JP2023527887A - 光電子デバイス及び光電子デバイスの製造方法 - Google Patents

光電子デバイス及び光電子デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、基板２、２ａ、２ｂから形成された第１のＩｎＧａＮ系の材料を備える錐体２１を含む光電子用３次元立体構造体に関し、３次元構造体１が第２のＧａＮ系の材料からなるワイヤ２４を含むことを特徴とし、ワイヤ２４は、基板２、２ａ、２ｂとＩｎＧａＮ系の錐体２１のベース部２１０との間で基板２、２ａ、２ｂの平面に対して垂直な長手方向に延び、３次元構造体が鉛筆の一般形状を有するように、第１の材料とは異なることを特徴とする。本発明はまた、このような３次元構造体の製造方法、及びこのような３次元構造体の複数を用いた光電子デバイスに関する。

Description

本発明は、光電子の分野に関するものである。特に、３次元構造体を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）をベースとする発光ダイオードの分野で有利な用途を見出すことができる。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、一般に、電子－正孔対の放射性再結合が起こる活性領域と呼ばれる領域を含んでおり、これにより、主波長を有する光放射を得ることができる。
ディスプレイ用途では、ＬＥＤは、青、緑、または赤の主波長を有する光放射を生成するように構成されることができる。
この主波長は、特に活性領域の組成に依存する。緑色または赤色の光放射を生成するために、活性領域は通常、ＩｎＧａＮをベースとすることができる。インジウム［Ｉｎ］の濃度が高くなればなるほど、主波長は長くなる。したがって、赤色で発光するＬＥＤを得るためには、インジウム［Ｉｎ］≧１０ａｔ％の濃度を組み込む必要がある場合がある。
ＧａＮ系のＬＥＤは、一般にプレーナー技術と呼ばれる、基板のベース面上にベース面に垂直な方向に２次元（２Ｄ）層を積層していく技術で製造される。
このスタック（ｓｔａｃｋ）は、典型的には、基板から、ＧａＮバッファ領域、ＮドープＧａＮ領域、ＩｎＧａＮ系活性領域、ＰドープＧａＮ領域で構成されることがある。
このスタック（ｓｔａｃｋ）をリソグラフィー／エッチング工程などで事後的に構造化することにより、複数のＬＥＤまたはマイクロＬＥＤを形成することができ、それぞれは、通常、上面及び側壁からなるメサ構造を有する（図１）。
しかし、インジウム濃度が高い場合（例えば、［Ｉｎ］≧１０ａｔ％）、ＧａＮ系領域とＩｎＧａＮ系活性領域２２との間の格子定数の不整合により機械的ストレスが生じ、塑性緩和により最終的に構造欠陥が生成されることになる。これらの構造欠陥は、ＬＥＤやマイクロＬＥＤの放射効率に影響を与える。特に、良好な放射効率を有する赤色ＬＥＤを得ることは特に困難である。
この種のメサ構造の別の欠点は、後方構造化に関するものである。エッチングによって得られた側壁２００は、一般に、非放射性表面再結合の出現を促進する欠陥を有する。ＬＥＤの放射効率がさらに低下する。
側壁の欠陥を低減するための１つの解決策は、ＧａＮ系の３次元立体構造体を直接形成することである。この３次元構造体は、図２に示すように、錐体型にすることができる。塑性応力緩和現象をさらに制限するために、これらの錐体は、活性領域２２の下にバルクＩｎＧａＮ領域を構成することができる。文献「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｔｈｉｃｋ， ｄｅｎｓｅ， ｕｎｉｆｏｒｍ， Ｉｎ－ｒｉｃｈ， ＩｎＧａＮ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｒａｙｓ ｏｎ ＧａＮ／ｓａｐｐｈｉｒｅ ｔｅｍｐｌａｔｅ， Ｓ． Ｓｕｎｄａｒａｍ ａｎｄ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １１６， １６３１０５ （２０１４）」は、例えばバルクＩｎＧａＮ錐体領域について開示している。以下、このようなバルクＩｎＧａＮ錐体領域２１を「ＩｎＧａＮ錐体」と称する。
Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｔｈｉｃｋ， ｄｅｎｓｅ， ｕｎｉｆｏｒｍ， Ｉｎ－ｒｉｃｈ， ＩｎＧａＮ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｒａｙｓ ｏｎ ＧａＮ／ｓａｐｐｈｉｒｅ ｔｅｍｐｌａｔｅ， Ｓ． Ｓｕｎｄａｒａｍ ａｎｄ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １１６， １６３１０５ （２０１４）
ＩｎＧａＮ錐体の成長は、マスキング層１２によって部分的に覆われたＧａＮ層１１からのエピタキシーによって行うことができる。
このようにして形成されたＩｎＧａＮ錐体２１の欠点は、多数の構造欠陥を有し得ることである。したがって、バルクＩｎＧａＮ領域の結晶品質は、満足のいく性能を有する光電子デバイス、特にＬＥＤを製造するには十分ではない。
エピタキシャルＩｎＧａＮ錐体２１の結晶品質を向上させるために、１つの解決策は、ＧａＮバッファ層１１からこれらの錐体２１を成長させることからなる。このようなバッファ層１１は、特に、従来の薄層よりも厚い。バッファ層１１は、構造欠陥を層１１の下部、例えばシリコンからなる下地支持体１０との界面に閉じ込めることを可能にする。これらの構造欠陥の濃度は、一般に、層の厚さに沿って減少するので、ＧａＮバッファ層１１は、その上部で結晶品質が改善される。しかしながら、このような厚いＧａＮバッファ層１１の使用は、ウェハの形状のシリコン支持体１０に対して湾曲の問題を発生させる。このようなバッファ層は、さらに、製造コストが高い。
この種の錐体型構造の別の欠点は、ＧａＮバッファ層１１上でさえ、バルクＩｎＧａＮ領域２１におけるインジウムの組み込みが制限されたままであることである。特に、インジウム濃度［Ｉｎ］≧１０ａｔ％を有するＩｎＧａＮ錐体２１を満足な結晶性で形成することは困難である。したがって、これらの３次元錐体型ＩｎＧａＮ系構造では、赤色で発光するマイクロＬＥＤを満足な放射効率で形成することができない。
本発明は、上記の欠点のいくつかを少なくとも部分的に克服することを目的とする。
特に、本発明の目的は、結晶品質が改善されたＩｎＧａＮ錐体からなる３次元構造体を提供することである。
本発明の他の目的は、ＩｎＧａＮ錐体の製造コストを低減し、及び／又はＩｎＧａＮ錐体の結晶品質を向上させることができるＩｎＧａＮ錐体の形成方法を提供することである。
本発明の他の目的は、改善された放射効率で赤色または緑色で発光するＩｎＧａＮ錐体を含む光電子デバイス、特にＧａＮ系の３ＤＬＥＤを提供することである。
本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の説明及び添付の図面を検討することにより明らかになるであろう。他の利点を取り入れることができることが理解される。
上記の目的を達成するために、本発明は、第１の態様によれば、平面基板から形成された第１のＩｎＧａＮ系の材料を備える錐体を含む光電子用の３次元立体構造体を提供する。
有利には、前記３次元構造体は、前記第１の材料とは異なる第２のＧａＮ系の材料で作られるワイヤとを備え、前記ワイヤは、各３次元構造体が鉛筆の一般形状を有するように、前記基板と前記ＩｎＧａＮ系の錐体のベース部との間で前記基板の平面に対して垂直な長手方向に延びる。
このように、ＧａＮ系のワイヤは、ＩｎＧａＮ系の錐体の３次元基板として機能する。このワイヤ形状の３次元基板は、厚いＧａＮバッファ層形状の平面基板に代わるものとして有利に作用する。このワイヤ形状の基板は、特に、厚いＧａＮ平面基板よりも結晶品質が良く、製造がより経済的である。
