JP2022519737A - シーディングまたは触媒を使わずにパルスレーザー堆積法によって成長させた無転位半導体ナノ構造 - Google Patents

シーディングまたは触媒を使わずにパルスレーザー堆積法によって成長させた無転位半導体ナノ構造 Download PDF

Info

Publication number
JP2022519737A
JP2022519737A JP2021546339A JP2021546339A JP2022519737A JP 2022519737 A JP2022519737 A JP 2022519737A JP 2021546339 A JP2021546339 A JP 2021546339A JP 2021546339 A JP2021546339 A JP 2021546339A JP 2022519737 A JP2022519737 A JP 2022519737A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
layer
substrate
nanowires
single crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021546339A
Other languages
English (en)
Inventor
イマン・サレム・ロカン
ダイファラー・ラヒム・アルマラウィ
Original Assignee
キング・アブドゥッラー・ユニバーシティ・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by キング・アブドゥッラー・ユニバーシティ・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー filed Critical キング・アブドゥッラー・ユニバーシティ・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー
Publication of JP2022519737A publication Critical patent/JP2022519737A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0617—AIII BV compounds, where A is Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/002—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B23/025—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C30B29/406—Gallium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/0029—Processes of manufacture
    • H01G9/0036—Formation of the solid electrolyte layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2004—Light-sensitive devices characterised by the electrolyte, e.g. comprising an organic electrolyte
    • H01G9/2009—Solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02376—Carbon, e.g. diamond-like carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02387—Group 13/15 materials
    • H01L21/02389—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02417—Chalcogenide semiconducting materials not being oxides, e.g. ternary compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/02433—Crystal orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02502—Layer structure consisting of two layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02513—Microstructure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02598—Microstructure monocrystalline
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02603—Nanowires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03044—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds comprising a nitride compounds, e.g. GaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035227—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum wires, or nanorods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1856—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising nitride compounds, e.g. GaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/08—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a plurality of light emitting regions, e.g. laterally discontinuous light emitting layer or photoluminescent region integrated within the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/16—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H01L33/18—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous within the light emitting region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/24—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor
    • H01L33/42—Transparent materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H10K30/35—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles
    • H10K30/352—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles the inorganic nanostructures being nanotubes or nanowires, e.g. CdTe nanotubes in P3HT polymer
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/50—Organic perovskites; Hybrid organic-inorganic perovskites [HOIP], e.g. CH3NH3PbI3
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0008—Processes
    • H01L2933/0016—Processes relating to electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

