JP6184586B2 - 活性ゾーンを有する半導体積層体を円柱状構造上に備えた発光アセンブリ - Google Patents

活性ゾーンを有する半導体積層体を円柱状構造上に備えた発光アセンブリ Download PDF

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Description

本発明は、アセンブリと、アセンブリを製造する方法と、複数のアセンブリを備えたアレイとに関する。
特許文献１には、電磁放射を生成する活性ゾーンを有する半導体層構造によって覆われた円柱状構造を備えたアセンブリであって、活性ゾーンが発光再結合のためのバンドギャップを有する、アセンブリ、を製造する方法が開示されている。
独国特許第１０２０１００１２７１１号明細書
１つの目的は、特に、電磁放射の生成に関する良好な特性を有する改良されたアセンブリを提供することである。さらに、１つの目的は、アセンブリを製造するための改良された方法を提供することである。さらに、１つの目的は、アセンブリの改良されたアレイを提供することである。
本明細書に記載されているアセンブリは、特に、本明細書に記載されている方法によって製造することができる。さらに、本明細書に記載されているアレイは、特に、本明細書に記載されているアセンブリによって形成することができる。すなわち、本明細書に記載されているすべての特徴および特徴の組合せは、本アセンブリ、本方法、および本アレイにあてはまる。
説明されているアセンブリの１つの利点として、電磁放射が、高い確率で円柱状構造の上部自由端部領域において生成される。結果として、電磁放射の効率および放出が改良される。
このことは、発光再結合のための活性ゾーンのバンドギャップが円柱状構造の自由端部の方向に減少していくように、活性ゾーンを有する半導体層構造が形成されていることによって、達成される。したがって、バンドギャップは、円柱状構造の縦軸線または高さに沿って減少していく。一例として、少なくとも活性ゾーンの１つのセクションにおいて、アセンブリの縦軸線に沿ってバンドギャップが減少していくようにすることができる。バンドギャップは、均一に、不均一に、連続的に、不連続的に、多段階的に、またはこれらの任意の組合せにおいて、減少していくようにすることができる。さらに、活性ゾーンのバンドギャップが一定のままであるセクションを、縦軸線に沿って形成することも可能である。少なくともセクションにおいて縦軸線に沿ってバンドギャップが減少していく結果として、自由電荷キャリアが（円柱状）構造の自由端部の方向に移動する。したがって、構造の上部の自由端部の領域において電荷キャリアが再結合して発光する確率が高まる。
一実施形態においては、活性ゾーンの量子井戸層の厚さが、構造の自由端部の方向に増大していく。結果として、それ以外に関して同じである構造の場合、バンドギャップは、円柱状構造の自由端部の方向に減少していく。量子井戸層の厚さの変化は、量子井戸層を堆積させるときに方法パラメータを対応して設定することによって達成することができる。このように、本アセンブリは簡単に製造することが可能である。
さらなる実施形態においては、発光再結合のためのバンドギャップが円柱状構造の自由端部の方向に減少していくように、活性ゾーンの材料組成が円柱状構造の自由端部の方向に変化するように、活性ゾーンが形成されている。活性ゾーンの材料組成（特に、量子井戸層の材料組成）の変化は、活性ゾーンまたは量子井戸層を堆積させるときの例えばガス流量、ガス組成、個々の材料の温度や供給量など、単純なパラメータを利用して、達成することができる。
一実施形態においては、活性ゾーン（特に、量子井戸層）は、ＩｎＧａＮ層を備えている。この実施形態においては、例えば、インジウムの濃度を変化させることによって、バンドギャップの変化を設定することができる。選択する実施形態によっては、活性ゾーン（特に、活性ゾーンの量子井戸層）におけるインジウムの濃度を、自由端部の方向に例えば最大で３０％高めることができる。結果として、構造の自由端部の領域において自由電荷キャリアの高い濃度が達成される。
一実施形態においては、活性ゾーンは、構造の外側領域の大部分にわたり延在している。言い換えれば、活性ゾーンは、構造の上部のみに形成されているのではなく、例えば、構造の側面領域全体が、露出している限りは活性ゾーンを有する。一例として、円柱状構造の表面領域の少なくとも８５％が活性ゾーンによって覆われている。このようにすることで、特に大きな領域（すなわち構造の側面領域のほぼ全体）からの電荷キャリアを、構造の自由端部の方向に拡散させることが可能である。結果として、構造の自由端部における放射の生成の効率が高まる。
さらなる実施形態においては、円柱状構造は結晶構造を有する。この場合、構造の外側領域は、構造の自由端部の方向において第１の結晶面から少なくとも１つの第２の結晶面に遷移する。活性ゾーンは、バンドギャップが第１の結晶面から第２の結晶面において減少していくように、少なくとも２つの結晶面の上に形成する。このことも、構造の自由端部における自由電荷キャリアの高い濃度を支援する。
活性ゾーンのバンドギャップは、一例として、活性ゾーンの平面内で、構造の自由端部の方向に、連続的に、もしくは多段階的に、またはその両方において、減少していくようにすることができる。選択する実施形態によっては、構造の縦軸線に沿って、互いに対して傾斜している３つ以上の結晶面、およびしたがって、構造の縦軸線に沿って、互いに対して傾斜している活性ゾーンの３つ以上の平面を形成し、活性ゾーンのバンドギャップが、構造の自由端部の方向に活性ゾーンの平面内で、連続的に、もしくは段階的に、またはその両方において、減少していくようにすることが可能である。
さらなる実施形態においては、構造の自由端部に電気コンタクトが設けられており、この電気コンタクトを使用して、自由端部の領域において活性ゾーンに電気的にバイアスをかけることができる。電気的にバイアスをかけることによって、自由電荷キャリアを構造の自由端部の方向に引っ張る力が自由電荷キャリアにかかる。これによっても、構造の自由端部の領域において電荷キャリアの対が発光再結合する確率が高まる。
