JP2022551102A - 立方晶ＧａＮの量子細線からの偏光発光 - Google Patents

Abstract

半導体構造は、第１のバンドギャップを有する第１の立方晶ＩＩＩ族窒化物を有するマトリックスと、第２のバンドギャップを有し、マトリックス内に埋め込まれた領域を形成する第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物とを含む。第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物は、第１のバンドギャップに対して第２のバンドギャップを減少させる合金材料を含み、量子細線は、マトリックス内に埋め込まれた領域内の部分によって定義され、当該部分は、１次元電荷キャリア閉じ込めチャネルを形成し、量子細線は、光学的に偏光されたルミネッセンス発光を示すように動作可能である。

Description

本開示は、一般に、ルミネッセンス発光を示す立方晶ＩＩＩ族窒化物半導体、特に、排他的ではないが、立方晶ＩＩＩ族窒化物半導体の構造における量子細線に関する。

立方晶／せん亜鉛鉱型相のＧａＮ関連構造は、より広く知られているウルツ鉱型／六方晶系ＧａＮ半導体の有望な代替品として知られており、長波長（緑の琥珀色と赤を含む）ＬＥＤの効率を改善するために使用できる。ＧａＮを含むものなどの半導体は、光発光及び電気発光特性を生じさせることが知られており、そのような半導体は、ＬＥＤ又はフォトダイオードデバイスで使用することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体は、一般に、ＬＥＤや、青、グリーン、赤のスペクトル領域で発光するレーザーダイオードなど、幅広い光電子の用途を提供する。ただし、従来のＬＥＤ光源は、ディスプレイテクノロジーで使用する場合、個別の偏光フィルターを必要とし、これは必然的に光の透過率を低下させ、システムの効率を低下させる。したがって、ＬＤ又はＬＣＤディスプレイ、あるいは偏光光源を必要とする他のそのようなデバイスで使用するための偏光光源を入手することは有利である。

さらに、半導体は、より大きなバンドギャップ及び（比較的）より小さなバンドギャップの半導体の領域を配置することによって、いわゆる「量子細線」（Ｑワイヤ）を作成するように配置することができる。量子細線は、一般に、電荷キャリア、すなわち、電子及び／又は正孔が、２つの直交する次元に閉じ込められているが、第３の直交する次元では自由に移動できる材料の領域と考えることができる。電荷キャリアのこの閉じ込めは、量子細線内の一連の量子化された（又は実質的に量子化された）エネルギー状態の形成につながる。

既知の技術では、量子細線が低温で発光を示す可能性があることが観察されている。しかし、以下に説明するように、様々な立方晶ＩＩＩ族窒化物半導体から生じる発光特性は、当技術分野で一般に未知であるか、又はまだ十分に理解されていない。

本開示は、半導体デバイス、特に立方晶ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスから偏光光源を確実に生成するという問題を解決することを目的としている。

量子細線は１次元（１Ｄ）構造であり、２次元で電荷キャリアの量子閉じ込めを示す（電荷キャリアは１Ｄでのみ自由に移動できる）。これは、１次元で電荷キャリアの量子閉じ込めを示す２次元（２Ｄ）構造である量子井戸（電荷キャリアは２Ｄで自由に移動できる）、及び電荷キャリアはすべての可能な次元に閉じ込められている０次元構造（０Ｄ）である量子ドットとは対照的である。

以下の開示において、量子井戸内の立方晶ＩＩＩ族窒化物系の量子細線から偏光された発光を得ることが可能であることが実証されている。これがＬＥＤ構造で達成できる場合、これはディスプレイやその他の用途での効率を改善するための道を提供する。現在、標準の（偏光されていない）ＬＥＤがＬＣＤディスプレイのバックライト光源として使用されている。これらのディスプレイは偏光に依存しているため、現在、これは非偏光光源の前に偏光フィルムを配置することによって実現されている。これは、標準のバックライト光源から発光される光の５０％が無駄になることを意味する。偏光光源を実現できれば、これは、発光された光エネルギーのより多くをディスプレイで有利に使用できることを意味し、したがって、より効率的なディスプレイをもたらす。これにより、ポータブルデバイスのバッテリー寿命が延びる。したがって、立方晶ＧａＮのＬＥＤからの効率向上の可能性（特にグリーン、琥珀、及び／又は赤などのより長い波長で）と組み合わされた偏光発光は、ディスプレイ用途で大きな利点を提供する。偏光光源が使用される他の幅広い用途もあり、したがって、偏光立方晶ＧａＮのＬＥＤから利益を得る他の適切な用途の範囲がある。

本開示の一側面によれば、第１のバンドギャップを有する第１の立方晶ＩＩＩ族窒化物を含むマトリックスと、第２のバンドギャップを有し、前記マトリックス内に埋め込まれた領域を形成する第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物であって、前記第１のバンドギャップに対して前記第２のバンドギャップを減少させる合金材料を含む第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物とを含む半導体構造が提供される。半導体構造は、前記マトリックス内に埋め込まれた領域内で、１次元電荷キャリア閉じ込めチャネルを形成する部分によって定義される量子細線をさらに含み、前記量子細線は、光学的に偏光されたルミネッセンス発光を示すように動作可能である。

量子細線を定義する、マトリックス内に埋め込まれた領域内の部分は、合金材料の一部を有し得、これは、埋め込まれた領域の残りの部分と比較してさらに増加している。

合金材料は、１つ又は複数の元素を含み得、マトリックスの構造に相応であり得る（すなわち、立方晶であり、おそらく同じ又は実質的に同様の格子定数を有する）ことが当業者によって理解される。合金材料は、マトリックス中の元素と比較して、１つ又は複数の元素の濃縮又は実際の枯渇を含み得る。例えば、マトリックスは、３元材料（例えば、ＡｌＧａＮ）を含み得、そして、低バンドギャップの埋め込まれた領域は、２元合金（ＧａＮ）を含み得る。したがって、合金材料は、マトリックスに比べてＧａＮが濃縮されている。

さらに、合金材料は、好ましくは、マトリックスを構成する元素と同価である。合金材料が特定の元素の任意の増加した割合を含み得ることが当業者によってさらに理解される。単に例示として、マトリックスは、ＧａＮを含み得、そしてマトリックス内の埋め込まれた領域は、ＩｎＧａＮを含み得る。ここで、Ｉｎは最低１％、最大８０％の割合であるが、この範囲内にあることに限定されず、９９％まで高くてもよい。この場合、合金材料はインジウムであり、マトリックスと比較して、埋め込まれた領域に濃縮物として提供される。あるいは、マトリックスはＡｌＮを含み得、そして埋め込まれた領域は、ＡｌＧａＮ又はＢＧａＮなどのより低いバンドギャップを有するように合金化された適切なマトリックス材料を含み得る。

さらに、立方晶ＩＩＩ族窒化物マトリックスは、一般に、立方晶構造において、（Ａｌ）（Ｇａ）（Ｉｎ）（Ｂ）Ｎから構成される適切な組み合わせを含むことが理解される。マトリックス内の埋め込まれた領域は合金材料を含み、したがって、マトリックスに対して異なる比率の元素を有する（Ａｌ）（Ｇａ）（Ｉｎ）（Ｂ）Ｎの適切な組み合わせを含む。ここで、異なる比率は、第２のバンドギャップが第１のバンドギャップよりも低くなるようなものである。バンドギャップの減少をもたらす異なる比率は、量子細線を定義する埋め込まれた領域内の部分にも適用されることが理解される。以下の例では、バンドギャップの減少をもたらすさまざまな適切な組み合わせについて説明する。

上記の半導体構造は、以下の特徴のいずれかを、単独で又は組み合わせて含むことができる。

構造は、マトリックス内に埋め込まれた領域によって定義される量子井戸をさらに含み得、領域は、マトリックス内に埋め込まれた層を形成する。

上記によれば、マトリックスは立方晶窒化ガリウムを含み得、マトリックスに埋め込まれた領域は、インジウムリッチな立方晶窒化ガリウムを含み得る。インジウムは、マトリックスのバンドギャップと比較して、埋め込まれた領域のバンドギャップを低減する。埋め込まれた領域内の部分によって定義される量子細線は、埋め込まれた領域に対してさらに濃縮された割合のインジウムを含む領域を含み得る。このさらにインジウムリッチな領域は、電荷キャリアが２次元で閉じ込められる電荷キャリア閉じ込めチャネルを形成し、量子細線は、光学的に偏光されたルミネッセンス発光（例えば、光発光又は電気発光）を示すように動作可能である。さらに、マトリックスは、少なくとも２つの層に形成され得、その中に埋め込まれた領域が埋め込まれ、埋め込まれた領域は、量子井戸を規定する層である。

電荷キャリア閉じ込めチャネルは、キャリアが１次元（１Ｄ）でのみ自由に移動できるようにキャリアを閉じ込め、光学偏光された光は線形に偏光され得る。ここで、線形偏光の平面は、量子細線の方向と同じ方向にあり得る。有利なことに、電子（負電荷）又は正孔（正電荷キャリア）であり得る１次元での電荷キャリアの閉じ込めは、１次元で移動するように閉じ込められ又は実質的に閉じ込められる結果として偏光発光を引き起こす。

「立方晶」は、面心立方（Ｆａｃｅ Ｃｅｎｔｒｅｄ Ｃｕｂｉｃ、ＦＣＣ）の結晶構造、言い換えれば、せん亜鉛鉱型結晶構造を指すことが理解される。結晶構造は、任意の第ＩＩＩ族と第Ｖ族元素、好ましくは任意の第ＩＩＩ族元素と窒素（すなわちＩＩＩ族窒化物）を組み合わせることによって形成することができる。これらの第ＩＩＩ族元素は、ガリウム、インジウム、アルミニウム、又はホウ素であり、組み合わせて、２元、３元、４元、又は５元の合金（例えば、（Ａｌ）（Ｇａ）（Ｉｎ）（Ｂ）Ｎの任意の組み合わせ）を形成することができる。合金材料は、一般に、任意の適切な第ＩＩＩ族の元素又は複数の元素であり得、好ましくは、合金化／濃縮元素が、格子の安定性を破壊するほど大きくないようなものであり得る。さらに、上記のように、合金材料は、一般に、（第１のバンドギャップを有する）マトリックスと比較して減少した第２のバンドギャップをもたらす少なくとも１つの第ＩＩＩ族元素を含む。

半導体構造は、マトリックス内に埋め込まれた領域によって定義される量子井戸をさらに含み得、埋め込まれた領域は、マトリックス内に埋め込まれた層を形成する。

埋め込まれた領域は、マトリックス内に連続チャネル又は内包を形成し得る。したがって、量子井戸を定義する埋め込まれた層は、マトリックスの分離された層の間に挟まれた層であり得る。さらに、量子井戸／埋め込まれた層の平面の配向は、量子細線の配向と同じ方向に配向され得る。

半導体構造の合金材料はインジウムであり得る。好ましい実施形態では、（マトリックス中のＧａＮと比較して）埋め込まれた領域内のインジウムの割合は、約０．０１～０．４０（１％～４０％）の間であり得る。

量子細線を定義する埋め込まれた領域の部分は、合金材料の濃度の局所的な増加を含み得る。すなわち、量子細線は、埋め込まれた領域の組成の残りの部分における合金材料の割合と比較して、合金材料の割合が増加して構成され得る。

さらに、合金材料の濃度の局所的な増加は、半導体構造の積層欠陥と量子井戸との間の交差に局所的である可能性がある。いくつかの例では、合金材料の割合濃度（インジウムであり得る）は、埋め込まれた領域／層における合金材料の平均割合の約２倍であり得る。

量子細線を定義する埋め込まれた領域の部分はさらに／代わりに、量子井戸を定義する埋め込まれた層の幅の局所的な変動を含み得る。埋め込まれた層の幅の前記変動は、電荷キャリアの閉じ込めを引き起こし、それによって、それらは１次元でのみ大きく移動することができ、その結果、偏光発光を放出するように動作可能な量子細線が生じることが理解される。

局所変動の寸法は、好ましくは２ｎｍより大きい。

初期の量子井戸幅に応じて、約２及び３ｎｍを超える井戸幅の変化は、より高い電子状態を熱的に占有するために必要なエネルギー量を超える、電子基底状態間のエネルギー差をもたらす。したがって、有利には、熱励起が低く、発光の強度がより温度に依存しないように、電子は十分に閉じ込められる。

