JP2021150646A - 発光装置およびその作成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＵＶＣスペクトルで放出することができるより効率的なＬＥＤを提供することができるＬＥＤ構造およびプロセスを提供すること。【解決手段】装置は、基板と、パターン化された層とを備える。パターン化された層は、基板上の複数のマスク領域を備える。基板の露出部分が、マスク領域の間に配置される。複数のナノ構造が、基板の露出部分上およびマスク領域の上に配置され、複数のナノ構造は、単結晶半導体であり、コア先端を備える。活性層が、複数のナノ構造の上に配置される。活性層は量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含む。ｐドープ層が、活性層の上に配置される。活性層およびｐドープ層は両方とも、コア先端の上にエミッタ先端を形成するように複数のナノ構造に共形である。【選択図】図１

Description

本開示は、光を放出するための装置に向けられ、詳細にはＵＶＣスペクトルで光を放出するための装置に向けられている。
ＵＶＣ帯域で放射線を放出するＬＥＤ装置には、さまざまな潜在的な商業用途がある。しかしながら、そのようなＵＶＣ ＬＥＤ装置は、壁コンセント効率が低いため、一般に市販されていない。以前の実験的なＵＶＣ ＬＥＤ装置には、外部量子効率が低いという点に関しても欠点がある。これは、２５０ｎｍより短い波長を放出するＬＥＤに特に当てはまる。さらに、ほとんどのＬＥＤ装置は、短波長ＵＶＣ用途には長すぎる出力発光波長（例えば、通常３００ｎｍより長い）を有する。さらに、多くのＬＥＤ装置はＩｎＧａＮを活性材料として使用しており、これは、ＵＶＣ波長範囲の光を放出せず、代わりに可視スペクトルの光を放出する。
ＵＶＣ ＬＥＤ装置を形成するための既知の方法は、垂直に配向されたナノワイヤを成長させるために円形の開口を有するナノメータスケールの選択的領域エピタキシを使用することを含む。次に、光学活性ＡｌＧａＮ層が途中まで堆積され、その後、最終的に、ドーピングと表面パッシベーションのために追加の材料でふたがかぶせられる。Ｘ．Ｌｉｕら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２５、３０４９４ ２０１７。Ｌｉｕらの中で、著者らは、非放射再結合を低減するコアシェル構造に一部起因して、良好な内部量子効率でｃ帯域全体にわたる放出を実証することが可能である。ここでの主な成果は、ナノワイヤを使用してひずみを緩和し、より短い波長に達するために大きなＡｌ含有量の活性層を可能にすることである。ただし、ひずみの低減は、エミッタ層の面積分率の減少を犠牲にすることになる。また、これらの層は依然としてｃ平面に沿って名目上整列されるため、振動子強度の低下とＴＭ偏光された放出の問題が依然として残っている。
Ｘ．ＬｉｕらのＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０１７で説明されているように、ＵＶＣ ＬＥＤ装置を作成するための他の方法では、エッチング技術を使用して成長領域を規定する。ＡｌＧａＮはＧａＮ垂直フィンの側壁上で成長し、そのアレイはドライエッチングによって形成される。ドライエッチングは表面の損傷を引き起こし、またウェットエッチングステップを必要とする。これらのフィンの成長は、ＴＭ偏光された出力の問題に対処し、この場合、著者は、フィンの垂直配向により、これらの構造からより多くのＴＭ偏光された光を抽出することができると述べている。ただし、これらのフィンは約２ｕｍの間隔で離れて配置されているため、エミッタの面積の割合を大幅に減少させ、達成可能な最大輝度を制限する。さらに、フィン間のこの最小幅は、材料が基部に浸透することを必要とする。
したがって、当技術分野では、ＵＶＣスペクトルで放出することができるより効率的なＬＥＤを提供することができるＬＥＤ構造およびプロセスに対する要望がある。
Ｘ．Ｌｉｕら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２５、３０４９４ ２０１７ Ｘ．Ｌｉｕら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０１７
本開示は、ＵＶＣ放射線を放出するための発光装置に向けられている。装置は、基板と、パターン化された層とを備える。パターン化された層は、基板上の複数のマスク領域を備える。基板の露出部分が、マスク領域の間に配置される。複数のナノ構造が、基板の露出部分上およびマスク領域の上に配置され、複数のナノ構造は、単結晶半導体であり、コア先端を備える。活性層が、複数のナノ構造の上に配置される。活性層は量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含む。ｐドープ層が、活性層の上に配置される。活性層およびｐドープ層は両方とも、コア先端の上にエミッタ先端を形成するように複数のナノ構造に共形である。
本開示はまた、ＵＶＣ発光装置を作成する方法にも向けられている。方法は、基板上の複数のマスク領域を含むパターン化された層を形成するステップであって、基板の露出部分は、マスク領域の間に配置されている、ステップを含む。複数のナノ構造は、基板の露出部分上およびマスク領域の上にエピタキシャル成長し、複数のナノ構造はコア先端を備える。活性層は、複数のナノ構造上にエピタキシャル成長し、活性層は量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含む。ｐドープ層が活性層の上に堆積され、活性層およびｐドープ層は両方とも、コア先端の上にエミッタ先端を形成するように複数のナノ構造に共形である。
本開示はまた、表面を消毒する方法にも向けられている。方法は、表面を発光装置から放出されたＵＶＣ放射線と接触させるステップを含む。装置は、基板と、パターン化された層とを備える。パターン化された層は、基板上の複数のマスク領域を備える。基板の露出部分が、マスク領域の間に配置される。複数のナノ構造が、基板の露出部分上およびマスク領域の上に配置され、複数のナノ構造は、単結晶半導体であり、コア先端を備える。活性層が、複数のナノ構造の上に配置される。活性層は量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含む。ｐドープ層が、活性層の上に配置される。活性層およびｐドープ層は両方とも、コア先端の上にエミッタ先端を形成するように複数のナノ構造に共形である。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は両方とも、例示的かつ説明的なものにすぎず、請求されているように、本教示を限定するものではないことを理解されたい。