選択する実施形態によっては、活性ゾーンは、インジウム、アルミニウム、ガリウムのうちの少なくとも１種類を含むことができる。さらに、選択する実施形態によっては、活性ゾーンは、インジウムガリウム窒化物を含む層（特に、量子井戸層）を備えていることができる。インジウム、ガリウム、アルミニウム、および窒素は、特に、量子井戸層を備えた活性ゾーンを形成する目的に使用できる材料であり、いま挙げた材料、特に、これらの材料の三元構造（ternary structure）の特性は、極めて周知であり、したがって、活性ゾーンを有する所望の半導体層構造を高い信頼性で形成することができる。
活性ゾーン、および特に、活性ゾーンの少なくとも１層の量子井戸層は、化学元素の周期表の第ＩＩＩ族もしくは第Ｖ族またはその両方の別の材料または追加の材料と、別の族もしくは亜族またはその両方のドーパント（例えば、第ＩＶ族、第ＩＩａ族、第ＩＩｂ族、第ＶＩ族の元素）をさらに含むことができる。この場合、活性ゾーンに四元材料組成物を使用することも可能であり、四元材料組成物を使用することで、活性ゾーンを有する円柱状構造であって、発光再結合のための活性ゾーンのバンドギャップが円柱状構造の自由端部の方向に減少していく、円柱状構造、を作製することができる。
さらなる実施形態においては、活性ゾーンは、リン化インジウムガリウムを含む層を備えている。さらに、活性ゾーンは、アルミニウム、第Ｖ族元素としてのヒ素、第Ｖ族元素としてのアンチモンのうちの少なくとも１種類をさらに含むことができる。この材料の組合せも十分に研究されており、したがって、電磁放射を生成する量子井戸層を備えた活性ゾーンを形成する目的に高い信頼性で使用することができる。
選択する実施形態によっては、円柱状構造は、２つのセクションを有する。第１のセクションにおいては、基板を起点として、基板からの距離が増すにつれて直径が増大していく。隣接する第２のセクションにおいては、円柱状構造の直径は、自由端部の方向に次第に減少していく。このアセンブリを利用することで、より大きな表面領域およびしたがって活性ゾーンのより大きな領域が達成される。活性ゾーンの領域が大きい結果として、電荷キャリアの発光再結合の発生が増大する。
さらなる実施形態においては、円柱状構造は、円柱状構造の縦軸線を実質的に横切る方向に（特に、縦軸線に垂直に）配置されている平面が、構造の自由端部に形成されるように、具体化されている。この平面上には、活性ゾーンの対応する平面層も形成されており、この領域においては、電荷キャリアの発光再結合のためのバンドギャップが、円柱状構造の隣接する側面領域におけるよりも小さい。
説明したアセンブリは、複数のアセンブリを備えたアレイを製造するのに特に適しており、このアレイには、少なくとも第１の方向において少なくとも１つの第２の方向よりも高い密度のアセンブリが設けられる。このようにすることで、第１の方向において電磁放射の放出の増幅が達成される。結果として、ミラーを使用することなく、第１の方向において、より高い放射輝度を達成することが可能である。
さらなる実施形態においては、互いに平行に整列している少なくとも２列のアセンブリが設けられている。結果として、光の放射が一方向に増幅される単純な構造が提供される。
さらなる実施形態においては、本アレイは、少なくとも２つの、列の領域を備えており、各領域において、アセンブリの少なくとも２つの列が平行に配置されている。２つの領域は、互いに平行に配置されている。さらに、２つの領域は、アセンブリの列の整列方向に対して垂直な方向に互いに距離をおいて配置されており、この距離は、同じ領域の２つの隣り合うアセンブリの間の平均距離よりも大きい。このようにすることで、一方向に平行な電磁放射の形成を向上させる帯状領域が形成される。
選択する実施形態によっては、複数の異なる領域が、異なる周波数を有する電磁放射を生成するように、複数の異なる領域のアセンブリを具体化することができる。結果として、アレイを利用することで、複数の異なる色を生成することができる。一例として、本アセンブリは、電磁放射の放射源によって励起されて発光するアセンブリのアレイを形成するのに適している。
さらには、アセンブリのアレイを使用することで、電磁放射を検出する役割を果たすことのできるセンサを形成することができる。
以下では、例示的な実施形態について、図面を参照しながらさらに詳しく説明する。本発明の上述した特性、特徴、利点と、これらを達成する方法は、以下の説明から明らかとなり、さらに明確に理解されるであろう。
アセンブリの概略的な構造を示している。 アセンブリの縦方向に沿ったバンドギャップのプロファイルの図を示している。 電気的にバイアスがかけられたアセンブリの概略図を示している。 アセンブリの１つのアレイを示している。 アセンブリのさらなるアレイを示している。 アセンブリのさらなるアレイを示している。 アセンブリのさらなるアレイを示している。 アセンブリのさらなる実施形態を示している。 図８のアセンブリの縦軸線に沿ったバンドギャップのエネルギのプロファイルの図を示している。 図８のアセンブリの概略上面図を示している。 図１のアセンブリの第１のセクションにおける断面を示している。
図１は、アセンブリ１の概略的な断面を示している。アセンブリ１は、基板２の上に配置されている。基板２の上に、例えばシリコン酸化物またはＳｉＮからなるマスク層３が形成されている。マスク層３は、蒸着（ＣＶＤ）によって作製することができ、１００ｎｍの厚さを有する。基板２は、例えばサファイア、または、特にｎ型導電性のＧａＮからなるテンプレート層から形成されている。
マスク層３は開口部４を有し、この開口部を貫いて円柱状構造５が延在している。円柱状構造５は、ナノロッドを構成している。マスク層３に形成する開口部４は、例えばフォトリソグラフィ法を利用する、レーザを利用する、あるいはナノインプリント法によって開口部の位置をマークして例えばＲＩＥ法や湿式化学法などのエッチングステップを利用するなど、さまざまな方法を利用して形成することができる。開口部４は、例えば２００ｎｍの直径を有することができる。構造５は、基板２の面から離れる方向に延在しており、例えば基板２の面に実質的に垂直な向きに配置されている。円柱状構造５は、導電性材料から作製されている、または少なくとも表面上に導電層を有する。一例として、構造５は、導電性半導体材料、特に、ガリウム窒化物から形成されており、例えばシリコンによってｎ型にドープされている。この実施形態においては、円柱状構造５は、サファイアまたはテンプレート層の結晶構造に最大限に対応する結晶構造を有する。この目的のため、構造５は、例えば気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を利用して、基板２の上にエピタキシャルに成長させる。