示は、低い反射率を有するケイ素基板を製造するための単純で効果的な方法を提供し、パターン化ケイ素基板は、光起電デバイスの作製、アノードとしての使用に好適であり、さらに光電子デバイスの作製用の出発テンプレートとして機能する。具体的には、本方法は、広い放射線スペクトルにわたり低い反射率を示し(「ブラックシリコン」)、反射防止コーティングの1又は2以上の層の適用を必要としないケイ素基板を準備することができる。   Advantageously, the present disclosure provides a simple and effective method for producing a silicon substrate with low reflectivity, the patterned silicon substrate being suitable for use in making photovoltaic devices and as an anode. In addition, it functions as a starting template for the fabrication of optoelectronic devices. Specifically, the method can provide a silicon substrate that exhibits low reflectivity over a broad radiation spectrum (“black silicon”) and does not require the application of one or more layers of antireflective coatings.

さらに有利には、本方法は、任意の表面方位(例えば、<100>、<111>、<010>、<001>、<110>、<011>、<101>)の、反射率が低減されたパターン化ケイ素基板の作製に効果的である。   More advantageously, the method reduces the reflectivity of any surface orientation (eg, <100>, <111>, <010>, <001>, <110>, <011>, <101>). It is effective for producing a patterned silicon substrate.

さらに有利には、驚くべきことに、上記方法に従い作製されたパターン化ケイ素基板は、表面欠陥(亀裂及びエッチピット等)の密度が大幅に低減された、窒化ガリウム(GaN)等のバンドギャップの広い半導体材料の層の成長に使用することができることが判明している。有利には、これによって、上記方法により製造された表面改質ケイ素基板は、光電子デバイス用の出発テンプレートとして機能することができる。   More advantageously, surprisingly, the patterned silicon substrate made according to the above method has a band gap such as gallium nitride (GaN) with a greatly reduced density of surface defects (such as cracks and etch pits). It has been found that it can be used to grow a wide layer of semiconductor material. Advantageously, this allows the surface-modified silicon substrate produced by the above method to function as a starting template for optoelectronic devices.

別の態様において、上記方法により製造される露出表面上のナノ構造を含むパターン化ケイ素基板が提供される。   In another aspect, there is provided a patterned silicon substrate comprising nanostructures on exposed surfaces produced by the above method.

別の態様において、窒化ガリウム(GaN)層の堆積及び成長のための、上で定義されるパターン化ケイ素基板の使用が提供される。   In another aspect, there is provided the use of a patterned silicon substrate as defined above for the deposition and growth of a gallium nitride (GaN) layer.

さらに別の態様において、光起電(PV,photovoltaic)デバイスの製造のための、上で定義されるパターン化ケイ素基板の使用が提供される。   In yet another aspect, the use of a patterned silicon substrate as defined above for the manufacture of photovoltaic (PV) devices is provided.

さらに別の態様において、アノードとしての、上で定義されるパターン化ケイ素基板の使用が定義される。   In yet another aspect, the use of a patterned silicon substrate as defined above as an anode is defined.

別の態様において、パターン化表面を有するケイ素基板上に窒化アルミニウム(AlN)層を堆積させるための方法であって、(a)上で定義されるパターン化ケイ素基板を準備するステップと、(b)前記パターン化表面上にトリメチルアルミニウム(TMA,trimethyl aluminum)を通過させて、表面上にAlの層を堆積させるステップと、(c)所定のV/III比及び温度で前記パターン化表面上にTMA及びアンモニア(NH)を通過させて、パターン化表面上でのAlNの堆積をもたらすステップと、(d)ステップ(c)における温度及びV/III比を調節して、2次元AlN成長をもたらすステップとを含む方法が提供される。 In another aspect, a method for depositing an aluminum nitride (AlN) layer on a silicon substrate having a patterned surface, comprising: (a) providing a patterned silicon substrate as defined above; ) Passing trimethylaluminum (TMA) over the patterned surface to deposit an Al layer on the surface; and (c) depositing a layer of Al on the patterned surface at a predetermined V / III ratio and temperature. Passing TMA and ammonia (NH 3 ) to effect deposition of AlN on the patterned surface; and (d) adjusting the temperature and V / III ratio in step (c) to achieve two-dimensional AlN growth. A method is provided.

一実施形態において、調節するステップは、ステップ(b)中の温度及びV/III比の初期低下を含む。   In one embodiment, the adjusting step includes an initial decrease in temperature and V / III ratio during step (b).

別の実施形態において、調節するステップは、ステップ(b)中、温度の初期低下の後に、V/III比を維持しながら温度を再び最初に定められた温度に上昇させるステップをさらに含む。   In another embodiment, the adjusting step further comprises, during step (b), after the initial decrease in temperature, increasing the temperature again to the initially determined temperature while maintaining the V / III ratio.

別の実施形態において、調節するステップは、V/III比を少なくとも50%低下させるステップをさらに含む。   In another embodiment, the adjusting step further comprises reducing the V / III ratio by at least 50%.

さらに別の実施形態において、ステップ(b)中の温度の初期低下は、150℃以上の低下である。   In yet another embodiment, the initial decrease in temperature during step (b) is a decrease of 150 ° C. or higher.

有利には、上で定義されるようにステップ(b)中に温度及び/又はV/III比を調節することにより、AlN緩衝層の効果的な2次元成長を達成することができる。上述の方法に従い成長させたAlN緩衝層は、GaN層を成長させるためのテンプレートとして機能することができる。有利には、AlN緩衝層を有する上述のパターン化ケイ素基板上に成長させたGaN層は、結晶格子内に生じる歪みが低減されることが判明している。歪みの低減は、成長させたGaN層の表面形態に見られるピット欠陥の密度がより低いことから証明され得る。   Advantageously, effective two-dimensional growth of the AlN buffer layer can be achieved by adjusting the temperature and / or V / III ratio during step (b) as defined above. The AlN buffer layer grown according to the above-described method can function as a template for growing the GaN layer. Advantageously, it has been found that a GaN layer grown on the above-described patterned silicon substrate with an AlN buffer layer reduces the strain that occurs in the crystal lattice. The reduction in strain can be demonstrated by the lower density of pit defects found in the surface morphology of the grown GaN layer.

したがって、さらに別の態様において、ケイ素基板上に窒化インジウムガリウム(InGaN)/GaN多重量子井戸(MQW,multiple quantum well)を提供するための方法であって、(i)上で定義されるパターン化ケイ素基板を準備するステップと、(ii)上で定義される方法に従い前記パターン化ケイ素基板上にAlN層を堆積させるステップと、(iii)その上にGaN及びAlN層の交互層をさらに堆積させ、所望の厚さを達成するステップとを含む方法が提供される。   Accordingly, in yet another aspect, a method for providing indium gallium nitride (InGaN) / GaN multiple quantum wells (MQWs) on a silicon substrate, the patterning defined above (i) Providing a silicon substrate; (ii) depositing an AlN layer on the patterned silicon substrate according to the method defined above; and (iii) further depositing alternating layers of GaN and AlN layers thereon. Achieving a desired thickness is provided.

添付の図面は、開示される実施形態を例示し、開示される実施形態の原理を説明する役割を果たす。しかしながら、図面は、例示のみを目的として作成され、本発明の限界を定義するものとして作成されたものではないことを理解されたい。   The accompanying drawings illustrate the disclosed embodiments and serve to explain the principles of the disclosed embodiments. However, it should be understood that the drawings have been prepared for purposes of illustration only and are not intended to define the limitations of the present invention.

