RU2437180C2 - Manufacturing method of nanowires, matrix of nanowires from nitrides of group iii of periodic table (versions), and substrate (versions) - Google Patents
Manufacturing method of nanowires, matrix of nanowires from nitrides of group iii of periodic table (versions), and substrate (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2437180C2 RU2437180C2 RU2008134322/28A RU2008134322A RU2437180C2 RU 2437180 C2 RU2437180 C2 RU 2437180C2 RU 2008134322/28 A RU2008134322/28 A RU 2008134322/28A RU 2008134322 A RU2008134322 A RU 2008134322A RU 2437180 C2 RU2437180 C2 RU 2437180C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanowires
- group
- growth
- nanowire
- substrate
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение в целом относится к полупроводниковым материалам, устройствам и способам для их изготовления, а более конкретно, к нанопроволокам и активным устройствам с полупроводниковыми нанопроволоками.The present invention generally relates to semiconductor materials, devices and methods for their manufacture, and more particularly, to nanowires and active devices with semiconductor nanowires.
Уровень техникиState of the art
Нанопроволоки, состоящие из сплавов группы III-N (нитридов элементов III группы Периодической таблицы, например, нитрида галлия (GaN)), могут послужить основой для полупроводниковых устройств нового типа, например, наномерных оптоэлектронных устройств. Например, нанопроволоки из GaN могут обладать большой шириной запрещенной зоны, высокой температурой плавления и химической устойчивостью, необходимыми для работы в агрессивных средах или при высоких температурах. Более широкая запрещенная зона GaN и родственных этому соединению сплавов также способствует созданию источников света видимого диапазона, которые могут быть использованы в дисплеях и для освещения. Кроме того, уникальная геометрия каждой нанопроволоки открывает перспективы в области исследований новых принципов построения устройств для фотоэлектроники и транспорта. Для реализации этого потенциала в полной мере требуется масштабируемый процесс изготовления высококачественных нанопроволок и/или матриц нанопроволок из нитридов элементов III группы, при условии точного и единообразного управления геометрией, положением и кристаллическими свойствами каждой нанопроволоки.Nanowires consisting of alloys of group III-N (nitrides of elements of group III of the Periodic table, for example, gallium nitride (GaN)), can serve as the basis for a new type of semiconductor devices, for example, nanoscale optoelectronic devices. For example, GaN nanowires can have a large band gap, a high melting point, and chemical resistance necessary for operation in aggressive environments or at high temperatures. The wider band gap of GaN and related alloys also contributes to the creation of visible light sources that can be used in displays and for lighting. In addition, the unique geometry of each nanowire opens up prospects for the study of new principles for the construction of devices for photoelectronics and transport. To realize this potential, a scalable process of manufacturing high-quality nanowires and / or nanowire matrices from nitrides of group III elements is required in full, provided that the geometry, position and crystalline properties of each nanowire are precisely and uniformly controlled.
Обычный процесс изготовления нанопроволок основан на механизме роста "пар-жидкость-кристалл" (VLS - от англ. Vapor-Liquid-Solid) с использованием катализаторов, например, Au, Ni, Fe или In. При этом, однако, возникают сложности, поскольку в этих каталитических процессах невозможно управлять положением и однородностью получающихся нанопроволок. Другим недостатком обычных каталитических процессов является то, что катализатор неизбежно попадает в нанопроволоки. Это ухудшает качество кристаллических наноструктур, из-за чего ограничивается область их применения.The usual process for manufacturing nanowires is based on a vapor-liquid-crystal growth mechanism (VLS - from Vapor-Liquid-Solid) using catalysts, for example, Au, Ni, Fe or In. However, difficulties arise, since it is impossible to control the position and uniformity of the resulting nanowires in these catalytic processes. Another disadvantage of conventional catalytic processes is that the catalyst inevitably enters the nanowires. This affects the quality of crystalline nanostructures, which limits the scope of their application.
Таким образом, в настоящее время существует необходимость в преодолении этих и других недостатков известных технологий и создания высококачественных нанопроволок и/или матриц нанопроволок, и масштабируемых процессов их изготовления. Также ставится задача создания фотоэлектронных устройств на основе нанопроволок, и их изготовления с использованием высококачественных нанопроволок и матриц нанопроволок.Thus, at present, there is a need to overcome these and other disadvantages of known technologies and create high-quality nanowires and / or matrices of nanowires, and scalable processes for their manufacture. The task is also to create photoelectronic devices based on nanowires, and their manufacture using high-quality nanowires and matrices of nanowires.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В соответствии с различными вариантами осуществления, настоящее изобретение включает способ изготовления нанопроволок. В этом способе поверх подложки может быть создана маска для селективного выращивания. Маска для селективного выращивания может включать множество расположенных в определенном порядке отверстий, оставляющих открытыми множество участков подложки. Затем на каждом из этих участков подложки, открытых через расположенные в определенном порядке отверстия, может быть выращен полупроводниковый материал с использованием селективного неимпульсного режима выращивания. Режим выращивания может быть переведен из неимпульсного режима выращивания в импульсный режим выращивания. Продолжая выращивание в импульсном режиме, можно получить множество полупроводниковых нанопроволок.In accordance with various embodiments, the present invention includes a method for manufacturing nanowires. In this method, a mask for selective growth can be created on top of the substrate. The selective growth mask may include a plurality of holes arranged in a particular order, leaving many areas of the substrate exposed. Then, on each of these sections of the substrate, open through holes in a specific order, semiconductor material can be grown using a selective non-pulse growth mode. The growing mode can be transferred from a non-pulse growing mode to a pulsed growing mode. Continuing the growth in a pulsed mode, you can get a lot of semiconductor nanowires.
В соответствии с различными вариантами осуществления, настоящее изобретение также включает матрицу нанопроволок из нитридов элементов III группы, которая может включать маску для селективного выращивания, расположенную поверх подложки. Маска для селективного выращивания может включать множество отверстий, расположенных в определенном порядке, которые оставляют открытыми множество участков подложки. Нанопроволоки из нитридов элементов III группы могут быть соединены с открытыми участками подложки и отходить от них, проходя сквозь маску для селективного выращивания. Нанопроволоки из нитридов элементов III группы могут быть ориентированы вдоль единого направления и могут сохранять геометрию сечения одной из множества выбранных областей поверхности.In accordance with various options for implementation, the present invention also includes a matrix of nanowires from nitrides of elements of group III, which may include a mask for selective growth, located on top of the substrate. The selective growth mask may include a plurality of holes arranged in a particular order that leave a plurality of portions of the substrate open. Nanowires made of nitrides of group III elements can be connected to open areas of the substrate and depart from them, passing through a mask for selective growth. Nanowires of nitrides of group III elements can be oriented along a single direction and can preserve the geometry of the cross section of one of the many selected surface regions.
В соответствии с различными вариантами осуществления, настоящее изобретение также включает подложку из GaN. Структура GaN подложки может представлять собой пленку из GaN, образованную сращиванием множества нанопроволок из GaN, в которых отсутствуют дефекты. Пленка из GaN может иметь плотность дефектов примерно 107/см-2 или менее.In accordance with various embodiments, the present invention also includes a GaN substrate. The structure of the GaN substrate may be a GaN film formed by splicing a plurality of GaN nanowires in which there are no defects. A GaN film may have a defect density of about 10 7 / cm -2 or less.
Другие цели и преимущества изобретения могут частично быть приведены в приведенном ниже описании, а также станут очевидными из описания, либо понятными в ходе выполнения изобретения. Цели и преимущества изобретения будут достигнуты посредством элементов и комбинаций, специально описанных в приложенной формуле изобретения.Other objects and advantages of the invention may be set forth in part in the description which follows, and will also become apparent from the description, or will be understood in the course of carrying out the invention. The objectives and advantages of the invention will be achieved by means of the elements and combinations specifically described in the attached claims.
Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и следующее ниже подробное описание, приведены только для пояснения изобретения в заявленном виде и не ограничивают его объем.It should be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are provided only to explain the invention in the claimed form and do not limit its scope.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Приложенные чертежи, включенные в описание и составляющие его часть, иллюстрируют несколько вариантов осуществления изобретения и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов изобретения.The attached drawings, which are included in the description and constitute a part thereof, illustrate several embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
На Фиг.1-3 представлены виды поперечного сечения, использованного в качестве примера устройства с полупроводниковыми нанопроволоками на различных этапах изготовления, в соответствии с настоящим изобретением.Figure 1-3 presents views of the cross section used as an example of a device with semiconductor nanowires at various stages of manufacture, in accordance with the present invention.
На Фиг.4 представлен второй пример устройства с полупроводниковыми нанопроволоками, иллюстрирующий настоящее изобретение.Figure 4 presents a second example of a device with semiconductor nanowires, illustrating the present invention.
На Фиг.5 представлен пример процесса формирования множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок, при использовании двухфазного режима выращивания, предложенного в настоящем изобретении.Figure 5 presents an example of the process of forming a plurality of nanowires and / or matrices of nanowires using the two-phase growth mode proposed in the present invention.
На Фиг.6-8 изображено третье устройство с полупроводниковыми нанопроволоками, иллюстрирующее настоящее изобретение.6-8 depict a third semiconductor nanowire device illustrating the present invention.
На Фиг.9 представлено четвертое устройство с полупроводниковыми нанопроволоками, иллюстрирующее настоящее изобретение.9 is a fourth semiconductor nanowire device illustrating the present invention.
На Фиг.10(A-D) представлены результаты эксперимента по выращиванию множества упорядоченных матриц нанопроволок из GaN с использованием двухэтапного процесса выращивания без катализатора, предложенного в настоящем изобретении.10 (A-D) presents the results of an experiment for growing a plurality of ordered matrices of GaN nanowires using the two-stage catalyst-free growth process of the present invention.
На Фиг.11-14 представлены четыре варианта полупроводниковых устройств, включающих структуру подложки из GaN, сформированной из множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок, показанных на Фиг.1-10, в соответствии с настоящим изобретением.Figure 11-14 presents four options for semiconductor devices, including the structure of the GaN substrate, formed from a variety of nanowires and / or matrices of nanowires shown in Fig.1-10, in accordance with the present invention.
На Фиг.15 представлен пример устройства с активной структурой на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW (структура на квантовых ямах, от англ. Multiple Quantum Well), предложенного в настоящем изобретении.On Fig presents an example of a device with an active structure based on a nanowire "core-shell" / MQW (structure on quantum wells, from the English. Multiple Quantum Well) proposed in the present invention.
На Фиг.16 представлен другой пример устройства с активной структурой на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW, предложенного в настоящем изобретении.On Fig presents another example of a device with an active structure based on a nanowire "core-sheath" / MQW proposed in the present invention.
На Фиг.17-19 показан пример светодиода на основе нанопроволоки, использующего активную структуру на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW, в соответствии с настоящим изобретением.17-19 show an example of a nanowire LED using an active core-sheath / MQW nanowire structure in accordance with the present invention.
На Фиг.20 представлен пример лазерного устройства на нанопроволоке, использующего активную структуру на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW, изображенную на Фиг.15-16, в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 20 is an example of a nanowire laser device using an active core-sheath / MQW nanowire structure depicted in FIGS. 15-16 in accordance with the present invention.
На Фиг.21 представлен другой пример лазерного устройства на нанопроволоке, использующего активную структуру на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/МQW, изображенную на Фиг.15-16, в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 21 shows another example of a nanowire laser device using an active core-sheath / MQW nanowire structure depicted in FIGS. 15-16, in accordance with the present invention.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Ниже приводится подробное описание вариантов осуществления, иллюстрирующих настоящее изобретение, примеры которых представлены на приложенных чертежах. В тех случаях, когда это возможно, одни и те же или сходные части на чертежах имеют одинаковые обозначения. В следующем ниже описании, приводятся ссылки на соответствующие чертежи, составляющие часть этого описания и иллюстрирующие конкретные варианты осуществления изобретения. Эти варианты осуществления изобретения описаны достаточно подробно, чтобы специалисты могли реализовать настоящее изобретение. При этом следует понимать, что могут быть использованы и другие варианты осуществления, и в пределах области притязаний изобретения могут быть сделаны различные изменения. Таким образом, приведенное ниже описание носит исключительно иллюстративный характер.The following is a detailed description of embodiments illustrating the present invention, examples of which are presented in the attached drawings. In cases where this is possible, the same or similar parts in the drawings have the same designations. In the following description, reference is made to the corresponding drawings, which form part of this description and illustrate specific embodiments of the invention. These embodiments of the invention are described in sufficient detail for those skilled in the art to implement the present invention. It should be understood that other embodiments may be used, and various changes may be made within the scope of the invention. Thus, the description below is for illustrative purposes only.
