JP2023547042A - カラー表示用発光ダイオード型光電子デバイス - Google Patents

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Abstract

Figure 2023547042000001
本開示は、アキシャル構成を有する第１、第２および第３の３次元発光ダイオードを備える光電子デバイス（１０）に関するものである。各発光ダイオードは、半導体素子（２０、２２、２４）と、半導体素子上に載置された活性領域と備える。各半導体素子は、マイクロワイヤ、ナノワイヤ、ナノメートルもしくはマイクロメートルの範囲の錐形または錐台形素子に対応する。第１、第２、および第３の発光ダイオードは、それぞれ第１、第２、および第３の波長で第１、第２、および第３の放射線を放出するように構成されている。第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子は、それぞれ第１、第２および第３の直径（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を有する。第１の直径（Ｄ１）は第２の直径（Ｄ２）よりも小さく、第２の直径（Ｄ２）は第３の直径（Ｄ３）よりも小さく、第１の波長は第３の波長よりも大きく、第２の波長は第１の波長よりも大きい。

Description

本発明は、一般に、ナノワイヤ型またはマイクロワイヤ型の３次元半導体素子を備える光電子デバイスおよびその製造方法に関し、より詳細には、画像を表示することができる光電子デバイス、特に表示スクリーンまたは画像投影デバイスに関する。
画像の画素は、光電子デバイスによって表示または捕捉される画像の単位要素に対応するものである。カラー画像を表示する場合、光電子デバイスは、一般に、画像の各画素を表示するために、それぞれが実質的に単一色（例えば、赤、緑、青）の光放射を放出する、表示副画素とも呼ばれる少なくとも３つの構成要素を備える。３つの表示副画素によって放出される放射線の重ね合わせは、表示された画像の画素に対応する色の感覚を観察者に提供する。この場合、画像の画素の表示に使用される３つの表示副画素によって形成される集合体は、光電子デバイスの表示画素と呼ばれる。
ＩＩＩ－Ｖ族化合物をベースとしたナノワイヤまたはマイクロワイヤ型の３次元半導体素子を備える光電子デバイスがあり、いわゆる３次元発光ダイオードを形成することができる。発光ダイオードは活性領域を備え、発光ダイオードによって供給される電磁放射線の大部分が発光ダイオードの活性領域から放出される。３次元発光ダイオードは、３次元半導体素子の外周部に活性領域が形成された、コア／シェル構成とも呼ばれる、いわゆるラジアル構成で形成されてもよい。また、活性領域が３次元半導体素子の外周部を覆わず、基本的に長手方向のエピタキシャル成長軸に沿って延びる、いわゆるアキシャル構成で形成されてもよい。
アキシャル構成の３次元発光ダイオードは、ラジアル構成の発光ダイオードよりも発光面積が小さいが、結晶性に優れた半導体材料で作られ、したがって、特に半導体層間の界面の応力が緩和されやすいため、内部量子効率が高くなる利点がある。
活性領域によって放出された電磁放射線を異なる波長の電磁放射線、特により高い波長の電磁放射線に変換することができるフォトルミネッセンス材料で発光ダイオードを覆うことが知られている。しかしながら、そのようなフォトルミネッセンス材料は、コストが高く、変換効率が低く、性能が経時的に劣化する可能性がある。
したがって、フォトルミネッセンス材料を使用せずに、カラー表示を得るために３つの異なる色の放射線を直接放出するように構成された発光ダイオードを備える光電子デバイスを形成することができることが望まれる。
さらに、ＩＩＩ－Ｖ族化合物をベースとしたアキシャル型３次元発光ダイオードの活性領域の製造方法の産業上の開発は、面倒な作業である。異なる直径の半導体素子を用いて、異なる色の放射線を放出する発光ダイオードを同時に形成することは知られているが、活性領域によって放出される放射線の波長は、特に半導体素子の直径と半導体素子間の距離に依存し、理論的には波長が半導体素子の直径とともに短くなる。しかし、青色に発光する発光ダイオードを形成することは困難である可能性があり、発光ダイオードは、工業的規模での製造方法に適合するには直径が小さすぎる半導体素子に対応する。
したがって、実施形態の目的は、発光ダイオードを備える上述の光電子デバイスの欠点を少なくとも部分的に克服することである。
実施形態の他の目的は、各発光ダイオードの活性領域が、ＩＩＩ－Ｖ族化合物をベースとした半導体材料の層の積層体を備えることである。
実施形態の他の目的は、光電子デバイスが、フォトルミネッセンス材料を使用せずに３つの異なる色の光放射を放出するように構成された発光ダイオードを備えることである。
実施形態の他の目的は、光電子デバイスが、３つの異なる色の光放射を放出するように構成され、同時に製造される発光ダイオードを備えることである。
実施形態は、アキシャル構成を有する第１、第２、および第３の３次元発光ダイオードを備える光電子デバイスを提供し、各発光ダイオードは、半導体素子と、半導体素子上に載置された活性領域とを備え、各半導体素子は、マイクロワイヤ、ナノワイヤ、ナノメートルもしくはマイクロメートルの範囲の錐形素子、またはナノメートルもしくはマイクロメートルの範囲の錐台形素子に対応し、第１の発光ダイオードは、第１の波長で第１の放射線を放出するように構成されており、第１の発光ダイオードの半導体素子は、第１の直径を有し、第２の発光ダイオードは、第２の波長で第２の放射線を放出するように構成されており、第２の発光ダイオードの半導体素子は第２の直径を有し、第３の発光ダイオードは、第３の波長で第３の放射線を放出するように構成されており、第３の発光ダイオードの半導体素子は第３の直径を有し、第１の直径は第２の直径よりも小さく、第２の直径は第３の直径よりも小さく、第１の波長は第３の波長よりも大きく、第２の波長は第１の波長よりも大きい。
実施形態によれば、第１の直径は、８０ｎｍから１５０ｎｍの範囲で変化する。
実施形態によれば、第２の直径は、２００ｎｍから３５０ｎｍの範囲で変化する。
実施形態によれば、第３の直径は、３７０ｎｍから５００ｎｍの範囲で変化する。
実施形態によれば、第１の波長は、５１０ｎｍから５７０ｎｍの範囲にある。
実施形態によれば、第２の波長は、６００ｎｍから７２０ｎｍの範囲にある。
実施形態によれば、第３の波長は、４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にある。
実施形態によれば、デバイスは、第２の電子回路にボンディングされた第１の光電子回路を備え、第２の電子回路は、導電性パッドを備え、第１の光電子回路は、画素を備え、各画素について、
－第１の導電層を備え；
－第１、第２および第３の発光ダイオードのそれぞれについて、前述した半導体素子は、第１の導電層に対して垂直に延び、第１の導電層と接触し、第１の導電層とは反対側の半導体素子の端部に活性領域が載置され；
－前記導電性パッドに電気的に結合された第２、第３、第４、第５の導電層を備え、第２の導電層は第１の発光ダイオードの活性領域に結合され、第３の導電層は第２の発光ダイオードの活性領域に結合され、第４の導電層は第３の発光ダイオードの活性領域に結合され、第５の導電層は第１の導電層に結合されている。
実施形態によれば、各活性領域は、単一の量子井戸または複数の量子井戸を備える。
実施形態によれば、半導体素子および活性領域は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物で作られている。
実施形態によれば、第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子は、ＭＯＣＶＤにより形成されている。
実施形態によれば、第１、第２および第３の発光ダイオードの活性領域は、ＭＢＥにより形成されている。
実施形態によれば、第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子は、基板上に載置されており、第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子のエピタキシャル成長に適合する材料と接触している。
実施形態によれば、第１、第２および第３の発光ダイオードは、モノリシック構造を形成している。
また、実施形態は、先に定義されたような光電子デバイスを製造する方法を提供する。該方法は、以下の連続したステップ：
－第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子を同時に形成するステップと、
－第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子上に、第１、第２および第３の発光ダイオードの活性領域を同時に形成するステップと
を含む。
実施形態によれば、本方法は、以下の連続したステップ：