好ましい例では、量子井戸を定義する埋め込まれた層の幅は、２ｎｍ以上１４ｎｍ以下の幅の間で変動し得る。量子井戸の平均幅は、約４ｎｍから８ｎｍの間で変動し得る。

さらに、量子細線のキャリア閉じ込めチャネルに閉じ込められた電荷キャリアは、好ましくは電子である。すなわち、電子は、井戸幅の変動内で１次元にのみ移動するように強く閉じ込められる可能性が高くなる。井戸幅の変動により、正孔が強く閉じ込められない場合がある。

あるいは、量子細線を定義する、埋め込まれた領域の部分は、合金材料を含む埋め込まれた領域のチャネルによって定義され得、チャネルはマトリックスを通って延びる。言い換えれば、量子細線は、合金材料を有する埋め込まれた領域の一部によって定義され得、これは、マトリックスを通る又はマトリックス内で、物理的な細線のような構造、又は通路、又はチャネルを形成する。

一般に、埋め込まれた領域の合金材料の割合は、約２０％を超える場合がある（特に、埋め込まれた領域がマトリックス内に埋め込まれた層を形成し、量子井戸を定義する場合）。いくつかの例では、マトリックスはＧａＮであり、マトリックスに埋め込まれた領域はＩｎＧａＮであり、合金材料はＩｎである。上記のように、合金材料は、マトリックス中の元素と比較して、１つ又は複数の元素の濃縮又は実際の枯渇を含み得る。さらに、マトリックスに埋め込まれた領域のバンドギャップを減少させるために、マトリックスに応じて特定の合金材料のみが適切であることが理解される。例えば、ＧａＮをＩｎと合金化するとバンドギャップが減少するが、ＧａＮとＡｌを合金化するとバンドギャップが増加する。さらなる例を以下の説明に示す。

有利なことに、量子細線中のより高いインジウム含有量は、発光の偏光度への温度依存性を低減する。言い換えれば、基底状態であり得る第１の状態と励起状態であり得る第２の状態との間のエネルギー分割が拡大され、したがって、熱励起が減少し、励起状態への熱占有が減少する。

より一般的には、量子細線のキャリア閉じ込めチャネルは、第１の電子状態及び第２の電子状態を有し得、前述の状態間のエネルギーの差は、特徴的な熱エネルギーよりも大きく、これにより、状態間の熱的に誘発された遷移の可能性が減少する。このエネルギーの差は、特定の例では約２５ｍｅＶを超える場合がある。

また、有利には、これらの状態（例えば、電子基底状態と励起状態）の間の２５ｍｅＶを超えるエネルギーの差は、熱励起を大幅に低減し、したがって偏光度の温度依存性を低減する。２６ｍｅＶは室温での典型的な熱エネルギーであり、特徴的な熱エネルギーに関係していることが理解される。あるいは、第１及び第２の状態は、量子井戸の基底状態（理論的には無限の長さを有する）及び有限の長さを有する第２の量子井戸（したがって、電荷キャリア閉じ込めチャネルとして機能する）として振る舞う局所変動の基底状態であり得る。

好ましい実施形態では、量子細線の平均断面寸法は、約１０ｎｍより小さく、約２ｎｍより大きい。約５ｎｍの量子細線の寸法が好ましい場合がある。平均寸法又は平均断面寸法は、細線の１つの横方向の寸法の幅、細線の２つの横方向の幅の平均、細線の断面によって定義される四辺形の２つの角の間の対角線の長さ、又は量子細線の断面のサイズの任意の適切な尺度を指す場合がある。細線の長さは、細線の平均断面寸法に比べて長くなることが理解される。

上記の例、特に好ましい合金組成及び量子井戸寸法によれば、本開示はまた、偏光度及び／又は発光強度が実質的に温度に依存しない半導体構造又はデバイスを製造する問題に対処し、克服しようとする。量子細線の断面寸法は、正孔の２次元の閉じ込めに影響を与える場合がある；キャリア基底状態と量子井戸の間のエネルギー差が大きくなるため、量子細線がますます大きくなると、量子細線からの熱励起が減少する可能性がある。ただし、量子細線が大きいほど、量子細線の励起状態の熱占有率が高くなる可能性がある。これは、細線の基底状態と励起状態の間のエネルギー分離が低くなる可能性があるためである。したがって、励起状態の熱占有が増加すると、温度に依存する好ましくない偏光をもたらす可能性がある。

したがって、偏光の温度非依存性を確保するために、いくつかの例（例えば、量子細線が積層欠陥と量子井戸の交差の結果である場合）では、より小さな量子細線が好ましい場合がある。他の例では、量子細線からの熱励起の減少による競合効果のバランスを取り、励起状態の熱占有を増加させるために、サイズのバランスをとる必要がある。

ただし、量子細線が広いと、キャリアの基底状態と量子井戸の間のエネルギー差が大きくなるため、量子細線からの熱励起が減少する。しかし、量子細線の幅が広いと、細線の基底状態と励起状態の間のエネルギー分離が低くなり、細線内の励起状態の熱占有率が高くなり、温度に依存する偏光が発生する。

本発明のさらに関連する態様によれば、前述の態様及び例のいずれかによる半導体構造を組み込んだ半導体デバイスが提供され、ここで、半導体デバイスは、以下を含む群から選択される：垂直共振器面発光レーザー（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）、ＶＣＳＥＬ；レーザー；センサー。

半導体デバイスは、立方晶炭化ケイ素（３Ｃ ＳｉＣ）、あるいは、シリコン、ＧａＡｓなどの適切な立方晶半導体を含む基板をさらに含み得、又は、特に、基板は、Ｓｉ上の炭化ケイ素であり得、これは、［００１］Ｓｉ上の３Ｃ－ＳｉＣであり得る。

デバイスは、基板の表面上に配置されたマトリックス材料の電子リッチ層；電子リッチ層の表面に配置された、マトリックスとマトリックス内に埋め込まれた領域によって定義される光学活性領域；及び光学活性領域の表面に配置されたマトリックス材料の電子不足層をさらに含み得る。この構造は、一般にＬＥＤを表すことができ、当業者に知られているように、歪み緩和、転位又は点欠陥フィルタリング、又はキャリア輸送の制御のための他の要素又は材料を含むことができる。ＬＥＤなどに関連する上記の半導体構造は、光学活性領域から光学活性／ルミネッセンスを誘導するダイオード（すなわち、ｐ－ｎ接合）を定義することがさらに理解される。

一般に、電子不足層（あるいは、正孔リッチ層）は、ｐ型半導体層に関係し、電子リッチ層は、ｎ型半導体に関係する。

光学活性領域は、量子井戸、すなわち、より低いバンドギャップ材料の層を埋め込んだ２層のマトリックス材料、及び偏光発光を示す量子井戸内に含まれる量子細線によって定義されることが理解される。さらに、複数の光学活性層／量子井戸が、ＬＥＤなどのデバイス内に存在し得ることが理解される。

さらに、基板は、セラミック又は単結晶シリコンなどの複数の層を含み得、その上に炭化ケイ素層があり、これは、好ましい例では、立方晶（３Ｃ）炭化ケイ素であり得る。有利には、窒化ガリウムに相応する（立方晶）結晶構造を有するシリコン基板上の炭化ケイ素は、基板上のＧａＮ構造の直接製造を可能にし得る。基板の直径は、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、又は従来のウェーハ加工工場で利用可能な大量生産能力に見合った任意のサイズであり得る。

さらに、半導体構造は、光学活性領域のいずれかの側に配置された光学閉じ込め層をさらに含み得る。この構造は、一般に、レーザーダイオードデバイスの構造に関連している。

本発明の別の関連する態様によれば、半導体デバイスを製造する方法が提供される。この方法は、第１のバンドギャップを有する第１の立方晶ＩＩＩ族窒化物を含むマトリックスを形成すること、第２のバンドギャップを有し、前記マトリックス内に埋め込まれた領域を形成する第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物であって、前記第１のバンドギャップに対して前記第２のバンドギャップを減少させる合金材料を含む第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物を形成すること、及び、量子細線を定義する、前記マトリックス内に埋め込まれた領域内の部分であって、１次元電荷キャリア閉じ込めチャネルを形成する部分を形成することを含む。

この方法は、量子井戸を定義する、マトリックス内の埋め込まれた層として、マトリックス内に埋め込まれた領域を形成することをさらに含み得る。

上記の態様によれば、形成された半導体デバイスは、以下を含む群から選択され得る：発光ダイオード（ＬＥＤ）；垂直共振器面発光レーザー、ＶＣＳＥＬ；レーザー；センサー。

半導体デバイスを製造する方法は、さらに以下を含み得る：立方晶炭化ケイ素を含む基板を形成すること、前記基板の表面に配置された、マトリックス材料の電子リッチ層を形成すること、前記電子リッチ層の表面に配置された、前記マトリックス及び前記マトリックス内に埋め込まれた領域によって定義される光学活性領域を形成すること、前記光学活性領域の表面に配置されたマトリックス材料の電子不足層を形成すること。

半導体デバイスを製造する方法は、光学活性領域の第１及び第２の表面のそれぞれに配置された光学閉じ込め層を形成することをさらに含み得る。

以下の構造に起因する発光特性（すなわち、光発光又は電気発光）に関連するさらなる利点は、以下の説明で明らかになる。例えば、記載された構造／デバイスの表面から発光された光は偏光され、これにより、本明細書に記載の半導体構造から作製されたＬＥＤを通常の（表面発光）フォーマットで使用することが可能になり、したがって、エッジ発光ＬＥＤデバイスを製造する必要がなくなる。

本開示のこれら及び他の態様は、添付の図を参照して、例としてのみさらに説明される。

図１は、高バンドギャップ材料に包まれた低バンドギャップ材料から形成された量子井戸と量子細線をそれぞれ示す。 図２は、図１の一般的な例に示されているようなＧａＮ及び窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）構造の、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）オーバーレイを挿入した透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。 図３は、図１に示すようなＧａＮとＩｎＧａＮの量子細線を含むモデルの発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）構造を示す。 図４は、図１に示すようなＧａＮとＩｎＧａＮの量子細線を含むレーザーダイオード構造を示す。 図５ａは、量子細線を形成する幅変動を伴う量子井戸の概略エネルギーポテンシャル図を示す。 図５ｂは、８ｎｍの井戸を備えたせん亜鉛鉱型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸サンプルの透過型電子顕微鏡画像を示し、井戸の幅の変動を示す。 図６は、積層欠陥と量子井戸との相互作用の周りのインジウムリッチ領域から生じる量子細線の伝導帯の概略的なエネルギーポテンシャルを示す。 図７は、幅４ｎｍのＩｎリッチ領域を持つ８ｎｍの量子井戸のモデルエネルギーポテンシャルに対して解かれた電子と正孔の波動関数の解を示す。 図８は、図７の波動関数に対応する、幅４ｎｍのインジウムリッチ領域を持つ８ｎｍの量子井戸の伝導帯と価電子帯の簡略化された全エネルギーポテンシャルを示す。 図９は、さまざまな寸法とインジウム分率を持つ量子細線のセットの電子特性の表形式の結果を示す。 図１０は、量子井戸をエッチングすることによって生成された量子細線の概略図である。 図１１は、異なる断面サイズ（対角線の長さによって定義される）及びインジウム含有量のＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸をエッチングすることによって作成された長方形の量子細線の計算された正孔基底状態エネルギー（四角）と第２励起正孔状態エネルギー（丸）のグラフを示す。 図１２は、それぞれが２ｎｍの厚さの５つの量子井戸を持つＩｎＧａＮサンプルを含む立方晶ＧａＮの１０ケルビンで取得された実験的なフォトルミネッセンススペクトルのグラフを示す。 図１３ａ及び１３ｂは、それぞれ、図１２に示すピークに対応する、正規化された強度及び偏光度の温度依存性を示す。 図１４は、ＧａＮ結晶から生成された異なる幅の量子井戸の４つの室温フォトルミネッセンススペクトルを表示するグラフを示す。 図１５は、６ｎｍ幅の量子井戸の１０Ｋで生成されたフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル（実線）と、２つの異なる吸収端を示す対応するＰＬ励起（ＰＬＥ）スペクトル（破線）を表示するグラフを示す。 図１６は、幅２ｎｍの量子井戸から生成された１０ＫでのＧａＮ／ＩｎＧａＮ結晶からのフォトルミネッセンス時間の減衰を示す。 図１７は、異なる幅の立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の４つの発光減衰時間を表示するグラフを示す。 図１８は、幅の異なる４つの立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸のフォトルミネッセンススペクトルを示す。 図１９は、インジウム含有量とウェルの寸法が変化する立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸に関して、１０Ｋに対する３００Ｋでの量子井戸からの発光の直線偏光度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ、ＤＯＬＰ）の比率の計算された２Ｄマップを示す。