Хотя изобретение проиллюстрировано на одном или более примерах его осуществления, в приведенных примерах вариантов осуществления могут быть сделаны изменения и/или модификации, не выходящие за пределы существа изобретения и области притязаний, определенных приложенной формулой изобретения. Кроме того, хотя конкретный признак изобретения может быть раскрыт применительно к одному или нескольким вариантам осуществления, этот признак, при желании или в стремлении усовершенствования какой-либо функции, может быть объединен с одним или более признаком других вариантов осуществления. Ниже в настоящем описании и формуле предполагается, что термины "включающий", "включает", "имеющий", "имеет", "с (совместно с чем-либо)", или их варианты, имеют значение "включающий", по аналогии с термином "содержащий". Термин "по крайней мере один из" показывает, что может быть выбран один или более объектов из перечисленных объектов.Although the invention is illustrated in one or more examples of its implementation, in the above examples of embodiments, changes and / or modifications can be made that do not go beyond the essence of the invention and the scope of the claims defined by the attached claims. In addition, although a specific feature of the invention may be disclosed in relation to one or more embodiments, this feature, if desired or in an effort to improve any function, may be combined with one or more features of other embodiments. Below in the present description and formula, it is assumed that the terms “including”, “includes”, “having”, “has”, “with (together with something)”, or their variants, have the meaning “including”, by analogy with the term "comprising." The term “at least one of” indicates that one or more objects from the listed objects may be selected.
Несмотря на то, что числовые интервалы и параметры, представляющие широкую область притязаний изобретения, являются приближенными, числовые величины в конкретных примерах осуществления приведены с максимально возможной точностью. Любая числовая величина, однако, неизбежно включает определенные ошибки, обусловленные погрешностью измерений при соответствующих испытаниях. Кроме того, подразумевается, что все указанные здесь интервалы охватывают любые и все подинтервалы, включенные в соответствующую категорию. Например, интервал "менее 10" может включать любой и все подинтервалы между (и включая их) минимальным нулевым значением и максимальным значением 10, то есть любой и все подинтервалы, имеющие минимальное значение, равное или большее нуля, и максимальное значение, равное или большее 10, например, от 1 до 5.Despite the fact that the numerical ranges and parameters representing a wide range of claims of the invention are approximate, the numerical values in specific embodiments are given with the greatest possible accuracy. Any numerical value, however, inevitably includes certain errors due to the measurement error in the corresponding tests. In addition, it is understood that all of the ranges indicated herein cover any and all sub-ranges included in the corresponding category. For example, an interval of "less than 10" may include any and all sub-intervals between (and including) a minimum value of zero and a maximum value of 10, that is, any and all sub-intervals having a minimum value equal to or greater than zero and a maximum value equal to or greater 10, for example, from 1 to 5.
В приведенных в качестве примера вариантах осуществления представлены полупроводниковые устройства, включающие высококачественные (т.е. без дефектов) нанопроволоки из нитридов элементов III группы и однородные матрицы нанопроволок группы III-N, а также масштабируемые процессы для их изготовления, в которых можно с высокой точностью управлять положением, ориентацией, свойствами поперечного сечения, длиной или особенностями кристаллической структуры каждой нанопроволоки. В частности, множество нанопроволок и/или матриц нанопроволок может быть сформировано с использованием режима селективного выращивания с последующим переключением режима выращивания из режима селективного выращивания в режим импульсного выращивания. Свойства поперечного сечения, например, размеры поперечного сечения (например, диаметр или ширина) и формы поперечного сечения, каждой нанопроволоки, полученной в режиме селективного выращивания, могут сохраняться при продолжении выращивания с использованием импульсного режима выращивания. При этом можно сформировать нанопроволоки с высоким параметром удлинения. В приведенном в качестве примера варианте осуществления длина каждой нанопроволоки может составлять приблизительно от 10 нм до 1000 мкм, например, приблизительно от 10 нм до 100 мкм.In exemplary embodiments, semiconductor devices are provided that include high-quality (i.e., free from defects) nanowires from group III nitrides and homogeneous matrices of group III-N nanowires, as well as scalable processes for their manufacture in which it is possible with high accuracy control the position, orientation, cross-sectional properties, length or features of the crystal structure of each nanowire. In particular, a plurality of nanowires and / or matrices of nanowires can be formed using a selective growing mode, followed by switching the growing mode from the selective growing mode to the pulsed growing mode. Cross-sectional properties, for example, cross-sectional dimensions (eg, diameter or width) and cross-sectional shape, of each nanowire obtained in the selective growth mode, can be maintained during continued growth using a pulsed growth mode. In this case, it is possible to form nanowires with a high elongation parameter. In an exemplary embodiment, the length of each nanowire may be from about 10 nm to 1000 μm, for example, from about 10 nm to 100 μm.
Кроме того, могут быть сформированы высококачественные пленки из нитридов элементов III группы, например, высококачественные GaN пленки, путем остановки роста и сращивания множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок. Такие GaN пленки могут использоваться в качестве структур подложек из GaN, используемых при изготовлении устройств на основе GaN, например, светодиодов видимого диапазона и лазеров для развивающихся технологий твердотельных осветительных приборов и чувствительных датчиков ультрафиолетового излучения.In addition, high-quality films of nitrides of group III elements can be formed, for example, high-quality GaN films by stopping the growth and splicing of many nanowires and / or matrices of nanowires. Such GaN films can be used as GaN substrate structures used in the manufacture of GaN-based devices, for example, visible-light emitting diodes and lasers for developing technologies of solid-state lighting devices and sensitive UV sensors.
Более того, поскольку каждая из выращенных в импульсном режиме нанопроволок и/или матрица нанопроволок может обладать неполярными боковыми стенками, выращивание структур "ядро-оболочка" может быть с успехом использовано для создания на боковых стенках каждой нанопроволоки активных структур оболочки на квантовых ямах. Подобные активные MQW структуры нанопроволок "ядро-оболочка" могут быть использованы в наномерных фотоэлектронных устройствах, обладающих высокой эффективностью, например, светодиодах на основе нанопроволоки, и/или лазеров на основе нанопроволоки.Moreover, since each of the nanowires and / or the matrix of nanowires grown in a pulsed mode can have nonpolar side walls, the growth of core-shell structures can be successfully used to create active shell structures on quantum wells on the side walls of each nanowire. Such active MQW structures of the core-shell nanowires can be used in nanoscale photoelectronic devices with high efficiency, for example, nanodiode-based LEDs and / or nanowire-based lasers.
В настоящем описании термин "нанопроволока" в целом относится к любому удлиненному проводящему или полупроводящему материалу, имеющему по меньшей мере один меньший размер, например, один из размеров поперечного сечения, например, ширину или диаметр, меньший или равный примерно 1000 нм. В различных вариантах осуществления меньший размер может составлять менее примерно 100 нм. В различных других вариантах осуществления меньший размер может составлять менее примерно 10 нм. Нанопроволоки могут иметь соотношение размеров (например, отношение длины к ширине и/или большего размера к меньшему размеру), приблизительно 100 или более. В различных вариантах осуществления соотношение размеров может составлять примерно 200 или более. В других различных вариантах осуществления соотношение размеров может составлять примерно 2000 или более. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера, поперечное сечение нанопроволоки может быть очень несимметричным, при этом в одном направлении размер поперечного сечения может быть много меньше 1000 нм, а в ортогональном направлении размер может быть значительно больше 1000 нм.In the present description, the term "nanowire" generally refers to any elongated conductive or semiconducting material having at least one smaller size, for example, one of the cross-sectional dimensions, for example, a width or diameter of less than or equal to about 1000 nm. In various embodiments, the smaller size may be less than about 100 nm. In various other embodiments, the smaller size may be less than about 10 nm. Nanowires can have a size ratio (for example, a ratio of length to width and / or larger to smaller), approximately 100 or more. In various embodiments, the size ratio may be about 200 or more. In other various embodiments, the size ratio may be about 2000 or more. In the exemplary embodiment, the cross section of the nanowire can be very asymmetric, with the size of the cross section in one direction being much less than 1000 nm, and in the orthogonal direction, the size can be significantly larger than 1000 nm.
Кроме того, предполагается, что термин "нанопроволоки" также охватывает другие вытянутые структуры с подобными размерами, включающие наноштифты, наностолбики, наноиглы, наностержни и нанотрубки (например, нанотрубки с одинарной стенкой, либо нанотрубки с многослойной стенкой), и различные их производные функциональные волокнистые формы, например, нановолокна в форме нитей, пряжи, ткани и др.In addition, it is intended that the term “nanowires” also encompass other elongated structures of similar dimensions, including nanoscale pins, nanoscale columns, nanoscale needles, nanorods and nanotubes (eg, single-walled nanotubes, or multilayer nanotubes), and various functional fibrous derivatives thereof forms, for example, nanofibres in the form of threads, yarn, fabric, etc.
Нанопроволоки могут иметь поперечное сечение различной формы, например, прямоугольное, многоугольное, квадратное, овальное или круглое. Соответственно, нанопроволоки могут иметь цилиндрическую и/или коническую объемную (3-D) конфигурацию. В различных вариантах осуществления множество нанопроволок могут быть существенно параллельны друг другу, располагаться под углом, по синусоиде и др.Nanowires can have a cross section of various shapes, for example, rectangular, polygonal, square, oval or round. Accordingly, nanowires can have a cylindrical and / or conical bulk (3-D) configuration. In various embodiments, the implementation of many nanowires can be substantially parallel to each other, located at an angle, along a sinusoid, etc.
Нанопроволоки могут быть сформированы на/от несущей подложки, которая может включать выделенные участки поверхности, с которыми могут быть соединены нанопроволоки (например, выращиваться) или от которых они могут отходить. Несущая основа нанопроволок также может включать подложку, сформированную из различных материалов, включая Si, SiC, сапфир, керамику или стекло. Несущая основа нанопроволок также может включать маску для селективного выращивания, сформированную на подложке. В различных вариантах осуществления несущая основа нанопроволок может дополнительно включать промежуточный слой, расположенный между маской для селективного выращивания и подложкой.Nanowires can be formed on / from the carrier substrate, which may include selected surface areas to which nanowires can be connected (e.g., grown) or from which they can extend. The carrier base of the nanowires may also include a substrate formed from various materials, including Si, SiC, sapphire, ceramic, or glass. The carrier base of the nanowires may also include a selective growth mask formed on the substrate. In various embodiments, the carrier base of the nanowires may further include an intermediate layer located between the selective growth mask and the substrate.
В различных вариантах осуществления с использованием нанопроволок или матриц нанопроволок могут быть изготовлены активные устройства с нанопроволоками, например, светодиоды на основе нанопроволоки или лазеры на основе нанопроволоки. В различных вариантах осуществления нанопроволоки и/или матрицы нанопроволок, и активные устройства на основе нанопроволок могут быть изготовлены с использованием системы полупроводниковых материалов соединений III-V групп, например, системы материалов соединений группы III-N. Примерами элементов III группы могут служить Ga, In или Аl, которые могут быть получены из предшественников элементов III группы, например, триметилгаллия (TMGa), триэтилгаллия (TEGa), триметилиндия (TMIn) или триметилалюминия (ТМАl). Примером предшественника для азота может служить, например, аммиак (NH3). Могут быть использованы и другие элементы V группы, например, Р или As, с такими предшественниками для элементов V группы, как третичный бутилфошин (ТВР), или арсин (AsН3).In various embodiments, using nanowires or matrices of nanowires, active devices with nanowires, for example, nanowire LEDs or nanowire lasers, can be manufactured. In various embodiments, the implementation of nanowires and / or matrices of nanowires and active devices based on nanowires can be manufactured using a system of semiconductor materials of compounds of III-V groups, for example, a system of materials of compounds of group III-N. Examples of elements of group III are Ga, In or Al, which can be obtained from precursors of elements of group III, for example, trimethylgallium (TMGa), triethyl gallium (TEGa), trimethylindium (TMIn) or trimethylaluminum (TMAl). An example of a nitrogen precursor is, for example, ammonia (NH 3 ). Other elements of group V can be used, for example, P or As, with such precursors for elements of group V, such as tertiary butylfosine (TBP), or arsine (AsH 3 ).