－支持体上に第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子を形成すると同時に、第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子上に第１、第２および第３の発光ダイオードの活性領域を形成するステップと、
－第１、第２および第３の発光ダイオードの３次元半導体素子の間に電気絶縁層を形成するステップと、
－支持体を除去するステップと
を含む。
上記および他の特徴および利点は、添付図面を参照して本発明を限定するものではない実例として与えられる以下の特定の実施形態に詳細に記載されている。
マイクロワイヤまたはナノワイヤを備える光電子デバイスの一実施形態を示す部分概略断面図である。 図１の一部の詳細図である。 試験により得られた、アキシャル型発光ダイオードが放出する放射線の中心波長の発光ダイオードの直径に応じた変化の曲線を示す図である。 図１の光電子デバイスで得ることができる色領域を示す色度図である。 試験により得られた、図１の光電子デバイスの３つの発光ダイオードによって放出される放射線の波長に応じた光強度の変化の曲線を示す図である。 図１の光電子デバイスの動作を説明する部分概略断面図である。 図１に示す光電子デバイスの製造方法の一実施形態のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。 本方法の別のステップを示す図である。
同様の特徴は、様々な図面で同様の参照符号によって指定されている。特に、様々な実施形態の間で共通である構造的および／または機能的特徴は、同じ参照符号を有し得、同一の構造的、寸法的および材料的特性を有し得る。明確にするために、本明細書に記載された実施形態の理解に有用なステップおよび要素のみが図示され、詳細に説明されている。特に、光電子デバイスの発光ダイオードを制御するための手段は、よく知られており、説明を省略する。
以下の説明では、用語「前」、「後」、「上」、「下」、「左」、「右」などの絶対位置を修飾する用語、または用語「の上」、「の下」、「上方」、「下方」などの相対位置を修飾する用語、または用語「水平」、「垂直」などの方向を修飾する用語に言及する場合、それは図面の向きまたは通常の位置で使用する光電子デバイスを参照する。
特に指定しない限り、２つの要素が接続されていると言及する場合は、導体以外の中間要素なしに直接に接続されていることを意味し、２つの要素が結合されていると言及する場合は、これら２つの要素が接続されていてもよいし、１つ以上の他の要素を介して結合されていてもよいことを意味する。
特に明記しない限り、「およそ」、「約」、「実質的に」および「程度」という表現は、１０％以内を意味し、好ましくは５％以内を意味する。さらに、特に明記しない限り、「絶縁性」という表現は「電気絶縁性」を意味し、「導電性」という表現は「電気伝導性」を意味する。以下の説明では、層の内部透過率は、層から出る放射線の強度と層へ入る放射線の強度との比に対応する。層の吸収は、１と内部透過率との差に等しい。以下の説明では、層を通る放射線の吸収が６０％よりも小さい場合、層は放射線に対して透明であるという。以下の説明では、層における放射線の吸収が６０％よりも高い場合、層は放射線に対して吸収性を有するという。放射線が、例えばガウス型など、一般的に「ベル」型のスペクトルを示し、最大値を有する場合、放射線の波長、または放射線の中心波長もしくは主波長は、スペクトルの最大値に達する波長を指す。以下の説明では、材料の屈折率は、光電子デバイスが放出する放射線の波長範囲に対する材料の屈折率に対応する。特に指定しない限り、屈折率は、有用な放射線の波長範囲にわたって実質的に一定であると考えられ、例えば、光電子デバイスによって放出される放射線の波長範囲にわたる屈折率の平均に等しい。
本願は、特に、３次元素子、例えば、マイクロワイヤ、ナノワイヤ、ナノメートルもしくはマイクロメートルの範囲の錐形素子、またはナノメートルもしくはマイクロメートルの範囲の錐台形素子を備える発光ダイオードを備える光電子デバイスに関する。特に、錐形素子または錐台形素子は、円錐形素子または円錐台形素子であってもよく、角錐形素子または角錐台形素子であってもよい。以下の説明では、特に、マイクロワイヤまたはナノワイヤを備える電子デバイスのための実施形態が説明される。しかし、このような実施形態は、マイクロワイヤまたはナノワイヤ以外の３次元素子、例えば、錐形または錐台形の３次元素子に対して実施することができる。
「マイクロワイヤ」、「ナノワイヤ」、「錐形素子」、または「錐台形素子」という用語は、好ましい方向に沿って細長い形状を有する３次元構造を指し、３次元構造は、５ｎｍから２．５μｍ、好ましくは５０ｎｍから１μｍ、より好ましくは３０ｎｍから３００ｎｍの範囲の、マイナーディメンションと呼ばれる少なくとも２つの寸法を有し、メジャーディメンションと呼ばれる第３の寸法は、最大のマイナーディメンションの１倍以上、好ましくは５倍以上で、例えば１μｍから５μｍの範囲にある。
以下の説明では、「ワイヤ」という用語は、「マイクロワイヤ」または「ナノワイヤ」を指すために使用される。好ましくは、ワイヤの好ましい方向に垂直な平面において、断面の重心を通るワイヤの中線は、実質的に直線的であり、以下、ワイヤの「軸」と呼ぶ。ワイヤの直径は、ここでは、断面のレベルでのワイヤの外周に関連する量であると定義される。これは、ワイヤの断面と同じ面を有する円盤の直径であってもよい。局部直径は、以下、直径とも呼ばれ、ワイヤの軸に沿った所定の高さのレベルでのワイヤの直径である。平均直径は、ワイヤまたはその一部に沿った局所的な直径の平均値、例えば算術平均値である。
実施形態によれば、各アキシャル型発光ダイオードは、前述したように、ワイヤと、ワイヤの上部の活性領域とを備える。活性領域は、発光ダイオードから供給される放射線の大部分が放出される領域である。活性領域は、閉じ込め手段を備えてもよい。活性領域は、量子井戸、２つの量子井戸、または複数の量子井戸を備え、各量子井戸は２つの障壁層の間に介在し、量子井戸は障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有してもよい。活性領域は、ワイヤのＩＩＩ族元素およびＶ族元素と、追加のＩＩＩ族元素とを備える３元化合物で作られる一または複数の量子井戸を備えてもよい。活性領域によって放出される放射線の長さは、追加のＩＩＩ族元素の組み込まれた割合に依存する。例えば、ワイヤはＧａＮで作られてもよく、量子井戸（複数可）はＩｎＧａＮで作られてもよい。それに応じて、活性領域によって放出される放射線の長さは、Ｉｎの組み込まれた割合に依存する。
ワイヤの直径に応じて追加のＩＩＩ族元素の割合が変化することは知られている。しかし、このような変化に言及する従来の文献には、ワイヤの直径に応じて追加のＩＩＩ族元素の割合が増加し、その結果、このようなワイヤを備えるアキシャル型発光ダイオードによって放出される放射線の波長が増加することが記載されている。
本発明者らは、第１、第２および第３の連続する直径範囲が観察され得、ワイヤの直径が第１の直径範囲にわたって増加すると、発光ダイオードによって放出される放射線の波長が増加し、ワイヤの直径が第２の直径範囲にわたって増加すると、発光ダイオードによって放出される放射線の波長が減少し、ワイヤの直径が第３の直径範囲にわたって増加すると、発光ダイオードによって放出される放射線の波長が停滞することを明らかにした。
この結果は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）で形成したワイヤと、一般的な分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）で形成した活性領域とを利用して有利に得られる。
前述した方法は、画像を表示することができる光電子デバイス、特に表示スクリーンまたは画像投影デバイスを製造するために実施されてもよい。特に、前述した方法は、異なる平均直径のワイヤ、例えば、小さな平均直径を有する第１のワイヤ、中間の直径を有する第２のワイヤ、および大きな平均直径を有する第３のワイヤを製造するために実施されてもよい。第１、第２および第３のワイヤに形成された活性領域は、異なる波長の放射線を放出する。特に、小さな平均直径を有する第１のワイヤは、第１の中心波長で放射線を放出し、中間の平均直径を有する第２のワイヤは、第２の中心波長で放射線を放出し、大きな平均直径を有する第３のワイヤは、第３の中心波長で放射線を放出し、第２の波長は第１の波長よりも大きく、第３の波長は第１の波長よりも小さい。そして、カラー表示画面を製造することができる。
ＭＯＣＶＤによるワイヤの形成は、ＭＢＥによって得られるワイヤと比較して、欠陥の少ない、特に欠陥のないワイヤを得ることを可能にするという利点がある。ＭＯＣＶＤによるワイヤの形成は、ワイヤの高速成長を可能にするという利点がある。さらに、本発明に従って実施される直径－波長変化曲線に準拠する直径を有するワイヤを容易に得ることができる。ＭＢＥ法は、ＭＯＣＶＤ法と比較して、量子井戸に追加のＩＩＩ族元素をより大きな割合で組み込むことを可能にするという利点がある。
