JP6163161B2 - コア／シェル構造を有するナノワイヤを備えた光電子デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、光エレクトロニクスの分野に関し、特に、コア／シェル型構造を有するナノワイヤに基づく発光体に関する。
光電子デバイス、特に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのナノワイヤに基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製することが実際に知られている。
ナノワイヤは、一般に、アキシャル構造またはラジアル構造である２つの異なる構造を有し得る。
ナノワイヤは、どちらの場合においてもｎドープ領域とｐドープ領域とを含み、これらの２つの領域の間には、意図せずにドープされるとともに量子井戸を含む活性領域を含んでいる。
ＩｎＧａＮを用いて量子井戸を形成することは、従来技術において知られている。インジウムの濃度を増やすことにより、この３つの成分からなる物質のギャップを、約３．５ｅＶの値であるＧａＮのギャップから、約０．６９ｅＶの値であるＩｎＮのギャップに下げることができる。従って理論的には、可視スペクトル全体をスキャンすることが可能である。
アキシャル構造を有するナノワイヤでは、活性領域は、ナノワイヤの成長基板に対して平行に向いている。ラジアル構造を有するナノワイヤでは、活性領域は、成長基板から得られたナノワイヤの周りにエピタキシャルに成長している。
得られたラジアル構造は、コア／シェル構造と称する。また、「ナノワイヤ」という用語は、コアと、軸方向の活性領域と、シェルとを含む、すべてそろった構造を指すために用いられることになる。
アキシャル構造を有するナノワイヤは、一般に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって得られ、一方、ラジアル構造を有するナノワイヤは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって堆積する。
半径方向の活性領域を有するナノワイヤの取得を可能にする方法は、多くの文献に記載されている。
とりわけ、いわゆるパルス状成長法を説明しているＵＳ ７ ５２１ ２７４、または、アンモニア流成長法を説明しているＵＳ ７ ８２９ ４４５を挙げることができる。
ラジアル構造を有するナノワイヤには、アキシャル構造を有するナノワイヤに比べて多くの利点がある。
とりわけ、同じ基板面に対する、接合面および活性領域の容積の増加と、表面再結合の制限と、それによる電界発光の収率の増加とを挙げることができる。
また、ラジアル構造を有するナノワイヤの電気接続は、一般に並列構成によって行われる。このため、上側の電極は、ナノワイヤのシェルへのキャリアの射出を可能にし、下側の電極は、ナノワイヤのコアの接続を確実なものとしている。電位差は、各ナノワイヤの端子において同一となっている。
この並列接続の図は、用いられるコア、シェル、および基板の特性に依存する。
とりわけ、上側の電極が、ナノワイヤの上側面を露出したままにしつつ、それらのナノワイヤの上側の部分を囲んでいる図を説明しているＷＯ ２００９／０８７３１９を挙げることができる。ＵＳ ２００５／０２５３１３８は、ナノワイヤの上側の部分を完全に囲んでいる上側電極を説明している。
一般に、照明を確実なものとするためには、白色光を放出する効果的なシステムを有することが望ましい。しかし、発光ダイオードは単色光である。
そのため、単色光のＬＥＤによって白色光を作り出すために従来技術では様々な解決策が提案されている。
従来のプレーナ技術によって得られる白色ＬＥＤの場合、第１の解決策は、青色ＬＥＤなどの、短い波長λ１を放出するダイオードを、相補的な長い波長λ２を放出する発光団と組み合わせることからなる。この発光団は、主に黄色の範囲で発光するＣｅタイプの蛍光体であるＹＡＧなどからなる。
人間の眼によって知覚される光の色（多かれ少なかれ、はっきりとした白）は、この２つの波長λ１およびλ２の組み合わせより生じる。
しかし、蛍光体の変換効率に関連する効率損失が著しく、また発光品質の調節が困難である。
これらのプレーナＬＥＤの場合、第２の解決策は、白色光をもたらすために組み合わさる、異なる可視波長を放出する少なくとも３つのＬＥＤを用いることからなる。
実際には、青色光を放出するＬＥＤが、緑色光を放出するＬＥＤと、赤色光を放出するＬＥＤとに関連づけられる。これらのＬＥＤは、異なる材料で作製されている。
発光団、すなわち蛍光体がないと、蛍光体に起因する損失を克服することは可能となる。しかし実際には、演色評価数や（同一の光スペクトルを放出する黒体の温度に相当する）色温度は、着色光における各成分の割合に依存している。しかしながらこの割合は、各ＬＥＤが電気投入下で様々な電気的動作（波長のオフセット、経時変化など）を行うため、デバイスにおける調節が困難である。
さらに、３つの色に対して５０％を上まわる外部量子効率の単色ダイオードを関連づける必要がある。
しかし、プレーナ技術では、デバイスの外部量子効率が約１０％低下する緑から黄色のスペクトル領域においては特に、この性能を得ることは不可能である。
ナノワイヤに基づくＬＥＤに関しては、白色光を作り出すために従来技術において２つの主要な解決策が提案されている。
第１の解決策は、蛍光体を、ナノワイヤベースの構造と普通に関連づけることからなる。
たとえば、ナノワイヤと、そのナノワイヤの端部または面全体にわたる蛍光体層とを含む異種構造を説明しているＵＳ ２００５／０２０８３０２を挙げることができる。
この異種構造は、プレーナＬＥＤおよび発光団を備える構造と同じ欠点を有している。
別の解決策は、蛍光体を用いないことと、極めて特定的な構造を提案することからなる。