ケイ素を含む基板上にナノ構造を生成するためのステップを示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating steps for generating nanostructures on a substrate comprising silicon. ケイ素及び酸化ケイ素を含む基板上にナノ構造を生成するためのステップを示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating steps for generating nanostructures on a substrate comprising silicon and silicon oxide. 急速アニールステップにより形成されたナノドットの原子間力顕微鏡(AFM,atomic force microscope)画像である。It is an atomic force microscope (AFM, atomic force microscope) image of the nanodot formed by the rapid annealing step. 図3a中のナノドットを形成するためのアニールの温度プロファイルを示すグラフである。FIG. 3b is a graph showing a temperature profile of annealing to form the nanodots in FIG. 3a. 形成されたナノドットのAFM画像の平面図である。It is a top view of the AFM image of the formed nanodot. ナノドットのサイズ分布が幅約40〜80nm及び高さ20〜30nmであることを示す、図3c中に示される線幅にわたる断面解析プロットである。3c is a cross-sectional analysis plot across the line width shown in FIG. 3c, showing that the size distribution of the nanodots is about 40-80 nm wide and 20-30 nm high. エッチング後に基板表面上に形成されたナノ構造の走査型電子顕微鏡(SEM,scanning electron microscope)画像であり、遷移金属(Au)の堆積層の厚さは3nmであった。It is a scanning electron microscope (SEM) image of the nanostructure formed on the substrate surface after etching, and the thickness of the deposited layer of transition metal (Au) was 3 nm. エッチング後に基板表面上に形成されたナノ構造のSEM画像であり、遷移金属(Au)の堆積層の厚さは6nmであった。It is the SEM image of the nanostructure formed on the substrate surface after the etching, and the thickness of the deposited layer of transition metal (Au) was 6 nm. エッチング後に基板表面上に形成されたナノ構造のSEM画像であり、遷移金属(Au)の堆積層の厚さは9nmであった。It is the SEM image of the nanostructure formed on the substrate surface after the etching, and the thickness of the deposited layer of transition metal (Au) was 9 nm. エッチング後に基板表面上に形成されたナノ構造のSEM画像であり、遷移金属(Au)の堆積層の厚さは12nmであった。It is the SEM image of the nanostructure formed on the substrate surface after the etching, and the thickness of the deposited layer of transition metal (Au) was 12 nm. 緩衝酸化物エッチング(BOE,Buffered Oxide Etch)溶液による清浄化後の図4aの基板を示すSEM画像である。4B is an SEM image showing the substrate of FIG. 4a after cleaning with a buffered oxide etch (BOE) solution. BOE溶液による清浄化後の図4bの基板を示すSEM画像である。4b is a SEM image showing the substrate of FIG. 4b after cleaning with BOE solution. BOE溶液による清浄化後の図4cの基板を示すSEM画像である。5 is an SEM image showing the substrate of FIG. 4c after cleaning with a BOE solution. BOE溶液による清浄化後の図4dの基板を示すSEM画像である。5 is an SEM image showing the substrate of FIG. 4d after cleaning with a BOE solution. 図5a〜5d中の各基板試料に対する3次元AFM画像及びラインスキャンのプロファイルである。6 is a three-dimensional AFM image and line scan profile for each substrate sample in FIGS. Siナノピラー(左)及び従来のケイ素(111)ウェハ(右)に対して行った接触角測定結果である。It is the contact angle measurement result performed with respect to Si nano pillar (left) and the conventional silicon (111) wafer (right). 露出ケイ素対図5a〜5dのエッチング後の基板の反射率プロットである。5 is a reflectance plot of exposed silicon versus substrate after etching of FIGS. ケイ素ナノピラーの断面SEM画像である。It is a cross-sectional SEM image of a silicon nano pillar. Siナノ構造表面テンプレート上の低温窒化アルミニウム(LT−AlN,low temperature Aluminum nitride)中間層を用いた窒化ガリウム(GaN)の成長を示す断面SEM画像であり、挿入図は、高温AlNナノ構造を成長させたSi(111)の界面を示す。Cross-sectional SEM image showing growth of gallium nitride (GaN) using low temperature aluminum nitride (LT-AlN, low temperature aluminum nitride) interlayer on Si nanostructure surface template, inset shows high temperature AlN nanostructure growth The interface of the Si (111) made to show is shown. 従来のSi(111)上に成長させたGaNにおいて観察される欠陥を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the defect observed in GaN grown on the conventional Si (111). 異なる温度及びV/III比でSiナノピラー上に成長させた複数のAlN緩衝層を用いたGaNを示す図であるFIG. 6 shows GaN using multiple AlN buffer layers grown on Si nanopillars at different temperatures and V / III ratios. 異なる温度及びV/III比で従来のSi(111)上に成長させた複数のAlN緩衝層を用いたGaNを示す図である。FIG. 4 shows GaN using a plurality of AlN buffer layers grown on conventional Si (111) at different temperatures and V / III ratios. 従来のSi(111)上の窒化インジウムガリウム(InGaN)/GaN多重量子井戸(MQW)に対して行った、様々な温度での光ルミネッセンス(PL,photoluminescence)測定結果を示すグラフプロットである。It is a graph plot which shows the photoluminescence (PL, photoluminescence) measurement result in various temperatures performed with respect to the conventional indium gallium nitride (InGaN) / GaN multiple quantum well (MQW) on Si (111). Siナノピラー上の窒化インジウムガリウム(InGaN)/GaN多重量子井戸(MQW)に対して行った、様々な温度での光ルミネッセンス(PL)測定結果を示すグラフプロットである。It is a graph plot which shows the photoluminescence (PL) measurement result in various temperature performed with respect to the indium gallium nitride (InGaN) / GaN multiple quantum well (MQW) on Si nano pillar. 従来のSi(111)[左]及びSiナノピラー[右]上のInGaN/GaN試料の形態を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the form of the InGaN / GaN sample on the conventional Si (111) [left] and Si nano pillar [right]. 光起電(PV)用途における使用に好適な、約20nmの直径及び1μmを超える長さを有するSiナノニードルのSEM画像である。2 is an SEM image of Si nanoneedles having a diameter of about 20 nm and a length greater than 1 μm suitable for use in photovoltaic (PV) applications. Siウェハ上のGaNの異なる領域でのPLスペクトルである。2 is a PL spectrum in different regions of GaN on a Si wafer. 従来の明るいSiウェハ(右)対ナノピラーを有するブラックSiウェハ(左)の比較を示す写真である。It is a photograph which shows the comparison of the black Si wafer (left) which has the conventional bright Si wafer (right) versus a nano pillar. 貫通転位(明るい歪み線)の低減及び二重スタックAlN緩衝層を示す透過型電子顕微鏡(TEM,transmission electron microscope)画像である。It is a transmission electron microscope (TEM) image which shows reduction of a threading dislocation (bright distortion line) and a double stack AlN buffer layer. HT−AlN緩衝層の成長を示すSEM画像である。It is a SEM image which shows the growth of a HT-AlN buffer layer. Siナノピラー上の二重/複数スタックAlN緩衝層の成長(様々な温度及びV/III比での成長)を示すSEM画像である。FIG. 5 is an SEM image showing the growth of double / multiple stack AlN buffer layers on Si nanopillars (growth at various temperatures and V / III ratios). 図15aの従来のAlN層上に成長させたGaN層のSEM画像である。FIG. 15b is an SEM image of a GaN layer grown on the conventional AlN layer of FIG. 15a. 図15bの従来のAlN層上に成長させたGaN層のSEM画像である。FIG. 15b is an SEM image of a GaN layer grown on the conventional AlN layer of FIG. 15b. 温度及びV/III比を調節してSiナノピラー上に二重/複数スタックAlN緩衝層を成長させるステップを示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the steps of growing a double / multiple stack AlN buffer layer on Si nanopillars by adjusting temperature and V / III ratio. Siナノピラー上に単一のHT−AlN層を成長させるためのステップを示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing steps for growing a single HT-AlN layer on Si nanopillars. Auナノドットパターン化GaNアノードの表面形態のSEM画像である。It is a SEM image of the surface form of Au nanodot patterned GaN anode.

定義
本明細書において使用される以下の単語及び用語は、以下に示される意味を有するものとする。
Definitions As used herein, the following words and terms shall have the meanings set forth below.

本明細書に関連して、「V/III比」という用語は、ウェハ表面上に微結晶構造(例えば、AlN、GaN、AlGaN等)を成長させるためにウェハ表面にわたり通過させる第V族元素(例えばN)及び第III族元素(例えばAl、Ga等)のモル比を指すように解釈されるものとする。V/III比は、特定の温度及び圧力におけるモル前駆体比に依存する。V/III比は、反応のためにウェハ表面にわたり通過させるモル前駆体(例えば、TMA、NH)の流量を変化させることにより変更/調節され得る。 In the context of this specification, the term “V / III ratio” refers to a group V element that is passed across a wafer surface to grow a microcrystalline structure (eg, AlN, GaN, AlGaN, etc.) on the wafer surface ( For example, it should be construed to refer to the molar ratio of N) and Group III elements (eg, Al, Ga, etc.). The V / III ratio depends on the molar precursor ratio at a particular temperature and pressure. The V / III ratio can be changed / adjusted by changing the flow rate of the molar precursor (eg, TMA, NH 3 ) that is passed over the wafer surface for reaction.

「ナノサイズ構造」又は「ナノ構造」という用語は、本明細書において使用される場合、10nm〜1,500nmの幅及び/又は高さ寸法を有する構造を指すように解釈されるものとする。   The term “nanosize structure” or “nanostructure” as used herein shall be construed to refer to a structure having a width and / or height dimension of 10 nm to 1,500 nm.

「実質的に」という用語は、「完全に」を除外せず、例えば、Yを「実質的に含有しない」組成物は、Yを完全に含有しなくてもよい。必要に応じて、「実質的に」という単語は、本発明の定義から除外され得る。   The term “substantially” does not exclude “completely”; for example, a composition that is “substantially free” of Y may not be completely free of Y. If desired, the word “substantially” may be excluded from the definition of the present invention.

別段に指定されない限り、「含んでいる」及び「含む」、並びにそれらの文法的変化形は、「非制限的」又は「包含的」言語を表すことを意図し、それらは、列挙された要素を包含するが、列挙されていない追加的な要素の包含も許容する。   Unless otherwise specified, "includes" and "includes", and grammatical variations thereof, are intended to represent "unrestricted" or "inclusive" languages, which are listed elements Including the additional elements not listed.

本明細書において使用される場合、「約」という用語は、配合物の成分の濃度に関連して、典型的には示された値の+/−5%、より典型的には示された値の+/−4%、より典型的には示された値の+/−3%、より典型的には示された値の+/−2%、さらにより典型的には示された値の+/−1%、さらにより典型的には示された値の+/−0.5%を意味する。   As used herein, the term “about” typically refers to +/− 5% of the indicated value, more typically, relative to the concentration of the ingredients of the formulation. +/− 4% of the value, more typically +/− 3% of the indicated value, more typically +/− 2% of the indicated value, even more typically the indicated value Means +/- 1%, even more typically +/- 0.5% of the indicated value.

本開示全体にわたり、ある特定の実施形態は範囲形式で開示され得る。範囲形式での説明は、単に便宜上及び簡潔性のためのものであり、開示される範囲の領域に対する柔軟性のない限定として解釈されるべきではないことを理解されたい。したがって、範囲の説明は、全ての可能な部分範囲及びその範囲内の個々の数値を具体的に開示したものとみなされるべきである。例えば、1〜6等の範囲の説明は、1〜3、1〜4、1〜5、2〜4、2〜6、3〜6等の部分範囲、及びその範囲内の個々の数字、例えば1、2、3、4、5、及び6等を具体的に開示したものとみなされるべきである。これは、範囲の幅とは無関係に適用される。   Throughout this disclosure, certain specific embodiments may be disclosed in a range format. It should be understood that the description in range format is merely for convenience and brevity and should not be construed as an inflexible limitation on the scope of the disclosed ranges. Accordingly, the description of a range should be considered to have specifically disclosed all the possible subranges and individual numerical values within that range. For example, the description of ranges such as 1 to 6 includes subranges such as 1 to 3, 1 to 4, 1 to 5, 2 to 4, 2 to 6, 3 to 6, and individual numbers within the range, 1, 2, 3, 4, 5, 6 and the like should be considered as specifically disclosed. This applies regardless of the width of the range.

任意選択的な実施形態の開示
ここで、ケイ素を含む基板上にナノ構造を提供するための方法の例示的な限定されない実施形態を開示する。
Disclosure of Optional Embodiments An exemplary non-limiting embodiment of a method for providing nanostructures on a silicon-containing substrate is now disclosed.