さらに、活性領域がワイヤの上部にのみ形成され、ワイヤの側面には形成されないという事実は、ｍ面上ではなく、ｃ面上または半極性面上にのみ活性領域を形成することを可能にするという利点がある。これにより、活性領域がｍ面上に成長する場合と比較して、量子井戸にＩＩＩ族元素をより大きい割合で取り込むことを可能にするという利点がある。
図１は、前述したようなワイヤから形成され、電磁放射線を放出することができる光電子デバイス１０の部分概略断面図である。実施形態によれば、チップとも呼ばれる少なくとも２つの集積回路１２および１４を備える光電子デバイス１０が提供される。第１の集積回路１２は、発光ダイオードを備える。第２の集積回路１４は、第１の集積回路１２の発光ダイオードの制御に使用される電子コンポーネント、特にトランジスタを備える。第１の集積回路１２は、例えば分子ボンディングによって、または「フリップチップ」タイプのボンディング、特にボールまたはマイクロチューブの「フリップチップ」法によって、第２の集積回路にボンディングされている。第１の集積回路１２は、以下の説明では光電子回路または光電子チップと呼ばれ、第２の集積回路１４は、以下の説明では制御回路または制御チップと呼ばれる。
好ましくは、光電子チップ１２は、発光ダイオードおよびこれらの発光ダイオードの接続素子のみを備え、制御チップ１４は、光電子チップの発光ダイオードを制御するために必要なすべての電子コンポーネントを備える。変形例として、光電子チップ１２は、発光ダイオードの他に、他の電子コンポーネントを備えてもよい。
図１では、その左側の部分において、表示画素のための光電子チップ１２の要素を示し、その構造が各表示画素に対して繰り返され、その右側の部分において、表示画素に隣接し、複数の表示画素に共通し得る要素を示す。
光電子チップ１２は、図１において下から上へ、以下の要素を備える。
－電気絶縁層１６：発光ダイオードによって放出される電磁放射線に対して少なくとも部分的に透明であり、表面１７を画定する；
－導電層１８：発光ダイオードによって放出される電磁放射線に対して少なくとも部分的に透明である；
－直径Ｄ１の第１のワイヤ２０（３本の第１のワイヤが示されている）、直径Ｄ２の第２のワイヤ２２（３本の第２のワイヤが示されている）、および直径Ｄ３の第３のワイヤ２４（３本の第３のワイヤが示されている）：第１、第２、および第３のワイヤ２０、２２、２４は、互いに平行かつ表面１７に垂直な軸を有し、導電層１８から延びて導電層１８と接触し、直径Ｄ１は直径Ｄ２よりも小さく、直径Ｄ２は直径Ｄ３よりも小さい；
－第１、第２、および第３のヘッド２６、２８、３０：第１のヘッド２６は導電層１８とは反対側の各第１のワイヤ２０の端部に設けられ、第２のヘッド２８は導電層１８とは反対側の各第２のワイヤ２２の端部に設けられ、第３のヘッド３０は導電層１８とは反対側の各第３のワイヤ２４の端部に設けられている；
－ワイヤ２０、２２、２４間の第１の電気絶縁材料で作られた電気絶縁層３２：ワイヤ２０、２２、２４と、関連するヘッド２６、２８、３０との、ワイヤの軸に沿って測定された高さＨの合計に実質的に等しい厚さを有する；
－第１の絶縁材料と異なるか、または第１の絶縁材料と同一であり得る第２の電気絶縁材料の電気絶縁層３４：第１の絶縁層３２の周囲に延び、厚さが絶縁層３２と同じである；
－開口部３６：絶縁層３４の厚み全体にわたって絶縁層３４を貫通して延びる；
－導電層３８：開口部３６内に延び、導電層１８と接触している；
－別個の導電層４２、４４、４６、４８：導電層４２が第１のヘッド２６と接触し、導電層４４が第２のヘッド２８と接触し、導電層４６が第３のヘッド３０と接触し、導電層４８が導電層３８と接触している；
－電気絶縁層５０：導電層４２、４４、４６、および４８を覆い、導電層４２、４４、４６、および４８の間に延び、好ましくは実質的に平面である表面５１を画定する；および
－導電性パッド５２、５４、５６、５８：多層構造を有することが可能であり、絶縁層５０を貫通して延び、表面５１と面一であり、導電性パッド５２は導電層４２と接触し、導電性パッド５４は導電層４４と接触し、導電性パッド５６は導電層４６と接触し、導電性パッド５８は導電層４８と接触している。
制御チップ１４は特に、光電子チップ１２の一側に、好ましくは実質的に平面である表面６１を画定する電気絶縁層６０と、表面６１と面一の導電性パッド６２とを備え、導電性パッド６２は導電性パッド５２、５４、５６、５８に電気的に結合される。制御チップ１４が分子ボンディングによって光電子チップ１２にボンディングされる場合、導電性パッド６２は導電性パッド５２、５４、５６、５８と接触してもよい。制御チップ１４が「フリップチップ」タイプのボンディングによって光電子チップ１２にボンディングされる場合、導電性パッド６２と導電性パッド５２、５４、５６、５８との間に、はんだボールまたはマイクロチューブが介在されてもよい。
各ワイヤ２０、２２、２４と関連するヘッド２６、２８、３０とによって形成される集合体は、アキシャル構成のワイヤ状の基本発光ダイオードを形成する。
図２は、発光ダイオードのヘッド２６のより詳細な実施形態を示す部分概略断面図である。ヘッド２８および３０は、同様の構造を有してもよい。
ヘッド２６は、図２において下から上へ、以下の要素を備える。
－半導体層７０（場合によって）：半導体キャップとも呼ばれ、ワイヤ２０と同じ材料で作られ、第１の導電型、例えばＮ型がドープされ、ワイヤ２０の上端７２を覆い、上面７４を有する；
－活性領域７６：半導体層７０の表面７４を覆う；および
－半導体積層体７８：活性領域７６を覆い、ワイヤ２０とは反対の導電型を有する少なくとも１つの半導体層８０を備える。
各ワイヤ２０、２２、２４および各半導体層７０、８０は、少なくとも一部が少なくとも１つの半導体材料から形成されている。実施形態によれば、半導体材料は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物、例えば、ＩＩＩ－Ｎ族化合物からなるグループから選択される。ＩＩＩ族元素の例は、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、またはアルミニウム（Ａｌ）を含む。ＩＩＩ－Ｎ族化合物の例は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮである。他のＶ族元素も使用することができ、例えば、リンまたはヒ素が挙げられる。一般に、ＩＩＩ－Ｖ族化合物に含まれる元素は、異なるモル分率で組み合わせることができる。ワイヤ２０、２２、２４、および／または半導体層７０、８０の半導体材料は、ドーパント、例えば、ＩＩＩ－Ｎ族化合物のＮ型ドーピングを確保するシリコン、またはＩＩＩ－Ｎ族化合物のＰ型ドーピングを確保するマグネシウムを含んでもよい。
積層体７８は、活性領域７６と半導体層８０との間の電子遮断層８２と、活性領域７６の反対側で半導体層８０を覆うボンディング層８４とをさらに備えてもよく、ボンディング層８４は導電層４２で覆われている。ボンディング層８４は、半導体層８０と同じ半導体材料で作られ、半導体層８０と同じ導電型であるが、より大きいドーパント濃度を有するものであってもよい。ボンディング層８４は、半導体層８０と導電層４２との間にオーミックコンタクトを形成することを可能にする。
活性領域７６は、発光ダイオードから供給される放射線の大部分が放出される領域である。一例によれば、活性領域７６は、閉じ込め手段を備えてもよい。活性領域７６は、半導体層７０および半導体層８０のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する追加の半導体材料の層を備える少なくとも１つの量子井戸を備えてもよく、好ましくは２つの障壁層の間に介在し、したがって電荷キャリアの閉じ込めを向上させる。追加の半導体材料は、ドープされた半導体層７０、８０のＩＩＩ－Ｖ族化合物を含んでもよく、そこに少なくとも１つの追加元素が組み込まれている。一例として、ＧａＮで作られるワイヤ２０、２２、２４の場合、量子井戸を形成する追加材料は、好ましくはＩｎＧａＮである。活性領域７６は、単一の量子井戸で作られてもよいし、複数の量子井戸で作られてもよい。
