JP2013534050A - ナノワイヤｌｅｄの構造体およびそれを製作する方法 - Google Patents

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Abstract

発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体は、支持層上に並んで配置された複数のデバイスを含む。各デバイスは、第１の導電型の半導体ナノワイヤコア、および、これを囲う、動作において光を生成するための活性領域をもたらすｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成するための第２の導電型の半導体シェルを含む。第１の電極層は、複数のデバイスの上に延在し、デバイスの少なくとも上部と電気接触してシェルに接続する。第１の電極層は、デバイスの間で少なくとも部分的にエアブリッジされる。

Description

本発明は、ナノワイヤ発光ダイオードの構造体に関し、詳細にはナノワイヤ発光デバイスの配列および特にそれを接触させることに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）の照明用の利用は増加しているが、真のブレークスルーに達するためには、とりわけ大規模プロセスに関して、いまだにいくつかの克服するべき技術的課題が存在する。
ここ数年、ナノワイヤ技術への関心が高まっている。従来型プレーナ技術を用いて作製されたＬＥＤと比較して、ナノワイヤＬＥＤは、ナノワイヤが本来１次元であるために独特な特性を呈し、格子整合の拘束がより少ないために材料の組合せにおける柔軟性が改善され、より大きな基板上で加工する可能性を与える。半導体ナノワイヤを成長させるための適切な方法は当技術分野で既知であり、基本的プロセスの１つには、粒子支援成長、または例えば米国特許第７，３３５，９０８号に開示されているいわゆるＶＬＳ（気相−液相−固相）機構による半導体基板上のナノワイヤ形成がある。粒子支援成長は、化学ビーム成長法（ＣＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子ビーム成長法（ＭＢＥ）、レーザアブレーションおよび熱蒸発法を用いて達成することができる。しかし、ナノワイヤ成長はＶＬＳプロセスに限定されるものではなく、例えば国際公開第２００７／１０２７８１号は、触媒として粒子を使用しなくても、半導体基板上に半導体ナノワイヤが成長され得ることを示している。この分野における重要なブレークスルーの１つに、Ｓｉ基板上にＩＩＩ〜Ｖ族の半導体ナノワイヤなどを成長させる方法が実証されたことがあり、これは、既存のＳｉプロセスと互換性があるうえに、入手困難なＩＩＩ〜Ｖ族の基板が、より安価なＳｉ基板で置換され得るので重要なことである。
底部発光ナノワイヤＬＥＤの一例が、国際公開第２０１０／１４０３２号に示されている。このナノワイヤＬＥＤは、Ｓｉ基板上のＧａＮバッファ層などの基板のバッファ層上に成長した半導体ナノワイヤの配列を備える。各ナノワイヤは、ｐ型シェルおよびｐ電極の中に囲まれたｎ型ナノワイヤコアを備え、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成するｎ型領域とｐ型領域の間に活性層が形成される。バッファ層は、ナノワイヤを成長させるためのテンプレートの機能を有し、ｎ型ナノワイヤのコアに接続する電流輸送層としても働く。さらに、活性領域で発生した光がバッファ層を通って放射されるので、バッファ層は透過性である。
ナノワイヤＬＥＤの接触に関するプロセスは、有利な特性および性能を有するが、プレーナ技術と比較して新規の経路を必要とする。ナノワイヤＬＥＤは、ナノワイヤの大きな配列を備えることにより、高アスペクト比構造の３次元表面を形成するので、視線（line-of-sight）プロセスを用いるコンタクト材料の堆積は難易度が高い作業である。
米国特許第７，３３５，９０８号 国際公開第２００７／１０２７８１号 国際公開第２０１０／１４０３２号 米国特許第７，８２９，４４３号 スウェーデン国特許出願第ＳＥ １０５０７００−２号
前述の点から、本発明の実施形態の目的の１つは、改善されたナノワイヤＬＥＤおよびそれを接触させるための新規経路を提供することである。
この目的は、独立請求項による、半導体デバイスと、半導体デバイスを形成する方法とによって達成される。
本発明の実施形態によるナノワイヤ発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体は、並んで配置されたナノワイヤを備える。各ナノワイヤは、動作において光を生成する活性領域をもたらすｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成するための、第１の導電型（例えばｎ型）ナノワイヤコアと、これを囲んでいる第２の導電型（例えばｐ型）シェルとを備える。本明細書では、第１の導電型コアがｎ型半導体のコアで、第２の導電型シェルがｐ型半導体のシェルであると説明されているが、これらの導電型が逆になってもよいことを理解されたい。ｐ電極層が、複数のナノワイヤの上に延在し、ナノ要素の少なくとも上部と電気接触してｐ型シェルに接続する。ｐ電極層は、ナノワイヤ間で少なくとも部分的にエアブリッジされている。
従来型のプレーナＬＥＤは、サンドイッチ構造の機能層を備える。プレーナＬＥＤは、最も簡単な形態では、ｐ型にドープされた階層、活性領域、およびｎ型にドープされた階層といった少なくとも３つの機能層を備える。機能層はまた、ウェル、バリア、（例えば活性領域の一部分として）真性の傾斜層を含んでもよい。本発明の実施形態で説明されるＬＥＤ配列は、配列における周囲のＬＥＤから電気的に分離されている機能層の少なくとも１つによって区別される。別の卓越した特徴は、発光層として複数の面および非平面の機能層を利用することである。
本明細書に説明される製造方法は、コア−シェルのナノワイヤを形成するためにコア上に半導体シェル層を成長させるのに、好ましくはナノワイヤのコアを利用するが、本発明は、例えばナノワイヤ製造方法の教示のために参照によって本明細書に組み込まれているＳｅｉｆｅｒｔらに対する米国特許第７，８２９，４４３号に説明されるように、ナノワイヤのコアを利用することに限定されるものではないことに留意されたい。例えば、以下で説明されるように、代替実施形態では、コアだけがナノ構造体（例えばナノワイヤ）を構成してもよく、その一方で、シェルは一般的なナノワイヤシェルより大きい寸法を任意選択で有してもよい。さらに、このデバイスは、多くの面を含むように成形することができ、異なるタイプの面の間の面積比が管理されてもよい。このことは、「ピラミッド」面と垂直の側壁面によって各図面に例示されている。ＬＥＤは、発光層が主要なピラミッド面または側壁面を有するテンプレート上に形成されるように製作することができる。コンタクト層についても、発光層の形状とは無関係に同じことが言える。
連続的な（例えばシェル）層を使用すると、最終的な個々のデバイス（例えばｐｎまたはｐｉｎのデバイス）は、ピラミッド状の形（すなわち頂部または先端でより狭く、基部でより広い）と、デバイスの長軸に対して垂直な、円形または六角形もしくは他の多角形の断面を有する柱状の形（例えば先端と基部でほぼ同一の幅）の間の任意の形状を有し得る。したがって、完成したシェルを有する個々のデバイスは、さまざまなサイズを有し得る。例えば、サイズは、基部の幅が、１００ｎｍから１μｍ未満など、１００ｎｍから数μｍ（例えば５μｍ）の範囲で変化してもよく、高さが、数１００ｎｍから数μｍ（例えば１０μｍ）の範囲で変化してもよい。
本発明の実施形態によってナノワイヤＬＥＤ構造体を製作する方法は、
第２の導電型（例えばｐ型）領域および第１の導電型（例えば、ナノワイヤの基部に延在するｎ型）領域を備える半導体ナノワイヤの配列を用意するステップと、
非活性領域のナノワイヤを完全に覆い、ＬＥＤ領域のナノワイヤを部分的に覆って、ＬＥＤ領域のナノワイヤの上部は露出させたまま、犠牲層を堆積するステップと、
露出した上部にｐ電極を堆積するステップと、
犠牲層を除去して、エアブリッジされたｐ電極を得るステップと、
を含む。