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、説明とともに本教示の態様を例示し、本教示の原理を説明するのに役立つ。
本開示の一例による、ＵＶＣ放射線を放出するための発光装置の概略断面図である。 本開示の一例による、発光装置を製造するために使用することができる、六角形のピラミッドの形態の複数のナノ構造の斜視図である。 本開示の一例による、発光装置を製造するために使用することができる、波形のリッジの形態の複数のナノ構造の斜視図である。 本開示の一例による、ＵＶＣ放射線を放出するために使用することができる波形のリッジを有する発光装置の概略図である。 本開示の一例による、２つの平行な波形リッジの上面図の走査型電子顕微鏡法によって撮影された画像を示す図である。 本開示の一例による、単一の波形リッジの角度を付けた上面図の走査型電子顕微鏡法によって撮影された画像を示す図である。 本開示の一例による、ＧａＮ六角柱の上面図の走査型電子顕微鏡法によって撮影された画像を示す図である。 本開示の一例による、六角形のグリッドアレイ（例えば、ハニカムパターン）に配置された六角形ピラミッドのレイアウトの概略的な上面図である。
図の一部の詳細は簡略化されており、厳密な構造の正確さ、詳細、および縮尺を維持するのではなく、理解を容易にするために描かれていることに留意されたい。
ここで、本教示を詳細に参照し、その例が添付の図面に示される。図面では、同一の要素を示すために、全体を通して同様の参照番号が使用されている。以下の説明では、その一部を形成する添付の図面を参照し、その中で、本教示を実施する特定の例が例示として示される。したがって、以下の説明は単なる例示である。
ＵＶＣ範囲、特に２００ｎｍから３００ｎｍの範囲の波長を有するＬＥＤが放出する放射線に関する問題は、低電力（例えば、１０マイクロワット以下であるが、低電力と見なされるものは、装置のサイズとともに広く変化する可能性がある）、または全体的な外部量子効率が低い（例えば、低量子効率は、１０％以下の範囲になる場合がある）ことである。低効率出力の原因には、これらに限定されるものではないが、１）活性層成長における欠陥による非放射再結合中心、２）ビルトイン結晶電場による弱い双極子モーメント、および３）横方向−磁気モード偏光された放出であり（電場は上面に対して垂直に振動する）、これにより、光子の収集効率が低下することが含まれる。本開示は、ｎ＋ドープナノ構造上の活性層（例えば、ＡｌＧａＮ量子井戸）の選択的領域エピタキシャル成長を介して、これらの３つの主要な問題に対処する。
選択的領域エピタキシャル成長とは、事前にパターン化されたウェーハ上で成長することを指し、この場合、成長はマスクを介して事前に定義された領域内のみで発生することができる。本明細書でより詳細に議論されるように、選択的領域成長は欠陥の伝播の進路を変え、活性領域（例えば、ＡｌＧａＮ量子井戸）が成長できる非極性表面を提供し、したがって、井戸内のキャリアの波動関数を分離するビルトイン電場を低減する、ならびに横方向の磁気（ＴＭ）偏光された放出を角度付けして、三角形のリッジの頂点に向かって放出し、これにより、発光装置の発光効率を向上させる。
図１を参照すると、本開示は、ＵＶＣ放射線を放出するための発光装置１００に向けられている。発光装置１００は、基板１０２を備える。複数のマスク領域１０４を備えるパターン化された層１０３が、基板１０２上に配置される。基板１０２の露出部分１０６が、マスク領域１０４間に配置される。複数のナノ構造１０８が、基板１０２の露出部分１０６上およびマスク領域１０４の上に配置される。複数のナノ構造１０８は、単結晶半導体を備え、任意選択でコア先端１１０を含む。コア先端１１０、およびその後に形成されるエミッタ先端は、鋭利であってもよく（例えば、先端にｃ軸材料がない）、または上部が切り取られていてもよい（例えば、図７に１３２で示されるように、先端に少量のｃ軸材料がある）。ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含む活性層１１２が、複数のナノ構造１０８の上に配置される。ｐドープ層１１４が、活性層１１２上に配置され、活性層およびｐドープ層は両方とも、コア先端１１０の上にエミッタ先端１１８を形成するように複数のナノ構造に共形である。以下に詳細に説明するように、複数のナノ構造１０８の傾斜した側壁上で活性層１１２を成長させることには利点がある。
基板１０２は、絶縁体、半導体材料、およびそれらの組み合わせから選択される少なくとも１つの材料を含む。材料の例には、シリコン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が含まれる。シリコンは、放出されるＵＶ光の反射器として機能し、それによって発光装置１００の効率を潜在的に改善するという利点を提供する。複数のナノ構造１０８の成長に適した他の任意の基板材料を使用することもできる。一例として、基板は、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＧａＮ、およびＡｌＮについて（０００１）の結晶配向、およびシリコンについて（１１１）の結晶配向を有する最上表面用の単結晶材料を含むことができる。一例では、基板はｎ型であり、当技術分野でよく知られているように、活性層への電子の適切な供給を実現する１つまたは複数のｎ型ドーパントを含み得る。あるいは、当技術分野でよく知られているように、基板は絶縁材料であってもよく、電子は平面注入によって供給することができる。任意選択で、基板を取り外して、可撓性基板、絶縁基板、または他の任意の所望のタイプの基板などの第２の基板と交換することができる。基板を取り外して交換するための技術は、当技術分野でよく知られている。