半導体ナノ構造を基板上に形成するための方法がある。この方法は、基板（１０５）および半導体材料（１１０）をパルスレーザー堆積チャンバー（１１５）内に置くステップ（１３００）と、レーザービーム（１２０）のフルエンス、チャンバー（１１５）内の圧力Ｐ、基板（１０５）の温度Ｔ、半導体材料（１１０）と基板（１０５）との間の距離ｄ、およびストランスキー・クラスタノフ核生成の条件が生成されるようにチャンバー（１１５）内に置かれるべきガス（１１３）のガス分子直径ａ０を含むパラメータを選択するステップ（１３０２）と、選択されたフルエンスを有するレーザービーム（１２０）を半導体材料（１１０）に印加して半導体材料（１１０）のプルームを形成するステップ（１３０４）とを含む。選択されたパラメータは、プルームから、（１）基板（１０５）を覆うナノ層（３０７）、（２）ナノ層（３０７）の上の多結晶濡れ層（３０９）、および（３）多結晶濡れ層（３０９）の上の単結晶ナノフィーチャ（３１５）の形成を決定し、単結晶ナノフィーチャ（３１５）は、触媒またはシーディング層なしで成長させられる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年２月１０日に出願され、「ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ ＯＦ ＧＡＮ ＡＮＤ ＯＴＨＥＲ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＮＡＮＯＷＩＲＥＳ／ＮＡＮＯＴＵＢＥＳ／ＮＡＮＯＲＯＤＳ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＩＮＶＯＬＶＩＮＧ ＡＢＬＡＴＩＮＧ ＴＡＲＧＥＴ ＣＯＭＰＲＩＳＩＮＧ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ ＷＩＴＨ ＬＡＳＥＲ」と題された米国仮特許出願第６２／８０３，５１５号、および２０１９年１２月１７日に出願され、「ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ－ＦＲＥＥ ＳＥＬＦ－ＡＳＳＥＭＢＬＹ ＧＡＮ ＮＡＮＯＷＩＲＥＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＢＵＬＫ ＡＮＤ ２Ｄ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ ＦＯＲ ＨＩＧＨ－ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ ＵＶ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された米国仮特許出願第６２／９４８，９９８号の優先権を主張し、これらの米国仮特許出願の開示内容は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれている。
開示されている主題の実施形態は、一般に、ナノワイヤまたはナノロッドまたはナノチューブとしてのナノフィーチャ（ｎａｎｏｆｅａｔｕｒｅｓ）を有する半導体デバイスに関し、これらは、シードまたは触媒を使用せずにパルスレーザー堆積法を用いて基板上に成長させられ、これにより、基板とナノフィーチャとの間の格子不整合効果が排除される。ナノフィーチャと基板との界面において転位は観察されない。さらに、実施形態のうちのいくつかは、高効率紫外線発光を有する半導体ベースのデバイスに関する。
アルミニウム、ホウ素、ガリウム、およびインジウムを含む、ＩＩＩ族元素は、オプトエレクトロニクスデバイス（たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオードなど）、および過酷な環境でのセンシング、治療、および産業用途に使用される高出力および／または高周波電力デバイスを含む、様々な半導体デバイスに特に有用であると考えられている。これらのＩＩＩ族元素は、典型的には、ＩＩＩ族化合物（ＩＩＩ族酸化物またはＩＩＩ族窒化物）の形で半導体デバイスに組み込まれる。基板上に、ナノ構造、薄膜などの、高品質のＩＩＩ族酸化物構造を形成するための技術はしばらく前から知られていた。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物構造、特にナノ構造を基板上に形成するための現在の技術では、典型的には、高品質のＩＩＩ族窒化物構造を生産しないか、または法外な費用がかかる。
結果としてＩＩＩ族窒化物構造内に貫通転位（ＴＤ）を引き起こす、基板とＩＩＩ族窒化物構造との間の格子不整合は、基板上に低品質のＩＩＩ族窒化物構造を形成する主な原因である。実際、異なる基板上に形成された半導体は、基板と成長材料の間に格子不整合を示す。これらの転位は、主に、基板を作る材料とナノ構造を作る材料との間の格子不整合に起因する。歪みは、ＩＩＩ族窒化物と格子サイズが似ている基板を採用することによって対処され得るけれども、これらの基板は、典型的には、高価であるため、これらのタイプのデバイスは研究領域に限定され、したがってそのようなデバイスは経済的に製品化され得ない。たとえば、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム構造を形成することで、基板およびナノ構造が両方とも同じ格子を有していることから、これらの層の間の転位が実質的に排除され、したがって、有意な貫通転位が示されず、その上、窒化ガリウム基板は極めて高価である。
ＩＩＩ族窒化物基板の高コストにより、大量生産および大規模用途のためのシリコン基板など、より費用対効果の高い基板上にＩＩＩ族窒化物構造を形成するための他の技術が追求されてきた。この点に関して、ＩＩＩ族窒化物および他の何らかの半導体の成長は、それらとの大きな格子不整合を有する基板に依存し、それが転位を引き起こすことが知られている。天然基板は、大規模用途には使用できない。天然ＧａＮまたはＡｌＮ基板の価格は非常に高く（１インチの基板ウェハの価格は５，０００～８，０００米ドル）、その成長技術もまた高価であり、それには費用のかかるメンテナンスが必要である。したがって、天然基板では、大量生産または大規模用途を実施することは可能でない。そういうわけで、多くの企業がＳｉまたはサファイア基板上に半導体を成長させようと四苦八苦している。最も一般的な技術のうちの２つでは、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム／窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮまたは任意のＩＩＩ族窒化物系の多重量子井戸（ＭＱＷ）およびガリウムナイトライド（ＧａＮ）ナノワイヤ（ＮＷ）構造に焦点を当てており、これらは有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）および分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）を使用して形成され、これらは、技術それ自体が高価であるだけでなく、成長に使用するＩＩＩ族原材料が高価であるので、コストがかかる。このような高価な技術を用いても、シリコン基板などの一般に使用される基板上に高品質なＩＩＩ族窒化物構造を形成することは困難である。さらに、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法は高価であり、天然基板は大規模生産および大量生産には適さない。
ＭＯＣＶＤおよびＭＢＥ法は、また、典型的には、最初に基板上に堆積されるべきシーディング／プレテクスチャー層（ｐｒｅ－ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｌａｙｅｒ）または金属触媒を使用し、続いてシーディング層上に直接的にナノ構造を形成することを必要とする。シーディング層または金属触媒の目的は、ナノフィーチャ（たとえば、ナノワイヤまたはナノロッド）の成長を円滑にし、基板の格子とナノ構造の格子との間に存在する大きな不整合を減少させることである（たとえば、シーディング層または金属触媒は、基板の格子定数とナノ構造の格子定数との間の格子定数を有するように選択されるか、または特定の成長メカニズムを促進するために所望の表面エネルギーレベルを有するように選択される）。しかしながら、シーディング層または金属触媒を使用する一般的な欠点は、金属シーディング層または触媒が光に対して不透明であるのでナノ構造から基板またはその逆への光の透過が悪影響を受けることである。窒化ガリウムのナノワイヤを形成するために最もよく使用されている金属触媒は、金（Ａｕ）およびニッケル（Ｎｉ）である。しかしながら、これらの金属触媒は、これらの金属が放出された紫外線（ＵＶ）を吸収するので結果として得られる半導体デバイス内の汚染物質として作用し、基板とＩＩＩ族窒化物構造の間の歪みによる減少以上にデバイスの効率をさらに低下させる。
基板上に歪みが低減されたナノ構造を形成するための他の技術は、リフトオフデバイスの犠牲層として働く２次元（２Ｄ）基板（たとえば、グラフェン）の使用を伴うものである。しかしながら、実用上の観点からは、製造されたデバイスの破損率が高いので、リフトオフプロセスは非常に非効率である。
加えて、これらの技術／方法はすべて、非常に高価であり、どの技術も紫外線領域（λ＜３６５ｎｍ）において基板上のＩＩＩ族窒化物ナノワイヤを含む半導体デバイスの効率を改善することができず、これらの技術はいずれも貫通転位のないＩＩＩ族窒化物ナノワイヤを生成しない。
さらに、これらの技術は、半導体材料の小さなクラスにのみ適用可能であり、半導体材料がいったん選択されると、選択された半導体材料が堆積され得る基板のクラスは、これらの方法の詳細によりさらに小さくなる。
米国特許出願公開第２０１８／０２２２７６６（Ａ１）号
したがって、大規模生産に好適であり得る、任意の半導体ナノ構造（たとえば、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブなど）を考え得る基板のほとんどに形成し、紫外線領域における形成されたデバイスの効率を既存のデバイス以上に改善し、貫通転位のないナノ構造を生産するための、システムおよび方法が必要である。
一実施形態によれば、半導体ナノ構造を基板上に形成するための方法がある。この方法は、基板および半導体材料をパルスレーザー堆積チャンバー内に置くステップと、レーザービームのフルエンス、チャンバー内の圧力Ｐ、基板の温度Ｔ、半導体材料と基板との間の距離ｄ、およびストランスキー・クラスタノフ核生成の条件が生成されるようにチャンバー内に置かれるべきガスのガス分子直径ａ０を含むパラメータを選択するステップと、選択されたフルエンスを有するレーザービームを半導体材料に印加して半導体材料のプルームを形成するステップとを含む。選択されたパラメータは、プルームから、（１）基板を覆うナノ層、（２）ナノ層の上の多結晶濡れ層、および（３）多結晶濡れ層の上の単結晶ナノフィーチャの形成を決定する。単結晶ナノフィーチャは、触媒またはシーディング層なしで成長させられる。
別の実施形態によれば、基板と、基板上に直接形成されたナノ層と、ナノ層上に配置されている半導体、多結晶、濡れ層と、半導体、多結晶、濡れ層上に直接配置されている半導体、単結晶ナノワイヤとを含む半導体デバイスがある。半導体、単結晶ナノワイヤには、貫通転位がない。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成す、添付の図面は、１つまたは複数の実施形態を例示しており、説明と併せて、これらの実施形態を説明する。図面において：
基板上にナノフィーチャを形成するために使用されるパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）チャンバーの概略図である。 ナノフィーチャを有する半導体デバイスを形成するための方法の流れ図である。 ＰＬＤ法で半導体デバイスを形成する際の様々な状態を例示する図である。 ＰＬＤ法で半導体デバイスを形成する際の様々な状態を例示する図である。 ＰＬＤ法で半導体デバイスを形成する際の様々な状態を例示する図である。 様々な異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 様々な異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 様々な異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 様々な異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 様々な異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 様々な異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 様々な異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 様々な基板上に成長させたＧａＮナノワイヤにより生成された粉末Ｘ線回折パターンを例示する図である。 様々な２Ｄ基板上に成長させたナノワイヤのラマンスペクトルを例示する図である。 ＭＸｅｎｅ基板上に成長させたナノワイヤサンプルに対する粉末Ｘ線回折マップおよび対応する走査型透過電子顕微鏡画像のプロファイルを例示する図である。 ＭｏＳ２基板上に成長させたナノワイヤサンプルに対する粉末Ｘ線回折マップおよび対応する走査型透過電子顕微鏡画像のプロファイルを例示する図である。 様々な基板上に成長させたＧａＮナノワイヤのフォトルミネッセンスの結果を示す図である。 半導体ナノワイヤベースの光検出器の概略図である。 図５Ａに例示されている光検出器のエネルギーバンド図である。 別の半導体ナノワイヤベースの光検出器の概略図である。 図９Ａに例示されている光検出器のエネルギーバンド図である。 ペロブスカイト層のみに基づく光検出器の吸光度を例示する図である。 ペロブスカイトの層に基づくが、図３に示されているように作られた半導体ナノワイヤも含むハイブリッド光検出器の吸光度を例示する図である。 半導体ナノワイヤベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略図である。 様々な半導体ナノワイヤベースのレーザーデバイス（縦型または横型デバイスを含む）を例示する図である。 様々な半導体ナノワイヤベースのレーザーデバイス（縦型または横型デバイスを含む）を例示する図である。 様々な半導体ナノワイヤベースのレーザーデバイス（縦型または横型デバイスを含む）を例示する図である。 パルスレーザー堆積法により半導体ナノフィーチャを成長させることに基づいて上述のデバイスのいずれかを作るための方法のフローチャートである。
実施形態の次の説明では、添付図面を参照する。異なる図面中の同じ参照番号は、同じまたは類似の要素を示す。次の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、付属の請求項によって定義される。次の実施形態は、簡単のため、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤを有するＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの用語および構造に関して説明されている。しかしながら、当業者であれば、本開示を読んだ後、本明細書において説明されている新規性のあるプロセスが、任意の半導体デバイス、たとえば、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮのようなＩＩＩ－Ｖ族またはＩＩ－ＶＩ族の任意の二元化合物、ＳｉまたはＧｅのような周期表の第１４族からの純粋な元素、およびＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮのようないくつかの三元化合物、酸化物、または合金に適用可能であることを理解するであろう。さらに、本明細書において説明されるように、この新規性のある方法は、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、ナノピラミッド、および／もしくはナノディスク、ならびに／またはこれらのナノ構造上に形成され得る量子井戸を有する様々な光学および／または半導体デバイスの製造に適用され得る。
本明細書全体を通して「一実施形態」または「実施形態」と記述されている場合、これは、実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造、または特性が、開示されている主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一実施形態では」または「実施形態では」という語句が本明細書全体の様々な箇所に記載されていても、必ずしも同じ実施形態を指しているとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、好適な任意の方式で１つまたは複数の実施形態に組み合わせられ得る。
