JPWO2021009325A5 - - Google Patents

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Claims (29)

構造体を含む光電子デバイスであって、
前記構造体は、
サファイア、Ｓｉ、Ｇａ 2 Ｏ 3 、またはＩＩＩ－Ｖ族半導体の基板上に直接担持された厚みが最大２０ｎｍのグラフェン層を備え、
前記グラフェン層を貫通する複数の孔が存在し、
複数のナノワイヤまたはナノピラミッドが前記孔内で前記基板から成長し、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが少なくとも１つの半導電性ＩＩＩ－Ｖ族化合物を含み、
前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが、前記グラフェン内の前記孔を通って前記基板とエピタキシャル関係にあり、
前記グラフェン層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの少なくとも一部と電気的に接触しており、
前記グラフェン層が、透明電極であり、
前記光電子デバイスが、太陽電池、光検出器、ＬＥＤまたはレーザである
光電子デバイス。 An optoelectronic device comprising a structure,
The structure is
comprising a graphene layer up to 20 nm thick deposited directly on a substrate of sapphire, Si, Ga 2 O 3 or a III-V semiconductor;
There are a plurality of holes penetrating the graphene layer,
a plurality of nanowires or nanopyramids growing from said substrate within said pores, said nanowires or nanopyramids comprising at least one semiconducting group III-V compound;
the nanowires or nanopyramids are in epitaxial relationship with the substrate through the holes in the graphene;
the graphene layer is in electrical contact with at least a portion of the nanowires or nanopyramids;
The graphene layer is a transparent electrode,
the optoelectronic device is a solar cell, photodetector, LED or laser
optoelectronic device . 構造体を含む光電子デバイスであって、
前記構造体は、
サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇａ2Ｏ3、またはＩＩＩ－Ｖ族半導体の基板と、
前記基板の上面に直接配置されたＩＩＩ－Ｖ族半導体中間層と、
前記中間層の上面に直接設けられた厚みが最大２０ｎｍのグラフェン層と、を備え、
前記グラフェン層を貫通する複数の孔が存在し、
複数のナノワイヤまたはナノピラミッドが前記孔内で前記中間層から成長し、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが少なくとも１つの半導電性ＩＩＩ－Ｖ族化合物を含み、
前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが、前記グラフェン内の前記孔を通って前記中間層とエピタキシャル関係にあり、
前記グラフェン層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの少なくとも一部と電気的に接触しており、
前記グラフェン層が、透明電極であり、
前記光電子デバイスが、太陽電池、光検出器、ＬＥＤまたはレーザである
光電子デバイス。 An optoelectronic device comprising a structure,
The structure is
a substrate of sapphire, Si, SiC , Ga2O3 , or a III-V semiconductor;
a III-V semiconductor intermediate layer disposed directly on the top surface of the substrate;
a graphene layer with a maximum thickness of 20 nm provided directly on the upper surface of the intermediate layer;
There are a plurality of holes penetrating the graphene layer,
a plurality of nanowires or nanopyramids growing from said intermediate layer within said pores, said nanowires or nanopyramids comprising at least one semiconducting group III-V compound;
the nanowires or nanopyramids are in epitaxial relationship with the intermediate layer through the holes in the graphene;
the graphene layer is in electrical contact with at least a portion of the nanowires or nanopyramids;
The graphene layer is a transparent electrode,
the optoelectronic device is a solar cell, photodetector, LED or laser
optoelectronic device . 前記グラフェン層上に直接存在するＩＩＩ－Ｖ族ナノアイランドをさらに含む、請求項１または２に記載の光電子デバイス。 3. The optoelectronic device of claim 1 or 2 , further comprising III-V nano-islands directly on the graphene layer. 前記ナノアイランドのエピタキシー、結晶方位、およびファセット方位が、前記中間層がある場合は前記中間層に一致し、中間層がない場合には前記基板に一致する、請求項３に記載の光電子デバイス。 4. The optoelectronic device of claim 3, wherein the epitaxy, crystallographic orientation, and facet orientation of the nano-islands match the intermediate layer if the intermediate layer is present, and match the substrate if the intermediate layer is absent. 前記中間層が、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、またはＡｌＮである、請求項２～４のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any one of claims 2 to 4 , wherein the intermediate layer is GaN, AlGaN, AlInGaN or AlN. 