マスク領域１０４は、複数のナノ構造１０８の成長を可能にする絶縁体、金属、または他の材料から選択される少なくとも１つの材料を含む。例えば、ナノ構造のエピタキシャル成長に使用されるソース材料は、選択されたマスク材料に付着する傾向を持たない場合があり、代わりに、ナノ構造を成長させるために基板１０２の露出部分１０６に付着する。さらに、マスク材料は、その後の処理に使用される温度に耐えることができ、基板１０２上にパターン化される能力を有する必要がある。例として、マスク領域１０４は、酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ２）、ＳｉＮ、Ｔｉ、およびＴｉＷから選択される少なくとも１つの材料を含むことができる。他の適切なマスク材料が使用される場合もある。
マスク領域１０４は、マスク領域１０４が複数のナノ構造１０８によって完全に覆われることを可能にする寸法を有する。例えば、マスク領域は、約５０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の幅を有する。マスク領域１０４間の露出部分１０６は、複数のナノ構造１０８の所望の寸法を提供するのに適した寸法を有する。一例として、露出部分１０６は、約５０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の幅を有する。そのような寸法を有する露出部分１０６から成長した複数のナノ構造１０８は、はるかに幅の広い構造と比較して、光子がそこからより容易に逃げることができるように十分に幅が狭くなることができる。
複数のナノ構造１０８は、活性層１１２の成長に適した表面を提供し、エピタキシャル成長させることができる単結晶材料を含む。例には、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＡｌＧａＮから選択された少なくとも１つの材料が含まれる。材料は、六角形の稠密結晶配向を有することができる。ナノ構造１０８は、活性層に電子を供給するようにｎドープすることができる。
複数のナノ構造１０８は、例えば、プリズム、ナノワイヤ、フィン、およびメサ（例えば、図２に示されるような六角形のメサまたは他の形状のメサ１２４）から選択される三次元形状を有する。別の例では、図３に示されるように、複数のナノ構造１０８は、リッジ１２６であり、これは波形にされ、長さ対幅の比（Ｌ：Ｗ）は３：１より大きく、例えば、約５：１から約１００，０００：１以上である。図４は、波形にされたリッジ１２６を含む、図１の装置の一例の斜視図を示す。リッジ１２６は、図３に示される三角形の断面の場合のように、コア先端１１０を有することができる。複数のナノ構造１０８は、接触してもよい、または隔てられてもよい。図３は、接触している三角形のリッジの形態の複数のナノ構造１０８の例を示し、図２は、接触していない六角形のピラミッドを示している。また図５および図６も参照されたく、これらは、２つの平行な三角形のＧａＮリッジ（図５）、および１つの三角形のリッジ（図６）の上面図の走査型電子顕微鏡法を示す。ＧａＮの代わりに、またはＧａＮに加えて、ＡｌＮやＡｌＧａＮなど他の材料が使用されてもよい。図５および図６のリッジは、マスクを通して成長し、接触していない。図７は、ＧａＮ六角柱の上面図の走査型電子顕微鏡法を示しているが、これは、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを含むことも可能である。図８は、図７のような六角形のピラミッドが、曲線因子を増大させるために六角形のグリッド配列（ハニカムパターン）にどのように配置され得るかについての概略レイアウトの上面図を示す。
複数のナノ構造１０８の角度の付いた面は、比較的大きな放出領域を提供することができ、基板１０２の表面に平行な表面（例えば、ｃ軸表面）を有する成長した活性層よりも、その後に成長した活性層１１２からより容易に光子を逃がすことができる。適切な角度付きの面を有する三次元形状を有するナノ構造をエピタキシャル成長させるための技術は、当技術分野でよく知られている。先端または頂点を有する三次元形状は、表面での比較的大量のｃ軸材料を回避することができ、これは、ｃ軸材料単独と比較して改善された光子の放出を可能にすることができる。一例では、三次元形状のｃ軸表面積に対する非ｃ軸表面積の比は、少なくとも５であり、例えば約１０から約１０００などである。
再び図１を参照すると、本明細書に記載の複数のナノ構造１０８のいずれも、基板の上表面１０９（例えば、基板のｃ軸表面）に対して約４０度から約９０度の範囲の、例えば、約４３度から約７５度、または約５５度から約６５度、または約５７度または約６２度などの角度θを有する少なくとも１つの面を備えることができる。一例では、複数のナノ構造１０８の上部面１３０のすべては、例えば図９に示されるような任意のｃ軸面１３２を除いて、本明細書に記載の範囲内の角度θを有する。場合によっては、正確な角度は、エピタキシ中に使用される成長条件で使用される材料によって自然に形成される角度に依存することになる。
マスク領域１０４の寸法、およびガス流量および成長温度などのエピタキシャル成長条件は、複数のナノ構造１０８の幾何学形状を制御する。当業者は、マスク領域およびエピタキシャル成長条件の適切な寸法を決定することで、複数のナノ構造１０８に対して所望の三次元形状を提供することができるであろう。
複数のナノ構造１０８は、ＵＶＣ放射装置に対して利点を提供する。アルミニウム原子または有機金属前駆体は誘電体マスクに付着する傾向があり、したがって露出部分１０６で選択的に成長しないため、ＡｌＧａＮおよびその合金は、誘電体を基にした選択的領域マスクを使用して成長するのが難しい。ナノ構造１０８は、マスク領域１０４を覆うように成長し、その結果、ＡｌＧａＮ前駆体は、いかなるマスク領域１０４にも曝されない。マスク領域１０４の完全な被覆を達成するために、本明細書に記載されるように、マスク領域１０４は、幅が比較的小さくなるように選択され、その結果、横方向の成長速度は通常遅いため、誘電体は完全に覆われることになる。