図１に例示されている実施形態により、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを形成することに関して、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）を使用する新規性のある方法が説明されている。しかしながら、上で述べたように、この方法は、任意の種類の半導体材料に適用することができ、多くの可能な基板上に、光学的もしくは電気光学的デバイスもしくはセンサー、フォトニクスデバイスもしくはセンサー、スピントロニクスデバイスもしくはセンサー、磁性半導体デバイスもしくはセンサー、光起電力デバイスもしくはセンサー、または電子デバイスもしくはセンサーを形成することができる。この方法の特徴は、半導体材料を基板上のナノ構造中に成長させるためにシーディング層または触媒が使用されないことである。言い換えると、本明細書において説明されている方法は、シーイング材料（ｓｅｅｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）を堆積するために基板を事前処理することなく選択された基板上に直接半導体材料を形成することができる。ＳｉまたはＧａＮ基板上に半導体ナノワイヤを堆積する既存の方法は、ナノワイヤの格子定数と基板の格子定数との間の不整合が低減され、ＮＷ成長を円滑にするように最初に金（Ａｕ）の層で基板をコーティングすることに留意されたい。
しかしながら、このような方法は、なおも基板とナノワイヤとの間の多くの貫通転位に直面し、最終製品の品質を低下させる。既存のＰＬＤ法を損なうこれらの問題は、図１の方法では堆積チャンバー内でシーディング層または金属触媒を使用しないことで解決される。次に、この方法は、図１および図２に関して説明される。図１は、基板１０５（たとえば、Ｓｉ、ＧａＮ、サファイア、Ｇａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭＸｅｎｅ、グラフェン、遷移金属二カルコゲン化物（ＴＭＤＣ）、いくつか例を挙げるとＭｏＳ２、ＷＳｅ２など）およびターゲット１１０（たとえば、ＩＩＩ族窒化物材料）が、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）チャンバー１１５内に互いから距離ｄにおいて配置されている様子を示している。この距離ｄは、後で説明されているように調整可能であるが、それにもかかわらず、この実施形態では、数センチメートルから数十センチメートルのオーダーである。加熱装置１０７がチャンバー１１５内に設けられてもよく、これはたとえば基板を所望の温度Ｔに加熱するために図１に示されているように基板１０５に取り付けられる。加熱装置１０７は、コンピューティングデバイス１１８によって制御される。基板１０５は、商業生産および大規模用途に典型的に使用される４’’ウェハであってよい。一用途では、同じチャンバー１１５内に置かれた複数の４’’ウェハ上にナノ構造を同時に成長させることが可能である。
チャンバー１１５は、空気の大部分が除去されるように真空引きされる。ガス１１２（たとえば、成長させられるべき半導体内に見出される成分を含むガス）が、チャンバーに流体的に接続されているガス源１１４、たとえばガスタンクから、チャンバー１１５内に導入される。弁１１６は、チャンバー１１５内のガス１１２の量を制御するために、たとえばコンピューティングデバイス１１８によって調整され得る。基板１０５上に成長させるべきナノ構造がＧａＮである場合、ガス１１２は、Ｎとして選択される。他のガスも使用され得ることに留意されたい。
レーザービーム１２０が、チャンバー１１５の壁内に形成されているレーザー透過窓１２２を通して、ＩＩＩ族窒化物ターゲット１１０に照射され、ＩＩＩ族窒化物材料のプルーム１２５を形成する。レーザービーム１２０は、コンピューティングデバイス１１８によって制御される、レーザー１２４により生成される。コンピューティングデバイス１１８は、単位面積上にレーザービームによって与えられるエネルギー、すなわちフルエンス、レーザーのパルス周波数ｆｐ、パルスの長さ、およびこのプロセスの間にレーザーがオンにされる総時間を選択するように構成される。これらのパラメータは、後で詳細に説明される。
次に、図２および図３Ａ～図３Ｃを参照すると、方法は、ステップ２００において、レーザー１２４のフルエンスおよびパルス周波数、チャンバー１１５内のターゲットと基板との間の距離ｄ、チャンバー内の温度Ｔ、ガス１１２の圧力ｐ、およびガス１１２の種類を選択することから始まる。これらの条件に基づき、コンピューティングデバイス１１８は、ステップ２０２において、選択されたパラメータをＰＬＤチャンバー１１５およびレーザー１２４に適用し、成長プロセスが開始する。選択された後、これらの条件は、ステップ２０４において、プロセス全体を通して一定に維持され、したがって、この方法は、シングルステップＰＬＤ法である。次に、ステップ２０６において、ナノ構造は、ナノ構造の所望の高さが得られるまで基板の上に成長させられる。
図３Ａに例示されているように、プルーム１２５からの原子（ＩＩＩ族窒化物半導体材料がＧａＮである場合、ＧａおよびＮ原子）ならびにガス１１２からの原子（たとえば、Ｎ原子）は、ターゲット１０５の露出された表面に付着し始め、主にプルームの原子から形成される初期層３０５を形成する。しかしながら、チャンバー内に残っている不純物、たとえば酸素（Ｏ）原子１１３も基板１０５上に堆積され、初期層３０５の形成に寄与する。他の不純物、たとえばＨまたは／およびＣも存在する可能性があり、したがって、それらは初期層３０５に堆積されている。しかしながら、ナノ構造が形成されるときのＵＶ吸収を防ぐために、チャンバー１１５内に金属不純物が存在しているべきでない。チャンバー１１５内の温度Ｔが加熱装置１０７によって一定に維持されると、初期層３０５の一部となった不純物１１３は、基板１０５に向かって移動を開始し、Ｇａ原子およびＮ原子から分離して、基板１０５に直接接触するｉｎ－ｓｉｔｕナノ層３０７を形成する。不純物原子１１３の量は非常に少ないので、この層の厚さｔは１から２ｎｍの範囲内であり（一般的には１０ｎｍより小さい）、そのような理由から、この層はナノ層または２Ｄ層とも呼ばれる。一実施形態において、ナノ層３０７は２Ｄ層であり、酸化物を含む。
それと同時に、初期層３０５は、不純物１１３が基板１０５に向かって移動しているので変化しており、この層は、本明細書では濡れ層と呼ばれるＧａＮ多結晶層３０９を含む。これらのプロセスは、これらの層の各々表面エネルギーによって次のように制御される。一実施形態において、ＰＬＤチャンバー１１５内の条件およびレーザー動作条件は、基板１０５の表面エネルギーが、基板１０５上に堆積されているターゲット材料１１０の表面エネルギーと、基板１０５と基板１０５上に堆積されている材料との間の界面エネルギーとの合計に実質的に等しくなるように選択される。このエネルギー収支の結果として、図３Ａに例示されているように、連続層３０５が形成される。
しかしながら、ＰＬＤプロセスが継続し、不純物原子１１３が基板１０５の方へ移動し、ｉｎ ｓｉｔｕ界面ナノ層３０７を形成すると、多結晶層３０９の表面エネルギーが変化し、したがって、ストランスキー・クラスタノフ（ＳＫ）核生成が開始される、すなわち、現在は層３０９である、基板の表面エネルギー（γｓ）が、成長核生成の表面エネルギー（γｎ）と、新しい基板とナノワイヤの成長するアイランドの間の界面エネルギー（γｉ）の合計よりも大きいときに開始される。これは、初期層３０５堆積の初期段階を支配するフランク・ファンデルメルヴェ成長様式とは対照的である。ＳＫ核生成が開始された後、上で説明されているチャンバーおよびレーザーの初期条件の下で、濡れ層３０９上の成長は、ナノワイヤ形成に対して有利になり、その結果、ナノ構造（この場合はナノワイヤ）３１５の形成が生じる。図３Ａから図３Ｃに示されている層は縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。
ナノワイヤの分析結果（これについては後述する）は、濡れ層３０９は多結晶であるが、ナノワイヤは単結晶構造であることを示している。ストランスキー・クラスタノフ核形成を達成することによって、成長因子は、貫通転位のないナノワイヤ形成に有利である。ナノワイヤが図１に例示されている方法で作られた結果、１００と２００ｎｍの間の直径を有する１～３μｍの高さのワイヤが形成された。
大きなウェハ基板にわたってＧａＮナノワイヤ（ＮＷ）成長の均一性を評価するために、この手順は工業規模の生産に適していると考えられるので、高品質の垂直配向ＧａＮ ＮＷが４’’ Ｓｉ基板上に得られ、ＧａＮ ＮＷの分布が品質を損なうことなく均一に保たれていることを確認した。欠陥バンドを有しない狭い幅の発光の確証的なＰＬスペクトルが得られ、多数の可能な基板にわたって高品質の材料であることが実証された。したがって、この費用対効果の高い方法は、１つのターゲットから複数の４’’基板が形成され得るので、高品質半導体ＮＷに基づく広範な用途に適している。得られたＮＷがこのように高品質であることは、ｉｎ－ｓｉｔｕナノ層３０７、および多結晶層３０９の形成によるものと考えられ、これらは両方とも、基板の格子定数のサイズを半導体材料の格子定数に滑らかに遷移させる効果を有する。これら２つの層は、ターゲット半導体がレーザービームによってアブレーションされている間に形成されるので、任意の基板上に任意の半導体ＮＷが形成されてもよいが、それというのもこれらの２つの層が選択された基板から選択されたＮＷ材料への格子定数の滑らかな遷移を確実にするからである。
次に、方法のステップ２００で選択されたパラメータが、Ｓｉ基板上に形成されたＧａＮの特定の例について説明される。当業者であれば、半導体材料または基板またはその両方が変更された場合、本明細書において説明されている方法は依然として適用可能であるが、いくつかのパラメータ変更を伴うこと、たとえば、温度が半導体デバイスの融点温度付近になるように調整されることを理解するであろう。
方法のステップ２００で述べられているパラメータの選択は、多結晶濡れ層３０９の初期フランク・ファンデルメルヴェ成長様式を達成し、続いて濡れ層３０９上でＳＫ核生成を行い、単結晶ＮＷ３１５を成長させることに基づく。多結晶層は、様々な欠陥（または結晶粒境界）によって分離される複数の結晶子を含むと本明細書では理解され、一方、単結晶材料は、いかなる欠陥または結晶粒境界も含まない、すなわち、単一の結晶構造を有すると理解される。選択されたパラメータを一定に維持しながらこれらの２つの成長メカニズムをシングルステップＰＬＤ堆積で連続的に達成するために、アブレーションプロセスの結果として、ターゲット１０５に達したときの種を特徴付ける種エネルギーＥは、式
Figure 2022519737000002
を使用して定義され得、
Ｅは、単一の種（たとえば、プルームからのＧａ、またはＮ、またはＯ）のエネルギーを表し、このエネルギーによりその種はアブレーションプロセスに続いてターゲット１０５に到達し、Ｅ０は、ターゲット表面から出てくるプルーム中の荷電種の初期エネルギーを表し、ｄは、ターゲット１１０と基板１０５との間の距離であり、λは、ＰＬＤチャンバー１１５内で基板１０５の方へ移動するアブレーションされた種（プラズマプルーム内）の平均自由行程であり、これはチャンバー内の成長温度（Ｔ）およびガス圧力（ｐ）に依存する。種の平均自由行程は、式
Figure 2022519737000003
を使用して計算され得、
ａ０は、気体分子の直径を表し、ｋは、ボルツマン定数である。したがって、式（２）が式（１）の中に代入されると、種エネルギーＥについて式
Figure 2022519737000004
が得られる。
この式は、ステップ２００において、形成されることが望まれている構造、たとえば、１Ｄ、２Ｄ、または薄膜構造に基づき、種エネルギーを選択するために使用される。この関係に基づき、最適化された圧力ｐが選択され、この場合、これはターゲットと基板との間の距離ｄ＝７～９ｃｍに対する窒素圧力（ｐＮ２）≧１５０ｍＴｏｒｒに対応する。また、最適化された初期種エネルギーＥ０（０．９～１Ｊ／ｃｍ２のレーザーフルエンスに相当する）も選択され、アブレーションされた種は窒素分子との多数回の衝突により高い散乱を受ける（式（３）の中のａ０で表される）。種のエネルギーＥが低エネルギーとなるように選択された場合、そのようなエネルギーを有する種のみが基板１０５上にランディングするので、ストランスキー・クラスタノフ核生成は、ナノワイヤ形成に対して達成され、それにより、基板の種類および成長材料との格子不整合があるにもかかわらず、触媒またはシーディングなしで所望のナノフィーチャ（たとえば、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ）の成長が引き起こされる。この点に関して、式（３）から、種エネルギーＥは、ナノワイヤを形成するために使用される基板の種類に依存しないことが観察されており、これは本明細書において提示されている発見によって確認される。
この結論を確認するために、窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノワイヤが、シリコン基板、窒化ガリウム基板、サファイア基板、酸化ガリウム基板、酸化亜鉛基板、ＭＸｅｎｅ基板、グラフェン基板、二硫化モリブデン基板（ＭｏＳ２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ２）、および他のバルク（３Ｄ）および２Ｄ基板を含む、異なる導電体、絶縁体、透明および不透明（ドープまたは非ドープ）の基板上に成長させられた。以下の説明から明らかになるように、これらは半導体ナノワイヤを成長させるために使用できる基板の種類の単なる例に過ぎず、基板はどのようなものでも使用可能である。同様に、窒化ガリウムナノワイヤの例は、すでに説明されているように、アルミニウム、ホウ素、インジウム、および他の種類の半導体を含む、他のＩＩＩ族元素にも等しく適用可能である。
ナノワイヤの成長は、一実施形態において、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を備えるＰｉｏｎｅｅｒ ２４０ ＰＬＤシステム（Ｎｅｏｃｅｒａ）を使用して直径２．５ｃｍの市販のＧａＮターゲット（純度９９．９５％）をアブレーションすることによって達成された。ＮＷを成長させるために使用された異なる基板は、片面研磨ｐ型Ｓｉ（１００）、単層グラフェン／９０ｎｍ ＳｉＯ２／高（１００）ｐ型ドープＳｉウェハ、ａ－およびｃ－サファイア上に成長させたドープ窒化ガリウム層、ｃ－サファイア、ドープおよび非ドープ酸化ガリウム、酸化亜鉛、スプレーコーティングによってガラス上に堆積された粒径～４０μｍのＴｉ３Ｃ２ ＭＸｅｎｅ、ならびに２Ｄ遷移金属二カルコゲン化物（ＴＭＤ）（ＭｏＳ２およびＷＳｅ２）基板である。２Ｄ ＴＭＤ基板以外の基板は、すべて商業チャネルを通じて入手した。２Ｄ ＴＭＤＣ基板については、高品質単層遷移金属二カルコゲン化物は、サファイア基板上で、高温壁炉内で典型的な化学気相成長法（ＣＶＤ）によって合成された。高純度三酸化タングステン（ＷＯ３）（たとえば、９９．９％）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）（たとえば、９９．５％）、セレン（Ｓｅ）（たとえば、９９．９９％）、および硫黄（Ｓ）（たとえば、９９．５％）の粉末が前駆体として使用された。ＷＳｅ２およびＭｏＳ２に対する成長温度は、それぞれ、９００℃および８００℃であった。ＭｏＳ２およびＷＳｅ２の成長に対しては、それぞれ、アルゴン（Ａｒ）およびアルゴン／水素（Ａｒ／Ｈ２）の流動気体がキャリアガスとして使用された。成長はすべて、低圧（１０～４０Ｔｏｒｒ）で実行された。
異なる基板（ｐ－Ｓｉおよびグラフェン）上に窒化ガリウムナノワイヤを成長させるために、ターゲットがレーザービームを照射され、以下のＴａｂｌｅ １（表１）内のパルスレーザー堆積条件の下で基板の方へ種がアブレーションされた。
Figure 2022519737000005
他の基板については、これらの条件は、しかるべく調整される必要がある。たとえば、ＧａＮ ＮＷがＧａＮ基板またはサファイア上で成長させられる場合（ｃ方向およびａ方向の両方で）、Ｔａｂｌｅ ２（表２）に示されている条件が使用される。
Figure 2022519737000006
Ｔａｂｌｅ １（表１）およびＴａｂｌｅ ２（表２）に提示されている両方の例では、レーザーパルスは、１０Ｈｚの周波数で照射され得る。当業者であれば、これらの条件のいずれかを２つの表に提示されている値に関して２０から３０％変化させることによって、それでも、本明細書において説明されている高品質ナノフィーチャを得ることができるであろうことを理解するであろう。
異なる基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像が、図４Ａ～図４Ｇに例示されている。特に、図４Ａは、シリコン基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤを例示しており、図４Ｂは、窒化ガリウム基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤを例示しており、図４Ｃは、サファイア基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤを例示しており、図４Ｄは、ＭＸｅｎｅ基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤを例示しており、図４Ｅは、グラフェン基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤを例示しており、図４Ｆは、二硫化モリブデン基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤを例示しており、図４Ｇは、二セレン化タングステン基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤを例示している。ＭＸｅｎｅ、グラフェン、二硫化モリブデン基板、および二セレン化タングステンなどの二次元基板上にＰＬＤで窒化ガリウムナノワイヤが成長させられていることは、今回が初めてだと思われる。したがって、ナノワイヤの半導体と基板との間の格子不整合にかかわらず、ストランスキー・クラスタノフ核生成を達成するために、式（３）に基づきパルスレーザー堆積条件を選択することによって、垂直自己組織化、無貫通転位、半導体ナノワイヤが、シングルステップパルスレーザー堆積プロセスを使用して達成された。