В приведенном ниже описании полупроводниковые сплавы группы III-N могут быть представлены комбинацией элементов группы III-N, например, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN или AlnGaN. В целом, элементы в соединении могут находиться в различных мольных долях. Например, полупроводниковый сплав InGaN может быть описан выражением InxGa1-xN, где мольная доля × может быть любым числом, меньшим 1,00. Кроме того, в зависимости от величины мольной доли, из материалов со сходным составом могут быть изготовлены различные активные устройства. Например, соединение In0,3Ga0,7N (где x равно примерно 0,3) может быть использовано в активной MQW области светодиода, излучающего синий свет, в то время как соединение ln0,43Ga0,57N (где x равно примерно 0,43) может быть использовано в активной MQW области светодиода зеленого света.In the description below, Group III-N semiconductor alloys can be represented by a combination of Group III-N elements, for example, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN or AlnGaN. In general, the elements in the compound may be in various mole fractions. For example, an InGaN semiconductor alloy can be described by the expression In x Ga 1-x N, where the mole fraction × can be any number less than 1.00. In addition, depending on the size of the mole fraction, various active devices can be made from materials with a similar composition. For example, the compound In 0.3 Ga 0.7 N (where x is approximately 0.3) can be used in the active MQW region of the blue light emitting diode, while the compound ln 0.43 Ga 0.57 N (where x is approximately 0.43) can be used in the active MQW region of the green LED.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения нанопроволоки матрицы нанопроволок и/или активные устройства на основе нанопроволок могут включать легирующие добавки, выбранные из группы, включающей примеси р-типа из группы II Периодической таблицы, например, Мg, Zn, Cd и Нg; примеси р-типа из группы IV Периодической таблицы, например, С; или примеси n-типа из группы, включающей Si, Ge, S, Se и Те.In various embodiments of the present invention, the nanowires of the matrix of nanowires and / or active nanowire devices may include dopants selected from the group consisting of p-type impurities from group II of the Periodic Table, for example Mg, Zn, Cd and Hg; p-type impurities from group IV of the Periodic table, for example, C; or n-type impurities from the group consisting of Si, Ge, S, Se and Te.
В различных вариантах осуществления нанопроволоки и/или матрицы нанопроволок, а также активные устройства на основе нанопроволок, могут иметь высококачественную гетерогенную структуру и могут быть сформированы посредством различных технологий выращивания кристаллов, включая химическое осаждение из газовой фазы металло-органических соединений (MOCVD - от англ. metal-organic chemical vapor deposition), также известное как эпитаксия из газовой фазы металло-органических соединений (OMVPE - от англ. organometallic vapor phase epitaxy), молекулярно-лучевую эпитаксию (МВЕ - от англ. molecular beam epitaxy), молекулярно-лучевую эпитаксию из газового источника (GSMBE-отангл. gas source molecular beam epitaxy), молекулярно-лучевую эпитаксию металло-органических соединений (МОМВЕ - от англ. metal-organic МВЕ), эпитаксию атомных слоев (ALE - от англ. atomic layer epitaxy), либо гидридную эпитаксию из газовой фазы (HVPE - от англ. hydride vapor phase epitaxy), и другие процессы.In various embodiments, the implementation of nanowires and / or matrices of nanowires, as well as active devices based on nanowires, can have a high-quality heterogeneous structure and can be formed by various crystal growing technologies, including chemical vapor deposition of metal-organic compounds (MOCVD). metal-organic chemical vapor deposition), also known as gas-phase epitaxy of metal-organic compounds (OMVPE - from English organometallic vapor phase epitaxy), molecular beam epitaxy (MBE - from English molecular beam epitaxy), molecular beam epitaxy from a gas source (GSMBE-engl. gas source molecular beam epitaxy), molecular beam epitaxy of metal-organic compounds (MOMBE - from English metal-organic MBE), atomic layer epitaxy (ALE - from the English atomic layer epitaxy), or hydride epitaxy from the gas phase (HVPE - from the English hydride vapor phase epitaxy), and other processes.
В различных вариантах осуществления изобретения может использоваться многоэтапный режим выращивания, например, двухэтапный режим выращивания, для выращивания высококачественных кристаллов нанопроволок и/или матриц нанопроволок, а также активных устройств на основе нанопроволок. Первый этап режима выращивания, например, режима селективного выращивания, может быть использован для создания условий избирательности роста для ядер нанопроволок и/или матриц нанопроволок. В режиме селективного выращивания могут быть использованы обычные способы выращивания кристаллов, например, обычный MOCVD, для ядер нанопроволок с требуемой толщиной, например, приблизительно 10 нм или более.In various embodiments, a multi-stage growth mode, for example, a two-stage growth mode, can be used to grow high-quality nanowire crystals and / or nanowire matrices, as well as active nanowire devices. The first stage of the growth mode, for example, the selective growth mode, can be used to create conditions for the selectivity of growth for the nuclei of nanowires and / or matrices of nanowires. In the selective growth mode, conventional crystal growing methods, for example, conventional MOCVD, for nanowire cores with a desired thickness, for example, about 10 nm or more, can be used.
На втором этапе режима выращивания могут быть созданы условия для продолжения роста каждой нанопроволоки с сохранением свойств поперечного сечения, оставшихся от первого режима выращивания, с получением при этом произвольной длины. Второй этап режима выращивания начинается после переключения режима выращивания, который завершает первый этап режима выращивания. На втором этапе режима выращивания может быть использован импульсный режим выращивания, например, импульсное MOCVD выращивание.At the second stage of the growing regime, conditions can be created for continuing the growth of each nanowire with preserving the cross-section properties remaining from the first growing regime, while obtaining an arbitrary length. The second stage of the growing mode begins after switching the growing mode, which completes the first stage of the growing mode. In the second stage of the growing regime, a pulsed growing regime can be used, for example, pulsed MOCVD growing.
В настоящем описании термин "импульсный режим выращивания" относится к процессу, в котором газообразные исходные вещества группы III и группы V вводятся по очереди в реактор выращивания кристаллов в заданной последовательности. Например, TMGa и NН3 могут использоваться в качестве исходных веществ для приведенного в качестве примера процесса формирования нанопроволок GaN и/или матриц нанопроволок и\или активных устройств на основе нанопроволок GaN. В импульсном режиме выращивания, TMGa и NH3 могут вводиться по очереди в последовательности, когда TMGa вводится с заданным расходом (например, примерно 10 стандартных см3/мин) в течение определенного промежутка времени (например, примерно 20 с), после чего вводится NН3 с заданным расходом (например, примерно 1500 стандартных см3/мин) в течение заданного промежутка времени (например, примерно 30 с). В различных вариантах осуществления может проводиться один или более циклов последовательностей (например, повторяться) для получения заданной длины каждой нанопроволоки. В различных вариантах осуществления скорость роста каждой нанопровлоки может зависеть от направления.As used herein, the term “pulsed growth mode” refers to a process in which the gaseous starting materials of group III and group V are introduced in turn into a crystal growth reactor in a predetermined sequence. For example, TMGa and NH 3 can be used as starting materials for an example process of forming GaN nanowires and / or matrices of nanowires and / or active devices based on GaN nanowires. In the pulsed growing mode, TMGa and NH 3 can be introduced in turn in the sequence when TMGa is introduced at a given flow rate (for example, about 10 standard cm 3 / min) for a certain period of time (for example, about 20 s), after which NН is introduced 3 at a predetermined flow rate (for example, about 1500 standard cm 3 / min) for a predetermined period of time (for example, about 30 s). In various embodiments, one or more cycles of sequences may be conducted (e.g., repeated) to obtain a predetermined length of each nanowire. In various embodiments, the growth rate of each nanowire may depend on the direction.
В различных вариантах осуществления, в изготовлении описанных нанопроволок, матриц нанопроволок и/или активных устройств на основе нанопроволок могут быть использованы диэлектрические материалы. Например, маска для селективного выращивания при формировании множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок может быть выполнена из диэлектрических материалов. В другом примере диэлектрические материалы могут быть использованы для электрической изоляции в активных устройствах, например, светодиодах на нанопроволоке или лазеров на нанопроволоке. Диэлектрические материалы в настоящем описании могут включать диоксид кремния (SiO2), нитрид кремния (Si3N4), оксинитрид кремния (SiON), фторированный диоксид кремния (SiOF), оксикарбид кремния (SiOC), оксид гафния (НfO2), силикат гафния (HfSiO), нитрид-силикат гафния (HfSiON), оксид циркония (ZrO2), оксид алюминия (Аl2О3), титанат бария и стронция (BST), цирконат-титанат свинца (PZT), силикат циркония (ZrSiO2), оксид тантала (TaO2) или иные изолирующие материалы. В соответствии с различными другими вариантами осуществления для селективного выращивания раскрытых здесь нанопроволок может использоваться маска для выращивания из проводящего металла, например, вольфрама.In various embodiments, dielectric materials can be used in the manufacture of the described nanowires, matrices of nanowires and / or active devices based on nanowires. For example, a mask for selective growth during the formation of multiple nanowires and / or matrices of nanowires can be made of dielectric materials. In another example, dielectric materials can be used for electrical insulation in active devices, for example, nanowire LEDs or nanowire lasers. Dielectric materials in the present description may include silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), fluorinated silicon dioxide (SiOF), silicon oxycarbide (SiOC), hafnium oxide (HfO 2 ), silicate hafnium (HfSiO), hafnium nitride silicate (HfSiON), zirconium oxide (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), barium and strontium titanate (BST), lead zirconate titanate (PZT), zirconium silicate (ZrSiO 2 ), tantalum oxide (TaO 2 ) or other insulating materials. In accordance with various other embodiments, a mask for growing from a conductive metal, such as tungsten, can be used to selectively grow the nanowires disclosed herein.
Использованные в качестве примера варианты осуществления для полупроводниковых устройств на основе нанопроволок и/или матриц нанопроволок, и масштабируемые процессы их изготовления представлены на Фиг.1-3, Фиг.4-5, Фиг.6-8, Фиг.9 и Фиг.10(A-D).Used as an example, embodiments for semiconductor devices based on nanowires and / or matrices of nanowires, and scalable processes for their manufacture are presented in FIGS. 1-3, FIGS. 4-5, FIGS. 6-8, FIG. 9 and FIG. 10 (AD).
На Фиг.1-3 представлены виды поперечного сечения полупроводникового устройства 100 на основе нанопроволоки на разных этапах изготовления, в соответствии с настоящим изобретением. Для специалиста очевидно, что показанное на Фиг.1-3 полупроводниковое устройство 100 на основе нанопроволоки, представляет собой обобщенную схематическую иллюстрацию, и что могут быть добавлены другие слои/нанопроволоки, либо существующие слои/нанопроволоки могут быть удалены или модифицированы.Figure 1-3 presents views of the cross section of a
Как показано на Фиг.1, устройство 100 на основе нанопроволоки может включать подложку 110, маску 135 для селективного выращивания и множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Маска 135 для селективного выращивания и множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, могут быть размещены поверх подложки 110, в то время как множество сквозных отверстий 138, расположенных в определенном порядке, могут быть рассеяны по маске 135 для селективного выращивания.As shown in FIG. 1, a
Подложкой 110 может быть любая подложка, на которой может быть выращен материал группы III-N. В различных вариантах осуществления подложка 110 может включать сапфир, карбид кремния, кремний, кремний на изоляторе (SOI - от англ. Silicon-on-insulator), полупроводящие соединения III-V групп, например, GaN или GaAs, металлы, керамику или стекло, а также и иные материалы.
