JP6296993B2 - 半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法と、当該マイクロワイヤあるいはナノワイヤを備える半導体構造、および半導体構造の製造法 - Google Patents

半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法と、当該マイクロワイヤあるいはナノワイヤを備える半導体構造、および半導体構造の製造法 Download PDF

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Description

本発明は、電磁放射線の検出と測定と放出の分野に関し、かつ電磁放射線の検出と測定と放出のために用いられる装置に関する。
ここ１０年間は、光電子工学と光電子工学に由来する装置の大きな発展によって特徴付けられている。このような装置は、電磁放射線の検出、測定あるいは放出に適した半導体構造を用いる。
これらの構造は、検出と測定の場合には電磁放射線受信のための、あるいは電磁放射線放出のための、高効率のポテンシャルがあるマイクロワイヤあるいはナノワイヤをベースにした半導体構造を含む。これらの効率はまた、このような構造の使用が光起電用途に想定され得るほど、充分に高いものでもある。
このような構造は、それらが電磁放射線の検出、測定あるいは放出にあるいは光起電用途に使われるかどうかに関係なく、より一般的には光電気構造と呼ばれてよい。
それゆえ、上記と本文書の残りの箇所において、光電気構造という用語は、電気信号を電磁放射線にあるいはその逆に変換するのに適したあらゆるタイプの半導体構造のことを指す。
本発明はより具体的には、少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法と、電磁放射線を放出するであろう半導体構造と、電磁放射線を受信しかつそれを電気信号に変換できる半導体構造と、光電気構造の製造法とに適用可能である。
マイクロワイヤあるいはナノワイヤを基礎とする半導体光電気構造は大抵、半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤと、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤの電気的結合を行う手段とが備わった半導体支持体を備える。前記各マイクロワイヤあるいはナノワイヤは、半導体接合点として、電気信号を電磁放射線にあるいはその逆に変換可能にできる、アクティブ区域を持つ。
このアクティブ区域は、電磁放射線を電気信号にあるいはその逆に変換可能にするために、電磁放射線の吸収かあるいは放出に適合されなくてはならない。これらの場合のどちらも、適合には特に、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの各アクティブ区域が、少なくとも部分的に１つあるいはいくつかの直接バンドギャップの半導体材料から作られることが必要である。
直接バンドギャップの半導体材料とは、前記半導体材料のエネルギー分散図において、価電子帯の最大エネルギーの波数ベクトル値ｋと伝導帯の最小エネルギーの波数ベクトル値ｋがほぼ同じである半導体材料を意味する。
光電気用途のために最もよく用いられる直接バンドギャップの半導体材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のような半導体窒化物である。マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法によって強いられた技術的限界により、このようなアクティブ区域のために、支持体と接触している各マイクロワイヤあるいはナノワイヤの部分もまた、直接バンドギャップの半導体窒化物から作られる。
それゆえ、アクティブ区域が少なくとも部分的に直接バンドギャップの半導体窒化物から作られている、マイクロワイヤあるいはナノワイヤを基礎とする光電気構造の製造法は、基板上でマイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成する方法を実行するためのステップを含み、当該ステップにおいては、基板と接触しているマイクロワイヤあるいはナノワイヤの部分は、半導体窒化物から作られている。
マイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するこのような方法は、大抵以下のステップ、すなわち、
‐第１面と第２面とを備える半導体基板を準備するステップと、
‐基板の第１面の上にいわゆるバッファ層を形成するステップであって、当該層は窒化アルミニウムから成るステップと、
‐バッファ層の上に半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するステップであって、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤのいわゆる接触部分は主に直接バンドギャップの半導体窒化物から成り、前記部分はバッファ層と接触しているマイクロワイヤあるいはナノワイヤの部分であるステップとを備える。
バッファ層の形成ステップは、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成に適したステップと組み合わさったいくつかのタイプの基板に補足的なものであるが、それにもかかわらず、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの結晶品質を保証するために一般的に用いられるステップである。
バッファ層は、基板結晶格子とマイクロワイヤあるいはナノワイヤの結晶格子との間の結晶格子整合を行うために用いられ得、それゆえヘテロエピタキシーに関連する制約を減らす。マイクロワイヤあるいはナノワイヤ成長ステップの間用いられるいくつかのタイプのエピタキシープロセスのために、基板の表面を、この表面と、基板の表面上で欠陥を引き起こしかねないガリウム（Ｇａ）などのマイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するいくつかの要素との間の起こり得る相互作用から保護することもできる。
結晶格子パラメータを適合させかつ基板を保護する機能を与える既知の１つの方法は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からバッファ層を形成することである。
このようなバッファ層は、基板を汚染するいかなるリスクもなしに高品質のマイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成を可能にしているが、それにもかかわらず、多くのデメリットがある。窒化アルミニウムは、非常に大きいバンドギャップの半導体であり、それゆえ伝導率が低く、それゆえ半絶縁性材料のように作用する。