次に、本開示及び本開示の特定の実施形態を、以下の非限定的な例を参照して説明する。

図１は、半導体構造内に含まれる量子井戸１００（Ｑｗｅｌｌ）と量子細線１０２（Ｑｗｉｒｅ）をそれぞれ示す。一般に、量子井戸は、２つの高バンドギャップ材料の間に低バンドギャップ材料を挟むことによって形成することができる。図１では、量子井戸１００は、窒化ガリウムなどの高バンドギャップマトリックス１０６の間に、合金元素／材料インジウムであるＩｎＧａＮをさらに含む窒化ガリウム（ＧａＮ）などの低バンドギャップ材料１０４の層を包むことによって生成される。量子井戸１００は、一般に、より高いバンドギャップのマトリックス材料１０６が、より低いバンドギャップ材料１０４の層を埋め込む／取り囲むことによって形成される。埋め込まれた領域を取り囲むより高いバンドギャップのマトリックス材料は、代わりにバリアと呼ばれることがある。

一般に、任意の適切な第ＩＩＩ族元素（例えば、量子井戸を取り囲むマトリックス材料１０６がＧａＮである場合のインジウム）を使用して、ＧａＮ半導体に量子井戸を作成するために中心層１０４を濃縮することができる。より大きいＩｎ原子は、中央層のバンドギャップを減らす効果がある。

例えば、量子井戸の層１０４（埋め込まれた領域）及び周囲の層１０６（マトリックス）の他の選択肢は次のとおりである：Ｇａが不足しているＡｌＧａＮ（１０６）に埋め込まれたＧａがリッチなＡｌＧａＮ（１０４）；ＢＧａＮ（１０６）に埋め込まれたＡｌＧａＮ（１０４）；及びインジウムが不足しているＩｎＧａＮ（１０６）に埋め込まれたインジウムがリッチなＩｎＧａＮ（１０４）。量子井戸層１０４で使用される低バンドギャップ材料（例えば、ＩｎＧａＮ）の組成は、２％～４０％のインジウムの間で変化する可能性があり、いくつかの例ではそれ以上に変化する可能性がある。ＧａＮ半導体のインジウム分率の好ましい例を以下に詳述する。

次に、量子細線は、電子が２次元に閉じ込められ、１次元でのみ自由に動くことができる横断チャネル１０２を作成するために、低バンドギャップ材料１０４の長さ又は部分を除去することによって製造され得る。

量子細線は、さまざまな形状と構成に準拠していると理解され、図に示されている量子細線に限定されない。例えば、他の適切な量子細線のような構造が存在する：切り縮められた量子細線；量子ダッシュ；ずんぐりした量子細線；細長い量子ドット；又は拡張量子ドット。

図２は、図１の一般的な例に示されているような、ＧａＮ１０６及びＩｎＧａＮ１０４構造の、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）オーバーレイを挿入した実験用透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。インジウム（Ｉｎ）リッチなＧａＮ１０４を含む量子井戸２００は、グラフの軸で示されているように、ＧａＮ結晶の［１１０］方向に沿って整列する。量子細線２０２は、量子井戸２００が、下にあるＧａＮ結晶内の既存の積層欠陥（ＳＦ）２０４と交差するところに、示される画像で形成されている。ＥＤＸオーバーレイで強調表示された領域２０２は、さらに濃縮されたＩｎ領域を示している。すなわち、量子井戸２００と積層欠陥２０４との交差で、ＩｎＧａＮ量子井戸は、インジウムがさらに濃縮され得、これにより、量子細線２０２が生じ得る。

ここに示されているＧａＮ結晶は、立方晶又はせん亜鉛鉱型のＧａＮ（ｚｂ－ＧａＮ）である。通常、ＧａＮ結晶構造は、熱力学的に安定した状態であるため、自然に六方晶又はウルツ鉱型の構造になる。Ｚｂ－ＧａＮはＧａＮの準安定状態であるが、特定の条件下で製造され得る。例えば、本発明者らは、（例えば）有機金属気相エピタキシー（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｕｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＯＶＰＥ）（有機金属化学蒸着（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）としても知られる）を使用して、シリコン基板上の炭化ケイ素の［００１］表面上にｚｂ－ＧａＮを成長させることができることを特定した。あるいは、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＢＥ）や水素化物気相エピタキシー（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｕｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、ＨＶＰＥ）などの他の成長技術を使用することもできる。

図２のＴＥＭ画像は、結晶の基礎となる粗さ（積層欠陥とは別）によって引き起こされる量子井戸の大きな歪みを示す。この例では、量子井戸の平均幅は８ｎｍであるが、この幅は量子井戸の長さに沿って約４ｎｍ～１２ｎｍの間で変化し得る。これらの幅の歪みは、１次元でのみ発生し（すなわち、細線の長さを横切って、図示のように［００１］方向に）、キャリアがさらに閉じ込められる可能性がある。これにより、量子細線（Ｑｗｉｒｅ）のような構造が図に（［１－１０］方向に）入る。この場合も、量子細線の基底状態からの発光により、細線の長さに沿って偏光発光が発生する。この幅歪み現象からのモデリング結果については、図５に関して、以下でさらに詳しく説明する。

したがって、一般的に、そして以下により詳細に説明するように、量子細線は、基礎となる結晶粗さから形成され得、これは、量子井戸の幅に局所的な歪み又は変動を生じさせる。具体的には、立方晶ＧａＮ結晶を製造するために使用される温度及びアニーリング係数は、結晶の成分に固有の異方性拡散を利用するように調整することができる。結果として、結晶は分子レベルで隆起又は波形を形成する可能性があり、これは、量子細線の形成に寄与する変動及び／又は積層欠陥を引き起こす可能性がある。

あるいは、図２では、積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｎｇ ｆａｕｌｔ、ＳＦ）２０４が量子井戸２００と交差し、井戸のインジウム含有量を最大２倍まで局所的に増加させる。これらは、２０２として強調表示されたＩｎリッチ領域に量子細線のような構造をもたらす。生成される量子細線の方向は、示されている結晶の表面に垂直であり、すなわち、［１－１０］方向で図に入る。したがって、量子細線は、電子を［１－１０］方向に１次元に閉じ込め、偏光発光（すなわち、フォトルミネッセンス（ＰＬ）又はエレクトロルミネッセンス発光）を生成する。この積層欠陥現象からのモデリング結果については、図６、７、及び８に関して、以下でさらに詳しく説明する。

さらに、ＳＦは［１１０］方向と［１－１０］方向の両方に存在し得る。これは、量子細線が両方向にも存在する可能性があることを意味する。したがって、［１１０］量子細線から生じる光は特定の方向に偏光されるが、［１１０］直交方向の量子細線は直交方向に光を偏光する。したがって、両方向に同数の量子細線がある場合、正味の偏光は発生しない。しかし、当該例では、ＳＦ密度の異方性は基板のオフカットに関連しており、有益に正味の偏光が発生する。

したがって、別の一般的な例のセットでは、量子細線は、Ｉｎリッチ領域、例えば、積層欠陥を有する量子井戸の交差によって引き起こされるＩｎリッチ領域から形成され得る。

構造例：ＬＥＤ
図３は、量子細線１０４を形成して偏光を放出することができる活性領域を構成する、高バンドギャップ材料１０６（ＩｎＧａｎＮ／ＧａＮなど）の間に挟まれた低バンドギャップストランド１０４を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス３００のモデルを示す。電気接点３０１は、ｐ型ＧａＮなどのｐ型半導体３０２、及びｎ型ＧａＮなどのｎ型半導体３０４の上に配置される。単に例示として、ｐ型ＧａＮはＭｇをドープすることによって製造することができる。ここで、ｐ型ドーパントの量は、例えば、１０¹⁷～１０²⁰ｃｍ^-3の範囲であり得る。ｎ型には、約１０¹⁸～１０²⁰ｃｍ^-3の量のＳｉ又はゼラニウム（Ｇｅ）をドープできる。Ｚｂ－ＧａＮ（すなわち、立方晶ＧａＮ）１０６は、横断するＩｎＧａＮ１０４に含む活性領域の大部分を構成する。ＬＥＤ構造３００は、適切な基板、例えば、３Ｃ－ＳｉＣ（ＳｉＣの唯一の立方晶ポリタイプである）のような炭化ケイ素３０６、純粋なＳｉ３０８、又はＧａＡｓ上に配置される。したがって、立方晶ＧａＮ結晶は、立方晶ＳｉＣ基板上に直接成長させることができる。

光学活性領域に量子細線及び／又は量子井戸を含む本例に記載のＬＥＤ構造は、単に偏光発光又は温度に依存しない偏光発光を提供することを超える他の利点を有する。発光は偏光されるだけでなく、スペクトル的にも広い可能性がある。さらに、この広い発光は、量子井戸の幅を変更することで可視スペクトル全体で調整できる。これは、例えば、広いスペクトルが広い色域を可能にする（すなわち、より白い白の場合）白色ＬＥＤバックライトで使用する場合に有利である。

構造例：レーザーダイオード
図４は、量子細線が活性発光活性領域を構成するレーザーダイオードデバイス４００のモデルを示しており、これもまた、高バンドギャップ材料１０６（ＩｎＧａＮ／ＧａＮなど）の間に挟まれた低バンドギャップストランド１０４から作られる。電気接点３０１はまた、それぞれ、ｐ型半導体３０２及びｎ型半導体３０４上に配置される。ｚｂ－ＧａＮ／ＩｎＧａＮを含み得る活性領域１０４、１０６は、レーザー機能を提供する反射層４０２の間に挟まれている。この場合も、ダイオード構造は、適切な基板、例えば、３Ｃ－ＳｉＣ（ＳｉＣの立方晶ポリタイプ）及び純粋なＳｉ３０８などの炭化ケイ素３０６上に配置又は堆積される。

量子井戸幅変動から形成された量子細線
図５ａは、図２の量子井戸チャネル１０４に見られるような量子井戸幅の歪み／変動によって生成されるものなど、量子井戸幅の局所的な増加によって引き起こされる２次元閉じ込めポテンシャル５００を示す。これらの幅の歪みにより、ｚ方向（図２の［１－１０］結晶方向に対応）に量子細線が作成されるため、偏光発光が生成される。この例では、量子井戸の位置エネルギーの深さ５０６は８０ｍｅＶ、量子井戸の全体的な幅５０４は４ｎｍ（ｙ方向）、幅の変動は、ｘ方向５０２で６ｎｍ、ｙ方向で１０ｎｍである。

この例のポテンシャルを解くために、時間に依存しないシュレディンガー方程式（ｔｉｍｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ、ＴＩＳＥ）を１次元で解いて、さまざまな厚さの量子井戸の重い正孔と電子の基底状態エネルギーを見つけた。これらの量子井戸は、無限の範囲の量子井戸幅歪みとして扱われた。これらの異なる量子井戸の基底状態エネルギーを比較することにより、キャリアが変動内にどれだけ閉じ込められているかの尺度として、井戸の幅変動の内側と外側の基底状態間のエネルギー差の推定値が得られた。

正孔ポテンシャルのＴＩＳＥ計算では、基底状態のエネルギー差が最大約６ｍｅＶになり、これは、正孔が幅変動量子細線に十分に閉じ込められていないことを示している。正孔の有効質量が大きいため、幅の変動による正孔への影響は大きくない。ただし、逆に、正孔はインジウムリッチな変動に局在する可能性が高く、この計算では考慮されていない。

電子の基底状態のエネルギー差は、４ｎｍ～１２ｎｍの量子井戸への変化に対して１００ｍｅＶにもなり得る。したがって、有利には、電子は幅変動構造によって閉じ込められることができ、それにより、１００ｍｅＶという高いエネルギー差は、室温での量子細線からの熱電子放出の速度を著しく低下させることができる。したがって、さらに有利には、立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子細線構造におけるそのような幅変動構造は、温度に依存しない発光強度を示し得る（すなわち、室温で十分に機能し得る）。