このようなＧａＮ系のワイヤは、好ましくは、「トップダウン」と呼ばれる逆のアプローチによる上から下へのエッチングではなく、「ボトムアップ」と呼ばれるアプローチによる下から上への成長によって得られる。このようなボトムアップ成長では、特に成長中のワイヤの壁面に自由表面が存在するおかげで、ＧａＮ内の機械的応力の出現を制限することができる。これにより、ワイヤ内の構造欠陥の発生を抑制し、ＧａＮ系のワイヤの結晶性を向上させることができる。また、表面欠陥の発生を促進するトップダウン方式とは異なり、ワイヤの壁面における表面欠陥の発生を抑制または除去することができる。
さらに、ワイヤ状の成長は、バルク層の成長よりも効率が良い。ワイヤの表面積と体積の比は、確かに平面層よりも大きい。表面現象によって成長が制限されるため、ワイヤ状成長の方が成長効率は高くなる。これにより、先行技術のＧａＮ系の基板をワイヤ形状に置き換えることで、製造コストを低減することができる。
このようなワイヤ形状の基板は、有利には、例えば８インチまたは１２インチのような大きな寸法のシリコンウェハ上に、後者が湾曲の問題に悩まされることなく形成することも可能である。シリコンとＧａＮ系の材料との間の格子定数の差に関連する機械的ストレスは、この材料のワイヤ形状の成長によって、この材料の層形状の成長（層厚とワイヤ高さが等しい場合）と比較して、大きく緩和される。
本発明の第２の側面は、本発明の第１の側面による複数の３次元立体構造を含む窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づく光電子デバイスに関する。
３次元構造体は、有利には、６５０ｎｍ以下、好ましくは６００ｎｍ以下の分離距離ｄｓによって互いに間隔をあけて配置される。
本発明に至る開発により、高いＧａＮ系のワイヤ密度が、ワイヤの壁面ではなく、ワイヤのトップ部におけるＩｎＧａＮ系の構造の成長を促進することを確認することができた。技術的先入観によれば、有機金属前駆体ＭＯＶＰＥを用いた気相エピタキシーによる成長は、それが構造化されているか否かにかかわらず、基板の表面上に実質的にコンフォームな層を生成する。したがって、この先入観によれば、ＧａＮ系のワイヤ上のＩｎＧａＮのＭＯＶＰＥ堆積は、ワイヤの壁及びトップ部にＩｎＧａＮの連続層を有する、放射状３次元構造体と呼ばれる構造を形成する。
これに対して、本発明の開発の枠組みの中で、このようなＩｎＧａＮのＭＯＶＰＥ成膜を、互いに十分に接近した一組のＧａＮ系のワイヤ上に行うと、ＩｎＧａＮ系材料が主にワイヤのトップ部に位置する、アキシアル３次元構造（ａｘｉａｌ ３Ｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ばれる構造を得ることができることが判明したのである。
さらに、予想外なことに、これらのＩｎＧａＮ系トップ構造は、ワイヤ状の層ではなく、錐体状に成長する。これは、ＩｎＧａＮ系材料の近接配置が熱力学系の平衡を乱し、錐体を形成しているためと考えられる。
例えば、基板上にＩｎＧａＮウェルとＡｌＧａＮバリアを約２００ｎｍ間隔のＧａＮ系ワイヤとして周期的に堆積させると、ワイヤのトップ部にＩｎＧａＮ系バルク錐体が形成されることが明らかになった。
このような高ワイヤ密度の条件下では、ワイヤ間の距離ｄｓが６５０ｎｍ以下であるため、トップ部の錐体構造形成時にインジウムが均質に分散されることになる。
このようなバルクＩｎＧａＮ系の錐体を得ることにより、有利には、改善された結晶品質及び／または増加したインジウム濃度を有する活性ＩｎＧａＮ系領域を成長させることができる。
ＩｎＧａＮ系の錐体は、有利には、半極性面に対応する傾斜した面を有することができる。これらの半極性面は、例えば、｛１０－１１｝型である。このような半極性面は、ワイヤの壁の非極性面と比較して、インジウムの取り込みを促進する。したがって、トップ部のＩｎＧａＮ錐体は、例えば［Ｉｎ］≧１０ａｔ％といった十分なインジウム濃度を有することができ、緑色または赤色の光線を出すように構成されるＬＥＤを、改善された放射効率で形成することができる。
本発明の第３の側面は、それぞれがＩｎＧａＮ系の錐体からなるオプトエレクトロニクス用の複数の３次元立体構造体を製造するための方法に関する。
この方法は、以下の工程、
－例えばＧａＮ、ＡｌＮ、及び／又は他の金属窒化物をベースとする、ＧａＮの核生成及び成長を可能にする少なくとも１つの表面層を含む基板を提供する工程と、
－前記ＧａＮ系の基板上にマスキング層を堆積させ、前記マスキング層は、前記表面層が露出される開口部を含む工程と、
－表面層の露出部からエピタキシャル成長させることで、表面層に対して実質的に垂直な長手方向にベース部からトップ部まで延びるＧａＮ系のワイヤをそれぞれ形成し、前記ベース部は開口部を介して表面層に接続される工程と、
－ＧａＮ系のワイヤのトップ部上に、ＩｎＧａＮ系の錐体をエピタキシャル成長により形成する工程と、を含む。
この方法によれば、核形成層とも呼ばれる表面層が有利に薄い状態から、ＩｎＧａＮ系の錐体を形成することができる。このエピタキシャルワイヤは、同程度の厚さのバルク層よりも高い結晶品質を有している。このため、ＩｎＧａＮ系の錐体を成長させるための結晶品質の良い３次元ＧａＮ系の基板を形成するのに有利である。これにより、ＩｎＧａＮ系の錐体の結晶品質が向上する。
また、ＧａＮ系ワイヤエピタキシーは、ＧａＮ系バルク層エピタキシーと比較して、より効率的で、より少ない前駆体を消費する。したがって、本方法は、最終的に、ＩｎＧａＮ系の錐体の製造コストを低減することを可能にする。
有利な可能性によれば、マスキング層の開口部は、７００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍと６５０ｎｍの間のピッチを有するアレイの形状に規則的に分布している。このピッチは、ワイヤ間の離間距離ｄｓを部分的に決定する。このため、ＧａＮ系のワイヤの成長後は、ワイヤ同士が比較的近接した状態となる。これにより、錐体の形状で、ワイヤのトップ部でＩｎＧａＮの軸方向の成長を促進することができる。
本発明の一側面の特徴及び利点は、本発明の別の側面に準用され得ることが理解される。
本発明の目的、対象、ならびに特徴及び利点は、以下の添付図面によって例示される後者の実施形態の詳細な説明からより明らかになるであろう。
図１は、従来技術によるメサ構造を有する３ＤＬＥＤ構造を示す図であり、図２は、従来技術によるメサ構造を有する３ＤＬＥＤ構造を示す図である。 図２は、先行技術によるＩｎＧａＮ系の錐体からなる３ＤＬＥＤ構造を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態によるＩｎＧａＮ系の錐体からなる３次元構造体を示す図である。 図４Ａは、本発明の一実施形態による３次元構造体の走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）画像である。 図４Ｂは、本発明の一実施形態による３次元構造体のトップ錐体を示す、図４Ａの画像の拡大図である。 図４Ｃは、本発明の一実施形態による３次元構造体のトップ部錐体内のインジウムの分布を示す図４ＢのＥＤＸマッピングである。 図５は、本発明の一実施形態による複数の３次元構造体を含む光電子デバイスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図６は、本発明の他の実施形態による複数の３次元構造体からなる光電子デバイスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。 図７Ａは、図６に図示された光電子デバイスの上面図において、赤色光領域の波長λＲに対して形成されたカソードルミネッセンス画像である。 図７Ｂは、図７Ａの画像にコントラストのダイナミックレンジを拡大し、トップ部のＩｎＧａＮ系の錐体の波長λＲにおける発光強度の差異を強調したものである。 図７Ｃは、図７Ｂに示す空間プロファイルの各点に関連するカソードルミネッセンス発光スペクトルを示すハイパースペクトル画像である。 図８は、図６に示す光電子デバイスのフォトルミネッセンススペクトルである。 図９は、本発明の他の実施形態による複数の３次元構造体を含む光電子デバイスのフォトルミネッセンススペクトルである。 図１０Ａは、本発明の他の実施形態による複数の３次元構造体を含む光電子デバイスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図１０Ｂは、図１０Ａに示された光電子デバイスのフォトルミネッセンススペクトルである。