このため、ＵＳ ７ ０４５ ３７５には、プレーナＬＥＤの構造と、異なる波長を放出するナノワイヤＬＥＤの構造とが関連づけられた白色発光システムが記載されている。
この構造もまた、電気的動作が変わり得る異なる材料を用いることに関連する欠点を有している。
また、異なる高さからなる、異なる波長を放出する複数のナノワイヤが関連づけられたデバイスを説明しているＥＰ ２ ２５４ １６４を挙げることもできる。このようなデバイスでは、ナノワイヤの高さを調節することが困難であることに留意されたい。
最後に、従来技術で説明されているデバイスでは、用いられているナノワイヤはアキシャル構造を有している。このため、プレーナ構造に比べて放出面の損失があり、それによって効率が低下する。
本発明は、発光品質が容易に調節され得る、多波長光、とりわけ白色光の放出を可能にする光電子デバイスを提供することによって、上記の欠点を克服することを目的としている。
従って、本発明は、基板の上で得られる、コア／シェル型構造を有するナノワイヤの形態である発光手段を含む光電子デバイスに関する。このうち、前記ナノワイヤは活性領域を含み、この活性領域は、異なる発光波長に関連づけられているとともに前記活性領域のうちの少なくとも２つの異なる領域の中に割り当てられた少なくとも２つの種類の量子井戸を含む。ナノワイヤにおける活性領域の第１の領域は、ナノワイヤのコアを少なくとも部分的に囲んでいるとともに半径方向の量子井戸を備える、略垂直な周辺部分であり、この活性領域の第２の領域は、ナノワイヤにおけるコアの端部に位置しているとともに軸方向の量子井戸を備える、略水平な上側部分である。このデバイスは、基板上の第１の電気接触領域と、発光手段の上の第２の電気接触領域とをさらに含む。前記第２の領域は、発光手段が少なくとも２つのグループに従って割り当てられた場合に、電気接触が、連続的な導電層によって、上記活性領域における少なくとも異なる領域において、前記少なくとも２つのグループのそれぞれに対して行われるように配置され、電源は、多波長光の放出を得るように制御される。
この光電子デバイスは、蛍光体の使用を回避するとともに同じ成長基板から得られ、すべてのナノワイヤは同じ材料でできている。
このことは、公知のデバイスにおいて直面する、温度によって異なる経時変化または異なる動作の問題を解消し得る。
また、同じエピタキシーのステップの間に複数のナノワイヤが得られることによって、デバイスを作製する際に時間が節約され、それによってコストの低下がもたらされる。
最後に、本発明によるデバイスによって放出される光の色は、存在するそれぞれのグループにおける発光手段の数に直接的に依存する。
本発明による光電子デバイスの代替実施形態では、活性領域は、第１の領域と第２の領域との間に位置している第３の領域を含む。
第２の電気接触領域は、有利には、ナノワイヤにおける活性領域のうちの第１の領域の少なくとも一部にわたって延びている。
光電子デバイスは、有利には、電気的に並列に接続された複数の部分を含み、上記複数の部分の内部では発光手段が並列に接続され、第２の電気接触領域における電気接触は、２つの隣接する部分に対して、活性領域と異なる領域においてもたらされている。
好ましくは、発光手段における活性領域が２つの異なる領域を含む場合には、第２のグループの発光手段は、基板と反対側の上側面を除いて電気絶縁用材料によって囲まれ、第２の電気接触領域は、第２のグループの発光手段を完全に囲むとともに、第１のグループの発光手段の周辺部の上に設けられて、活性領域における第１の領域に相当する高さｈにわたって第１のグループの発光手段と直接接触し、それによって、これらの発光手段の上側部分は露出している。
発光手段が、第３の領域を有する活性領域を含む場合、第３のグループの発光手段は、高さｈにわたって電気絶縁用材料によって囲まれ、第２の電気接触領域は、ｈより大きい高さｈ１にわたって第３のグループの発光手段の周辺部の上に設けられ、それによって、発光手段の上側部分は部分的に露出している。
本発明による光電子デバイスにおける別の代替実施形態では、発光手段の少なくとも一部に対して、活性領域の少なくとも２つの領域において電気接触がもたらされるように第２の電気接触領域が配置されている。
この代替実施形態では、発光手段は、少なくとも２つの電気的に独立したグループの中に割り当てられており、前記少なくとも２つのグループごとに、活性領域における異なる領域が電力とともに供給されるように電源が制御される。
最後に、ナノワイヤにおける活性領域は、好ましくはＩｎＧａＮ／ＧａＮで形成されている。
添付図面を参照して行われる以下の説明では、本発明がより良く理解され、本発明における他の目的、利点、および特徴がより明らかとなろう。
異なる図面における共通の要素は、同じ参照符号によって示される。
図１は、コア／シェル型構造を有するナノワイヤ１を示す。
本明細書全体を通じて、「ナノワイヤ」という用語は、細長い構造、すなわち、直径に対する高さの比（すなわち、底面幅の拡張分）が１を上まわる構造を示すことになる。
ナノワイヤ１のコア１０は、成長基板１１に対して垂直な、エピタキシーによって得られた事実上のナノワイヤからなる。
例として、この基板は、強力にｎドープされたシリコンで形成され、コア１０は、ｎドープされた窒化ガリウムで形成されている。
従ってコア１０は、コアの周辺部１００にわたるｍ面と、コアの、基板と反対側の上側部分１０１におけるｃ面とである、異なる結晶面からなる２つのファミリーを有する。
ナノワイヤの活性領域１２は、コア１０の周りに形成されている。この活性領域１２は、コアの周りに半径方向に配置され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮでできており、ｍ面などの、ｃ面に垂直な面における成長によって生じた量子井戸からなる。
量子井戸がエピタキシャルに成長した結晶面によって、量子井戸の２つのファミリーを区別することが可能である。