活性層１１２は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはＧａＮなどのＵＶＣ放射線を放出するための適切な材料を含む量子井戸構造である。ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮは、六角形の結晶配向（例えば、六角形の稠密配向）を有することができる。活性層１１２の量子井戸構造は、単一量子井戸または多重量子井戸構造であり得る。一例では、活性層１１２は、量子井戸を形成するためのＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの３層スタックなど、少なくとも１つのＡｌＮ層および少なくとも１つのＡｌＧａＮ層を備える。別の例として、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮの複数のスタックを成長させて、多重量子井戸構造を形成することもできる。別の例では、活性層１１２は、少なくとも１つのＡｌＮ層および少なくとも１つのＧａＮ層、例えば、ＡｌＮ／ＧａＮ／ＡｌＮの３層スタックを備える。別の例として、ＧａＮ／ＡｌＮの複数のスタックを成長させて、多重量子井戸構造を形成することもできる。
活性層１１２の厚さ、およびその中のアルミニウム濃度が、発光波長を決定する。一例では、活性層は、約１０ｎｍから５００ｎｍなど、約１ｎｍから約２０００ｎｍの範囲の厚さを有する。一例では、活性層は、少なくとも５０モル％、例えば、約６０モル％から約８０モル％のアルミニウムを含む。したがって、活性層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ材料を含むことができ、ここで、ｘは、約０．６から約０．８または約０．６５から約０．８など、０．５から約０．９の範囲である。一例では、活性層はインジウム（Ｉｎ）を含まない。
ｐドープ層１１４は、活性層１１２に正孔を供給するのに適した少なくとも１つのｐドープ半導体材料を含む。一例として、ｐドープ層１１４は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、および六方晶窒化ホウ素から選択される半導体材料のうちの少なくとも１つを含む。ｐドープ層は、例として、エピタキシャル成長または化学蒸着法を採用することなどによって、任意の適切な方法で堆積させることができる。
一例では、ｐドープ層１１４のｐ型ドーパントは、選別される、または分極ドーピングされている。選別および分極ドーピングは、正孔の濃度を高めるための既知の技術であり、これは、とりわけ、閾値ターンオン電圧を低下させる可能性がある。したがって、一例では、ｐ型ドーパントを含むｐドープ層を作成する方法は、分極ドーピング技術によってｐ型ドーパントを導入するステップを含む。一例では、ｐドープ層は、段階的なドーパント濃度を有する。
完成した発光装置１００は、１つまたは複数の発光ダイオードを備える。１つまたは複数の発光ダイオードは、約２００ｎｍから約３５０ｎｍ、または約２００ｎｍから約３００ｎｍ、または約２００ｎｍから２５０ｎｍ未満などのＵＶＣ範囲の波長を有する放射線を放出するように構成されている。
複数のナノ構造１０８上で活性層１１２を成長させることは、ＵＶＣ放射装置にとっていくつかの利点を有する。第１に、マスク領域１０４上のナノ構造の成長は、活性層１１２の欠陥を減らすことができる。選択的領域成長は、欠陥の伝播を終結させ、したがって、活性層１１２のエピタキシャル成長のためのより高品質の表面をもたらすことが一般に知られている。選択的領域成長は、一般に材料の欠陥を増大させる、他のナノスケールのエッチングベースの設計とは対照的である。
複数のナノ構造１０８の傾斜した側壁上で活性層１１２を成長させることの利点は、そうすることにより、ＵＶＣ発光装置の光子放出効率を改善できることである。これは、短波長（ＵＶＣ）ＬＥＤが高Ａｌ含有量のＡｌＧａＮ量子井戸を採用しているためである。ｘ＞６５モル％でありｃ平面の法線軸を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ量子井戸の場合、発光は横方向の磁気（ＴＭ）偏光された放出によって左右される。ＴＭ偏光された光は、量子井戸の平面内を伝搬し、望ましくないことに、光が表面で抽出される前に材料またはクラッド層内に吸収される可能性がある。対照的に、横方向の電気（ＴＥ）偏光された光は、量子井戸に垂直に伝搬し、より高い抽出効率をもたらす。複数のナノ構造１０８の選択的領域成長リッジの角度のあるファセット上で量子井戸を成長させることにより、ファセット寸法が、吸収を低減または最小化するのに十分小さく保たれる場合、放出は、リッジの頂点で、例えば６２度以上の角度で出てくることができる。放出角度は、とりわけ、活性層１１２の結果として生じる傾斜した側壁（例えば、活性層１１２のＡｌＧａＮ／ＡｌＮ量子井戸スタックリッジ）によって決定される。側部ファセットは、ｃ平面に対して６２度の（１０−１１）ファセットにすることができる。非平衡状態では、ファセットの角度が変化し、例えば５８度（１１−２２）などで、他のファセットが発生する場合がある。
さらに、複数のナノ構造１０８上で活性層１１２を成長させることにより、振動子強度を高めることができる。ＧａＮやＡｌＧａＮなどのほとんどの窒化物ベースの光学活性材料は、（０００１）ｃ軸に沿って大きなビルトイン電場を有し、典型的には、主にこの方向に成長する。したがって、材料に生じる双極子は、この電場によって引き起こされる電子／正孔の波動関数の分離のために弱い振動子強度を有することになる（例えば、電子と正孔は強い双極子力によって引き離され、これにより再結合し光を放出する能力が低下する）。傾斜したリッジのファセット上で活性層１１２を成長させることは、ｃ軸の双極子と比較して電場が低減されているか、または電場がまったくないファセットを利用することによってこの問題に対処する。リッジのファセットは、（０００１ ｃ軸）極性平面の代わりに、半極性（１０−１１）または非極性（１１−２０）にすることができ、電子と正孔の間の波動関数の重なりを改善し、再結合率を高めることができる。その結果、内部効率が向上する。
本開示はまた、ＵＶＣ放射線を放出するための発光装置１００を作成する方法にも向けられている。方法は、基板１０２上の複数のマスク領域１０４を含むパターン化された層１０３を形成することを含む。基板１０２の露出部分１０６が、マスク領域１０４間に形成される。基板上に選択的領域マスクを作成するために、本明細書に開示されるような誘電体層または金属層が基板１０２の表面上に堆積される。次に、マスクは、例えば、標準的な光学リソグラフィ技術によってパターン化される。