また、テストの結果、ナノワイヤの直径および長さは、パルスレーザー堆積条件を調整すること、たとえば、レーザー１２４のパルス数を制御することによってチューニングされ得ることが明らかになった。パルス数が増えるにつれ、ナノワイヤの長さおよび直径も大きくなる。具体的には、テストの結果、ｐ型シリコン基板上に２つの異なる種類の窒化ガリウムナノワイヤを成長させることが可能であることがわかった。第１の種類は、約９００ｎｍの長さ、および１２６から１６０ｎｍの範囲内の直径を有し、第２の種類は、２．９μｍの長さおよび３１０から３６０ｎｍの範囲内の直径を有していた。ＮＷの品質は、パルス数の変化の影響を受けなかった。
上で説明されている様々な基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤは、様々な評価を受けた。構造特性の評価では、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、高分解能粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）、ラマン測定法を採用した。エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）分光法が、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）装置で実行され、ナノワイヤの組成を決定した。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）ラメラも調べられた。
図５Ａは、すべての基板上に成長させたＧａＮ ＮＷｓの結晶構造を示している。これらのＸＲＤスペクトルは、３２．６°、３４．６°、３６．９°、５７．８°、６３．５°においてＧａＮピークを示しており、これらは、それぞれ、ＧａＮの（１００）、（００２）、（１０１）、（１１０）、（１０３）面に割り当てられており、したがって、六方晶系ウルツ鉱構造を確認した（ＩＣＤＤ ５０－０７９２）。しかしながら、（００２）面は支配的ピークであり、単結晶ＮＷに由来するが、他のピークはＮＷと基板との間に形成される濡れ層（ＷＬ）によって生じる。グラフェン、ＭｏＳ２、およびＷＳｅ２の単層は検出するには極薄であるので、対応するピークは、ＸＲＤスペクトルから識別することができない。これらの発見は、圧縮歪みによりＮＷの直径が小さくなるにつれ（００２）ピークがより大きい角度にシフトすることをさらに示しており、これは以前の研究で得られた結果と一致している。
図５Ｂは、２Ｄ基板上に成長させたＧａＮ ＮＷのラマンスペクトルを示しており、これはＧａＮに対応する典型的なラマンピーク（１４２、２５８、４２１、５６５および７２４ｃｍ－１に位置する）が、ＮＷ構造により生じる歪みによりバルク基板と比較してわずかなシフトで得られることを明らかにしており、これはＮＷ直径にも依存する。グラフェンのラマンピークは１３６６ｃｍ－１（Ｄ）および１６００ｃｍ－１（Ｇ）で観察され、ＭＸｅｎｅのピークは１３８６ｃｍ－１および１５９０ｃｍ－１で観察されている。ＴＭＤ基板上に成長させたＮＷについては、３８０ｃｍ－１（Ｅ２ｇ）および４０３ｃｍ－１（Ａ１ｇ）におけるＭｏＳ２のラマンピークが図示されており、ＷＳｅ２（Ａ１ｇ）のピークは～２４６．５ｃｍ－１において図示されている。ＧａＮ ＮＷ成長前後に得られた２Ｄ基板のラマンスペクトルにおける有意な差は、文献および裸ＭｏＳ２およびＷＳｅ２のラマンスペクトルと比較したときに観察されず、したがって、初期２Ｄ基板結晶性が十分に維持されていること、またＧａＮ成長温度が２Ｄ材料の性質に影響を与えないことを示している。しかしながら、わずかなシフトが観察されており、これはヘテロ構造形成による２Ｄ結合長の変化に関連付けられている。
材料光学特性は、３２５ｎｍの連続波（ＣＷ）Ｈｅ－Ｃｄレーザーを使用することによって５Ｋおよび室温におけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定によって調べられたが、データを収集するために、電荷結合素子カメラに接続されている分光器が使用された。残響時間（ＲＴ）吸収測定が、ＵＶ分光光度計を使用して実行され、それにより、サンプルに起因する可能性のある吸収限界を識別した。１０Ｋおよび室温（２９０Ｋ）でのパルス電力依存フォトルミネッセンス（ＰＤＰＬ）測定は、２６６ｎｍレーザーを使用して実行され、得られたフォトルミネッセンス放射信号は、取得時間を３０回の積分に対して５００ｍｓに固定して高感度分光計によって検出された。閉サイクル低温保持装置が、低温フォトルミネッセンス測定に使用された。残響時間カソードルミネッセンス（ＲＴ ＣＬ）ハイパースペクトルイメージングが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）内の特注の捕捉システムを使用し、５ｋＶおよび１００ｍｓ／ピクセルの捕捉時間を使用して実行された。
すべての基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤに関する広範な走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分光法の測定が実行され、これにより成長メカニズムの理解が進んだ。ＳＴＥＭ画像は、厚さ～２００ｎｍの多結晶窒化ガリウム濡れ層が、シリコン（１００）およびサファイア基板上にそれぞれ成長させた窒化ガリウムナノワイヤの下に形成されていることを示していた。興味深いことに、窒化ガリウムナノワイヤと基板との間の界面から、ワンステップパルスレーザー堆積成長中に、厚さが均一な約２ｎｍのｉｎ ｓｉｔｕナノ層が基板より上に形成されていることが明らかになった。このナノ層は、すべての基板に対して、濡れ層を成長させるのを助ける触媒層として働き、ストランスキー・クラスタノフ核生成法を介したナノワイヤ成長を円滑にする。界面ナノ層の均一性は、均一な窒化ガリウムナノワイヤの形成を助ける。対照的に、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤを形成するための以前のパルスレーザー堆積技術は、ナノワイヤを成長させる前に基板上に、デバイスの性能に影響を及ぼす不純物をナノワイヤに持ち込むことになる金属触媒またはシード層を形成することを必要とした。
界面ナノ層の性質をさらに確認するために、シリコン上のサンプルの化学組成のＥＤＸマップ作成が実行された。このナノ層は、ガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）、および酸化ケイ素（ＳＯ２）を含む。組成物中に酸化物を含む類似の層が、濡れ層とサファイアおよび窒化ガリウム基板との界面上に成長中に形成された。これらの発見は、このｉｎ－ｓｉｔｕナノ層が、米国特許出願公開第２０１８／０２２２７６６（Ａ１）号に開示されている、パルスレーザー堆積成長中に垂直酸化亜鉛（ＺｎＯ）ナノワイヤの下に形成されたガドリニウム（Ｇｄ）ｉｎ－ｓｉｔｕ層の機能を果たすことを示している。表面エネルギーは、２つの表面間の界面における分子間力と関連していることが知られている。基板の表面エネルギーおよび基板と成長アイランドとの間の界面エネルギーによって支配された異なるプロセス（成長核生成）が、ストランスキー・クラスタノフ核生成を促進するために採用され得る。したがって、成長核生成は、種エネルギーを変調することによって制御され、それによりストランスキー・クラスタノフ法を通じてナノワイヤが得られたと考えられる。
ＭＸｅｎｅおよびＴＭＤ（たとえばＭｏＳ２）基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤは、これまで報告されていないので、以下ではこれらの基板上でのＧａＮ ＮＷｓの成長を取り上げる。図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれＭＸｅｎｅおよびＴＭＤ（たとえば、ＭｏＳ２）上に成長させたサンプルの断面ＳＴＥＭ画像および関係するＥＤＸマップ、さらには元素プロファイルを示しており、２Ｄ基板より上に濡れ層が形成され、窒化ガリウムナノワイヤの成長が促進されていることが確認される。グラフェン基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤは、バルク基板および２Ｄ基板のすべてについて類似の結果が得られることをさらに明らかにした。したがって、２Ｄ基板（グラフェン、ＭＸｅｎｅ、ＭｏＳ２、ＷＳｅ２）は、垂直ナノワイヤ構造を形成するためにｉｎ ｓｉｔｕナノ層として働き得る。２Ｄ基板上に成長させたナノワイヤについては、半導体ナノワイヤの形成は、３Ｄ材料と２Ｄ基板との間の弱い準ファンデルワールス相互作用に起因していた。
上で説明されている方法は、無転位単結晶ＮＷを生成した。この構造を確認するために、ＳＴＥＭ測定が実行され、それにより窒化ガリウムサンプルの品質を実証した。これらの測定は、垂直配向窒化ガリウムナノワイヤが高品質であり、単結晶構造を示していることを実証し、これは高速フーリエ変換（ＦＦＴ）パターンにより確認された。ＭＸｅｎｅ基板およびＭｏＳ２基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤのＳＴＥＭ画像も類似の結果を示し、したがって２Ｄ基板上に高品質単結晶窒化ガリウムナノワイヤが成長できることを実証した。単一窒化ガリウム結晶は、他の基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤについて確認されたが、これは窒化ガリウムナノワイヤが任意のバルク基板および２Ｄ基板内に形成され得ることをさらに確認している。
驚くべきことに、ＳＴＥＭの結果から、窒化ガリウムとそれぞれのバルク基板または２Ｄ基板との間の格子整合／不整合の度合いに関係なく、濡れ層および窒化ガリウムナノワイヤの両方において、貫通転位が完全に存在しないことが初めて明らかになっている。窒化ガリウム濡れ層は、ナノグレインを特徴とする多結晶性を有しているので、貫通転位が存在しないのは、濡れ層多結晶性に起因し得る。格子不整合が大きいことによりこれらの基板上に成長させた窒化ガリウムおよび他のＩＩＩ族窒化物中に貫通転位が常に存在するならば、これは特に窒化ガリウムに対して、また一般に、半導体産業にとって重要な成果である。
多結晶（濡れ層内）から単結晶（ナノワイヤ内）への変化を支えるプロセスを調べるために、基板の界面から徐々に垂直方向にさらに遠く離れて行く異なる配置でＳＴＥＭ測定が実行され、その結果、ｃ軸に沿った距離が基板から増大するにつれて多結晶特性が減少して、窒化ガリウムナノワイヤの方へ移動する一方で、ｃ方向に沿った単結晶はナノワイヤ内に保持されていることが実証された。ＭＸｅｎｅ基板およびＭｏＳ２基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤのＳＴＥＭ画像、ならびに対応するＨＲ－ＳＴＥＭ画像およびＦＦＴパターンは、これらの例示的な２Ｄ基板が無貫通転位単結晶窒化ガリウムナノワイヤの高品質さを生み出しており、これはバルク基板について示されているものに対する結果および成長メカニズムに類似していることを示している。これらの発見は、開示されている成長方法が広範囲の（導電体、絶縁体、透明または透明でない）バルクおよび２Ｄ基板上に成長させた半導体ナノワイヤ内の貫通転位を排除することを実証しており、これは、方法が、任意の光学的またはオプトエレクトロニクス用途を意図した高性能半導体ベースデバイスに採用されることを可能にする。
上で説明されている方法で成長させたＮＷの光学的特性を研究するために、窒化ガリウムナノワイヤに対して吸収およびフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定（図７参照）が実行された。これらの測定により、シリコンおよびサファイア基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤは、幅の狭い吸収限界を生じることが確認された。また、上で説明されているすべての基板上に成長させた窒化ガリウムナノワイヤについて、典型的な吸収曲線が得られた。これらの吸収結果により、バンドギャップエネルギーがｃ－サファイア基板およびシリコン基板上に成長させられたサンプルに対してそれぞれ約３．５８ｅＶおよび約３．６８ｅＶであることが確認された。異なる基板上で成長させられた窒化ガリウムナノワイヤの吸収限界のわずかなシフトが観察されたが、これは、ＸＲＤおよびＳＥＭの結果によって確認されているように、異なる基板上での成長に対してナノワイヤの直径が異なる（すなわち、圧縮歪みが異なる）ことによるものであり得る。得られた窒化ガリウムナノワイヤの光学的品質をさらに確認するために、温度依存および電力依存のＰＬ測定が実施された。図７に例示されている、室温（ＲＴ）フォトルミネッセンススペクトルは、無視できるくらい小さな欠陥バンド（黄色バンド）とともに、すべての基板上に成長させたすべての窒化ガリウムナノワイヤについて３４６～３５０ｎｍの幅の狭い支配的な窒化ガリウムの近バンド端（ＮＢＥ）発光を示しており、したがって優れた光学的品質が確認され、これは幅の狭い吸収限界およびＳＴＥＭの結果と一致しており、したがって、開示されている成長方法の成功を示している。
黄色バンドが無視できるくらい小さい非常に広く強いフォトルミネッセンス発光の原因を識別するために、室温カソードルミネッセンス（ＣＬ）ハイパースペクトルイメージングが実行され、それによって濡れ層およびナノワイヤ領域からの発光を空間的に解決した。異なる基板上の窒化ガリウムナノワイヤの断面構造からカソードルミネッセンスマップが作成された。サファイア基板サンプルに対するカソードルミネッセンスマップは、スペクトル的に積分されたカソードルミネッセンス強度マップを示しており、面積平均カソードルミネッセンススペクトルが抽出された領域が明確にマークされている。窒化ガリウムナノワイヤのみを含む領域上で平均化されたカソードルミネッセンススペクトルは、０．３８ｅＶの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する３．６ｅＶ（３４４ｎｍ）の狭い幅のピークを示したが、多結晶濡れ層のカソードルミネッセンススペクトルは、多結晶濡れ層から放射される０．４３ｅＶのＦＷＨＭを有する３．８ｅＶ（～３２６ｎｍ）のより広く青方偏移したピークを示した。図示されているサンプルの頂部から底部までの距離の関数としてのカソードルミネッセンススペクトルマップによりこの発見を確認した。濡れ層から発せられた近バンド端の発光ピークは、ナノグレインの結果として青方偏移されており、これにより、濡れ層のＳＴＥＭ画像に示されているように、平均粒径が１０ｎｍ未満（励起直径以下）のままなので量子ドットに似た挙動が生じ、それにより、励起子の閉じ込めが生じた。したがって、励起子がこれらのナノグレイン内に封じ込められるか、または局在化されると、両方のプロセスにより、近バンド端発光青方偏移が生じ、放射性再結合率が増大する。このような理由から、濡れ層およびナノワイヤの両方から生じる近バンド端発光は強く、黄色バンドは無視できるくらい小さいが、それは、励起子の局在化／封じ込めが放射性再結合を支配し、材料の効率を高めるからである。異なるサイズのナノグレインから放射されるピークが重なり、欠陥バンドのない幅広い発光を生じるので、濡れ層から発生する近バンド端発光が広くなることが予想される。そのような強いピークの広がりは、内部量子効率を得ることによって実証されるように、高効率ＬＥＤ用途に重要である。
窒化ガリウムナノワイヤの温度依存性フォトルミネッセンススペクトルは、近バンド端発光は室温および５Ｋで強いことを示しており、５Ｋでの積分強度と室温での強度との比は～４５％と推定され、高いＵＶ効率を示唆した。したがって、窒化ガリウムナノワイヤの効率が高いことをさらに確認するために、内部量子効率が、Ｓｈｏｃｋｌｅｙ－Ｒｅａｄ－Ｈａｌｌ（ＳＲＨ）法を使用して、電力依存フォトルミネッセンス（ＰＤＰＬ）測定を通じて６５％と計算されたが、これは室温において内部量子効率を計算するための最も正確で信頼性の高い方法と考えられている。電力依存フォトルミネッセンススペクトルは、カソードルミネッセンス測定に一致して、近バンド端発光が２つの重なり合うピークからなることを示していた。室温での電力密度（注入キャリア密度）の関数としての電力依存内部量子効率が計算された。
内部量子効率曲線は、内部量子効率が、生成されたキャリアによる非放射性再結合中心の飽和により励起エネルギー密度とともに急激に上昇し、それによって、その最大値（６５％）には～７０ｋＷ／ｃｍ３で到達したことを示しており、このことで放射性再結合が著しく支配していることが確認された。しかしながら、より高い励起エネルギー密度では、内部量子効率は低下し始め、１．２×１０３ｋＷ／ｃｍ３で４７％に達し、これは窒化ガリウムＵＶ発光に対しては依然として高いと考えられ、温度依存フォトルミネッセンスで得られる積分強度比と一致している。これらの結果は、当技術分野の技術と比較したときに図２の方法により成長させたナノワイヤの光学的効率が優れていることを示している。
放射性再結合の寄与を決定し、低下の背後にある理由をさらに識別するために、室温および１０Ｋにおいて、ｌｏｇ（ＩＰＬ）がｌｏｇ（Ｇｏｐｔ）（電力密度）の関数としてプロットされた。式（４）によると、放射性再結合の支配性は、Ｉ∝Ｇ（Ｉ∝ｎ２）のときに示され、その結果、寄与の大部分が局在化した励起子に由来するので、内部量子効率が急速に増大する。室温において、電力密度の関数として出力される（ｌｏｇ－ｌｏｇ）積分フォトルミネッセンス強度は、低励起電力密度の下でｋ～１．２を示し、これにより、ある程度の欠陥関連非放射性再結合とともに、全再結合プロセスにおける放射性再結合の寄与が著しいことがさらに確認された。その一方で、内部範囲の上限において、電力密度の関数として出力される（ｌｏｇ－ｌｏｇ）積分フォトルミネッセンス強度は、低下領域の前に高い励起電力密度（≧３０ｋＷ／ｃｍ３）でｋ＝１を示しており、非放射性中心の飽和による完全な放射性再結合プロセスが確認された。しかしながら、効率低下範囲内では、傾きは～０．８９（＞２／３）であり、これは支配的な放射性再結合は軽微なオージェ再結合の寄与を伴ったことを示しており、オージェ再結合がわずかな内部量子効率低下の背後にある主な理由であり得ることを明らかにした。