従ってこの場合、ナノワイヤ１の活性領域１２は、量子井戸が半径方向となっている、周辺部の第１領域１２０と、量子井戸が軸方向にある、上側の第２領域１２１とである、２つの領域を含む。
第１の領域１２０は、略垂直方向に、すなわち、基板１１に対して略垂直に延びている。第２の領域１２１は、略水平方向に、すなわち、基板１１に対して略平行に延びている。
量子井戸におけるこれらの２つのファミリーは、量子井戸の中の内部圧電場の存在に大きく依存する発光特性（波長および内部量子効率）を有することがすでに確証されている。
このように、Ｌａｉらによる、”Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ｍ−ｐｌａｎｅ ａｎｄ ｃ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”、ＪＡＰ １０６ （２００９） １１３１０４の記事への参照がなされ得る。
また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮで形成された、ラジアル構造を有する量子井戸の成長に関する最初の研究では、量子井戸がエピタキシャルに成長する結晶面に、成長機構が依存するということが示されていると思われる。
このように、Ｂｅｒｇｂａｕｅｒ Ｗ．らによる、”Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｆｌｕｘ ＭＯＶＰＥ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｎ−ｆａｃｅ ＧａＮ ｎａｎｏｒｏｄｓ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＩｎＧａＮ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ”、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２１ （２０１０） ３０５２０１の記事への参照がなされ得る。
このため、本発明者らは、成長速度とインジウムの取り込みとが、ｃ面またはｍ面において異なるという仮説をもってスタートした。このことは特に、異なる厚さ、および／または、組成を有する量子井戸と、それによる、異なる波長の発光とにつながる。
本発明者らは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸によって形成された活性領域をもつコア／シェル型構造を前記ナノワイヤが有する、ＭＯＣＶＤによって得られたナノワイヤ型のＬＥＤ構造における、軸方向の有極性の量子井戸と、半径方向の無極性の量子井戸との間の発光差を、低温の陰極ルミネッセンスによって実験的に調べた。
これらの実験では、量子井戸の２つのファミリー間の発光波長の差が約３２ｎｍから１０Ｋであることが示された。
従って本発明者らは、軸方向の量子井戸と、非常に離れたスペクトル範囲の中に位置している発光波長を伴う半径方向の量子井戸とをもつ、コア／シェル型構造のナノワイヤを有することが可能である点を示した。
このように、２種類の量子井戸に対応している２つの波長は異なっているだけでなく、この２種類の量子井戸によって放出される２つのスペクトル間の部分的な重なりがそれほどないと考えることが総じて可能である。言い換えれば、２つの波長の差は、これらのスペクトルの中間部分における幅の合計の半分に少なくとも等しい。
最後に、ナノワイヤは、活性領域１２の周りに形成されたシェル１３を備える。このシェルは、ｐドープされたＧａＮで形成されていてもよい。
図２は、本発明による光電子デバイスを図によって示している。この光電子デバイスは、この場合には、図１によって示された種類のナノワイヤ１である、２つの発光手段を備える。これらの発光手段２および３は、この場合には同様の構成を備えている。これらの発光手段２および３は、それらの電気接触領域のうちの一方の構造によってのみ区別される。
本発明による光電子デバイスは、実際には当然ながら３つ以上の発光手段を備えることになる。
発光手段２および３のコア２０および３０は、事実上のナノワイヤによって構成されており、この事実上のナノワイヤは、成長基板１１の表面１１０に堆積した絶縁用成長マスク１４によって、この成長基板１１に対して垂直に、エピタキシャルに成長している。
発光手段２は、コア２０を囲んでいる活性領域２２とシェル２３とを含み、発光手段３は、コア３０を囲んでいる活性領域３２とシェル３３とを含む。
活性領域２２、３２の内部では、異なる発光波長に関連した量子井戸に相当する２つの領域が区分けされ得る。
このため、略垂直な周辺領域２２０、３２０は、半径方向の量子井戸を備え、略水平な上側領域２２１、３２１は、軸方向の量子井戸を備える。
軸方向の量子井戸は、半径方向の量子井戸に比べて応力緩和の度合いが高いことを特徴としている。従って本発明者らは、より多くのインジウムを軸方向の量子井戸に取り込むことが理論的に可能であるという仮説をもってスタートした。このことによって、半径方向の量子井戸によって作り出される光子の波長λ１よりも発光波長λ２が大きい光子を軸方向の量子井戸が作り出すことが可能となる。
さらに本発明者らは、コア／シェル型構造における半径方向の量子井戸によって放出される光が、その構造におけるワイヤベースの形状によってたとえ誘導されたとしてもほんのわずかであることに注目した。
このように、波長λ１の光子は、軸方向の量子井戸に到達することなく発光手段から放たれ、このことにより、従来の構造において見られた光子再吸収現象が制限される。従って、発光手段の効率が向上する。
図２に示されている光電子デバイスは、２つの電気接触領域を備えている。
第１の電気接触領域１５は、基板における、発光手段２および３の反対側に形成されている。この第１の電気接触領域１５は、基板１１の面１１１全体にわたって広がっている。