それゆえこれが、このようなバッファ層が、基板とマイクロワイヤあるいはナノワイヤとの間の電気抵抗を小さくできない理由である。結果的に、このようなバッファ層を用いる光電気構造は大抵、使用電圧が比較的高い。
その上、窒化アルミニウムのバッファ層には、アルミニウム極性を有する核形成面がある。窒化ガリウムのマイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長には、理想的には、窒素極性を有する核形成面が必要である。実際、アルミニウム極性などの窒素とは別の極性があれば、ピラミッド型構造などの別のタイプの構造の形成を避けるために、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長状況は、厳密に決定されなくてはならない。それで窒化アルミニウムバッファ層の使用には、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成ステップが、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの代わりにピラミッド型の構造の成長を引き起こさないようなやり方で、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法のキャリブレーションの長くてコストのかかるプロセスが必要である。
本発明は、これらのデメリットを克服するために考案されている。
それゆえ、本発明の一目的は、基板上の少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法を開示することであり、この方法は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成ステップに用いられるエピタキシャル成長方法に関係なく、結晶品質が良好で、基板とナノワイヤとの間の電気抵抗が従来技術に従った方法を用いて得られたマイクロワイヤあるいはナノワイヤの抵抗よりも小さい、少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤをもたらすことができる。
本発明の別の目的は、窒素極性化された核形成面で実現されるマイクロワイヤあるいはナノワイヤであって、基板とマイクロワイヤあるいはナノワイヤとの間の電気抵抗が従来技術の方法で得られるマイクロワイヤあるいはナノワイヤに比べて減少しているマイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するステップを備える、少なくとも１つの半導体窒化物マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法を提供することである。これを達成するために、本発明は、光電気構造の形成に使われる少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法に関する。前記方法は、以下のステップ、すなわち、
‐第１面と第２面とを備える半導体基板を準備するステップと、
‐基板の第１面の上にバッファ層と呼ばれる結晶層を形成するステップであって、バッファ層は、厚さの少なくとも一部を覆って、第２面と接触している第１区域を持ち、第１区域は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成るステップと、
‐バッファ層の上に少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するステップであって、接触部分と呼ばれる、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤの少なくとも１つの部分は主に、直接バンドギャップの半導体窒化物から成り、前記部分はバッファ層と接触しているマイクロワイヤあるいはナノワイヤの部分であるステップとを備える。
「主に窒化マグネシウムから成る」とは、窒化マグネシウムの比率が９５％以上の組成のことであり、この比率は好ましくは９９％より高い。
「主にある材料から成る」というのも、組成が前記材料の比率９５％以上であるという意味であり、この比率は好ましくは９９％より高い。
主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成る区域があることと、その結晶品質ゆえに、そのようなバッファ層は、ケイ素あるいは炭化ケイ素の基板などの半導体基板と比べて結晶格子パラメータの整合性が良好な、主に半導体窒化物から成る少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長と、それゆえ結晶欠陥の濃度が低い少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長とを可能にする。その上、従来技術で用いられるバッファ層に比べて、そのような層のインターフェース抵抗は小さい。なぜなら、その禁制帯が、従来技術のバッファ層よりも小さいからである。それゆえそのような層は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの分極電圧が低い構造の製造を可能にし、各マイクロワイヤあるいはナノワイヤとバッファ層との間のインターフェース抵抗が小さくなる。
その上、マイクロワイヤあるいはナノワイヤが、多数キャリアが電子である第１の伝導タイプを持つとき、バッファ層における窒素の相対的比率は、バッファ層がマイクロワイヤあるいはナノワイヤと同じ伝導タイプを持つように、コントロールされ得る。
しかもそのようなバッファ層によって、窒素極性を持ちかつその結果特に半導体窒化物マイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長に適合された、マイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するための核形成面が提供され得る。
マイクロワイヤあるいはナノワイヤの接触部分は、窒化ガリウムから構成されていてよいであろう。
マイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤすなわちワイヤタイプの構造を製造するのに特に適した窒素極性を示す核形成面上で実現されるので、そのような方法は特に、窒化ガリウムマイクロワイヤあるいはナノワイヤを提供するのに適している。
実際、このような極性を示す核形成層によって、ピラミッド形状ではなくワイヤ形状のマイクロ構造あるいはナノ構造を獲得できるであろう。それゆえこのようなワイヤタイプの構造あるいはマイクロワイヤあるいはナノワイヤは、ｍ結晶面に沿った少なくとも１つの垂直部分を表わす。ｍ結晶面に沿ったこの垂直部分は、核形成層と接触しているワイヤの部分の高さに設置され得る。接触しているマイクロワイヤあるいはナノワイヤの部分は、バッファ層と接触している面で、窒素極性を示し得る。
バッファ層の形成ステップにおいて、バッファ層は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成ってよい。