図面は、例示として与えられたものであり、本発明を限定するものではない。それらは、本発明の理解を容易にすることを意図した模式的な原理表現を構成するものであり、必ずしも実用化の規模にあるものではない。特に、３次元構造体の様々な要素の寸法は、必ずしも現実を代表するものではない。
本発明の実施形態の詳細な検討を開始する前に、その第１の態様による本発明は、特に、組み合わせてまたは代替的に使用することができる以下の任意の特徴を含んでいることが想起される。
一実施例によれば、ワイヤは、１５０ｎｍ以上の高さを有する。
一実施例によれば、ワイヤは、３０ｎｍ以上及び／又は５００ｎｍ以下の直径を有する。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体は、ベース直径を有し、ワイヤの直径は、ベース直径以下である。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体のベース部は、基板の平面と実質的に平行である。
一実施例によれば、ＧａＮ系のワイヤは、平面基板上に載るベースと、ＩｎＧａＮ系の錐体のベース部を支えるトップ部とを備え、トップ部は、ＩｎＧａＮ系のカラー部によって囲まれている。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体は、長手方向に対して約３０°の角度で傾斜した面を有し、これらの傾斜した面は、実質的に｛１０－１１｝型の半極性平面に対応する。
一実施例によれば、３次元構造体は、ＩｎＧａＮ系の錐体の少なくとも１つの面上に活性ＩｎＧａＮ系の領域をさらに備え、活性領域は、光放射を出すまたは受け取るように構成される。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体は、インジウムレベル［Ｉｎ］≧１０％を有する。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体は、５０ｎｍ以上の高さ、及び／又は５００ｎｍ以下の高さを有する。
一実施例によれば、ワイヤの直径は、マスキング層の開口部の直径よりも大きい。
その第２の態様による本発明は、特に、組み合わせて又は交互に使用することができる以下の任意の特徴を備える。
一例によれば、光電子デバイスの３次元構造体の少なくとも一部は、主波長を有する光放射を出すように構成され、主波長は、３次元構造体のワイヤの直径Φ及び３次元構造体のうち２つの隣接する３次元構造体を分離する分離距離ｄｓに依存して変化する。
一実施例によれば、複数の３次元構造体は、同一の分離距離ｄｓ及び同一の線径Φを有し、３次元構造体は、特に同一プレート上の（特に活性層の、同一の成長条件を有する）緑色の３次元構造体に対して、線径Φ及び分離距離ｄｓによって部分的に決定される主波長λを有する光放射を出すように構成される。
一実施例によれば、光電子デバイスは、ｄｓ１＜ｄｓ２＜ｄｓ３および／またはΦ１＞Φ２＞Φ３となるような、ワイヤ（２４）の第１、第２及び第３分離距離ｄｓ１、ｄｓ２、ｄｓ３と、第１、第２及び第３直径Φ１、Φ２、Φ３と、をそれぞれ有する少なくとも第１、第２および第３複数の３次元構造体を備え、第１、第２及び第３の複数の３次元構造体（１）は、それぞれ互いに異なる第１、第２及び第３の波長λ１、λ２、λ３を有する、好ましくは、λ１＞λ２＞λ３となるような光放射を出す。
一実施例によれば、光電子デバイスは、ｄｓ１＜ｄｓ２及びΦ１＞Φ２となるように、第１及び第２の分離距離ｄｓ１、ｄｓ２と、第１及び第２のワイヤの直径Φ１、Φ２と、を有する第１及び第２の複数の３次元構造体をそれぞれ備え、第１及び第２の複数の３次元構造体は、それぞれ互いに異なる第１及び第２の波長λ１、λ２を有する、好ましくはλ１＞λ２のような光放射を出す。
一実施例によれば、光電子デバイスは、第１の分離距離ｄｓ１及び第１の直径Φ１を有する少なくとも第１の複数の３次元構造体を備え、３次元構造体は、赤色光のスペクトルに属する第１の波長λ１を有する光放射を出す。
一実施例によれば、光電子デバイスは、第２の分離距離ｄｓ２及びワイヤの第２の直径Φ２を有する少なくとも第２の複数の３次元構造体を備え、３次元構造体は、緑色光のスペクトルに属する第２の波長λ２を有する光放射を出す。
一実施例によれば、光電子デバイスは、第３の分離距離ｄｓ３及びワイヤの第３の直径Φ３を有する少なくとも第３の複数の３次元構造体を備え、３次元構造体は、青色光のスペクトルに属する第３の波長λ３を有する光放射を出す。
一実施例によれば、ｄｓ１＜ｄｓ２＜ｄｓ３及び／又はΦ１＞Φ２＞Φ３である。
一実施例によれば、第１波長λ１は、６００ｎｍより大きい。
一実施例によれば、第２波長λ２は、５００ｎｍと６００ｎｍとの間に構成される。
一実施例によれば、第３波長λ３は、５００ｎｍ未満である。
一例によれば、光放射の主波長λは、４００ｎｍ以上であり、及び／又は、７００ｎｍ以下である。
一例によれば、光放射の主波長λは、５００ｎｍと６５０ｎｍの間で構成される。
その第３の態様による本発明は、特に、組み合わせてまたは交互に使用することができる以下の任意の特徴を含む。
一例によれば、本方法は以下の工程、
－例えばＧａＮ、ＡｌＮ、及び／又は他の金属窒化物をベースとする、ＧａＮの核生成及び成長を可能にする少なくとも１つの表面層を含む基板を提供する工程と、
－前記基板上にマスキング層を堆積させ、前記マスキング層は、前記表面層が露出される開口部を含む工程と、
－表面層の露出部からエピタキシャル成長させることで、表面層に対して実質的に垂直な長手方向にベース部からトップ部まで延びるＧａＮ系のワイヤをそれぞれ形成し、前記ベース部は開口部を介して表面層に接続される工程と、
－ＧａＮ系のワイヤのトップ部上に、ＩｎＧａＮ系の錐体をエピタキシャル成長により形成する工程と、を含む。
一実施例によれば、表面層は、１ｎｍと２００ｎｍの間、好ましくは１０ｎｍと２００ｎｍの間で構成される厚さを有する。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体の形成及び／又はＧａＮ系のワイヤの形成は、有機金属気相エピタキシーＭＯＶＰＥによって行われる。
一実施例によれば、マスキング層の開口部は、５０ｎｍと７００ｎｍとの間で構成されるピッチで間隔をあけて配置される。
一実施例によれば、マスキング層の開口部は、４μｍ－２以上及び／又は４００μｍ－２以下の表面密度を有するように分布される。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体の形成は、ＩｎＧａＮ系の錐体がインジウムレベル［Ｉｎ］≧１０ａｔ％を有するように構成される。
一実施例によれば、ＩｎＧａＮ系の錐体の形成は、７８０℃以上の温度で行われる。