第２の電気接触領域１６は、発光手段２および３の上に形成されている。
図２は、発光手段３が、絶縁用材料のまったくないシェルの上側面３３０を除くシェル３３の周りに、絶縁用材料で形成された覆い３４を備えていることを示している。
第２の電気接触領域は、すべての発光手段の間に設けられている。第２の電気接触領域の部分１６０は、絶縁用成長マスク１４と接触している。
第２の電気接触領域は、部分１６０の連続性において発光手段３を完全に囲んでいる。従って、電気接触領域の部分１６１は、絶縁用の覆い３４によって発光手段３の周辺部からは絶縁されているが、シェル３３の上側面３３０とは直接的に接触している。
最後に、第２の電気接触領域１６は、同様に部分１６０の拡張と連続性とにおいて発光手段２の周辺部にも設けられ、シェル２３と直接的に接触している。しかし、第２の電気接触領域におけるこの部分１６２は、発光手段２の高さｈにわたってのみ延びているため、コア２０の軸方向においてコア２０を越えては延びておらず、言い換えれば、活性領域２２における周辺領域２２０を越えては延びていない。
このように、第２の電気接触領域１６は、発光手段２の上側領域２２１を除いて連続的である。
すなわち、第２の電気接触領域は、すべての発光手段の間で延びており、また、半径方向の量子井戸が位置している、発光手段の垂直領域２２０、３２０に少なくとも部分的に沿って延びている。
このように、第２の電気接触領域１６は、発光手段２および３の垂直領域２２０、３２０の上で連続的であり、発光手段３の上側領域３２１においても連続的である。
従って第２の電気接触領域におけるこの構造は、一連の別のパッドによって形成される構造と異なっている。
第２の電気接触領域１６におけるこの特定の構造により、第１の電気接触領域１５と第２の電気接触領域１６との間に電圧差が印加されると、発光手段２が発光波長λ１の光子を生成し、発光手段３が発光波長λ２の光子を放出することになる。
人間の眼によって知覚される光の感覚は、波長λ１と波長λ２の組み合わせによって生じることになる。
本発明による光電子デバイスの巨視的なスペクトルは、実際には、手段３の種類の発光手段の数に対する、手段２の種類の発光手段の数の比によって求められる。
このため、この比を変更することによって、光電子デバイスにおける巨視的なスペクトルを変更することが可能である。
また、光電子デバイスにおける巨視的なスペクトルは、第２の電気接触領域の構造を選択することによっても適合し得る。
次に、図３ａから図３ｈを参照して、図２に示されている光電子デバイスを得るための方法を説明する。
図３ａは、基板の上に成長マスクが形成される、本方法における第１のステップを示す。
こうして、後に形成されることになるｐ型の電気接触領域と基板１１との間の短絡を防ぐため、電気絶縁用材料でできた層が基板１１の上に堆積する。
この基板は、強力にｎドープされたシリコン基板でもよく、４００μｍの厚さを有していてもよい。
この層は、特に、ＳｉＯ２またはＳｉＮなどのＳｉｘＮｙＯｚで形成されていてもよい。
次に、この絶縁用材料の層の上にエッチングマスクが塗布される。このエッチングマスクは、従来のナノインプリント技術またはリソグラフィ技術によって構成されてもよい。
次に、図３ａに示されている絶縁用成長マスク１４の取得を可能にするエッチングステップが行われる。この成長マスクは、いかなる絶縁用材料も有していない領域１４０を特徴とする。
図３ｂは、発光手段２、３を形成することになるナノワイヤのコア２０、３０における局部的な成長のステップを示す。
この成長は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、またはＨＶＰＥ（ハイブリッド気相エピタキシー法）などの、触媒作用を及ぼされることのない従来の技術によって領域１４０においてもたらされる。
これらのコアは、特にｎ型の窒化ガリウムで形成されてもよい。
本発明における好ましい手段によれば、この成長は、低い比率のＶ／ＩＩＩと、シランのフローと、（大気圧に近い）高圧下におけるベクトルガスとしての窒素とを用いて、ＭＯＣＶＤによってもたらされる。
これらのコアは、シリコン基板１１の上でエピタキシャルに成長し、そのシリコン基板１１との良好な電気的導通を有する。
代替実施形態においては、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ａｌ、Ｂ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ｔｈ、およびＭｇ３Ｎ２からなる薄い層が、基板１１と、コア２０および３０との間に挿入されてもよい。
この薄い層は、いかなるガリウムの攻撃からも基板１１を保護し得る。また、この薄い層は、ナノワイヤの成長のための良好な境界面を提供する。
この層は、この場合には、ナノワイヤのコアと基板との間の電気的導通が変らないように十分に薄い必要がある。
図３ｃは、活性領域とナノワイヤのシェルとの成長がもたらされる、本方法における別のステップを示す。
このステップの間に、たとえば比較的厚いＩｎＧａＮの層、すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮで形成された量子井戸からなる活性領域２１、３１が半径方向に堆積する。
好ましい成長方法によれば、量子井戸の成長は、シランのフローを維持するか、またはそれを維持せずに、ベクトルガスとしての窒素を用いながら、Ｖ／ＩＩＩの比率を増やすとともに作動圧力を低下させることによって行われる。
次に活性領域の周りにシェル２３、３３が形成される。このシェルは、ｐ型のＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）でできている。