複数のナノ構造が、基板１０２の露出部分１０６上およびマスク領域１０４の上にエピタキシャル成長する。複数のナノ構造１０８は、コア先端１１０を備える。このプロセスは、例えば、マスク領域１０４でパターン化された基板１０２を、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥチャンバなどの成長チャンバに装填することを含むことができる。適切な成長条件下で、複数のナノ構造１０８は、複数のマスク領域１０４間の露出部分１０６上で選択的に成長することになる。成長は、例えば、傾斜した（例えば、三角形またはピラミッド型の）リッジの形状、またはナノ構造について本明細書に記載されている他の任意の形状であり得る。ｃ平面は最も急速に成長している平面である。傾斜したリッジの成長によってｃ平面が消滅すると、傾斜した側壁は、マスク領域１０４の上で横方向に成長することになる。２つの隣接する傾斜したリッジがマスク領域１０４上で合体すると、成長プロセスは終了する。
活性層１１２は、複数のナノ構造１０８の傾斜したリッジ上にエピタキシャル成長する。活性層１１２は、複数のナノ構造上に配置されたＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、およびＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含む。ｐドープ層１１４は、エピタキシャル成長または化学蒸着などの任意の適切な堆積方法によって活性層１１２の上に堆積される。活性層１１２およびｐドープ層１１４は両方とも、コア先端１１０の上にエミッタ先端１１８を形成するように複数のナノ構造に共形である。
本開示はまた、表面を消毒する方法にも向けられている。方法は、表面を本明細書に開示される発光装置のいずれかから放出されたＵＶＣ放射線と接触させるステップを含む。一例として、発光装置１００は、基板１０２を備える。パターン化された層１０３は、基板上の複数のマスク領域１０４を備える。基板１０２の露出部分１０６が、マスク領域１０４間に配置される。複数のナノ構造１０８が、基板１０２の露出部分１０６上およびマスク領域１０４の上に配置される。複数のナノ構造１０８は単結晶半導体であり、コア先端１１０を備える。活性層１１２は、複数のナノ構造１０８の上に配置されたＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、およびＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含む。ｐドープ層１１４が、活性層の上に配置される。活性層１１２およびｐドープ層１１４は両方とも、コア先端１１０の上にエミッタ先端１１８を形成するように複数のナノ構造１０８に共形である。
２００〜３５０ｎｍ、２００〜３００ｎｍ、または２００〜２５０ｎｍ未満の範囲の効率的なＵＶＣエミッタは、一般にＵＶベースの衛生設備の利益となる。これらの範囲内の特定の波長をターゲットにすることは、コンパクトでエネルギー効率の高い衛生方法が可能になるだけでなく、人体への暴露に関しても目や皮膚が安全になる可能性がある。非常に効率的なＵＶ光源を製造することに大きな商業的関心がある。本開示のＵＶＣ ＬＥＤ装置は、所望の効率を提供し、また消毒／滅菌に加えて幅広い多くの商業的用途を有することになり、例えば１）トラップされたイオンを冷却するためのレーザ、例えば、コンパクトな原子時計またはよりコンパクトな量子メモリ用に、Ｍｇイオンは２７９ｎｍレーザを使用し、Ｈｇ＋イオンは２８１ｎｍレーザを使用する、２）マイクロラマン光源、ラマン強度は波長に比例するため、およびこれにより短波長光源は長波長光源よりも桁違いに多くの信号を取得できる、３）リン光材料用のコンパクトで効率的な励起源などの照明およびディスプレイ用途などである。さらに他の用途が、当業者によって認識され得る。
本教示は、１つまたは複数の実装形態に関して例示されてきたが、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく、例示された例に変更および／または修正を加えることができる。さらに、本教示の特定の特徴は、いくつかの実装形態のうちの１つに関してのみ開示され得るが、そのような特徴は、任意の所与のまたは特定の機能に関して望まれ、有利であり得るように、他の実装形態の１つまたは複数の他の特徴と組み合わされてもよい。
さらに、本開示は、以下の条項による例を含む。
条項１．ＵＶＣ放射線を放出するための発光装置であって、基板と、
基板上の複数のマスク領域を備えるパターン化された層であって、基板の露出部分がマスク領域間に配置されている、パターン化された層と、基板の露出部分上およびマスク領域の上に配置される複数のナノ構造であって、複数のナノ構造が単結晶半導体であり、コア先端を備える、複数のナノ構造と、複数のナノ構造の上に配置された活性層であって、活性層が量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含む、活性層と、活性層の上に配置されたｐドープ層であって、活性層およびｐドープ層は両方とも、コア先端の上にエミッタ先端を形成するように複数のナノ構造に共形である、ｐドープ層と
を備える、発光装置。
条項２．基板は、シリコン、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から選択される少なくとも１つの半導体を含む、条項１に記載の発光装置。
条項３．マスク領域は、絶縁体と金属から選択された少なくとも１つの材料を含む、条項１または２に記載の発光装置。
条項４．マスク領域は、約５０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の幅を有する、条項１から３のいずれか一項に記載の発光装置。
条項５．マスク領域間の露出部分は、約５０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の幅を有する、条項１から４のいずれか一項に記載の発光装置。
条項６．複数のナノ構造は、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＡｌＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含み、複数のナノ構造の材料は、活性層の材料と異なる、条項１から５のいずれか一項に記載の発光装置。