Для изготовления маски 135 для селективного выращивания может быть выполнено нанесение рисунка на диэлектрический слой (не показан), образованный на подложке 110, с последующим его травлением. В различных вариантах осуществления диэлектрический слой может быть выполнен из любого диэлектрического материала и сформирован посредством любой технологии, известной специалистам. Затем производится разметка слоя нанесением рисунка с использованием одного или более способов, включающих интерферометрическую литографию (IL - от англ. interferometric lithography), к которой относится иммерсионная интерферометрическая литография и нелинейная интерферометрическая литография, наноимпринтная литография (NL - от англ. nanoimprint lithography) и электронно-лучевая литография, которыми можно изготовить наноструктуры или регулярное множество наноструктур на больших, макроскопических площадках. После нанесения рисунка может быть проведено травление, например, реактивное ионное травление для формирования множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Процесс травления может быть остановлен на поверхности подстилающего слоя, то есть подложки 110, при этом обнажается множество участков 139 подложки 110. В различных вариантах осуществления, маска 135 для селективного выращивания может представлять собой маску для выращивания из проводящего металла, выполненную, например, из вольфрама, необходимую для селективного выращивания нанопроволоки в импульсном режиме.To make a
Множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, может иметь такую же глубину, что и толщина маски 135 для селективного выращивания, например, примерно 30 нм или менее, а размер поперечного сечения, например диаметр приблизительно от 10 нм до 1000 нм. В качестве дополнительного примера может быть указан диаметр приблизительно от 10 нм до 100 нм. В использованном для примера варианте осуществления множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, имеет гексагональный порядок расположения с шагом (т.е. межцентровой интервал двух смежных отверстий), составляющим приблизительно от 50 нм до 10 мкм. В различных вариантах осуществления, могут быть сформированы матрицы множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Затем наномерные свойства множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, будут перенесены в последующие процессы формирования нанопроволок и/или матриц нанопроволок.The plurality of
В различных вариантах осуществления, перед началом процесса выращивания нанопровлок и/или матриц нанопроволок, может быть выполнена процедура очистки устройства 100, показанного на Фиг.1. Например, процесс очистки может включать очистку вне технологической установки (т.е. очистка проводится за пределами реактора, где происходит выращивание). После чего производится очистка внутри технологической установки (т.е. очистка проводится внутри реактора). В зависимости от материалов, используемых для маски 135 для селективного выращивания, могут применяться различные способы очистки. В варианте осуществления, использованном в качестве примера, маска для селективного выращивания из нитрида кремния может быть подвергнута стандартной очистке вне реактора, после чего производится очистка в реакторе с помещением устройства 100 в реактор MOCVD, использованный в качестве примера, и нагревом устройства 100 до температуры приблизительно 950°С в течение примерно 3 мин в потоке водорода. В восстановительной атмосфере водорода могут быть удалены нежелательные собственные оксиды с поверхности устройства 100. В зависимости от комбинации материалов подложки 110 и маски 135 для селективного выращивания, специалист сможет выбрать альтернативные процедуры, которые могут быть использованы.In various embodiments, before starting the process of growing nanowires and / or matrices of nanowires, a cleaning procedure of the
На Фиг.2 показано, как может происходить селективный рост ядер нанопроволок 140 из множества открытых участков 139 поверхности подложки 110, которые заполняют каждое из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, и определяемых маской 135 для селективного выращивания. Маска 135 для селективного выращивания может служить в качестве формы для селективного выращивания, повторяя в виде негатива на множестве ядер 140 наноструктуры наномерный рисунок множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Таким путем, параметры расположения и поперечного сечения каждого из множества ядер нанопроволок 140, например, формы и размеров, могут быть заданы соответствующими параметрами каждого отверстия из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Например, множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, может включать гексагональную матрицу размером примерно 250 нм. Гексагональная матрица затем может быть перенесена на выращивание множества ядер 140 наноструктуры с тем же или меньшим размером, примерно 250 нм. В другом примере, если одно или более отверстий из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, имеет примерно круглую форму с диаметром примерно 100 нм, по меньшей мере одно ядро из множества ядер 140 наноструктуры может быть выращено в круглых отверстиях, и будет иметь диаметр примерно 100 нм или менее. Таким образом, множество ядер 140 наноструктуры может быть расположено в строго определенной области и иметь форму в соответствии с множеством отверстий 138, расположенных в определенном порядке, заданном маской 135 для селективного выращивания. В различных вариантах осуществления множество ядер 140 наноструктуры может быть сформировано стандартным MOCVD-процессом.Figure 2 shows how the selective growth of the cores of nanowires 140 from the plurality of exposed
Таким образом, показанное на Фиг.2 устройство 100 может быть использовано в качестве несущей подложки для нанопроволок и/или матриц нанопроволок, которая может включать множество выделенных участков поверхности (т.е. поверхности для каждого из множества ядер 140 наноструктуры). Затем на множестве выделенных участков поверхности может быть выращено множество нанопроволок и/или матриц нанопроволок. В различных вариантах осуществления маска 135 для селективного выращивания может быть удалена подходящим процессом травления с тем, чтобы открыть множество ядер 140 наноструктуры после формирования множества нанопроволок.Thus, the
На Фиг.3 показано, как может быть сформировано множество нанопроволок 145 продолжением выращивания ядер 140 наноструктуры посредством, например, остановки режима селективного выращивания и использования импульсного режима выращивания, перед тем, как множество ядер 140 наноструктуры начнут выступать над верхней поверхностью маски 135 для селективного выращивания. Множество нанопроволок 145 может быть сформировано из того же материала, что и ядра 140 наноструктуры, например, GaN, AlN, InN, InGaN, AlnGaN или AlGaN. В различных вариантах осуществления, гетероструктуры могут быть сформированы на каждой из множества нанопроволок 145. В различных вариантах осуществления легирующие добавки n-типа и/или р-типа могут быть введены во множество нанопроволок 145, в зависимости от области применения.FIG. 3 shows how a plurality of
За счет переключения в импульсный режим выращивания до того, как множество ядер 140 наноструктуры начнет выступать из верхней поверхности маски 135 для селективного выращивания, параметры каждой из множества нанопроволок 145, например, форма поперечного сечения и размеры, могут быть сохранены, пока не будет достигнута заданная длина. Другими словами, параметры поперечного сечения нанопроволок 145, например, форма и/или размеры, могут оставаться существенно неизменными, такими же или аналогичными форме и размерам отверстий 138.В различных вариантах осуществления, длина каждой нанопроволоки может быть порядка микрон, например, примерно 20 мкм или более.By switching to a pulsed growth mode, before the plurality of nuclei 140 of the nanostructure begin to protrude from the upper surface of the
В различных вариантах осуществления в устройствах на основе нанопроволок может быть сформирован промежуточный слой. На Фиг.4 показано полупроводниковое устройство 200 на основе нанопроволоки, используемое в качестве второго примера осуществления, включающее предложенный в настоящем изобретении промежуточный слой. Видно, что устройство 200 на основе нанопроволоки может включать промежуточный слой 220, расположенный между подложкой, например, подложкой 110, и маской для селективного выращивания, например, маской 135 для селективного выращивания (см. Фиг.1-3). В различных вариантах осуществления промежуточный слой 220 может представлять собой планарную полупроводниковую пленку, сформированную из, например, GaN, AlN, InN, InGaN, AlnGaN или AlGaN, например, стандартной технологией MOCVD. В различных вариантах осуществления толщина промежуточного слоя 220 может составлять, например, от 100 нм до 10 мкм. В различных вариантах осуществления промежуточный слой 220 может быть легирован присадками либо n-типа, либо р-типа, для обеспечения электрического соединения с нижним концом каждой нанопроволоки из множества нанопроволок 140. Могут быть использованы различные легирующие присадки, известные специалистам.In various embodiments, an intermediate layer may be formed in nanowire devices. FIG. 4 shows a
В различных вариантах осуществления ориентацию множества ядер 140 наноструктуры можно выставить в одном направлении, что, в свою очередь, достигается специальной ориентацией множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, вдоль единой кристаллографической оси. Например, множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, могут быть специально ориентированы вдоль единого направления промежуточного слоя 220, как это показано на Фиг.4. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера, в процессе нанесения разметки интерферометрической литографией, отверстия в маске 135 для селективного выращивания могут быть специально ориентированы вдоль направления <1100> промежуточного слоя из GaN. В другом варианте осуществления, использованном в качестве примера, в процессе выращивания промежуточного слоя из GaN на сапфировой подложке, ось с между GaN промежуточным слоем и сапфировыми элементарными ячейками может быть повернута на 30°.In various embodiments, the orientation of the plurality of cores 140 of the nanostructure can be set in one direction, which, in turn, is achieved by the special orientation of the plurality of
На Фиг.5 показан использованный в качестве примера процесс формирования множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок, с использованием двухэтапного режима выращивания, предложенного в настоящем изобретении. В частности, на Фиг.5 приведены зависимости потока исходного газообразного вещества (включая первую кривую 302 газового потока и вторую кривую 306 газового потока) во время селективного выращивания 310 и последующего импульсного выращивания 320 для формирования, например, множества нанопроволок 145, как это описано на Фиг.1-4. Видно, что селективное выращивание 310 может быть остановлено путем запуска импульсного выращивания 320 (т.е. переключением из одного режима выращивания в другой) в момент времени переключения t1. Импульсное выращивание 320 может дополнительно включать ряд импульсных последовательностей, например, первый цикл 324 последовательностей, второй цикл 328 последовательностей и/или дополнительные циклы последовательностей. В различных вариантах осуществления первый цикл 324 последовательностей может быть повторен как второй цикл 328 последовательностей.FIG. 5 shows an exemplary process for forming a plurality of nanowires and / or matrices of nanowires using the two-stage growth mode of the present invention. In particular, FIG. 5 shows the dependences of the source gas stream (including the first
В варианте осуществления, использованном в качестве примера формирования нанопроволок и/или матриц нанопроволок из GaN, первая зависимость 302 потока газа может быть построена для первого исходного газа группы III, например, три-метил-галлия (TMGa), а вторая зависимость 306 потока газа может быть построена для второго газообразного исходного вещества группы V, например, аммиака (NH3). В процессе селективного выращивания 310 использованные в качестве примера нанопроволоки из GaN и/или матрицы нанопроволок могут быть сформированы в MOCVD реакторе, включая использование первого исходного газа группы III TMGa с постоянным потоком примерно 10 стандартных см3/мин, и второго исходного группы V газа NH3 с постоянным потоком примерно 1500 стандартных см3/мин. Это означает, что в процессе селективного выращивания 310, исходные газы (т.е. TMGa и NH3) могут подаваться не импульсно, непрерывно (т.е. исходные газы как группы III, так и группы V, подаются на подложку одновременно, в непрерывном, неимпульсном режиме). Более того, газообразное исходное вещество группы III (например, TMGa) и группы V (например, NH3) могут вводиться одновременно, а соотношение между расходами газов группы V и группы III может поддерживаться равным, например, в интервале примерно от 100 до 500. В варианте осуществления, использованном в качестве примера, отношение группа V/группа III может поддерживаться равным примерно 150. Кроме того, другие условия работы реактора для селективного выращивания 310 могут включать, например, начальную температуру реакции, равную, примерно, от 1015°С до 1060°С, давление в реакторе примерно 100 мм рт.ст., и водородно-азотную смесь транспортирующего газа, подаваемую ламинарным потоком с расходом 4000 стандартных см3/мин. Может быть использован любой подходящий MOCVD реактор, например, модель реактора MOCVD Veeco TurboDisk P75, в которой подложки вращаются в процессе нанесения с большой скоростью.In the embodiment used as an example of the formation of nanowires and / or matrices of nanowires from GaN, the first