好ましい成長方法によれば、ｐドープは、高いＶ／ＩＩＩの比率と、低い圧力と、任意選択によるシランのフローと、ベクトルガスとしての水素とを用いて行われる。
このように、ｐｎ接合を有するＬＥＤが形成される。
また、活性領域における量子井戸の成長のための条件は、コアの壁に沿う種の拡散を変化させるために、すなわち、活性領域における軸方向の量子井戸、または半径方向の量子井戸におけるインジウムの取り込みを促進するように選択するために、変更されてもよい。本発明者らは実際に、軸方向の量子井戸だけがかかわっているという仮説をもってスタートした後、両方の種類の量子井戸においてインジウムの取り込みが促進され得るという点に注目している。このことは、量子井戸に関連する波長λ１およびλ２を良好に区別し得ることになる。
従って、このステップの終わりには、半径方向の量子井戸と、軸方向の量子井戸とが、異なる発光波長を有することになる。
図３ｄは、電気絶縁材料からなる層１８を堆積させるステップを示す。
この材料は、たとえば、ポリマーまたはＳｉＯ２からなっていてもよい。
この層１８は次に、図３ｅに示されているように、発光手段３の周りの覆い３４を維持するために従来のリソグラフィ技術によってエッチングされる。
図３ｆおよび図３ｇは、発光手段２および３の上に電気接触領域を形成するステップを示す。
図３ｆに示されている第１のステップでは、導電材料からなる層１８が成長マスク１４の面全体にわたって形成され、それによって発光手段２および３の周りにも形成される。従って、この層１８は連続的となる。
この導電材料は、発光手段２および３からの光の抽出を可能にするために半透明である。
このため、この層１８は、たとえば薄い金属層（Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＰｔ／Ａｕ）、またはＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）の層の形態であってもよい。
第２のステップでは、層１８が発光手段２の上側部分においてエッチングされる。このエッチングは、従来のリソグラフィのステップの間に行われてもよい。
このように、これらの２つのステップの終わりには、電気接触領域１６が形成されている。この電気接触領域１６は、ｐ型の電気接点である。
図２を参照して説明されたように、この第２の電気接触領域は、マスク１４と接触している部分１６０と、発光手段３を完全に囲んでいる部分１６１と、電気接触領域が発光手段２のコア２０を越えて延びないように発光手段２の高さｈにわたってのみ延びている部分１６２とを含む。部分１６１および１６２は、部分１６０と連続している。
このように、電気接触領域１６は、部分１６２によって、発光手段２上にいわゆる周辺接点を形成し、部分１６１によって、発光手段３上にいわゆる平面接点を形成している。
図３ｈは、基板における、発光手段２および３の反対側に別の電気接触領域１５が形成される、本方法における最終ステップを示す。
この別の電気接触領域は、Ｎｉ／Ａｕなどの金属層を堆積させることによって得ることができる。
光電子デバイスは、上記で示されたように複数の発光手段２、３を備えることになる。
従って、２種類の電気接続図が想定され得る。
異なる発光手段は、互いに対してそれぞれ直列に接続されてもよい。
図４は、光電子デバイスが９つの異なる部分からなる、別の種類の接続図を示す。すなわち、部分４０〜４４は、電気接触領域１６が周辺接点を形成しているナノワイヤである手段２の種類の発光手段だけを含み、部分４５〜４８は、平面電気接点を備えるナノワイヤである手段３の種類の発光手段だけを含んでいる。
これらの発光手段は、それぞれの部分の内部で電気的に並列に接続され、また異なる部分どうしも互いに電気的に並列に接続されている。
こうして、２つの隣接する部分に対しては、第２の電気接触領域における電気接触が、活性領域における異なる領域にもたらされている。
図５は、本発明による光電子デバイスにおける第１の代替実施形態の説明図である。
図２に示されている光電子デバイスにおけるこの代替実施形態では、すべての発光手段が、発光波長λ１の光子、または発光波長λ２の光子を生成し得る。
そのため、この光電子デバイスは、図１に示されているナノワイヤ１をそれぞれが含む複数の発光手段５を含む。これらのナノワイヤは、基板１１からの成長によって得られ、基板１１における、ナノワイヤ１と反対側の面には、第１の電気接触領域１５が形成されている。
この発光手段５は、第２の電気接触領域の構造によって発光手段２または３と区別される。
この第２の電気接触領域５１は、実際には２つの部分５１０および５１１でできている。
第１の部分５１０は、発光手段２に向けて形成された種類の、ナノワイヤ１の周りの周辺電気接点を形成している。
このため、この部分５１０は、絶縁用マスク１４と接触し、また、シェル１３の周辺部分と直接的に接触している。すなわち、部分５１０は、ナノワイヤ１の高さｈに相当する、活性領域１２における第１の領域１２０の少なくとも一部にわたる電気接点を形成しており、そのため、ナノワイヤ１のコア１０を越えては延びていない。
また、絶縁用材料のまったくないシェル１３の上側面１３０を除くナノワイヤ１の周りには、絶縁用材料の層５２が存在している。
第２の部分５１１は、すべての発光手段５を覆っており、層５２がある場合には、そのすべての層５２と接触し、あるいは、絶縁用材料のないシェル１３の上側面１３０と接触している。そのため、部分５１１は、絶縁層５２によってナノワイヤ１の周辺部分から絶縁されているが、シェルの上側面１３０とは電気的に直接接触している。従ってこの部分５１１は、発光手段３の上にある電気接点と同様の電気接点を作り出している。
このように、部分５１０は、上側領域１２１の所、すなわちコア１０を越えた所を除いては連続的であり、部分５１１は完全に連続的である。