条項７．ナノ構造は、プリズム、ナノワイヤ、およびメサから選択された三次元形状を有する、条項１から６のいずれか一項に記載の発光装置。
条項８．ナノ構造は、波形にされたリッジである、条項１から７のいずれか一項に記載の発光装置。
条項９．ナノ構造は、六角形のメサである、条項１から８のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１０．ナノ構造は、それらが形成される基板の上表面に対して約４０度から約９０度の範囲の角度を有する少なくとも１つの面を備える、条項１から９のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１１．活性層は、少なくとも１つのＡｌＮ層と、少なくとも１つのＡｌＧａＮ層とを備える多重量子井戸構造である、条項１から１０のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１２．活性層はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎを含み、ｘは０．５から約０．９の範囲である、条項１から１１のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１３．活性層は、約１ｎｍから約２０００ｎｍの範囲の厚さを有する、条項１から１２のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１４．発光装置は、１つまたは複数の発光ダイオードを備え、１つまたは複数の発光ダイオードは、約２００ｎｍから約３５０ｎｍの範囲の波長の放射線を放出するように構成されている、条項１から１３のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１５．ｐドープ層は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、および六方晶窒化ホウ素から選択される少なくとも１つの半導体材料を備え、ｐドープ層の材料は活性層の材料と異なる、条項１から１４のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１６．ｐドープ層は、段階的なドーパント濃度を有する、条項１から１５のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１７．基板はフレキシブル基板である、条項１から１６のいずれか一項に記載の発光装置。
条項１８．ＵＶＣ発光装置を作成する方法であって、方法は、基板上の複数のマスク領域を備えるパターン化された層を形成するステップであって、基板の露出部分はマスク領域間に配置されている、ステップと、
基板の露出部分上およびマスク領域の上に複数のナノ構造をエピタキシャル成長させるステップであって、複数のナノ構造はコア先端を備える、ステップと、複数のナノ構造上に活性層をエピタキシャル成長させるステップであって、活性層は量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含む、ステップと、活性層の上にｐドープ層を堆積させるステップであって、活性層およびｐドープ層の両方とも、コア先端上にエミッタ先端を形成するように複数のナノ構造に共形である、ステップと
を含む、方法。
条項１９．基板は、シリコン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から選択される少なくとも１つの半導体を含む、条項１８に記載の方法。
条項２０．マスク領域は、絶縁体および金属から選択された少なくとも１つの材料を含む、条項１８または１９に記載の方法。
条項２１．複数のナノ構造は、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＡｌＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含み、複数のナノ構造の材料は活性層の材料と異なる、条項１８から２０のいずれか一項に記載の方法。
条項２２．ナノ構造は、プリズム、ナノワイヤ、およびメサから選択された三次元形状を有する、条項１８から２１のいずれか一項に記載の方法。
条項２３．ナノ構造は、波形にされたリッジである、条項１８から２２のいずれか一項に記載の方法。
条項２４．ナノ構造は、それらが形成される基板の上表面に対して約４０度から約９０度の範囲の角度を有する少なくとも１つの面を備える、条項１８から２３のいずれか一項に記載の方法。
条項２５．活性層はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎを含み、ｘは０．５から約０．９の範囲である、条項１８から２４のいずれか一項に記載の方法。
条項２６．活性層は、約１ｎｍから約２０００ｎｍの範囲の厚さを有する、条項１８から２５のいずれか一項に記載の方法。
条項２７．ｐドープ層はｐ型ドーパントを含み、方法は、分極ドーピング技術によってｐ型ドーパントを導入するステップをさらに含む、条項１８から２６のいずれか一項に記載の方法。
条項２８．基板を取り外し、それを第２の基板と交換するステップをさらに含む、条項１８から２７のいずれか一項に記載の方法。
条項２９．表面を消毒する方法であって、方法は、表面を発光装置から放出されるＵＶＣ放射線と接触させるステップであって、発光装置は、基板と、基板上の複数のマスク領域を備えるパターン化された層であって、基板の露出部分がマスク領域間に配置されている、パターン化された層と、基板の露出部分上およびマスク領域の上に配置された複数のナノ構造であって、複数のナノ構造が単結晶半導体であり、コア先端を備える、複数のナノ構造と、複数のナノ構造の上に配置された活性層であって、活性層が量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含む、活性層と、活性層の上に配置されたｐドープ層であって、活性層およびｐドープ層は両方とも、コア先端の上にエミッタ先端を形成するように複数のナノ構造に共形である、ｐドープ層とを備える、ステップを含む、方法。