一実施例によれば、マスキング層は、ｐ１＜ｐ２＜ｐ３かつΦｏ１＞Φｏ２＞Φｏ３となるような第１、第２及び第３ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３と、第１、第２及び第３開口直径Φｏ１、Φｏ２、Φｏ３と、を有する少なくとも第１、第２及び第３複数の開口部をそれぞれ備える。互いに異なる第１、第２及び第３の波長λ１、λ２、λ３をそれぞれ有し、好ましくはλ１＞λ２＞λ３である光放射を出すように構成される第１、第２及び第３の複数の３次元構造体を同時に形成するように、３次元構造体を形成する。
一例によれば、マスキング層は、互いに異なる第１及び第２の波長λ１、λ２を有する光放射をそれぞれ出すように構成される第１及び第２の複数の３次元構造体を同時に形成するように、ｐ１＜ｐ２及びΦｏ１＞Φｏ２のような第１及び第２のピッチｐ１、ｐ２と、第１及び第２の開口直径Φｏ１、Φｏ２と、を有する第１及び第２の複数の開口部を備え、好ましくはλ１＞λ２であるようである。
矛盾しない限り、３次元構造体、製造方法、及び光電子デバイスは、上記の任意の特徴を準用して構成され得ることが理解される。
本発明において、ＩｎＧａＮ系の錐体からなる３次元構造体は、特に３次元ＬＥＤの製造に特化したものである。
本発明は、より広範に、３次元構造体を有する様々な光電子デバイス、特に活性領域を構成する光電子デバイスに実施することができる。
光電子デバイスの活性領域とは、このデバイスによって供給される光放射の大部分が出される領域、またはこのデバイスによって受け取られる光放射の大部分が捕捉される領域を意味する。
したがって、本発明は、レーザーデバイスまたは光起電力デバイスの文脈で実施することもできる。
明示的に言及しない限り、本発明の文脈において、第１の層と第２の層との間に介在する第３の層の相対的配置は、必ずしも層が互いに直接接触していることを意味せず、第３の層が第１及び第２の層と直接接触しているか、少なくとも１つの他の層または少なくとも１つの他の要素によってそこから分離されていることを意味すると規定されている。
様々な要素を形成する工程は、広義に理解される：それらは、必ずしも厳密に連続しないいくつかのサブ工程で実施され得る。
ワイヤの直径または錐体のベース部は、その最大の横方向寸法を意味する。本発明では、ワイヤは必ずしも円形断面である必要はない。特に、ＧａＮ系のワイヤの場合、この断面は六角形であってもよい。この場合、直径は、六角形断面の対向する２つの頂点を隔てる距離に相当する。あるいは、断面の多角形に内接する円の直径と、この多角形の外接円の直径から算出される平均直径に対応することができる。３次元構造体の直径は、この３次元構造体のワイヤの直径とほぼ等しい。
鉛筆形状とは、円筒状の本体と、この本体の一端に設けられた先細りの先端部とからなる形状をいう。胴体は、好ましくは直円柱である。六角形または多角形の断面を有していてもよい。本特許出願では、その断面は、円筒の高さに沿ってほぼ一定である。それにもかかわらず、例えば、その表面の５％または１０％まで、わずかに変化してもよく、このことは、上記の円筒形の本体の定義に疑問を投げかけるものではない。この円筒体は、本特許出願のＧａＮ系のワイヤに相当する。テーパーチップは、円筒体の一端にかかっている。それは、好ましくは、円筒と同じベース部を有し、点またはトップ部領域に向かって収束しながら、好ましくは連続的に延在する。先細りの先端部は、任意に、１つまたは複数の度から構成されてもよい。テーパー状の先端部は、本特許出願におけるＩｎＧａＮ系の錐体のトップ部に相当する。
ワイヤとは、長手方向に細長い形状の３次元構造体を意味する。ワイヤの長手方向の寸法は、図中のｚに沿って、図中の平面ｘｙにおける、ワイヤの横方向の寸法よりも大きく、好ましくは、はるかに大きい。長手方向の寸法は、例えば、横方向の寸法の少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍である。
３次元構造体の表面密度は、２つの隣接する３次元構造体を分離する分離距離ｄｓに依存する。それは特に、ｋを比例係数とするｋ／ｄｓ２に従って、この距離ｄｓに反比例し得る。
本特許出願において、用語「濃度」、「レベル」及び「含有量」は、同義である。
より詳細には、濃度は、モル分率または原子分率（ａｔ％）などの相対単位、または１立方センチメートルあたりの原子数（ａｔ．ｃｍ－３）などの絶対単位で表現することができる。
以下では、特に断らない限り、濃度はａｔ％で表される原子分率である。
本特許出願において、用語「発光ダイオード」、「ＬＥＤ」又は単に「ダイオード」は、同義的に使用される。また、「ＬＥＤ」は「マイクロＬＥＤ」とも理解され得る。
以下では、材料Ｍに関する以下の略語を任意に使用する。
Ｍ－ｉは、マイクロエレクトロニクスの分野で通常使用される接尾辞－ｉの用語に従って、固有または非意図的にドープされた材料Ｍを指す。
Ｍ－ｎは、Ｎ、Ｎ＋またはＮ＋＋でドープされた材料Ｍを指し、接尾辞－ｎはマイクロエレクトロニクスの分野で通常使用される用語に従いる。
Ｍ－ｐは、Ｐ、Ｐ＋またはＰ＋＋でドープされた材料Ｍを指し、接尾辞－ｐのためにマイクロエレクトロニクスの分野で通常使用される用語集に従ったものである。
材料Ｍに「基づく」基板、層、デバイスとは、この材料Ｍのみ、またはこの材料Ｍと場合によっては他の材料、例えば合金元素、不純物またはドーピング元素からなる基板、層、デバイスを意味する。したがって、窒化ガリウム（ＧａＮ）をベースとするワイヤは、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮまたはＧａＮ－ｉ）またはドープ窒化ガリウム（ＧａＮ－ｐ、ＧａＮ－ｎ）から構成され得る。窒化ガリウム－インジウム（ＩｎＧａＮ）に基づく錐体は、例えば、窒化ガリウム－アルミニウム（ＡｌＧａＮ）またはアルミニウム及びインジウムの異なる含有量を有する窒化ガリウム（ＧａＩｎＡｌＮ）から構成することができる。本発明の文脈では、材料Ｍは一般に結晶性である。
軸ｘ、ｙ、ｚからなる、好ましくは直交する基準マークが、添付の図に示されている。
本特許出願では、好ましくは、層に対する厚さ及びデバイスに対する高さが考慮される。厚さは、層の主延長面に垂直な方向でとられ、高さは、基板の基底面ｘｙに垂直な方向でとられる。したがって、バッファ層または表面層は、典型的には、ｚに沿った厚さを有し、ワイヤは、ｚに沿った高さを有する。
寸法値は、製造公差と測定公差の範囲内で一致する。したがって、理論上同一の２つの離間距離ｄｓまたは２つのワイヤの直径は、実際にはわずかな寸法変化を有する場合がある。
用語「実質的に」、「およそ」、「のオーダー」は、値に関する場合はこの値の「１０％以内」、角度方向に関する場合はこの方向から「１０°以内」を意味する。したがって、ある平面に対して実質的に垂直な方向とは、その平面に対して９０±１０°の角度を有する方向を意味する。
３次元構造体の形状、結晶学的配向、及びこの３次元構造体の様々な要素（特にワイヤ、錐体、カラー、活性領域）の組成を決定するために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、あるいは走査透過型電子顕微鏡ＳＴＥＭ分析を実施することが可能である。
様々な元素の結晶学的配向は、ＴＥＭまたはＳＥＭ画像から直接推定することができ、また、例えば、ＴＥＭ内のマイクロ回折によって正確に決定することができる。
ＴＥＭやＳＴＥＭは、構造欠陥、特にＩｎＧａＮ錐体内の転位の観察及び同定にも適している。暗視野と明視野、弱いビーム、高角度回折ＨＡＡＤＦ（Ｈｉｇｈ Ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ）イメージングなど、以下に挙げる様々な手法を非網羅的に実施することが可能である。
様々な元素の化学組成は、よく知られたＥＤＸまたはＸ－ＥＤＳ法（エネルギー分散型Ｘ線分光法：ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙの頭文字）を用いて決定することができる。