構造５は、例えば六方晶ウルツ鉱構造（hexagonal wurtzite structure）を有し、そのｃ軸が基板２の面から離れる方向に（例えば、基板２の面に実質的に垂直な方向に）向くようにされている。円柱状構造５の表面に、半導体層構造６が形成されている。半導体層構造６は、構造５の表面上の３次元クラッド層として具体化されている活性ゾーン７を有する。活性ゾーン７は、電磁放射を生成するため、例えば、複数の層、特に、１層または複数層の量子井戸層を有し、これらの層は、中間層の形における障壁層によって互いに隔てられている。この場合、個々の層は、構造５の表面に平行に積層状に配置されている。活性ゾーン７の上に、ｐ型にドープされた半導体層が形成されており、外側層８を形成している。構造５、半導体層構造６、および外側層８は、ｐｎ接合部を有するＬＥＤ構造を形成しており、このＬＥＤ構造は、構造５の表面に垂直に配置されており、電磁放射を生成するための３次元の活性ゾーン７を構成している。選択する実施形態によっては、構造５と半導体層構造６との間、もしくは、半導体層構造６と外側層８との間、またはその両方に、さらなる層を設けることも可能である。
活性ゾーン７は、例えば、インジウムおよびガリウムを含む、特に、インジウムガリウム窒化物またはリン化インジウムガリウムからなる層を備えている。外側層８は、例えばアルミニウムガリウム窒化物から形成されており、この場合、ｐ型にドープする目的で例えばマグネシウムが使用される。活性ゾーン（特に、活性ゾーンの少なくとも１層の量子井戸層）もしくは外側層８またはその両方は、化学元素の周期表の第ＩＩＩ族もしくは第Ｖ族またはその両方の別の材料もしくは追加の材料またはその両方と、別の族もしくは亜族またはその両方のドーパント（例えば、第ＩＶ族、第ＩＩａ族、第ＩＩｂ族、第ＶＩ族の元素）をさらに含むことができる。この場合、活性ゾーン７に三元材料組成物もしくは四元材料組成物またはその両方を使用することが可能であり、これらの組成物によって、活性ゾーンを有する円柱状構造を作製することができ、この場合、発光再結合のための活性ゾーンのバンドギャップが円柱状構造５の自由端部２５の方向に減少していく。
選択する実施形態によっては、構造５の側方外側領域９を、基板２の表面に実質的に垂直に配置することができる。さらに、図１に示した１つの選択された実施形態では、第１のセクション１０において、構造５の直径を、基板２からの距離が増すにつれて増大させることができる。この実施形態においては、第１のセクション１０における側方外側領域９は、基板２に垂直に配置されている。選択する実施形態によっては、外側領域９を、内側または外側に傾斜した状態に配置することもできる。第１のセクション１０における側方外側領域９は、ウルツ鉱結晶の垂直方向の非極性のｍ面またはａ面、または内側あるいは外側に傾斜した半極性面に従って配置されている。一例として、外側領域９を、内側または外側に傾斜した状態に配置することができ、基板２に垂直な軸線に対する角度を５゜未満とすることができる。
第２のセクション１１においては、外側領域９は、内側に傾斜した状態に配置されており、この第２のセクション１１において、構造５の直径は、基板２からの距離が増すにつれて減少する。第２のセクション１１においては、外側領域９は、内側に傾斜した状態に配置されているウルツ鉱結晶の半極性面に従って配置されている。構造５の自由端部２５の領域には平面１２が形成されており、この平面は、構造５の縦延在方向に実質的に垂直に形成されている。平面１２は、ウルツ鉱結晶の極性のｃ面（０００１）に従って配置されている。半導体層構造６は、構造５の外側領域９の平面に平行に配置されている。したがって、活性ゾーン７および対応する量子井戸層と、障壁層も、アセンブリの縦方向において、互いに対して傾斜した状態に配置されている複数の平面内に、構造５の外側領域９に平行に形成されている。
一例として、活性ゾーン７のバンドギャップは、構造５の自由端部２５の方向に、平面内で、連続的に、もしくは多段階的に、またはその両方において、減少していくようにすることができる。したがって、一例として、第１のセクション１０の平面内では、活性ゾーン７のバンドギャップは、構造５の自由端部２５の方向に、連続的に、もしくは段階的に、またはその両方において減少していく。同様に、第２のセクション１１の平面内では、活性ゾーン７のバンドギャップを、構造５の自由端部２５の方向に、連続的に、もしくは段階的に、またはその両方において、減少していくようにすることができる。選択する実施形態によっては、アセンブリの縦軸線に沿って、互いに対して傾斜している活性ゾーン７の３つ以上の平面を設けることもできる。平面１２の上に配置されている第３のセクション２３においては、活性ゾーン７は、例えば第２のセクション１１における活性ゾーン７のバンドギャップより小さいかまたは等しい一定のバンドギャップを有する。外側層８は、クラッド層の形において半導体層構造６を覆っている。構造５は、第１の端部によって基板２に結合されている。第１の端部の反対側には、基板２の反対を向いた状態に構造５の第２の自由端部２５が配置されている。
図２は、図１のアセンブリ１の縦延在方向に沿った、アセンブリ１の活性ゾーン７における電荷キャリアの発光再結合のためのバンドギャップのエネルギのプロファイルを、概略図において示している。この図から理解できるように、バンドギャップのエネルギは、第１のセクション１０においては、マスク層３を起点として、構造５の自由端部２５の方向に減少する、特に、連続的に減少する。第１のセクション１０から第２のセクション１１に遷移するとき、バンドギャップは、より小さいバンドギャップに（すなわちバンドギャップのより低いエネルギに）一気に減少する。同様に、第２のセクション１１から、平面１２の上の第３のセクション２３に遷移するとき、バンドギャップのエネルギがさらに低いレベルに一気に減少する。この図では、ｘ軸上に、マスク層３の領域におけるバンドギャップの初期エネルギＥ０と、第１のセクション１０から第２のセクション１１に遷移したときの第１のエネルギレベルＥ１と、第２のセクション１１における第２のエネルギレベルＥ２と、第３のセクション２３におけるバンドギャップの第３のエネルギレベルＥ３とを示してある。ｙ軸上には、第１のセクション１０と、第２のセクション１１と、平面１２の上の第３のセクション２３とを備えたアセンブリ１の縦延在高さｈを示してある。