条項３０．ＵＶＣ放射線は、約２００ｎｍから約３００ｎｍの範囲の波長を有する、条項２９に記載の方法。
条項３１．ＵＶＣ放射線は、約２００ｎｍから２５０ｎｍ未満の範囲の波長を有する、条項２９に記載の方法。
さらに、用語「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「備えている（ｗｉｔｈ）」、またはそれらの変形が、詳細な説明および特許請求の範囲のいずれかで使用される限り、そのような用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様の方法で包括的であることが意図されている。さらに、本明細書の考察および特許請求の範囲において、「約」という用語は、その変更が本明細書に記載された意図される目的に対するプロセスまたは構造の不適合をもたらさない限り、記載された値のプラスマイナス１０％以内を意味するように定義される。さらに、本明細書に開示されるすべての範囲は、そこに含まれるありとあらゆる下位の範囲を包含すると理解されるべきである。
上記に開示された特徴および他の特徴ならびに機能の変形形態、あるいはそれらの代替形態は、他の多くの異なるシステムまたは用途に組み合わせることができることが理解されよう。その中のさまざまな現在では予想外の、または予期されない代替形態、修正形態、変形形態、または改良品が、当業者によってその後に行われる場合もあり、これらも同様に以下の特許請求の範囲によって包含されること意図されている。
１００ 発光装置
１０２ 基板
１０３ パターン化された層
１０４ マスク領域
１０６ 露出部分
１０８ ナノ構造
１０９ 基板の上表面
１１０ コア先端
１１２ 活性層
１１４ ｐドープ層
１１８ エミッタ先端
１２４ メサ
１２６ リッジ
１３０ ナノ構造の上部面
１３２ ｃ軸面

Claims (31)

  1. ＵＶＣ放射線を放出するための発光装置（１００）であって、
    基板（１０２）と、
    前記基板（１０２）上の複数のマスク領域（１０４）を備えるパターン化された層であって、前記基板（１０２）の露出部分（１０６）が前記マスク領域（１０４）間に配置されている、パターン化された層と、
    前記基板（１０２）の前記露出部分（１０６）上および前記マスク領域（１０４）の上に配置された複数のナノ構造（１０８）であって、前記複数のナノ構造（１０８）が単結晶半導体であり、コア先端（１１０）を備える、複数のナノ構造（１０８）と、
    前記複数のナノ構造（１０８）の上に配置された活性層（１１２）であって、前記活性層（１１２）が量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含む、活性層（１１２）と、
    前記活性層（１１２）の上に配置されたｐドープ層であって、前記活性層（１１２）および前記ｐドープ層は両方とも、前記コア先端（１１０）の上にエミッタ先端（１１８）を形成するように前記複数のナノ構造（１０８）に共形である、ｐドープ層と
    を備える、発光装置（１００）。
  2. 前記基板（１０２）は、シリコン、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から選択される少なくとも１つの半導体を含む、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  3. 前記マスク領域（１０４）は、絶縁体および金属から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  4. 前記マスク領域（１０４）は、約５０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の幅を有する、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  5. 前記マスク領域（１０４）間の前記露出部分（１０６）は、約５０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の幅を有する、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  6. 前記複数のナノ構造（１０８）は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含み、前記複数のナノ構造（１０８）の前記材料は、前記活性層（１１２）の前記材料と異なる、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  7. 前記ナノ構造（１０８）は、プリズム、ナノワイヤ、およびメサから選択される三次元形状を有する、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  8. 前記ナノ構造（１０８）は、波形にされたリッジ（１２６）である、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  9. 前記ナノ構造（１０８）は六角形のメサである、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  10. 前記ナノ構造（１０８）は、それらが形成される前記基板（１０２）の上表面に対して約４０度から約９０度の範囲の角度を有する少なくとも１つの面を備える、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  11. 前記活性層（１１２）は、少なくとも１つのＡｌＮ層と、少なくとも１つのＡｌＧａＮ層とを備える多重量子井戸構造である、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  12. 前記活性層（１１２）はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎを含み、ｘは０．５から約０．９の範囲である、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  13. 前記活性層（１１２）は、約１ｎｍから約２０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  14. 