基板は、結晶Siを本質的に含み得る。基板は、酸化Siの1又は2以上の層をさらに含んでもよい。一実施形態において、基板は、実質的に純粋なSiであるように選択される。Si基板は、<100>、<111>、<010>、<001>、<110>、<011>、<101>からなる群から選択される任意の表面方位を有し得る。一実施形態において、Si基板は、表面方位<111>を有する。   The substrate can essentially comprise crystalline Si. The substrate may further include one or more layers of oxidized Si. In one embodiment, the substrate is selected to be substantially pure Si. The Si substrate can have any surface orientation selected from the group consisting of <100>, <111>, <010>, <001>, <110>, <011>, <101>. In one embodiment, the Si substrate has a surface orientation <111>.

別の実施形態において、Si基板は、その表面上に、遷移金属の堆積層を受容するためのSiOの追加的な層を含む。 In another embodiment, the Si substrate includes an additional layer of SiO 2 on its surface for receiving a deposited layer of transition metal.

開示される方法の堆積させるステップ(a)は、物理気相堆積(PVD,physical vapor deposition)ステップを含んでもよい。PVDは、スパッタ堆積、蒸着、陰極アーク堆積、電子ビーム(eビーム)物理気相堆積、パルスレーザ堆積及びこれらの組合せからなる群から選択され得る。一実施形態において、堆積ステップ(a)は、基板表面上に前記遷移金属の層をスパッタするステップを含む。さらに別の実施形態において、基板上に遷移金属の層を堆積させるために、eビームPVD工程が使用される。   The depositing step (a) of the disclosed method may include a physical vapor deposition (PVD) step. PVD may be selected from the group consisting of sputter deposition, vapor deposition, cathodic arc deposition, electron beam (e-beam) physical vapor deposition, pulsed laser deposition, and combinations thereof. In one embodiment, the depositing step (a) comprises sputtering the transition metal layer on the substrate surface. In yet another embodiment, an e-beam PVD process is used to deposit a layer of transition metal on the substrate.

基板上に堆積させる遷移金属は、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、及びAuからなる群から選択され得る。一実施形態において、遷移金属は、Auであるように選択される。   Transition metals deposited on the substrate are Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W , Re, Os, Ir, Pt, and Au. In one embodiment, the transition metal is selected to be Au.

遷移金属層は、2〜20nm、2〜4nm、2〜6nm、2〜8nm、2〜10nm、2〜12nm、2〜14nm、2〜16m又は2〜18nmの厚さで堆積され得る。具体的実施形態において、遷移金属層は、約3nm、約6nm、約9nm、約12nm、約15nm、及び約18mmの厚さで堆積される。   The transition metal layer can be deposited at a thickness of 2-20 nm, 2-4 nm, 2-6 nm, 2-8 nm, 2-10 nm, 2-12 nm, 2-14 nm, 2-16 m or 2-18 nm. In specific embodiments, the transition metal layer is deposited at a thickness of about 3 nm, about 6 nm, about 9 nm, about 12 nm, about 15 nm, and about 18 mm.

アニールするステップ(b)は、1000℃未満の温度で行われてもよい。一実施形態において、アニールするステップ(b)は、800℃未満の温度で行われる。さらに別の実施形態において、アニール温度は、約400℃〜約750℃である。さらに別の実施形態において、アニール温度は、約400℃〜約500℃である。さらに、アニールするステップは、10秒〜120秒の期間行われてもよい。アニールの期間は、アニールするステップが行われる温度に依存し得る。別の実施形態において、アニールするステップは、30〜90秒の期間行われてもよく、アニール温度は400℃〜500℃である。   The annealing step (b) may be performed at a temperature below 1000 ° C. In one embodiment, the annealing step (b) is performed at a temperature below 800 ° C. In yet another embodiment, the annealing temperature is from about 400 ° C to about 750 ° C. In yet another embodiment, the annealing temperature is between about 400 ° C and about 500 ° C. Furthermore, the step of annealing may be performed for a period of 10 seconds to 120 seconds. The duration of annealing may depend on the temperature at which the annealing step is performed. In another embodiment, the annealing step may be performed for a period of 30 to 90 seconds, and the annealing temperature is 400 ° C to 500 ° C.

アニールするステップの後、Si基板上にパターン化遷移金属層が形成し得る。パターン化遷移金属層は、離散した遷移金属ナノ粒子を含んでもよい。   After the step of annealing, a patterned transition metal layer may be formed on the Si substrate. The patterned transition metal layer may include discrete transition metal nanoparticles.

一実施形態において、アニール後、パターン化遷移金属層は、実質的に基板の全表面積にわたり分散した、複数の離散したボール状ナノ粒子又はナノドットの構成を有してもよい。ナノドットは、球、長円、又は楕円形状であってもよい。   In one embodiment, after annealing, the patterned transition metal layer may have a configuration of a plurality of discrete ball-shaped nanoparticles or nanodots dispersed throughout substantially the entire surface area of the substrate. The nanodot may be a sphere, an ellipse, or an ellipse.

エッチングするステップ(c)は、少なくとも1種のハロゲンガス及び不活性ガスを含むガスエッチャントを用いて行われてもよい。ハロゲンガスは、基板層を等方性エッチングするように選択される反応種であってもよい。ハロゲンガスは、Cl、Br、又はFから選択され得る。一実施形態において、ハロゲンガスは、Clである。不活性ガス種は、Si−Si結合を破壊するための物理的衝撃を提供するように選択される任意の好適な非活性種であってもよい。一実施形態において、不活性ガスは、アルゴンである。エッチャント中の不活性ガスに対するハロゲンガスのガス流量比は、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1及び3:1からなる群から選択され得る。一実施形態において、エッチャントは、6:1の不活性ガスに対するハロゲンの流量比を有してもよい。有利には、不活性ガスに対するハロゲンガスの比は、エッチング速度に影響するように好適に制御され得る。 The etching step (c) may be performed using a gas etchant containing at least one halogen gas and an inert gas. The halogen gas may be a reactive species selected to isotropically etch the substrate layer. The halogen gas can be selected from Cl 2 , Br 2 , or F 2 . In one embodiment, the halogen gas is Cl 2. The inert gas species may be any suitable non-active species selected to provide a physical impact for breaking the Si-Si bond. In one embodiment, the inert gas is argon. The gas flow ratio of halogen gas to inert gas in the etchant can be selected from the group consisting of 9: 1, 8: 1, 7: 1, 6: 1, 5: 1, 4: 1 and 3: 1. In one embodiment, the etchant may have a flow rate ratio of halogen to inert gas of 6: 1. Advantageously, the ratio of halogen gas to inert gas can be suitably controlled to affect the etching rate.

一実施形態において、エッチングするステップ(c)は、誘導結合プラズマ(ICP,Inductive Coupled Plasma)エッチングを含む。別の実施形態において、エッチングするステップ(c)は、反応性イオンエッチング(RIE,Reactive-Ion Etching)を含んでもよい。エッチングするステップは、約5秒〜約60秒、約5秒〜120秒、約5秒〜約180秒、約5秒〜約240秒、又は約5秒〜約300秒行われてもよい。一実施形態において、エッチングするステップは、5秒〜60秒の期間行われてもよい。   In one embodiment, the etching step (c) includes an inductive coupled plasma (ICP) etch. In another embodiment, the etching step (c) may include reactive ion etching (RIE). The etching step may be performed for about 5 seconds to about 60 seconds, about 5 seconds to 120 seconds, about 5 seconds to about 180 seconds, about 5 seconds to about 240 seconds, or about 5 seconds to about 300 seconds. In one embodiment, the etching step may be performed for a period of 5 seconds to 60 seconds.

初期エッチング段階中、例えば10〜30秒のエッチング中、エッチャントは、基板を異方性エッチングしてもよく、すなわち、遷移金属層/ナノドットにより被覆されていない基板の領域のみでエッチングしてもよい。エッチングするステップが進行するに従い、エッチャントはまた、遷移金属ナノドットを部分的にエッチングして、ナノドットのサイズを減少させてもよい。   During the initial etch phase, for example 10-30 seconds of etching, the etchant may etch the substrate anisotropically, i.e. only in regions of the substrate not covered by the transition metal layer / nanodots. . As the etching step proceeds, the etchant may also partially etch the transition metal nanodots to reduce the size of the nanodots.

エッチングするステップの後、基板は、パターン化表面を示し得る。パターン化基板層は、離散した、又は相互接続した島状ナノ構造を含んでもよい。離散ナノ構造は、円筒構造、柱状構造(「ナノピラー」)、ピラミッド構造、円錐構造(「ナノコーン」)、ドーム状構造(「ナノドーム」)、針状構造(「ナノニードル」)、テーパ構造又はこれらの混合体を含んでもよい。浅いICPエッチングは、ナノピラー、ナノコーン、ナノドーム、及び相互接続された島状ナノ構造の形成をもたらし得ることが判明している。或いは、深いRIEエッチングによりナノニードル構造を得ることができる。   After the etching step, the substrate may exhibit a patterned surface. The patterned substrate layer may include discrete or interconnected island nanostructures. Discrete nanostructures can be cylindrical structures, columnar structures (“nanopillars”), pyramid structures, conical structures (“nanocones”), domed structures (“nanodomes”), acicular structures (“nanoneedles”), tapered structures or these May be included. It has been found that shallow ICP etching can result in the formation of nanopillars, nanocones, nanodomes, and interconnected island nanostructures. Alternatively, a nanoneedle structure can be obtained by deep RIE etching.

ナノ構造は、約55nm〜約250nmの幅寸法、約50nm〜約1200nmの高さ寸法を含んでもよい。微小間隔により1つのナノ構造が隣接ナノ構造から隔てられてもよい。間隔は、約25nm〜約100nmであってもよい。   The nanostructures may include a width dimension of about 55 nm to about 250 nm and a height dimension of about 50 nm to about 1200 nm. One nanostructure may be separated from adjacent nanostructures by a minute spacing. The spacing may be from about 25 nm to about 100 nm.