従来技術の方法では、ナノワイヤＬＥＤの配列は、スパッタリングまたは蒸着の技法を用いて、基本的にナノワイヤの全体の面および各ナノワイヤの間の面を覆うコンタクト層を堆積することによって接触される。ナノワイヤのアスペクト比が高く、大抵の場合は間隔が狭いために、これらの視線プロセスは非等角の有効範囲をもたらす。具体的には、コンタクト層が不連続になるリスク、およぶ中間の面（例えば垂直なナノワイヤ間の露出した水平面）上のコンタクト層が薄くなりすぎるリスクがある。これらはそれぞれ、いくつかのナノワイヤの効力が失われたり、デバイスにおける電流拡散が不十分になったりするという結果を動作中に生じさせる。本発明の実施形態によるエアブリッジされたｐ電極を用いると、不連続のリスクが低減され、または解消され、ｐ電極の厚さが均一であること、および任意選択でｐ電極上に追加層が堆積されることのために、横方向の電流拡散が改善される。
頂部発光のナノワイヤＬＥＤ用のエアブリッジのｐコンタクトまたはｐ電極の利点の１つは、厚いコンタクト層がナノワイヤＬＥＤの上部と直接接触することができることである。頂部発光のナノワイヤＬＥＤ用に、透過性のｐコンタクト層が使用される。エアブリッジなしでは、ナノワイヤの上部におけるｐ電極層をはるかに厚くしなければならず、吸収が増加する。
底部発光のナノワイヤＬＥＤ用のエアブリッジのｐコンタクトまたはｐ電極の利点の１つに、反射性のｐコンタクト層が配置されるのが、ナノワイヤ領域の周辺の全体ではなく、ナノワイヤの上部のみとなることがある。反射性の層が周辺の全領域に延在すると、内部全反射のために顕著な損失が生じることになる。
したがって、本発明の実施形態により、内部の導電性、光の生成およびナノワイヤＬＥＤからの光の結合に関して効率的なナノワイヤＬＥＤを得ることができる。
本発明の実施形態は、従属請求項で定義される。本発明の他の目的、利点および斬新な特徴が、本発明の以下の詳細な説明から、添付図面および特許請求の範囲とともに考慮されたとき明らかになるであろう。
次に、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。
本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤの基礎を概略的に示す側断面図である。 本発明の実施形態による、バッファ層上のナノワイヤＬＥＤ構造体を概略的に示す側断面図である。 本発明の実施形態によるエアブリッジされたｐ電極を概略的に示す側断面図である。 本発明の実施形態によるエアブリッジされたｐ電極を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の一実施形態による方法の第１の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第２の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の実施形態によるエアブリッジされたｐ電極の２つの走査電子顕微鏡画像を示す図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 本発明の別の実施形態による方法の第３の実装形態を概略的に示す側断面図である。 第３の実装形態の実例によって製作されたナノワイヤＬＥＤ構造体の走査電子顕微鏡画像を示す図である。 本発明の代替実施形態による、軸方向のｐｎ接合およびエアブリッジされたｐ電極を備えたナノワイヤＬＥＤ構造体の配列を概略的に示す側断面図である。 本発明のさらなる実施形態によるデバイスの側断面図である。 適切なコンタクトでサブマウント上に取り付けられた図９の実施形態のデバイスの側面図である。 本発明のさらなる実施形態によるデバイスの側断面図である。 適切なコンタクトでサブマウント上に取り付けられた図１１の実施形態のデバイスの側面図である。
本明細書に用いられる用語「エアブリッジされた電極」は、隣接したデバイスの間に隙間を残して、隣接した個々のデバイス間に延在する電極構造体を意味するように使われる。この隙間は、好ましくは隣接したデバイスによって横を囲まれ、「頂部」にはエアブリッジされた電極があって「底部」にデバイスの支持体があり、ここで頂部、底部という用語は相対的なものであって、デバイスの配置次第である。例えば、個々のデバイスが半径方向のコアシェルのナノワイヤである一実施形態では、エアブリッジされた電極が、ナノワイヤ支持層（例えば基板、バッファ層、絶縁性マスク層、反射性または透過性の導電層など）と電極の間で電極の下に隙間ができるように、ナノワイヤの先端およびナノワイヤ間の空間を覆う。
ナノテクノロジの技術分野では、ナノワイヤは、通常、ナノスケールまたはナノメートル台の寸法の横方向サイズ（例えば円筒状ナノワイヤの直径またはピラミッド形もしくは六角形のナノワイヤの幅）を有するが、縦方向サイズは無制約であるナノ構造体として解釈される。このようなナノ構造体は、一般に、ナノホイスカ、１次元ナノ要素、ナノロッド、ナノチューブなどとも称される。一般に、多角形断面を有するナノワイヤは、それぞれが３００ｎｍ以下の少なくとも２つの寸法を有すると考えられる。しかし、ナノワイヤは、約１μｍまでの直径または幅を有することができる。ナノワイヤの１次元の性質は、独特な物理的特性、光学的特性および電子的特性をもたらす。これらの特性は、例えば、量子の機械的効果を利用する（例えば量子細線を使用する）デバイスを形成するために、または、大きな格子不整合のために通常は組み合わせることができない組成的に異なる材料のヘテロ構造を形成するために、用いることができる。ナノワイヤという用語が示すとおり、１次元の性質は、しばしば細長い形状と関連付けられる。換言すれば、「１次元」は、１マイクロメートル未満の幅または直径、および１マイクロメートルを上回る長さを指す。ナノワイヤがさまざまな断面形状を有し得るので、直径は有効径を指すように意図される。有効径は、構造体の断面の長軸と短軸の平均を意味する。
図１は、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤ構造体用の基礎を概略的に示す。原理上は、単一のナノワイヤは、ナノワイヤＬＥＤを形成するのに十分であるが、サイズが小さいために、ナノワイヤは、好ましくは何千ものナノワイヤ（すなわちナノデバイスまたはデバイス）を備える配列に並んで配置されてＬＥＤ構造体を形成する。本明細書では、説明のために、個々のナノワイヤＬＥＤデバイスは、ｎ型ナノワイヤコア２と、ｎ型ナノワイヤコア２および中間の活性層４を少なくとも部分的に囲うｐ型のシェル３とを有するナノワイヤ１から作製されるものと説明されることになる。しかし、本発明のナノワイヤＬＥＤの実施形態の目的については、これに限定されない。例えば、ナノワイヤコア２、活性層４およびｐ型シェル３は、多数の層または部分から作製されてもよい。前述のように、代替実施形態では、コア２だけが１マイクロメートル未満の幅または直径を有するナノ構造体またはナノワイヤを備えてもよく、一方、シェル３は、１マイクロメートルを上回る幅または直径を有してもよい。ＬＥＤとして機能させるために、各ナノワイヤ１のｎ側とｐ側を接触させなければならない。
ナノワイヤ１の位置を確定し、底部境界領域を決定するために、成長マスク６（例えば窒化シリコンの誘電体マスク層などといった窒化物層）を任意選択で使用して、成長基板５上でナノワイヤ１を成長させることにより、基板５は、少なくともプロセスを通じて、基板５から突出するナノワイヤ１に対するキャリアとして機能する。ナノワイヤの底部境界領域は、マスク層６の各開口の内部にコア２の領域を備える。基板５は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている（ＧＬＯ ＡＢに譲渡された）スウェーデン特許出願第ＳＥ １０５０７００−２号に論じられているように、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、石英、ガラスなど、ＩＩＩ〜Ｖ族またはＩＩ〜ＶＩ族の半導体などの別々の材料を備えてもよい。一実施形態では、ナノワイヤ１は、成長基板５上に直接成長させる。