好ましい実施形態によれば、各ワイヤ２０、２２、２４はＧａＮで作られている。半導体層７０は、ＧａＮで作られ、第１の導電型、例えばＮ型、特にシリコンでドープされてもよい。軸Ｃに沿って測定された半導体層７０の高さは、１０ｎｍから１μｍの範囲、例えば、２０ｎｍから２００ｎｍの範囲にあってもよい。活性領域７６は、例えばＩｎＧａＮで作られた単一または複数の量子井戸を備えてもよい。活性領域７６は、半導体層７０、８０の間に延びる単一の量子井戸を備えてもよい。変形例として、活性領域７６は複数の量子井戸を備えてもよく、例えばＩｎＧａＮで作られた量子井戸８６と、例えばＧａＮで作られた障壁層８８とが軸Ｃに沿って交互に形成されており、３つのＧａＮ層８８と２つのＩｎＧａＮ層８６とは図２に例として示されている。ＧａＮ層８８は、例えば、Ｎ型またはＰ型がドープされてもよいし、ノンドープであってもよい。軸Ｃに沿って測定された活性領域７６の厚さは、２ｎｍから１００ｎｍの範囲にあってもよい。半導体層８０は、ＧａＮで作られ、第１の導電型とは反対の第２の導電型、例えばＰ型、特にマグネシウムがドープされてもよい。半導体層８０の厚さは、２０ｎｍから１００ｎｍの範囲であってもよい。電子遮断層８２が存在する場合、それは、ＧａＮまたは三元ＩＩＩ－Ｎ族化合物、例えばＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＮで作られてもよく、有利にはＰ型がドープされたものである。これにより、活性領域７６における放射結合率を向上させることができる。電子遮断層８２の厚さは、１０ｎｍから５０ｎｍの範囲にあってよもい。電子遮断層８２は、ＩｎＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮおよびＧａＮの層の超格子に対応してもよく、各層は例えば２ｎｍの厚さを有する。
試験が実施された。試験では、ワイヤ２０はＧａＮで作られたものである。活性領域７６は、それぞれ、ＧａＮ層によって分離されたＩｎＧａＮで作られた７つの量子井戸を備える。ワイヤ２０はＭＣＶＤによって形成され、活性領域７６はＭＢＥによって形成されている。活性領域７６によって放出される放射線の波長と、ワイヤ２０の直径とが測定されている。
図３は、これらの試験結果を集めたものである。縦軸は、活性領域７６によって放出される放射線の中心波長λをナノメートルで表し、横軸は、ワイヤ２０の直径Ｄをナノメートルで表す。第１の一連の試験の結果は、図３に白丸で示され、第２の一連の試験の結果は、図３に黒丸で示される。曲線ＣＴは、第１および第２の試験で得られた値から三次スプライン回帰により得られた、直径Ｄに応じた波長λの変化曲線である。横線Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ、赤、緑、青の色に対応する。
比較として、黒菱形は、Ｋｉｓｈｉｎｏらの論文「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｕｒ－ｃｏｌｏｕｒ ＩｎＧａＮ－ｂａｓｅｄ ｎａｎｏｃｏｌｕｍｎ ＬＥＤｓ」（Ｅｌｅｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８ｔｈ Ｍａｙ ２０１５ Ｖｏｌ ５１ ｐａｇｅｓ ８５２－８５４）で開示した結果を示し、十字を含む六角形は、Ｍｉらの論文「Ｔｕｎａｂｌｅ， Ｆｕｌｌ－Ｃｏｌｏｒ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ａｒｒａｙｓ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｎ Ｓｉ ａｎｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ」（Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ９７４８＋， ２０１６）で開示した結果を示している。比較結果は、ＧａＮワイヤおよび単一のＩｎＧａＮ量子井戸を有する活性領域で得られた。さらに、Ｍｉらの論文およびＫｉｓｈｉｎｏらの論文では、ワイヤおよび活性領域がＭＢＥによって形成された。比較結果については、ワイヤの直径が大きくなるにつれて放出される放射線の波長が長くなることが観察される。量子井戸におけるインジウムの割合が増加すると、活性領域によって放出される放射線の波長が増加することが知られている。したがって、この比較結果は、ワイヤの直径が大きくなると、単一の量子井戸におけるインジウムの割合が増加することを示唆している。
ＭＯＣＶＤによるワイヤの形成により、一般的なＭＢＥにより達成されるものよりも大きい直径のワイヤを形成することができ、そのため、ＭＢＥによる活性領域の形成後、変化曲線ＣＴが連続的に第１の上昇部分Ｃ１、第２の下降部分Ｃ２および第３の実質的に一定の部分Ｃ３を含むことが予想外に観察され、第１の上昇部分Ｃ１では、放出される放射線の波長がワイヤの直径とともに増加し、第２の下降部分Ｃ２では、放出される放射線の波長がワイヤの直径とともに減少し、第３の実質的に一定の部分Ｃ３では、放出される放射線の波長がワイヤの直径によってほとんど変化しない。
実施形態によれば、第１の上昇部分Ｃ１は、約５０ｎｍから約３００ｎｍの第１の範囲Ｐ１で変化するワイヤの直径に対して得られる。第１の上昇部分にわたって放出される放射線の波長は、約５１０ｎｍから約６７５ｎｍまで増加する。実施形態によれば、第２の下降部分Ｃ２は、約３００ｎｍから約３７５ｎｍの第２の範囲Ｐ２で変化するワイヤの直径に対して得られる。第２の下降部分にわたって放出される放射線の波長は、約６７５ｎｍから約４７５ｎｍまで減少する。実施形態によれば、第３の一定部分Ｃ３は、約３７５ｎｍから約５５０ｎｍの第３の範囲Ｐ３のワイヤの直径に対して得られる。第３の一定部分にわたって放出される放射線の波長は、約４６０ｎｍから４９０ｎｍの間で変化する。図３に示すように、青色に発光する発光ダイオードを第３の範囲Ｐ３の直径で形成し、緑色に発光する発光ダイオードおよび赤色に発光する発光ダイオードを第１の範囲Ｐ１の直径で形成してもよい。緑色に発光する発光ダイオードは、第２の範囲Ｐ２の直径で形成されてもよい。しかし、実際には、直径に応じて得られる波長の変動が工業的規模での応用には大きすぎる可能性がある。
表示画素は、小さい直径Ｄ１のワイヤ２０を有する第１の発光ダイオード、中間の直径Ｄ２のワイヤ２２を有する第２の発光ダイオード、大きい直径Ｄ３のワイヤ２４による第３の発光ダイオードを形成することで形成されている。
図４は、第１および第２の試験の結果を黒丸で示したＸＹ色度図である。放射線が色度図の「頂点」に最も近い丸ＤＲ、ＤＧ、ＤＢに対応する発光ダイオードを選択して表示副画素を形成することで、丸ＤＲ、ＤＧ、ＤＢに対応する色の組み合わせによって得られる色を画像画素として表示することが可能である。丸ＤＲは、直径が約２００ｎｍ～２５０ｎｍに等しい。丸ＤＧは、直径が約１００ｎｍ～１５０ｎｍに等しい。丸ＤＢは、直径が約３７０ｎｍ以上である。色度図の大部分に到達することができると分かる。
図５は、図４の丸ＤＲ、ＤＧ、ＤＢに対応する発光ダイオードそれぞれによって放出される放射線の波長λ（ナノメートル（ｎｍ）で表示）に応じる、光強度Ｉ（任意単位（ａ．ｕ．）で表示）の曲線ＣＲ、ＣＧ、およびＣＢを示す。図５に示すように、これらの発光ダイオードの放射線のスペクトルは、相対的に狭い。
図６は、図３の曲線ＣＴの変化の可能な解釈を示す。図６は、関連する活性領域７６、半導体積層体７８および導電層４２、４４、４６を示すことなく、３つのワイヤ２０、２２、２４を非常に模式的に示す。各ワイヤ２０、２２、２４の上部は、ｃ面（軸Ｃに垂直な表面９０）および／または半極性面（軸Ｃに対して傾斜した表面９２）を備えてもよい。活性領域７６は、ｃ面および／または半極性面を覆っていると考えられる。ｃ面を覆う活性領域７６の部分の光学特性は、半極性面を覆う活性領域７６の部分の光学特性と同じではない。特に、ｃ面を覆う活性領域７６の部分への追加要素の最大取り込み率は、半極性面を覆う活性領域７６の部分への追加要素の最大取り込み率よりも大きい。図３の曲線ＣＴの変化の解釈は次のようになる。すなわち、直径の第１の範囲Ｐ１では、活性領域７６によって放出される一般的な放射線において、ｃ面に載置された活性領域７６の部分の寄与が、半極性面に載置された活性領域７６の部分の寄与よりも優位である。それによって、ワイヤの直径に伴う一般的な放射線の波長の増加が観察され得る。直径の第２の範囲Ｐ２では、ｃ面に載置された活性領域７６の部分の一般的な放射線における寄与と、半極性面に載置された活性領域７６の部分の一般的な放射線における寄与の重要性が逆転し、半極性面に載置された活性領域７６の部分へのインジウムの取り込みが減少するので、一般的な放射線の中心波長が低下する。直径の第３の範囲Ｐ３では、活性領域７６によって放出される一般的な放射線において、半極性面に載置された活性領域７６の部分の寄与がｃ面に載置された活性領域７６の部分の寄与よりも優位であり、放出される放射線の中心波長が停滞することになる。
図１を再び考慮すると、実施形態によれば、光電子デバイス１０の各表示画素は、少なくとも３つのタイプの発光ダイオードを備える。実施形態によれば、例えばワイヤ２０およびヘッド２６を備える第１のタイプの発光ダイオードは、第１の中心波長で第１の放射線を放出するように適合される。第２のタイプの発光ダイオードは、例えばワイヤ２２およびヘッド２８を備え、第２の中心波長で第２の放射線を放出するように適合される。第３のタイプの発光ダイオードは、例えば、ワイヤ２４およびヘッド３０を備え、第３の中心波長で第３の放射線を放出するように適合される。第１、第２、および第３の中心波長は異なる。