選択する実施形態によっては、活性ゾーンのバンドギャップを、セクション１０，１１内で（すなわち活性ゾーンの平面内で）、段階的に、もしくは、段階的かつ連続的に、またはその両方において、減少していくようにすることができる。
バンドギャップのエネルギは、例えば、電磁放射を生成する活性ゾーンの少なくとも１層の量子井戸層の厚さがマスク層３からの距離が増すにつれて増大することによって、減少していくように設定される。複数の量子井戸層が設けられている場合、量子井戸層それぞれの厚さが、マスク層３からの距離が増すにつれて増大する。層の厚さが増大することに加えて、またはこれに代えて、バンドギャップのエネルギが構造５の上部自由端部２５の方向に減少していくようにする目的で、１層または複数層の量子井戸層におけるインジウム濃度を、マスク層からの距離が増すにつれて高くなるようにすることができる。
バンドギャップのエネルギが減少する結果として（すなわちバンドギャップの大きさが減少する結果として）、半導体層構造６内の自由電荷キャリアが平面１２の方向に引き寄せられ、平面１２の上の領域において高い確率で再結合して発光する。結果として、平面１２の上の領域において発光再結合する確率が高まる。
選択する実施形態によっては、基板２として、例えばシリコンやシリコンカーバイドなどの別の材料（適切な場合にはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、または類似するバッファ層で覆われている）を使用することも可能である。さらに、構造５を、別の材料を使用して形成することもできる。一例として、化学元素の周期表の第ＩＩＩ族または第Ｖ族のインジウム、ガリウム、アルミニウム、リン、窒素、またはその他の材料を使用して、構造５を形成する、および、半導体層構造６を形成することができる。
さらに、さらなる実施形態においては、構造５を、ｐ型にドープされた状態に具体化し、半導体層構造６の外側層８を、ｎ型にドープされた状態に具体化することもできる。さらに、例えば接着層、障壁層、あるいはミラー層を構成するさらなる層を設けることもできる。
一例として、量子井戸層の厚さを、第１のセクション１０に沿って５０％増大させることができる。さらに、さらなる実施形態においては、活性ゾーン７の量子井戸層の少なくとも１層におけるインジウムの濃度を、マスク層３を起点として、第１のセクション１０に沿って、第２のセクション１１に遷移するまで、最大で３０％、またはそれ以上高めることができる。活性ゾーン７の少なくとも１層の量子井戸層におけるインジウム濃度の増大と、少なくとも１層の量子井戸層の層厚の増大は、いずれも、特に、層の平面内で、連続的または段階的に生じるように実施することができる。活性ゾーンに複数の量子井戸層が存在する場合、量子井戸層それぞれにおいて、厚さの増大もしくはインジウム濃度の増大またはその両方を生じさせることができる。選択する実施形態によっては、構造５の外側領域９は、例えば、ウルツ鉱型結晶構造のｍ面を構成することができる。さらに、第２のセクション１１を、ウルツ鉱型結晶構造のｒ面または別の半極性面によって形成することができる。さらに、構造５の平面１２を、ウルツ鉱型結晶構造のｃ面によって形成することができる。
外側層８の上にはコンタクト層１３が形成されており、このコンタクト層は、活性ゾーン７によって生成される電磁放射に対して実質的に透過性であり、外側層８およびしたがってアセンブリ１のｐ側に電気的に接触するために使用されている。コンタクト層１３は、例えば、インジウムスズ酸化物などのＴＣＯ材料から構成することができる。さらに、マスク層３の上にミラー層１４を形成することができ、このミラー層は、活性ゾーン７によって生成された電磁放射を基板２から離れる上向きに反射する。アセンブリのｎ側には、例えば、構造５もしくは基板２またはその両方を介して電気的に接触する。ミラー層１４を導電性として具体化することができ、コンタクト層１３に電気的に接触するように設けることができる。選択する実施形態によっては、マスク層３とミラー層１４との間に、コンタクト層１３に電気的に接触するための導電性のさらなるコンタクト層２４を設けることができる。構造５には、基板を介して、または、基板の上に形成されているさらなる電気コンタクト層を介して、電気的に接触することができる。
図３は、アセンブリ１のさらなる実施形態を示しており、この実施形態は、図１の実施形態と実質的に同様に具体化されているが、平面１２の上の構造５の自由端部２５の領域において、半導体層構造６の上に直接的に絶縁層１６が形成されている。結果として、コンタクト層１３は半導体層構造６の上部を覆っておらず、第１のセクション１０および第２のセクション１１の領域における外側領域９のみを覆っている。絶縁層１６の上には、さらなる電気コンタクト１５が設けられており、さらなる電気コンタクトは、アセンブリに電気的にバイアスをかけるために使用される。さらなる電気コンタクト１５は、絶縁層１６によってコンタクト層１３から電気的に絶縁されており、絶縁層１６は、例えばシリコン酸化物から形成されている。このようにすることで、平面１２の方向に自由電荷キャリアが移動することを支援する目的で、構造５の自由端部２５（すなわち上部）にバイアス電圧を印加することができる。バイアス電圧の結果として、例えばガリウム窒化物を使用して活性ゾーンを形成する場合など、特に、正孔の量（hole mass）が比較的大きい場合に、利用可能な電荷キャリアの数を増加させることができ、したがって、しきい値電流密度およびしきい値電圧を下げることができる。さらなる電気コンタクト１５は、活性ゾーン７によって生成される電磁放射に対して透過性である材料からなることが好ましい。
構造５および半導体層構造６を作製する目的には、ＭＯＶＰＥ法のほか、ＶＰＥ法、ＭＢＥ法、スパッタリング法を使用することが可能である。一例として、半導体層構造６の量子井戸層を例えばＭＯＶＰＥ法において堆積させるとき、ＭＯＶＰＥ炉内の圧力を高めることが可能である。一般に、ＭＯＶＰＥ法においては、２次元の量子井戸層を堆積させる場合にＭＯＶＰＥ法において使用される慣習的な圧力の２０％〜１５０％の圧力を使用することが可能である。これにより、量子井戸層を堆積させるときに温度勾配が生じ、基板２の領域においては温度がいくらか高く、基板２からの距離が増すにつれて温度が下がる。結果として、基板２からの距離が増すにつれて、量子井戸層にインジウムが埋め込まれる確率が高まり、したがって、量子井戸層におけるインジウムの濃度は、基板２からの距離が増すほど高い。結果として、発光再結合のための量子井戸層のバンドギャップのエネルギが、基板２からの距離が増すにつれて減少する。