好ましくは、基板５は、各ナノワイヤ１のｎ側に接続する電流輸送層として機能するようにも適合される。これは、図２に示されるように、例としてはＳｉ基板５上のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮのバッファ層７など、ナノワイヤ１に面する基板５の面上に配置されたＩＩＩ族窒化物層のバッファ層７を備える基板５を有することにより達成することができる。バッファ層７は、通常は所望のナノワイヤ材料に一致され、したがって製造プロセスにおける成長テンプレートとして機能する。ｎ型コア２については、好ましくはバッファ層７もｎ型にドープされる。バッファ層７は、単一層（例えばＧａＮ）、いくつかの副層（例えばＧａＮおよびＡｌＧａＮ）またはＡｌ含有率の高いＡｌＧａＮからＡｌ含有率のより低いＡｌＧａＮもしくはＧａＮに傾斜した傾斜層を備えてもよい。ナノワイヤは、任意の半導体材料を含むことができるが、ナノワイヤＬＥＤについては、通常は、ＩＩＩ族窒化物半導体（例えばＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮなど）または他の半導体（例えばＩｎＰ、ＧａＡｓ）などのＩＩＩ〜Ｖ族の半導体が好ましい。ナノワイヤ１は、いくつかの別々の材料（例えばＧａＮコア、ＩｎＧａＮ活性層およびＩｎとＧａの比が活性層とは異なるＩｎＧａＮシェル）を備えてもよいことに留意されたい。概して、本明細書では、基板５および／またはバッファ層７は、ナノワイヤに対する支持体または支持層と称される。図９〜図１２に関してより詳細に説明されるように、基板５および／またはバッファ層７の代わりに、あるいはそれに加えて、導電層（例えばミラーまたは透過コンタクト）が、支持体として使用されてもよい。したがって、用語「支持層」または「支持体」は、これらの要素の１つまたは複数の任意のものを含み得る。
したがって、バッファ層７は、ナノワイヤ１のｎ側と接触するための手段をもたらす。従来技術のナノワイヤＬＥＤでは、一般に、各ナノワイヤ１のｐ型シェル３を囲み、基板またはバッファ層上の絶縁層へと延在する導電層を備えるｐ電極を堆積することにより、各ナノワイヤ１のｐ側の接触が達成される。導電層は、この絶縁層上を、隣接したナノワイヤへと延在する。しかし、ナノワイヤＬＥＤのナノワイヤが接近して配置され、高いルミネセンスを得るためにアスペクト比が大きいので、ｐ電極を堆積するのは難易度が高い作業である。一般に、電極の堆積には、スパッタリングまたは蒸着などの視線プロセスが用いられる。視線堆積のために、ナノワイヤの先端の優先的成長および陰影効果が観察され、その結果、ｐ電極が先細りになって、ナノワイヤ１の基部に向かって厚さが縮小する。したがって、効率的な横方向の電流拡散を達成するために、ｐ電極は、ナノワイヤの先端で不必要に厚くなり、一方ナノワイヤの中間では厚さが不十分になる。陰影効果は、ｐ電極に不連続ができるほどひどいものでもあり得る。
本発明の実施形態によるｐ電極８は、隣接したナノワイヤ１の間で少なくとも部分的にエアブリッジされる。図３ａは、ナノワイヤ１のグループを覆うｐ電極８を概略的に示す。前述のように、ナノワイヤ１のシェル３がｎ型であると、電極８はｎ電極になる。しかし、本明細書では、電極８は、説明を容易にするためにｐ電極と称される。ｐ電極８は、隣接したナノワイヤ１の間で自由懸垂しており、ナノワイヤ１のみによって支持されている。ｐ電極８は、各ナノワイヤ１の上部を囲い、それによってナノワイヤＬＥＤ構造体のｐ側と接触する。ｐ電極は、例えば基板５上に配置されたパッドへの接続をもたらすために、（図３ａの右側および左側のエッジ上に示されるように）周辺のナノワイヤの側方に沿って下へ延在してもよい（以下でより詳細に説明される）。
ｐ電極上に別のさらなる層が堆積されてもよい。例えば、導電性またはナノワイヤから出る光／ナノワイヤに入る光の結合を改善する層が、ナノワイヤ上に堆積されてもよい。
本発明の実施形態のナノワイヤＬＥＤ構造体は、頂部発光、すなわちｐ電極を通る発光、または底部発光、すなわち支持層（すなわち導電層および／またはバッファ層および／または基板）を通る発光に適合される。ｐ電極に対する要件は、これら２つのケースに関して異なるものである。本明細書に用いられる用語の発光は、可視光（例えば青色光または紫色光）ならびに紫外線放射または赤外線放射の両方を含む。
頂部発光デバイスについては、ｐ電極は透過性でなければならない（すなわちＬＥＤによって発光されたほとんど光を透過するべきである）。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）は、頂部発光ナノワイヤＬＥＤ用に、具体的にはｐ電極用に適切な材料である。ＩＴＯは、好ましくは１５０〜９００ｎｍ、より好ましくは２５０〜６５０ｎｍ、最も好ましくは約５００ｎｍの厚さを有する。ＩＴＯは、ＬＥＤデバイスが層毎の技法によって形成されるプレーナ素子用にも広範囲に使用されている。このような素子では、ＩＴＯの層の厚さは、好ましくは、許容できる電流拡散を達成するのに十分な約１５０ｎｍである。厚さが増加することの難点の１つに、ＩＴＯによる光の吸収が比較的大きいことがある。したがって、ＩＴＯの厚さは可能な限り薄く保たれる。ＩＴＯの厚さを低く保つ別の理由には、ＩＴＯが厚すぎると、すなわち１５０ｎｍを超えると、ウェットエッチングが容易でないことがある。驚くべきことに、本発明の実施形態によるｐ電極に関する最適なＩＴＯの厚さは大きい。これは、ナノワイヤＬＥＤの効率が、優れた光結合、すなわち比較的厚いＩＴＯと、少ない吸収、すなわち比較的薄いＩＴＯの間のトレードオフによって決定されるという事実によって説明することができる。ＩＴＯは、特定の特性を得るために、他の材料の層と結合することもできる。例えば、シリコン酸化物層で覆われた１５０ｎｍのＩＴＯによって、５００ｎｍのＩＴＯと類似の特性を得ることができる。好ましくは、厚さが均一な厚いｐ電極も、効率的な熱放散に寄与することになる。
頂部発光デバイス上のｐ電極用の他の適切な材料には、ＺｎＯ、ドープしたＺｎＯおよび他の透過性の導電性酸化物（ＴＣＯ）がある。この材料に関する重要なパラメータは、優れた透過性、導電性、およびシェルに対して低抵抗で接触する能力である。また、高い熱伝導率も、（構成次第で）屈折率の一致とともに望ましい。
頂部発光のナノ構造ＬＥＤの一実施形態では、基板には、好ましくはナノワイヤＬＥＤの下の平面に広がる反射手段（例えばミラー）が備わっている。
底部発光ＬＥＤについては、ｐ電極は、好ましくは反射性である。以下の実例で示されるように、ｐ電極は、反射特性および／または導電特性の改善を目的として、ｐ電極上に堆積された１つまたは複数のさらなる層を備えてもよい。
図３ｂは、本発明の実施形態によるナノワイヤＬＥＤ構造体の一実施形態を概略的に示す。図３ｂのものは、図３ａに示されているのと原理上は同一構造であるが、ｐ電極が、ｐ型シェル３を囲う比較的薄い導電性層８’と、薄い導電層８’上に配置されている比較的厚いエアブリッジされた導電層８”とを備える。薄い導電層８’は、厚い導電層８”より長いナノワイヤ１の基部に向かって下方へ広がる。薄い導電層８’は、ｐ型シェル上に、例えば原子層堆積を用いて堆積され、あるいはエピタキシャル層として成長される。層８’は、隣接したナノワイヤ間で不連続でもよく、ナノワイヤだけを覆って、マスク層６またはナノワイヤ間のバッファ層７は覆わなくてもよい。この機構では、薄い導電層８’は、ｐ型シェル３に対する最適な接触面を得るのに利用することができ、厚い導電層８”は、電流拡散ならびに／あるいは光の結合および／または反射を目的として最適化することができる。したがって、層８”だけが、エアブリッジを形成するのに利用され得る。
代替実施形態では、マスク層６に加えて、ナノワイヤ間の空間も、シリコン酸化物などの誘電材料（すなわち絶縁材料）で、全面的に、または部分的に充填され得る。部分的に充填された空間については、エアブリッジの下の空隙のサイズが低減される。十分に充填された空間については、エアブリッジはもはや存在しない。したがって、ナノワイヤ用の接触方式に関して以下で説明される実施形態については、ナノワイヤが、エアブリッジされている構成またはエアブリッジされていない構成で接触してもよいことを理解されたい。
頂部発光ナノワイヤを形成する方法の以下の第１の実装形態では、ＬＥＤ構造体が、図４ａ〜図４ｈを参照しながら説明される。この実施形態では、ｐ電極層およびｎ電極層の両方を形成するのに同一の導電層がパターニングされる。この実装形態では、ナノワイヤＬＥＤを形成するナノワイヤに隣接したパッド領域に、デバイスのｎ側に接続するためのパッドとｐ側に接続するためのパッドとが形成される。しかし、本発明は、この構成に限定されるものではない。