それゆえ、バッファ層の形成ステップの後、基板の第１面の反対側のバッファ層の表面は、バッファ層の別の区域を形成する必要なしに、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長に適している。
バッファ層の形成ステップにおいて、バッファ層は、厚さを覆って、基板の第１面の反対側にあるバッファ区域の表面を備える少なくとも１つの第２区域を持ち、前記第２区域は主に窒化マグネシウム以外の、かつ好ましくはマイクロワイヤあるいはナノワイヤの接触部分とほぼ同じ組成の、直接バンドギャップの半導体窒化物から成る。
バッファ区域の表面を含むこのような第２区域は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの接触部分を形成する材料との良好な結晶格子適合性を、成長表面に提供することができ、それゆえマイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成ステップの間マイクロワイヤあるいはナノワイヤに結晶欠陥ができるリスクを制限する。第２区域も、多数キャリアの濃度がほとんど同一のマイクロワイヤあるいはナノワイヤと同種の伝導性を持ち、それゆえ前記区域とマイクロワイヤあるいはナノワイヤとの間のインターフェース抵抗を制限する。
バッファ層の形成ステップは、１ｎｍから１００ｎｍの厚さの層を形成するステップであってよく、厚さは好ましくは２ｎｍから１０ｎｍである。
バッファ層のこのような厚さは、半導体基板と比べて、良好な結晶格子適合性をもたらし得る。この厚さは、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）などの成長ステップを用いるマイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法のために、基板を汚染するリスクも制限する。
バッファ層の形成ステップにおいて、第１区域は、主にＭｇ３Ｎ２の窒化マグネシウム好ましくは単結晶から成ってよい。
マグネシウムと窒素とから作られるこのような組成は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長ために、結晶品質の高いバッファ層をもたらすことができる。その上、バッファ層のこの品質は、適したタイプと多数キャリアの濃度とを有するマイクロワイヤあるいはナノワイヤの供給を可能にする。同様に、単結晶バッファ層は、バッファ層の結晶面に直接関連した所与の方向に沿って、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長をもたらす。
バッファ層の形成ステップは、多数キャリアが電子である伝導性を有する層を形成するステップであってよく、半導体窒化物は少なくとも、バッファ層と同じ伝導タイプを有する接触部分を形成する。
少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成ステップの間、少なくとも接触部分を形成する半導体窒化物は、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、窒化インジウム（ＩｎＮ）と、ｘが０から１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮタイプの窒化インジウムガリウムと、ｘ+ｙが０から１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮタイプの窒化アルミニウムガリウムインジウムとを備えるグループから選択されてよい。
これらの半導体窒化物は、紫外線から遠赤外線の範囲内で電磁放射線の検出、測定あるいは放出に適したマイクロワイヤあるいはナノワイヤを結果的にもたらすことができる。
少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成ステップは、以下のサブステップ、すなわち、
‐バッファ層の上にいわゆるマスキング層を析出させるステップであって、マスキング層を形成する材料は、半導体窒化物の適合されたエピタキシャル析出の間、マスキング層の上に析出なしに、バッファ層の上で半導体窒化物の選択的成長を可能にするよう適合されているステップと、
‐バッファ層に至る少なくとも１つの開口部をマスキング層に形成するステップと、
‐選択的エピタキシャル析出によって、各開口部にマイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するステップとを備えてよい。
少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するこのようなステップは、基板と当該基板に形成された他の構造とに対して各マイクロワイヤあるいはナノワイヤの位置をコントロールする可能性を有して、選択的かつ完全にコントロールされる成長を可能にする。
本発明は、電磁放射線を放出するために考案された半導体構造にも関し、
‐第１面と第２面とを備える半導体基板と、
‐第１面と接触している結晶バッファ層と、
‐バッファ層と接触している少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤであって、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤの少なくとも１つのいわゆる接触部分は直接バンドギャップの半導体窒化物から作られ、前記接触部分は、バッファ層と接触しているマイクロワイヤあるいはナノワイヤの部分であり、マイクロワイヤあるいはナノワイヤは、極性化されると電磁放射線を放出するよう適合されたアクティブ区域も持つ、半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤと、
‐マイクロワイヤあるいはナノワイヤとそのアクティブ区域とを極性化するよう適合された、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの電気的結合を行う手段とを備え、
バッファ層は、厚さの少なくとも一部を覆って、基板の第２面と接触している第１区域を持ち、第１区域は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成る。
それゆえ、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ各々の結晶特性が良好なので、そのような構造は、従来技術の構造よりも低い作動電圧を持ちながら、良好な放出効率を持ち得る。なぜなら、各マイクロワイヤあるいはナノワイヤと基板との間の電気抵抗が小さいからである。
本発明は、電磁放射線を受信しかつそれを電気信号に変換できる半導体構造にも関し、前記構造は、
‐第１面と第２面とを備える半導体基板と、
‐第１面と接触している結晶バッファ層と、