実施形態によれば、第１の波長は、緑色光に対応し、５１０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にある。実施形態によれば、第１の直径Ｄ１は、８０ｎｍから１５０ｎｍの範囲で変化する。実施形態によれば、第２の波長は、赤色光に対応し、６００ｎｍから７２０ｎｍの範囲にある。実施形態によれば、第２の直径Ｄ２は、２００ｎｍから３５０ｎｍの範囲で変化する。実施形態によれば、第３の波長は、青色光に対応し、４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にある。実施形態によれば、第３の直径Ｄ３は、３７０ｎｍから５００ｎｍの範囲で変化する。図３から分かるように、約４００ｎｍに等しい直径を超えると、活性領域７６によって放出される放射線の波長がワイヤの直径の影響をほとんど受けないという利点がある。
実施形態によれば、各表示画素Ｐｉｘは、第４のタイプの発光ダイオードを備え、第４のタイプの発光ダイオードは、第４の波長で第４の放射線を放出するように適合されている。第１、第２、第３、および第４の波長は、異なってもよい。実施形態によれば、第４の波長は、黄色光に対応し、５７０ｎｍから６００ｎｍの範囲にあるか、またはシアンに対応し、４９０ｎｍから５１０ｎｍの範囲にあるか、または一般的に第１、第２、および第３の放射線以外の任意の色に対応する。
実施形態によれば、各表示画素について、同じ直径のワイヤを有する基本発光ダイオードが共通電極を有し、導電層１８と導電層４２、４４または４６との間に電圧が印加されると、これらの基本発光ダイオードの活性領域によって光放射が放出される。
本実施形態では、各発光ダイオードによって放出される電磁放射線は、表面１７を通って光電子デバイス１０から脱出する。好ましくは、各導電層４２、４４、４６は、反射性であり、発光ダイオードによって放出された放射線のうち、表面１７を通って光電子デバイス１０から脱出する割合を増加させることができるという利点がある。
光電子チップ１２および制御チップ１４が積層されることにより、光電子デバイス１０の横方向の嵩は減少する。実施形態によれば、ワイヤの軸に垂直に測定された表示画素の横方向寸法は、５μｍよりも小さく、好ましくは４μｍよりも小さく、例えば、約３μｍに等しい。さらに、光電子チップ１２は、制御チップ１４と同じ寸法を有してもよい。それにより、光電子デバイス１０のコンパクト性が向上できるという利点がある。
導電層１８は、ヘッド２６、２８、３０の活性領域をバイアスし、発光ダイオードによって放出される電磁放射線を通すことを可能にする。導電層１８を形成する材料は、グラフェンまたは透明導電性酸化物（ＴＣＯ）、特に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（アルミニウム、ガリウムで、もしくはボロンでドープされたか、もしくはドープされていない）、または銀ナノワイヤなどの透明導電材料であってもよい。一例として、導電層１８は、２０ｎｍから５００ｎｍの範囲、好ましくは２０ｎｍから１００ｎｍの範囲の厚さを有する。
導電層３８、導電層４２、４４、４６、４８、および導電性パッド５２、５４、５６、５８は、金属（例えばアルミニウム、銀、白金、ニッケル、銅、金、もしくはルテニウム）、またはこれらの化合物の少なくとも２つを含む合金（特にＰｄＡｇＮｉＡｕ合金もしくはＰｔＡｇＮｉＡｕ合金）で作られてもよい。導電層３８は、１００ｎｍから３μｍの範囲の厚さを有してもよい。導電性部分４２、４４、４６、４８は、１００ｎｍから２μｍの範囲の厚さを有してもよい。表面１７に垂直な平面における最小横方向寸法は、１５０ｎｍから１μｍの範囲、例えば、約０．２５μｍである。導電性パッド５２、５４、５６、５８は、０．５μｍから２μｍの範囲の厚さを有してもよい。
絶縁層１６、３２、３４、５０の各々は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ、ここで、ｘは約３に等しく、ｙは約４に等しく、例えば、Ｓｉ３Ｎ４）、酸窒化ケイ素（特に一般式ＳｉＯｘＮｙ、例えば、Ｓｉ２ＯＮ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択される材料で作られている。層３４および／または層３２は、さらに、例えば、パリレン製またはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）製の有機絶縁材料で作られてもよい。絶縁層１６は、１００ｎｍから５μｍの範囲の最大厚さを有してもよい。絶縁層３２および３４は、０．５μｍから２μｍの範囲の最大厚さを有してもよい。絶縁層５０は、０．５μｍから２μｍの範囲の最大厚さを有してもよい。
各ワイヤ２０、２２、２４は、表面１７に実質的に垂直な軸に沿って細長い半導体構造を有してもよい。各ワイヤ２０、２２、２４は、概ね円筒形の形状を有してもよく、その断面は、例えば、楕円形、円形、または多角形（特に三角形、長方形、正方形、もしくは六角形）などの異なる形状を有してもよい。２つの隣接するワイヤ２０、２２、２４の軸は、１００ｎｍから３μｍ、好ましくは２００ｎｍから１．５μｍだけ離れてもよい。各ワイヤ２０、２２、２４の高さは、１５０ｎｍから１０μｍ、好ましくは２００ｎｍから１μｍ、より好ましくは２５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲にあってもよい。各ワイヤ２０、２２、２４の平均直径は、５０ｎｍから１０μｍの範囲、好ましくは１００ｎｍから２μｍの範囲、より好ましくは１２０ｎｍから１μｍの範囲にあってもよい。
実施形態によれば、ワイヤ２０、２２、２４は、シード層からＭＯＣＶＤによって同時に形成される。反応器内の成長条件は、各ワイヤ２０、２２、２４のその軸Ｃに沿った優先的な成長に有利となるように適合される。これは、軸Ｃに沿ったワイヤの成長速度が、軸Ｃに垂直な方向に沿ったワイヤの成長速度よりもはるかに大きく、好ましくは少なくとも１桁大きいことを意味する。一例では、方法は、反応器にＩＩＩ族元素の前駆体とＶ族元素の前駆体とを注入することを含んでもよい。ＩＩＩ族元素の前駆体の例は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）である。Ｖ族元素の前駆体の例は、アンモニア（ＮＨ３）、トリブチルホスフェート（ＴＢＰ）、アルシン（ＡｓＨ３）、またはジメチルヒドラジン（ＵＤＭＨ）である。前駆体ガスの一部は、水混合物およびキャリアガスを用いることで生成されてもよい。
実施形態によれば、反応器内の温度は、９００℃から１，０６５℃の範囲、好ましくは１，０００℃から１，０６５℃の範囲にあり、特に１，０５０℃である。実施形態によれば、反応器内の圧力は、５０Ｔｏｒｒ（約６．７ｋＰａ）から２００Ｔｏｒｒ（約２６．７ｋＰａ）の範囲にあり、特に１００Ｔｏｒｒ（約１３．３ｋＰａ）である。実施形態によれば、ＩＩＩ族元素の前駆体、例えばＴＥＧａの流量は、５００ｓｃｃｍから２，５００ｓｃｃｍの範囲にあり、特に１，１５５ｓｃｃｍである。実施形態によれば、Ｖ族元素の前駆体、例えばＮＨ３の流量は、６５ｓｃｃｍから２６０ｓｃｃｍの範囲にあり、特に１３０ｓｃｃｍである。実施形態によれば、反応器に注入されるＶ族元素の前駆体ガスの流量と、反応器に注入されるＩＩＩ族元素の前駆体ガスの流量との比（Ｖ／ＩＩＩ比と呼ばれる）は、５から１５の範囲にある。キャリアガスは、Ｎ２およびＨ２を含んでもよい。実施形態によれば、反応器に注入される水素の割合は、キャリアガスの総質量に対して、３重量％から１５重量％の範囲にあり、特に５重量％である。得られたワイヤ３４の成長速度は、１μｍ／ｈから１５μｍ／ｈの範囲にあり、特に５μｍ／ｈであってもよい。
ドーパントの前駆体を反応器に注入してもよい。例えば、ドーパントがＳｉである場合、前駆体はシラン（ＳｉＨ４）であってもよい。前駆体の流量は、５×１０１８から５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲、特に１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の平均ドーパント濃度を目標とするように選択されてもよい。
別の実施形態では、半導体層７０は、存在する場合、ＭＢＥによって各ワイヤ上に成長される。実施形態によれば、半導体層７０のＭＢＥ成長のために、反応器内の温度は、８００℃から９００℃の範囲にある。実施形態によれば、反応器内の圧力は、３×１０－８Ｔｏｒｒ（約４×１０－３ｍＰａ）から５×１０－５Ｔｏｒｒ（約６．７ｍＰａ）の範囲にある。実施形態によれば、プラズマは、３００Ｗと６００Ｗとの間、例えば３６０ＷのＲＦパワーで作成される。実施形態によれば、ＩＩＩ族元素、例えばＧａの固体ソースの温度は、８００℃から１０００℃の範囲にあり、特に８５０℃である。実施形態によれば、Ｖ族元素の前駆体ガス、例えば、Ｎ２の流量は、０．５ｓｃｃｍから５ｓｃｃｍの範囲にあり、特に１．５ｓｃｃｍである。