В процессе импульсного выращивания 320 первый исходный газ группы III, например, TMGa, и второй исходный газ группы V, например, NH3, могут вводиться попеременно в реактор выращивания в заданной последовательности, например, как показанный первый цикл 324 последовательностей. В различных вариантах осуществления от продолжительности каждого чередующегося шага в пределах импульсной последовательности может зависеть рост нанопроволок и/или матриц нанопроволок, что может быть дополнительно оптимизировано для конкретной геометрии реактора. Например, в первом цикле 324 импульсных последовательностей, TMGa может вводиться с расходом примерно 10 стандартных см3/мин в течение определенного времени, например, около 20 секунд (не показано), вслед за чем производится, например, 10-секундная продувка газом-носителем (например, смесью водорода с азотом), во время которой не происходит подачи исходных газов, после чего вводится NH3 с расходом примерно 1500 стандартных см3/мин в течение, например, около 30 секунд (не показано), затем производится, например, 10-секундная продувка газом-носителем (например, смесью водорода с азотом) с прекращением подачи исходных газов. Также, в зависимости отхарактеристик реактора, могут использоваться и другие длительности импульсов, например, 15-40 секунд для реагентов группы III, 15-40 секунд для реагентов группы V и 5-15 секунд для подачи продувочных газов между каждым шагом введения реагентов. В различных вариантах осуществления импульсные последовательности, например, первый цикл 324 последовательностей, могут повторяться, пока не будет достигнута определенная длина нанопроволок из GaN. Например, цикл 324 последовательностей может быть повторен как второй цикл 328 последовательностей, третий цикл последовательностей (не показан) и т.д. В каждом цикле последовательностей исходные газообразные вещества группы III (например, TMGa) и исходные газообразные вещества группы V (например, NH3) могут иметь эффективное отношение V/III в интервале, например, от 60 до 300. В различных вариантах осуществления такие параметры режима, как температура, давление в реакторе и поток газа-носителя для импульсного выращивания 320 могут остаться теми же, что и селективного выращивания 310. Для специалиста должно быть понятно, что указанные параметры выращивания приведены для иллюстрации, и могут изменяться в зависимости от конкретного используемого реактора.In the process of pulse growing 320, the first group III feed gas, for example TMGa, and the second group V feed gas, for example NH 3 , can be introduced alternately into the growth reactor in a predetermined sequence, for example, as the first cycle of 324 sequences shown. In various embodiments, the growth of nanowires and / or matrices of nanowires may depend on the duration of each alternating step within the pulse sequence, which can be further optimized for a particular reactor geometry. For example, in the first cycle of 324 pulse sequences, TMGa can be injected at a rate of about 10 standard cm 3 / min for a certain time, for example, about 20 seconds (not shown), followed by, for example, a 10-second carrier gas purge (for example, with a mixture of hydrogen with nitrogen), during which no feed of gas occurs, after which NH 3 is introduced with a flow rate of about 1500 standard cm 3 / min for, for example, about 30 seconds (not shown), then, for example, 10 second carrier gas purge (e.g. imer, a mixture of hydrogen with nitrogen) with the cessation of the supply of source gases. Also, depending on the characteristics of the reactor, other pulse durations can be used, for example, 15-40 seconds for reagents of group III, 15-40 seconds for reagents of group V and 5-15 seconds to supply purge gases between each step of the introduction of reagents. In various embodiments, the pulse sequences, for example, the
В различных вариантах осуществления время (t1) переключения может определяться продолжительностью селективного выращивания 310. Время (t1) переключения может зависеть от скорости роста внутри каждого отверстия, например, каждого из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, показанных на Фиг.1-4. Скорость роста внутри каждого отверстия может, в свою очередь, зависеть от потоков газа (например, как демонстрируют графики потока газа 302 и 304) каждого исходного газа и геометрии каждого отверстия из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Зависимость от геометрии может возникнуть из-за того, что необходимые для роста реагенты, например, образующиеся из TMGa и/или NН3, могут осаждаться как на маске для селективного выращивания, так и в открытых отверстиях. Во время селективного выращивания 310 реагент, оседающий на маске для селективного выращивания, может обладать высокой поверхностной подвижностью и может либо покинуть поверхность маски, либо, при достаточной близости к открытому отверстию, диффундировать к этому отверстию и увеличить скорость роста в этом отверстии. Эта добавка к скорости роста может, таким образом, сильно зависеть от величины отверстия и расстояния между отверстиями. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера формирования множества GaN нанопроволок и/или матриц нанопроволок, переключением режима выращивания может произойти после 1 минуты селективного выращивания (т.е. t1=1 мин), что может быть экспериментально установлено по скорости роста GaN внутри отверстий, расположенных в определенном порядке. Например, скорость роста GaN может составлять примерно 0,6 мкм/ч, а отверстия, расположенные в определенном порядке, имеющие диаметр примерно 200 нм и шаг примерно 1 мкм, могут образовывать гексагональную матрицу.In various embodiments, the switching time (t 1 ) may be determined by the duration of
В различных вариантах осуществления на рост множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок может повлиять то, когда именно происходит переключение режима выращивания. Например, переключение режима выращивания может быть проведено после того, как множество растущих ядер 140 наноструктур не начнет выступать над маской для селективного выращивания (например, маской 135, показанной на Фиг.1-4). В различных вариантах осуществления у нанопроволок и/или матриц нанопроволок могут быть получены различные конфигурации/размеры, в зависимости от того, производится ли переключение режима выращивания "перед" тем (например, как показано на Фиг.1-4) или "после" того, как ядра нанопроволок выросли настолько, что стали выступать над маской для селективного выращивания.In various embodiments, the growth of a plurality of nanowires and / or matrices of nanowires can be influenced by when exactly the switching of the growth mode occurs. For example, the growth mode switch may be performed after a plurality of growing nuclei 140 of nanostructures begin to protrude above the mask for selective growth (for example,
На Фиг.6-8 представлено третье полупроводниковое устройство 400 на основе нанопроволоки, использованное для иллюстрации изобретения, сформированное с переключением режима выращивания "после" того, как ядра выросли настолько, что стали выступать над маской для селективного выращивания. Специалисту должно быть очевидно, что показанное на Фиг.6-8 устройство 400 на основе нанопроволоки представляет собой обобщенную схематическую иллюстрацию, и что могут быть добавлены другие слои/нанопроволоки, либо существующие слои/нанопроволоки могут быть удалены или модифицированы.Figures 6-8 show a third nanowire-based
Показанное на Фиг.6 устройство 400 может включать структуру и может быть сформировано посредством технологического процесса, которые сходны с теми, что были представлены на Фиг.3 для устройства 100. Видно, что устройство 400 может включать подложку 410, маску 435 для селективного выращивания и множество ядер 440 наноструктуры. Маска 435 для селективного выращивания и множество ядер 440 наноструктуры могут быть сформированы на подложке 410, при этом множество ядер 440 наноструктуры может быть распределено по маске 435 для селективного выращивания и проходить сквозь нее.The
В качестве подложки 410 может быть использована любая подложка, аналогичная подложке 110 устройства 100, на которой может быть выращен материал группы III-N. Для подложки 410 может быть использован, например, сапфир, карбид кремния или кремний. Аналогично, множество ядер 440 наноструктуры может быть сформировано по аналогии с тем, как формировалось множество ядер 140 наноструктуры устройства 100, показанного на Фиг.2. Например, множество ядер 440 наноструктуры может быть сформировано в ходе процесса, где сначала формируется множество отверстий, расположенных в определенном порядке (не показано), определяемых над подложкой 410 маской 435 для селективного выращивания. Каждое из множества отверстий, расположенных в определенном порядке, может быть, затем, заполнено выращиванием в них полупроводникового материала (например, GaN), например, с использованием стандартной технологии MOCVD. Множество ядер 440 наноструктуры может иметь толщину, равную толщине маски 435 для селективного выращивания, например, около 30 нм, и размер в поперечном сечении, например, толщину или диаметр, составляющие примерно от 10 нм до 200 нм. В качестве дополнительного примера, можно привести размеры в поперечном сечении примерно от 10 нм до 100 нм.As the
Показанное на Фиг.7 устройство 400 может включать множество наноструктур 442, выращенных как в поперечном направлении, так и вертикально от ядер 440 наноструктуры, при этом переключение режима выращивания произошло "после" того, как множество ядер 440 наноструктуры выступили за пределы верхней поверхности маски 435 для селективного выращивания. Например, каждая из множества наноструктур 442 может расти в поперечном направлении, расширяясь в стороны и, отчасти, по поверхности маски 435 для селективного выращивания. В различных вариантах осуществления, множество наноструктур 442 может включать пирамидальные структуры, содержащие верхнюю грань кристалла. Например, множество пирамидальных GaN наноструктур может включать верхнюю грань (0001), а размерами этой верхней грани можно управлять, изменяя продолжительность выращивания каждой наноструктуры. В частности, на ранней стадии роста, когда множество наноструктур 442 растет в поперечном направлении и, частично, на поверхности маски 435 для селективного выращивания, размеры верхней грани могут быть увеличены и ее размер может быть больше, чем размеры поперечного сечения множества ядер 440 наноструктуры. При продолжении роста размеры верхней грани могут уменьшаться так, что крайний верхний размер грани может быть меньше размера множества ядер 440 наноструктуры. Поэтому размерами верхних граней каждой пирамиды можно управлять, например, остановкой режима селективного выращивания (т.е. переключением режима выращивания) для остановки роста множества пирамидальных наноструктур. В различных вариантах осуществления верхние грани пирамидальных наноструктур, использованных в качестве примера, могут быть усеченными, а размер каждой усеченной верхней грани может быть затем сохранен для последующего выращивания нанопроволок и/или матриц нанопроволок с использованием импульсного режима выращивания. В различных вариантах осуществления диаметр усеченной верхней грани каждой из множества наноструктур 442 может быть сделан меньше, чем диаметр каждого из множества ядер 440 наноструктур. В различных вариантах осуществления, использованных в качестве примера, верхняя грань каждой из множества наноструктур 442 может иметь поперечное сечение, например, квадратной, многоугольной, прямоугольной, овальной и круглой формы.The
Устройство 400, показанное на Фиг.7, может быть использовано в качестве несущей подложки для нанопроволок и/или матриц нанопроволок, которая также может включать множество выделенных участков поверхности (т.е. поверхность каждой верхней грани множества наноструктур 442). Затем из множества выделенных участков поверхности могут быть выращены множество нанопроволок и/или матриц нанопроволок с сохранением свойств поперечного сечения (например, размеров и форм) каждого из множества выделенных участков поверхности.The
На Фиг.8 показано, как может быть сформировано множество нанопроволок 445 продолжением выращивания полупроводникового материала (например, GaN) из множества выделенных участков поверхности устройства 400 (т.е. из каждой верхней грани множества наноструктур 442) с использованием импульсного режима выращивания. В результате, множество нанопроволок могут быть расположены с заданными интервалами, а их диаметр, например, может составлять примерно от 20 до 500 нм, а поперечное сечение может быть, например, квадратной, многоугольной, прямоугольной, овальной и круглой формы.FIG. 8 shows how a plurality of
Путем использования импульсного режима выращивания "после" того, как в результате роста полупроводникового материала он стал выступать над маской 435 для селективного выращивания, на верхних гранях пирамидальных структур множества наноструктур 442, приведенных в качестве примера, может быть сформировано множество нанопроволок 445. Свойства каждой из множества нанопроволок 445, например, форма поперечного сечения и размеры, могут оставаться такими же, что и усеченных верхних граней, пока не будет достигнута требуемая длина. В различных вариантах осуществления длина каждой нанопроволоки может быть сформирована порядка микрометров, например, приблизительно 20 мкм или более.By using the pulsed “after” growth mode, when, as a result of the growth of the semiconductor material, he began to protrude above the
На Фиг.9 показано другое, приведенное в качестве примера, полупроводниковое устройство 500 на основе нанопроволок, в котором используется промежуточный слой, в соответствии с настоящим изоретением. Показано, что устройство 500 на основе нанопроволок может включать промежуточный слой 520, расположенный между подложкой, например, подложкой 410, и маской для селективного выращивания, например маской 435 для селективного выращивания. Промежуточный слой 520 может быть аналогичен промежуточному слою 220, показанному на Фиг.4. Промежуточный слой может представлять собой планарную пленку, сформированную из GaN, AlN, InN или AlGaN с использованием, например, стандартной технологии MOCVD. В различных вариантах осуществления толщина промежуточного слоя 520 может составлять примерно от 10 нм до 10 мкм. В различных вариантах осуществления, промежуточный слой 520 может быть легирован либо присадкой n-типа, либо присадкой р-типа, для обеспечения электрического контакта с нижним концом каждой нанопроволоки.Figure 9 shows another, by way of example, a