この同じグループの発光手段５は、領域５１の構造により、電気接触領域１５および５１０の間に適切な電圧差を印加することによって波長λ１の光子を生成し、または、電気接触領域１５および５１１の間に適切な電圧差が印加された時に発光波長λ２の光子を生成し得る。このため、この同じグループの発光手段５は、発光波長λ１の光子だけか、または、発光波長λ２の光子だけを放出し得る。
このように、本発明による光電子デバイスは、電気的に独立である少なくとも２つのグループの発光手段５を関連づけることによって得られることになる。
図６には、本発明による光電子デバイスにおけるこのような例が示されている。
このように、この光電子デバイスは、電気的に独立である、発光手段５における２つのグループ６０および６１を含んでいる。この光電子デバイスは、当然ながら、発光手段における３つ以上のグループを含んでいてもよい。
第１のグループ６０の電源は、第１の電気接触領域１５と、第２の接点５１における部分５１０との間に電圧差が印加されるように制御される。このため、グループ６０の発光手段５は、発光波長λ１の光子を生成することになる。
一方、第２のグループ６１の発光手段５の電源は、第１の電気接触領域と、第２の電気接触領域５１における部分５１１との間に電圧差が印加されるように制御される。このため、第２のグループ６１の発光手段５は、波長λ２の光子を放出することになる。
得られる光電子デバイスの巨視的なスペクトルは、グループ６０および６１のそれぞれに印加される動作電圧を変調することによって制御されてもよい。実際に、各グループによって放出される光の強度は、発光手段を通って流れる電流、すなわち、発光手段の端子における電圧に依存する。
この巨視的なスペクトルは、各グループに存在する発光手段の数にも依存する。
最後に、各グループに存在する発光手段の数が異なる場合、巨視的なスペクトルは、第１のグループ６０が波長λ２の光子を放出し、第２のグループ６１が波長λ１の光子を放出するように、接続図を反転させることによって変更されてもよい。
次に、コア／シェル構造を同様に有するナノワイヤ７を示している図７を参照する。
このナノワイヤのコア７０は、成長基板１１に対して垂直な、エピタキシーによって得られた事実上のナノワイヤからなる。
コア７０は、この例では、コア７０の周辺部７００にわたるｍ面と、コア７０の、基板と反対側の上側部分７０１におけるｃ面と、周辺部７００および上側部分７０１の間に位置している、コア７０の円錐台状部分７０２にわたるｒ面とである、３つの結晶面を有する。コア７０におけるこの特定の形態は、特定の成長条件の下で得られてもよい。この点に関しては、上記Ｂｅｒｇｂａｕｅｒ Ｗ．らによる記事への参照がなされ得る。
参照符号７２は、コア７０の周りに形成された、ナノワイヤの活性領域を示す。
この活性領域は、量子井戸がエピタキシャルに成長した結晶面に従い、量子井戸の３つのファミリーを含む。これらの３つのファミリーは、量子井戸が半径方向にある、第１周辺領域７２０と、量子井戸が軸方向にある第２領域７２１と、量子井戸がｒ面によって傾いている第３領域７２２とである、３つの異なる領域の間に割り当てられている。
第１の領域７２０は、略垂直方向、すなわち、基板１１に対して略垂直に延びている。第２の領域７２１は、略水平方向、すなわち、基板１１に対して略平行に延びている。最後に、第３の領域７２２は、基板に対して傾いて延び、第１の領域と第２の領域とをつないでいる。
図８は、図７に示されているナノワイヤ７の種類の３つの発光手段を含む、本発明による光電子デバイスを図によって示す。
これらの発光手段７ａ、７ｂ、および７ｃは、これらの発光手段における第２の電気接触領域の構造によって互いと異なっており、第１の電気接触領域１５は、基板１１における、ナノワイヤと反対側の面１１１の上に形成されて連続的となっている。
本発明による光電子デバイスは、実際には当然ながら、手段７ａ、７ｂ、および７ｃの種類の４つ以上の発光手段を備えることになる。
こうして、発光手段７ａ〜７ｃのそれぞれは、異なる発光波長に関連した量子井戸に対応する３つの領域を含む活性領域を有する。この活性領域は、発光波長λ１の光子を生成することができる、略垂直な周辺領域７２０ａ〜７２０ｃと、発光波長λ２の光子を生成することができる、略水平な上側領域７２１ａ〜７２１ｃと、発光波長λ３の光子を生成することができる、傾いている中間領域７２２ａ〜７２２ｃとを含む。
次に、第２の電気接触領域１７をさらに詳しく説明する。
図８は、発光手段７ｂが、シェル７３ｂの周辺部分７３０ｂにおいて、絶縁用材料からなる覆い７４ｂを含むことを示している。
また、発光手段７ｃは、絶縁用材料のまったくないシェル７３ｃの上側面７３１ｃを除くシェル７３ｃの周りに、絶縁用材料からなる覆い７４ｃを含む。
第２の電気接触領域１７は、発光手段７ａ〜７ｃの上に設けられているため、これらの発光手段の間のマスク１４と接触している。第２の電気接触領域１７は、エッチングされた連続的な層から形成されている。
こうして、第２の電気接触領域は、発光手段７ｃを完全に覆っている。このため、第２の電気接触領域は、第２の電気接触領域が直接的に接触している発光手段７ｃの上側面７３１ｃを除き、発光手段７ｃから電気的に絶縁されている。
さらに、この第２の電気接触領域は、シェル７３ａの周辺部分７３０ａの周囲に設けられ、シェル７３ａの周辺部分と電気的に直接接触している。しかし、第２の電気接触領域は、シェル７３ａの中間部分７３２ａと上側部分７３１ａとによって画定された、発光手段７ａの上側の部分の周りには延びておらず、言い換えれば、活性領域の周辺領域７２０ａを越えては延びていない。
第２の電気接触領域は、発光手段７ｂに関しては、絶縁用の覆い７４ｂの周りに延びている。また第２の電気接触領域は、シェル７３ｂの中間部分７３２ｂにわたって部分的に延びている。すなわち、第２の電気接触領域は、高さｈ１にわたって発光手段７ｂの周辺部に設けられ、それによって、発光手段７ｂの上側部分は部分的に露出している。発光手段７ｂにおけるこの上側部分は、この場合にはシェル７３ｂの上側面７３１ｂで終わっている部分７３２ｂである。