この方法は、３ＤＬＥＤのような小型デバイスの組成分析に適している。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で金属組織を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で薄切片を分析することができる。
様々な元素の光学特性、特にＩｎＧａＮ系の錐体及び／またはＩｎＧａＮ系の活性領域の主要な発光波長は、分光法によって決定することができる。
カソードルミネセンス（ＣＬ）及びフォトルミネセンス（ＰＬ）分光法は、本発明に記載の３次元構造体を光学的に特徴付けるためによく適合している。
上記の技術は、特に、３次元構造体を有する光電子デバイスが、本発明で説明するように、ＧａＮ系のワイヤのトップ部に形成されたＩｎＧａＮ系の錐体からなるか否かを決定することを可能にする。また、カラーが存在する可能性についても、これらの技術を用いて容易に観察することができる。
次に、本発明による３次元構造体の第１の実施形態について、図３及び４Ａ～４Ｃを参照しながら説明する。
図３は、同一の基板２ａ上に配された複数の隣接する３次元構造体１を示す図である。これらの３次元構造体の１つに関連する以下の説明は、この複数の３次元構造体のうち、互いに実質的に同一であるとみなされる他の３次元構造体にも当然及ぶ。
３次元構造体１は、少なくとも１本のワイヤ２４と、ワイヤ２４のトップ部に設けられた１つの錐体２１とから構成される。好ましくは、基板２ａから直接形成される。この基板２ａは、方向ｚにおいて、支持体１０と、核形成層と呼ばれる表面層１３と、マスキング層１２とからなる積層体形状であってもよい。基板２ａは、実質的に平面であり、平面ｘｙに平行である。
支持体１０は、特に、ＧａＮとの格子定数の不整合を抑えるためにサファイアで作ることができ、また、コスト削減や技術的互換性の問題からシリコンで作ることができる。後者の場合、直径２００ｍｍまたは３００ｍｍのウェハの形状にすることができる。特に、３次元構造体の支持体として機能する。
核形成層１３は、好ましくは、ＡｌＮをベースとする。それは、代替的に、他の金属窒化物、例えばＧａＮまたはＡｌＧａＮに基づくことができる。この核形成層１３は、当業者に知られているＧａＮの核形成及び成長を可能にする任意の層とすることができる。それは、エピタキシーによって、好ましくは有機金属気相エピタキシーＭＯＶＰＥによって、シリコン支持体１０上に形成することができる。有利には、それは、２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下、例えば５０ｎｍのオーダーの厚さを有する。これにより、この層１３によって支持体１０上に誘発される機械的応力を制限することができる。これにより、支持体１０の有害な湾曲を回避することができる。このような厚さはまた、核生成層１３における構造的欠陥の出現を制限することを可能にする。特に、この核形成層１３の成長は、擬似的なものとすることができ、すなわち、エピタキシーの応力（特にＳｉとＡｌＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮとの格子定数の差に関連する）を成長中に弾性的に緩和させることが可能である。こうして、この核形成層１３の結晶品質を最適化することができる。
マスキング層１２は、好ましくは誘電体材料、例えば窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４からなる。それは、核形成層１３上に化学気相成長法ＣＶＤによって堆積させることができる。それは、核形成層１３を部分的に覆い、核形成層１３の領域を露出させる好ましくは円形の開口部１２０からなる。これらの開口部１２０は、典型的には、３０ｎｍ～５００ｎｍの間で構成される寸法、例えば直径Φｏまたは平均直径を有する。開口部１２０は、マスキング層１２内に均一に、例えば順序付けられたアレイの形状で分布させることができる。ピッチ、すなわち２つの隣接する開口部１２０の中心を分離する距離は、好ましくは７００ｎｍ以下である。それは、５０ｎｍと６５０ｎｍの間で構成され得る。開口部１２０は、有利には、４μｍ－２より大きい表面密度を有する。これにより、最終的に、基板２ａ上に高密度に分布する３次元構造体を得ることができる。これらの開口部１２０は、例えば、ＵＶまたはＤＵＶ（Ｄｅｅｐ ＵＶの頭文字）リソグラフィーによって、電子ビームリソグラフィーによって、またはＮＩＬ（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙの頭文字）によって製造することが可能である。したがって、マスキング層１２の形成は、典型的には、誘電体材料の堆積に続いて、典型的にはリソグラフィーによって開口部１２０を形成することからなる。このようなマスキング層１２は、各開口部１２０における３次元構造体の局所的な成長を可能にする。特に、発芽と呼ばれる予備成長工程の間に、ＧａＮ系のシード（ｓｅｅｄ）２０が開口部１２０に形成され、その後、当該開口部１２０を埋める。その後、ワイヤ２４の後続の成長は、このシード２０から、局所的に行われる。
ワイヤ２４は、ＧａＮをベースとしている。それは、六方晶構造の軸ｃに対応する結晶学的方向［０００１］にｚに平行に配向していることが好ましい。
ＧａＮをベースとするワイヤ２４は、エピタキシーによって、好ましくは有機金属気相エピタキシーＭＯＶＰＥによって、特に公開ＷＯ２０１２１３６６６５に定義されるように形成することができる。有機金属前駆体（前駆体ＩＩＩ）の形態のガリウムの源は、典型的には、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）であり得る。窒素源は、典型的には、アンモニア（ＮＨ３）（前駆体Ｖ）であり得る。成長温度は、好ましくは７００℃以上、例えば１０００℃のオーダーである。成長反応器内のガス圧力は、例えば、４２５Ｔｏｒｒのオーダーである。成長は、好ましくは、典型的には窒素Ｎ２及び／または二水素Ｈ２を加えることによって、中性及び／または還元性雰囲気下で行われる。様々なガスの流量は、特に反応器の容積に依存して、当業者に公知の方法で適合させることができる。
ワイヤ２４の形成は、代替的に、分子線エピタキシーＭＢＥによって、塩素化ガス状前駆体ＨＶＰＥ（「Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ」の頭文字）を用いた蒸気相エピタキシーによって、化学気相成長ＣＶＤ及びＭＯＣＶＤ（「ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」の頭文字）によって実施することが可能である。
任意選択で、ワイヤ２４のエピタキシャル成長の前に、シード２０の表面準備の従来の工程（化学洗浄、熱処理）を実施することができる。
ワイヤ２４は、Ｎ－ドープＧａＮ系領域から構成され得る。既知の態様において、このＮドープ領域は、成長、注入及び／または活性化アニーリングに起因し得る。Ｎドーピングは、特に、成長中に、シリコンまたはゲルマニウムの供給源から、例えばシランまたはジシランまたはゲルマン蒸気を添加することによって、直接得ることができる。このようなワイヤ２４の形成に必要な成長条件は、広く知られている。