有利には、開示される方法は、多様なナノ構造を提供することができるという点で柔軟である。さらに、遷移金属層に、より微小なナノドットを形成させるために、アニール期間を増加させることができ、及び/又はアニール温度を上昇させることができ、これによって、より微小なナノ構造の形成が可能となる。   Advantageously, the disclosed method is flexible in that it can provide a variety of nanostructures. In addition, the annealing period can be increased and / or the annealing temperature can be increased to form finer nanodots in the transition metal layer, thereby allowing the formation of finer nanostructures. It becomes.

さらに、エッチングするステップにより遷移金属ナノドットの部分エッチングがもたらされた場合、ピラミッド状又は円錐状ナノ構造がパターン化基板上に形成することが判明している。   Furthermore, it has been found that if the etching step results in partial etching of the transition metal nanodots, pyramidal or conical nanostructures are formed on the patterned substrate.

別の実施形態において、パターン化基板は、離散したドーム状ナノ構造を含んでもよい。さらに別の実施形態において、パターン化基板は、1又は2以上の隣接ナノ構造と重複して相互接続された島状の特徴のネットワークを形成するドーム状ナノ構造を含んでもよい。   In another embodiment, the patterned substrate may include discrete dome-shaped nanostructures. In yet another embodiment, the patterned substrate may include domed nanostructures that form a network of island-like features that overlap and interconnect with one or more adjacent nanostructures.

開示される方法の別の実施形態において、Si基板にSiO層が提供されてもよい。遷移金属層は、直接基板層上ではなく、SiO層上に堆積され得る。金属層とSiO層との間の接着性を改善するために、1又は2以上の遷移金属層が連続的に提供されてもよい。一実施形態において、Au層の堆積の前にCr又はNi層がSiO層上に堆積されてもよい。一実施形態において、SiO層は、存在する場合、約10nm〜約400nmの厚さで提供されてもよい。 In another embodiment of the disclosed method, SiO 2 layer may be provided on the Si substrate. The transition metal layer can be deposited on the SiO 2 layer rather than directly on the substrate layer. In order to improve the adhesion between the metal layer and the SiO 2 layer, one or more transition metal layers may be provided continuously. In one embodiment, a Cr or Ni layer may be deposited on the SiO 2 layer prior to the deposition of the Au layer. In one embodiment, the SiO 2 layer, if present, may be provided with a thickness of about 10 nm to about 400 nm.

有利には、金属に勝るSiOの高い選択性が異方性エッチングを可能とし、それにより、SiO層が提供されていない場合のテーパ型の側壁(例えば円錐又はピラミッド構造)とは対照的に、実質的に垂直な側壁を有するパターン化Si基板が得られる。 Advantageously, the high selectivity of SiO 2 over metal allows anisotropic etching, thereby contrasting with tapered sidewalls (eg cone or pyramid structures) when no SiO 2 layer is provided. In addition, a patterned Si substrate having substantially vertical sidewalls is obtained.

ここで、パターン化表面を有するケイ素基板上にAlN層を堆積させるための方法の例示的な限定されない実施形態を開示する。   An exemplary non-limiting embodiment of a method for depositing an AlN layer on a silicon substrate having a patterned surface is now disclosed.

一実施形態において、パターン化表面を有するケイ素基板上にAlN層を堆積させるための方法であって、(a)上述の方法により製造されるパターン化ケイ素基板を準備するステップと、(b)前記パターン化表面上にトリメチルアルミニウム(TMA)を通過させて、表面上にAlの層を堆積させるステップと、(c)所定のV/III比及び温度で前記パターン化表面上にTMA及びアンモニア(NH)を通過させて、パターン化表面上でのAlNの堆積をもたらすステップと、(d)ステップ(c)における温度及びV/III比を調節して、2次元AlN成長をもたらすステップとを含む方法が提供される。 In one embodiment, a method for depositing an AlN layer on a silicon substrate having a patterned surface, comprising: (a) providing a patterned silicon substrate manufactured by the method described above; Passing trimethylaluminum (TMA) over the patterned surface to deposit a layer of Al on the surface; and (c) TMA and ammonia (NH) on the patterned surface at a predetermined V / III ratio and temperature. 3 ) passing through to cause deposition of AlN on the patterned surface; and (d) adjusting the temperature and V / III ratio in step (c) to provide two-dimensional AlN growth. A method is provided.

有利には、パターン化Si基板上にまずAlの層を堆積させることにより、AlN微結晶が形成されるステップ(c)中にNHとSiとの間の望ましくない反応が生じることが防止されることが判明している。具体的には、Alの保護層を有することにより、SiN結晶の形成が防止される。 Advantageously, first depositing a layer of Al on the patterned Si substrate prevents unwanted reactions between NH 3 and Si during step (c) in which AlN crystallites are formed. It has been found that Specifically, the formation of SiN x crystals is prevented by having an Al protective layer.

通過させるステップ(c)は、1000℃〜約1100℃の温度で行われてもよい。通過させるステップ(c)はまた、チャンバ設計により決定される100〜1500のV/III比で行われてもよい。V/III比は、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1300、1350、1400、1450、及び1500からなる群から選択され得る。一実施形態において、通過させるステップ(C)は、1050℃の温度、及び411という高いV/III比で行われてもよい。このステップ中、AlN微結晶はナノ構造の溝に形成し得る。   The passing step (c) may be performed at a temperature of 1000 ° C. to about 1100 ° C. Passing step (c) may also be performed at a V / III ratio of 100-1500 as determined by the chamber design. V / III ratio is 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, It may be selected from the group consisting of 1200, 1250, 1300, 1350, 1400, 1450, and 1500. In one embodiment, the passing step (C) may be performed at a temperature of 1050 ° C. and a high V / III ratio of 411. During this step, AlN crystallites can form in the nanostructured grooves.

調節するステップ(d)中、V/III比は、40%、50%、60%又は70%低下され得る。一実施形態において、調節するステップ(d)は、V/III比の少なくとも50%以上の低下を含む。一実施形態において、V/III比は、NHに対するTMAの流量を増加させることにより低下され得る。調節するステップ(d)は、温度を150℃以上低下させるステップをさらに含んでもよい。有利には、温度及びV/III比の低下は、より多くのAl原子の注入をもたらし、Al吸着原子の拡散確率を低下させる。これにより、ナノ構造の側壁及び先端上にAlN微結晶が核生成及び形成する。 During the adjusting step (d), the V / III ratio can be reduced by 40%, 50%, 60% or 70%. In one embodiment, the adjusting step (d) comprises a reduction of at least 50% or more of the V / III ratio. In one embodiment, the V / III ratio can be reduced by increasing the flow rate of TMA relative to NH 3 . The adjusting step (d) may further include a step of reducing the temperature by 150 ° C. or more. Advantageously, lowering the temperature and V / III ratio results in more Al atom injection and lowers the diffusion probability of Al adatoms. This nucleates and forms AlN microcrystals on the sidewalls and tips of the nanostructures.

調節するステップ(d)は、再び温度をステップ(c)の温度に上昇させるステップ(d2)をさらに含んでもよい。一実施形態において、調節するステップ(d)は、V/III比を維持しながら温度を1050℃に上昇させるステップを含んでもよい。有利には、これは、AlN微結晶の高エネルギーAl吸着原子との合体を促進し、AlN層の効果的な2D成長をもたらす。また、平坦化された多孔質AlNの形成をもたらす条件下で、平坦化AlN層上に細孔が形成され得る。   The adjusting step (d) may further include a step (d2) of raising the temperature to the temperature of step (c) again. In one embodiment, the adjusting step (d) may comprise increasing the temperature to 1050 ° C. while maintaining the V / III ratio. Advantageously, this promotes coalescence of AlN crystallites with high energy Al adatoms, resulting in effective 2D growth of the AlN layer. Also, pores can be formed on the planarized AlN layer under conditions that result in the formation of planarized porous AlN.

パターン化ケイ素基板上にAlN層を堆積させるための方法の代替の実施形態において、調節するステップは任意に削除されてもよい。この実施形態において、一定の高温及びV/III比でAlN微結晶を成長させる。そうすることにより、より低い温度及びV/III比で成長させたAlN微結晶に比べ、より大きいAlN微結晶及び微小板が形成され得る。この実施形態において、AlN層は、3D結晶成長する。工程中、AlN微結晶内にいくつかの空隙が形成され得るが、これはメルトバック効果をもたらし得る。   In an alternative embodiment of the method for depositing an AlN layer on a patterned silicon substrate, the adjusting step may optionally be omitted. In this embodiment, AlN crystallites are grown at a constant high temperature and V / III ratio. By doing so, larger AlN crystallites and platelets can be formed compared to AlN crystallites grown at lower temperatures and V / III ratios. In this embodiment, the AlN layer is 3D crystal grown. During the process, several voids can be formed in the AlN crystallites, which can lead to a meltback effect.

上記の方法は、Si基板のナノ構造上に堆積された高温AlN(HT−AlN,high temperature-AlN)緩衝層を含むパターン化Si基板層の形成をもたらす。有利には、HT−AlN緩衝層を有するこのSi基板は、続いてその上にGaN層を成長させるために使用することができる。   The above method results in the formation of a patterned Si substrate layer that includes a high temperature AlN (HT-AlN) buffer layer deposited on the Si substrate nanostructure. Advantageously, this Si substrate with an HT-AlN buffer layer can subsequently be used to grow a GaN layer thereon.

したがって、本開示の別の態様は、パターン化ケイ素基板上にInGaN/GaN多重量子井戸(MQW)を提供するための方法であって、(i)上で定義されるパターン化ケイ素基板を準備するステップと、(ii)上述の方法に従い前記パターン化ケイ素基板上にHT−AlN層を堆積させるステップと、(iii)その上にGaN及びAlN層の交互層をさらに堆積させ、所望の厚さを達成するステップとを含む方法に関する。   Accordingly, another aspect of the present disclosure is a method for providing an InGaN / GaN multiple quantum well (MQW) on a patterned silicon substrate, comprising: (i) providing a patterned silicon substrate as defined above And (ii) depositing an HT-AlN layer on the patterned silicon substrate according to the method described above; and (iii) further depositing alternating layers of GaN and AlN layers thereon to obtain a desired thickness. And achieving the method.