図４ａは、バッファ層７から成長マスク層６を通って成長したナノワイヤ１の配列を示す。図１に示されるように、ナノワイヤは、好ましくは光生成用の中間の活性層４を伴ってｐ型シェル層３の中に囲まれたｎ型ナノワイヤコア２を備える。例えば米国特許第７，８２９，４４３号に説明されているように、成長マスク６は、ナノワイヤ成長用の開口を画定するために、フォトリソグラフィによってパターニングされてもよい。この実装形態では、ナノワイヤは、ｎパッド領域、非活性領域、ＬＥＤ領域（すなわち発光する領域）およびｐパッド領域にグループ化される。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、ｐパッド領域は、ナノワイヤＬＥＤ構造体の発光部分を形成するナノワイヤの最上部に配置されてもよく、それによって、参照によって全体が本明細書に組み込まれている２０１０年２月４日公開のＫｏｎｓｅｋらのＰＣＴ国際出願の公開番号である国際公開第２０１０／０１４０３２ Ａ１号に説明されているように、ｐパッド領域とＬＥＤ領域が一致する。
図４ｂを参照すると、次のステップで、後続のプロセスからナノワイヤを保護するために、保護層９が、少なくともナノワイヤがＬＥＤを形成するＬＥＤ領域に堆積される。そうしないと、フォトレジストからの残留物ならびにスパッタリングおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）からの反応性イオンが、欠陥および／または汚染をもたらす恐れがある。原子層堆積（ＡＬＤ）を用いて堆積されたＺｎＯは、保護層として用いることができる。堆積技法としてＡＬＤを用いることの利点の１つに、その完全なステップカバレージがある。ＡＬＤまたは他の堆積技法を用いて堆積された他の金属または例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２といったシリコン酸化物などの他の材料も用いることができる。この層は、これが残される領域上の絶縁体として、さらなる役割を果たすことができる。
リソグラフィおよびエッチングにより、ｎパッド領域１１の保護層および成長マスクを通ってバッファ層７へと開通させるステップに続いて、保護層９が堆積される。換言すれば、図４ｂに示されるように、フォトレジストまたは別のマスク層（破線１２で示されている）が、全体のデバイスの上に形成され、次いで、ｎパッド領域１１ではフォトリソグラフィによって除去される。ナノワイヤ１の間の露出した保護層９および露出したマスク層６は、バッファ層上で終えることができる任意の適切なエッチング手法（例えばＩＩＩ族の窒化物半導体のバッファ層に対して金属酸化物またはシリコン酸化物を選択的にエッチングすることができる任意の湿式または乾式のエッチング手法）によってエッチングされる。この目的は、バッファ層７を通るナノワイヤ１のｎ側への電気的接続（すなわち、ｎ型層７を通るｎ型ナノワイヤコア２への電気的接続）をもたらすために、バッファ層７の上に電極を配置するように、バッファ層７に到達することである。
図４ｃを参照して、次のステップは、非活性領域およびｐパッド領域にわたって広がる２つの別々の厚さを有する、フォトレジストまたは別の適切な犠牲材料の層などの犠牲層１０を形成するものである。フォトレジスト層は、非活性領域１３のナノワイヤを完全に覆うべきであるが、ＬＥＤ領域１４の各ナノワイヤ１の上部を露出したままにして、ＬＥＤ領域１４のナノワイヤ１を部分的に覆うべきである。ｎ電極とｐ電極に同一のコンタクト材料を用いる場合には、コンタクトパッドとして接続されるべき領域、すなわちｎパッド領域１１およびｐパッド領域１５は、好ましくはｎパッド領域１１がフォトレジストで覆われない。このことは、図４ｃの左側部分に明白に見られる。当業者には理解されるように、このフォトレジスト層は、例えば、フォトレジストを堆積して、２つのマスクおよび２回の露光を用いて、次いで現像することにより、あるいはポジ型フォトレジスト用の領域１３より、領域１４での露光を広くする（ネガ型フォトレジストについては逆にする）ことによって形成することができる。また、フォトレジストは、（例えば領域１３および１４に第１のレジストを形成し、露光し、現像し、次いで、第１のレジストの上の領域１３にのみ第２のレジストを形成し、露光し、現像して）複数の層を備えることができる。必要に応じて、フォトレジスト１０は、図４ｂで層９および層６をパターニングするのに用いられるフォトレジスト層１２の一部分を備えてもよい。この場合、フォトレジスト層１２では、前述の方法を用いて、領域１４および１５で２度目の露光が行なわれ、領域１３では露光されず（ネガ型フォトレジストについては逆になる）、次いで領域１５では完全に、領域１４では部分的に現像される（すなわち除去される）。
図４ｄを参照して、次のステップでは、少なくとも、フォトレジストパターン１０の露光した外側である、ＬＥＤ領域１４のナノワイヤの露光した上部の保護層９を除去する。これは、酸化物保護層９を選択的にエッチングするが、マスク層６（例えば窒化シリコン）または半導体バッファ層７または半導体ナノワイヤ１はエッチングしない選択的エッチングによって行なわれてもよい。層９は、マスク層６の頂部に追加の電気的絶縁をもたらすために、半導体材料とそれぞれの電極の間の接触を層９が妨げない領域には、必要に応じて残されてもよい。例えば、酸化アルミニウム層が、窒化シリコンのマスク層６と結合してこのような恒久的保護層９として用いられてもよい。
その後、ｐ型電極層１６が堆積される。ｐ電極は、高められ、ナノワイヤ１の間の狭い空間の中に下方へ深く広がる必要がないので、スパッタリングまたは蒸着などの視線プロセスを用いることができる。もちろん、ｎパッド領域１１が露光されるので、同時にｎ電極層が形成される。バッファ層７が、ｐパッド領域ではマスク層６によって覆われるので、ｐ電極１６は、ｐパッド領域１５ではｎ型バッファ層７と接触しないことに留意されたい。したがって、ｐ電極とｎバッファ層／ｎナノワイヤコアの間の短絡が防止される。しかし、層１６の左側部分がｎ電極を形成するのに用いられる場合、層１６のこの部分は、ｎパッド領域１１のナノワイヤ間の露出したバッファ層７と接触する。層１６は、フォトレジスト１３によって覆われている非活性領域１３のナノワイヤ１と接触しないことに留意されたい。
図４ｅを参照して、次のステップでは、ｐパッド領域１５、ＬＥＤ領域１４およびｎパッド領域１１に別のフォトレジストパターン１７を残す別のリソグラフィのステップが行なわれる。これは、図４ｄに示されたデバイスの上に（非活性領域１３の金属電極１６で覆われたレジストパターン１０の上を含めて）別のフォトレジスト層を形成し、次いで、金属電極１６で覆われたレジストパターン１０の両側にフォトレジストパターン１７を残すために、フォトレジストを露光し、現像することによって行なわれてもよい。
図４ｆを参照して、次のステップは、先のステップから、電極材料がレジストパターン１７によって覆われていない領域の（すなわち非活性領域１３の）電極材料１６を除去するものであり、これは、フォトレジストパターン１０および１７を除去しない選択的なドライエッチングまたはウェットエッチングによって行なうことができる。これにより、ｎパッド領域１１と活性のｐパッド領域１４、１５の間の非活性領域１３で電極層１６が除去されて、電極層１６が不連続になる。
図４ｇを参照して、次のステップでは、残りのフォトレジスト１０、１７のすべてが除去され、これは溶解および／またはプラズマエッチングにより行なうことができる。これによって、ｐ電極層１６が、ＬＥＤ領域１４のナノワイヤ１の間に自由懸垂して残る。これにより、電極１６、ナノワイヤ１およびマスク層６の間に隙間１８を有するエアブリッジが形成される。
図４ｈを参照して、最後に、非活性領域１３上の保護層９の依然として存在し得る残留物が除去される。したがって、層１６がｐ電極１６ａを形成し、これが、ナノワイヤ１のｐシェル３の先端と接触し、ｐパッド領域のマスク層６と接触し、ｎパッド領域１１のｎバッファ層７と接触するｎ電極１６ｂとも接触する。図５は、本発明のこの実施形態によるエアブリッジされたｐ電極の２つの走査電子顕微鏡画像を示す。左側の画像には、非活性領域とエアブリッジされたｐ電極を有するＬＥＤ領域の間の交差点が見られる。