低温（１０Ｋ）では、１～１．１のｋ値から、低励起領域および高励起領域の両方において放射性再結合が完全に支配的であることが明らかになった。これらの結果から、これらの高効率窒化ガリウムナノワイヤは、幅広い用途に使用できる強い潜在的可能性を有していることが確認される。
図２の方法は、金属触媒またはシーディングを必要とすることなく、またナノ構造と基板との間の格子不整合に関係なく、任意の２Ｄ ＴＭＤおよびバルク基板上に成長させられる高品質、無ＴＤ、自己組織化、半導体ナノワイヤの、費用対効果の高い普遍的な成長方法の成功を示している。上で説明されているＳＴＥＭの研究では、ＮＷ内に転位が完全に存在しないことを示しているが、これは高品質多結晶ＷＬに起因するが、ＮＷは単一ウルツ鉱型結晶構造を示している。高品質ＮＷ内に転位が存在しないこと、さらにはＷＬ内のナノグレインは（励起子局在化中心として働くことにより）、システムの効率をさらに高めた。すべてのサンプル上のキャリアダイナミクス計測により、ＵＶ効率が優れていることが確認されたが、高励起密度でのわずかな低下は、高いキャリア注入率におけるオージェ再結合からのわずかな寄与のせいである。これらの発見は、ＵＶ垂直発光レーザーダイオードおよびフレキシブルデバイスを含む、半導体ＮＷベースの発光デバイスが、本明細書において説明されている新規性のある技術に基づき成功裏に製造できることを示唆している。
次に、そのようなデバイスのいくつかの例が、図８Ａ～図１２に関して説明される。具体的には、図８Ａおよび図９Ａは、基板および最適化された構造（横方向および縦方向のデバイス）に応じて、頂部接触または底部接触を可能にする任意の基板内に成長させられるＮＷを使用してペロブスカイトとハイブリッド化された光検出器を例示しており、図８Ｂおよび図９Ｂは、図８Ａおよび図９Ａの光検出器のエネルギーバンド図をそれぞれ例示しており、図１１は、発光ダイオードを例示しており、図１２Ａは、ＧａＮ ＮＷｓの上に形成されたＩＩＩ族窒化物ＭＱＷベースのデバイスを例示しており、図１２Ｂおよび図１２Ｃは、横方向および縦方向のデバイスとして実装された単一または複数のＱＷベースのＬＥＤまたはレーザーダイオードを例示している。
最初に図８Ａを参照すると、光検出器８００は、基板８１０の底部に結合されている第１の接点８０５を備える。検出器８００は、太陽電池として使用され得ることに留意されたい。基板８１０は、上で説明されている材料のいずれかから形成されてもよい。明確にするために単一の層８１５として表されている界面層３０７および濡れ層３０９は、成長プロセスの一部として基板８１０上に形成される。半導体ナノワイヤ８２０（明確にするためにそのうちの１つだけがラベル付けされている）は、上で説明されている方法に基づき界面層および濡れ層８１５上に形成される。半導体ナノワイヤ８２０の少なくともいくつかは、ペロブスカイト層８２５によって覆われているが、他の半導体ナノワイヤ８２０は、ペロブスカイト層８２５によって覆われていない。ペロブスカイト層８２５の上には、第２の接点８３０が配置されている。したがって、入射光８３５がペロブスカイト層８２５に衝突し、またナノワイヤ８２０に直接衝突するので、光検出器８００からの出力を得るために、第１の接点８０５と第２の接点８３０との間の電気的接続が使用され得る。非限定的な例において、第１の接点８０５は金接点であり、基板８１０はシリコン基板であり、半導体ナノワイヤ８２０は窒化ガリウムナノワイヤであり、ペロブスカイト層８２５は有機ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３または無機ＰｂＣｓＸ３を含み、第２の接点８３０はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含み得る。
デバイス８００を準備するために、純度９９％の有機ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３または無機ＰｂＣｓＸ３ペロブスカイト粉末が使用された。この方法は、任意のＡＢＸ３ペロブスカイトで動作するように設計されているが、簡単にするために、この方法は、有機ペロブスカイトＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３に関して特に説明されることに留意されたい。均一なペロブスカイト層を得るために、０．２５Ｍ（１Ｍ＝０．６１９．９ｇ／ｍＬ）のＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト粉末が、６０℃で１ｍＬのジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）と混合された。次いで、ペロブスカイトは、１００℃で１０分間アニールされる前に、ブラシから約１５ｃｍの距離でホットプレート上に置かれた、ＧａＮ ＮＷサンプルに垂直に、１バールの圧力で窒素ガス流を発生させる圧縮空気ブラシによって、ＧａＮ ＮＷ ８２０の一部にスプレーコーティングされた。最後に、透明電極８３０に蒸着するために、アニール手順の後の数分以内に、サンプルがマグネトロンスパッタリング真空チャンバーに直接移送された。接触層については、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）層が、シャドウマスクを使用することによって２種類の金属層とともにＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト上に頂部電極として堆積された。具体的には、Ａｕがｐ－Ｓｉ基板８１０上に底部接点８０５として堆積されたが、Ａｇ層がＧａＮ ＮＷの頂部接点８３０として使用された。１５０ｎｍのＩＴＯの厚さは、室温（ＲＴ）での高周波マグネトロンスパッタリングを、５ｍＴｏｒｒの作動圧力のアルゴンプラズマおよび１００分間の０．１５Ａの一定電流とともに使用して達成された。
別の実施形態では、無機ペロブスカイトが層８２５を作るために使用されることが望ましい場合、臭化鉛（ＩＩ）（ＰｂＢｒ２、９９．９９９％微量金属ベース）、酢酸セシウム（ＣｓＡｃ、９９． ９９％微量金属ベース）、オクチルアミン（ＯｃＡｍ、９９％）、オクタン酸（ＯｃＡｃ、９８％）、１－プロパノール（ＰｒＯＨ）、ノルマルヘキサン（Ｈｅｘ、９９％）、トルエン（９９．８％）を使用してＣｓＰｂＢｒ３ペロブスカイトを調製することが可能である。これらの化学物質はすべて、さらに精製することなく利用された。ＣｓＰｂＢｒ３ ＮＣは次のように合成された。Ｃｓ前駆体およびＰｂＢｒ２前駆体は、別々に調製され、反応は、後者を前者に注入することによって開始された。最初に、Ｃｓ前駆体溶液が、室温の空気を入れて撹拌しながら２０ｍＬのバイアル内で３２ｍｇのＣｓＡｃを１ｍＬの１－ＰｒＯＨに溶解し、その後、６ｍＬのヘキサンと２ｍＬの１－ＰｒＯＨとを加えることによって調製された。第２に、ＰｂＢｒ２前駆体溶液が、空気中で激しく撹拌しながら９０℃で１－ＰｒＯＨ、ＯｃＡｃ、およびＯｃＡｍの各々０．４５ｍＬの混合溶液に２４５ｍｇのＰｂＢｒ２を溶解することによって調製された。第３に、高温のＰｂＢｒ２前駆体が、室温で激しく撹拌しながらＣｓ前駆体に速やかに注入された。システムはすぐに緑色に変わり、反応は２分で完了した。ＣｓＰｂＢｒ３ ＮＣは、３０００ｒｐｍで４分間遠心分離して単離され、そのペレットは、２ｍＬのトルエン中に分散された。ペロブスカイト層８２５を形成するための他の方法も使用され得た。
次に図９Ａを参照すると、光検出器９００（太陽電池としても使用できる）は、明確にするために単一の層９１０として例示されている界面層および濡れ層が成長プロセスの一部として形成される基板９０５を含む。半導体ナノワイヤ９１５（明確にするためにそのうちの１つだけがラベル付けされている）は、界面層および濡れ層９１０上に形成される。ナノワイヤ９１５の少なくともいくつかは、ペロブスカイト層９２０によって覆われているが、ナノワイヤ９１５の他のものは、ペロブスカイト層９２０によって覆われていない。ペロブスカイト層９２０に覆われていないナノワイヤ９１５の上には、第１の接点９２５が配置され、ペロブスカイト層９２５の上には、第２の接点９３０が直接配置されている。したがって、光９３５がナノワイヤ９１５およびペロブスカイト層９２０に衝突するので、光検出器９００からの出力を得るために、第１の接点９２５と第２の接点９３０との間の電気的接続が使用され得る。非限定的な例では、基板９０５はシリコンまたはグラフェン基板であり得、ナノワイヤ９１５は窒化ガリウムナノワイヤであり得、ペロブスカイト層９２０はＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３を含み得、第１の接点９２５は銀を含み得、第２の接点９３０はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含み得る。
次に、光検出器８００および９００の両方を参照すると、インジウムスズ酸化物が第２の接点として使用されているが、これは透明であり、光が接点を通過して下層の半導体ナノワイヤに至ることを可能にするからである。さらに、インジウムスズ酸化物は、低い電気抵抗率および構造的均一性を含む、追加の有益な属性を示す。ペロブスカイト層は、電子輸送層として働く。次に、図８Ｂのエネルギーバンド図を参照すると、半導体デバイス８００のエネルギーバンドアライメントは、電子がペロブスカイト層から窒化ガリウムナノワイヤに注入され、電子が第１の接点８０５によって収集されることを保証する。図９Ｂのエネルギーバンド図を参照すると、価電子帯の正孔は、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤを介して第１の接点９２５に到達する。
両方のデバイスにおいて、ナノワイヤ８２０および９１５の一部は、次の理由により、ペロブスカイト層によって覆われていない。室温（ＲＴ）広帯域光検出器（ＰＤ）は、他にも多くの分野があるがとりわけ、宇宙科学、化学検出、光通信、火炎感知、および国防において広く使用されている。ＵＶスペクトル域内で高い応答性および十分な強度を達成することは、可視域に比べて依然として困難である。これにより、研究者らはＵＶ域における検出を改善するために比較的低コストで高性能なデバイスを作製するときに溶液処理した有機金属ハロゲン化物ペロブスカイト（ＭＡＰｂＸ３、ＸはＩ、Ｂｒ、Ｃｌ）またはすべての無機ハロゲン化物ペロブスカイト（ＰｂＣｓＸ３、Ｘはハロゲン化物）と広バンドギャップ半導体をハイブリッド化することを検討することを促されている。これらの有機金属ハロゲン化物ペロブスカイトの１つであるＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３（メチルアンモニウムヨウ化鉛（ＭＡＰｂＩ３））は、その好適な直接バンドギャップ、広い吸収領域、および高い電荷キャリア移動度により、特に重要である。ペロブスカイト／ＺｎＯベースの光検出器については、いくつかの研究成果が報告されている。
有機部分を含まない全無機型ハロゲン化鉛セシウム（ＣｓＰｂＸ３）ペロブスカイトは、ハイブリッドペロブスカイトと比較して優れた安定性を有することから、次世代オプトエレクトロニクス用途の代替候補として浮上している。この材料の１つまたは複数の利点は、高量子収率（最大９０％）、狭い線幅を有する可視域全体にわたるチューナブルフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光スペクトル、抑制されたＰＬブリンキング、高キャリア移動度、および大きな拡散長である。デバイスの高性能化のために、コンパクトで滑らかなキャリアチャネルが必要であるので、ペロブスカイト活性層が高い結晶品質を有することが不可欠である。
しかしながら、ペロブスカイトが大気中の水分および金属酸化物材料中の酸素と相互作用すると、ペロブスカイトが劣化し、したがってデバイスの性能が低下する。したがって、ＧａＮは安定性の良さを特徴とする最良の広バンドギャップ半導体候補の１つであることから、Ｎの弱い酸化は、結果として、金属酸化物と比較して有機無機ペロブスカイトとハイブリッド化されたときにより良い安定性をもたらし得る。ＧａＮは、室温で、ウルツ鉱型六方晶構造および直接広バンドギャップ（～３．４ｅＶ）を有する。そのような広バンドギャップは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示されているように、ＵＶ域の放射線に対するペロブスカイトベースのＰＤの応答波長も向上させることができる。より具体的には、図１０Ａは、ガラス上のペロブスカイト層のみを含むデバイスに対する、光の波長に関する任意の単位での吸収１０００の結果を示しており、一方、図１０Ｂは、ｐ－Ｓｉ基板上に成長させたＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト／ＧａＮ ＮＷを有するデバイスに対する吸収１０１０と、グラフェン基板上に成長させたＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト／ＧａＮ ＮＷを有するデバイスに対する吸収１０１２とを示している。純粋なＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイトデバイスは、ＵＶ域、すなわち４００ｎｍより小さい波長では感度がないのに対して、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト／ＧａＮ ＮＷデバイスはＵＶ域、特に２５０から４０ｎｍの波長帯で感度が高くなることに留意されたい。これらのハイブリッドデバイスは、また、優れた熱安定性（２．１Ｗ／ｃｍ Ｋ）と導電性（２．１Ｗ／ｃｍ Ｋ）を示し、オプトエレクトロニクスの高出力および高周波デバイスへの応用に適している。
これらのハイブリッド光検出器の応答性を評価するために、０．５３ｍＷ／ｃｍ２の光源からの白色光照射下でＩ－Ｖ特性が測定された。半導体デバイス８００の場合、半導体デバイス８００に白色光が照射されたときに、印加バイアスは５．０Ｖであり、暗電流は２．１２μＡであり、光電流は７．１μＡに増大した。半導体デバイス９００の場合、ｐ型シリコン基板を採用した半導体デバイス９００に白色光が照射されたときに、印加バイアスは５．０Ｖであり、暗電流は０．５５μＡであり、光電流は２．６μＡに増大した。半導体デバイス９００にグラフェン基板を採用し、半導体デバイス９００に白色光が照射されたときに、暗電流は０．１２μＡであり、光電流は０．９５μＡに増大した。
光応答性（Ｒ）および検出性（Ｄ＊）もこれらのデバイスについて計算されたが、それは、光検出器８００および９００の性能を推定するための２つの重要なパラメータであるからである。５Ｖの照明下で、半導体デバイス８００についてＲ＝９４ｍＡ／Ｗが得られたが、グラフェン基板を採用したときには半導体デバイス９００についてＲ＝３８．７ｍＡ／ＷおよびＲ＝１５．８ｍＡ／Ｗが測定された。ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト／ＧａＮ薄膜の結果と比較したときに、これらの値は、ＧａＮ ＮＷ／ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイトに基づく初めての光検出器であることを考えると、注目に値する。同様に、検出性の値は、半導体デバイス８００に対してはＤ＝１．５７×１０１３ジョーンズ、シリコン基板上の半導体デバイス９００に対しては１．２７×１０１３ジョーンズ、グラフェン基板上の半導体デバイス９００に対して１．１４×１０１３ジョーンズであり、ペロブスカイト光検出器について報告されている値に匹敵する。２００ｎｍの深ＵＶ光応答は、窒化ガリウムナノワイヤの組み込みにより改善する。この発見は、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト／ＧａＮ薄膜ベースの光検出器の応答性の結果ともよく一致している。
光応答は、光源のオン／オフを何度も行うことによって得られ、５Ｖの下でＵＶ域におけるデバイス挙動をテストした。単一サイクルの間の光応答時間の変化を決定するために、光検出器８００および９００の立ち上がり時間および減衰時間が測定された。半導体デバイス８００については、立ち上がり時間は９０ｍｓであり、減衰時間は２６０ｍｓであった。シリコン基板を有する半導体デバイス９００については、立ち上がり時間は８０ｍｓであり、減衰時間は２００ｍｓであった。グラフェン基板を有する半導体デバイス９００については、立ち上がり時間は６０ｍｓであり、減衰時間は２００ｍｓであった。これらの値は、以前に報告されているデータと比較して応答特性が速いことを示しており、ＩＴＯ－Ａｇ電極およびグラフェン基板が高速光検出器に最適であることを示している。しかしながら、シリコン上に作製されたデバイスに対するＩＴＯ－Ａｕ構成は、最もよいＲ値を示した。これらの結果は、窒化ガリウムナノワイヤが広帯域光検出器に特に有用であることを示している。