‐バッファ層と接触している少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤであって、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤの接触部分と呼ばれる少なくとも１つの部分は、直接バンドギャップの半導体窒化物から作られ、前記接触部分は、バッファ層と接触しているマイクロワイヤあるいはナノワイヤの部分であり、マイクロワイヤあるいはナノワイヤは、電磁放射線を受信しかつそれを電気信号に変換するよう適合されたアクティブ区域も持つ、半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤと、
‐電気信号を読み出すために、マイクロワイヤあるいはナノワイヤの電気的結合を可能にするよう適合された、電気的結合手段とを備え、
バッファ層は、厚さの少なくとも一部を覆って、基板の第２面と接触している第１区域を持ち、第１区域は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成る。
それゆえ、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ各々の結晶特性が良好なので、そのような構造は、基板とマイクロワイヤあるいはナノワイヤ各々との間の電気抵抗ゆえに、従来技術に従った構造で起こり得るものより少ない損失で、電磁放射線を検出および／あるいは測定するための、良好なキャリア光生成効率を持っていてよい。
本発明は、本発明に従った光電気構造の製造法にも関し、前記製造法は以下のステップ、すなわち、
‐本発明に従ったマイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法に従って、少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤを形成するステップと、
‐マイクロワイヤあるいはナノワイヤのための電気的結合手段を形成するステップとを備える。
そのような方法は結果的に、効率の良い光電気構造をもたらし得る。なぜなら、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ各々は、良好な結晶品質と比較的低い使用電圧も持つからであり、基板とマイクロワイヤあるいはナノワイヤとの間のインターフェース抵抗は、主に窒化マグネシウムから成る第１区域の存在ゆえに、より小さい。
本発明は、添付の図に関連して以下の例示された実施形態を読んだ後によりよく理解されるであろう。当該実施形態は、インフォメーションのためにのみ与えられ、かつ決して限定されるものではない。図に示されるのは以下である。
本発明の第１実施形態に従った半導体構造である。 図１で示された半導体構造を製造する、様々なステップである。 図１で示された半導体構造を製造する、様々なステップである。 図１で示された半導体構造を製造する、様々なステップである。 図１で示された半導体構造を製造する、様々なステップである。 図１で示された半導体構造を製造する、様々なステップである。 図１で示された半導体構造を製造する、様々なステップである。 半導体構造の第２実施形態を製造する、様々なステップである。 半導体構造の第２実施形態を製造する、様々なステップである。 半導体構造の第２実施形態を製造する、様々なステップである。 半導体構造の第２実施形態を製造する、様々なステップである。 半導体構造の第２実施形態を製造する、様々なステップである。 半導体構造の第２実施形態を製造する、様々なステップである。 本発明の１つの可能性に従ったマイクロワイヤである。
様々な図の同一のあるいは類似のあるいは同等の部材は、異なる図の間での比較を容易にするために、同じ参照番号が印されている。
図中で示される異なる部材は、図をより読みやすくするために、必ずしも同じ縮尺で描かれているわけではない。
図１は、電磁放射線を放出するよう適合されている本発明の第１実施形態に従った半導体構造１０を、図式的に示している。
そのような半導体構造１０は、
‐第１分極性電極１７１と、
‐第１面１００ａと第２面１００ｂとを備える半導体基板１００であって、第２面は第１分極性電極１７１と接触している半導体基板１００と、
‐基板１００の第１面１００ａと接触している、いわゆるバッファ層１１０と、
‐バッファ層１１０と接触しているマスキング層１２０であって、マスキング層１２０は３つの開口部１２１を持つマスキング層１２０と、
‐開口部１２１の１つを通ってバッファ層１１０とそれぞれ接触している３つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０であって、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０各々は、バッファ層１１０と接触している接触部分と呼ばれる部分１５１と、接触部分１５１と接触しているアクティブ区域１５２と、アクティブ区域１５２と接触している極性部分と呼ばれる部分１５３とを備える半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０と、
‐極性部分１５３でマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０各々と接触している分極性電極１７２とを備える。
上記と本文書の残りの箇所において、半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤという用語は、３つの寸法を有する半導体構造のことであり、そのうち２つの寸法は、５ｎｍから２．５μｍの同じ桁であり、第３の寸法は、他の２つの寸法の最大のものよりも少なくとも１０倍大きい。
基板１００は、炭化ケイ素、サファイアあるいはゲルマニウムで作られたケイ素基板などの半導体基板である。基板１００は、ほぼ平面である。
基板１００は、第１の伝導タイプを持つ。基板１００は、基板１００とマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０との間の電気抵抗に関する電気損失を制限するために、高い濃度の多数キャリアを持つ。
それゆえ、基板１００は、その伝導タイプが大部分のキャリアが電子であるようなケイ素基板である、図１に示される実施形態に従えば、多数キャリアの濃度は、１０１９ｃｍ−３のオーダーとして選択され得る。
基板１００の第２面１００ｂは、第１金属電極１７１と接触している。
第１電極１７１は、基板１００の第２面１００ｂ上に延在する伝導層の形状をしている。第１電極１７１は、基板１００と第１電極１７１との間にオーム接点を生み出すように、基板１００の伝導タイプに適合された伝導性材料から成る。多数キャリアが電子であるケイ素から基板１００が作られる、図１に示される実施形態において、第１電極１７１を形成する材料は、たとえばニッケルシリサイドＮｉＳｉ、アルミニウムＡｌあるいはチタニウムＴｉであってよい。
基板１００の第１面１００ａは、バッファ層１１０と接触している。