ドーパントの前駆体を反応器に注入してもよい。例えば、ドーパントがＳｉである場合、前駆体はシラン（ＳｉＨ４）であってもよい。前駆体の流量は、５×１０１８から２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲、特に１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の平均ドーパント濃度を目標とするように選択されてもよい。
実施形態によれば、活性領域７６の各層は、ＭＢＥによって成長される。実施形態において、ＭＯＣＶＤステップおよびＭＢＥステップは、異なる反応器で実施される。実施形態では、方法は、ＩＩＩ族元素およびＶ族元素のための固体／気体ソース前駆体をＭＢＥに使用してもよい。実施形態によれば、ＩＩＩ族元素がＧａである場合には固体ソースを使用し、Ｖ族元素がＮである場合には気体またはプラズマ前駆体を使用することができる。実施形態によれば、活性窒素のビームは、ＤＣプラズマソースによって供給される。このソースでは、励起された中性窒素分子は、電界のない領域で形成され、真空チャンバの圧力勾配によって基板に向かって加速される。
活性領域７６の特定の層、特に量子井戸８６の形成は、反応器に追加元素の固体／気体前駆体を注入することを含んでもよい。実施形態によれば、追加のＩＩＩ族元素がＩｎ、Ｇａ、またはＡｌである場合、固体ソースを使用してもよい。活性領域７６への追加元素の取り込み速度は、特に、活性領域７６の横方向寸法、ワイヤ２０、２２、２４間の距離、および支持体（そこから延びるワイヤ２０、２２、２４を有する）に対する活性領域７６の高さに依存する。
ドーパントを反応器に注入してもよい。例えば、ドーパントがＳｉで作られた場合、固体ソースを使用してもよい。実施形態によれば、ドーパント元素の固体ソースの温度は、１，０００℃から１，２００℃の範囲にある。
実施形態によれば、各障壁層８８のＭＢＥ成長のために、反応器内の温度は５７０℃～６４０℃の範囲にあり、特に６２０℃である。実施形態によれば、反応器内の圧力は、３×１０－８Ｔｏｒｒ（約４×１０－３ｍＰａ）から５×１０－５Ｔｏｒｒ（約６．７ｍＰａ）の範囲にある。実施形態によれば、プラズマは、３００Ｗと６００Ｗとの間、例えば３６０ＷのＲＦパワーで作成される。実施形態によれば、ＩＩＩ族元素、例えばＧａの固体ソースの温度は、８５０℃から９５０℃の範囲にあり、特に８９５℃である。実施形態によれば、Ｖ族元素の前駆体ガス、例えば、Ｎ２の流量は、０．５ｓｃｃｍから５ｓｃｃｍの範囲にあり、特に１．５ｓｃｃｍである。
実施形態によれば、各量子井戸８６のＭＢＥ成長のために、反応器内の温度は、５７０℃から６４０℃の範囲にあり、特に６２０℃である。実施形態によれば、反応器内の圧力は、３×１０－８Ｔｏｒｒ（約４×１０－３ｍＰａ）から５×１０－５Ｔｏｒｒ（約６．７ｍＰａ）の範囲にある。実施形態によれば、プラズマは、３００Ｗと６００Ｗとの間、例えば３６０ＷのＲＦパワーで作成される。実施形態によれば、ＩＩＩ族元素、例えばＧａの固体ソースの温度は、８５０℃から９５０℃の範囲にあり、特に８９５℃である。実施形態によれば、追加元素、例えばＩｎの固体ソースの温度は、７５０℃から９００℃の範囲にあり、特に７９０℃である。実施形態によれば、Ｖ族元素の前駆体ガス、例えばＮ２の流量は、０．５ｓｃｃｍから５ｓｃｃｍの範囲にあり、特に１．５ｓｃｃｍである。
実施形態によれば、半導体積層体７８の各層は、ＭＢＥによって成長される。実施形態によれば、半導体層８０は、実質的にｃ面配向で成長される。実施形態によれば、電子遮断層８２のＭＢＥ成長のために、反応器内の温度は７００℃から９００℃の範囲にあり、特に８００℃である。実施形態によれば、反応器内の圧力は、３×１０－８Ｔｏｒｒ（約４×１０－３ｍＰａ）から５×１０－５Ｔｏｒｒ（約６．７ｍＰａ）の範囲にある。実施形態によれば、プラズマは、３００Ｗと６００Ｗとの間、例えば３６０ＷのＲＦパワーで作成される。実施形態によれば、ＩＩＩ族元素、例えばＧａの固体ソースの温度は、８５０℃から９５０℃の範囲にあり、特に９０５℃である。実施形態によれば、追加元素、例えばＡｌの固体ソースの温度は、１，０００℃から１，１００℃の範囲にあり、特に１，０１０℃である。実施形態によれば、Ｖ族元素の前駆体ガス、例えばＮ２の流量は、０．５ｓｃｃｍから５ｓｃｃｍの範囲にあり、特に１．５ｓｃｃｍである。ドーパントを反応器に注入してもよい。例えば、ドーパントがＭｇである場合、固体ソースを使用してもよい。実施形態によれば、ドーパント元素の固体ソースの温度は、１５０℃から３５０℃の範囲、特に１９０℃である。
図７Ａ～図７Ｎは、図１に示す光電子デバイス１０の製造方法の他の実施形態の連続するステップで得られた構造体の部分概略断面図である。
図７Ａは、以下のステップの後に得られた構造体を示す：
－支持体１００を形成し、支持体１００は、図７Ａの下から上へ、基板１０１と、シード層とも呼ばれる少なくとも１つの核生成層（図７Ａでは２つの核生成層１０２および１０３が例として示されている）と、電気絶縁層１０４と、絶縁層１０４上の電気絶縁層１０６との積層体に対応し、絶縁層１０４、１０６は異なる材料で作られている；
－絶縁層１０４および１０６に第１の開口部１０８を形成して、第１のワイヤ２０の所望の位置で核生成層１０３の部分を露出させ、第１の開口部１０８の直径は第１のワイヤ２０の直径に実質的に対応し、絶縁層１０４および１０６に第２の開口部１１０を形成して、第２のワイヤ２２の所望の位置で核生成層１０３の部分を露出させ、第２の開口部１１０の直径は、第２のワイヤ２２の直径に実質的に対応し、絶縁層１０４および１０６に第３の開口部１１２を形成して、第３のワイヤ２４の所望の位置で核生成層１０３の一部を露出させ、第３の開口部１１２の直径は、第３のワイヤ２４の直径に実質的に対応する；
－開口部１０８、１１０、１１２において核生成層１０３からＭＯＣＶＤによりワイヤ２０、２２、２４を同時に成長させる；
－ワイヤ２０、２２、２４上にＭＢＥによってヘッド２６、２８、３０を同時に成長させ、各ヘッド２６、２８、３０は活性領域７６および半導体積層体７８を備える。
変形例として、絶縁層１０４、１０６を単一の絶縁層で置き換えてもよい。
基板１０１は、モノブロック構造に対応してもよいし、他の材料で作られた支持体を覆う層に対応してもよい。基板１０１は、好ましくは、半導体基板（例えば、シリコン、ゲルマニウム、炭化ケイ素、ＧａＮもしくはＧａＡｓなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物で作られた基板）、ＺｎＯ基板、または導電性基板（例えば、金属もしくは金属合金、特に銅、チタン、モリブデン、ニッケル基合金、および鋼で作られた基板）である。好ましくは、基板１０１は、単結晶シリコン基板である。好ましくは、マイクロエレクトロニクスで実施される製造方法と互換性のある半導体基板である。基板１０１は、ＳＯＩとも呼ばれるシリコンオンインシュレータ型の多層構造に対応してもよい。基板１０１は、重ドープ、軽ドープ、またはノンドープであってもよい。
核生成層１０２、１０３は、ワイヤ２０、２２、２４の成長に有利な材料で作られている。各核生成層１０２、１０３を形成する材料は、金属、金属酸化物、元素周期表のＩＶ、ＶもしくはＶＩ列の遷移金属の窒化物、炭化物もしくはホウ化物、またはこれらの化合物の組み合わせであってよく、好ましくは、元素周期表のＩＶ、ＶもしくはＶＩ列の遷移金属の窒化物、またはこれらの化合物の組み合わせである。一例として、各シード層１０２、１０３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ホウ素（Ｂ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、ハフニウム（Ｈｆ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、ニオブ（Ｎｂ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ホウ酸ジルコニウム（ＺｒＢ２）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化窒化タンタル（ＴａＣＮ）、ＭｇｘＮｙ形の窒化マグネシウム（ここで、ｘが３にほぼ等しく、ｙが２にほぼ等しく、例えば、Ｍｇ３Ｎ２形の窒化マグネシウム）で作られてもよい。各核生成層１０２、１０３は、例えば、１ｎｍから１００ｎｍの範囲、好ましくは、１０ｎｍから３０ｎｍの範囲の厚さを有する。
絶縁層１０４および１０６の各々は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ、ここでｘはほぼ３に等しく、ｙはほぼ４に等しい、例えば、Ｓｉ３Ｎ４）、酸窒化シリコン（特に一般式ＳｉＯｘＮｙ、例えば、Ｓｉ２ＯＮ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる群から選択される材料で作られる。実施形態によれば、絶縁層１０４は酸化シリコンで作られ、絶縁層１０６は窒化シリコンで作られている。各絶縁層１０４、１０６の厚さは、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲、好ましくは２０ｎｍから６０ｎｍの範囲にあり、特に約４０ｎｍに等しい。