一実施形態において、Si基板上にHT−AlN緩衝層を形成させた後、基板上にトリメチルガリウム(Ga(CH)すなわち「TMGa」,trimethyl gallium)及びTMAを流すことにより、HT−AlN層上にAlGaN緩衝層を成長させる。TMAに対するTMGaの流量は、約1:7、1:7.5、又は1:8の比であってもよい。AlGaN層は、1025℃の温度で成長させてもよい。AlGaN層は、約200nmの厚さを有してもよい。 In one embodiment, an HT-AlN buffer layer is formed on a Si substrate, and then trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) or “TMGa”, trimethyl gallium) and TMA are flowed over the substrate to produce HT- An AlGaN buffer layer is grown on the AlN layer. The TMGa to TMA flow rate may be a ratio of about 1: 7, 1: 7.5, or 1: 8. The AlGaN layer may be grown at a temperature of 1025 ° C. The AlGaN layer may have a thickness of about 200 nm.

AlGaN層を成長させた後、メルトバックを防止するためにNHの流量を低く維持しながら、同じ温度及び圧力でGaNの層を成長させる。一実施形態において、TMGaの流量は、約15〜30sccm(立方センチメートル毎分)であってもよい。TMAの流量は、約80〜150sccmであってもよく、NHの流量は、約5〜20slm(リットル毎分)である。成長させたGaN層は、約250nmの厚さを有してもよい。 After the AlGaN layer is grown, the GaN layer is grown at the same temperature and pressure while maintaining a low NH 3 flow rate to prevent meltback. In one embodiment, the TMGa flow rate may be about 15-30 sccm (cubic centimeter per minute). The flow rate of TMA may be about 80-150 sccm, and the flow rate of NH 3 is about 5-20 slm (liter per minute). The grown GaN layer may have a thickness of about 250 nm.

その後、GaN層の上に、約600〜700℃の低温でAlN中間層(LT−AlN)を成長させてもよい。LT−AlN中間層は、2〜3nm以下の厚さを有してもよい。有利には、AlN中間層は、結晶構造内の応力及び歪みを低減するように機能し、Si基板上のn−GaN層を改善する。   Thereafter, an AlN intermediate layer (LT-AlN) may be grown on the GaN layer at a low temperature of about 600 to 700 ° C. The LT-AlN intermediate layer may have a thickness of 2 to 3 nm or less. Advantageously, the AlN intermediate layer functions to reduce stress and strain in the crystal structure and improves the n-GaN layer on the Si substrate.

LT−AlN中間層の上に追加的なGaN層を成長させ、続いてもう1つのLT−AlN中間層及びもう1つのGaN層を成長させてもよい。この工程は、所望のGaNの厚さが得られるまで繰り返されてもよい。   An additional GaN layer may be grown on the LT-AlN intermediate layer, followed by another LT-AlN intermediate layer and another GaN layer. This process may be repeated until the desired GaN thickness is obtained.

パターン化Si基板上に成長させた得られるGaNテンプレートは、InGaN/GaN多重量子井戸及びpGaNの成長に使用して、発光ダイオードを形成させることができる。   The resulting GaN template grown on a patterned Si substrate can be used to grow InGaN / GaN multiple quantum wells and pGaN to form a light emitting diode.

[実施例]
特定の実施例を参照することにより、さらに本発明の限定されない例をより詳細に説明するが、実施例は決して本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
[Example]
Reference will now be made in more detail to non-limiting examples of the present invention by reference to specific examples, which should in no way be construed as limiting the scope of the invention.

パターン化Si基板の製造
まず、4:1の体積比の硫酸HSO及び過酸化水素(H)からなる混合物であるピラニア溶液中で、Si(111)ウェハ基板を清浄化する。この清浄化ステップの目的は、ウェハ表面から有機汚染物質を除去することである。
Fabrication of patterned Si substrate First, the Si (111) wafer substrate is cleaned in a piranha solution, which is a mixture of sulfuric acid H 2 SO 4 and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) in a volume ratio of 4: 1. . The purpose of this cleaning step is to remove organic contaminants from the wafer surface.

次いで、Si基板を、フッ化アンモニア(NH4F)及び脱イオン(DI)水で希釈したフッ化水素酸(HF)中で清浄化する(緩衝酸化物エッチング、「BOE」としても知られる)。BOEは、Si基板の表面を均一に濡らし、HF成分は基板表面上に存在するいかなるSiOも除去する。純粋なSi表面をブロー乾燥し、速やかに次のステップに使用する。 The Si substrate is then cleaned in hydrofluoric acid (HF) diluted with ammonia fluoride (NH 4 F) and deionized (DI) water (also known as buffered oxide etching, “BOE”). BOE wets the surface of the Si substrate uniformly and the HF component removes any SiO 2 present on the substrate surface. The pure Si surface is blown dry and used immediately in the next step.

金(Au)ターゲット源を使用してAuプラズマが生成されるスパッタステップにより、Si基板層上にAuの薄層を堆積させる。   A thin layer of Au is deposited on the Si substrate layer by a sputtering step in which Au plasma is generated using a gold (Au) target source.

Si表面上にAu層がスパッタされた後、急速熱アニールシステムにより、30秒〜90秒の期間、400〜500℃で、Nの存在下でSi基板をアニールする。 After the Au layer is sputtered on the Si surface, the Si substrate is annealed in the presence of N 2 at 400 to 500 ° C. for 30 seconds to 90 seconds by a rapid thermal annealing system.

の存在下、表面張力効果により、Au粒子は凝集してボール状構造又はナノドット構造を形成する。また、Au粒子のいくつかは、アニール工程中、Si基板内に拡散する。部分拡散により、自己集合Auナノドット(後にエッチングマスクとして機能する)は、特に硝酸銀(AgNO)/HF又はHF/硝酸(HNO)/アセチル酸(H−Ac)エッチャントを用いた湿式化学エッチングが行われる場合、エッチングステップ中容易に除去されないことが確実となる。いくつかの場合において、金属ナノドットと酸化物層との間の接着性を改善するために、金属ナノドットの堆積前にSiOが犠牲層として使用される。 In the presence of N 2 , the Au particles aggregate due to the surface tension effect to form a ball-like structure or a nanodot structure. Also, some of the Au particles diffuse into the Si substrate during the annealing process. Due to partial diffusion, self-assembled Au nanodots (which later function as etching masks) can be obtained by wet chemical etching, particularly using silver nitrate (AgNO 3 ) / HF or HF / nitric acid (HNO 3 ) / acetyl acid (H-Ac) etchants. If done, it is ensured that it is not easily removed during the etching step. In some cases, SiO 2 is used as a sacrificial layer prior to metal nanodot deposition in order to improve adhesion between the metal nanodots and the oxide layer.

後続のエッチングは、塩素(Cl)ガス及びアルゴン(Ar)雰囲気中での誘導結合プラズマエッチング(ICP)を使用して、6:1の流量比で行う。典型的なClガス流量は、約18〜50sccmであってもよい。Clガスが等方性エッチングを可能とする一方で、中性ガスであるArが物理的衝撃を与えてSi原子間の結合を破壊する。 Subsequent etching is performed at a flow ratio of 6: 1 using inductively coupled plasma etching (ICP) in a chlorine (Cl 2 ) gas and argon (Ar) atmosphere. A typical Cl 2 gas flow rate may be about 18-50 sccm. While the Cl 2 gas enables isotropic etching, the neutral gas Ar gives a physical impact and breaks the bonds between Si atoms.

図1を参照すると、概略図は、パターン化基板を準備するための開示される方法の一実施形態を説明している。BOEで清浄化して残留表面酸化物を除去することにより、純粋なSi基板2を提供する。その後、スパッタ工程によりAu層4をSi基板2上に堆積させる。次いでAu層4の急速熱アニールを行い、これによりSi基板2の表面上に分散したAuナノドット6が形成される。次いで、ICP又はRIEエッチングを行う。   Referring to FIG. 1, the schematic diagram illustrates one embodiment of the disclosed method for preparing a patterned substrate. A pure Si substrate 2 is provided by cleaning with BOE to remove residual surface oxide. Thereafter, the Au layer 4 is deposited on the Si substrate 2 by a sputtering process. Next, rapid thermal annealing of the Au layer 4 is performed, whereby Au nanodots 6 dispersed on the surface of the Si substrate 2 are formed. Next, ICP or RIE etching is performed.

10秒〜30秒の初期エッチング段階中、マスクとして機能するAuナノドットを有さないSi基板の領域で異方性エッチングが進行し、トレンチ8が形成される。この時、マスクされた基板領域10はエッチングされない。   During the initial etching step of 10 seconds to 30 seconds, anisotropic etching proceeds in a region of the Si substrate that does not have Au nanodots functioning as a mask, and trenches 8 are formed. At this time, the masked substrate region 10 is not etched.

しかしながら、エッチングが進行するに従い、ArガスエッチャントはAu原子も徐々にエッチングし、経時的にAuナノドットのサイズを減少させる。部分的にエッチングされたAuナノドット14によって、マスキングの効果がより低くなり、エッチングされたSi表面は、ナノピラミッド又はナノ円錐構造12を示すようになる。   However, as etching progresses, the Ar gas etchant also gradually etches Au atoms, reducing the size of Au nanodots over time. Partially etched Au nanodots 14 have a lower masking effect, and the etched Si surface will exhibit nanopyramid or nanoconical structures 12.

いくつかの実施形態において、遷移金属の堆積前にSiO(厚さ10〜400nm)の層が提供される。図2を参照すると、パターン化Si基板を準備するための本発明による例示的方法の概略図が示されており、ナノ構造は、実質的に垂直な側壁を有する(「ナノピラー」)。 In some embodiments, a layer of SiO 2 (thickness 10 to 400 nm) is provided prior to deposition of the transition metal. Referring to FIG. 2, a schematic diagram of an exemplary method according to the present invention for preparing a patterned Si substrate is shown, where the nanostructure has substantially vertical sidewalls (“nano pillars”).