このように、第２の接触領域１７は、発光手段７ｂの上側領域７２１ｂ、ならびに、発光手段７ａにおける上側領域７２１ａおよび中間領域７２２ａを除く、すべての発光手段にわたって延びている層である。
言い換えれば、第２の領域１７は、すべての発光手段の間にわたって延び、また、半径方向の量子井戸が位置している、発光手段の垂直領域７２０ａ、７２０ｂ、および７２０ｃの少なくとも一部にわたって延びている。このため、層１７は、発光手段の垂直領域７２０ａ、７２０ｂ、および７２０ｃでは連続的である。また層１７は、発光手段７ｃの上側領域７２１ｃと、発光手段７ｂの中間領域７２２ｂとにおいても連続的である。
第２の電気接触領域１７におけるこの特定の構造により、第１の接触領域１５と、第２の接触領域１７との間の電圧差は、発光手段７ａによる発光波長λ１の光子と、発光手段７ｂによる発光波長λ３の光子と、発光手段７ｃによる波長λ２の光子との生成をもたらす。
こうして、人間の眼によって知覚される光の感覚は、波長λ１、λ２、およびλ３の組み合わせによって生じることになる。
図８によるデバイスによって放出される光は、演色評価数（ＣＲＩ）および相関色温度（ＣＣＴ）に関して、図１によるデバイスによって放出される光より高品質のものである。
図２を参照して説明されたように、この光電子デバイスにおける巨視的なスペクトルは、それぞれの種類７ａ、７ｂ、および７ｃに対応する発光手段の数によって求められる。
図８に示されている光電子デバイスを得るための方法は、図３ａ〜図３ｈを参照して説明された方法から簡単に導き出される。
次に、図８による光電子デバイスの代替実施形態を示している図９を参照する。この代替実施形態は、図５に示されている代替実施形態と同様である。
図９は、第２の電気接触領域８１に関する、発光手段７ａ〜７ｃに対して説明された３種類の電気接点をそれぞれが備える発光手段のグループを実際に示している。
第１の電気接触領域１５は、基板１１における、発光手段８の反対側に形成されている。
発光手段８のそれぞれは、図７に示されているナノワイヤ７を備える。ナノワイヤ７については、再度詳しくは説明しない。
第２の電気接触領域８１は、３つの部分８１０、８１１、および８１２からなる。
第１の部分８１０は、発光手段７ａに対して説明されたように、ナノワイヤにおけるシェル７３の周辺部分７３０の周りに電気接点を形成している。
絶縁用材料の層８２は、シェル７３の上側面７３１の中間部分７３２を除き、第２の電気接触領域における第１の部分８１０の上に存在している。従ってこの層８２は、発光手段７ｂに対して説明された覆い７４ｂと同様の絶縁用の覆いをナノワイヤ７の周りに作り出している。
第２の電気接触領域８１における第２の部分８１１は、この層８２にわたって延びており、さらに、シェル７３の中間部分７３２にわたっても部分的に延びている。
言い換えれば、シェルの中間部分７３２と上側面７３１とによって形成されたナノワイヤ７の上側の部分には、部分的にはいかなる電気接点もない。
このように、この第２の部分８１１は、発光手段７ｂに対して説明された電気接点と同様の電気接点を形成している。
最後に、第２の部分８１１の上には、絶縁用材料からなる第２の層８３が堆積している。このため、ナノワイヤ７におけるシェル７３の上側面７３１だけには絶縁用材料が存在しない。
絶縁用材料からなる層８３の上には、第２の電気接触領域における第３の部分８１２が連続的に堆積している。そのため、この第３の部分は、ナノワイヤ７におけるシェルの上側面７３１と電気的に直接接触している。
このように、発光手段８のそれぞれは、発光手段７ａ、７ｂ、および７ｃに対して説明された、第２の電気接触領域における３種類の電気接点を備えている。
従って実際に、図９に示されている３つの発光手段８は、第１の電気接触領域１５と、第２の電気接触領域８１における第１の部分８１０との間に電圧差が印加された場合には、発光波長λ１の光子を放出し得る。接触領域１５と、部分８１１との間に印加される電圧差は、発光波長λ３の光子を生成し得る。最後に、電気接触領域１５と、部分８１２との間に印加される電圧差は、発光波長λ２の光子を生成し得る。
図６を参照して説明されたように、本発明による光電子デバイスは、電気的に独立している複数のグループの発光手段８によって形成されてもよい。
図６に示されているデバイスに対して注目された点は、図９に示されているデバイスに対しても有効である。
図示されているすべての実施形態において、電気接触が、連続的な導電層によって、活性領域における少なくとも１つの領域の上にもたらされる。このことは、別のパッドによってもたらされた電気接触に比べた利点を提示する。パッドの製造は、実際にはより複雑であり、パッドを互いと接続するためのワイヤ接続が必要となる。
また、これらのパッドは、一般にはいわゆるリフトオフ技術によって得られる点に留意されたい。しかし、この技術は、典型的にはｍ面に相当する活性領域の周辺領域である垂直面に対しては実施することができない。
図１０は、ｎドープされたＧａＮのナノワイヤの成長が、ｎドープされたＧａＮの基板１８の上でもたらされる、本発明における別の代替実施形態を示す。
基板１１は、この場合には必ずしも導電性でなく、たとえばサファイアで形成されていてもよい。
上記で説明されたように、ｐ型の第２の電気接触領域１６が形成される。
一方、基板１８の上には、ｎ型の第１の電気接触領域１９が形成される。このことは、成長マスク１４と、第１の電気接触領域１６とをエッチングする予備ステップを必要とする。
次に、図１０に示されているデバイスの代替実施形態を示す図１１を参照する。図１１では、発光手段における直列の電気接続が行われている。