ただし、最初の井戸の幅に応じて、２及び３ｎｍ未満の井戸幅の変化は、正孔のエネルギー差に同程度のエネルギー差（約６ｍｅＶ）をもたらすだけである。したがって、これらの電子は十分に閉じ込められない。したがって、井戸の幅の変動が約３ｎｍ未満の場合、室温で熱電子放出の速度が高くなる。したがって、室温に近いより高い温度では、発光の強度は、低温（約１０Ｋ）での値の約１０％に低下する可能性がある。したがって、これらのモデリング結果は、量子井戸が粗いほど、キャリア、特に電子の閉じ込めが強くなる可能性があることを示唆している。したがって、粗い量子井戸は、より滑らかな量子井戸よりも温度に依存しない強度を持つフォトルミネッセンス（ＰＬ）を引き起こす可能性がある。

要約すると、温度に依存しない発光強度が得られるように、量子細線からの電子の熱電子放出を低減するには、約３ｎｍを超える井戸の幅の変化／変動が必要である。ただし、量子井戸歪みは、量子井戸に沿った空間範囲が電子のボーア（Ｂｏｈｒ）半径（約２．５ｎｍ）と同程度であるか、それよりも大きい場合にのみ電子を閉じ込める。

図５ｂは、実際にせん亜鉛鉱型（立方晶）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ１０４量子井戸１００サンプル（平均８ｎｍの量子井戸幅を備える）のＴＥＭ画像を示し、井戸の幅変動５０８を含む。この画像は、量子井戸に対する大きな歪み／変動を示している。この場合、これは結晶の基礎となる粗さによって引き起こされる。したがって、基礎となる結晶粗さは、意図的に製造することができ（すなわち、ＭＯＶＰＥ成長プロセスでアニーリングと成長条件を変更することによって）、これは、特定の温度で結晶に固有のＧａ及びＮ原子の異方性拡散を利用できる。

図５ｂのこの例では、平均量子井戸幅は８ｎｍであるが、これは約４ｎｍ～１２ｎｍの間で変動し得る。量子井戸の幅のこれらの歪みは、１次元でのみ発生し、驚くべきことに、追加のキャリア閉じ込めをもたらし得る。これにより、量子細線（Ｑｗｉｒｅ）のような構造が図に入り、すなわち、凡例に示されているように［１－１０］方向になる）。この場合も、有利には、幅の変動に起因するそのような量子細線の基底状態からの電子及び正孔の再結合は、偏光発光をもたらし、ここで、直線偏光の平面は、細線の長さに沿った方向になる。

インジウムリッチ領域から形成された量子細線
インジウムは、量子細線の形成を引き起こし、したがって（例えば、ｚｂ－ＧａＮ／ＩｎＧａＮ）半導体構造で分極発光を引き起こす合金材料として次の例で使用される例であるが、他の様々な適切な材料、元素、又は結晶を使用することができることは当業者に理解される。一般に、適切な構造を有する任意の適切なせん亜鉛鉱型ＩＩＩ族窒化物が、偏光発光を示す量子細線を生じさせるのに適している可能性がある。

例えば：ホウ素リッチなＧａＮ、ＧａリッチなＡｌＧａＮ、及び適切な第ＩＩＩ族元素又は元素の組み合わせで濃縮／合金化された、一般に任意の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、又はＧａＮがある（ただし、前記濃縮／枯渇／合金化により、周囲のマトリックス材料よりもバンドギャップ材料が狭くなり、キャリアの閉じ込めが誘発される）。すなわち、キャリアは２次元に制限されているため、１次元でのみ自由に移動できる。したがって、マトリックスと埋め込み領域の材料の一般式は、（Ａｌ）（Ｇａ）（Ｉｎ）（Ｂ）Ｎとなり、ここで、量子細線を定義又は構成する埋め込まれた領域は、同じ元素を異なる比率で含むか、追加の材料と合金化することで、バンドギャップの低い材料を生成することができる。

図６は、積層欠陥と量子井戸との相互作用の周りのインジウムリッチ領域から生じる量子細線の伝導帯の概略的なエネルギーポテンシャル６００を示す。インジウムリッチ領域から生じる量子細線の理論的寸法は、ｙ方向６０６で６ｎｍ、ｘ方向６０８で４ｎｍである。量子井戸深度６０４のポテンシャルは７０ｍｅＶであり、システム６０２の総ポテンシャル深さは１５０ｍｅＶである。この量子細線の理論モデリングでは、高インジウム含有領域の空間範囲が積層欠陥自体よりも大きいため、積層欠陥と、積層欠陥のないｚｂ－ＧａＮの間のバンドアラインメントは無視されている。

図７は、電子７０２及び正孔７０４の波動関数の解を表示するグラフ７００を示し、状態のエネルギーによって７０６をオフセットし、４ｎｍ幅のＩｎリッチ領域を持つ８ｎｍの量子井戸のモデルエネルギーポテンシャルについて解いた。これは全体的に、図６のモデルポテンシャル６００に対応する。

図８は、図７の波動関数に対応する、幅４ｎｍのインジウムリッチ領域を持つ８ｎｍの量子井戸の伝導帯と価電子帯の簡略化された全エネルギーポテンシャル８００を示す。ポテンシャルは以下を示している：量子細線の基底から積層欠陥のない量子井戸までの伝導帯の完全な深さ８０２（０．５２ｅＶ）；量子細線の伝導帯と量子井戸に閉じ込められたキャリアのエネルギー差８０３（０．２８ｅＶ）；量子細線の伝導帯のポテンシャルの深さと価電子帯の間のバンドギャップ８０４（２．５７ｅＶ）；量子細線８０５の価電子帯のポテンシャルの深さ（０．１５ｅＶ）、及び量子細線のそれぞれのｘ寸法８１０及びｙ寸法８０６（それぞれ、４ｎｍ×８ｎｍ）。

この場合も、図２に示すように、ＳＦとＩｎＧａＮ量子井戸の交差により、Ｉｎの割合が最大２倍になる領域が生成される。したがって、全体的に、量子細線のインジウム分率は量子井戸全体の値の約２倍になり得る。ＳＦがインジウムの割合を２倍に局所的に増加させたときに、電子と正孔がどのように影響を受けるかを計算するために、図６に示すポテンシャルを調べた。ポテンシャルはｚ方向に一定であると仮定され、合金の変動の影響は考慮されていない。

問題は、変数分離を可能にするために、図８に示すポテンシャルに単純化された。この仮定は、キャリアが量子細線によって十分に閉じ込められている限り有効である。次に、時間に依存しないシュレディンガー方程式（ＴＩＳＥ）を次元ごとに個別に解いた（電子と正孔の間のクーロン（Ｃｏｕｌｏｍｂ）相互作用の効果、図７に示すようにキャリアの波動関数の抽出、及び基底状態のエネルギーを含む）。このモデルは、量子細線のＰＬ発光の強度と偏光の温度依存性を調査するために使用された。

強度の温度依存性
電子と正孔の波動関数７００とエネルギー６００は、システムの寸法を変化させながら計算された。すなわち、量子井戸の幅と量子細線の幅、及び量子井戸のインジウム分率の含有量を変化させた。いずれの場合も、基底状態のエネルギーを量子細線の全体の深さ６０２（すなわち、量子細線の基底と積層欠陥のない量子井戸と間のエネルギー差）と比較して、キャリアが１０Ｋの温度で量子細線によって閉じ込められているかどうかを判断し、室温でのキャリアの閉じ込めの程度の定性的評価を提供した。

したがって、このモデルでは、さまざまな量子細線の寸法とインジウムの割合について熱電子放出の速度を比較できる。量子井戸からの熱電子放出に使用されるモデルは、熱電子放出の速度がｅｘｐ（－ΔＥ／ｋＴ）に比例することを示し得、ここで、Ｔは温度、ｋはボルツマン（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）定数、ΔＥは閉じ込められたキャリアとバリアの高さのエネルギーの差である。

量子細線に適用される場合、ΔＥは、量子細線に閉じ込められたキャリアと量子井戸の間のエネルギー差６０４である（すなわち、図６の量子細線６０４の深さで見た場合は７０ｍｅＶ）。したがって、上記のボルツマン分布を考慮すると、熱電子放出の速度が他のメカニズムと比較して高い場合、量子細線関連の放出の強度は温度上昇時に減少し得る。したがって、好ましい例では、閉じ込められた量子細線キャリアと量子井戸の間に大きなエネルギー差が存在する。これにより、熱電子放出の速度が遅くなり、有利的に、温度に依存しない（偏光した）発光強度をもたらす。一般に、熱電子放出は、量子細線からの電荷キャリアの脱出を指すために使用され、これにより、（偏光）発光の強度が不利に低下する。熱励起は、励起状態への熱的に誘発された占有を指すために使用される。

インジウム含有量が最も低い量子井戸（４％、量子細線自体の約８％の局所的な増加に対応する）の場合、電荷キャリアは、調査した最小の量子細線（２ｎｍ×１ｎｍ）を除くすべての寸法について１０Ｋで閉じ込められる。ただし、正孔の基底状態はＱＷエネルギーよりも最大で数十ｍｅＶ（すなわち、約１０～５０ｍｅＶ）低いため、熱電子放出の速度が不利に高くなる可能性がある。

それにもかかわらず、有利には、量子井戸のインジウム含有量を増加させることによって、高率の熱電子放出の影響を軽減することができる。２０％のインジウム量子井戸（量子細線の約４０％のインジウム部分に対応する）の場合、キャリアの基底状態のエネルギーは、量子井戸のエネルギーより最大数百ｍｅＶ（すなわち、約１００～５００ｍｅＶ）低くなる。したがって、熱電子放出の速度は大幅に低下し、そのような量子細線は、温度に依存しない好ましいレベルの発光強度（例えば、ＰＬ発光又は電気ルミネッセンス発光）が得られる。狭い量子井戸でも適している可能性がある：２ｎｍでの実験的なＰＬ測定（すなわち、図１２で後述）は、室温で発光が約４０％にしか減少しないことを示している。これは、ＴＥＭ／ＥＤＸ研究が高インジウム含有量の領域が通常４ｎｍ～８ｎｍの幅であることを示していることから、量子細線の他の寸法が広いためである可能性がある。

一般に、量子細線の全体的な寸法が大きくなると、基底状態のエネルギーが減少し、熱電子放出の速度がさらに低下する。ただし、状態間の好ましくない熱電子放出を軽減する主な原因は、インジウム含有量の増加にある。したがって、要約すると、熱電子放出の影響を最小限に抑えるために、より高いインジウム含有量及びより広い量子井戸が有益かつ有利である。

偏光の温度依存性
非常に低い温度（＜１０Ｋ）での量子細線からの発光は、細線の長さに沿って光学的に偏光されることが知られている。この光学的な偏光は、閉じ込めポテンシャルによって引き起こされる、細線に沿った、及び細線に垂直な異方性による、軽い正孔と重い正孔の混合の結果である可能性がある。これにより、さまざまな異なる閉じ込められた正孔のサブバンドが生成され、それぞれに軽い正孔の特性の割合が異なる。さらに、正孔の基底状態（純粋な重い正孔の基底状態とエネルギー的に類似している）と第１の正孔の励起状態を含む遷移は、量子細線の長さに沿って偏光される。

ただし、第２の正孔の励起状態、及びそれ以降のすべての励起状態は、量子細線に対して垂直に偏光される。この第２の正孔の励起状態は、重い正孔の基底状態と軽い正孔の基底状態のほぼ中間にある。温度が上昇すると、正孔は熱的に励起されて励起状態になり、直交偏光された遷移で再結合し、量子細線の発光から観察される正味の偏光を低減する。したがって、この温度依存偏光は量子細線の一般的な特性である。さらに、量子細線の寸法は、温度依存性の強さを決定することがわかっている。

しかしながら、有利には、より狭い量子細線の場合、温度依存性が低減されるか、又は完全に除去されることさえ観察される。この観察結果は、量子細線の状態間のエネルギー差を考慮することで説明できる。基底状態と励起された直交偏光状態とのエネルギー差が大きい場合、励起状態の熱占有は適度に小さい可能性があり、したがって、偏光は温度の上昇に伴ってあまり減少しない。さらに、量子細線に励起状態がない場合、さらに有利なことに、偏光の程度は実質的に温度に依存しない。