バッファ層１１０は、基板１００の第１面１００ａ上に延在する半導体層である。バッファ層１１０は、主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成り、言い換えれば、少なくとも９５％の窒化マグネシウムから成る。バッファ層１１０は結晶層であり、好ましくは単結晶である。バッファ層１１０は、厚さが１ｎｍから１００ｎｍ、好ましくは１ｎｍから１０ｎｍである。
本発明の好ましい一実施形態に従えば、バッファ層１１０は、主にＭｇ３Ｎ２の窒化マグネシウムから成る。
バッファ層１１０は、バッファ層１１０と基板１００との間のインターフェース抵抗を制限するために、第１の伝導タイプを持つ。この第１実施形態において、第１の伝導タイプは、中の多数キャリアが電子であるタイプであり、かつバッファ層内の多数キャリアの濃度が少なくとも１×１０１８ｃｍ−３に等しくなるように、過剰な比率の窒素がある。
バッファ層は、基板１００とは反対側の面に、窒素（Ｎ）極性を持つ。
これによって、たとえば窒化ガリウムなどの半導体窒化物のマイクロワイヤあるいはナノワイヤの成長を得ることができる。ワイヤは、ｍ結晶面に沿った垂直部分を備える垂直構造である。それゆえ垂直部分は、バッファ層１１０と接触している部分であり得る。マスキング層１２０は、基板１００の反対側にある、バッファ層１１０の表面に延在する。マスキング層１２０は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０を作り上げる要素が、エピタキシャル析出の間、析出されない材料から作られる。マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０のためのマスキング層１２０を形成する材料は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、チタニウム（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）あるいは二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であってよい。マスキング層１２０の厚さは、１ｎｍから５０ｎｍであってよい。
マスキング層１２０は、貫通する３つの開口部１２１を備え、これらの開口部１２１各々は、バッファ層１１０の表面上に開口している。開口部１２１は、ほぼ円形の形状であり、直径は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の直径に応じて選択される。
開口部１２１各々は、１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０を含む。
マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０各々は、バッファ層１１０の表面に対してほぼ垂直の方向に伸びた半導体構造である。各マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０は、一般的に伸ばされた円柱形の形状である。マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０各々の直径は、これらを含む半導体構造１０の用途に応じて選択される。たとえば、図１に示される実施形態において、各マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の直径は、１００ｎｍから５μｍである。
各マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の高さは、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の直径の少なくとも１０倍よりも大きく、１μｍから５０μｍである。
各マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０は、バッファ層１１０の表面と接触している接触部分１５１を備える。
図１に見られ得るように、各接触部分１５１は、対応するマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の大部分に相当する。各接触部分１５１は主に、第１の伝導タイプを有する直接バンドギャップの半導体窒化物から成る。接触部分１５１が作られる半導体窒化物は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０を備える半導体構造１０の用途に応じて適合される。
それゆえ、図１で示される実施形態において、各接触部分１５１は窒化ガリウム（ＧａＮ）から作られ、多数キャリアの濃度は１×１０１８ｃｍ−３から５×１０１８ｃｍ−３の間である。ターゲット用途に応じて、接触部分１５１各々が作られる材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、窒化インジウム（ＩｎＮ）と、ｘが０から１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮタイプの窒化インジウムガリウムと、ｘ+ｙが０から１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮタイプの窒化アルミニウムガリウムインジウムとを備えるグループから選択されてよい。
各アクティブ区域１５２は、対応するマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の接触部分１５１と接触している。各アクティブ区域１５２は、対応する接触部分１５１の周辺部の一部上かつ端部において、接触部分１５１を覆う層であり、接触部分１５１の前記端部は、バッファ層１１０の反対側の端部である。対応する接触部分１５１の１つの端部と周辺部とに同時に接触している、アクティブ区域１５２のこのような構成は、シェルタイプと呼ばれる。
アクティブ区域１５２は、少なくとも部分的に、第１の伝導タイプとは反対の第２の伝導タイプを有する直接バンドギャップの半導体窒化物から作られる。
それゆえ、各アクティブ区域１５２は、対応する接触部分１５１との半導体接合点を形成する。アクティブ区域１５２は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ各々の放出効率を高めるために、多重量子井戸などの閉じ込め手段を備えてよい。
図１に示される実施形態において、アクティブ区域１５２は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮの窒化インジウムガリウムから作られる。この実施形態に従えば、多重量子井戸は、インジウムＩｎとガリウムＧａの２つの異なる相対組成をアクティブ区域１５２の厚さにわたって交互に置くことによって得られる。この実施形態において、各アクティブ区域１５２内の多数キャリアの濃度は、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３の間であり、厚さにわたって変えられてよい。