０．１Ｖの照明下で、ＧａＮ ＮＷ／ＣｓＰｂＢｒ３ペロブスカイト光検出器に対して１７．８ｍＡ／Ｗの応答性が測定され、Ｄ ＝ ２．２４×１０１３ジョーンズであった。加えて、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイト／ＧａＮデバイスとは対照的に、このＧａＮ ＮＷ／ＣｓＰｂＢｒ３ペロブスカイト光検出器は、ＧａＮ（電子キャリアとして）とＣｓＰｂＢｒ３ペロブスカイト（正孔キャリア）との間のキャリアフローを妨げる障壁がなくバンドアラインメントが良好であるため、０Ｖで光電池セルフパワーデバイスとして動作することも可能である。ＧａＮ（生成された電子キャリア）とＣｓＰｂＢｒ３ペロブスカイト（生成された正孔キャリア）との間の空乏層内に生じた内部電界は、０Ｖであっても電子正孔分離に関与し、光生成キャリアを生成し、キャリア再結合時間よりも速い過渡応答をもたらす。したがって、１２９ｍＡ／Ｗおよび０Ｖでの１．５２×１０１４ジョーンズのＤの測定された応答性は、このデバイスが光起電力デバイス（太陽電池）として有望であることを実証している。
光検出器の応答を調べるために、５３ｍＷ／ｃｍ２の光源によって提供される白色光照射下でＩ－Ｖ特性が測定された。ｐ－Ｓｉ／ＧａＮ ＮＷ／ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３ペロブスカイトデバイスについては、（－５から５）Ｖの印加バイアスにおいて、暗電流は３．１５μＡであり、デバイスが光を照射されたときに光電流は７．４μＡに増大した。ｐ－Ｓｉ／ＧａＮ ＮＷ／ＣｓＰｂＢｒ３ペロブスカイトデバイスについては、（－０．１から０．１）Ｖの印加バイアスにおいて、電流は４．３μＡから４．９μＡに増大した。各場合において、暗電流および光電流に関係する曲線は、良好な整流挙動を示している。発明者らは、ＣｓＰｂＢｒ３ペロブスカイトデバイスが動作する最大電圧が０．１Ｖであることを観察した。
紫外線発光ダイオードに窒化ガリウムが商業的に使用されていることが知られている。しかしながら、基板と窒化ガリウムの間の格子不整合に起因する高密度の転位欠陥のせいで、紫外線発光ダイオードの効率は依然として低い（＞３％）。したがって、高効率の紫外発光ダイオードに対してＧａＮナノロッドを成長させることは非常に有利であり、そのような発光ダイオードの概略図が図１１に示されている。
ＬＥＤである半導体デバイス１１００は、基板１１０５と、基板１１０５上に形成されたｐ型ドープ半導体（たとえば、ＧａＮ）層１１１０と、半導体ナノワイヤ１１１５の成長の結果としてｐ型ドープ半導体層１１１０上に形成された界面層および濡れ層１１０７（図３の層３０７および３０９に対応する）と、ドープ半導体層１１１０上に形成されたｎ型ドープ半導体ナノワイヤ１１１５とを備える。ドープ半導体ナノワイヤの底部は、ポリマー層１１２０によって被覆され、ドープ半導体ナノワイヤの頂部は、インジウムスズ酸化物層１１２５によって被覆されている。例示されているように、ドープ半導体ナノワイヤ１１１５は、基板１１０５の全体を覆っておらず、ナノワイヤ１１１５の隣の、この領域内の基板１１０５の側部に第１の接点１１３０が直接形成される。第２の接点１１３５は、インジウムスズ酸化物層１１２５上に形成される。第２の接点１１３５は、ＩＴＯ層１１２５上に直接形成されたＴｉの第１の層と、Ｔｉの第１の層上に形成された金の第２の層とを備え得る。半導体層１１１０のドーピングおよび半導体ナノワイヤ１１１５のドーピングは、発光ダイオード１１００に対して必要なｐ－ｎ接合を提供する異なる種類のドーピング（すなわち、一方はｐ型ドーピング、他方はｎ型ドーピング）である。
非限定的な実施形態において、基板１１０５はサファイア基板であり、ドープ半導体層１１１０はｐ型ドープ窒化ガリウム薄膜であり、ドープ半導体ナノワイヤ１１１５はｎ型ドープ窒化ガリウムナノワイヤであり、ポリマー層１１２０はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）層であり、第１および第２の接点１１３０および１１３５は、チタン（Ｔｉ）の層上に配置された金（Ａｕ）の層を含む。第１の接点１１３０に関して、チタンの層は、基板１１０５上に直接配置され、第２の接点１１３５に関して、チタンの層は、インジウムスズ酸化物層１１２５上に直接配置されている。上で説明されている他の半導体デバイスと同様に、貫通転位のないＩＩＩ族窒化物ナノワイヤは、従来の発光ダイオードと比較したときに図１１の発光ダイオードの性能を高める。
上で説明されている方式で半導体ナノワイヤを使用することに加えて、これらの半導体ナノワイヤは、たとえば多重量子井戸（ＭＱＷ）ベースのデバイスを形成するために、成長テンプレートとしても使用され得る。典型的には、窒化ガリウム多重量子井戸は、シリコン基板が低コストで広く入手可能なので、シリコン基板上に成長させられる。しかしながら、これらのデバイスは、窒化ガリウムとシリコンとの間に大きな格子不整合があるので比較的不効率であり、その結果、転位密度が著しく高い。これらの転位は、量子井戸（活性層）を貫通したときに、デバイス効率が著しく低下させる。これは、多重量子井戸を形成するためのテンプレートとして上で説明されている方式により基板上に半導体（ＩＩＩ族窒化物など）ナノワイヤを成長させることによって対処できる。開示されている方式により半導体ナノワイヤを形成することで、良好な結晶品質を示す、低欠陥バンド発光の非常に高い発光を有するナノワイヤをもたらす。したがって、本明細書において説明されている方法を使用することで、ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤは、たとえば、ＩＩＩ族窒化物多重量子井戸紫外線および可視光線ベースのＬＥＤおよびレーザーダイオード（ＬＤ）を成長させるためのテンプレートとしてシリコン基板上に成長させることができる。
より具体的には、図１２Ａに例示されているように、複数のＩＩＩ族窒化物ＭＱＷ１２２０を含むレーザーデバイス１２００が半導体ＮＷ３１５の上に形成された。半導体ナノワイヤ３１５は、図２に例示されている方法によって、図３Ａから図３Ｃに示されているように、基板１０５からナノ層３０７によって分離された濡れ層３０９の上に形成される。基板および濡れ層および半導体ナノワイヤに使用できる様々な材料については、上で説明されている。この実施形態において、濡れ層はＰＬＤで作られたＧａＮ層であり、ナノワイヤはＰＬＤによってＧａＮとなるように作られる。
ＧａＮナノワイヤのすぐ上に、合体した柱状のＧａＮ層１２１４が所与の温度で形成された。この層は、ｎ型層になるようにドープされ得る。合体した柱状層は、図に例示されているように、ナノワイヤに対応する、柱として始まり、柱が合体すると徐々に固体層になる層である。
合体した柱状ＧａＮ層１２１４の上に、複数のＭＱＷ１２２０が知られている方法によって形成される。一実施形態において、ＭＱＷ１２２０は、一緒に量子井戸を形成するＩｎＧａＮ層１２２２およびＧａＮ層１２２４として作られる。次いで、接点層１２２６がＭＱＷ１２２０の上に形成され、金属パッド１２２８が接点層１２２６の上に形成される。接点層１２１４がｎ型層である場合には、レーザーデバイス１２００がｐ－ｎ接合を必要とするので、接点層１２２６はｐ型層に作られる。次いで、第１の金属パッド１２２８がＭＱＷ１２２０の上の一箇所に形成され、第２の金属パッド（次の図に示されている）が様々な配置に形成され得るが、これは横方向のデバイスが望ましいか、縦方向のデバイスが望ましいかに依存する。当業者であれば、レーザーデバイス１２００は例示的であり、その構造は他の知られているレーザーに基づき変更され得ることを理解するであろう。しかしながら、このようなレーザーの新規性は、レーザーの光学系部分（１２１４、１２２０、１２２６）と基板１０５との間にＮＷ３１５が存在することであり、これにより、光学系部分の歪みが低減され、したがって、レーザーデバイスの品質が向上する。レーザーデバイス１２００は、実際には、ＵＶまたは可視光垂直外部共振器型面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ）として働き得る。デバイス１２００は、発光デバイス（ＬＥＤ）としても使用され得る。
前に説明した方法に基づき、様々な基板上に形成された高品質半導体材料は、異なる接点構成を可能にし、縦型および横型デバイスの形成を可能にする。これまでは、転位効果により導電性基板上に形成されるＩＩＩ族窒化物の品質が低いので導電性基板（縦型ＬＥＤや可視ＶＣＳＥＬなど）レーザーのすぐ上に成長させられる縦型ＬＥＤまたはレーザーはなかった。しかしながら、この問題は、図２の方法により克服されるが、それは、形成された半導体材料中に転位が存在していないからである。さらに、本明細書において説明されているデバイスは、異なるスペクトル域内の光を放射するように構成されている半導体ＮＷを含み得る。たとえば、現在まで、２８０から２００ｎｍの範囲内の高品質ＤＵＶ ＬＥＤまたはレーザーダイオードはない。しかしながら、本発明の方法を用いれば、この範囲内で発光する半導体材料は、様々な基板上に成長させることができ、それにより、そのような機能を得ることができる。ポリマーなどの他の材料は、ＮＷとハイブリッド化することができる。
１つの可能なＱＷベースのデバイス１２５０が、図１２Ｂに示されている。ＬＥＤまたはレーザーダイオードであってよい、デバイス１２５０は、各ナノフィーチャ３１５の周りに形成された単一または多重ＱＷ１２２０を有していてもよく、接点層１２２６が、すべてのＱＷ１２２０の上に形成される。第１の金属接点１２２８は、図１２Ａの実施形態のように、接点層１２２６上に形成され、一方、第２の金属接点１２３０は、横型デバイスでは、接点ｐまたはｎ型層として働く、濡れ層３０９上に形成され得るか、または第２の金属接点１２３２は、縦型デバイスでは、基板１０５上に直接置かれ得る。代替的に、図１２Ｃに例示されているように、ＱＷベースのデバイス１２６０は、単一または多重ＱＷ１２２０を組み込むように成長させられた各ナノフィーチャ３１５を有する。
本明細書において説明されている実施形態のうちの１つまたは複数による、基板上に半導体ナノ構造を形成するための方法は、基板１０５および半導体材料１１０をパルスレーザー堆積チャンバー１１５内に置くステップ１３００と、レーザービーム１２０のフルエンス、チャンバー１１５内の圧力ｐ、基板１０５の温度Ｔ、半導体材料１１０と基板１０５との間の距離ｄ、およびストランスキー・クラスタノフ核生成の条件が生成されるようにチャンバー１１５内に存在するガス１１３のガス分子直径ａ０を含むパラメータを選択するステップ１３０２と、選択されたフルエンスを有するレーザービーム１２０を半導体材料１１０に印加して半導体材料１１０のプルームを形成するステップ１３０４とを含む。選択されたパラメータは、ステップ１３０６において、プルームから、（１）基板１０５を覆うナノ層３０７、（２）ナノ層３０７の上の多結晶濡れ層３０９、および（３）多結晶濡れ層３０９の上の単結晶ナノフィーチャ３１５を形成することを決定し、単結晶ナノフィーチャ３１５を成長させるために使用されるシーディング層も触媒もない。
一応用例において、基板の格子定数と単結晶ナノフィーチャの格子定数との間に不整合があるが、基板と濡れ層および単結晶ナノフィーチャの両方との間に転位は存在しない。この方法は、基板上に半導体材料を成長させる間に、選択されたパラメータを一定に維持するステップをさらに含み得る。一応用例では、半導体材料の、基板上にランディングする種のエネルギーＥは、レーザービームの選択されたフルエンス、圧力ｐ、温度Ｔ、距離ｄ、およびガス分子直径によって決定される。ナノフィーチャは、ナノワイヤまたはナノロッドである。一応用例では、半導体材料はＩＩＩ族窒化物材料であり、アルミニウム、ガリウム、インジウム、またはホウ素を含む。半導体材料は、ＧａＮであってもよい。基板は、Ｓｉ、またはＧａＮ、またはサファイア、またはＭＸｅｎｅ、またはグラフェン、またはＭｏＳ２、またはＷＳｅ２から作られてもよい。一応用例では、ナノ層は、チャンバー内に存在する不純物から形成され、２ｎｍ未満の厚さを有する。
この方法は、ハイブリッド光検出器を形成することを、ナノフィーチャのうちの少なくともいくつかの上にペロブスカイト層を形成することと、ペロブスカイト層上に第１の電気接点を形成することと、基板上に第２の電気接点を形成することとによって行うことをさらに含んでもよく、ここでナノフィーチャは、ナノワイヤであり、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である。
代替的に、この方法は、ハイブリッド光検出器を形成することを、ナノフィーチャのうちの少なくともいくつかの上にペロブスカイト層を形成することと、ペロブスカイト層上に第１の電気接点を形成することと、ペロブスカイト層によって覆われていないナノフィーチャ上に第２の電気接点を形成することとによって行うことをさらに含んでもよく、ここでナノフィーチャは、ナノワイヤであり、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である。
なおも別の実施形態において、この方法は、発光ダイオードを形成することを、基板上に直接ＩＩＩ族窒化物薄膜を形成することであって、半導体濡れ層は、ＩＩＩ族窒化物薄膜上に配置される、ＩＩＩ族窒化物薄膜を形成することと、基板の一部分とナノフィーチャの下側部分とを覆うポリマー層を形成することと、ポリマー層とナノフィーチャの上側部分とを覆うインジウムスズ酸化物層を形成することと、ＩＩＩ族窒化物薄膜上に第１の電気接点を形成することと、ポリマー層上に第２の電気接点を形成することとによって行うことをさらに含んでもよく、ここでナノフィーチャは、ナノワイヤであり、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である。
さらに別の実施形態において、この方法は、多重量子井戸ベースのレーザーデバイスを形成することを、ナノフィーチャの上にｎ型またはｐ型層を成長させることと、ｎ型またはｐ型層上に多重量子井戸を成長させることと、多重量子井戸の上にｐ型またはｎ型層を成長させることとによって行うことを含んでもよく、ここでナノフィーチャは、ナノワイヤであり、半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である。
上で説明されているように、開示されている成長方法は、垂直自己組織化ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤが貫通転位なしで形成されるので、特に有利であり、その結果得られるレーザーデバイスの性能を改善する。高品質ＩＩＩ族窒化物ナノワイヤ内に転位が存在しないこと、さらには濡れ層内のナノグレインは（励起子局在化中心として働くことにより）、レーザーデバイスの効率をさらに高めた。本明細書において説明されているすべてのデバイス上のキャリアダイナミクス計測により、紫外線効率が優れていることが確認されたが、高励起密度でのわずかな低下は、高いキャリア注入率におけるオージェ再結合からのわずかな寄与のせいである。
開示されている実施形態は、ＰＬＤによって基板上に成長させられた、転位のない、シーディングまたは触媒のない、半導体ナノ構造を提供し、そのようなデバイスの紫外線感度を向上させる。本明細書は、本発明を限定することを意図されていないことは理解されるべきである。それどころか、これらの例示的な実施形態は、付属の請求項において定義されているように本発明の精神および範囲内に収まる、代替例、変形例、および均等物を対象とすることを意図されている。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明において、請求されている発明を包括的に理解できるように多数の具体的詳細が述べられている。しかしながら、当業者であれば、そのような具体的詳細がなくても様々な実施形態が実施され得ることを理解するであろう。
例示的な実施形態の特徴および要素は、特定の組合せで実施形態において説明されているけれども、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素なしで単独で、または本明細書において開示されている他の特徴および要素との様々な組合せで、またはそれらなしで使用することができる。
本明細書では、任意のデバイスまたはシステムを製作して使用すること、および任意の組み込まれた方法を実行することを含む、当技術者が実施することを可能にするように開示されている主題の例を使用している。主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の範囲内に収まることを意図されている。
１０５ 基板
１０７ 加熱装置
１１０ ターゲット
１１２ ガス
１１３ 酸素（Ｏ）原子、不純物、不純物原子
１１４ ガス源
１１５ チャンバー
１１６ 弁
１１８ コンピューティングデバイス
１２０ レーザービーム
１２２ レーザー透過窓
１２４ レーザー
１２５ プルーム
３０５ 初期層、連続層
３０７ ｉｎ－ｓｉｔｕナノ層
３０９ ＧａＮ多結晶層、濡れ層
３１５ ナノ構造（この場合はナノワイヤ）
８００ 光検出器、デバイス
８０５ 第１の接点、底部接点
８１０ 基板
８１５ 層
８２０ 半導体ナノワイヤ
８２５ ペロブスカイト層
８３０ 第２の接点、透明電極、頂部接点
８３５ 入射光
９００ 光検出器
９０５ 基板
９１０ 単一の層
９１５ 半導体ナノワイヤ
９２０ ペロブスカイト層
９２５ 第１の接点
９３０ 第２の接点
９３５ 光
１０００、１０１０、１０１２ 吸収
１１００ 半導体デバイス、発光ダイオード
１１０５ 基板
１１０７ 界面層および濡れ濡れ層
１１１０ ｐ型ドープ半導体（たとえば、ＧａＮ）層
１１１５ 半導体ナノワイヤ
１１１５ ｎ型ドープ半導体ナノワイヤ
１１２０ ポリマー層
１１２５ インジウムスズ酸化物層
１１３０ 第１の接点
１１３５ 第２の接点
１２００ レーザーデバイス
１２１４ 合体した柱状ＧａＮ層
１２２０ ＩＩＩ族窒化物ＭＱＷ
１２２２ ＩｎＧａＮ層
１２２４ ＧａＮ層、接点層
１２２６ 接点層
１２２８ 金属パッド
１２２８ 第１の金属接点
１２３０ 第２の金属接点
１２３２ 第２の金属接点
１２５０ ＱＷベースのデバイス
１２６０ ＱＷベースのデバイス