さらには、インジウムガリウム窒化物の量子井戸層をＭＯＶＰＥ法を使用して堆積させる場合、インジウムガリウム窒化物の２次元の量子井戸層を形成する場合に近い圧力および温度を使用する。この場合、金属酸化物前駆体としてＴＥガリウムまたはＴＭガリウムおよびＴＭインジウムを使用し、第Ｖ族の元素源としてＮＨ３を使用する。層のドーピングおよび円柱状構造５のドーピングは、２次元の半導体層構造を製造する場合と同様に実行される。一例として、半導体層構造６を堆積させるとき、５００℃〜９００℃の範囲内の温度を使用し、この場合、使用する温度は、量子井戸層における所望のインジウム濃度に応じて設定される。
さらには、堆積時における量子井戸層の厚さおよび量子井戸層におけるインジウム濃度は、半導体層構造６が上に堆積される構造５の外側領域９の向きに依存する。選択する実施形態によっては、活性ゾーンを堆積させるとき、第１のセクション１０において第２のセクション１１よりも少量のインジウムを、ＩｎＧａＮの量子井戸層に導入する。さらに、堆積させるとき、第２のセクション１１において平面１２の上の領域よりも少量のインジウムを、ＩｎＧａＮの量子井戸層に導入する。選択する実施形態によっては、第１のセクション１０と、第２のセクション１１と、第３のセクション２３とにおいて、量子井戸層の厚さを一定とすることができる。さらに、選択する実施形態によっては、第１のセクション１０において第２のセクション１１よりも量子井戸層の厚さを小さくすることができ、第３のセクション２３において第２のセクション１１よりも量子井戸層の厚さを小さくすることができる。この実施形態においては、第１のセクション１０と、第２のセクション１１と、第３のセクション２３とにおいて、インジウム濃度を一定とすることができる。さらに、さらなる実施形態においては、第３のセクション２３において第２のセクション１１よりもインジウム濃度を高くすることができ、第２のセクション１１において第１のセクション１０よりもインジウム濃度を高くすることができる。
さらに、たとえインジウム濃度が同じである場合でも、量子井戸層のバンドギャップのエネルギは、ウルツ鉱結晶の異なる面におけるピエゾ電界のため、大きさが異なる。バンドギャップのエネルギは、第２のセクション１１（ｒ面）におけるよりも平面１２（ｃ面）の上の第３のセクション２３において小さい。バンドギャップのエネルギは、第１のセクション１０（ｍ面）におけるよりも第２のセクション１１（ｌ面）において小さい。
図４は、複数のアセンブリ１のアレイを概略図において示している。これらのアセンブリ１は、例えば、図１または図２における実施形態に従って具体化されている。選択する実施形態によっては、図４におけるアセンブリ１の活性ゾーンのバンドギャップは、アセンブリの縦軸線に沿って一定とすることもできる。
このアレイは、例えば、電磁放射を生成するＬＥＤアレイとして使用する、または電磁放射を検出するセンサアレイとして使用する、または追加の放射源（特に、ポンプ源としてのレーザ）によって電磁放射が供給されるレーザアレイとして使用することができる。センサアレイとしての実施形態においては、アセンブリの半導体構造に、逆方向に電気的にバイアスがかけられる。電磁放射がアレイに入射すると、半導体構造の抵抗が変化し、各アセンブリまたはアレイの電気端子において信号を識別することができる。
図５は、アレイのさらなる実施形態を示しており、この実施形態においては、アセンブリ１が列１７として配置されており、各列１７は好ましい方向１８に沿って整列している。列１７の好ましい方向１８は、互いに平行に配置されている。アセンブリ１は、例えば、図１または図２における実施形態に従って具体化されている。選択する実施形態によっては、図５におけるアセンブリ１の活性ゾーンのバンドギャップは、アセンブリの縦軸線に沿って（特に、第１のセクション１０に沿って）一定とすることもできる。好ましい方向１８における列１７としてアセンブリ１を配置することによって、好ましい方向１８に平行な方向における電磁放射の増幅が支援される。このようにすることで、例えばミラー構造を省くことができる。列１７を利用することで、しきい値電流密度を下げることができると同時に、好ましい方向１８に放射輝度を高めることができる。
図６は、複数の領域１９を備えたさらなるアレイを示しており、このアレイでは、領域１９それぞれがアセンブリ１の２つの列１７を有する。領域１９の列１７それぞれは、好ましい方向１８に整列している。図示した実施形態によると、列１７の好ましい方向１８それぞれは、互いに平行に配置されている。選択する実施形態によっては、領域１９に３つ以上の列１７を配置することも可能である。さらに、選択する実施形態によっては、領域１９の好ましい方向１８を、互いに平行である以外の状態に整列させることができる。
定義されている好ましい方向１８においてアセンブリ１の密度が高い結果として、しきい値電流密度が下がり、好ましい方向１８に沿ったレーザ放射の増幅が高まる。アセンブリ１は、例えば、図１または図２における実施形態に従って具体化されている。選択する実施形態によっては、図６におけるアセンブリ１の活性ゾーンのバンドギャップは、アセンブリの縦軸線に沿って（特に、第１のセクション１０に沿って）一定とすることもできる。
図７は、３つの領域２０，２１，２２を備えたさらなるアレイを示している。アセンブリ１は、例えば、図１または図２における例に従って具体化されている。選択する実施形態によっては、図７におけるアセンブリ１の活性ゾーンのバンドギャップは、アセンブリの縦軸線に沿って（特に、第１のセクション１０に沿って）一定とすることもできる。
第１の領域２０には、生成される電磁放射が第１の波長範囲内であるアセンブリ１が配置されている。第２の領域２１には、生成される電磁放射が第２の波長範囲内であるアセンブリ１が配置されている。第３の領域２２には、生成される電磁放射が第３の波長範囲内であるアセンブリ１が配置されている。一例として、第１の波長範囲は、赤色を有する電磁放射を構成することができ、第２の波長範囲は、緑色を有する電磁放射を構成することができ、第３の電磁波長範囲は、青色を有する電磁放射を構成することができる。３つの領域２０，２１，２２は、単一チップ上に配置されていることが好ましい。例えば、第１の領域２０が緑色光を生成し、第２の領域２１が青色光を生成し、第３の領域２２が赤色光を生成する。アセンブリ１は、図５および図６に示したように、互いに平行に整列している好ましい方向１８における列１７として配置されていることが好ましい。