前記中間層の厚さが２００ｎｍ未満である、請求項２～５のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any one of claims 2 to 5 , wherein the thickness of said intermediate layer is less than 200 nm . 前記構造体が、前記グラフェン層の上面に直接設けられた追加のマスキング層を含まない、請求項１～６のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any preceding claim, wherein the structure does not comprise an additional masking layer applied directly on top of the graphene layer. 前記グラフェン層の上面に直接設けられた酸化物、窒化物、またはフッ化物のマスキング層を更に備え、
前記グラフェン層および前記マスキング層を貫通して前記基板に達する複数の孔が存在し、
複数のナノワイヤまたはナノピラミッドが前記孔内で前記基板上に存在する、請求項１に記載の光電子デバイス。 further comprising an oxide, nitride, or fluoride masking layer directly on top of the graphene layer;
a plurality of holes extending through the graphene layer and the masking layer to the substrate;
2. The optoelectronic device of claim 1 , wherein a plurality of nanowires or nanopyramids are present on the substrate within the pores. 前記グラフェン層の厚さが、最大１０ｎｍである請求項１～８のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any one of the preceding claims, wherein the graphene layer has a thickness of at most 10 nm. 前記マスキング層が、金属酸化物、金属窒化物、または金属フッ化物を含む、請求項８に記載の光電子デバイス。 9. The optoelectronic device of Claim 8 , wherein the masking layer comprises a metal oxide, metal nitride, or metal fluoride. 前記マスキング層が、Ａｌ2Ｏ3、Ｗ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2、ＭｏＯ2、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ 3 Ｎ 4 、ＭｇＦ2、またはＣａＦ2を含む、請求項８または１０に記載の光電子デバイス。 11. Claim 8 or 10 , wherein the masking layer comprises Al2O3 , W2O3 , HfO2 , TiO2 , MoO2 , SiO2 , AlN, BN, Si3N4 , MgF2 , or CaF2 . An optoelectronic device as described in . 前記基板がサファイアを含む、請求項１～１１のいずれかに記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device as claimed in any preceding claim , wherein the substrate comprises sapphire . 前記サファイアが、サファイア（０００１）である、請求項１２に記載の光電子デバイス。13. The optoelectronic device of claim 12, wherein the sapphire is sapphire (0001). 前記ナノワイヤまたはナノピラミッドがドープされている、請求項１～１３のいずれかに記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any preceding claim , wherein the nanowires or nanopyramids are doped. 前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが軸方向にヘテロ構造化されている、請求項１～１４のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any one of the preceding claims , wherein the nanowires or nanopyramids are axially heterostructured. 前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが、コア－シェル構造であるか、または放射状にヘテロ構造化されている、請求項１～１５のいずれかに記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any preceding claim , wherein the nanowires or nanopyramids are core-shell structured or radially heterostructured. グラファイトトップコンタクト層、または従来の金属コンタクトもしくは金属スタックコンタクト層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの上面に存在する、請求項１～１６のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any one of the preceding claims , wherein a graphite top contact layer or a conventional metal contact or metal stack contact layer is present on top of said nanowires or nanopyramids. 前記グラフェン層の孔を前記マスキング層の孔よりも小さくし、ナノワイヤまたはナノピラミッド成長時に前記グラフェン層の一部が露出するようにする、請求項８、１０または１１に記載の光電子デバイス。 12. An optoelectronic device as claimed in claim 8, 10 or 11 , wherein the pores of the graphene layer are smaller than the pores of the masking layer such that a portion of the graphene layer is exposed during nanowire or nanopyramid growth. 前記グラフェン層が、電極である請求項１～１８のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any preceding claim, wherein the graphene layer is an electrode. 前記デバイスが、フリップチップＬＥＤである請求項１～１９のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any one of the preceding claims, wherein said device is a flip-chip LED. 前記デバイスが、ＵＶフリップチップＬＥＤである請求項１～２０のいずれか一項に記載の光電子デバイス。 An optoelectronic device according to any one of the preceding claims, wherein said device is a UV flip-chip LED. 請求項１に記載の光電子デバイスの製造方法であって、