非活性領域１３では層１６が除去されているので、ｐ電極とｎ電極のどちらを形成するのにも同一の層１６が用いられ得る。したがって、図４ａ〜図４ｈに示された上記プロセスの順序で、ｐ電極とｎ電極が同一のステップにおいて堆積される。ｎ電極層１６ｂは、バッファ層７の第１の部分の上にｎパッド領域１１を備える。ｐ電極層１６ａは、ＬＥＤ活性領域１４のナノワイヤ上、またはＬＥＤ活性領域のナノワイヤに隣接したバッファ層７上の誘電体マスク層６上に、ｐパッド領域１５を備える。ｎパッド領域とｐパッド領域は、ｐ電極と接触しないダミーのナノワイヤ１（すなわち、これらのナノワイヤは発光しない）を備える非活性領域１３によって分離されている。
しかし、代替の第２の実施形態では、第１のステップでｐ電極が設けられ、ｎ電極は後の段階で別の材料から形成される。このようなプロセスが図４ｉ〜図４ｓに開示されており、以下で簡単に説明される。図４ａ〜図４ｈのものと同一の要素およびステップの説明は、以下では簡略のために繰り返さない。
第２の実施形態の方法の最初の２つのステップは、第１の実施形態の方法のものと同一であり、すなわち図４ａおよび図４ｂは、図４ｉおよび図４ｊと同一のステップを示す。しかし、図４ｊでは、ｎパッド領域１１の保護層９およびマスク層６は、図４ｂのように除去されるわけではない。
次のステップで、第１の実施形態のようにｎパッド領域１１にナノワイヤが覆われずに残ることのないように、犠牲層（例えばレジスト層）１０ａが２つの別々の厚さに堆積される。したがって、ｎパッド領域１１の左端のナノワイヤがまったく覆われていない図４ｃとは対照的に、図４ｋの左側では、領域１１のナノワイヤが、非活性領域１３の中央のナノワイヤと同様に完全に覆われているのを見ることができる。ＬＥＤ領域１４のナノワイヤは、フォトレジスト１０ａの頂部上で部分的に露出している。フォトレジストパターン１０ａでは、ｐパッド領域１５が完全に露出している。
図４ｌは、領域１３のナノワイヤのｐシェル３とｐ電極の間に接触をもたらすために、ＬＥＤ領域１３の露出したナノワイヤの先端から、保護層９が少なくとも部分的に除去されることを示す。
次いで、図４ｍに示されるように、ｐ電極層１６が堆積される。層１６が構造体の全体を覆う。次に非活性領域１３およびｎコンタクト領域１１がフォトレジスト１０ａによって覆われ、フォトレジスト１０ａの頂部に層１６が形成される。層１６は、ＬＥＤ領域１４のナノワイヤの露出したｐシェル３およびｐパッド領域１５のマスク層６と接触する。
次に、図４ｎに示されるように、ＬＥＤ領域１４およびｐパッド領域１５のｐ電極層１６の上に、第２のフォトレジストパターン１７ａが設けられる。領域１３および１１で、フォトレジストパターン１７ａが除去される。したがって、領域１１および１３では層１６が露出する。
次いで、図４ｏに示されるように、露出したｐ電極層１６が、領域１１および１３から、選択エッチングによって除去される。
図４ｐに示されるように、すべてのフォトレジスト１０ａ、１７ａが除去されて、ｐ電極層１６が、ＬＥＤ領域１４のナノワイヤとの間に、下に隙間１８を有するエアブリッジを形成し、また、領域１５にｐコンタクトパッドを形成する。
次に、図４ｑに見られるように、新規のフォトレジストパターン１９が、領域１３、１４および１５を覆ってｎパッド領域１１は覆わないように与えられる。露出した領域１１から、保護層９およびマスク層６が除去される。
次いで、図４ｒに示されるように、構造体の全体の上にｎ電極層２０が堆積される。層２０は、Ｔｉ副層およびＡｌ副層またはその他の適切な金属を備えてもよい。層２０は、露出したバッファ層７および領域１１の「ダミーの」短絡されたナノワイヤと接触する。層２０は、領域１３、１４および１５のフォトレジスト１９上に載っている。
図４ｓは、領域１１の残りの層２０がｎ電極を形成するように、領域１３、１４および１５の層２０をリフトオフするために、フォトレジストパターン１９が除去されるリフトオフのステップを示す。非活性領域１３に電極層１６、２０は存在しない。これは、層１６と２０の短絡を防止する。非活性領域１３にはダミーのナノワイヤが配置されている。
図４ｈおよび図４ｓは、それぞれ、ｐ電極１６ａ、１６およびｎ電極１６ｂ、２０へのコンタクト（例えばリード線またはバンプ電極）の形成に先立つプロセスにおけるデバイスを示す。しかし、図６、図１０または図１２に関して説明されたコンタクトが、ｐパッド領域１５のｐ電極およびｎパッド領域１１に対してそれぞれ作製されていることを理解されたい。さらに、前述のように、ｐパッド領域１５は、図４ｓおよび図４ｈに示されるようにナノワイヤの間にではなく、ナノワイヤの頂部にあってもよい（例えば領域１４と１５が結合される）。
以下の、底部発光ナノワイヤＬＥＤ構造体を形成する方法の第３の実装形態が、図６ａ〜図６ｈを参照しながら説明される。この実装形態では、ナノワイヤＬＥＤを形成するナノワイヤに隣接したｎパッド領域およびｐパッド領域に、それぞれ、デバイスのｎ側に接続するためのパッドとｐ側に接続するためのパッドが再び形成される。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。上記で説明されたのと同じ要素は、簡略のために、以下で再度説明することはない。
図６ａは、図４ａのものと類似の構造体を示す。図４ａに関して以前に説明されたように、２つの厚さを有するフォトレジスト層またはパターン１０ｂが、非活性領域１３のナノワイヤを完全に覆い、ＬＥＤ領域１４のナノワイヤを部分的に囲んで、ナノワイヤの上部を露出しておく。ｎパッド領域１１およびｐパッド領域１５は開放されていて、フォトレジストパターン１０ｂによって覆われない。
図６ｂを参照して、次のステップでは、ＬＥＤ領域１４のナノワイヤの露出した上部の保護層９が選択的に除去される。次いで、デバイス全体の上に、ｐ電極層１６ｃ、電流拡散層１６ｄおよび１つまたは複数の反射層１６ｅが、例えばスパッタリングまたは蒸着によって堆積される。少なくとも１つの導電層が形成される限り、これらの層の１つまたは複数が省略されてもよい（例えば、個別のミラーが用いられる場合には、反射層１６ｄが省略されてもよい）。
図６ｃを参照して、次のステップでは、層１６ｃ、１６ｄおよび１６ｅをリフトオフするためにフォトレジスト１０ｂが除去され、任意選択で、層の特性を調整するために熱処理が続く。これは、領域１１、１４および１５の層１６ｃ〜１６ｅを残す。領域１４に、上記で説明された隙間１８を有するエアブリッジが形成される。これは、図６ｄに示されるように、層１６ｃ〜１６ｅをｐ電極２２とｎ電極２３に分離する。
図６ｄを参照して、次のステップでは、非活性領域１３上の保護層９の残留物が、必要に応じて除去される。
図６ｅを参照して、次のステップで、はんだボールバンプ（ＳＢＢ）（例えばｐバンプ２１ａおよびｎバンプ２１ｂ）が、それぞれｐパッド領域１５およびｎパッド領域１１に取り付けられている。ｐパッド領域１５では、ｐ電極２２は、マスク層６によってｎバッファ層７から絶縁される。ｐ電極２２は、領域１４のｐバンプ２１ａとｐシェル３の間に電気接触をもたらす。ｎ電極２３は、ｎバンプ２１ｂとｎバッファ層７とｎコア２の間の接触をもたらす。したがって、バッファ層がｎ電極／ｎバンプと接続され、シェルがｐ電極／ｐバンプと接続されて、ＬＥＤに外部との電気的接続をもたらす。
図６ｆを参照して、次のステップでは、チップ（すなわちＬＥＤ構造体）がひっくり返されて導電性接着剤２３に浸漬され、導電性接着剤２３がバンプ２１ａ、２１ｂに残る。導電性接着剤は、導電性をもたらすことに加えて、熱放散特性を改善し得る。
図６ｇを参照して、次のステップでは、チップは、ｐ電極２５およびｎ電極２６を伴ってあらかじめ処理されたキャリア２４上に取り付けられる。ＳＢＢ機構に関して説明されたが、リード線接続またはリードフレーム接続などの他のコンタクトの代替形態があることが当業者には理解される。
図６ｈを参照して、次のステップでは、チップとキャリアの間の空間は、例えばエポキシ材料２７によってアンダーフィルされる。このアンダーフィルは、構造的剛性をもたらし、熱放散の改善にも寄与し得る。