アクティブ区域１５２はそれ自体、当業者によく知られているので、本文書内でさらに詳細に記述されることはない。
各アクティブ区域１５２は、対応するマイクロワイヤあるいはナノワイヤの極性部分１５３と、外縁部の周りで接触している。
極性部分１５３は、対応するマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の接触を可能にし、構造１０が電磁放射線の放出に適合された構造である場合には、電子ブロック層としても作用する。
そのような電子ブロック層の機能は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０各々の放出効率を高めるために、アクティブ区域１５２において、電子・正孔再結合の場所を決めるのを可能にする。
極性部分１５３は好ましくは、主に直接バンドギャップの半導体窒化物から成る。極性部分１５３各々は、第２の伝導タイプを持つ。各極性部分１５３における多数キャリアの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３の間である。
図１に示される実施形態において、電子ブロック層としても作用する極性部分１５３は、アクティブ区域１５２と接触している、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）から作られる第１区域１５３ａを備える。
この実施形態に従えば、第２電極１７２とアクティブ区域との間の良好な電気的接触をもたらすために、各極性部分１５３は、極性部分１５３の第１区域１５３ａと接触している、窒化ガリウム（ＧａＮ）から作られる第２区域１５３ｂも備える。
各極性部分１５３は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０各々の極性化を可能にするために、その第２区域１５３ｂを通じて、第２電極１７２と接触している。
第２電極１７２は、極性部分１５３でマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０各々の極性化を可能にするよう適合されており、かつマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０によって放出されたあるいは受信された電磁放射線が貫通するのを可能にするようにも適合されている。
これら２つの機能は、図示されていないが、異なる２つのステージ、すなわちマイクロワイヤあるいはナノワイヤのすべての極性部分を接触させるための、少なくとも部分的に透明な薄い伝導層から形成される第１ステージと、伝導層の表面のわずかな部分のみを覆い、たとえばくしの形をした第２分配ステージとから形成される第２電極を使って得られてよい。第２分配ステージの厚さは、直列抵抗を減らすために、第１ステージを形成する伝導層の厚さよりも大きい。
この構成に従えば、第１ステージは、ニッケル金（Ｎｉ−Ａｕ）あるいはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の層から形成されてよい。この構成における第２ステージは、ニッケル金のくしから形成されてよい。
一緒に、第２電極と第１電極とは、各マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０とそのアクティブ区域１５２とを極性化するよう適合された、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０を結合する手段を形成する。
そのような半導体構造１０は、図２Ａから図２Ｆに示されるような製造法を用いて、得ることができる。
第１実施形態に従った、半導体構造１０の製造法は、以下のステップ、すなわち、
‐半導体基板１００を準備するステップと、
‐図２Ａから図２Ｆには示されていない第１電極１７１を、基板１００の第２面上に形成するステップと、
‐図２Ａに示されるように、バッファ層１１０を形成するステップであって、バッファ層１１０は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成り、前記層は結晶であるステップと、
‐マスキング層１２０を析出するステップと、
‐図２Ｂに示されるように、マスキング層１２０を貫通する開口部１２１を形成するステップであって、開口部１２１のこの形成は場合により、リソグラフィーサブステップとエッチングサブステップとの組み合わせによって得られるステップと、
‐図２Ｃから図２Ｅに示されるように、開口部１２１にマイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０を形成するステップと、
‐図２Ｆに示されるように、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の極性部分１５３各々と接触している第２電極１７２を形成するステップとを備える。
バッファ層１１０を形成するためのステップは、有機金属気相エピタキシー、分子線エピタキシー、ハイブリッド気相エピタキシーあるいは反応性陰極スパッタリングなどの析出法に従った、少なくとも１つのエピタキシャル析出サブステップを用いて行われる。
バッファ層１１０のための析出法は、バッファ層１１０に必要な化学量論に応じて選択される。それゆえ、Ｍｇ３Ｎ２タイプの化学量論のために、析出法は、有機金属気相エピタキシー、分子線エピタキシー、ハイブリッド気相エピタキシーなどの析出法の中から選択されてよい。ＭｇｘＮｙタイプの化学量論のために、析出法は、反応性陰極スパッタリングや反応性レーザーアブレーションなどの固体マグネシウムターゲットを用いる。
マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の形成ステップは、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ各々のための接触部分１５１とアクティブ区域１５２と極性部分１５３とを引き続いて形成するために、エピタキシー析出サブステップによって行われてよい。
これらのエピタキシー析出サブステップは、有機金属気相エピタキシー、分子線エピタキシー、ハイブリッド気相エピタキシーなどの析出法を利用してよい。これらのサブステップは当業者に知られているので、本文書内でさらに詳細に記述されることはない。
図３Ａから図３Ｆは、本発明の第２実施形態に従った、半導体構造１０を形成するための方法を示している。このような構造は、バッファ層１１０が主に半導体窒化物から成る第２区域１１２を備える点で、本発明の第１実施形態に従った構造とは異なっており、前記第２区域１１２は、基板１００の第１面１００ａの反対側にあるバッファ層１１０の表面を含む。
この第２実施形態に従ったバッファ層１１０は、基板１００の第１面１００ａと接触している第１区域１１１を備え、それからバッファ層１１０の表面を含む第２区域１１２を、その厚さを横切って備える。
バッファ層１１０の第１区域１１１は、第１実施形態に従ったバッファ層１１０と同じ特性を持つ。