さらに、異なる領域２０，２１，２２のアセンブリ１は、構造、大きさ、さらには密度（すなわち隣り合うアセンブリ１の間の距離）の点において、異なっていることができる。図７に示したアレイを利用することで、複数の異なる色を放出する、アセンブリ１を含むアレイを備えたチップを提供することが可能である。
チップ上のアセンブリの密度が高い結果として、電磁放射の高い出力パワーが達成される。電磁放射の出力パワーは、アセンブリの密度もしくは数またはその両方によって設定されることができる。
ナノ構造を構成しているアセンブリを、費用効果の高い基板の大きな領域上に製造することができる。製造方法は、電磁放射を生成する活性ゾーンを有する２次元の半導体層構造の製造方法に似ている。新しい機能を提供する目的で、本アセンブリを、別のオプトエレクトロニクスデバイスもしくは評価回路（evaluation circuit）またはその両方と組み合わせることができる。一例として、本アセンブリのアレイを、放射源（例えばレーザやＬＥＤ）と組み合わせることができ、この場合、放射源が、本アセンブリによって生成される電磁放射の波長よりも短い波長を有する電磁放射によって、本アセンブリのアレイを励起して発光させる。
さらに、例えば赤色、黄色、青色、緑色などの異なる色を生成する、アセンブリの複数の領域を、単一チップ上に組み合わせることが可能である。一例として、本アセンブリを有するアレイを使用して、投光器（light projector）を実施することが可能である。さらに、本アレイを利用することで、ＶＣＳＥＬレーザを製造することが可能であり、この場合、基板の面と、この面に平行であり所定の距離だけ隔てられた面の両方に、ミラー層が形成される。ミラー層としては、一例として、交互に配置された屈折率の低い層と高い層とから構築されている平面状のブラッグ反射器を使用する。各層は、アセンブリの電磁放射の波長の１／４の光路長を有する。
さらに、本アセンブリを備えたアレイを、フラッシュメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）と組み合わせる、またはフラッシュメモリ内に組み込むことができる。情報やデータを伝送する目的で、本アセンブリを光ファイバに結合することができる。さらには、本アセンブリのアレイを、太陽電池と組み合わせることができる。特に、太陽電池によって本アセンブリのアレイに電流を供給することができる。
本アセンブリを形成するための材料、特に、活性ゾーンを形成するための材料としては、電荷キャリア対の発光再結合を伴う直接バンド遷移（direct band transition）を可能にし、かつバンドギャップが局所的に変化する活性ゾーンを形成することのできる、あらゆる半導体材料を使用することが可能である。
電磁放射を生成する活性ゾーンを形成するための材料としては、一例として、ホウ素窒化物、アンチモン化ガリウム、ガリウムヒ素、ガリウム窒化物、ガリウムヒ素リン、アンチモン化インジウム、ヒ化インジウム、インジウム窒化物、リン化インジウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、リン化インジウムガリウム、ヒ化アルミニウムインジウム、ガリウムヒ素リン、アンチモン化ガリウムヒ素、アルミニウムガリウム窒化物、インジウムガリウム窒化物、リン化アルミニウムガリウムインジウム、リン化ガリウムインジウムヒ素アンチモニド、セレン化カドミウム、亜鉛酸化物、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化亜鉛、テルル化カドミウム亜鉛、塩化銅、硫化銅、セレン化鉛、セレン化銅インジウムガリウム、硫化銅亜鉛スズ、セレン化銅インジウムを使用することが可能である。構造５、活性ゾーン７、外側層１３のうちの少なくとも１つを形成する場合、材料組成の一例として、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＢｖＮａＡｓｂＰｃＳｂｄ（ｖ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≦１、０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｖ，ｘ，ｙ，ｚ≦１）を使用することができる。例えば三元化合物もしくは四元化合物またはその両方を含む活性ゾーンの少なくとも１層の量子井戸層の厚さを対応して変化させる、もしくは、活性ゾーン（特に、活性ゾーンの少なくとも１層の量子井戸層）の材料の組成を変化させる、またはその両方によって、構造５の自由端部２５の方向における、発光再結合のための活性ゾーンにおけるバンドギャップの減少が達成される。
図８は、アセンブリのさらなる実施形態を示しており、このアセンブリは、図１におけるアセンブリに実質的に従って構築されている。しかしながら、図１におけるアセンブリとは異なり、第３のセクション２３における構造５の表面９が、構造５の縦軸線に垂直な平面として具体化されておらず、縦軸線に対して９０゜未満の角度で傾斜した状態に配置されている複数の領域が形成されている。したがって、第３のセクション２３においては、構造５の複数の半極性領域が形成されており、これらの領域上にも、活性ゾーン７を有する半導体層構造６が配置されている。
第３のセクション２３における構造５の外側領域９の半極性領域は、共通の上部点２６において隣接している。同様に、第３のセクション２３における半導体層構造６の領域は、上部点２６の上の点において隣接している。結果として、上部点２６の上の活性ゾーン７は、例えば円形に具体化された小さい領域を形成しており、この領域は例えば１０ｎｍ未満の直径を有することができる。結果として、上部点２６の上の活性ゾーン７は、量子ドットに収束することができる。
選択する実施形態によっては、第３のセクション２３における構造５の表面９は、１つにまとまって構造５の縦軸線に垂直に配置される平面を形成する複数の領域を形成することもできる。この実施形態においては、この平面の上の活性ゾーン７は、図１に示したように、より大きい平面領域を形成することができる。さらに、このアセンブリは、アセンブリの上部に電気的にバイアスをかける目的で、絶縁層１６およびさらなるコンタクト１５を備えていることができる。コンタクト１５および絶縁層１６を省くこともできる。