Claims (22)

  1. 基板上に半導体ナノ構造を形成するための方法であって、
    基板（１０５）および半導体材料（１１０）をパルスレーザー堆積チャンバー（１１５）内に置くステップ（１３００）と、
    レーザービーム（１２０）のフルエンス、前記チャンバー（１１５）内の圧力Ｐ、前記基板（１０５）の温度Ｔ、前記半導体材料（１１０）と前記基板（１０５）との間の距離ｄ、およびストランスキー・クラスタノフ核生成の条件が生成されるように前記チャンバー（１１５）内に置かれるべきガス（１１３）のガス分子直径ａ０を含むパラメータを選択するステップ（１３０２）と、
    前記選択されたフルエンスを有する前記レーザービーム（１２０）を前記半導体材料（１１０）に印加して前記半導体材料（１１０）のプルームを形成するステップ（１３０４）と
    を含み、
    前記選択されたパラメータは、前記プルームから、（１）前記基板（１０５）を覆うナノ層（３０７）、（２）前記ナノ層（３０７）の上の多結晶濡れ層（３０９）、および（３）前記多結晶濡れ層（３０９）の上の単結晶ナノフィーチャ（３１５）の形成を決定し、
    前記単結晶ナノフィーチャ（３１５）は、触媒またはシーディング層なしで成長させられる、方法。
  2. 前記基板の格子定数と前記単結晶ナノフィーチャの格子定数との間に不整合があるが、前記基板と前記単結晶ナノフィーチャとの間に転位は存在しない、請求項１に記載の方法。
  3. 前記基板（１０５）上に前記半導体材料（１１０）を成長させる間に、前記選択されたパラメータを一定に維持するステップ
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記半導体材料（１１０）の、前記基板（１０５）上にランディングする種のエネルギーＥは、前記レーザービームの前記選択されたフルエンス、前記圧力Ｐ、前記温度Ｔ、前記距離ｄ、および前記ガス分子直径によって決定される、請求項１に記載の方法。
  5. 前記ナノフィーチャは、ナノワイヤまたはナノロッドである、請求項１に記載の方法。
  6. 前記半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である、請求項１に記載の方法。
  7. 前記ＩＩＩ族窒化物材料は、アルミニウム、ガリウム、インジウム、またはホウ素を含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記基板は、Ｓｉ、またはＧａＮ、またはサファイア、またはＭＸｅｎｅ、またはグラフェン、またはＭｏＳ２、またはＷＳｅ２から作られる、請求項６に記載の方法。
  9. 前記半導体材料は、ＧａＮである、請求項１に記載の方法。
  10. 前記ナノ層は、前記チャンバー内に存在する不純物から形成され、１０ｎｍ未満の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
  11. 前記ナノフィーチャのうちの少なくともいくつかの上にペロブスカイト層を形成し、
    前記ペロブスカイト層上に第１の電気接点を形成し、
    前記基板上に第２の電気接点を形成すること
    によってハイブリッド光検出器または太陽電池を形成するステップ
    をさらに含み、
    前記ナノフィーチャは、ナノワイヤであり、前記半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である、請求項１に記載の方法。
  12. 前記ナノフィーチャのうちの少なくともいくつかの上にペロブスカイト層を形成し、
    前記ペロブスカイト層上に第１の電気接点を形成し、
    前記ペロブスカイト層によって覆われていないナノフィーチャ上に第２の電気接点を形成すること
    によってハイブリッド光検出器または太陽電池を形成するステップ
    をさらに含み、
    前記ナノフィーチャは、ナノワイヤであり、前記半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である、請求項１に記載の方法。
  13. 前記基板上にＩＩＩ族窒化物薄膜を直接形成し、前記半導体濡れ層は、前記ＩＩＩ族窒化物薄膜上に配置され、
    前記ナノフィーチャの下側部分を覆うポリマー層を形成し、
    前記ポリマー層と前記ナノフィーチャの上側部分とを覆うインジウムスズ酸化物層を形成し、
    前記ＩＩＩ族窒化物薄膜上に第１の電気接点を形成し、
    前記ポリマー層上に第２の電気接点を形成すること
    によって発光ダイオードを形成するステップ
    をさらに含み、
    前記ナノフィーチャは、ナノワイヤであり、前記半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である、請求項１に記載の方法。
  14. 単一または多重量子井戸ベースのレーザーデバイスを、
    前記ナノフィーチャの上にｎ型またはｐ型層を成長させ、
    前記ｎ型またはｐ型層上に前記多重量子井戸を成長させ、
    前記多重量子井戸の上にｐ型またはｎ型層を成長させることによって
    形成するステップ
    をさらに含み、
    前記ナノフィーチャは、ナノワイヤであり、前記半導体材料は、ＩＩＩ族窒化物材料である、請求項１に記載の方法。
  15. 半導体デバイス（３００）であって、
    基板（１０５）と、
    前記基板（１０５）上に直接形成されたナノ層（３０７）と、
    前記ナノ層（３０７）上に配置されている半導体、多結晶、濡れ層（３０９）と、
    前記半導体、多結晶、濡れ層（３０９）上に直接配置されている半導体、単結晶ナノワイヤ（３１５）と
    を備え、
    前記半導体、単結晶ナノワイヤ（３１５）には、貫通転位がない、半導体デバイス（３００）。
  16. 前記ナノ層は、前記半導体、多結晶、濡れ層の原子または前記半導体、単結晶ナノワイヤの原子とは異なる原子から作られ、前記半導体、多結晶、濡れ層および前記半導体、単結晶ナノワイヤは、同じ原子から作られる、請求項１５に記載の半導体デバイス。
  17. 前記半導体、単結晶ナノワイヤの一部のみを被覆するペロブスカイト層と、
    前記ペロブスカイト層上に配置されている第１の電気接点と、
    光検出器または太陽電池を得るために、前記基板上に、または前記ペロブスカイト層によって被覆されていない半導体単結晶ナノワイヤ上に配置されている第２の電気接点と
    をさらに備える、請求項１５に記載の半導体デバイス。
  18. 前記半導体、単結晶ナノワイヤの下側部分を覆うポリマー層と、
    前記ポリマー層と前記半導体、単結晶ナノワイヤの上側部分とを覆うインジウムスズ酸化物層と、
    前記インジウムスズ酸化物層上に配置されている第１の電気接点と、
    前記ポリマー層上に配置されている第２の電気接点と
    をさらに備え、
    発光ダイオード（１１００）を得るために、前記半導体、多結晶、濡れ層は、ｐ型であり、前記半導体、単結晶ナノワイヤは、ｎ型である、請求項１５に記載の半導体デバイス。
  19. 前記半導体、単結晶ナノワイヤの上に直接形成されるｎ型層と、
    前記ｎ型層上に形成される単一または多重量子井戸と、
    レーザーデバイス（１２００）を得るために前記単一または多重量子井戸上に形成されるｐ型層と
    をさらに備える、請求項１５に記載の半導体デバイス。
  20. 所与の半導体、単結晶ナノワイヤの側部は、前記単一または多重量子井戸で被覆される、請求項１９に記載の半導体デバイス。
  21. 所与の半導体、単結晶ナノワイヤは、前記単一または多重量子井戸を含むように成長させられる、請求項１９に記載の半導体デバイス。
  22. 前記濡れ層および前記ナノワイヤの半導体材料は、アルミニウム、ガリウム、インジウム、またはホウ素を含むＩＩＩ族窒化物材料であり、前記基板は、Ｓｉ、またはＧａＮ、またはサファイア、またはＭＸｅｎｅ、またはグラフェン、またはＭｏＳ２、またはＷＳｅ２から作られる、請求項１５に記載の半導体デバイス。
JP2021546339A 2019-02-10 2020-02-10 シーディングまたは触媒を使わずにパルスレーザー堆積法によって成長させた無転位半導体ナノ構造 Pending JP2022519737A (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962803515P 2019-02-10 2019-02-10
US62/803,515 2019-02-10
US201962948998P 2019-12-17 2019-12-17
US62/948,998 2019-12-17
PCT/IB2020/051028 WO2020161685A1 (en) 2019-02-10 2020-02-10 Dislocation free semiconductor nanostructures grown by pulse laser deposition with no seeding or catalyst