ワイヤ２０、２２、２４の成長方法は、前述したようなＭＯＣＶＤ法である。成長ステップ終了時の各ワイヤ２０、２２、２４の高さは、２５０ｎｍから１５μｍの範囲、好ましくは５００ｎｍから５μｍの範囲、より好ましくは１μｍから３μｍの範囲にあってもよい。第１のワイヤ２０の高さは、第２のワイヤ２２の高さおよび第３のワイヤ２４の高さとは異なる。ワイヤ２０、２２、２４の高さは、特に、ワイヤの直径と、ワイヤ間の距離とに依存する。実施形態によれば、第１のワイヤ２０の高さは、第２のワイヤ２２の高さよりも大きく、第２のワイヤ２２の高さは、第３のワイヤ２４の高さよりも大きい。
各シード層１０２、１０３および各絶縁層１０４、１０６は、一例として、プラズマエンハンスド化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、亜大気化学気相成長法（ＳＡＣＶＤ）、ＣＶＤ、物理気相成長法（ＰＶＤ）、または原子層堆積法（ＡＬＤ）によって堆積されてもよい。
図７Ｂは、すべてのワイヤ２０、２２、２４の上およびワイヤ２０、２２、２４の間の絶縁層１０６の上に誘電体層１１３を堆積させた後に得られた構造体を示す。
誘電体層１１３は、絶縁層１０６と同じ材料で作られてもよい。実施形態によれば、層１１３の最小厚さは、最小のワイヤ２０、２２、２４の高さと、関連するヘッド２６、２８、３０の高さとの合計よりも大きい。好ましくは、層１１３の最小厚さは、最大のワイヤ２０、２２、２４の高さと、関連するヘッド２６、２８、３０の高さとの合計よりも大きい。
一例として、誘電体層１１３の厚さは、２５０ｎｍから１５μｍの範囲、好ましくは３００ｎｍから５μｍの範囲にあり、例えば、約２μｍに等しい。絶縁層１１３は、絶縁層１０４、１０６を形成するために使用される方法と同じ方法によって形成されてもよい。
図７Ｃは、絶縁層１１３およびヘッド２６、２８、３０の一部を薄層化して平坦化し、例えば１５０ｎｍから１０μｍの範囲の絶縁層１０６の高さで平坦面１１４を画定した後に得られた構造体を示す。エッチングは、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）である。ワイヤ２０、２２、２４の間に絶縁層１１３が存在することにより、ＣＭＰタイプのエッチング方法を実施することができ、ワイヤのみが存在する場合に、該方法を実施することが困難であるか、ひいては不可能である。このステップの後、すべてのワイヤヘッド集合体２０－２６、２２－２８、２４－３０は、同じ高さを有する。絶縁層１１３およびワイヤ２０、２２、２４の一部のエッチングは、複数のステップで実施されてもよい。変形例として、ワイヤヘッド集合体２０－２６、２２－２８、２４－３０が実質的に同じ高さを有する場合、絶縁層１１３およびヘッド２６、２８、３０の一部を薄層化して平坦化するステップは存在しなくてもよい。
図７Ｄは、誘電体層１１３を完全に除去して絶縁層１０６およびワイヤヘッド集合体２０－２６、２２－２８、２４－３０を露出させた後に得られた構造体を示す。絶縁層１０６は、その後、誘電体層１１３のエッチング中にエッチングストップ層の役割を果たすことができる。誘電体層１１３の除去は、ウェットエッチングによって実行されてもよい。変形例として、誘電体層１１３のエッチングが部分的にしか行われず、残留層が絶縁層１０６上に保持される場合がある。
図７Ｅは、以下のステップの後に得られた構造体を示す：
－絶縁層３２を形成する；
－絶縁層３４を形成する；および
－絶縁層３４をその厚さの一部にわたってエッチングまたは薄層化して、実質的に平面的な表面１１６を画定する。
絶縁層３２は、例えば、ＬＰＣＶＤによるコンフォーマル堆積によって形成されてもよい。絶縁層３２の形成方法は、発光ダイオードの活性領域にダメージを与えないように、７００℃よりも低い温度で実施することが好ましい。さらに、ＬＰＣＶＤ式の方法は、ワイヤ２０、２２、２４間の充填性を良好にすることができる。絶縁層３２の堆積厚さは、１００ｎｍから１μｍの範囲にあり、例えば約５００ｎｍであってもよい。絶縁層３４は、例えば、ＰＥＣＶＤによるコンフォーマル堆積によって形成されてもよい。絶縁層３４の堆積厚さは、２μｍ以上であってもよい。絶縁層３４の部分的なエッチングは、ＣＭＰによって実行されてもよい。エッチングの停止は、図７Ｅに示すように、絶縁層３４、または絶縁層３２で実行されてもよいが、いずれの場合もヘッド２６、２８、３０を露出する前に実行される。
図７Ｆは、絶縁層３２、３４をエッチングしてヘッド２６、２８、３０の上面を露出させた後に得られた構造体を示す。エッチングは、例えば、反応性イオンエッチング型（ＲＩＥ）または誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）である。ヘッド２６、２８、３０が異なる寸法を有してもよいので、一部のヘッド２６、２８、３０は他のヘッドよりも多く露出してもよい。ヘッド２６、２８、３０は、このステップではエッチングされない。エッチングは、好ましくは、異方性エッチングである。層３２の図示しない部分は、ヘッド２６、２８、３０の側壁に保持されてもよい。ヘッド２６、２８、３０の上部に位置する層は、エッチングストップ層の役割を果たす。実施形態によれば、ヘッド２６、２８、３０の形成時に、ヘッド２６、２８、３０の上部に追加の層が追加されて、エッチングストップ層の役割を果たす。それはＡｌＮ層であってもよい。
図７Ｇは、以下のステップの後に得られた構造体を示す：
－ヘッド２６、２８、３０にエッチングストップ層が存在する場合、エッチングストップ層を除去する；
－例えばカソードスパッタリングにより、例えば０．５μｍの厚さを有する金属層を図７Ｅに示す構造上に堆積させる；および
－金属層をエッチングして、導電層４２、４４、４６、４８を画定する。
ヘッド２６、２８、３０上のエッチングストップ層がＡｌＮで作られた場合、水酸化テトラメチルアンモニウム型（ＴＭＡＨ）のエッチングにより除去してもよい。導電層４２、４４、４６、４８を形成する前に、構造体全体にわたって分離した金属部分を形成してもよい。これは、１ｎｍの厚さを有する金属層、例えばニッケルまたは白金の堆積と、例えば５５０℃の温度で行う熱アニールステップにより実行されてもよい。その結果、分離した部分が形成される。
図７Ｈは、以下のステップの後に得られた構造体を示す：
－図７Ｇに示す構造上に絶縁層５０を堆積させる；および
－例えば銅で作られた導電性パッド５２、５４、５６、５８を形成する。
図７Ｉは、制御チップ１４を光電子チップ１２にボンディングした後に得られた構造体を示す。制御チップ１４の光電子チップ１２へのボンディングは、図示しない接続マイクロボールなどのインサートを使用することによって実行されてもよい。変形例として、制御チップ１４の光電子チップへのボンディングは、インサートを使用せずに、直接ボンディングによって実行されてもよい。直接ボンディングは、制御チップ１４の金属領域、特に導電性パッド６２、および光電子チップ１２の金属領域、特に導電性パッド５２、５４、５６、５８の直接金属間ボンディングと、制御チップ１４の誘電領域、特に絶縁層５０、および光電子チップ１２の誘電領域、特に絶縁層５０の誘電体間ボンディングとを含んでもよい。制御チップ１４と光電子チップ１２とのボンディングは、光電子チップ１２を制御チップ１４に対して圧力および熱を加えながら押し付ける熱圧着法によって実行されてもよい。
図７Ｊは、以下のステップの後に得られた構造体を示す：
－基板１０１を除去する；
－シード層１０２、１０３を除去する；
－絶縁層１０４、１０６を除去する；
－絶縁層３２、絶縁層３４、およびワイヤ２０、２２、２４を部分的にエッチングして、実質的に平面状の表面１１８を画定する。
基板１０１の除去は、研削および／またはウェットエッチングによって実行されてもよい。シード層１０２、１０３、絶縁層３２、絶縁層３４、およびワイヤ２０、２２、２４の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはＣＭＰによって実行されてもよい。絶縁層１０４または１０６は、シード層１０３のエッチングの際に、エッチングストップ層の役割を果たすことができる。
図７Ｋは、例えば５０ｎｍの厚さを有するＴＣＯ層を表面１１８全体にわたって堆積させ、この層をフォトリソグラフィ技術によってエッチングしてＴＣＯ層１８のみを残すことによって表面１１８上に導電層１８を形成した後に得られた構造体を示す。
図７Ｌは、絶縁層３４の開口部３６を絶縁層３４の厚さ全体にわたってエッチングして導電層４８を露出させた後に得られた構造体を示す。これは、フォトリソグラフィ技術によって実施されてもよい。
図７Ｍは、開口部３６内および表面１１８上に導電層１８と接触する導電層３８を形成した後に得られた構造体を示す。これは、例えばＴｉ／ＴｉＮ／ＡｌＣｕタイプの導電層の積層体を表面１１８側で構造体全体にわたって堆積させ、この積層体をフォトリソグラフィ技術によってエッチングして導電層３８のみを残すことによって実行されてもよい。