前記方法が、
（Ｉ）厚みが最大２０ｎｍのグラフェン層が、サファイア、Ｓｉ、Ｇａ 2 Ｏ 3 、またはＩＩＩ－Ｖ族半導体の基板上に直接担持されている構造体を得ることと、
（ＩＩ）前記グラフェン層を貫通する複数の孔をエッチングすることと、
（ＩＩＩ）少なくとも１つの半導電性ＩＩＩ－Ｖ族化合物を含む複数のナノワイヤまたはナノピラミッドを、前記孔内で前記基板からエピタキシャル成長させることと、
を含み、
前記グラフェン層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの少なくとも一部と電気的に接触している、
方法。 A method of manufacturing an optoelectronic device according to claim 1, comprising:
said method comprising:
(I) obtaining a structure in which a graphene layer with a thickness of up to 20 nm is supported directly on a substrate of sapphire , Si, Ga 2 O 3 or III-V semiconductor;
(II) etching a plurality of holes through the graphene layer;
(III) epitaxially growing a plurality of nanowires or nanopyramids comprising at least one semiconducting III-V compound from said substrate within said holes;
including
the graphene layer is in electrical contact with at least a portion of the nanowires or nanopyramids;
Method. 請求項２に記載の光電子デバイスの製造方法であって、 A method of manufacturing an optoelectronic device according to claim 2, comprising:
前記方法が、said method comprising:
（Ｉ）厚みが最大２０ｎｍのグラフェン層がＩＩＩ－Ｖ族中間層上に直接担持され、前記中間層がサファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇａ (I) A graphene layer with a thickness of up to 20 nm is directly supported on a III-V intermediate layer, said intermediate layer being sapphire, Si, SiC, Ga 22 ＯO. 33 、またはＩＩＩ－Ｖ族半導体の基板上に直接担持されている構造体を得ることと、, or obtaining a structure supported directly on a substrate of a III-V semiconductor;
（ＩＩ）前記グラフェン層を貫通する複数の孔をエッチングすることと、 (II) etching a plurality of holes through the graphene layer;
（ＩＩＩ）少なくとも１つの半導電性ＩＩＩ－Ｖ族化合物を含む複数のナノワイヤまたはナノピラミッドを、前記孔内で前記中間層からエピタキシャル成長させることと、 (III) epitaxially growing a plurality of nanowires or nanopyramids comprising at least one semiconducting III-V compound from said intermediate layer within said pores;
を含み、including
前記グラフェン層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの少なくとも一部と電気的に接触しており、 the graphene layer is in electrical contact with at least a portion of the nanowires or nanopyramids;
前記グラフェン層が、透明電極である the graphene layer is a transparent electrode
方法。Method. 請求項８、１０、１１、または１８に記載の光電子デバイスの製造方法であって、
前記方法が、
（Ｉ）サファイア、Ｓｉ、Ｇａ 2 Ｏ 3 、またはＩＩＩ－Ｖ族半導体の基板上に担持される厚みが最大２０ｎｍのグラフェン層を設けることと、
（ＩＩ）酸化物、窒化物、またはフッ化物のマスキング層を前記グラフェン層上に堆積させることと、
（ＩＩＩ）前記マスキング層および前記グラフェン層に、これらを貫通して前記基板に達する複数の孔を導入することと、
（ＩＶ）複数の半導電性ＩＩＩ－Ｖ族ナノワイヤまたはナノピラミッドを前記孔内においてエピタキシャル成長させることと、
を含み、
前記グラフェン層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの少なくとも一部と電気的に接触しており、
前記グラフェン層が、透明電極である、方法。 A method of manufacturing an optoelectronic device according to claim 8, 10, 11 or 18, comprising:
said method comprising:
(I) providing a graphene layer up to 20 nm thick supported on a substrate of sapphire, Si, Ga 2 O 3 or III-V semiconductor;
(II) depositing an oxide, nitride, or fluoride masking layer over the graphene layer;
(III) introducing a plurality of holes through the masking layer and the graphene layer to reach the substrate;
(IV) epitaxially growing a plurality of semiconducting III-V nanowires or nanopyramids within said holes;
including
the graphene layer is in electrical contact with at least a portion of the nanowires or nanopyramids;