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022519737A true JP2022519737A (ja) 2022-03-24

Family

ID=69724010

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021546339A Pending JP2022519737A (ja) 2019-02-10 2020-02-10 シーディングまたは触媒を使わずにパルスレーザー堆積法によって成長させた無転位半導体ナノ構造

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220108887A1 (ja)
EP (1) EP3921873A1 (ja)
JP (1) JP2022519737A (ja)
WO (1) WO2020161685A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113097315B (zh) * 2021-03-30 2022-10-11 电子科技大学 利用MXene-GaN肖特基结的MSM多量子阱光电探测器及其制备方法
CN116705889B (zh) * 2023-06-28 2024-02-27 北京科技大学 梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009009612A2 (en) * 2007-07-09 2009-01-15 Nanocrystal, Llc Growth of self-assembled gan nanowires and application in nitride semiconductor bulk material
WO2016030746A1 (en) * 2014-08-26 2016-03-03 King Abdullah University Of Science And Technology Synthesis of vertically aligned metal oxide nanostructures
EP3365480A1 (en) * 2015-10-20 2018-08-29 King Abdullah University Of Science And Technology Nanowires-based light emitters on thermally and electrically conductive substrates and of making same

Also Published As

Publication number Publication date
US20220108887A1 (en) 2022-04-07
EP3921873A1 (en) 2021-12-15
WO2020161685A1 (en) 2020-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ye et al. Co-doping: an effective strategy for achieving stable p-type ZnO thin films
JP4164563B2 (ja) 酸化物半導体ｐｎ接合デバイス及びその製造方法
US20120061660A1 (en) ZnO NANOSTRUCTURE-BASED LIGHT EMITTING DEVICE
US8546797B2 (en) Zinc oxide based compound semiconductor device
Kang et al. Ultraviolet-C photodetector fabricated using Si-doped n-AlGaN nanorods grown by MOCVD
Alwadai et al. Catalyst-free vertical ZnO-nanotube array grown on p-GaN for UV-light-emitting devices
Ling et al. Electroluminescence from a n-ZnO nanorod/p-CuAlO2 heterojunction light-emitting diode
Kishwar et al. A comparative study of the electrodeposition and the aqueous chemical growth techniques for the utilization of ZnO nanorods on p-GaN for white light emitting diodes
US20190172960A1 (en) Solar cells and methods of making solar cells
KR101865755B1 (ko) h-BN을 보호층으로 사용하는 봉지 재료 및 이의 제조방법
KR100746121B1 (ko) 발광 다이오드
JP2022519737A (ja) シーディングまたは触媒を使わずにパルスレーザー堆積法によって成長させた無転位半導体ナノ構造
Sankaranarayanan et al. Catalytic growth of gallium nitride nanowires on wet chemically etched substrates by chemical vapor deposition
Jangir et al. Zinc oxide-based light-emitting diodes and lasers
Dwivedi et al. Oblique angle deposited InN quantum dots array for infrared detection
Fakhri et al. Preparation of GaN/Porous silicon heterojunction photodetector by laser deposition technique
Chen et al. Structure and Ultraviolet Electroluminescence of $ n\hbox {-ZnO/SiO} _ {2}\hbox {-ZnO} $ Nanocomposite/$ p $-GaN Heterostructure Light-Emitting Diodes
JP3605643B2 (ja) 酸化亜鉛系薄膜の成長方法
Fong et al. Sol-gel-derived gallium nitride thin films for ultraviolet photodetection
US8294146B2 (en) ZnO-containing semiconductor layer and device using the same
Kumar et al. Hybrid 1D Semiconducting ZnO and GaN Nanostructures for Light‐Emitting Devices
KR100693129B1 (ko) ｐｎ 접합 ＧａＮ 나노막대 ＬＥＤ 제조방법
Anwar et al. ZnMgO solar blind detectors: from material to systems
Hsueh et al. Crabwise ZnO nanowire UV photodetector prepared on ZnO: Ga/glass template
Nawwar et al. Towards white light laser emission based on strained Poly:(Si/Ge)

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230116

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240125

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240205

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240502