ワイヤ２４は、３０ｎｍ以上及び／または５００ｎｍ以下の直径Φを有する。この直径Φは、開口部１２０の直径及びワイヤ２４を生じさせたシード２０の直径より大きくてもよい。この場合、ワイヤ２４のベース部２４０は、基板２ａのマスキング層１２に負担をかける。ワイヤ２４の平面ｘｙにおける断面は、典型的には、多かれ少なかれ正六角形の形状を有し得る。また、ワイヤ２４は、１５０ｎｍ以上の高さｈを有する。ワイヤ２４のトップ部２４１は、好ましくは、錐体２１のベース部２１０を収容するように、実質的に平坦で、平面ｘｙに平行である。ワイヤ２４は、好ましくは、１より大きいアスペクト比ｈ／Φ、好ましくは５より大きいアスペクト比を有する。これにより、ワイヤ２４のそのトップ部２４１における結晶性が向上する。また、これにより、トップ部２４１を下地の平面基板２ａから離すことができる。このため、トップ部２４１の局所的な環境は、下地の平面基板２ａによって乱されることがない。したがって、ワイヤ２４のトップ部２４１におけるＩｎＧａＮ錐体２１の形成は、平面基板２ａに影響されない。
錐体２１は、ＩｎＧａＮをベースとしている。好ましくは、ワイヤ２４と同じ結晶学的方向に配向している。ＩｎＧａＮをベースとする錐体２１の形成は、エピタキシー、好ましくは有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により行うことができる。錐体２１の形成に必要な成長条件は、ワイヤ２４の形成に必要な成長条件と異なる。有機金属前駆体の形態のインジウムの源、例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）は、特にガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及び窒素（ＮＨ３）の源に添加されてＩｎＧａＮ系材料を成長させる。インジウムの前駆体元素（ＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ）の、全ての前駆体ＩＩＩ（ＴＥＧａ、ＴＭＧａ及びＴＭＩｎ、ＴＥＩｎ．．．）に対する比率は、０．３のオーダーとすることが可能である。成長温度は、約８００℃とすることができる。成長反応器内のガス圧力は、例えば１００Ｔｏｒｒのオーダーである。Ｖ／ＩＩＩまたはＩｎ／ＩＩＩ比、圧力及び成長温度は、エピタキシー反応器の設計及び目標発光波長に従って調整することができる。
１つの可能性によれば、Ｇａ／Ｎ元素比は、１００以上であってもよい。これにより、このＩｎＧａＮ系材料の錐体形状の成長が促進される。
１つの可能性によれば、ワイヤ２４の成長は、ワイヤ２４のトップ部２４１でＧａ極性を得るように構成される。このような極性は、錐体型の成長形態も促進する。
ワイヤ２４のトップ部２４１における直近の環境もまた、成長形態に影響を与え得る。特に、他のワイヤ２４及び他の隣接するトップ部２４１の近接は、ＩｎＧａＮ系材料の成長条件を局所的に変更することができる。本発明の開発の文脈では、基板２ａ上のワイヤの密度が高く、特に４μｍ－２より大きいと、錐体型の成長形態が促進されるように思われた。また、このワイヤ２４の面密度が高くなるほど、錐体２１に取り込まれるインジウム［Ｉｎ］の濃度が高くなることが現れた。
錐体２１の成長温度は、好ましくは７００℃以上、より好ましくは７５０℃以上、有利には７８０℃のオーダーの温度である。これにより、錐体２１の結晶性を向上させることができる。ＩｎＧａＮ系の錐体２１の形成とワイヤ２４の形成は、有利には、１つの同じ成長フレームで行うことができる。
図４Ａ及び図４Ｂは、ＭＯＶＰＥによって得られた３次元構造体のＳＴＥＭ－ＨＡＡＤＦ画像である。これらの画像は、特に、ワイヤ２４に構造欠陥が実質的にないこと、及び錐体２１も非常に良好な結晶品質を有することを示す。
構造的に、錐体２１は、ワイヤ２４のトップ部２４１に載るベース部２１０と、ｚに沿ってベース部２１０と反対側にあるトップ部２１１とから構成され、錐体２１のトップ部２１１は先端を形成することができる。それはおそらく、多かれ少なかれ切り捨てられたり、平坦化されたりすることがある（図４Ａ）。錐体２１のベース部２１０は、ワイヤ２４の直径Φよりも大きいか、またはそれに等しい直径Φｐを有する。このベース部２１０は、典型的には、ワイヤ２４の断面と同じ多かれ少なかれ正六角形の形状を有している。錐体２１は、平面ｘｙにおいて、典型的には多かれ少なかれ正六角形の形状の横断面を維持しながら、ベース部２１０からトップ部２１１まで延びている。したがって、錐体２１は、ベース部２１０からトップ部２１１まで延びる傾斜した側面または面２１２から構成される。特に、これらの面２１２は、６つの数であってよい。錐体２１は、高さｈｐを有する。この高さｈｐは、ワイヤ２４の高さｈのオーダー、好ましくは少なくとも２倍小さく、好ましくは少なくとも５倍小さく、例えば１０倍程度小さくてもよい。錐体２１は、好ましくは１のオーダーのアスペクト比ｈｐ／Φｐを有し、これは、平面ｘｙに対する６０°のオーダーの面２１２の傾斜に相当する。このような面２１２は、有利には、｛１０－１１｝型の面に対応することができる。これにより、錐体２１、またはこれらの面２１２上に形成された活性領域２２におけるインジウムの取り込みを促進することができる。別の可能性によれば、面２１２は、平面ｘｙに対して約８０°の角度で傾斜させることができる。面２１２のこのような傾斜は、｛２０－２１｝型の半極性面とほぼ一致する。
錐体２１は、ベース部２１０の下で、ワイヤ２４のトップ部２４１の周りに、例えばカラー２６の形状で延在することができる（図４Ｂ）。このカラー２６は、錐体２１の面２１２の続きとしてファセット２６２を構成することができる。このカラー２６は、典型的には、錐体２１と共に、ワイヤ２４のトップ部２４１を覆うキャップを形成する。カラー２６は、例えば、ワイヤ２４と錐体２１との間の機械的凝集力を向上させることを可能にする。カラー２６は、例えば、錐体の高さの３分の１又は半分のオーダーの、かなりの高さを有することができる。また、ワイヤ２４の垂直壁を覆う数ナノメートル、例えば１～５ｎｍのオーダーの薄層の形状で、ワイヤ２４のベース部２４０に向かって延在することができる。カラー２６は、ｚに沿って不規則なリングの連続から構成されてもよく、この不規則なリングの連続は、したがって、ｚｘに沿った断面で、工程またはレベルを形成するキャステレーションを有し得る。カラー２６は、必ずしも錐体２１と連続している必要はない。それとは独立したものであってもよい。
ＩｎＧａＮ系の錐体２１は、インジウム濃度が好ましくは１０ａｔ％以上である。インジウムは、図４Ｃに示されるインジウム元素のＥＤＸマッピングによって示されるように、錐体２１の体積全体に分布している。好ましくは、錐体２１内、及び適切な場合にはカラー２６内に均質に分布している。
光放射を出す又は受け取る光電子デバイスを製造するために、３次元構造体１は、特に、図３に示されるように、錐体２１の側面２１２上の活性領域２２と、前記活性領域２２上のＧａＮ系領域２３とから構成され得る。
ＬＥＤの場合、活性領域２２は、典型的には、主波長λで光放射を出すように構成される複数の量子井戸を備えることができ、これらの量子井戸は、例えば、ＩｎＧａＮをベースとするものである。これらは、従来、ＡｌＧａＮに基づく障壁によって互いから分離され得る。
領域２３は、ＧａＮ、特にＰドープＧａＮをベースとすることができる。それは、典型的には、活性領域２２を覆い、活性領域２２にキャリアを注入することを可能にする。活性領域２２の上の領域２３の成長は、好ましくは、コンフォーマル層を得るように行われる。この層の厚さは、好ましくは、活性領域２２によって放射される光放射の再吸収を制限するように、数十ナノメートル、例えば１００ｎｍ未満、あるいは５０ｎｍ未満に制限される。領域２３を形成する層の縁は、図３に示されるように、ｚに平行な直線状の側面を有していてもよい。あるいは、これらの側面は傾斜しており、３次元構造体のいずれかの側に延びている。所定の３次元構造体の領域２３の側面は、任意に、少なくとも１つの隣接する３次元構造体の領域２３の側面と接合することができる。この場合、実質的に連続した層の形状の単一の領域２３が、互いに隣接する複数の３次元構造体上に形成され得る。