The method , wherein the graphene layer is a transparent electrode . 前記ナノワイヤまたはナノピラミッドを、触媒の存在下で成長させる、請求項２２～２４のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 22-24 , wherein the nanowires or nanopyramids are grown in the presence of a catalyst. 前記ナノワイヤまたはナノピラミッドを、触媒の不在下で成長させる、請求項２２～２４のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 22-24, wherein the nanowires or nanopyramids are grown in the absence of a catalyst. 構造体を含む光電子デバイスであって、 An optoelectronic device comprising a structure,
前記構造体は、The structure is
サファイア、Ｓｉ、Ｇａ Sapphire, Si, Ga 22 ＯO. 33 、またはＩＩＩ－Ｖ族半導体の基板上に直接担持された厚みが最大２０ｎｍのグラフェン層であって、前記グラフェン層を貫通する複数の孔が存在するグラフェン層と、or a graphene layer with a thickness of up to 20 nm supported directly on a III-V semiconductor substrate, wherein there are a plurality of holes penetrating said graphene layer;
前記孔中で前記基板上に成長した、複数の合体したナノワイヤまたはナノピラミッドから形成された非平面的な合体構造であって、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドは少なくとも１つの半導電性ＩＩＩ－Ｖ族化合物を含む非平面的な合体構造を備え、 a non-planar coalesced structure formed from a plurality of coalesced nanowires or nanopyramids grown on said substrate in said pores, said nanowires or nanopyramids comprising at least one semiconducting group III-V compound with a non-planar coalescence structure including
前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが、前記グラフェン内の前記孔を通って前記基板とエピタキシャル関係にあり、 the nanowires or nanopyramids are in epitaxial relationship with the substrate through the holes in the graphene;
前記グラフェン層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの少なくとも一部と電気的に接触しており、 the graphene layer is in electrical contact with at least a portion of the nanowires or nanopyramids;
前記グラフェン層が、透明電極であり、 The graphene layer is a transparent electrode,
前記光電子デバイスが、太陽電池、光検出器、ＬＥＤまたはレーザである the optoelectronic device is a solar cell, photodetector, LED or laser
光電子デバイス。optoelectronic device. 構造体を含む光電子デバイスであって、 An optoelectronic device comprising a structure,
前記構造体は、The structure is
サファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇａ Sapphire, Si, SiC, Ga 22 ＯO. 33 、またはＩＩＩ－Ｖ族半導体の基板と、, or a substrate of a III-V semiconductor;
前記基板の上面に直接配置されたＩＩＩ－Ｖ族半導体中間層と、 a III-V semiconductor intermediate layer disposed directly on the top surface of the substrate;
前記中間層の上面に直接設けられた厚みが最大２０ｎｍのグラフェン層であって、前記グラフェン層を貫通する複数の孔が存在するグラフェン層と、 a graphene layer with a maximum thickness of 20 nm provided directly on the upper surface of the intermediate layer, the graphene layer having a plurality of holes penetrating the graphene layer;
前記孔中で前記中間層上に成長した、複数の合体したナノワイヤまたはナノピラミッドから形成された非平面的な合体構造であって、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドは少なくとも１つの半導電性ＩＩＩ－Ｖ族化合物を含む非平面的な合体構造を備え、 a non-planar coalesced structure formed from a plurality of coalesced nanowires or nanopyramids grown on said intermediate layer in said pores, said nanowires or nanopyramids being at least one semiconducting group III-V with a non-planar coalesced structure containing compounds,
前記ナノワイヤまたはナノピラミッドが、前記グラフェン内の前記孔を通って前記中間層とエピタキシャル関係にあり、 the nanowires or nanopyramids are in epitaxial relationship with the intermediate layer through the holes in the graphene;
前記グラフェン層が、前記ナノワイヤまたはナノピラミッドの少なくとも一部と電気的に接触しており、 the graphene layer is in electrical contact with at least a portion of the nanowires or nanopyramids;
前記グラフェン層が、透明電極であり、 The graphene layer is a transparent electrode,
前記光電子デバイスが、太陽電池、光検出器、ＬＥＤまたはレーザである the optoelectronic device is a solar cell, photodetector, LED or laser
光電子デバイス。optoelectronic device. 前記非平面的な合体構造が、表面にピラミッド型の先端を有する波形薄膜である請求項２７または２８に記載の光電子デバイス。 29. An optoelectronic device according to claim 27 or 28, wherein said non-planar coalescence structure is a corrugated thin film having pyramidal tips on its surface.
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