На Фиг.10(A-D) приведены примеры упорядоченных нанопроволок и/или матриц нанопроволок, выращенных посредством многоэтапных режимов выращивания без использования катализатора, в соответствии с настоящим изобретением (как ядра 140, 440 наноструктуры, так и нанопроволоки 145, 445 выращены без использования металлического катализатора, наносимого на подложку). Как показано на Фиг.10(A-D), множество нанопроволок из GaN 610 может быть выращено с крупномасштабной однородностью в части расположения, ориентации, длины, параметров поперечного сечения (например, размеров и/или формы) и кристаллических свойств. Согласно настоящему описанию в некоторых вариантах осуществления расположение и размеры каждой нанопроволоки могут соответствовать расположению и размерам каждого отверстия из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, показанных на Фиг.1-4. В других вариантах осуществления расположение и размеры каждой нанопроволоки могут соответствовать расположению и размерам каждой верхней грани множества наноструктур 442, показанных на Фиг.6-9.Figure 10 (AD) shows examples of ordered nanowires and / or matrices of nanowires grown through multi-stage growth conditions without using a catalyst in accordance with the present invention (both the
На Фиг.10(А) представлена крупномасштабная растрово-электронная микрофотография (SEM - от англ. scanning electron micrograph), полученная для использованных в качестве примера GaN нанопроволок 610, а на Фиг.10(В) представлена SEM, полученная для дальнего порядка GaN нанопроволок 610. В различных вариантах осуществления, каждая GaN нанопроволока может иметь структуру нанокристалла.Figure 10 (A) presents a large-scale scanning electron micrograph (SEM - from the English. Scanning electron micrograph) obtained for the
На Фиг.10(С) показано, что GaN нанопроволоки 610 могут быть ориентированы вдоль единого кристаллографического направления, например, кристаллографического направления (0001) GaN нанопроволок 610, использованных в качестве примера. Кроме того, маленькая центральная верхняя грань каждой нанопроволоки с направлением (0001) может граничить с наклонными гранями {1102} в верхней части каждой нанопроволоки.Figure 10 (C) shows that
На Фиг.10(D) представлен вид сверху использованных в качестве примера GaN нанопроволок 610, демонстрирующий гексагональную симметрию боковых граней каждой GaN нанопроволоки. Боковые грани, имеющие кристаллографические направления семейства {1100}, могут быть перпендикулярны ориентации маски 620 селективного выращивания. В различных вариантах осуществления диаметр GaN нанопроволок 610, использованных в качестве примера, может составлять примерно 1000 нм или менее.10 (D) is a top view of
Неизменность геометрии нанопровлоки в поперечном направлении (например, параметров поперечного сечения), проиллюстрированная на Фиг.10(A-D), указывает на то, что скорость роста GaN может быть ненулевой только в вертикальном направлении, то есть на верхних гранях с кристаллографическими направлениями (0001) и {1102}. Например, скорость вертикального роста множества GaN нанопроволок 610 при импульсном режиме выращивания может составлять, например, примерно 2 мкм/ч или более. С другой стороны, скорость роста GaN на боковых гранях (т.е. в поперечных направлениях), имеющих кристаллографическое направление {1100}, может быть, по существу, ничтожна, несмотря на их значительно большую площадь. В приведенном в качестве примера варианте осуществления GaN нанопроволоки 610 могут быть выращены одинаковой длины, равной примерно 20 мкм, или более, сохраняя неизменным диаметр, равный примерно 250 нм или менее, при использовании 30-нм маски для селективного выращивания. В различных вариантах осуществления наличием водорода в составе смеси газа-носителя можно управлять геометрией нанопроволоки.The invariable geometry of the nanowire in the transverse direction (for example, cross-sectional parameters), illustrated in FIG. 10 (AD), indicates that the growth rate of GaN can be non-zero only in the vertical direction, that is, on the upper faces with crystallographic directions (0001) and {1102}. For example, the vertical growth rate of a plurality of
Кроме того, приведенные в качестве примера однородные GaN нанопроволоки 610, показанные на Фиг.10(A-D), могут быть высокого качества, то есть по существу, без пронизывающих дислокации (TD - от англ. threading dislocations). Например, пронизывающие дислокации могут не наблюдаться в GaN нанопроволоках 145 и/или 445, показанных на Фиг.4 и Фиг.9, даже и в том случае, если пронизывающие дислокации имеются в промежуточном GaN слое 220 и/или 520, находящимся под маской 135 и/или 435 для селективного выращивания, поскольку считается, что эти дислокации отклоняются от нанопровлок и заканчиваются на поверхности под маской для выращивания. Более того, свободные от дефектов GaN нанопроволоки 610 могут быть выращены на различных подложках, например, подложке из сапфира, карбида кремния, например, 6Н-SiC, или кремния, например, грани Si (111).In addition, the exemplary
В различных вариантах осуществления однородные и высококачественные GaN нанопроволоки и/или матрицы нанопроволок могут быть использованы для изготовления высококачественных структур GaN подложек. Желательно иметь коммерчески рентабельные GaN подложки, поскольку использование таких подложек может значительно упростить изготовление светодиодов видимого света и лазеров для развивающихся технологий твердотельных источников для освещения и УФ чувствительных элементов. Более того, GaN подложки также могут быть использованы и в смежных областях, например радиочастотных схемах и устройствах высокой мощности.In various embodiments, uniform and high quality GaN nanowires and / or nanowire arrays can be used to fabricate high quality GaN substrate structures. It is desirable to have commercially viable GaN substrates, since the use of such substrates can greatly simplify the manufacture of visible light emitting diodes and lasers for developing solid-state source technologies for lighting and UV sensitive elements. Moreover, GaN substrates can also be used in related fields, such as radio frequency circuits and high power devices.
В различных вариантах осуществления структуры GaN подложек могут быть сформированы путем остановки роста и сращивания множества GaN нанопроволок, например, показанных на Фиг.1-10 с использованием, например, технологии наногетероэпитаксии. На Фиг.11-14 представлены четыре, использованные в качестве примера, полупроводниковые устройства, включающие структуры 712, 714, 715 и 717 GaN подложек, сформированных из множества GaN нанопроволок устройства 100 (см. Фиг.3), устройства 200 (см. Фиг.4), устройства 400 (см. Фиг.8), и устройства 500 (см. Фиг.9), соответственно.In various embodiments, GaN substrate structures can be formed by stopping the growth and splicing of a plurality of GaN nanowires, such as those shown in FIGS. 1-10, using, for example, nanoheteroepitaxy technology. 11-14, four semiconductor devices are used as an example, including structures of 712, 714, 715 and 717 GaN substrates formed from a plurality of GaN nanowires of the device 100 (see FIG. 3), the device 200 (see FIG. .4), devices 400 (see Fig. 8), and devices 500 (see Fig. 9), respectively.
Например, условия выращивания GaN могут быть изменены так, чтобы обеспечить сращивание сформировавшегося множества нанопроволок (например, 145 или 445) после того, как они выросли до подходящей высоты, а затем формирование структуры (например, 712, 714, 715 или 717) GaN подложки. Структура GaN подложки может представлять собой неразрывную, эпитаксиальную и полностью сращенную планарную пленку. "Подходящая высота" может быть определена для каждой комбинации нанопроволоки (например, GaN) и подложки (например, SiC или Si), и может представлять собой высоту, при которой обеспечивается существенное сокращение плотности дефектов в верхней сращенной GaN пленке (т.е. структуры GaN подложки). Кроме того, "подходящая высота" может быть высотой, при которой обеспечивается механически жесткая структура для получившихся полупроводниковых устройств, например, показанных на Фиг.11-14. В различных вариантах осуществления в силу отсутствия пронизывающих дефектов в множестве GaN нанопроволок (например, 145 или 445) может произойти сращивание структуры GaN подложки (например, подложки 712, 714, 715 или 717) поверх этого множества нанопроволок с образованием структуры GaN подложки, обладающей исключительно низкой плотностью дефектов, например, примерно 107/см2 или ниже.For example, the conditions for growing GaN can be changed so as to ensure that the formed set of nanowires (for example, 145 or 445) is fused after they have grown to a suitable height, and then the structure (for example, 712, 714, 715 or 717) of the GaN substrate is formed . The structure of the GaN substrate can be a continuous, epitaxial and fully fused planar film. An “appropriate height” can be determined for each combination of a nanowire (eg, GaN) and a substrate (eg, SiC or Si), and can be a height at which a significant reduction in defect density in the upper fused GaN film (i.e., structure GaN substrate). In addition, a “suitable height” may be a height at which a mechanically rigid structure is provided for the resulting semiconductor devices, such as those shown in FIGS. 11-14. In various embodiments, due to the absence of penetrating defects in a plurality of GaN nanowires (e.g., 145 or 445), a GaN structure of a substrate (e.g., a
В соответствии с различными вариантами осуществления способа изготовления нанопроволоки этапы способа (например, нанесение покрытия, нанесение разметки рисунка и травление маски для селективного выращивания, избирательное выращивание ядер нанопроволоки, импульсное выращивание нанопроволок и формирование структур GaN подложки, описанной в качестве примера) могут быть масштабированы для использования на подложках большой площади. Также их можно с успехом приспособить к требованиям производства, включая автоматизацию процессов изготовления подложек полупроводниковых приборов, и распространить на пластины больших размеров для достижения высокой эффективности кристаллов для фотоэлектроники, используемых для излучения света в светодиодах видимого и ближнего ультрафиолетового диапазонов.In accordance with various embodiments of a method for manufacturing a nanowire, the steps of the method (e.g., coating, patterning, and etching a mask for selective growth, selective growth of nanowire cores, pulsed growth of nanowires, and formation of GaN substrate structures described by way of example) can be scaled to use on substrates of a large area. They can also be successfully adapted to the requirements of production, including the automation of the processes for manufacturing the substrates of semiconductor devices, and extended to large plates to achieve high efficiency crystals for photoelectronics used to emit light in visible and near ultraviolet LEDs.
На Фиг.15-21 представлены в качестве варианта осуществления примеры активных устройств на основе нанопроволоки, включая светодиоды на основе нанопроволоки и лазеры на основе нанопроволоки, и примеры масштабируемых процессов изготовления таких устройств. В различных вариантах осуществления описанные нанопровлоки и матрицы нанопроволок группы III-N, например, GaN нанопроволоки и/или матрицы нанопроволок, могут обеспечить уникальные свойства активным устройствам на их основе. Это достигается благодаря тому, что каждая GaN нанопроволока, выращенная в импульсном режиме, может иметь боковые стенки в виде граней семейства {1100} и нормаль к каждой из этих боковых поверхностей может представлять неполярное направление для материалов группы III-N. Поэтому на таких боковых гранях каждой GaN нанопроволоки могут быть сформированы высококачественные квантовые ямы группы III-N, например, квантовые ямы InGaN/GaN, квантовые ямы AlGaN/GaN или другие квантовые ямы материалов группы III-N.15-21, as an embodiment, examples of active devices based on nanowires, including LEDs based on nanowires and lasers based on nanowires, and examples of scalable manufacturing processes of such devices are presented. In various embodiments, the described nanowires and matrices of group III-N nanowires, for example, GaN nanowires and / or nanowire matrices, can provide unique properties to active devices based on them. This is achieved due to the fact that each GaN nanowire grown in a pulsed mode can have side walls in the form of faces of the {1100} family and the normal to each of these side surfaces can represent a non-polar direction for materials of group III-N. Therefore, on such lateral faces of each GaN nanowires, high-quality III-N quantum wells can be formed, for example, InGaN / GaN quantum wells, AlGaN / GaN quantum wells or other quantum wells of III-N materials.
Например, параметры роста нанопроволоки могут быть существенно изменены, когда в ходе приведенного в качестве примера импульсного режима выращивания, к газовой фазе процесса MOCVD добавляется другой исходный газ, например, триметилалюминий (источника Al) или триметилиндий (источник In). В этом случае, даже набольшая молекулярная доля (например, около 1%) алюминия или индия, добавленная к GaN нанопроволокам и/или матрицам нанопроволок, может привести к росту каждой GaN нанопроволоки в поперечном направлении, с постоянным увеличением ее поперечного сечения (например, ширины или диаметра). Такое свойство поперечного роста позволяет создать гетероструктуры "ядро-оболочка", то есть на ядре GaN нанопроволоки могут быть выращены обволакивающие его квантовые ямы, включающие приведенные для примера материалы, например, сплавы InGaN и AlGaN. В результате выращивания оболочек вокруг ядра можно создать активную структуру на основе нанопровлоки "ядро-оболочка"/MGW для светоизлучающих устройств.For example, the nanowire growth parameters can be substantially changed when another source gas is added to the gas phase of the MOCVD process during the example pulsed growth regime, for example, trimethylaluminium (source Al) or trimethylindium (source In). In this case, even a large molecular fraction (for example, about 1%) of aluminum or indium added to GaN nanowires and / or matrices of nanowires can lead to the growth of each GaN nanowires in the transverse direction, with a constant increase in its cross section (for example, the width or diameter). This transverse growth property makes it possible to create “core-shell” heterostructures, that is, enveloping quantum wells can be grown on the GaN core of the nanowire, including example materials, for example, InGaN and AlGaN alloys. As a result of growing shells around the core, an active structure based on a core-shell / MGW nanowire can be created for light-emitting devices.