このデバイスは２つの発光手段２および３を含んでおり、これらの発光手段の間には、電流がｐｎ接合を通って流れないためにコア９０が光学的に不活性となっているナノワイヤ９が配置されている。
第２の電気接触領域１６は、部分１６２によって発光手段２の上に周辺接点を形成し、部分１６１によって発光手段３の上に平面接点を形成している。
第２の領域１６は、これらの２つの部分１６１および１６２の間において、成長マスクと接触している部分１６０を含んでおり、この部分１６０は、ナノワイヤ９のコア９０と接触している部分１６３によって延びている。
図１１は、ナノワイヤ９の活性部分９２とシェル９３との上側の部分が取り除かれ、絶縁体３４が、発光手段３の周りだけでなく、ナノワイヤの、この上側の部分におけるコア９０の周りにも存在していることを示している。
一方、コア９０の上側面９００は、第２の電気接触領域の部分１６３と直接接触している。このようにして、発光手段２におけるｐ型の接点領域１６２と、発光手段３におけるｎ型の接点領域との間の電気接続が確立される。ナノワイヤ９のコア９０は、実際には基板１８によって発光手段３のコア３０に接続されている。このことによって、発光手段２および３の直列構成が確実なものとなる。
デバイスにおけるこの代替実施形態は、動作電圧を上げることと、動作電圧をセクタの電圧に近づけることとの利点を有する。このように、このデバイスは、より効率的となる。
特許請求の範囲に記載されている技術的な特徴の後に挿入されている参照符号は、これらの特徴の理解を容易にし得るためだけに意図されており、特許請求の範囲を限定することはない。
Claims (9)
- 基板（１１）の上に形成された、コア／シェル型構造を有するナノワイヤ（１、７）の形態である複数の発光手段を含む光電子デバイスであって、
前記ナノワイヤが活性領域（１２、７２）を含み、前記活性領域が、異なる発光波長に関連づけられているとともに前記活性領域のうちの少なくとも２つの異なる領域（１２０、１２１；７２０、７２１、７２２）の中に割り当てられた少なくとも２つの種類の量子井戸を含み、
前記ナノワイヤ（１、７）における前記活性領域（１２、７２）の第１の領域（１２０、７２０）が、前記ナノワイヤのコア（１０、７０）を少なくとも部分的に囲んでいるとともに半径方向の量子井戸を備える、略垂直な周辺部分であり、
前記活性領域の第２の領域（１２１、７２１）が、前記ナノワイヤにおける前記コアの端部に位置しているとともに軸方向の量子井戸を備える、略水平な上側部分であり、
前記デバイスが、前記基板上の第１の電気接触領域（１５）と、前記複数の発光手段の上の第２の電気接触領域（１６、５１；１７、８１）とをさらに含み、
前記複数の発光手段が少なくとも２つのグループに従って割り当てられ、電気接触が、互いに異なる電気接触パターンを用いて前記少なくとも２つのグループのそれぞれを覆うように、連続的な導電層によって、前記活性領域における少なくとも異なる領域において、前記少なくとも２つのグループのそれぞれに対して行われるように前記第２の電気接触領域が配置され、
また、多波長光の放出を得るように電源が制御される、光電子デバイス。 - 前記活性領域（７２）が、前記第１の領域と前記第２の領域との間に位置している第３の領域（７２２）を含む、請求項１に記載の光電子デバイス。
- 前記第２の電気接触領域が、前記ナノワイヤにおける前記活性領域のうちの前記第１の領域の少なくとも一部にわたって延びている、請求項１または２に記載の光電子デバイス。
- 電気的に並列に接続された複数の部分（４０〜４８）を含み、該複数の部分の内部において前記発光手段が並列に接続され、前記第２の電気接触領域における電気接触が、２つの隣接する部分に対して、前記活性領域と異なる領域においてもたらされている、請求項１から３のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
- 前記発光手段における前記活性領域が２つの異なる領域を含み、第２のグループの発光手段（３）が、前記基板と反対側の上側面（３３０）を除いて電気絶縁用材料（３４）によって囲まれ、前記第２の電気接触領域が、前記第２のグループの発光手段を完全に囲むとともに、第１のグループの発光手段（２）の周辺部の上に設けられて、前記活性領域における前記第１の領域に相当する高さｈにわたって前記発光手段（２）と直接接触し、それによって、これらの発光手段（２）の上側部分が露出している、請求項１から４のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
- 前記発光手段が、第３の領域を有する活性領域を含み、第３のグループの発光手段（７ｂ）が、前記高さｈにわたって電気絶縁用材料によって囲まれ、前記第２の電気接触領域が、ｈより大きい高さｈ１にわたって前記第３のグループの発光手段（７ｂ）の周辺部の上に設けられ、それによって、前記発光手段の上側部分が部分的に露出している、請求項５に記載の光電子デバイス。
- 前記発光手段の少なくとも一部に対して、前記活性領域の少なくとも２つの領域において電気接触がもたらされるように前記第２の電気接触領域が配置されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
- 前記発光手段が、少なくとも２つの電気的に独立したグループ（６０、６１）の中に割り当てられており、前記少なくとも２つのグループごとに、前記活性領域における異なる領域に電力供給されるように電源が制御される、請求項７に記載の光電子デバイス。
- 前記ナノワイヤにおける前記活性領域が、好ましくはＩｎＧａＮ／ＧａＮで形成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の光電子デバイス。
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