図2において、同様の数字は図1に従う同様の特徴を示す。HSO/H溶液で清浄化することにより、純粋なSi基板2’が得られる。次いで、SiO層16をSi基板2’上に堆積させる。続いて、1又は2以上の金属(Cr、Ni、Au)をSiO層16上にスパッタし、金属層4’を形成させることができる。次いで、急速熱アニールを行い、基板2’表面上に分散した複数の金属ナノドット6’を形成させる。次いで、ICP/RIEエッチングを行うと、SiO層16にトレンチ8’が形成される。これに関して、選択性の違いにより、SiO層16が金属ナノドット6’よりも優先的にエッチングされることに留意されたい。 In FIG. 2, like numerals indicate like features according to FIG. A pure Si substrate 2 ′ is obtained by cleaning with an H 2 SO 4 / H 2 O 2 solution. Next, a SiO 2 layer 16 is deposited on the Si substrate 2 ′. Subsequently, one or more metals (Cr, Ni, Au) can be sputtered onto the SiO 2 layer 16 to form the metal layer 4 ′. Next, rapid thermal annealing is performed to form a plurality of metal nanodots 6 ′ dispersed on the surface of the substrate 2 ′. Next, when ICP / RIE etching is performed, a trench 8 ′ is formed in the SiO 2 layer 16. In this regard, it should be noted that due to the difference in selectivity, the SiO 2 layer 16 is etched preferentially over the metal nanodots 6 ′.

次いで、金属ナノドット6’は、超音波照射によりSiO層16から除去される。図から分かるように、エッチングされたSiO層は、ここでSi基板2’のマスクとして機能する。さらにICP/RIEエッチングを行うと、Si基板2’にトレンチ18が形成される。最後に、BOE溶液中での清浄化により残留SiO2層を除去し、実質的に垂直な側壁を有するナノ構造を有するパターン化Si基板20を形成させる。 Next, the metal nanodots 6 ′ are removed from the SiO 2 layer 16 by ultrasonic irradiation. As can be seen, the etched SiO 2 layer now functions as a mask for the Si substrate 2 ′. When ICP / RIE etching is further performed, a trench 18 is formed in the Si substrate 2 ′. Finally, the residual SiO 2 layer is removed by cleaning in a BOE solution to form a patterned Si substrate 20 having a nanostructure with substantially vertical sidewalls.

様々な厚さのAu層を有するパターン化Si基板の作製
上記プロトコルに基づき、様々な厚さのAuを有する4つのパターン化Si基板(試料A〜D)、すなわち試料A(3.0nm)、試料B(6.0nm)、試料C(9.0nm)及び試料D(12.0nm)を作製した。実施例1において説明したプロトコルを使用して、これらの試料を作製した。エッチングステップは、約20℃で行った。
Fabrication of patterned Si substrates with various thicknesses of Au layers Based on the above protocol, four patterned Si substrates with various thicknesses of Au (samples A to D), namely sample A (3.0 nm), Sample B (6.0 nm), Sample C (9.0 nm), and Sample D (12.0 nm) were prepared. These samples were made using the protocol described in Example 1. The etching step was performed at about 20 ° C.

図4a〜4d(試料A〜Dに対応する)は、エッチングステップ後のパターン化Si基板のSEM画像を示す。SEM画像から分かるように、試料Aは、ナノピラー構造を含む。Au層がより厚くなると、(図4bにおいて観察されるように)ドーム状ナノ構造が形成し始める。Au層がさらにより厚いと、(図4c及び4dにおいて観察されるように)ドーム状ナノ構造(ナノドーム)は最終的に融合し、相互接続された島状構造を形成した。   4a-4d (corresponding to samples AD) show SEM images of the patterned Si substrate after the etching step. As can be seen from the SEM image, sample A includes a nanopillar structure. As the Au layer becomes thicker, domed nanostructures begin to form (as observed in FIG. 4b). When the Au layer was even thicker, the domed nanostructures (nanodomes) eventually fused (as observed in FIGS. 4c and 4d) to form interconnected island structures.

次いで、試料を60℃で5分間BOE中で清浄化し、エッチング工程中に形成した可能性のある任意の残留酸化物を除去した。それぞれ試料A〜Dに対応する図5(a)〜5(d)から分かるように、清浄化ステップ後、ナノ構造はより明確となる。   The sample was then cleaned in BOE for 5 minutes at 60 ° C. to remove any residual oxide that may have formed during the etching process. As can be seen from FIGS. 5 (a) to 5 (d) corresponding to samples A to D, respectively, the nanostructure becomes clearer after the cleaning step.

Si基板上のナノ構造の特性決定
原子間力顕微鏡
試料A〜Dのそれぞれに形成された(実施例2からの)ナノ構造を、原子間力顕微鏡(AFM)下で調査し、その特性決定結果(ナノ構造の寸法、表面粗度)を以下及び図6に示す。
Characterization of Nanostructures on Si Substrate Atomic Force Microscope The nanostructures (from Example 2) formed on each of samples AD were investigated under an atomic force microscope (AFM) and their characterization results (Nanostructure dimensions, surface roughness) are shown below and in FIG.

図6から、同じエッチング条件であるがAuナノドットがより大きい場合、形成されるSiナノ構造のサイズがより大きいだけでなく、エッチングの深さもまた増加することが分かる。さらに、Auナノドットマスクがより大きい場合、試料の表面粗度もまた増加する。これは恐らく、エッチング工程中のナノパターン化Auドットへのプラズマラジカルの拡散速度における違いに起因すると考えられる。   From FIG. 6, it can be seen that for the same etching conditions but with larger Au nanodots, not only is the size of the Si nanostructure formed larger, but the depth of etching also increases. Furthermore, if the Au nanodot mask is larger, the surface roughness of the sample will also increase. This is probably due to differences in the diffusion rate of plasma radicals into the nanopatterned Au dots during the etching process.

AFMラインスキャンから、Siナノ構造の側壁がテーパ型であり、垂直ではないことが分かる。これは、ArガスによるAuナノドットの物理的エッチングに起因すると考えられる。したがって、上記から、開示される方法は、Si基板表面上に、ナノピラー、ナノドーム、及び/又は相互接続された島を包含するがこれらに限定されない異なる種類のナノ構造を生成することができることが示され得る。   From the AFM line scan, it can be seen that the sidewalls of the Si nanostructure are tapered and not vertical. This is considered due to physical etching of Au nanodots by Ar gas. Thus, from the above, it is shown that the disclosed method can produce different types of nanostructures on a Si substrate surface, including but not limited to nanopillars, nanodomes, and / or interconnected islands. Can be done.

接触角測定
同じ配向(111)の従来の露出Siウェハと比較して、試料AのSi基板に対し接触角測定を行った。この測定の結果を図7に示す。具体的には、試料Aのナノピラーの接触角は約101°であり、一方、平滑な露出Si基板の接触角は約79°である。
Contact angle measurement Contact angle measurement was performed on the Si substrate of sample A as compared to a conventional exposed Si wafer of the same orientation (111). The result of this measurement is shown in FIG. Specifically, the contact angle of the nanopillar of sample A is about 101 °, while the contact angle of the smooth exposed Si substrate is about 79 °.

この結果から、ナノピラーを有するパターン化Si基板は、従来のSiウェハよりも疎水性であることが示され得る。重要なことに、ウェハ表面の性質は、その上に成長させることができる堆積材料の後続層に影響し得ることに留意されたい。例えば、Si上のGaN成長の場合、ウェハ表面の疎水性は、AlNの島の3次元成長及び核生成を促進し、これにより良質のAlN緩衝層の生成が容易化され得る。   This result can indicate that a patterned Si substrate with nanopillars is more hydrophobic than a conventional Si wafer. Importantly, it should be noted that the nature of the wafer surface can affect subsequent layers of deposited material that can be grown thereon. For example, in the case of GaN growth on Si, the hydrophobicity of the wafer surface can facilitate the three-dimensional growth and nucleation of AlN islands, which can facilitate the production of good quality AlN buffer layers.

試料の反射率
試料A〜Dのそれぞれの反射率を調査し、露出Siと比較した。結果を図8に示す。
Sample reflectance The reflectance of each of Samples A to D was investigated and compared to exposed Si. The results are shown in FIG.

図8から分かるように、Auナノドットエッチング試料の反射率は、可視波長(400〜650nm)に対し、露出Siの40%と比較して10%に近い。この結果は、Si(111)基板の表面が、試料表面から光を反射しないことを示唆している。上述のプロトコルに従い生成されたブラックSiの写真もまた、図14(a)及び(b)に示す。   As can be seen from FIG. 8, the reflectance of the Au nanodot etched sample is close to 10% compared to 40% of the exposed Si for the visible wavelength (400 to 650 nm). This result suggests that the surface of the Si (111) substrate does not reflect light from the sample surface. Pictures of black Si generated according to the above protocol are also shown in FIGS. 14 (a) and (b).

断面解析
Si(111)の断面SEMは、図9(a)に示す通りである。鋭いSi(111)ナノピラーは、異なるか、又は光を異なる方向に散乱し、Siの反射率を低下させ、その太陽電池への利用可能性を高めている。ナノ構造はまた、空気と比較した高い屈折率ηGaN=2.33に起因するGaN(発光ダイオード)LEDからの発光の内部反射の確率を最小限化する。これにより、LEDからわずか約4%の光が抽出されることになる。
Cross-sectional analysis A cross-sectional SEM of Si (111) is as shown in FIG. Sharp Si (111) nanopillars are different or scatter light in different directions, reducing the reflectivity of Si and increasing its availability to solar cells. The nanostructure also minimizes the probability of internal reflection of light emission from the GaN (light emitting diode) LED due to the high refractive index η GaN = 2.33 compared to air. This will extract only about 4% of the light from the LED.

高温(HT)−AlN及び低温(LT)−AlN中間層を有するSi(111)ナノ構造上のGaNテンプレートの成長
この実施例において、出願人は、ナノ構造(ナノピラー)を有するパターン化Si基板をGaNの成長に使用し、従来のSi基板上に成長させたGaN層と比較する。比較結果を図10に示す。
Growth of GaN templates on Si (111) nanostructures with high temperature (HT) -AlN and low temperature (LT) -AlN interlayers In this example, Applicants are using patterned Si substrates with nanostructures (nanopillars). It is used for GaN growth and compared with a GaN layer grown on a conventional Si substrate. The comparison results are shown in FIG.