図６ｉを参照して、次のステップでは、Ｓｉ基板５が、例えばウェットエッチングまたはドライエッチングによって、完全に、または部分的に除去されて、バッファ層７を露出する開口２８が形成される。必要に応じて、ナノワイヤ１の基礎を露出するために、バッファ層７も開口２８を通って除去されてもよい。
図７は、方法のこの実装形態によって得られたナノワイヤ構造体を示し、ナノワイヤ上にははんだバンプが配置されている。ｐ電極およびｎ電極は、ｐコンタクト２９およびｎコンタクト３０を用いてキャリアウエハと接続される。これは、ＬＥＤ領域１４からの光を、バッファ層７を通して発する底部発光ＬＥＤデバイスを形成する。
前述のように、ナノワイヤは、上記で例示された半径方向のヘテロ構造などのｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成する、組成的に別々の材料、導電型および／またはドーピングのヘテロ構造を備えてもよい。さらに、ナノワイヤコアの内部に軸方向のヘテロ構造も形成されてもよい。これらの軸方向のヘテロ構造は、ナノワイヤＬＥＤで光を生成するのに用いられ得るｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成することができる。図８は、ｐ側３がエアブリッジ電極８機構と接触している軸方向のｐｎ接合（例えば、ｐ部分３が、軸方向でｎ部分２の上に配置されている）を有する複数のナノワイヤを概略的に示す。
本発明は、ナノワイヤＬＥＤの接触に関して説明されているが、電界効果トランジスタ、ダイオード、および、特に光検出器、太陽電池、レーザーなどの光吸収デバイスまたは光生成デバイスを包含するデバイスなど、他のナノワイヤベースの半導体デバイスが同様に接触され得て、特に、エアブリッジ機構は、いかなるナノワイヤ構造体に対しても実施され得ることを理解されたい。
頂部、底部、基部、横方向などに対するすべての言及は、理解を簡単にするためにのみ導入されており、特定の配向に限定するものと見なされるべきではない。さらに、図面の中の構造体の寸法は、必ずしも原寸に比例しない。
本発明のさらなる実施形態は、上記で開示された頂部発光ＬＥＤ用のパッケージングプロセスを提供するものであり、このようなプロセスが、図９〜図１２を参照しながら以下で説明される。
最初に図９が参照され、裏面に設けられたミラー９１を有する頂部発光のナノワイヤＬＥＤ構造体９０を示している。したがって、前述のように、頂部発光ＬＥＤについては、ｐコンタクト９２（６）は透過性であり、好ましくはＴＣＯ、導電性ポリマーまたは薄い金属で作製され、頂部を通して放射光を導くために、好ましくは下にミラーが設けられる。
ミラーを取り付けるのに、別の方法を用いることができる。一実施形態では、ｐコンタクト９２が設けられた後に、ｎコンタクト９３（２０）が、ナノワイヤの先端のＬＥＤ配列上の選択されたｎコンタクト域１１に設けられ、ナノワイヤの間では選択された領域１１のバッファ層９６に接触して後のワイヤボンディング用の基部をもたらす。Ｔｉ／Ａｌまたは他の導体（例えばＴＣＯなどの透過性の他候補）で適切に作製されたｎコンタクトが、ナノワイヤ９４（１）の全体を覆うように堆積され、バッファ層９６（７）と接触するようにマスク層９５（６）を通って下がり、それによって、適切なワイヤボンディングの後にＬＥＤ配列に与えられ得る。ｎコンタクトの堆積は、スパッタリング、熱蒸着または電子ビーム蒸着およびめっきを例とする任意の堆積技法によって遂行することができる。Ｔｉ／Ａｌに対するコンタクトを作製するために、例えばウェットエッチングまたはドライエッチング（ＲＩＥ）といったエッチングによって、マスク層９５に開口が作製される。
取扱いを可能にするために、配列のさらなる加工中に、ｐコンタクト側に暫定のキャリアＣが接合される。このキャリアは、ゴーストラインで概略的に示されている。このキャリアは、適切にはシリコンウエハ、セラミック基板またはガラスもしくは金属の板である。「Ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｗａｆｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ」またはコンタクトボンディングと称されるＢｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅから入手可能な製品など、キャリアボンディングを達成するいくつかの方法がある。他の代替形態には、フォトレジスト、ＢＣＢまたは何らかの他のポリマーの暫定接着材料を用いるものがある。接着剤は、接合されるべき素子上にコーティングされ、圧力（任意選択で熱）が加えられる。キャリアが取り付けられたとき、ナノワイヤを成長させた元の成長基板５は、開口、窪みまたは成長基板の完全な除去など、ＧａＮ／ＡｌＧａＮバッファ層、すなわち配列の裏面まで下がる凹部９７をもたらすためのエッチングプロシージャを施される。凹部の幅は丸括弧によって示されている。エッチングは、例えばいわゆるボッシュ法といった当業者に知られているドライエッチングによって適切に行なわれる。湿式の化学的方法または研削とエッチングの組合せを用いることも可能である。
この時点で、ＧａＮ／ＡｌＧａＮバッファ層を（部分的にまたは完全に）除去して導電層（例えば９１）で置換するさらなるステップを任意選択で行なうことができる。頂部発光の用途では、この層は好ましくはミラーを備えることができるが、底部発光の用途については透過性のものとする。
成長基板が部分的にしか除去されない場合には、窪みを形成すべきでない基板の領域を保護するために、用いられるエッチング方式次第で適切なマスク（例えばフォトレジスト）が与えられる。
頂部発光ＬＥＤについては、凹部９７にミラー９１が設けられる。必要に応じて、基板の複数の凹部に複数のミラーが形成されてもよい。ミラーの用意は、いくつかの別々のやり方で遂行することができる。好ましい方式は、凹部９７の中にＡｇを約１μｍの厚さにスパッタリングするものである。層がより厚ければ、熱伝導率が改善されるが、通常、反射率はあまり改善されない。あるいは、熱蒸着もしくは電子ビーム蒸着またはめっきなどの方式を用いることができる。このミラーは、配列の中で電気的に能動でないという意味において受動的であり得る。このミラーは、配列からの光をナノワイヤの頂部へと単純に反射する。このミラーは、能動でもあり得るが、バッファ層がＡｌＧａＮなどの材料で終了する場合には、次いで、抵抗層の薄層化など、追加のステップを行なうべきである。
ミラーが設けられた後に、凹部９７は、例えば、構造上の剛性をもたらすように、好ましくは機械的に高強度のエポキシ樹脂または他の適切な熱伝導材料といった充填材９８で満たされる。他の適切な材料の例には、ＴｉＮ、グラフェン、および他の多結晶膜または非晶質炭素膜があるが、これらに限定されない。成長基板が完全に除去される場合には、深い凹部の構造で用いられるときに堆積時間が制約になり得るので、このような材料が最適であろう。次いで、図９に示される構造体に達するために、全体の構造体が暫定のキャリアＣから剥離される。
このように得られた構造体は、図１０に示されるように、適切な取付け台構造体またはキャリア１００に実装される。取付け台構造体の表面は、デバイスの付着力を強める、または熱的特性を改善するために、金属、ＴｉＮ、グラフェン、および他の多結晶もしくは非晶質炭素の膜などの層を備えてもよい。ワイヤボンディング用の接合パッドを設けるために、好ましくは金または他の導電材料のコンタクトパッド１０１が、ｎコンタクト域上に堆積される。次いで、取付け台１００とパッド１０１の間に、金のワイヤまたは他のワイヤなどのワイヤ１０２が取り付けられる。ワイヤ１０２を適当な場所に固定するために、はんだのバンプまたは接合剤が用いられてもよい。ｐ電極上には少なくとも１つのｐコンタクトパッド１０３も設けられ、取付け台１００からのこのコンタクトに対してワイヤ１０４のボンディングがやはり行なわれる。最後に、露出したＬＥＤの上に、適切にはシリコン材料の保護の「電球」またはパッケージ１０５が設けられる。
次に、図１１を参照すると、受動的ミラーを設けるための変形形態が示されている。図９に関して上記で説明されたように、ｐコンタクト９２およびｎコンタクト９３が設けられ、暫定のキャリアＣも同様に取り付けられる。しかし、暫定のキャリアが設けられた後に、適切にはエッチングによって元の基板５が除去されるが、研磨または研削などの方法も用いることができる。