В различных вариантах осуществления может быть создано дополнительное третье условие роста для выращивания структуры "ядро-оболочка" приведенных в качестве примера сплавов InGaN и AlGaN после того, как GaN нанопроволока была выращена с использованием раскрытого двух-этапного режима выращивания. Этот третий режим выращивания может представлять собой режим непрерывного выращивания, аналогичный тому, что использовался в режиме селективного выращивания, например, этап 310 на Фиг.5. В различных других вариантах осуществления для третьего условия роста может быть использован импульсный режим выращивания.In various embodiments, an additional third growth condition can be created for growing the core-shell structure of exemplary InGaN and AlGaN alloys after a GaN nanowire has been grown using the disclosed two-stage growth mode. This third growing mode may be a continuous growing mode similar to that used in the selective growing mode, for example,
В различных вариантах осуществления активная структура с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW может быть использована для создания высокоэффективных наномерных оптоэлектронных устройств, например, светодиодов на основе нанопроволоки и/или лазеров на основе нанопроволоки. Например, получившаяся активная структура с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW (например, имеющая активную оболочку MQW на боковых стенках ядра каждой нанопроволоки) может быть свободна от пьезоэлектрических полей, а также не иметь связанного с этим штарк-эффекта квантовых ограничений (QCSE - от англ. quantum-confined Stark effect), поскольку ядро каждой нанопроволоки имеет неполярные боковые стенки. Устранение QCSE может повысить квантовую эффективность излучения в активной области, что улучшает рабочие характеристики светодиодов и лазеров. Кроме того, в отсутствие QCSE могут быть использованы квантовые ямы большей ширины, благодаря чему может быть улучшен интеграл перекрывания и усиление резонатора лазеров на основе нанопроволоки. Дополнительным преимуществом в отношении эффективности использования активных структур с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW является то, что площадь активной области может быть существенно увеличена благодаря уникальной структуре "ядро-оболочка".In various embodiments, an active core-sheath / MQW nanowire structure can be used to create highly efficient nanoscale optoelectronic devices, for example, nanowire LEDs and / or nanowire lasers. For example, the resulting active structure with a core-sheath / MQW nanowire (for example, having an MQW active sheath on the side walls of the core of each nanowire) may be free of piezoelectric fields and also not have the quantum confinement effect related to it (QCSE - from the English quantum-confined stark effect), since the core of each nanowire has non-polar side walls. Eliminating QCSE can increase the quantum efficiency of radiation in the active region, which improves the performance of LEDs and lasers. In addition, in the absence of QCSE, quantum wells of a larger width can be used, due to which the overlap integral and the gain of the resonator of nanowire lasers can be improved. An additional advantage with respect to the efficiency of using active structures with a core-shell nanowire / MQW is that the area of the active region can be significantly increased due to the unique core-shell structure.
На Фиг.15 изображено поперечное сечение слоистой структуры приведенного в качестве примера устройства 800 с активной структурой нанопроволоки "ядро-оболочка"/МQW, предложенного в настоящем изобретении. Для специалиста должно быть очевидно, что показанное на Фиг.15 устройство 800 представляет обобщенную схематическую иллюстрацию, и что могут быть добавлены другие материалы/слои/оболочки, либо существующие материалы/слои/оболочки могут быть удалены или модифицированы.15 is a cross-sectional view of a layered structure of an
Показано, что устройство 800 может включать подложку 810, легированный промежуточный слой 820, маску 825 для селективного выращивания, легированное ядро 830 нанопроволоки, и структуру оболочки 835, включающую первую легированную оболочку 840, MQW структуру 850 оболочки, вторую легированную оболочку 860 и третью легированную оболочку 870.It is shown that
Маска 825 для селективного выращивания может быть сформирована поверх промежуточного слоя 820, расположенного на подложке 810. Легированное ядро 830 нанопроволоки может соединяться с легированным промежуточным слоем и расти от него сквозь маску 825 для селективного выращивания, при этом легированное ядро 830 нанопроволоки может быть изолировано маской 825 для селективного выращивания. Структура 835 оболочки может быть сформирована так, чтобы окружать "оболочкой" легированное ядро 830 нанопроволоки, имея при этом активную структуру "ядро-оболочка", а структура 835 оболочки также может быть расположена на маске 825 для селективного выращивания. Кроме того, структура 835 оболочки может быть сформирована путем нанесения третьей легированной оболочки 870 поверх второй легированной оболочки 860, которая может быть сформирована поверх MQW структуры 850 оболочки над первой легированной оболочкой 840.A
Структура 810 может представлять собой подложку, аналогичную подложкам 110 и 410 (см. Фиг.1-4 и Фиг.6-9), включая сапфир, карбид кремния, кремний и подложки материалов групп III-V, например, GaAs или GaN.
Поверх подложки 810 может быть сформирован легированный промежуточный слой 820. Легированный промежуточный слой может быть аналогичен промежуточным слоям 220 и/или 520 (см. Фиг.4 и Фиг.9). Легированный промежуточный слой 820 может быть сформирован из, например, GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN или AlnGaN различными способами выращивания кристаллов, известными специалистам. В различных вариантах осуществления промежуточному слою 820 посредством легирования может быть сообщена проводимость того же типа, что и проводимость ядра 830 нанопроволоки. В некоторых вариантах осуществления, легированный промежуточный слой 820 может быть исключен из устройства 800.A doped
В качестве маски 825 для селективного выращивания может использоваться маска для селективного выращивания, аналогичная маскам 135 и/или 435 для селективного выращивания (см. Фиг.1-4 и Фиг.6-9), сформированная на промежуточном слое 820. В различных вариантах осуществления маска 825 для селективного выращивания может быть сформирована непосредственно на подложке 810. Маской 825 для селективного выращивания может определяться избирательное выращивание множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок. Маска 825 для селективного выращивания может быть сформирована из любого диэлектрического материала либо другого материала для маски для выращивания, известного специалистам.As a
В качестве легированного ядра 830 нанопроволоки может использоваться любая нанопроволока из множества нанопроволок, показанных на Фиг.1-4 и Фиг.6-14, сформированных с использованием двухэтапного режима выращивания. Легированное ядро 830 может быть сформировано из, например, GaN, AlN, InN, AlGaN, InGaN или AlnGaN, которые могут быть сделаны с проводимостью n-типа легированием различными примесями, например, кремнием, германием, селеном, серой и теллуром. В различных вариантах осуществления легированное ядро 830 нанопроволоки может быть сделано с проводимостью р-типа введением бериллия, стронция, бария, цинка или магния. Могут быть использованы и другие легирующие примеси, известные специалистам. В различных вариантах осуществления высотой легированного ядра 830 нанопроволоки может приблизительно определяться высота устройства 800 с активной структурой. Например, легированное ядро 830 нанопроволоки может иметь высоту примерно от 1 мкм до 1000 мкм.As the doped
Легированное ядро 830 нанопроволоки может иметь неполярные грани боковых стенок семейства {1100} (то есть грани в "m-плоскости), если для легирования ядра 830 нанопроволоки используется материал GaN. Структура 835 оболочки, включающая MQW структуру 850 оболочки, может быть получена выращиванием на этих гранях структуры "ядро-оболочка", и поэтому в устройстве 800 могут отсутствовать пьезоэлектрические поля и также связанный с этим штарк-эффект квантовых ограничений (QCSE).The doped
Первая легированная оболочка 840 может быть сформирована от неполярных граней боковых стенок легированного ядра 830 нанопроволоки и нанесена на них выращиванием структуры "ядро-оболочка", приведенным в качестве примера, с использованием импульсного режима выращивания. Например, первая легированная оболочка 840 может быть сформирована добавлением небольшого количества А1 в процессе импульсного выращивания легированного ядра 830 нанопроволоки, в результате чего формируется гетероструктура "ядро-оболочка". Тип проводимости первой легированной оболочки 840 и легированного ядра 830 нанопроволоки может быть сделан одинаковым, например, n-типа. В различных вариантах осуществления, первая легированная оболочка 840 может включать материал AlxGa1-xN, где x может быть любым числом, меньшим 1, например 0,05 или 0,10.The first
MQW структура 850 оболочки может быть сформирована на первой легированной оболочке 840 выращиванием структуры "ядро-оболочка", с использованием импульсного режима выращивания. В частности, MQW структура 850 оболочки может быть сформирована добавлением небольшого количества Al или In в процессе импульсного выращивания первой легированной оболочки 840 для продолжения формирования гетероструктуры "ядро-оболочка". В различных вариантах осуществления MQW структура 850 оболочки может включать, например, чередующиеся слои AlxGa1-xN и GaN, где х может, например, составлять 0,05 или любое другое число, меньшее 1,00. MQW структура 850 оболочки также может включать чередующиеся слои, например, InxGa1-xN и GaN, где х может быть любым числом, меньшим 1,00, например, любым числом в интервале примерно, от 0,20 до 0,45.An
Вторая легированная оболочка 860 может быть сформирована на MQW структуре 850 оболочки. Вторая легированная оболочка 860 может быть использована в качестве обедненного слоя для MQW структуры 850 оболочки с достаточной толщиной, составляющей, например, примерно от 500 нм до 2000 нм. Вторая легированная оболочка 860 может быть сформирована из например, AlxGa1-xN, где х может быть любым числом, меньшим 1,00, например, 0,20 или 0,30. Вторая легированная оболочка 860 может быть легирована так, чтобы полученный в результате тип проводимости соответствовал типу проводимости третьей легированной оболочки 870.A
Третья легированная оболочка 870 может быть сформирована продолжением выращивания структуры "ядро-оболочка" из второй легированной оболочки 860 с тем, чтобы закрыть устройство 800 с активной структурой. Третья легированная оболочка 870 может быть сформирована, например, из GaN и легирована для получения проводимости n-типа или р-типа. В различных вариантах осуществления, если первая легированная оболочка 830 является оболочкой с проводимостью n-типа, то вторая легированная оболочка 860 и/или третья легированная оболочка 870 могут быть оболочками с проводимостью р-типа, и наоборот. В различных вариантах осуществления, третья легированная оболочка 870 может иметь толщину приблизительно от 50 до 500 нм.The
В различных вариантах осуществления показанные на Фиг.15 устройства 800 на активной структуре "ядро-оболочка" могут электрически изолироваться друг от друга, если несколько устройств 800 расположены на большой площадке, например, полупроводниковой пластине-заготовке. На Фиг.16 показано устройство 900 на активной структуре, включающее диэлектрический материал 910, расположенный так, чтобы изолировать каждую, показанную на Фиг.15, активную структуру с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW, согласно настоящему изобретению.In various embodiments, shown in FIG. 15,
Как показано на Фиг.16, диэлектрический материал 910 может быть нанесен на маску 825 для селективного выращивания и соединен по краям с боковыми стенками структуры 835 оболочки, в частности с боковыми стенками третьей легированной оболочки 870. В различных вариантах осуществления диэлектрический материал 910 может быть любым диэлектрическим материалом, обеспечивающим электрическую изоляцию, например, оксидом кремния (SiO2), нитридом кремния (Si3N4), оксинитридом кремния (SiON) или другим изоляционным материалом. В некоторых вариантах осуществления диэлектрический материал 910 может представлять собой отверждаемый диэлектрик. Диэлектрический материал может быть нанесен, например, химическим осаждением из газовой фазы (CVD - от англ. chemical vapor deposition) либо центрифугированием, до достижения требуемой высоты или толщины. В различных вариантах осуществления высота/толщина диэлектрического материала 910 может быть дополнительно подогнана путем удаления части диэлектрического материала с верхней поверхности нанесенного диэлектрического материала, с использованием, например, технологий травления или обратной литографии, известных специалистам. Толщина диэлектрического материала 910 может быть адаптирована к конкретным требованиям устройства, в котором используется активная структура с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW.As shown in FIG. 16, a
В различных вариантах осуществления могут быть изготовлены различные светодиоды и лазеры на основе нанопроволоки с выращиванием структуры "ядро-оболочка", проиллюстрированного на Фиг.15-16, поскольку активные MQW структуры оболочки могут быть созданы на неполярных боковых стенках нанопроволок, выращенных в импульсном режиме выращивания. Например, если нанопроволоки расположены гексагональной матрицей с шагом, равным λ/2, где λ представляет собой длину волны излучения использованного в качестве примера светодиода или лазера, то матрица нанопроволок может создать оптическую обратную связь для стимулирования излучения света. На Фиг.17-21 представлены использованные в качестве примера наномерные активные устройства, сформированные на основе структур, показанных на Фиг.15-16, в соответствии с настоящим изобретением.In various embodiments, various nanowire LEDs and lasers can be fabricated with growing the core-sheath structure illustrated in Figs. . For example, if the nanowires are arranged in a hexagonal matrix with a step equal to λ / 2, where λ is the radiation wavelength of an LED or laser used as an example, the matrix of nanowires can create optical feedback to stimulate light emission. On Fig-21 presents used as an example nanoscale active devices formed on the basis of the structures shown in Fig-16, in accordance with the present invention.