活性領域２２から放射される光放射の主波長は、特に量子井戸中のインジウムの濃度に依存する。インジウムの含有量が増加するほど、主波長は、可視スペクトルの赤色光領域に向かって増加する。特に、１５ａｔ％又は２０ａｔ％より大きいインジウムの濃度は、６００ｎｍ以上の主波長を有する赤色光の発光をもたらし得る。
この発光がＬＥＤとして満足のいくものであるためには、さらに放射効率が十分に高く、例えば２０％のオーダーであることが必要である。このような効率を達成するために、活性領域２２が良好な結晶品質を有することが必要である。
３次元構造体のＩｎＧａＮ系の錐体２１は、有利には、ＧａＮ系のワイヤ２４と活性ＩｎＧａＮ系領域２２との間の遷移領域を形成する。したがって、組み込まれたインジウムの濃度は、錐体２１から活性領域２２に向かって、例えば段階的に、徐々に増加することができる。これにより、活性領域２２における構造欠陥の出現を抑制することができる。このようにして、活性領域２２の結晶性を低下させることなく、赤色で光放射を行うために活性領域２２に必要なインジウムの濃度を達成することができる。ＧａＮ－ｎ系ワイヤ２４、ＩｎＧａＮ系の錐体２１、Ｉｎ（Ａｌ）ＧａＮ系活性領域２２及びＧａＮ－ｐ系領域２３からなるこのような３次元構造体は、したがって、高い放射効率で赤色に光放射を有利に出すことができる。
図５は、先に説明したような複数の３次元構造体が、高密度のアレイ上に分布している様子を示している。この例では、３次元構造体は、約２００ｎｍの直径と、２０μｍ－２のオーダーの表面密度とを有する。
別の例示的な実施形態によれば、図６は、約１００ｎｍの直径及び２５μｍ－２のオーダーの表面密度を有する複数の３次元構造体を示している。ＩｎＧａＮ系の錐体２１は、これらの例では対象外である。
図７Ａ～図７Ｃは、図６に例示された３次元構造体についてＳＥＭ内でカソードルミネッセンス分光法により得られたいくつかの光学特性を示している。図７Ａは、特に、これらの３次元構造体の上面図における、６１０ｎｍのオーダーの取得波長でのカソードルミネッセンス強度のマッピングを示す。ＳＥＭの電子ビーム走査によって刺激されると、ＩｎＧａＮ系の錐体の大部分がこの波長で発光していることがわかる。図７Ｂは、図７Ａからのデータを取り、コントラスト強度のダイナミクスを増加させて示したものである。波長λ≒６２０ｎｍにおける錐体の異なる発光強度閾値が見える。図７Ｂのマップ上に示されたデータプロファイルが抽出され、図７Ｃに示されている。プロファイルの各ポイントは、およそ２５０ｎｍ～７５０ｎｍの範囲にわたって取得された波長スペクトルに対応する。これらのスペクトルは、図７Ｃに集められている。錐体の発光スペクトルは、すべて波長λ≒６２０ｎｍに集中しているように見える。また、発光ピークの幅も数十ナノメートルのオーダーで非常に小さい。このようなスペクトル純度は、特に錐体の結晶性が良好であることを意味する。
図８は、この複数の３次元構造体に関連するフォトルミネッセンススペクトルを示している。最も強い発光ピークは、λ≒６１０ｎｍのあたりに集中している。このピークの高さの半分の幅は、約４５ｎｍである。このピークは、３次元構造体のＩｎＧａＮ錐体に対応する。
これらの錐体について測定された放射効率は、２０％のオーダーである。これは、上述した実施形態に従って得られた３次元構造体の錐体が、赤色ＬＥＤの製造に適した結晶品質を有することを確認するものである。
したがって、このような複数の３次元構造体は、有利に赤色３ＤＬＥＤ内に実装することができる。
図９は、約１００ｎｍの直径及び６μｍ－２のオーダーの表面密度を有する３次元構造体について得られたフォトルミネッセンススペクトルの別の例を示す（図示せず）。ここでは、３次元構造体の表面密度を前例と比較して約２倍に分割している。この例では、３次元構造体のＩｎＧａＮ錐体に対応する最も強い発光ピークが、λ≒４８０ｎｍ（青色光領域）付近に中心を有している。このピークの高さの半分の幅は、約２０ｎｍである。したがって、このような複数の３次元構造体は、有利に青色３ＤＬＥＤ内に実装することができる。３次元構造体の別の例が図１０Ａに示されている。
図１０Ｂは、この例の３次元構造体に関連するフォトルミネッセンススペクトルを示す。最も強い発光ピークは、λ≒５１５ｎｍ（緑色光範囲）付近を中心としている。このピークの高さの半分の幅は、約２０ｎｍである。このピークは、図１０Ａに示す３次元構造体のＩｎＧａＮ錐体に対応する。したがって、このような複数の３次元構造体は、緑色３Ｄ ＬＥＤ内に有利に実装され得る。
このように、これらの様々な例を通じて、所定の直径に対して３次元構造体の表面密度を減少させることによって、３次元構造体の主発光ピークが小波長側にシフトすることが分かる。また、このピークの中間の高さの幅も減少する。
逆に、面密度を高くして直径を大きくすると、主な発光ピークは大きな波長側にシフトする。
したがって、３次元構造体の表面密度及び／または直径を変化させることによって、広範囲の波長設定を得ることができる。
したがって、本発明による３次元構造体は、これらの３次元構造体の表面密度及び直径を適合させることによって、異なるタイプの光電子デバイス、特に赤色３ＤＬＥＤ、緑色３ＤＬＥＤ、青色３ＤＬＥＤに有利に実装することができる。
ワイヤ２４の異なる直径Φ及び異なる分離距離ｄｓを有する３次元構造体は、異なる主波長で光放射を出す領域を形成するように、同じ基板２ａ上に有利に配設され得る。例えば、光電子デバイスは、以下のように、
－第１の直径Φ１及び第１の分離距離ｄｓ１を有する３次元構造体からなる第１の領域であって、前記３次元構造体は、例えば６００ｎｍより大きい第１の波長λ１（赤色光範囲）で光放射を出す第１の領域と、
－第２の直径Φ２及び第２の分離距離ｄｓ２を有する３次元構造体からなる第２の領域であって、前記３次元構造体は、例えば５００ｎｍと６００ｎｍの間に構成される第２の波長λ２（緑色光範囲）で光放射を出す、第２の領域と、
－第３の直径Φ３及び第３の分離距離ｄｓ３を有する３次元構造体を含む第３の領域であって、前記３次元構造体は、例えば５００ｎｍ未満（青色光範囲）の第３の波長λ３で光放射を出す、第３の領域と、を備えてもよい。
これらの第１、第２、及び第３の領域は、赤、緑、及び青の光領域で出すように構成される第１、第２、及び第３の複数のサブセットがそれぞれ存在するように、互いの内部に部分的に埋め込まれてもよい。
本発明はまた、先の例示的な実施形態を通じて説明したような３ＤＬＥＤを製造するための方法に関する。
有利な実施形態によれば、本方法は、第１、第２及び第３波長λ１、λ２、λ３を有する光放射をそれぞれ出すように構成される３次元構造体の第１、第２及び第３領域を同時に形成することを可能にする。特に、そのような第１、第２及び第３の３次元構造体領域は、ｐ１＜ｐ２＜ｐ３及び／又はΦｏ１＞Φｏ２＞Φｏ３となるような第１、第２及び第３のピッチｐ１、ｐ２、ｐ３と、第１、第２及び第３の開口直径Φｏ１、Φｏ２、Φｏ３と、をそれぞれ有する第１、第２及び第３の複数の開口部１２０を含む基板２ｂ上に堆積させたマスキング層１２から形成することができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された全ての実施形態に及ぶものである。
１ ３次元構造体
２、２ａ、２ｂ 平面基板
２、２ａ、２ｂ 基板
１０ 支持体
１１ バッファ層
１２ マスキング層
１３ 表面層
２１ 錐体
２２ 活性領域
２４ ワイヤ
２６ カラー部
１２０ 開口部
２００ 側壁
２１０ ベース部
２１１ トップ部
２４０ ベース部
２４１ トップ部

Claims (15)

  1. 第１及び第２の複数の３次元立体構造体（１）を備える窒化ガリウム（ＧａＮ）をベースとする光電子デバイスであって、