温度に依存しない偏光を実現するために必要な量子細線の特性を決定するために、前のモデル（温度への強度依存性のモデル化に使用）が拡張され、軽い正孔の影響が含まれるようになった。これらの正孔の有効質量は、重い正孔の有効質量の約１００分の１である。前と同じ方法を使用して、軽い正孔の基底状態エネルギーをさまざまなインジウム含有量と量子細線寸法に対して計算した。次に、第２の励起された正孔状態のおおよそのエネルギーが、重い正孔と軽い正孔の基底状態のエネルギーの中間値として推定された。

これらの結果は、温度に依存しない偏光発光を備えた量子細線を得るための理想的な寸法とインジウム含有量へのガイドを提供する。

図９は、これらの結果をまとめた表９００を示し、ここで、量子細線の寸法と相対的なインジウムの割合が示され、どの組み合わせが温度に依存しない偏光発光につながる可能性があるかが示される。表では、凡例は次のとおりである：第２の励起状態なし（９０２）：小さな励起状態の分裂（９０４）；大きな励起状態の分裂（９０６）；及び、有意な熱電子放出（９０８）。

例えば、インジウムの割合が０．０４の場合、励起された閉じ込め状態がないか、励起状態が量子細線の深さに非常に近くなる。したがって、これらの量子細線からの発光は、室温まで高度な偏光を示す。ただし、前述のように、正孔の基底状態は量子細線バリアエネルギーに近いため、熱電子放出の速度は高くなる（９０８）。この事実は、熱電子放出の速度の大まかなガイドとして室温でのｋＴを使用した（２６ｍｅＶ）図９に反映されている。

同様に、２ｎｍ×２ｎｍ以下の寸法の細い量子細線の場合、閉じ込められた励起状態（９０２）がないため、偏光は温度に依存しない。ただし、インジウム含有量が低すぎると、正孔の基底状態が量子細線バリアの高さに近くなるため、熱電子放出の速度が高くなる（９０８）。これを回避するために、０．１６を超えるインジウム含有量は、狭い量子細線が温度に依存しない偏光と強度（すなわち、９０２又は９０６）をもたらすために必要である。

より大きな寸法とより低いインジウム組成を持つ量子細線の場合、励起された正孔の状態は制限されるため、室温で熱的にポピュレートできる（すなわち、一般に９０４と９０８）。ただし、インジウムの含有量が多い場合、基底状態と励起状態の間のエネルギー分離は大きく、最大で約６０ｍｅＶになるため、この熱ポピュレーションは小さくなる。正孔波動関数のバリアへの浸透が減少するため、エネルギー分離が増加し、これは、室温までの温度によって大きく変化しない偏光をもたらす。

前述の構造の例はすべて、量子細線の生成に効果的であるため、光学的に偏光された発光をもたらす。さらに、図９の結果は、十分に高いインジウム含有量（いくつかの例では約２０％以上）と正しい寸法の量子細線（例えば、約２～８ｎｍの断面対角線長）を持つ特定の例が、実質的に温度に依存しない発光強度及び偏光度の発光を有し得ることを示している。

ただし、上記の構造は構造上の欠陥の結果である可能性があり、制御がより困難になる可能性がある。したがって、直接制御することができ、偏光発光を生成するように動作可能な半導体構造を製造する技術は、さらに有利である。

図１０は、この追加の可制御性を実現する構造例を示す。図１０は、領域立方晶ＧａＮ１０６によって囲まれたドープされた立方晶ＧａＮ結晶（ＩｎＧａＮなど）を含む量子細線１０４の概略図を示す。これらの構造の寸法は、量子井戸の厚さを変化させ、続いて部分をエッチングして取り除くことによって制御できる。すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子細線を製造するために、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸を成長させ、続いてエッチング除去することができる。これらの量子細線は、前に研究された両方の閉じ込め効果を組み合わせることができる。すなわち、量子細線１０４内のインジウム含有量が増加する。また、量子井戸の厚さは異なる場合がある。

室温でのこれらの構造の偏光発光特性を決定するために、上記の説明と同様の分析を行った。ＴＩＳＥは、図７及び８に示されているものと同様の形式で、分離可能なポテンシャル内の電子と正孔について２次元で解いた。これは、０．０５～０．３０の範囲のインジウム組成／分率、２～１０ｎｍの量子井戸幅、及び５～２０ｎｍのエッチング分離に対して行われた。量子細線に閉じ込められた電子と正孔の基底状態エネルギーは、それぞれの場合で計算された。

図１１は、インジウムの０．０５及び０．３０分率の正孔基底状態エネルギーと直交偏光励起状態のエネルギーを示す。ＳＦ誘発量子細線と同様に、（電子エネルギーではなく）システムのルミネッセンス挙動を主に決定するのは正孔エネルギーである。図１１は、正孔の基底状態と励起状態の計算されたエネルギーを示す。これらの結果は、計算された状態が、調査されたすべての寸法とインジウム含有量の量子細線に十分に閉じ込められていることを示している。したがって、発光の偏光が温度にどのように依存するかを検討する場合、したがって、基底状態と励起状態のエネルギー分割を検討することが有益である。

正孔エネルギーレベルは、量子細線の深さと比較される。量子細線の寸法とインジウム含有量のすべての組み合わせで、キャリアは低温で量子細線に閉じ込められる。計算によると、正孔の基底状態は量子細線バリアの高さよりも最低２４ｍｅＶ低く、これは２ｎｍ×５ｎｍの寸法の０．０５インジウム量子細線の場合である。量子細線の寸法が大きくなると、正孔の閉じ込めエネルギーが減少し、その結果、熱励起の速度も低下する。図１１の結果は、インジウム含有量の増加が熱励起の速度を低下させることも示している。前述のように、有利には、熱励起の低減は、偏光度のより大きな温度非依存性をもたらす。この場合、正孔の基底状態と励起状態の配向が直交偏光しているため、両者の間の熱励起率の低下は、発光の偏光度の温度依存性を低下させる。一般に、熱励起は、励起状態への熱的に誘発された占有を指すために使用され、熱電子放出は、量子細線からの電荷キャリアの脱出を指すために使用される。

ＳＦを介した量子細線と比較すると、正孔エネルギーは全体として、量子細線バリアの高さよりもさらに低くなる。これは、図１０に示すように、この方法で生成されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子細線では、熱電子放出の速度が遅いことを示している。したがって、有利には、再結合の強度は、温度変化に対してより鈍感であり得、温度に依存しない偏光発光源をもたらす。

より詳細には、状態のエネルギー分割は、量子細線のサイズとインジウム含有量に依存する。インジウム含有量が０．０５の場合、量子細線の寸法が小さくなるにつれ、エネルギー分割は４から１１ｍｅＶに増加する。したがって、より小さな量子細線は、励起状態の熱占有を有利に低減し、その結果、光偏光に対する温度の影響を低減する。ただし、これらのエネルギー分裂は、室温でのｋＴ（２６ｍｅＶ）と比較して比較的小さく、これは、発光の偏光が低インジウム含有量では温度に強く依存することを示唆している。一般に、インジウム含有量の増加は、エネルギー分割を増加させ、例えば、インジウム含有量が０．３０の２ｎｍ×５ｎｍ量子細線で最大３６ｍｅＶの分割と見られる。

さらに、インジウム含有量を増やすと、量子細線の寸法を変更することによる有益な効果も増幅される可能性がある。これらの影響は、インジウム含有量の増加により、キャリア波動関数のバリアへの浸透が減少するために発生する。したがって、結果は、より高いインジウム含有量が、発光の偏光に対する温度の影響を有利に低減することを示唆している。詳細には、エネルギー分割は、２×５ｎｍ量子細線の場合はインジウム含有量が２０％以上の場合、室温でのｋＴより大きくなり、４×５ｎｍ量子細線の場合は０．２５を超える。

要約すると、立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、又はより一般的にはバンドギャップ低減合金材料と合金化された立方晶ＩＩＩ族窒化物で、温度に依存しない光偏光を有益に実現するには、インジウム含有量の多い細い量子細線が望まれる。

図１２は、それぞれが２ｎｍの厚さの５つの量子井戸を持つＩｎＧａＮを備えた立方晶ＧａＮの１０ケルビンで取得された実験的なフォトルミネッセンススペクトルのグラフ１２００を示す。詳細には、１０Ｋで取得した偏光ＰＬスペクトルは、量子井戸／量子細線ルミネッセンスに起因する２つのピーク１２０２、１２０４を示し、これらは、両方とも［１－１０］方向に偏光されている（図２に示されている量子細線の［１－１０］方向に対応する）。近帯域エッジ発光は偏光されていないことは、偏光が量子井戸／量子細線ルミネッセンスの特性であり、外部効果ではないことを示している。同様の結果は、４ｎｍ、６ｎｍ、及び８ｎｍの厚さの量子井戸でも得られる可能性がある。

図１３ａは、ピーク１２０２及び１２０４に対応する正規化された強度の温度依存性を示す。図１３ｂは、図１２の各ピークと近帯域発光（ｎｅａｒ ｂａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ、ＮＢＥ）の温度による直線偏光度の変化を示している。

図１３ａ及び１３ｂに示す２ｎｍ量子細線のＰＬの結果は、ピーク１２０２の偏光が温度に依存せず、さらにピーク１２０２の強度が温度によってあまり変化しないことを示している。量子細線の寸法の１つは量子井戸の幅によって定義される（ここでは２ｎｍである）が、ここに示す結果ではもう１つは不明である。

モデリングは、調査した寸法のいずれかを持つ量子細線の場合、量子細線が図１３で観察された特性と再結合する可能性があることを示している。これは、量子井戸のインジウム分率の増加に伴う可能性が高くなる。対照的に、ピーク１２０４の強度は温度とともに大幅に低下し、偏光は３００Ｋでゼロに近くなる。したがって、ピーク１２０４の結果は、インジウム濃度の局所的な増加（すなわち、ＳＦと量子井戸の交差）によって生成される量子細線のモデルとの適合性が低くなる。これは、強度の強い温度依存性により、偏光が温度に依存しないためである。したがって、ピーク１２０４は、このようなＩｎリッチな量子細線によって引き起こされる可能性は低い。

上記の説明を要約すると、ＰＬ測定は、ｚｂ－ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子細線からの発光が、基板の粗さ／ミスカットに垂直な［１－１０］方向に１０Ｋ（最大８０％）で高度に偏光していることを示している。量子細線からの発光に起因する２つの別々の発光ピークもある。ピーク１２０２はエネルギーが低く、ピーク１２０４よりも幅が広くなっている。温度が１０Ｋから３００Ｋに上昇すると、ピーク１２０２の偏光は８０％で一定に保たれ、強度は低温値の約４０％に低下する。同じ温度範囲で、ピーク１２０４の偏光は４５％からほぼゼロに低下し、強度はその低温値の１０％に低下する。

ＴＥＭ／ＥＤＸ測定により、量子細線と交差するＳＦの存在が明らかになる。この交差周辺の量子細線の領域では、インジウム含有量は、一般にＩｎＧａＮ量子井戸領域のインジウム含有量の２倍まで増加し得る。これにより、インジウム含有量の高い量子細線が存在し、電荷キャリアが１次元に閉じ込められ、偏光が発光され得る。

インジウム含有量が低く、量子細線の寸法が小さい場合、正孔キャリアは熱電子放出を介して量子細線を離れる可能性がはるかに高いため、発光強度は温度とともに劇的に低下する。

インジウム含有量が高く、量子細線の寸法が大きい場合、基底状態に垂直に偏光した光を放出する励起された閉じ込め状態が量子細線内に存在する：温度が上昇すると、これらの励起状態が生成され、偏光が減少する。したがって、ピーク１２０４の動作は、温度の上昇に伴って強度と偏光が低下するため、このモデリングと適合性がない。ただし、図９は、量子細線の寸法とインジウム含有量のさまざまな組み合わせがあり、図１３ａ及び１３ｂのピーク１２０２に対応して、温度に依存しない強度と偏光の発光を有利にもたらす可能性があることを示している。ピーク１２０２の低いピークエネルギーは、量子細線の比較的高いインジウム含有量によっても説明できる。異なるＳＦ交差の間の変動の寄与により、発光スペクトルが広くなる可能性がある。したがって、図１２及び１３の証拠は、ピーク１２０２がインジウムリッチな量子細線の結果である可能性があることを示唆している。