基板を除去した後、バッファ層（例えばＡｌＧａＮ）７を露光するために、バッファ層７上にミラー１１１が設けられる。適切には、Ａｇミラーがスパッタリングによって設けられる。次いで、この組立体は、好ましくはシリコン、エポキシ樹脂、ＢＣＢまたは他のタイプのポリマーのうちの任意のもの１１３を接着剤として用いて、新規の基板１１２に接着剤結合される。最後に、キャリアＣが除去される。
図１２に示されるように、コンタクト、ワイヤボンディングおよび保護「電球」１０５を作製するのに、先の実施形態におけるのと同一のプロセスのステップが用いられる。
図１１および図１２に関連して直前に説明されたプロセスの変形形態では、バッファ層にミラーを与える／取り付けるのでなく、新規の基板１１２にミラー１１１を与えることを除けば同一のプロセスが用いられる。次いで、新規の基板およびミラーの組立体が、接着剤ボンディングによってＬＥＤ配列構造体のバッファ層に取り付けられる。これは、不適当な損失を生じさせないために、接着剤は、実際には完全に透過性であることをもちろん必要とする。接着剤１１３は、この場合、ミラー１１１とバッファ層７の間に配置される。これらの実施形態では、基板５および／またはバッファ層７に加えて、かつ／または基板５および／またはバッファ層７の代わりに、ミラー９１、１１１が、ナノワイヤ１に対する支持体として使用される。
本発明が、現在最も実際的であって好ましいと考えられる実施形態に関連して説明されてきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、それどころか、添付の特許請求の範囲の範囲内のさまざまな変更形態および同等な機構を対象として含むように意図されていることを理解されたい。

Claims (46)

  1. 支持層上に並んで配置された複数のデバイスであって、各デバイスが、第１の導電型の半導体ナノワイヤコア、および、これを囲う、動作において光を生成するための活性領域をもたらすｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成するための第２の導電型の半導体シェルを備える、デバイスと、
    前記複数のデバイスの上に延在し、前記半導体シェルに接続するように前記デバイスの少なくとも１つの上部と電気接触する第１の電極層であって、前記デバイスの間で少なくとも部分的にエアブリッジされる第１の電極層と、
    を備えることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  2. 前記第１の導電型がｎ型を含み、前記第２の導電型がｐ型を含み、前記第１の電極層がｐ電極層を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  3. 前記ｎ型ナノワイヤコアに電気的に接続する第２のｎ電極層をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  4. 前記支持層が、基板上に、ｎコンタクトとして働くｎ型半導体バッファ層を備え、前記ｎ電極層が前記バッファ層と接触することを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  5. 前記支持層が反射性であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  6. 前記支持層が透過性であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  7. 前記エアブリッジされたｐ電極層の厚さが１５０ｎｍ〜９００ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）配列。
  8. 前記ｐ電極が、少なくとも部分的に反射性であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  9. 前記ｐ電極が透過性であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  10. 前記ｐ電極上に、少なくとも１つの他の透過層が配置されることを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  11. 前記ＬＥＤが、キャリア上のコンタクト電極上に接合されるフリップチップであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  12. 前記ナノワイヤコアの下に設けられたミラーをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  13. 前記ミラーが、前記基板に形成された凹部に設けられ、前記凹部が前記バッファ層へと延在することを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  14. 複数の凹部の中に複数のミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  15. 前記ミラーが、前記凹部を部分的に充填する反射性材料を備え、前記凹部の残りの部分が、構造上の剛性および高い熱伝導率をもたらす充填材で満たされることを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  16. 前記ミラーが、前記バッファ層および前記基板のうち一方には接着剤で接合され、他方には物理的に接合されることを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  17. 前記支持層がミラーを備え、前記ミラーが、除去されたｎ型半導体バッファ層および完全に除去された基板の代わりに設けられることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  18. 各デバイスが、前記コア、前記シェル、および前記コアと前記シェルの間の活性層を含んでいるナノ構造体を備えることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  19. 前記ナノ構造体が、コアシェルのナノワイヤを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  20. 前記支持層が半導体基板を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  21. 前記ｎ電極層が、前記バッファ層の第１の部分上にｎパッド領域を備え、
    前記ｐ電極層が、ＬＥＤ活性領域の前記ナノワイヤ上、または前記ＬＥＤ活性領域の前記ナノワイヤに隣接した前記バッファ層上の誘電体マスク層上に、ｐパッド領域を備え、
    前記ｎパッド領域と前記ｐパッド領域が、前記ｐ電極と接触しないダミーのナノワイヤを備える非活性領域によって分離されている
    ことを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  22. ナノワイヤ発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体を製作する方法であって、
    支持層を用意するステップと、
    前記支持層上に並んで配置される複数のデバイスであって、各デバイスが、第１の導電型の半導体ナノワイヤコア、および、これを囲う、動作において光を生成するための活性領域をもたらすｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成するための第２の導電型の半導体シェルを備えるデバイスを設けるステップと、
    非活性領域の前記デバイスを完全に覆い、前記ＬＥＤ領域の前記デバイスを部分的に覆って、前記ＬＥＤ領域の前記デバイスの上部は露出させたまま犠牲層を堆積するステップと、