バッファ層１１０の第２区域１１２は主に、第１の伝導タイプを有する半導体窒化物から成る。マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の形成ステップの間、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の成長を最適化するために、バッファ層１１０の第２区域は、好ましくは、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の接触部分１５１とほぼ同じ組成を持つ。バッファ層１１０の第２区域１１２の厚さは１ｎｍから１μｍであり、好ましくは１００ｎｍのオーダーである。
この第２実施形態に従った半導体構造１０の製造法は、図３Ａと図３Ｂとに示されるように、第１区域１１１と第２区域１１２とを連続して形成するために、バッファ層１１０の形成ステップが、バッファ層１１０の析出の間に析出される材料を変化させる点で、第１実施形態に従った半導体構造の製造法とは異なっている。図３Ｃから図３Ｆに示されるように、製造法の残りのステップは、第１実施形態に従った構造の製造法におけるステップと同一である。
図４は、マイクロワイヤあるいはナノワイヤのアクティブ区域１５２＊が、シェルタイプのアクティブ区域の代わりに、軸タイプのアクティブ区域１５２＊である、本発明の１つの可能性を説明している。このようなアクティブ区域１５２＊は、当該アクティブ区域１５２＊が、対応する接触部分の延在に沿って存在する点と、前記アクティブ区域１５２＊と対応する接触部分１５１との間の接触が、接触部分１５１の端部のみにおいてである点とで、上述の２つの実施形態に従ったアクティブ区域とは異なっている。
この可能性に従えば、各極性部分１５３＊も、対応する接触部分１５１とアクティブ区域１５２＊との延在に沿って存在し、各極性部分１５３＊と対応するアクティブ区域１５２＊との間の接触は、アクティブ区域１５２＊の端部でのみ行われる。
この可能性に従った半導体構造１０の製造法と、第１実施形態に従った半導体構造１０の製造法との唯一の違いは、軸タイプのアクティブ区域を含むマイクロワイヤあるいはナノワイヤの形成に適合された、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０の形成ステップにある。
上述の様々な実施形態あるいは可能性において、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０は、開口部１２１を有するマスキング層１２０を使っての選択的成長によって得られるマイクロワイヤあるいはナノワイヤである。しかしながら、本発明の範囲外に出ることなく、マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０は、触媒による局所的成長あるいは自己組織化成長によって形成されるかもしれない。
上述の様々な実施形態あるいは可能性は、電磁放射線を放出するよう適合された半導体構造１０に適用可能であるが、当業者は、このような半導体構造１０を、電磁放射線を受信しかつそれを電気信号に変換するよう容易に適合するかもしれない。このような適合は、各マイクロワイヤあるいはナノワイヤ１５０のアクティブ区域１５２を適合することによって、かつ適切な極性化を半導体構造に施すことによって行われる。半導体構造１０のこのような適合は、電磁放射線の測定あるいは検出を目的とした半導体構造１０か、あるいは光起電用途を目的とした半導体構造１０を形成するために、行われてよい。このような適合は、本発明の範囲外に出ることなく、行われてよい。
上述の異なる実施形態と可能性とにおける第１の伝導タイプの多数キャリアは電子であるが、第１の伝導タイプの多数キャリアが、本発明の範囲外に出ることなく、孔であることが可能であり、この場合第２の伝導タイプの多数キャリアは電子であろう。
１０ 半導体構造
１００ 半導体基板
１００ａ 第１面
１００ｂ 第２面
１１０ バッファ層
１１１ 第１区域
１１２ 第２区域
１２０ マスキング層
１２１ 開口部
１５０ 半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ
１５１ 接触部分
１５２ アクティブ区域
１５２＊ アクティブ区域
１５３ 極性部分
１５３ａ 第１区域
１５３ｂ 第２区域
１５３＊ 極性部分
１７１ 第１分極性電極
１７２ 第２分極性電極

Claims (11)

  1. 光電気構造（１０）の形成に使われる少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤの製造法であって、該製造法は、以下のステップ、すなわち、
    ‐第１面と第２面（１００ａ、１００ｂ）とを備える半導体基板（１００）を準備するステップと、
    ‐前記基板（１００）の前記第１面（１００ａ）の上にバッファ層と呼ばれる結晶層を形成するステップであって、前記バッファ層（１１０）は、厚さの少なくとも一部を覆って、前記第１面（１００ａ）と接触している第１区域（１１０、１１１）を持ち、該第１区域（１１０、１１１）は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成るステップと、
    ‐前記バッファ層（１１０）の上に少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）を形成するステップであって、接触部分と呼ばれる、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の少なくとも１つの部分（１５１）は主に直接バンドギャップの半導体窒化物から成り、前記部分（１５１）は前記バッファ層（１１０）と接触している前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の部分であるステップとを備え、
    前記バッファ層（１１０）の形成ステップは、２ｎｍから１０ｎｍの厚さの層を形成するステップである、製造法。
  2. 前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤの前記接触部分は、窒化ガリウムから構成されている、請求項１に記載の製造法。
  3. 前記バッファ層の形成ステップにおいて形成される該バッファ層（１１０）は主に、ＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成る、請求項１あるいは２に記載の製造法。
  4. 前記バッファ層（１１０）の形成ステップにおいて、該バッファ層（１１０）は、厚さを覆って、前記基板（１００）の前記第１面（１００ａ）の反対側にある前記バッファ区域（１１０）の表面を備える少なくとも１つの第２区域（１１２）を持ち、前記第２区域（１１２）は主に、窒化マグネシウム以外の、かつ好ましくは前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の前記接触部分（１５１）とほぼ同じ組成の、直接バンドギャップの半導体窒化物から成る、請求項１あるいは２に記載の製造法。