ＴＥＭ測定では、下にある結晶の粗さのために量子細線構造が１次元で歪んでおり、図５ｂの画像に示すように井戸の幅の変化をもたらす可能性があることも明らかになっている。これにより、［１－１０］方向に量子細線のような構造（したがって、キャリアの閉じ込めと偏光発光）が生じる。モデリングは、これらの構造が正孔を閉じ込めないことを示している。それにもかかわらず、代わりに、相対的なインジウム含有量の変動（増加）によって正孔が局所化される可能性がある。

半導体デバイスの動作に有利なことに、量子井戸の厚さの変化／変動のサイズが約３ｎｍを超える場合、電子は最大３００Ｋで閉じ込められる可能性がある。電子は、約４００Ｋの動作温度までも十分に閉じ込められている可能性があり、ここで、温度に依存しない偏光度は、量子細線の寸法と合金材料の含有量の特定の組み合わせ（例えば、図９のさまざまな構成）で達成される。したがって、より粗い量子細線の場合、熱電子放出が減少するため、発光強度は温度にあまり依存しない。これらの構造は、ＰＬスペクトルのピーク１２０４に起因する可能性がある。

より制御可能な方法で量子細線を生成するために、ＩｎＧａＮ／ＧａＮを含む量子井戸をエッチングすることができる。計算は、図１０に示すように、約４ｎｍの寸法を持ち、約０．２０を超えるインジウム分率を持つ量子井戸から製造された細い量子細線の場合、温度に依存しない強度と光偏光を持つ発光が、このような構造で達成可能であることを示唆している。

前述の説明は、立方晶ＧａＮ及びＩｎＧａＮ（立方晶３Ｃ－ＳｉＣ上で成長させることができる）に関する実験構造及びモデリング結果に向けられるものであるが、量子井戸領域及び周囲のマトリックスを形成する異なる組成のＩＩＩ族窒化物もまた、偏光発光を示すそのような半導体デバイスに適している可能性があることは、当業者によって理解される。例えば：窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）、窒化ボロンガリウム（ＢｇａＮ）、ＧａリッチＡｌＧａＮ、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）、及び類似の窒化物層（ただし、量子井戸を定義する層又は領域は、周囲の（マトリックス）材料よりも低いバンドギャップを持つように合金化されている）。

結晶の組成と構造
本発明者らは、光偏光発光が、室温で、最大７５％の直線偏光度（ＤＯＬＰ）で、立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸（ＱＷ）から生成され得ることを確認した。このＤＯＬＰは、ｗｚ－ＱＷによって達成されるものと似ているが、立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸から偏光発光を生成する利点は、標準のＭＯＣＶＤエピ層成長を使用してそのような構造が得られ、それ以上の処理ステップの必要性を排除することである。再結合の効率やダイナミクスへの影響を最小限に抑えながら、可視スペクトルをカバーするように発光を調整できる。発光は、積層欠陥（ＳＦ）との交差により、量子井戸内に形成されるインジウムリッチな量子細線に関連している。さらに、量子細線は残りの量子井戸からキャリアを捕捉する。低温では、残りの量子井戸からの発光が見られる。

さらに、本発明者らは、量子井戸からの発光の持続時間、偏光度、及び温度依存性にさらに影響を与える可能性がある、立方晶ＩＩＩ族窒化物系の結晶の構造及び組成の様々な特徴を特定した。可視スペクトルで発光する立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の表面に垂直なフォトルミネッセンスは、１０Ｋで８６％の程度、室温で最大７５％程度光学的に偏光されているように観察できる。走査型透過電子顕微鏡法とエネルギー分散型Ｘ線測定により、積層欠陥に隣接するインジウム含有量の分離／濃縮により、１次元のナノ構造が形成されることをさらに実証できる。これらのナノ構造からの発光が室温スペクトルを支配し、量子井戸（ＱＷ）の寸法が２ｎｍから８ｎｍ（この寸法は幅であり得る）に増加すると、赤方偏移して広がる。フォトルミネッセンス励起測定はさらに、キャリアが残りの量子井戸からこれらのナノ構造によって捕捉され、再結合してナノ構造の長さに沿って偏光された光を放出することを示している。低温では、残りの量子井戸からの発光がより高い発光エネルギーで観察される。

一般的に言えば、緑色のＬＥＤは最新技術では観察されない。ウルツ鉱（ｗｚ、六方晶としても知られる）結晶構造のｃ面上に成長したＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸（ＱＷ）に基づくＬＥＤは、青色スペクトルでの発光に対して最大９０％の室温内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、ＩＱＥ）を有し得る。しかし、有利には、量子井戸中のインジウム含有量を増加させることによって、発光波長をグリーンに拡張することができる。これによりＩＱＥが減少し、これはグリーンギャップとして知られる現象である。この効率の低下の考えられる説明は、インジウム含有量を増やすために必要なより低い成長温度が点欠陥の密度を高め、非放射再結合の速度を高めることである。

さらに、自発的及び圧電偏光効果により、量子井戸に垂直な強い電界がある。インジウム含有量が比較的多いと、量子井戸の歪みが増加し、電界強度が増加する。電界は電子と正孔を分離するように作用し、それによって長波長エミッターの放射再結合の速度を低下させる。したがって、グリーンの量子井戸のＩＱＥは、インジウム含有量を下げて非放射再結合率を下げることによって改善され得る。

本発明者らは、いわゆるグリーンギャップは、ｗｚ－ＧａＮよりも２００ｍｅＶ小さいバンドギャップを有するせん亜鉛鉱型（ｚｂ、立方晶としても知られる）ＧａＮ上に量子井戸を成長させることによって克服できることを確認した。さらに、ｚｂ－ＧａＮは［００１］方向にゼロの自発電界と圧電電界を持っているため、［００１］平面で成長した量子井戸全体の電界はゼロである。ただし、ｚｂ－ＧａＮは成長中に熱力学的に準安定であるため、エピ層には、表面で１×１０⁵ｃｍ^-1の密度を持つことが観察される積層欠陥（ＳＦ）が含まれ得る。これらのＳＦは、結晶構造が薄い平面のｗｚ－ＧａＮに類似するように、原子の積み重ね順序の変化である。

以下のさらなる開示は、ｚｂ－ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の構造及びフォトルミネッセンス測定を示し、ＳＦの存在、特に特定の条件でのＳＦの存在が、１０Ｋから室温の間の温度で偏光発光を引き起こすことができることを示す。

偏光発光は、前述のように当技術分野では一般に知られていない緑色ＬＥＤに加えて、多くの用途で商業的及び工業的に使用されていることが理解される。例えば、偏光発光は、液晶ディスプレイのバックライトとして有益である。

実験構造とフォトルミネッセンス
サンプルは、３Ｃ－ＳｉＣ／Ｓｉ［００１］基板上で、［１１０］方向に４°のオフカットで成長した。量子井戸の構造特性は、２００ｋＶで動作し４つのエネルギー分散型Ｘ線分析装置を備えたＦＥＩ Ｔｅｃｎａｉ Ｏｓｉｒｉｓを使用して、走査型透過電子顕微鏡／エネルギー分散型Ｘ線（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ／ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ、ＳＴＥＭ／ＥＤＸ）によって研究した。高角度環状暗視野（Ｈｉｇｈ－ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋｆｉｅｌｄ、ＨＡＡＤＦ）画像は、［１－１０］ゾーン軸に平行なビーム方向で撮影した。ＳＴＥＭ分析用のサンプルは、集束イオンビーム（ｆｏｃｕｓｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ、ＦＩＢ；ＦＥＩ Ｈｅｌｉｏｓ ＮａｎｏＬａｂＴＭ）の現場リフトアウト法を使用して準備した。

これらの３Ｃ－ＳｉＣ／Ｓｉ［００１］基板は、ＧａＮとの比較的小さな格子不整合（３．４％）を提供し、最大１５０ｍｍのウェーハサイズで利用できる。有益なことに、これにより、このようなウェーハはＳｉ工場と互換性があり、デバイスの商品化への直接的な道が開かれる。ｚｂ－ＧａＮエピ層は、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）を使用して成長させた。続いて、準２温度（ｑｕａｓｉ－ｔｗｏ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、Ｑ２Ｔ）法を使用して５つのＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸を成長させた。公称厚さ１６ｎｍで、公称量子井戸厚さ２ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍ、及び８ｎｍのバリアを研究した。本発明者らは、二次イオン質量分析（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＳＩＭＳ）測定を通じて、例えば、ＧａＮエピ層が１×１０¹⁹ｃｍ^-3のオーダーの酸素不純物濃度を含むことができることを特定した。以下に説明するように、このわずかな酸素の存在でさえ、バックグラウンド電子の増加をもたらす可能性があり、伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ、ＣＢ）を部分的に満たす可能性があり、したがって、偏光発光の半値全幅（ｆｕｌｌ－ｗｉｄｔｈ ｈａｌｆ－ｍａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）を増加させる可能性がある。それにもかかわらず、酸素不純物は、偏光発光を提供又は強化することに固有のものではない。したがって、偏光発光の側面を提供又は改善するために酸素の存在は必要ではなく、ゼロ酸素不純物で成長したＧａＮエピ層は同様に有利な偏光特性を有することができることが理解される。

光学特性は、波長３２５ｎｍで励起出力密度１０Ｗｃｍ^-2の連続波ＨｅＣｄレーザー、及び各波長で０．４ｍＷｃｍ^-2の励起出力密度を持つモノクロメータに結合された３００ＷのＸｅランプをそれぞれ使用して、フォトルミネッセンス（ＰＬ）及びＰＬ励起（ＰＬＥ）分光法で調査した。

ＰＬは、２４Åのスペクトル分解能を持つダブルグレーティング分光計のスリットに焦点を合わせた。光はＧａＡｓ光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ、ＰＭＴ）を使用して検出され、ロックイン増幅技術で処理された。ＰＭＴと分光計のスペクトル応答は、キャリブレーションされた黒体ソースを使用して測定され、ＰＬスペクトルを補正するために使用された。光偏光はグラントムソン偏光子で分析され、［００１］方向の発光を収集した。ＰＬ時間の減衰は、波長２６７ｎｍの１００ｆｓ周波数３倍パルスＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザーで励起することにより得られ、パルスあたり３×１０¹²ｃｍ^-2のキャリア密度が注入された。

図１４は、２ｎｍ１４０８、４ｎｍ１４０６、６ｎｍ１４０４、及び８ｎｍ１４０２の幅の量子井戸（ＱＷ）について、室温で得られた４つの偏光フォトルミネッセンススペクトルを表示するグラフ１４００を示し、［１１０］（下の線）と［１－１０］（上の線）の方向に偏光が分解される。これらのスペクトルは、ＧａＮ系の多層構造で通常観察されるファブリペロー（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）干渉縞を示す。２．８ｅＶのすべてのスペクトルに共通するピークは、レーザーからの自然放出線である。

時間相関単一光子計数技術を使用して、ＰＬ減衰トランジェントを生成した。各サンプルの室温での偏光ＰＬスペクトルを図１に示す。［１－１０］で偏光した光を検出すると、広い発光が観察される。直交偏光（［１１０］）では、発光は強度を下げて観察される。直線偏光度（ＤＯＬＰ）は、ＤＯＬＰ＝（Ｉ_max－Ｉ_min）／（Ｉ_max－Ｉ_min）として定義され、式中、Ｉ_max、Ｉ_minは、発光の最大及び最小の積分強度である。ＤＯＬＰは、５％の誤差で、２ｎｍ（１４０８）、４ｎｍ（１４０６）、６ｎｍ（１４０４）、及び８ｎｍ（１４０２）の量子井戸幅に対してそれぞれ７５％、７０％、６５％、及び７５％であると求められ、したがって、量子井戸幅から広く独立している。