    前記デバイスの前記露出した上部および前記デバイス間の前記支持層の上に、第１の電極層を堆積するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  23. 前記第１の導電型がｎ型を含み、前記第２の導電型がｐ型を含み、前記第１の電極層がｐ電極層を備えることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  24. 前記ｎ型ナノワイヤコアに電気的に接続する第２のｎ電極層を堆積するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
  25. 前記支持層が、基板上に、ｎコンタクトとして働くｎ型半導体バッファ層を備え、前記ｎ電極層が前記バッファ層と接触することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  26. 前記支持層が、透過層、反射層または半導体基板のうち少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項２４に記載のナノワイヤ方法。
  27. 各デバイスが、前記コア、前記シェル、および前記コアと前記シェルの間の活性層を含んでいるコア−シェルのナノワイヤを備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  28. 前記支持層上に誘電体マスク層をさらに備えて、前記コアが前記マスク層の開口を通って前記バッファ層から突出し、前記シェルが前記マスク層上に配置されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
  29. 前記非活性領域の前記犠牲層上に配置された前記第１の電極層の第１の部分が除去され、前記ナノワイヤシェルの頂部に配置された前記第１の電極層の第２の部分が、エアブリッジされたｐ電極を形成するように前記犠牲層を除去するステップさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  30. 前記犠牲層がフォトレジストを備えることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
  31. 前記バッファ層が、窒化ガリウムまたはアルミニウム窒化ガリウムのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  32. 前記ｐ電極が、透過性の導電性酸化物層を備えることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
  33. 前記ナノワイヤを備える前記構造体の側面にキャリアを一時的に接合するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
  34. 前記基板の１つまたは複数の凹部を、前記バッファ層まで下方へエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
  35. 前記少なくとも１つの凹部の前記バッファ層上にミラーを形成して、前記ＬＥＤ構造体を頂部発光にするステップをさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
  36. 前記ミラーの上の前記少なくとも１つの凹部を充填材で満たし、前記キャリアから前記構造体を取り外すステップをさらに含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
  37. 前記構造体から前記基板を除去するステップであって、前記バッファ層を露出して残し、前記バッファ層にミラーを与えて、前記ＬＥＤ構造体を頂部発光にするステップをさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
  38. 前記ミラーにキャリアを取り付けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
  39. 前記構造体にキャリアを取り付けるステップであって、前記キャリアが前記バッファ層に面する１つの表面上にミラーを有する、ステップをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
  40. 支持層の第１の表面に配置された複数のデバイスであって、第１の導電型の半導体ナノワイヤコアおよび第２の導電型の半導体シェルを備えるデバイスと、
    前記デバイスの前記シェルに電気的に接続された第１の透過性電極と、
    前記支持層の前記第１の表面と電気接触して配置され、前記支持層を通って前記デバイスの前記コアに電気的に接続されている第２の電極と、
    前記デバイスに取り付けられたキャリアと、
    前記キャリアを前記第１の電極の第１のパッド領域に電気的に接続する第１のコンタクトと、
    前記キャリアを前記第２の電極の第２のパッド領域に電気的に接続する第２のコンタクトと、
    前記デバイスの前記コアの下に配置された反射層であって、前記キャリア基板が前記反射層の下に配置されている、反射層と
    を備えることを特徴とする頂部発光の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  41. 前記ナノワイヤが基部の終端および頂部の終端を有し、
    前記基部の終端が、成長基板またはバッファ層を備える前記支持層に取り付けられ、
    前記第１の電極が、前記ナノワイヤの前記頂部の終端から下方へ前記ナノワイヤの間に延在する
    ことを特徴とする請求項４０に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  42. 前記デバイスが、前記第１の電極と前記支持層の間の前記ナノワイヤの間の空間に空隙を備えることを特徴とする請求項４１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  43. 前記第１の導電型がｎ型であり、前記第２の導電型がｐ型であって、前記半導体コアおよび前記半導体シェルがＩＩＩ族の窒化物半導体材料のナノワイヤを備えることを特徴とする請求項４０に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  44. 前記支持層の前記第１の表面上に配置された開口を有する誘電体マスク層をさらに備えて、前記コアが、前記開口を通って前記支持層の前記第１の表面と電気的に接触し、前記シェルが、前記マスク層によって前記支持層の前記第１の表面から電気的に絶縁されることを特徴とする請求項４０に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  45. 前記第１の電極パッド領域が、前記マスク層上の前記ナノワイヤの間に配置され、
    前記第２の電極パッド領域が、前記マスク層の開口において前記ナノワイヤの間の前記支持層の前記第１の表面に配置されている
    ことを特徴とする請求項４４に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
  46. 頂部発光の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体を作製する方法であって、
    支持層の第１の表面上に配置された複数のデバイスを形成するステップであり、前記デバイスが、第１の導電型の半導体ナノワイヤコアおよび第２の導電型の半導体シェルを備える、ステップと、
    前記デバイスの前記シェルに電気的に接続される第１の透過性電極を形成するステップと、
    前記支持層の前記第１の表面と電気接触して配置され、前記支持層を通って前記デバイスの前記コアに電気的に接続される第２の電極を形成するステップと、
    前記デバイスの前記コアの下に反射層を設け、前記反射層の下の前記構造体に取り付けられるキャリアを設けるステップと、
    前記キャリアを前記第１の電極の第１のパッド領域へ電気的に接続する第１のコンタクトを形成するステップと、
    前記キャリアを前記第２の電極の第２のパッド領域へ電気的に接続する第２のコンタクトを形成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
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