図７Ｎは、導電層１８上に、表面１７を画定する絶縁層１６を形成した後に得られた構造体を示す。例えば、ＰＥＣＶＤにより１μｍの厚さで堆積されたＳｉＯＮ層である。
光の取り出しを増加させるために、テクスチャリングステップとも呼ばれる、表面１７に隆起した領域を形成する追加のステップを提供してもよい。
裏面からのワイヤの高さの減少は、前述したようなＣＭＰタイプの方法、または他の任意のドライエッチングまたはウェットエッチング法によって実施されてもよい。特にＧａＮで作られたワイヤの得られる高さは、ワイヤ自体の中の光学的相互作用によってワイヤの根元からの光の取り出しを増加させるように選択されてもよい。さらに、この高さは、異なるワイヤ間の光結合に有利となり、したがって、ワイヤの集合体の集団発光を増加させるように選択されてもよい。
様々な実施形態および変形例について説明した。当業者であれば、これらの様々な実施形態および変形例の特定の特徴を組み合わせることができ、他の変形例も当業者に生じることを理解するであろう。特に、前述した実施形態では、光電子デバイスは互いにボンディングされた２つのチップを備えるが、光電子デバイスが１つのチップを備え、電子発光ダイオード制御回路が発光ダイオードと一体的に形成されてもよいことは明らかである。最後に、記載された実施形態および変形例の実際の実施は、ここで与えられた機能的な表示に基づいて、当業者の能力の範囲内にある。
本特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる仏国特許出願第２０／０９８９５号明細書の優先権を主張している。

Claims (18)

  1. 光電子デバイス（１０）であって、
    アキシャル構成の第１、第２および第３の３次元発光ダイオードを備え、各発光ダイオードは、半導体素子（２０、２２、２４）と、前記半導体素子上に載置された活性領域（７６）とを備え、各半導体素子は、マイクロワイヤ、ナノワイヤ、ナノメートルもしくはマイクロメートルの範囲の錐形素子、またはナノメートルもしくはマイクロメートルの範囲の錐台形素子に対応し、前記第１の発光ダイオードは、第１の波長で第１の放射線を放出するように構成されており、前記第１の発光ダイオードの半導体素子は、第１の直径（Ｄ１）を有し、前記第２の発光ダイオードは、第２の波長で第２の放射線を放出するように構成されており、前記第２の発光ダイオードの半導体素子は、第２の直径（Ｄ２）を有し、前記第３の発光ダイオードは、第３の波長で第３の放射線を放出するように構成されており、前記第３の発光ダイオードの半導体素子は第３の直径（Ｄ３）を有し、前記第１の直径（Ｄ１）は前記第２の直径（Ｄ２）よりも小さく、前記第２の直径（Ｄ２）は前記第３の直径（Ｄ３）よりも小さく、前記第１の波長は前記第３の波長よりも大きく、前記第２の波長は前記第１の波長よりも大きい、光電子デバイス。
  2. 前記第１の直径（Ｄ１）は、８０ｎｍから１５０ｎｍの範囲で変化する、請求項１に記載の光電子デバイス。
  3. 前記第２の直径（Ｄ２）は、２００ｎｍから３５０ｎｍの範囲で変化する、請求項１または２に記載の光電子デバイス。
  4. 前記第３の直径（Ｄ３）は、３７０ｎｍから５００ｎｍの範囲で変化する、請求項１～３のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  5. 前記第１の波長は、５１０ｎｍから５７０ｎｍの範囲にある、請求項１～４のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  6. 前記第２の波長は、６００ｎｍから７２０ｎｍの範囲にある、請求項１～５のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  7. 前記第３の波長は、４３０ｎｍから４９０ｎｍの範囲にある、請求項１～６のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  8. 第２の電子回路（１４）にボンディングされた第１の光電子回路（１２）を備え、前記第２の電子回路（１４）は導電性パッド（６２）を備え、前記第１の光電子回路は画素を備え、各画素について、
    －第１の導電層（１８）を備え、
    －前記第１、第２および第３の発光ダイオードのそれぞれについて、前記半導体素子（２０、２２、２４）は、前記第１の導電層に対して垂直に延び、前記第１の導電層と接触しており、前記第１の導電層とは反対側の前記半導体素子の端部に活性領域（７６）が載置されており、
    －前記導電性パッド（６２）に電気的に結合された第２、第３、第４および第５の導電層（４２、４４、４６、４８）を備え、前記第２の導電層（４２）は第１の発光ダイオードの活性領域（７６）に結合され、前記第３の導電層（４４）は前記第２の発光ダイオードの活性領域（７６）に結合され、前記第４の導電層（４６）は前記第３の発光ダイオードの活性領域（７６）に結合され、前記第５の導電層（４８）は前記第１の導電層に結合されている、請求項１～７のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  9. 各活性領域（７６）は、単一の量子井戸または複数の量子井戸を備える、請求項１～８のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  10. 前記半導体素子（２０、２２、２４）および前記活性領域は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物で作られている請求項１～９のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  11. 前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２２、２４、２６）は、ＭＯＣＶＤにより形成されている、請求項１～１０のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  12. 前記第１、第２および第３の発光ダイオードの活性領域（７６）は、ＭＢＥにより形成されている、請求項１～１１のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  13. 前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２０、２２、２４）は、基板（１００）上に載置されており、前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２０、２２、２４）のエピタキシャル成長に適合する材料と接触している、請求項１～１２のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  14. 前記第１、第２および第３の発光ダイオードは、モノリシック構造を形成している、請求項１～１３のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  15. 請求項１～１４のいずれか１つに記載の光電子デバイス（１０）の製造方法であって、
    以下の連続したステップ：
    －前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２２、２４、２６）を同時に形成するステップと、
    －前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２２、２４、２６）上に、前記第１、第２および第３の発光ダイオードの活性領域（７６）を同時に形成するステップと、
    を含む、方法。
  16. 前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２２、２４、２６）はＭＯＣＶＤにより形成される、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第１、第２および第３の発光ダイオードの活性領域（７６）はＭＢＥにより形成される、請求項１５または１６に記載の方法。
  18. 以下の連続したステップ：
    －支持体（１１０）上に前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２２、２４、２６）を形成すると同時に、前記第１、第２および第３の発光ダイオードの半導体素子（２２、２４、２６）上に前記第１、第２および第３の発光ダイオードの活性領域（７６）を形成するステップと、
    －前記第１、第２および第３の発光ダイオードの３次元半導体素子（２０、２２、２４）の間に電気絶縁層（３２）を形成するステップと、
    －前記支持体を除去するステップと
    を含む、請求項１５～１７のいずれか１つに記載の方法。
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