  5. 前記バッファ層（１１０）の形成ステップにおいて、前記第１区域は、主にＭｇ３Ｎ２の窒化マグネシウム好ましくは単結晶から成る、請求項１から４のいずれか１項に記載の製造法。
  6. 前記バッファ層（１１０）の形成ステップは、多数キャリアが電子である伝導性を有する層を形成するステップであり、半導体窒化物は少なくとも、前記バッファ層（１１０）と同じ伝導タイプを有する前記接触部分（１５１）を形成する、請求項１から５のいずれか１項に記載の製造法。
  7. 少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の形成ステップの間、少なくとも前記接触部分（１５１）を形成する直接バンドギャップの半導体窒化物は、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、窒化インジウム（ＩｎＮ）と、ｘが０から１であるＩｎｘＧａ１−ｘＮタイプの窒化インジウムガリウムと、ｘ＋ｙが０から１であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮタイプの窒化アルミニウムガリウムインジウムとを備えるグループから選択される、請求項１から６のいずれか１項に記載の製造法。
  8. 少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の形成ステップは、以下のサブステップ、すなわち、
    ‐前記バッファ層（１１０）の上にいわゆるマスキング層（１２０）を析出させるステップであって、該マスキング層（１２０）を形成する材料は、半導体窒化物の適合されたエピタキシャル析出の間、前記マスキング層（１２０）の上に析出なしに、前記バッファ層（１１０）の上で半導体窒化物の選択的成長を可能にするよう適合されているステップと、
    ‐前記バッファ層（１１０）に至る少なくとも１つの開口部（１２１）を前記マスキング層（１２０）に形成するステップと、
    ‐選択的エピタキシャル析出によって、各開口部（１２１）にマイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）を形成するステップとを備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の製造法。
  9. 電磁放射線を放出するために考案された半導体構造（１０）であって、
    ‐第１面と第２面（１００ａ、１００ｂ）とを備える半導体基板（１００）と、
    ‐前記第１面（１００ａ）と接触している結晶バッファ層（１１０）と、
    ‐該バッファ層（１１０）と接触している少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）であって、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の少なくとも１つのいわゆる接触部分（１５１）は主に直接バンドギャップの半導体窒化物から成り、前記接触部分（１５１）は、前記バッファ層（１１０）と接触している前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の部分であり、該マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）は、極性化されると電磁放射線を放出するよう適合されたアクティブ区域（１５２）も持つ、半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）と、
    ‐前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）とそのアクティブ区域（１５２）とを極性化するよう適合された、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の電気的結合を行う手段とを備え、
    前記バッファ層（１１０）は、厚さの少なくとも一部を覆って、前記基板の前記第１面（１００ａ）と接触している第１区域（１１０、１１１）を持ち、該第１区域（１１０、１１１）は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成り、前記バッファ層（１１０）の厚さは２ｎｍから１０ｎｍである、半導体構造（１０）。
  10. 電磁放射線を受信しかつそれを電気信号に変換できる半導体構造（１０）であって、前記構造（１０）は、
    ‐第１面と第２面（１００ａ、１００ｂ）とを備える半導体基板（１００）と、
    ‐前記第１面（１００ａ）と接触している結晶バッファ層（１１０）と、
    ‐該バッファ層（１１０）と接触している少なくとも１つの半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）であって、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤの接触部分（１５１）と呼ばれる少なくとも１つの部分は主に直接バンドギャップの半導体窒化物から成り、前記接触部分（１５１）は、前記バッファ層（１１０）と接触している前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の部分であり、該マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）は、電磁放射線を受信しかつそれを電気信号に変換するよう適合されたアクティブ区域（１５２）も持つ、半導体マイクロワイヤあるいはナノワイヤと、
    ‐電気信号を読み出すために、前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の電気的結合を可能にするよう適合された、電気的結合手段とを備え、
    前記バッファ層（１１０）は、厚さの少なくとも一部を覆って、前記基板（１００）の前記第１面（１００ａ）と接触している第１区域を持ち、該第１区域（１１０、１１１）は主にＭｇｘＮｙの窒化マグネシウムから成り、前記バッファ層（１１０）の厚さは２ｎｍから１０ｎｍである、半導体構造（１０）。
  11. 光電気構造（１０）の製造法であって、該構造は請求項９あるいは１０に記載の構造であり、前記製造法は以下のステップ、すなわち、
    ‐請求項１に記載のマイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）の製造法に従って、少なくとも１つのマイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）を形成するステップと、
    ‐前記マイクロワイヤあるいはナノワイヤ（１５０）のための電気的結合手段を形成するステップとを備える、製造法。
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