前記発光装置（１００）は、１つまたは複数の発光ダイオードを備え、前記１つまたは複数の発光ダイオードは、約２００ｎｍから約３５０ｎｍの範囲の波長を有する放射線を放出するように構成されている、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  15. 前記ｐドープ層は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮおよび六方晶窒化ホウ素から選択される少なくとも１つの半導体材料を含み、前記ｐドープ層の前記材料は前記活性層（１１２）の前記材料と異なる、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  16. 前記ｐドープ層は、段階的なドーパント濃度を有する、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  17. 前記基板（１０２）はフレキシブル基板である、請求項１に記載の発光装置（１００）。
  18. ＵＶＣ発光装置（１００）を作成する方法であって、前記方法は、
    基板（１０２）上に複数のマスク領域（１０４）を備えるパターン化された層を形成するステップであって、前記基板（１０２）の露出部分（１０６）は前記マスク領域（１０４）間に配置されている、ステップと、
    前記基板（１０２）の前記露出部分（１０６）上および前記マスク領域（１０４）の上に複数のナノ構造（１０８）をエピタキシャル成長させるステップであって、前記複数のナノ構造（１０８）はコア先端（１１０）を備える、ステップと、
    前記複数のナノ構造（１０８）の上に活性層（１１２）をエピタキシャル成長させるステップであって、前記活性層（１１２）は量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮおよびＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含む、ステップと、
    前記活性層（１１２）の上にｐドープ層を堆積させるステップであって、前記活性層（１１２）および前記ｐドープ層は両方とも、前記コア先端（１１０）の上にエミッタ先端（１１８）を形成するように前記複数のナノ構造（１０８）に共形である、ステップと
    を含む、方法。
  19. 前記基板（１０２）は、シリコン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から選択される少なくとも１つの半導体を含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記マスク領域（１０４）は、絶縁体および金属から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記複数のナノ構造（１０８）は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮから選択される少なくとも１つの材料を含み、前記複数のナノ構造（１０８）の前記材料は、前記活性層（１１２）の前記材料と異なる、請求項１８に記載の方法。
  22. 前記ナノ構造（１０８）は、プリズム、ナノワイヤ、およびメサから選択される三次元形状を有する、請求項１８に記載の方法。
  23. 前記ナノ構造（１０８）は波形にされたリッジ（１２６）である、請求項１８に記載の方法。
  24. 前記ナノ構造（１０８）は、それらが形成される前記基板（１０２）の上表面に対して約４０度から約９０度の範囲の角度を有する少なくとも１つの面を備える、請求項１８に記載の方法。
  25. 前記活性層（１１２）はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎを含み、ｘは０．５から約０．９の範囲である、請求項１８に記載の方法。
  26. 前記活性層（１１２）は、約１ｎｍから約２０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１８に記載の方法。
  27. 前記ｐドープ層はｐ型ドーパントを含み、前記方法は、分極ドーピング技術によって前記ｐ型ドーパントを導入するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  28. 前記基板（１０２）を除去し、それを第２の基板と交換するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  29. 表面を消毒する方法であって、前記方法は、
    前記表面を発光装置（１００）から放出されるＵＶＣ放射線と接触させるステップであって、前記発光装置（１００）は、
    基板（１０２）と、
    前記基板（１０２）上の複数のマスク領域（１０４）を備えるパターン化された層であって、前記基板（１０２）の露出部分（１０６）が前記マスク領域（１０４）間に配置されている、パターン化された層と、
    前記基板（１０２）の前記露出部分（１０６）上および前記マスク領域（１０４）の上に配置された複数のナノ構造（１０８）であって、前記複数のナノ構造（１０８）が単結晶半導体であり、コア先端（１１０）を備える、複数のナノ構造（１０８）と、
    前記複数のナノ構造（１０８）の上に配置された活性層（１１２）であって、前記活性層（１１２）が量子井戸構造であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、およびＧａＮから選択された少なくとも１つの材料を含む、活性層（１１２）と、
    前記活性層（１１２）の上に配置されたｐドープ層であって、前記活性層（１１２）および前記ｐドープ層は両方とも、前記コア先端（１１０）の上にエミッタ先端（１１８）を形成するように前記複数のナノ構造（１０８）に共形である、ｐドープ層と
    を備える、ステップを含む、方法。
  30. 前記ＵＶＣ放射線は、約２００ｎｍから約３００ｎｍの範囲の波長を有する、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記ＵＶＣ放射線は、約２００ｎｍから２５０ｎｍ未満の範囲の波長を有する、請求項２９に記載の方法。
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