具体的には、本実施例は、本発明によるパターン化Si基板をテンプレートとして使用して、LT−AlN中間層を適用した亀裂のないGaN層を生成することができることを実証する。   Specifically, this example demonstrates that a patterned Si substrate according to the present invention can be used as a template to produce a crack-free GaN layer with an LT-AlN intermediate layer applied.

従来のSi上のGaN表面の顕微鏡画像を図10aに示すが、亀裂線及びエッチピットが明確に観察され得る。一方、それと比較して、(図10bに示されるように)パターン化Si基板上に成長させたGaNは、実質的に欠陥を含有しない。   A microscope image of a conventional GaN surface on Si is shown in FIG. 10a, where crack lines and etch pits can be clearly observed. In contrast, GaN grown on a patterned Si substrate (as shown in FIG. 10b) is substantially free of defects.

AlN中間層の成長に関して、本発明者らは、二重/複数AlN層成長をもたらす条件を選択した。図16を参照して方法をより明確に説明する。まず、複数のナノ構造26を有するパターン化Si基板22上に、保護層としてAl層24を堆積させる。Al層24の目的は、SiとNHガス(後に通過される)との相互作用を防止することである。これにより、GaNの成長に有害なSiNxの形成が防止される。 For the growth of the AlN interlayer, we have selected conditions that result in double / multiple AlN layer growth. The method will be described more clearly with reference to FIG. First, an Al layer 24 is deposited as a protective layer on a patterned Si substrate 22 having a plurality of nanostructures 26. The purpose of the Al layer 24 is to prevent the interaction between Si and NH 3 gas (passed later). This prevents the formation of SiNx harmful to the growth of GaN.

Siナノ構造26は非平面であるため、確実に表面全体がAlシード層24でコーティングされるように、シード層24の形成中、より長期間のTMA流を使用する。このシードAl層を堆積させるための温度は、1000〜1035℃である。   Since the Si nanostructure 26 is non-planar, a longer TMA flow is used during the formation of the seed layer 24 to ensure that the entire surface is coated with the Al seed layer 24. The temperature for depositing the seed Al layer is 1000 to 1035 ° C.

次いで、Si基板22の表面にわたりTMA及びNHを流し、AlN微結晶28を形成させる。この時点の温度は1050℃に設定し、高いV/III比を使用する。所望のV/IIIを達成するための例示的流量を以下に示す。 Next, TMA and NH 3 are allowed to flow over the surface of the Si substrate 22 to form AlN microcrystals 28. The temperature at this point is set at 1050 ° C. and a high V / III ratio is used. An exemplary flow rate to achieve the desired V / III is shown below.

続いて、さらなるAlN成長のため、追加のAlN微結晶32がナノ構造26の垂直/テーパ型の側壁上に堆積し得るように、温度を800〜900℃に低下させてAl吸着原子の拡散を低減する。この時点で、NH流量に対するTMA流量を増加させることにより、V/III比を増加させることができる。 Subsequently, for further AlN growth, the temperature is reduced to 800-900 ° C. to allow diffusion of Al adatoms so that additional AlN crystallites 32 can be deposited on the vertical / tapered sidewalls of nanostructure 26. Reduce. At this point, the V / III ratio can be increased by increasing the TMA flow rate relative to the NH 3 flow rate.

この低下された温度及び低下されたV/III比での成長は、その運動エネルギーを低下させることにより、吸着原子の拡散距離を短縮し、したがってAlNを形成する衝突NHとの反応を促進する。これにより、AlN微結晶32は、ナノ構造26の側壁及び先端から核生成することができる。 Growth at this reduced temperature and reduced V / III ratio shortens the diffusion distance of the adsorbed atoms by reducing its kinetic energy, thus facilitating the reaction with the collision NH 3 forming AlN. . Thereby, the AlN microcrystal 32 can be nucleated from the side wall and the tip of the nanostructure 26.

次いで、V/III比を維持しながら、複数のステップで温度を段階的に再び1050℃に上昇させ、AlN微結晶28及び32の合体を促進し、良好な2次元成長を達成する。この条件において、平坦化AlN層上に細孔が形成され得る。   Then, while maintaining the V / III ratio, the temperature is raised again stepwise to 1050 ° C. in multiple steps to promote coalescence of the AlN microcrystals 28 and 32 and achieve good two-dimensional growth. Under this condition, pores can be formed on the planarized AlN layer.

AlN緩衝層の成長の別の実施形態を、図17に示す。同様の数字(ただし「’」符号により区別される)は、図16に従う同様の特徴を示す。   Another embodiment of the growth of the AlN buffer layer is shown in FIG. Similar numbers (but distinguished by “′” sign) indicate similar features according to FIG.

図17の方法は、温度がより長期間1050℃という高温で一定に維持される点で、図16において説明された方法と異なり、これにより、AlN微結晶28’は、融合してより大きな微結晶構造32’を形成する。微結晶32’の融合は、AlN層の3次元成長をもたらし、ナノ構造26’の先端上に形成されたAlN微結晶は、ナノ構造26’の側壁上に形成されたAlN微結晶と融合して、より大きな3D AlN結晶34を形成し得る。工程中、いくつかの空隙36が形成され得るが、これはメルトバック効果をもたらし得る。   The method of FIG. 17 differs from the method described in FIG. 16 in that the temperature is kept constant at a high temperature of 1050 ° C. for a longer period of time. A crystal structure 32 'is formed. The fusion of the microcrystals 32 'results in a three-dimensional growth of the AlN layer, and the AlN microcrystals formed on the tips of the nanostructures 26' fuse with the AlN microcrystals formed on the sidewalls of the nanostructures 26 '. Thus, a larger 3D AlN crystal 34 can be formed. During the process, several voids 36 can be formed, which can provide a meltback effect.

従来のSi上に成長させたInGaN/GaN MQWに対するパターン化Si基板上に成長させたInGaN/GaN MQWの特性評価
上述のように、GaN層を成長させるためにパターン化Si基板及びHT−AlNテンプレートを使用し、続いてInGaN/GaN MQWの成長に使用することができる。これに関して、図11は、従来のSiテンプレート上に成長させたMQWからのPL発光(左のグラフ)が、Siのフレネル反射効果に起因する複数の衛星ピークを示し、一方でパターン化Si基板上に成長させたInGan/GaN MQWからのPL発光(右のグラフ)は、フレネル反射の排除により広いピーク発光の総和を示すことを表す特性評価結果を示している。さらに、パターン化Si基板上に成長させたMQWからのPL発光の強度も、従来のSi上のMQWより(約2倍)強い。これは、埋め込まれたエアホール内側層を形成するナノピラーパターン化基板からの発光の増加した散乱に起因し得る。複数スタックAlN緩衝層により、内部フレネル反射は、脱出円錐内に制限され得る。
Characterization of InGaN / GaN MQW grown on patterned Si substrate versus conventional InGaN / GaN MQW grown on Si As described above, patterned Si substrate and HT-AlN template for growing GaN layers Followed by growth of InGaN / GaN MQW. In this regard, FIG. 11 shows that PL emission from MQW grown on a conventional Si template (left graph) shows multiple satellite peaks due to the Fresnel reflection effect of Si, while on a patterned Si substrate. PL emission from InGan / GaN MQW grown on the right (graph on the right) shows a characteristic evaluation result indicating that the sum of wide peak emission is shown by eliminating Fresnel reflection. Further, the intensity of PL emission from MQW grown on the patterned Si substrate is also stronger (about twice) than that of conventional MQW on Si. This may be due to increased scattering of light emission from the nanopillar patterned substrate that forms the buried air hole inner layer. With a multi-stack AlN buffer layer, the internal Fresnel reflection can be limited within the escape cone.

図12は、両方の種類のGaNテンプレート(パターン化Si基板上に成長させたGaNテンプレート及び従来のSi基板上に成長させたGaNテンプレート)上に成長させたMQWに対して撮影したSEM画像を示す。連結して鎖を形成し得る20nmのサイズの細孔又はピットが、両方の試料上で観察された。より小さいピットは、恐らく、AlN緩衝層からのGaNの島の合体中に生成される。別の種類のピット、すなわち約100nmのサイズのより大きい六角形Vピットは、従来のSi上に成長させたGaN(左の画像)にのみ顕著に現れている。これらのピットは、歪みのあるGaN層上にInGaN/GaN MQWを成長させた場合に生成される。パターン化Si基板上に成長させたMQW試料(右の画像)における六角形Vピットの数の低減は、パターン化Si基板上に成長させたGaNが、従来のSi上に成長させたGaNと比較してより緩和している(応力及び歪みが少ない)ことを示唆している。   FIG. 12 shows SEM images taken for MQW grown on both types of GaN templates (GaN templates grown on patterned Si substrates and GaN templates grown on conventional Si substrates). . 20 nm size pores or pits that could be joined to form a chain were observed on both samples. Smaller pits are probably generated during coalescence of GaN islands from the AlN buffer layer. Another type of pit, a larger hexagonal V pit with a size of about 100 nm, is notable only in GaN grown on conventional Si (left image). These pits are generated when InGaN / GaN MQW is grown on a strained GaN layer. The reduction in the number of hexagonal V pits in the MQW sample grown on the patterned Si substrate (right image) compared to GaN grown on the patterned Si substrate compared to conventional GaN grown on Si. This suggests that it is more relaxed (less stress and strain).