図９は、アセンブリ１の縦軸線に沿ったバンドエッジのプロファイルを概略図において示している。バンドギャップのエネルギは、マスク層３を起点として、第１のセクション１０に沿ってアセンブリ１の自由端部の方向に、第０のエネルギＥ０から第１のエネルギＥ１に減少する。第２のセクション１１への遷移部において、バンドギャップは第２のエネルギＥ２に減少する。第２のセクション１１に沿って、バンドギャップのエネルギは、第２のエネルギＥ２から第３のエネルギＥ３に減少する。第３のセクション２３への遷移部において、バンドギャップのエネルギは、第３のエネルギＥ３から第４のエネルギＥ４に減少する。第３のセクション２３に沿って、バンドギャップのエネルギは、アセンブリ１の自由端部の方向に、第４のエネルギＥ４から第５のエネルギＥ５に減少する。量子ドットへの遷移部においては、バンドギャップのエネルギは、第５のエネルギのまま一定とする、または第６のエネルギＥ６に減少させることができる。選択する実施形態によっては、バンドギャップは、アセンブリの自由端部の方向に、連続的に減少する、不連続的に減少する、段階的に減少する、のうちの少なくとも１つとすることができる。
図１０は、図８のアセンブリ１の概略上面図を示している。
示した図においては、半導体層構造６は、クラッド状に埋め込まれており、構造５の表面９の実質的に全体を覆っている。選択する実施形態によっては、構造５の表面９のうちの部分領域のみを半導体層構造６によって覆うことも可能であり、この場合、少なくとも１つの部分領域が構造の自由端部の領域内まで延在している。
図１１は、図１のアセンブリ１の第１のセクションにおける概略的な断面を示している。この図から理解できるように、構造５の周囲にクラッド状に延在しており、かつ活性ゾーン７を有する半導体層構造６は、構造５の外側領域９を覆っている。同様に、半導体層構造６の上にコンタクト層１３がクラッド状に具体化されている。図示した実施形態においては、構造５は六角形の基本領域を有する。選択する実施形態によっては、構造５は、別の基本領域を有することもできる。特に、基本領域は、より少ない頂点、またはより多くの頂点を有することができる。アセンブリ１は、第２のセクション１１において類似する断面を有し、第２のセクション１１においては、構造５の領域はより小さい。図８および図１０における実施形態に示したように第３のセクション２３が設けられる場合、この第３のセクション２３も類似する断面を有する。
ここまで、本発明について好ましい例示的な実施形態に基づいて具体的かつ詳細に図示および説明してきたが、本発明はこれらの開示した例に限定されない。当業者には、本発明の保護範囲から逸脱することなく、開示した実施形態から別の変形形態を導くことができるであろう。
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１３１０４２７３．２号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本明細書に組み込まれている。
１ アセンブリ
２ 基板
３ マスク層
４ 開口部
５ 構造
６ 半導体層構造
７ 活性ゾーン
８ 外側層
９ 外側領域
１０ 第１のセクション
１１ 第２のセクション
１２ 平面
１３ コンタクト層
１４ ミラー層
１５ さらなるコンタクト
１６ 絶縁層
１７ 列
１８ 好ましい方向
１９ 領域
２０ 第１の領域
２１ 第２の領域
２２ 第３の領域
２３ 第３のセクション
２４ さらなるコンタクト層
２５ 自由端部
２６ 上部点

Claims (19)

  1. 一方の端部によって基板（２）の上に配置されている円柱状構造（５）を備えたアセンブリ（１）であって、前記構造（５）が、電磁放射を生成する活性ゾーン（７）を有する半導体層構造（６）によって、少なくとも部分的に覆われており、前記活性ゾーン（７）が発光再結合のためのバンドギャップを有し、前記活性ゾーン（７）が、前記構造（５）の自由端部（２５）の方向に前記構造（５）の縦軸線に沿って前記バンドギャップが減少していくように具体化されており、したがって、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向における電荷キャリアの拡散と、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の領域における電荷キャリア対の発光再結合とが、支援され、
    前記構造（５）の自由端部領域において、前記活性ゾーン（７）の上に絶縁層（１６）が設けられており、電気的にバイアスをかけるための電気コンタクト（１５）が、前記絶縁層（１６）の上に設けられている、アセンブリ（１）。
  2. 前記活性ゾーン（７）が、前記円柱状構造（５）の外側領域の少なくとも８５％を覆っている、
    請求項１に記載のアセンブリ。
  3. 前記活性ゾーン（７）の少なくとも１層の量子井戸層の厚さが、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向に、少なくとも１つのセクションにおいて、増大していく、
    請求項１または請求項２のいずれかに記載のアセンブリ。
  4. 前記バンドギャップが前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向に減少していくように、量子井戸層の材料組成が、少なくとも１つのセクションにおいて、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向に変化する、
    請求項１から請求項３のいずれかに記載のアセンブリ。
  5. 前記バンドギャップが、少なくとも１つのセクション（１０，１１）において、前記自由端部（２５）の方向に連続的に減少していくように、前記活性ゾーン（７）が具体化されている、
    請求項１から請求項４のいずれかに記載のアセンブリ。
  6. 前記活性ゾーン（７）が、前記構造（５）の縦方向に、少なくとも２つの平面（１０，１１，２３）に配置されており、前記２つの平面が、互いに対して傾斜した状態に配置されており、少なくとも１つのセクションにおいて、前記自由端部（２５）の方向に、少なくとも１つの平面（１０，１１，２３）内で、前記バンドギャップが減少していくように、前記活性ゾーン（７）が具体化されている、