    前記第１及び第２の複数の３次元立体構造体の各３次元構造体（１）は、平面基板（２、２ａ、２ｂ）から形成される第１のＩｎＧａＮ系の材料で作られる錐体（２１）と、前記第１の材料とは異なる第２のＧａＮ系の材料で作られるワイヤ（２４）とを含み、前記ワイヤ（２４）は、各３次元構造体が鉛筆の一般形状を有するように、前記基板（２、２ａ、２ｂ）と前記ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）のベース部（２１０）との間で前記基板（２、２ａ、２ｂ）の平面に対して垂直な長手方向に延び、前記第１及び第２の複数の３次元構造体はそれぞれ、ｄｓ１＜ｄｓ２かつΦ１＞Φ２となるような、ワイヤ間の第１及び第２の離間距離ｄｓ１、ｄｓ２と、ワイヤの第１及び第２の直径Φ１、Φ２とを有し、前記第１及び第２の複数の３次元構造体は、λ１＞λ２となるような第１及び第２の波長λ１、λ２をそれぞれ有する光放射を出す、光電子デバイス。
  2. 前記ＧａＮ系のワイヤ（２４）は、前記平面基板（２、２ａ、２ｂ）上に載るベース部（２４０）と、前記ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）の前記ベース部（２１０）を支えるトップ部（２４１）とを備え、前記トップ部（２４１）はＩｎＧａＮ系のカラー部（２６）により囲まれている請求項１に記載の光電子デバイス。
  3. 前記ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）のベース部（２１０）は、前記基板（２、２ａ、２ｂ）の平面に対して実質的に平行である、請求項１又は２に記載の光電子デバイス。
  4. 前記ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）はベース直径Φｐを有し、前記ワイヤ（２４）が直径Φを有し、前記ワイヤの直径Φが前記ベース直径Φｐ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光電子デバイス。
  5. 前記各３次元構造体は、前記ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）の少なくとも１つの面（２１２）上にＩｎＧａＮ系の活性領域（２２）をさらに備え、前記活性領域（２２）は、光放射を出すまたは受け取りように構成される、請求項１～４のいずれか１項に記載の光電子デバイス。
  6. 前記第１の複数の３次元構造体は、６５０ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以下の分離距離ｄｓ１だけ互いから間隔を空けられており、前記第２の複数の３次元構造体は、６５０ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以下の分離距離ｄｓ２だけ互いから間隔を空けられている、請求項１～５のいずれか１項に記載の光電子デバイス。
  7. ｄｓ１＜ｄｓ２＜ｄｓ３および／またはΦ１＞Φ２＞Φ３となるような、前記ワイヤ（２４）の第１、第２及び第３分離距離ｄｓ１、ｄｓ２、ｄｓ３と、第１、第２及び第３直径Φ１、Φ２、Φ３と、をそれぞれ有する少なくとも第１、第２および第３の複数の３次元構造体を備え、前記第１、第２及び第３の複数の３次元構造体（１）は、それぞれ、λ１＞λ２＞λ３となるような第１、第２及び第３の波長λ１、λ２、λ３を有する光放射を出す、請求項１～６のいずれか１項に記載の光電子デバイス。
  8. 窒化ガリウム（ＧａＮ）をベースとする光電子デバイスを製造する方法であって、
    光電子用の第１及び第２の複数の３次元立体構造体（１）を含み、前記３次元立体構造体の各々は、ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）及びＧａＮ系のワイヤ（２４）を含み、前記方法は以下の工程、
    －例えばＧａＮ、ＡｌＮ、及び／又は他の金属窒化物をベースとする、ＧａＮの核生成及び成長を可能にする少なくとも１つの表面層（１３）を含む基板（２ｂ）を提供する工程と、
    －前記基板（２ｂ）上にマスキング層（１２）を形成し、前記マスキング層（１２）は、前記表面層（１３）が露出される開口部（１２０）を含む工程と、
    －表面層（１３）の露出部から、表面層（１３）に対して実質的に垂直な長手方向にベース部（２４０）からトップ部（２４１）まで延びるＧａＮ系のワイヤ（２４）をそれぞれ形成し、前記ベース部（２４０）は開口部（１２０）を介して表面層（１３）に接続される工程と、
    －ＧａＮ系のワイヤ（２４）のトップ部（２４１）上に、ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）を形成する工程と、を含み、
    －前記方法は、ｄｓ１＜ｄｓ２かつΦ１＞Φ２となるような、ワイヤ間の第１および第２の離間距離ｄｓ１、ｄｓ２と、ワイヤの第１および第２の直径Φ１、Φ２と、を有する第１および第２の複数の３次元構造体（１）をそれぞれ同時に形成するために、前記マスキング層（１２）には、ｐ１＜ｐ２かつΦｏ１＞Φｏ２となるような第１及び第２のピッチｐ１、ｐ２と、第１及び第２の開口径Φｏ１、Φｏ２と、をそれぞれ有する少なくとも第１及び第２の複数の開口部（１２０）が形成され、前記第１及び第２の複数の３次元構造体は、λ１＞λ２となるような第１及び第２の波長λ１、λ２を有する光放射をそれぞれ出すように構成されることを特徴とする方法。
  9. 前記表面層（１３）は、１ｎｍと２００ｎｍの間、好ましくは１０ｎｍと２００ｎｍの間で構成される厚さを有する、請求項８に記載の方法。
  10. 前記ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）の形成及び／または前記ＧａＮ系のワイヤ（２４）の形成が、有機金属気相エピタキシーＭＯＶＰＥによって行われる、請求項８又は９に記載の方法。
  11. 前記マスキング層（１２）の前記開口部（１２０）が、５０ｎｍと７００ｎｍの間で構成されるピッチによって間隔を空けられている、請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記マスキング層（１２）の前記開口部（１２０）が、４μｍ－２以上及び／または４００μｍ－２以下の表面密度を有するように分布する、請求項８から１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）の形成が、ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）がインジウムレベル［Ｉｎ］≧１０ａｔ％を有するように構成される、請求項８から１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. ＩｎＧａＮ系の錐体（２１）の形成が、７８０℃以上の温度で行われる、請求項８から１３のいずれか１項に記載の方法。
  15. ｄｓ１＜ｄｓ２＜ｄｓ３および／またはΦ１＞Φ２＞Φ３なるように、ワイヤ間の第１、第２及び第３の分離距離ｄｓ１、ｄｓ２、ｄｓ３と、ワイヤ（２４）の第１、第２および第３の直径Φ１、Φ２、Φ３と、をそれぞれ有する第１、第２および第３の複数の３次元構造体（１）を同時に形成するために、前記マスキング層（１２）は、ｐ１＜ｐ２＜ｐ３かつΦｏ１＞Φｏ２＞Φｏ３となるようなピッチｐ３と、第３開口直径Φｏ３と、を有する第３複数の開口部（１２０）をさらに備え、前記第１、第２及び第３の複数の３次元構造体は、λ１＞λ２＞λ３となるように、それぞれ第１、第２及び第３の波長λ１、λ２、λ３を有する光放射を出すように構成される、請求項８から１４のいずれか１項に記載の方法。
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