ＰＬスペクトルの正規化された（Ｘ、Ｙ）ＣＩＥ色値は、２ｎｍサンプルの（０．１４、０．１７）から８ｎｍサンプルの（０．３３、０．５１）まで変化し、それぞれ青と黄緑色を表す。量子井戸幅の増加に伴う発光ピークの赤方偏移は、一般に、量子井戸幅が大きい場合の量子閉じ込めエネルギーの減少と一致する。ただし、量子井戸幅が電子と正孔のボーア（Ｂｏｈｒ）半径（ｚｂ－ＧａＮの誘電率と有効質量を使用して約２．６ｎｍと０．２６ｎｍ）を大幅に超えると、発光は赤方偏移し続ける。これは、赤方偏移の挙動に影響を与える別の効果があることを示唆している。

前述のように、ＳＩＭＳ測定では、いくつかの例では、サンプルの酸素不純物濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-1のオーダーであることが示されている。これらの酸素不純物は、ｗｚ－ＧａＮエピ層の浅いドナーとして機能し得、その結果、サンプル内に比較的高密度のバックグラウンド電子が存在し、伝導帯（ＣＢ）を部分的に充填する可能性がある。したがって、ＣＢ充填は、単にいくつかの任意の例では、発光の大きなＦＷＨＭに部分的に関与する可能性がある。それにもかかわらず、上記のように、より大きなＦＷＨＭは酸素不純物の固有の特性ではない。好ましくは、サンプルは酸素不純物が存在せず、それでも偏光発光を生成することができる。

図１５は、６ｎｍの厚さの量子井戸のサンプルの１０Ｋ温度でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル１５０６（実線）、及び２．５３ｅＶの励起光子エネルギーでの発光を検出する、対応するＰＬ励起（ＰＬＥ）スペクトル（破線；１５０２ｂ、１５０４ｂ）を表示するグラフ１５００を示す。グラフはさらに、ＰＬスペクトル１５０２ａとＰＬＥスペクトル１５０２ｂのそれぞれについてのＧａＮ吸収端の特徴的なエネルギー、及びＰＬスペクトル１５０４ａとＰＬＥスペクトル１５０４ｂのそれぞれについての量子井戸（すなわち、ＩｎＧａＮ）の吸収端を表示する。

ＰＬピーク全体の任意の波長での発光を検出する場合、３．２６ｅＶ及び３ｅＶのエネルギーで光子吸収端を観察できる。最初の吸収端（３．２６ｅＶ）は、ｚｂ－ＧａＮでのキャリアの光生成に対応し、量子井戸によって捕捉されて再結合する。

第２の吸収端は、量子井戸での光子の直接吸収によるものであり、ここでは、シグモイドフィットがＰＬＥスペクトル１５０２ｂ、１５０４ｂに適用され、特徴的なエネルギーが抽出される。グラフ１５００の１５０２ａのデータポイントに見られるように、ＧａＮ端は一定のエネルギー（３．２６ｅＶ）にあり、歪みのないｚｂ－ＧａＮ（３．３ｅＶ）のバンドギャップに近く、この不一致（すなわち、３．２６ｅＶと３．３ｅＶの間）は、ｚｂ－ＧａＮが引張歪み下にあることを示唆している。それにもかかわらず、ｚｂ－ＧａＮの引張歪みは、本明細書に記載の有利な結果を生み出すために必要とされる特性ではないことが理解される。対照的に、量子井戸吸収端（１５０４ａ）は一定のエネルギーではない。より高いエネルギーのピークで検出する場合、吸収端は発光エネルギーとともにシフトし、吸収と発光の間のエネルギー差は約２５０ｍｅＶである。これは、量子井戸への光子の直接吸収と一致しており、再結合する前に基底状態まで冷却される電子正孔対を生成する。

より低いエネルギーピークの場合、吸収端は発光エネルギーとともに減少した速度でシフトし、吸収端は発光の開始前にゼロ近くに低下する。これは、量子井戸に異なるエネルギーレベルの異なる領域があることを示唆している。例えば、これらの別個の領域は、図２に示すＳＴＥＭ／ＥＤＸ測定と一致して、異なるインジウム分率で作成できる。これらの領域は体積が小さく、状態密度が低いため、これらの領域への直接的な光子吸収はほとんどない。代わりに、キャリアは量子井戸の残りの部分からインジウム含有量の高いこれらの領域に捕捉される：これにより、吸収と発光の間に最大８００ｍｅＶのエネルギー差が生じる。伝導帯（ＣＢ）の充填（例えば、酸素不純物による）も、充填された低エネルギーＣＢ状態への吸収を防ぐことにより、この大きなエネルギー差に寄与する可能性があり、これらの充填された状態のキャリアは、依然として放射再結合することができる。要約すると、低エネルギー発光の大きなＦＷＨＭ（グラフ１４００図１４のサブプロットに見られるように、４２０ｍｅＶと５１０ｍｅＶの間）は、部分的にはＣＢの充填によるものであり、部分的には量子細線のサイズとインジウム含有量の変動によるものである。

上で詳細に説明した図１２のＰＬスペクトルは、２つの発光バンド（すなわち、高エネルギーと低エネルギーの発光バンド）が１０Ｋの温度で存在することを示している。これは、以下で説明する図１８で調査及び表示されたすべてのサンプルと一致している。２ｎｍ量子井戸の場合、２．６７ｅＶを中心とする低エネルギーのピークと、２．８６ｅＶを中心とする高エネルギーのピークがある。これらのエネルギーは、温度の低下に伴ってバンドギャップが増加するため、室温での値よりも高くなる。２ｎｍ量子井戸の場合、グラフ１４００のサブプロット１４０８に関して、低エネルギーピーク（例えば、図１２の１２０２）は、［１－１０］方向に８６％のＤＯＬＰで偏光される一方、高エネルギーピークのＤＯＬＰは３７％である。サンプル温度が上昇すると、高エネルギーピークは低エネルギーピークよりも速い速度でクエンチするため、図１４に示す室温ＰＬスペクトルでは、偏光した低エネルギーピークが支配的になる。

図１６は、１０Ｋの温度で測定されたＰＬ時間の減衰を表示するグラフ１６００を示し、これは、低温での２つの発光バンドの根底にある再結合メカニズムへの考察を提供する。詳細には、図１６は、幅２ｎｍの量子井戸から生成された１０ＫでのＧａＮ／ＩｎＧａＮ結晶からのフォトルミネッセンス時間の減衰を示す。これらの減衰は、高エネルギーピークのピーク（図１２のピーク１２０４）、２．８２ｅＶの近く、及び２．４３ｅＶのエネルギーで測定され、ここで、ＰＬ強度の最大の成分は、より低いエネルギーピークからのものである。

低エネルギーピークでの発光を検出すると、別の非指数関数的減衰成分も観察される。これは、異なる再結合メカニズムがこのエネルギーでのＰＬ崩壊に寄与していることを示している。この非指数関数的形式は、異なるローカル環境からのキャリアの再結合に起因する、同じ発光エネルギーでの異なる再結合率の分布を示している可能性がある。図１７に関して、減衰時間について以下で詳しく説明する。量子井戸の構造測定は、この低エネルギー発光ピークの説明を提供する。上記の図２に見られるように、ＳＦ２０４は、ＧａＮ表面に向かう途中で量子井戸１０４と交差する。図２に示すサンプルからのＥＤＸ測定は、ＳＦの数ｎｍ内のインジウム含有量が残りの量子井戸のインジウム含有量の約２倍であることを示している。

インジウム含有量が増えると、これらの領域のバンドギャップが減少する。ＳＦは平面欠陥であるため、これらの領域は画像の平面に垂直に（［１－１０］方向に）伸び、量子細線（Ｑｗｉｒｅ）１次元ナノ構造になる。図２は、量子井戸が粗いｚｂ－ＧａＮ表面上で成長していることを示している。これは、［１－１０］方向で見たときに蛇行したプロファイルになるが、［１１０］方向ではそのように見られない。この蛇行はまた、量子細線及び残りの量子井戸におけるキャリアの閉じ込めに追加の寄与をもたらし得る。これらのインジウムリッチな領域での再結合は、量子井戸の他の部分と比較してバンドギャップが減少しているため、エネルギーが低くなる。

さらに、ｗｚ－ＧａＮ結晶堆積の薄い面に対応するＳＦは、ｚｂ（立方晶）相とｗｚ（六方晶）相の間の自発偏光の違いにより、構造に電界をさらに導入する可能性があることが観察されている。ＳＦの分離は、これらのフィールドの大きさに影響を与えるため、インジウムリッチな領域のキャリアの再結合エネルギーに影響を与え、これは、現在説明されている量子井戸での発光の大きなＦＷＨＭに寄与し得る。

同様の構造からの発光は量子細線の長さに沿って偏光される可能性があるため、量子細線での再結合も、低エネルギー発光の光偏光を説明できる。細線の断面寸法を変更することにより、ＤＯＬＰを変更することができる。したがって、特定の断面寸法の量子細線を製造することにより、さまざまな温度に関してＤＯＬＰを比較的一定に保つことができる。図１９に関連して説明した簡単な計算では、量子細線の寸法が実質的に温度に不変のＤＯＬＰを実現できる例を説明している。さらに有利には、ＳＦ分布の異方性を増加させることによってＤＯＬＰをさらに最大化することが可能である。

ＳＦはｚｂ－ＧａＮの［１１１］面に存在し、量子井戸の［１１０］方向と［１－１０］方向の両方に沿ってナノ構造を生成する。ＳＦの分布が４つの平面すべてで均一である場合、成長方向に垂直な正味の光偏光はゼロになる。ただし、前述のように、ＳＦの密度は基板の端材の方向に依存する。これにより、一方向のＳＦの密度が高くなり、正味の光偏光が発生する。さらに、量子井戸の蛇行プロファイルは、［１－１０］方向に優先的に見られる。

図１７は、１０Ｋの温度で生成された厚さ２、４、６、及び８ｎｍの立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の４つの実験的発光１／ｅ減衰時間を表示するグラフ１７００を示す。また、各サブプロットには、それぞれピーク１（各サブプロットの左側の曲線）と２（各サブプロットの右側のグラフ）のピークエネルギーとＦＷＨＭを表すガウスピークが含まれている。ＰＬ減衰曲線は、１０Ｋの温度で各量子井戸サンプル（すなわち、２、４、６、及び８ｎｍの厚さを持つ）について測定された。ここで、１０Ｋの温度では、ダイナミクスは純粋に放射性であると仮定される。これらの減衰曲線から、強度がピーク強度の１／ｅに低下するのにかかる時間が記録され、この測定がスペクトル全体のさまざまな発光エネルギーに対して繰り返された。

図１８は、ＱＷ幅が２ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍ、及び８ｎｍのサンプルについて１０Ｋで測定されたＰＬスペクトルを示す。各スペクトルでは、２つの発光ピークが観察され、これらは、低エネルギーでの量子井戸のインジウムリッチな領域からの発光と、高エネルギーでの残りの量子井戸からの発光に対応する。量子井戸の幅の発光の積分強度に傾向はない。

ＰＬ発光の高エネルギー側では、減衰時間は、量子井戸の幅の増加につれ、３２０ｐｓ、２００ｐｓ、２１０ｐｓ、及び３１０ｐｓであり、誤差は１０ｐｓである。ｚｂ－ＱＷで測定された減衰時間は、偏光量子井戸に期待される量子井戸の幅による大きな変動を示していない。これは、対応するｃ面ウルツ鉱型量子井戸と比較して電界が大幅に減少していることを示している。したがって、これは、偏光ｃ面ウルツ鉱型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸から得られる結果とは対照的であり、量子井戸が厚くなると、電界によって量子井戸を横断する電子と正孔が分離するため、放射寿命が大幅に長くなる。

電界が減少するヘテロ構造では、再結合は励起子を伴う可能性がある。局在化効果がない場合でも、励起子結合エネルギーの変化により、放射寿命は量子井戸の幅に依存する。別の可能性は、再結合が正孔と過剰な電子を含み、過剰な電子は、量子井戸の幅と重なる電子正孔波動関数の変動を制限することである。さらに、図１７に示すように、減衰形状は単指数関数的であり、この減衰形状は励起子再結合と一致している。

最も低いエネルギーでは、減衰時間にも明らかな傾向はない。これは、量子井戸の幅の増加につれ３７５ｐｓ、３６５ｐｓ、３３０ｐｓ、及び４１０ｐｓである。したがって、これらの領域で電界を生成するＳＦの影響にもかかわらず、低エネルギーピークの再結合寿命も量子井戸の幅によって大幅に変化することはない。ただし、これらの電界は量子井戸を横断するのではなく、４つの可能な［１１１］方向にあり、これは、量子井戸の幅が、これらのフィールドによるキャリア分離にほとんど影響を与えないため、減衰時間への影響は最小限に抑えられることを意味する。代わりに、ＳＦを分離する距離が電界を決定し、次に図１７のグラフ１７００にプロットされているように減衰時間を決定することが理解される。

ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸のさらなるモデリング
キャリアが高インジウム含有量の領域によって捕捉できるかどうかを判断するために、図８に関して前述したように、３次元モデルシステムが開発された。このシステムは、同じインジウム含有量の２つの交差する量子井戸で構成され、交差する場所でインジウム含有量が２倍の長方形の断面量子細線を形成する。量子井戸の寸法は、インジウム含有量とともに変化し、ヌメロフ（Ｎｕｍｅｒｏｖ）法を使用して電子と正孔の基底状態エネルギーを計算した。モデルの分析では、正孔と電子の両方が量子細線に閉じ込められており、この閉じ込めの程度は、インジウム組成と量子井戸の幅の増加とともに増加することが観察された。ほとんどの場合、キャリアが量子細線を量子井戸に逃がすのに必要なエネルギーは、室温での平均熱エネルギー（２６ｍｅＶ）よりもはるかに大きくなる。したがって、これらの量子細線が電子と正孔の両方をトラップすることが可能である。

量子細線に重い正孔と軽い正孔を混合すると、異なる方向に偏光した光が放出されることが知られている。電子正孔基底状態の再結合は、量子細線の長さに沿って偏光した光を放出する。低温及び低キャリア密度では、基底状態のみが占有されるため、量子細線からの全体的な発光は偏光される。これは、図１２のＰＬ測定と一致しており、１０Ｋでの量子細線放射の直線偏光度（ＤＯＬＰ）は８６％である。ＤＯＬＰは、量子細線の断面積に依存し、量子細線が狭いほど、ＤＯＬＰは高くなる。量子細線に閉じ込められた高次状態は、基底状態に直交して偏光した光を放出できる。したがって、高温で発生する可能性のある高次の状態が発生すると、発光のＤＯＬＰが低下する。図１５に示す測定値は、３００Ｋ（すなわち室温）での量子細線発光のＤＯＬＰが７５％（２ｎｍ幅の量子井戸の場合）と高く、１０Ｋでの量子細線発光に比べて約１０％低下することを示している。

図１９は、インジウム含有量と量子井戸の寸法が変化する立方晶ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸に関して、１０ＫでのＤＯＬＰに対する３００Ｋでの量子井戸からの発光の直線偏光度（ＤＯＬＰ）の比率の計算された２Ｄマップ１９００を示す。シミュレーションでは、基底状態と励起状態の熱平衡母集団を考慮し、再結合率は影響を受けないと仮定している。インジウム含有量が０．２５未満で、対角線の寸法が２ｎｍ未満の場合、閉じ込められた状態がないことがわかる。言い換えれば、インジウム含有量が０．２５未満で、対角線の寸法が２ｎｍ未満の場合、３００ＫでのＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の直線偏光度（ＤＯＬＰ）は１０ＫでのＤＯＬＰに等しく、ＤＯＬＰは温度に依存しない。凡例１９０２は、３００ＫでのＤＯＬＰと１０ＫでのＤＯＬＰの比率を示す。グラフ１９００の右下部分に対応する負の比率は、偏光が室温で直交方向になると予想されることを示している。この直交偏光は、低インジウム含有量の場合は対角線の長さが７ｎｍを超え、高インジウム含有量の場合は量子井戸の幅が１１ｎｍを超える量子井戸に関係する。

したがって、図１９に示すように、量子細線に励起状態がない場合、ＤＯＬＰは温度に依存しない可能性があり、又は、平均熱エネルギー（ｋＴ）と比較して、基底状態と励起状態の間の分割が大きい場合は、温度に弱く依存する可能性がある。これらの励起状態のエネルギーは、量子細線の寸法に依存する。これらの励起状態のエネルギーを推定するために、軽い正孔の基底状態のエネルギー（質量０．２ｍ₀と見なされる）が、これらの励起状態の上限として計算された。励起状態はこれら２つの間にあるため、重い正孔状態と軽い正孔状態の分離を半分にすることで、わずかに改善された分裂の推定値が得られた。この分割がインジウム含有量と量子細線の寸法によってどのように変化するかを推定するために、システムのパラメータを変更した。インジウム含有量が０．２０の場合、２ｎｍの量子細線の第１励起状態のエネルギーは量子井戸の基底のエネルギー（すなわち、キャリアが量子細線から逃げるのに必要なエネルギー）より上にある。対角線の寸法が３ｎｍ以上のすべての量子細線の場合、第１励起状態は量子井戸の基底のエネルギーより下に閉じ込められる。

したがって、図１９と一致して、計算された最も狭い寸法の場合のみ、励起状態はバリアの上にあるため、量子細線に閉じ込められない。この場合、ＤＯＬＰは温度に依存しない。細線の寸法が大きくなると、分割は６０ｍｅＶから２６ｍｅＶに減少する。したがって、室温では、励起状態はより幅の広い量子細線についてポピュレートされ、より幅の広い細線からの発光のＤＯＬＰは、温度が上昇するにつれてさらに減少する。実験中に熱平衡に達したと仮定して、この依存性は、ボルツマン（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）統計を使用して、室温での基底状態と第１励起状態の占有を計算することによって推定された。

次に、３００Ｋと１０ＫでのＤＯＬＰの比率を、各状態の再結合率が同じであると仮定して、さまざまなインジウム含有量と寸法について推定した。結果を図１９のグラフ１９００に示す。対角断面長が３ｎｍ未満の量子細線を使用することで、１０％未満のＤＯＬＰの変化を実現することができる。したがって、このモデル１９００は、１０Ｋと室温の間でＤＯＬＰの小さな変化を達成することが可能であることを示唆している。一般に、より細い量子細線及び／又はより高いインジウム含有量は、ＤＯＬＰの温度への依存度を低くする。このプロット１９００のジグザグの性質は、断面の２次元の個別の変化によるものであり、データはこれらの直交和に対してのみプロットされる。一方の次元がもう一方の次元よりも大幅に狭い場合、計算された比率が増加する。図１９の右側の濃い色の領域は、低インジウム含有量の場合は７ｎｍを超え、高インジウム含有量の場合は１１ｎｍを超える対角線の長さで、偏光が室温で直交方向になると予想されることを示している。ただし、ＤＯＬＰは寸法が大きくなるとゼロに減少するため、このような影響は見られない可能性がある。

本開示は、上記の好ましい実施形態に関して説明されてきたが、これらの実施形態は例示にすぎず、特許請求の範囲はそれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。当業者は、本開示を考慮して修正及び代替を行うことができ、これらは、添付の特許請求の範囲に含まれると意図される。本明細書に開示又は図示されている各特徴は、単独で、又は本明細書に開示又は図示されている他の特徴との適切な組み合わせであるかどうかにかかわらず、本発明に組み込むことができる。

Claims (22)

1. 半導体構造であって、
   第１のバンドギャップを有する第１の立方晶ＩＩＩ族窒化物を含むマトリックスと、
   第２のバンドギャップを有し、前記マトリックス内に埋め込まれた領域を形成する第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物であって、前記第１のバンドギャップに対して前記第２のバンドギャップを減少させる合金材料を含む第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物と、
   前記マトリックス内に埋め込まれた領域内で、１次元電荷キャリア閉じ込めチャネルを形成する部分によって定義される量子細線と
   を含み、
   前記量子細線は、光学的に偏光されたルミネッセンス発光を示すように動作可能である、半導体構造。
2. 前記マトリックス内に埋め込まれた領域によって定義される量子井戸をさらに含み、前記領域は、前記マトリックス内に埋め込まれた層を形成する、請求項１に記載の半導体構造。
3. 前記マトリックスは立方晶窒化ガリウムを含む、請求項１又は２に記載の半導体構造。
4. 前記合金材料がインジウムを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体構造。
5. 前記量子細線を定義する、前記マトリックス内に埋め込まれた領域の部分は、前記合金材料の濃度の局所的な増加を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体構造。
6. 前記合金材料の濃度の局所的な増加は、前記半導体構造の積層欠陥と前記量子井戸の間の交差に局所的である、請求項２に従属する場合の請求項５に記載の半導体構造。
7. 前記量子細線を定義する、前記マトリックス内に埋め込まれた領域の部分は、前記量子井戸を定義する埋め込まれた層の幅の局所的な変動を含む、請求項２～４のいずれか１項に記載の半導体構造。
8. 前記局所的な変動の寸法は約２ｎｍより大きい、請求項７に記載の半導体構造。
9. 前記量子井戸を定義する埋め込まれた層の幅は、約２ｎｍ以上約１４ｎｍ以下の幅の間で変動する、請求項７又は８に記載の半導体構造。
10. 前記量子細線のキャリア閉じ込めチャネルに閉じ込められた電荷キャリアは電子である、請求項７～９のいずれか１項に記載の半導体構造。
11. 前記量子細線を定義する、前記マトリックス内に埋め込まれた領域の部分は、前記合金材料を含む領域のチャネルによって定義され、前記チャネルは前記マトリックスを通って延びる、請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体構造。
12. 前記マトリックス内に埋め込まれた領域の前記合金材料の割合は、約２０％より大きい、請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体構造。
13. 前記量子細線の前記１次元電荷キャリア閉じ込めチャネルは、第１の電子状態と第２の電子状態を持ち、これらの状態間のエネルギーの差は、特徴的な熱エネルギーよりも大きく、これにより、状態間の熱的に誘発された遷移の可能性が減少する、請求項１～１２のいずれか１項に記載の半導体構造。
14. 前記量子細線の平均寸法は約１０ｎｍ未満、約２ｎｍより大きい、請求項１～１３のいずれか１項に記載の半導体構造。
15. 請求項１～１４のいずれか１項に記載の半導体構造を組み込んだ半導体デバイスであって、発光ダイオード（ＬＥＤ）；垂直共振器面発光レーザー、ＶＣＳＥＬ；レーザー；センサーからなる群から選択される、半導体デバイス。
16. さらに、
    立方晶炭化ケイ素を含む基板と、
    前記基板の表面に配置された、マトリックス材料の電子リッチ層と、
    前記電子リッチ層の表面に配置された、前記マトリックス及び前記マトリックス内に埋め込まれた領域によって定義される光学活性領域と、
    前記光学活性領域の表面に配置されたマトリックス材料の電子不足層と
    を含む、請求項１５に記載の半導体デバイス。
17. 前記半導体構造がさらに、前記光学活性領域のいずれかの側に配置された光学閉じ込め層を含む、請求項１６に記載の半導体デバイス。
18. 半導体デバイスの製造方法であって、
    第１のバンドギャップを有する第１の立方晶ＩＩＩ族窒化物を含むマトリックスを形成すること、
    第２のバンドギャップを有し、前記マトリックス内に埋め込まれた領域を形成する第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物であって、前記第１のバンドギャップに対して前記第２のバンドギャップを減少させる合金材料を含む第２の立方晶ＩＩＩ族窒化物を形成すること、
    量子細線を定義する、前記マトリックス内に埋め込まれた領域内の部分であって、１次元電荷キャリア閉じ込めチャネルを形成する部分を形成すること
    を含む、製造方法。
19. 量子井戸を定義する、前記マトリックス内の埋め込まれた層として、前記マトリックス内に埋め込まれた領域を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の製造方法。
20. 前記半導体デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）；垂直共振器面発光レーザー、ＶＣＳＥＬ；レーザー；センサーからなる群から選択される、請求項１８又は１９に記載の製造方法。
21. さらに、
    立方晶炭化ケイ素を含む基板を形成すること、
    前記基板の表面に配置された、マトリックス材料の電子リッチ層を形成すること、
    前記電子リッチ層の表面に配置された、前記マトリックス及び前記マトリックス内に埋め込まれた領域によって定義される光学活性領域を形成すること、
    前記光学活性領域の表面に配置されたマトリックス材料の電子不足層を形成すること
    を含む、請求項１８～２０のいずれか１項に記載の製造方法。
22. 光学活性領域の第１及び第２の表面のそれぞれに配置された光学閉じ込め層を形成することをさらに含む、請求項２１に記載の製造方法。

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