    請求項１から請求項５のいずれかに記載のアセンブリ。
  7. 前記バンドギャップが、少なくとも１つの平面（１０，１１，２３）内で、前記自由端部（２５）の方向に、連続的に、不連続的に、多段階的に、またはこれらの任意の組合せにおいて、減少していく、
    請求項１から請求項６のいずれかに記載のアセンブリ。
  8. 前記活性ゾーン（７）が、Ｉｎを含む、特に、ＩｎＧａＮ層を備えており、インジウムの濃度が、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向に増大していく、特に、前記自由端部（２５）の方向に、少なくとも１つの平面のセクション（１０，１１）において、連続的に、もしくは段階的に、またはその両方において、増大していく、
    請求項１から請求項７のいずれかに記載のアセンブリ。
  9. 前記円柱状構造（５）が結晶構造を有し、前記構造（５）の外側領域（９）において、前記構造（５）の前記自由端部（２５）方向に第１の結晶面（１０）から第２の結晶面（１１）に遷移しており、前記活性ゾーン（７）が、前記活性ゾーン（７）の前記バンドギャップが前記第１の結晶面（１０）から前記第２の結晶面（１１）において減少していくように、２つの平面において前記２つの結晶面の上に具体化されている、
    請求項１から請求項８のいずれかに記載のアセンブリ。
  10. 前記バンドギャップが前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向に減少していくように、前記活性ゾーン（７）の材料組成が、少なくとも１つのセクションにおいて、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向に変化する、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載のアセンブリ。
  11. 前記円柱状構造（５）が縦方向に沿って３つのセクション（１０，１１，２３）に分割されており、第１のセクション（１０）においては、前記構造の直径が前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向に実質的に一定であり、続く第２のセクション（１１）においては、前記構造（５）の直径が減少していき、前記第２のセクション（１１）に前記構造（５）の第３のセクション（２３）が隣接しており、特に、前記活性ゾーン（７）の端部領域が、前記第３のセクション（２３）において前記構造（５）の前記自由端部（２５）における平面（１２）の上に配置されており、前記平面（１２）が、前記構造（５）の前記縦軸線を実質的に横切る方向に、特に、前記縦軸線に垂直に、配置されており、特に、点状に具体化されている、
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載のアセンブリ。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載のアセンブリを製造する方法であって、基板上に、導電性材料からなる、特に、半導体材料からなる円柱状構造、を作製し、電荷キャリアの発光再結合のための活性ゾーンのバンドギャップが、前記構造の縦軸線に沿って前記構造の自由端部の方向に減少していくように、前記構造の少なくとも一部の上に、電磁放射を生成する前記活性ゾーンを有する半導体層構造を形成し、したがって、前記構造の前記自由端部の方向における電荷キャリアの拡散と、前記構造の前記自由端部の領域における電荷キャリア対の発光再結合とが、支援される、方法。
  13. 発光再結合のための少なくとも１層の量子井戸層の厚さが前記構造の前記自由端部の方向に増大していくように、前記活性ゾーンを堆積させる、
    請求項１２に記載の方法。
  14. 結果として生じるバンドギャップが減少していくように、前記活性ゾーンの材料組成が前記構造の縦延在方向に沿って前記構造の前記自由端部の方向に変化するように、前記活性ゾーンを堆積させる、
    請求項１２または請求項１３のいずれかに記載の方法。
  15. 基板（２）と、複数のアセンブリ（１）とを備えたアレイであって、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の各アセンブリが、一方の端部によって前記基板（２）の上に配置されている円柱状構造（５）を備え、前記構造（５）が、電磁放射を生成する活性ゾーン（７）を有する半導体層構造（６）によって、少なくとも部分的に覆われており、前記活性ゾーン（７）が発光再結合のためのバンドギャップを有し、前記活性ゾーン（７）が、前記構造（５）の自由端部（２５）の方向に前記構造（５）の縦軸線に沿って前記バンドギャップが減少していくように具体化されており、したがって、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の方向における電荷キャリアの拡散と、前記構造（５）の前記自由端部（２５）の領域における電荷キャリア対の発光再結合とが、支援され、少なくとも１つの方向において少なくとも１つの第２の方向よりも高い密度のアセンブリ（１）が設けられている、アレイ。
  16. アセンブリ（１）の少なくとも２つの列が設けられており、前記列が互いに平行に整列している、
    請求項１５に記載のアレイ。
  17. 少なくとも２つの、列の領域（１９）が設けられており、各領域（１９）において、アセンブリの少なくとも２つの列が平行に配置されており、前記２つの領域（１９）が互いに平行に配置されており、前記２つの領域（１９）が、前記アセンブリ（１）の整列方向に対して垂直な方向に互いに距離をおいて配置されており、前記距離が、領域内の２つのアセンブリ（１）の間の平均距離よりも大きい、
    請求項１５または請求項１６のいずれかに記載のアレイ。
  18. 前記異なる領域（１９）の前記アセンブリ（１）の前記活性ゾーン（７）が、平均して、異なるバンドギャップを有する、もしくは、前記領域（１９）の前記アセンブリ（１）が、互いに異なる距離に配置されている、またはその両方である、
    請求項１５から請求項１７のいずれかに記載のアレイ。
  19. 前記アレイは、レーザのアレイである、
    請求項１５から請求項１８のいずれかに記載のアレイ。
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