パターン化Si基板(「ブラックSiとも呼ばれる」)を作製するための開示される方法は、光起電用途における実用性が見出される。開示される方法により製造されるブラックSiは、その低い反射率により、さらにはブラックSiがSi基板上に反射防止コーティングを適用する必要性を解消することから、PV用途において技術的に有利である。具体的には、ブラックSiは、入射光の反射を約5%まで低減する。これは、ブラックSi上に存在するナノ構造による、いわゆる段階的有効屈折媒体の形成に起因すると考えられる。この媒体中では、シャープな界面は存在しないが、屈折率の連続的な変化が生じ、これがフレネル反射を低減する。ナノ構造の例示的SEM画像は、図13(a)において観察することができる。図13(b)は、従来のSiウェハ上のGaNテンプレートのPLスペクトルを示す。図から分かるように、複数のピークは、Siウェハからの内部反射に起因する。   The disclosed method for making patterned Si substrates (also called “black Si”) finds utility in photovoltaic applications. Black Si produced by the disclosed method is technically advantageous in PV applications because of its low reflectivity, and also eliminates the need for black Si to apply an anti-reflective coating on the Si substrate. . Specifically, black Si reduces the reflection of incident light to about 5%. This is believed to be due to the formation of a so-called stepwise effective refractive medium due to the nanostructures present on the black Si. In this medium, there is no sharp interface, but there is a continuous change in refractive index, which reduces Fresnel reflection. An exemplary SEM image of the nanostructure can be observed in FIG. 13 (a). FIG. 13B shows a PL spectrum of a GaN template on a conventional Si wafer. As can be seen, the multiple peaks are due to internal reflection from the Si wafer.

さらに、開示されるパターン化Si基板は、LED等の光電子デバイスの製造用の出発テンプレートとして機能し得る。上述のように、例えば、パターン化Si基板上に成長させたGaN層は、表面欠陥(例えば亀裂)の密度の低減を示し、応力及び歪みが低減されている。その結果、そのようなテンプレート上に成長させたInGaN/GaN MQWも同様に、欠陥の低減(より少ない六角形Vピット)を示し、フレネル反射を排除し、PL強度の増加を示す。   Furthermore, the disclosed patterned Si substrate can serve as a starting template for the production of optoelectronic devices such as LEDs. As described above, for example, a GaN layer grown on a patterned Si substrate exhibits a reduced density of surface defects (eg, cracks) with reduced stress and strain. As a result, InGaN / GaN MQW grown on such a template also exhibits reduced defects (less hexagonal V pits), eliminates Fresnel reflections, and increases PL intensity.

さらに、パターン化Si基板はまた、大量のリチウム(Li)を組み込むことができ、最新技術のグラファイトアノードより約11倍大きい4000mAh/gというより高い公称容量をもたらすため、アノードとしての使用に有望な材料である。従来では、SiへのLiの組込み(Li12Si、LiSi等の相として)は、Siの体積膨張をもたらす(約4倍)。これはSi内に多くの応力を生成し、これがアノードの層の破砕をもたらし得る。Siアノードの破砕を防止するための解決策は、優れたLi組込みを示し、大容量の膨張を許容するSiナノワイヤを生成することである。開示される方法は、Auマスク堆積厚さ、アニール条件及びエッチング条件に対する制御を実行することにより様々な形状及びサイズのSiナノ構造を成形する上でのその方法の柔軟性のために、そのようなSiナノワイヤの提供に適している。 Furthermore, patterned Si substrates are also promising for use as anodes because they can incorporate large amounts of lithium (Li), resulting in a higher nominal capacity of 4000 mAh / g, about 11 times greater than state-of-the-art graphite anodes. Material. Conventionally, incorporation of Li into Si (as a phase of Li 12 Si 7 , Li 7 Si 3, etc.) results in a volume expansion of Si (about 4 times). This creates a lot of stress in the Si, which can lead to fracture of the anode layer. A solution to prevent fracture of the Si anode is to produce Si nanowires that exhibit excellent Li incorporation and allow large volume expansion. The disclosed method does so because of the flexibility of the method in shaping Si nanostructures of various shapes and sizes by performing control over the Au mask deposition thickness, annealing conditions and etching conditions. It is suitable for providing a simple Si nanowire.

開示される方法はまた、水素発生工程における水分解反応のためのアノードに適用することができる。ナノ構造形成によるアノードのより広い表面積は、光吸収を補助し、反応速度を加速させる。   The disclosed method can also be applied to anodes for water splitting reactions in hydrogen generation processes. The larger surface area of the anode due to nanostructure formation aids light absorption and accelerates the reaction rate.

上述の開示を読めば、本発明の精神及び範囲から逸脱することのない本発明の他の様々な修正及び適合が当業者に明らかとなることは明白であり、全てのそのような修正及び適合は、添付の特許請求の範囲内となることが意図される。   After reading the foregoing disclosure, it will be apparent to those skilled in the art that various other modifications and adaptations of the invention can be made without departing from the spirit and scope of the invention, and all such modifications and adaptations Are intended to be within the scope of the claims appended hereto.

Claims (23)

ケイ素を含む基板上にナノ構造を提供する方法であって、
(a)前記基板の表面上に遷移金属の層を堆積させるステップと、
(b)前記遷移金属の層をアニールして、パターン化遷移金属層を形成させるステップと、
(c)前記基板をエッチングして、前記基板表面上にナノ構造を形成させるステップと
を含む方法。
A method for providing nanostructures on a substrate comprising silicon, comprising:
(A) depositing a layer of transition metal on the surface of the substrate;
(B) annealing the transition metal layer to form a patterned transition metal layer;
(C) etching the substrate to form nanostructures on the substrate surface.
堆積させるステップ(a)が、基板表面上に遷移金属の層をスパッタするステップを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the depositing (a) comprises sputtering a layer of transition metal on the substrate surface. 遷移金属が、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、及びAuからなる群から選択される、請求項1又は2に記載の方法。   Transition metals are Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, The method according to claim 1 or 2, wherein the method is selected from the group consisting of Ir, Pt, and Au. 遷移金属が、Auである、請求項3に記載の方法。   The method according to claim 3, wherein the transition metal is Au. 遷移金属層が、2〜20nmである、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。   The method in any one of Claims 1-4 whose transition metal layer is 2-20 nm. 遷移金属が、3、6、9、12、15、又は18nmの厚さを有する、請求項5に記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the transition metal has a thickness of 3, 6, 9, 12, 15, or 18 nm. アニールするステップが、400〜750℃の温度で行われる、請求項1〜6のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the annealing is performed at a temperature of 400 to 750 ° C. アニールするステップが、30〜90秒間行われる、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the annealing is performed for 30 to 90 seconds. パターン化遷移金属層が、ナノドットを含む、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the patterned transition metal layer comprises nanodots. ナノドットが、球、長円又は楕円の形状である、請求項9に記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the nanodot is in the shape of a sphere, an ellipse, or an ellipse. ナノ構造が、離散構造又は相互接続構造であってもよい、請求項1〜10のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the nanostructure may be a discrete structure or an interconnect structure. 離散構造が、円筒構造、柱状構造、ピラミッド構造、円錐構造、ドーム状構造、針状構造、テーパ構造又はこれらの混合体を含む、請求項10に記載の方法。   11. The method of claim 10, wherein the discrete structure comprises a cylindrical structure, a columnar structure, a pyramid structure, a conical structure, a dome-shaped structure, a needle-shaped structure, a tapered structure, or a mixture thereof. 基板が、SiO層をさらに含む、請求項1〜12のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the substrate further comprises a SiO 2 layer. 請求項1〜13のいずれかに記載の方法により製造されるナノ構造を含む、パターン化ケイ素基板。   A patterned silicon substrate comprising nanostructures produced by the method according to claim 1. 窒化ガリウム(GaN)層の堆積及び成長のための、請求項14に記載のパターン化ケイ素基板の使用。   Use of a patterned silicon substrate according to claim 14 for the deposition and growth of gallium nitride (GaN) layers. 光起電(PV)デバイスの製造のための、請求項14に記載のパターン化ケイ素基板の使用。   Use of a patterned silicon substrate according to claim 14 for the manufacture of photovoltaic (PV) devices. アノードとしての、請求項14に記載のパターン化ケイ素基板の使用。   Use of a patterned silicon substrate according to claim 14 as anode. パターン化表面を有するケイ素基板上に窒化アルミニウム(AlN)層を堆積させるための方法であって、
(a)請求項14に記載のパターン化ケイ素基板を準備するステップと、
(b)前記パターン化表面上にトリメチルアルミニウム(TMA)を通過させて、前記表面上にAlの層を堆積させるステップと、
(c)所定のV/III比及び温度で前記パターン化表面上にTMA及びアンモニア(NH)を通過させて、前記パターン化表面上でのAlNの堆積をもたらすステップと、
(d)ステップ(c)における温度及びV/III比を調節して、2次元AlN成長をもたらすステップと
を含む方法。
A method for depositing an aluminum nitride (AlN) layer on a silicon substrate having a patterned surface comprising:
(A) providing a patterned silicon substrate according to claim 14;
(B) passing trimethylaluminum (TMA) over the patterned surface to deposit a layer of Al on the surface;
(C) passing TMA and ammonia (NH 3 ) over the patterned surface at a predetermined V / III ratio and temperature, resulting in the deposition of AlN on the patterned surface;
(D) adjusting the temperature and V / III ratio in step (c) to provide two-dimensional AlN growth.
調節するステップ(d)が、V/III比を50%超低下させるステップを含む、請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein adjusting (d) comprises reducing the V / III ratio by more than 50%. 調節するステップ(d)が、ステップ(c)の温度を低下させるステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein adjusting (d) further comprises reducing the temperature of step (c). ステップcのV/III比が、100〜1500である、請求項18〜20のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 18 to 20, wherein the V / III ratio of step c is 100 to 1500. ステップ(c)が、1000〜1100℃で行われる、請求項18〜21のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 18 to 21, wherein step (c) is performed at 1000 to 1100 ° C. ケイ素基板上にInGaN/GaN多重量子井戸(MQW)を提供するための方法であって、
(i)請求項14に記載のパターン化ケイ素基板を準備するステップと、
(ii)請求項18〜22のいずれかに従い前記パターン化ケイ素基板上にAlN層を堆積させるステップと、
(iii)その上にGaN及びAlN層の交互層をさらに堆積させ、所望の厚さを達成するステップと
を含む方法。
A method for providing an InGaN / GaN multiple quantum well (MQW) on a silicon substrate, comprising:
(I) providing a patterned silicon substrate according to claim 14;
(Ii) depositing an AlN layer on the patterned silicon substrate according to any of claims 18-22;
(Iii) further depositing alternating layers of GaN and AlN layers thereon to achieve a desired thickness.
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