На Фиг.17-19 изображены использованные в качестве примера светодиодные устройства 1000 на основе нанопроволоки, использующие активную структуру с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW, изображенную на Фиг.15-16, в соответствии с настоящим раскрытием.17-19 depict exemplary
В различных вариантах осуществления светодиодное устройство 1000 на основе нанопроволоки может быть изготовлено посредством добавления электрических контактов, например, на устройство 900. Электрические контакты могут включать проводящие структуры, сформированные из металлов, например, титана (Ti), алюминия (Al), платины (Pt), никеля (Ni) или золота (Аu), в различных многослойных комбинациях, например, Al/Ti/Pt/Au, Ni/Au, Ti/Al, Ti/Au, Ti/Al/Ti/Au, Ti/Al/Au, Al или Au с использованием известных специалистам технологий.In various embodiments, a
Показанное на Фиг.17 устройство 1000 может включать проводящую структуру 1040, сформированную на поверхности устройства 900, т.е. на каждой поверхности материала 910 и третьей легированной оболочки 870 структуры 835 оболочки. Проводящая структура 1040 может представлять собой прозрачный слой, используемый в качестве электрода р-типа светодиодного устройства 1000, которое будет изготовлено. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера, проводящая структура 1040 (или электрод р-типа) может представлять собой металлическую комбинацию металлов Ti/Au.As shown in FIG. 17,
В различных вариантах осуществления устройство 1000 может дополнительно включать диэлектрический слой 1010, толщина (или высота) которого подбирается. Подбором толщины диэлектрического слоя 1010 может регулироваться и протяженность (например, толщина или высота) проводящей структуры 1040 (электрода р-типа), сформированной на боковой стенке структуры 835 оболочки и вдоль нее, в соответствии с требованиями использования в активном устройстве на основе нанопроволоки. Например, толстый слой диэлектрика 1010 может ограничивать размещение проводящей структуры 1040 (или электрода р-типа) верхней частью активных устройств со структурой "ядро-оболочка", например, для светодиодов на основе нанопроволоки и/или лазеров на основе нанопроволоки. Напротив, уменьшение толщины диэлектрического слоя 1010 позволяет сделать более толстой или более высокой (т.е. увеличенного размера) проводящую структуру 1040 (или электрод р-типа) для уменьшения электрического сопротивления активных устройств. В различных вариантах осуществления большая толщина проводящей структуры 1040 (или электрода р-типа) может, однако, увеличивать потери активного устройства, например лазерного резонатора. Специалисту должно быть понятно, что оптимальные рабочие параметры проводящей структуры 1040 (или электрода р-типа) получаются в результате компромисса между понижением сопротивления активных устройств и ростом потерь резонатора.In various embodiments,
В различных вариантах осуществления толщина проводящей структуры 1040 (или электрода р-типа) вдоль боковых стенок структуры 835 оболочки использованного в качестве примера светодиодного устройства 1000 может составлять примерно в интервале от 1 мкм до 9 мкм для обеспечения высокой эффективности. В различных вариантах осуществления светодиодное устройство 1000 может иметь полную высоту, например, примерно 10 мкм.In various embodiments, the thickness of the conductive structure 1040 (or p-type electrode) along the side walls of the
Показанное на Фиг.18 устройство 1000 может дополнительно включать электрод 1045 р-типа, диэлектрик 1015 и маску 1025 для селективного контакта, имеющую канавки 1035, протравленные в маске 825 для селективного выращивания (см. Фиг.17).The
Электрод 1045 р-типа и находящийся под ним диэлектрик 1015 могут быть сформированы путем нанесения рисунка на проводящую структуру 1040 и диэлектрический слой 1010, и их травления (см. Фиг.17). В результате, участки (не показаны) поверхности маски 825 для селективного выращивания могут быть обнажены и отделены диэлектриком 1015 с обеих сторон каждой структуры "ядро-оболочка". После нанесения рисунка и травления может быть сформирована маска 1025 для селективного контакта путем создания канавок 1035 на обнаженных участках поверхности маски 825 для селективного выращивания, причем с каждой стороны активной структуры "ядро-оболочка" может быть по крайней мере одна канавка 1035. В результате участки поверхности подстилающего промежуточного слоя 820 могут быть использованы как дно канавок 1035.The p-
В различных вариантах осуществления толщина маски 1025 для селективного контакта может быть критичной с точки зрения функционирования светодиодного устройства 1000. Например, маска для селективного выращивания из нитрида кремния, имеющая толщину 30 нм, может быть достаточно толстой, чтобы выдерживать напряжение около 20 В или выше до пробоя светодиодного устройства 1000. В различных вариантах осуществления маска 1025 для селективного контакта может иметь толщину примерно 30 нм или менее. Специалисту, однако, должно быть понятно, что в технологии изготовления нанопроволоки и активного устройства на основе нанпроволок вполне может быть использована и более толстая маска для селективного выращивания.In various embodiments, the thickness of the
Показанное на Фиг.19 устройство 1000 может включать электроды 1080 n-типа, сформированные для обеспечения соединения между контактом с электронной стороны и центральной проводящей областью, включая легированный промежуточный слой 820 и ядро 830 нанопроволоки. Центральная проводящая область может представлять собой, например, сильно легированную область n+ GaN. В различных вариантах осуществления электроды 1080 n-типа могут включать проводящие структуры, сформированные нанесением материалов электрода на каждую поверхность маски 1025 для селективного контакта и дна канавок 1035. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера, электроды 1080 n-типа могут быть сформированы, например, из многослойной металлической композиции, например, Al/Ti/Pt/Au.As shown in FIG. 19,
Как показано на Фиг.19, из светодиодного устройства 1000 на основе нанопроволоки может выводиться генерируемый свет 1099 сквозь подложку 820, которая может быть прозрачна для длин волн зеленого и синего участков спектра. В различных вариантах осуществления более рассеянное излучение может происходить с верхней стороны устройства 1000 (не показано), поскольку светодиодное устройство на основе нанопроволоки достаточно мало для проявления дифракции. Это диффузное излучение может быть полезным для применения в твердотельных осветительных приборах.As shown in FIG. 19, generated light 1099 can be output from the
Таким образом, раскрытое светодиодное устройство 1000 на основе нанопроволоки может иметь уникальные свойства по сравнению с традиционными светодиодными устройствами. Во-первых, оно может обладать более высокой яркостью за счет того, что площадь активной области выращенной структуры "ядро-оболочка" (т.е. площади активной MQW оболочки) может быть увеличена приблизительно в 10 раз по сравнению с обычными планарными структурами светодиодов. Во-вторых, может быть улучшено выведение света, что повышает выходную эффективность светодиода. Это происходит благодаря геометрии светодиодного устройства, которая максимально использует площадь активной области, ориентированной по нормали к поверхности полупроводниковой пластины-заготовки, то есть к поверхности подложки. Закрытые области с боковых сторон активной MQW области помогают направлять излучение светодиода в вертикальном направлении. В-третьих, благодаря высокой точности расположения и размеров каждой из множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок, из полученных матриц светодиодных устройств 1000 могут быть сформированы фотонные кристаллы, в которых эффективность отбора мощности может быть еще увеличена. В-четвертых, электрическое сопротивление светодиода на основе нанопроволоки может быть существенно снижено за счет увеличения площади электрического контакта, например, площади контакта электрода 1045 р-типа. Наконец, поскольку светодиодное устройство 1000 может обеспечить излучение некоторой световой мощности с большей яркостью, на определенной полупроводниковой пластине-заготовке может быть расположено больше устройств, что снизит стоимость производства и поднимет его рентабельность. Например, для размещения металлических контактов светодиодные устройства 1000 могут располагаться с шагом (т.е. расстоянием между двумя соседними устройствами на основе нанопроволоки), составляющим, например, приблизительно 100 мкм. 4-дюймовая пластина может, в результате, включать примерно 0,78 миллиона или более светодиодных устройств 1000 на основе нанопроволоки, которые будут изготавливаться одновременно. В различных вариантах осуществления шаг размещения может быть еще уменьшен так, что на 4-дюймовой пластине-заготовке сможет разместиться, например, более миллиона светодиодных устройств 1000.Thus, the disclosed nanowire-based
На Фиг.20-21 показаны приведенные в качестве примера лазерные устройства на базе нанопроволоки, использующие активную структуру с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW, показанную на Фиг.15-19, в соответствии с настоящим раскрытием. Поскольку грани боковых стенок нанопроволок и/или матриц нанопроволок представляют собой точные грани {1100}, плоскостность которых определяется толщиной атомного слоя, на поверхности этих сверхплоских "подложек боковых стенок" могут быть сформированы высококачественные активные MQW области для лазерных устройств. Кроме того, вертикальная ориентация боковых граней и строгая периодичность расположения и однородность длины нанопроволок может обеспечить высокопроизводительный способ травления или скалывания граней для формирования оптического резонатора. Строгая периодичность может непосредственно обеспечить создание оптического резонатора фотонного кристалла.FIGS. 20-21 show exemplary nanowire-based laser devices using an active core-sheath / MQW nanowire structure shown in FIGS. 15-19, in accordance with the present disclosure. Since the faces of the side walls of nanowires and / or matrices of nanowires are exact {1100} faces whose planarity is determined by the thickness of the atomic layer, high-quality active MQW regions for laser devices can be formed on the surface of these superplane “side wall substrates”. In addition, the vertical orientation of the side faces and the strict periodicity of the arrangement and the uniformity of the length of the nanowires can provide a high-performance method of etching or cleaving faces to form an optical resonator. Strict periodicity can directly provide the creation of an optical resonator of a photonic crystal.
Как показано на Фиг.20, лазерное устройство 1100 на базе нанопроволоки может быть изготовлено с использованием процессов, описанных на Фиг.15-19, выращиванием активной структуры с нанопроволокой"ядро-оболочка"/МQW в качестве активной структуры лазера. Лазерное устройство 1100 на основе нанопроволоки может включать полированную структуру 1135 оболочки, полированный электрод 1145 р-типа, и пассивирующий слой 1195, который может быть сформирован на каждой поверхности полированной структуры 1135 оболочки и полированном электроде 1145 р-типа, закрывая активную структуру лазера.As shown in FIG. 20, a
Полированная структура 1135 оболочки и полированный электрод 1145 р-типа могут быть сформированы полировкой (то есть снятием материала) верхнего конца (по отношению к подложке 810 в качестве нижнего конца) активной структуры с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW (т.е. активной структуры лазера), например, показанной на Фиг.19. Могут быть использованы различные технологии полировки, например, химико-механическое полирование, при этом протравленный диэлектрик 1015 выполняет роль механической опоры.A
Шаг полирования может быть использован для полирования нескольких граней лазера без уменьшения, при этом технологичности лазерных устройств 1100 на основе нанопроволоки. Например, некоторое количество лазерных устройств 1100 на основе нанопроволоки, например, 0,78 миллиона или более, может быть сформировано на 4-дюймовой полупроводниковой пластине-заготовке для обеспечения высокой технологичности. В различных вариантах осуществления шаг размещения может быть еще больше уменьшен с тем, чтобы обеспечить размещение на 4-дюймовой пластине, например, более одного миллиона лазерных устройств.The polishing step can be used to polish several faces of the laser without reducing, while the manufacturability of
В различных вариантах осуществления протяженность (например, толщина или высота) полированного электрода 1145 р-типа, сформированного вдоль боковых стенок полированной структуры 1135 оболочки, может быть скорректирована путем подгонки толщины протравленного подстилающего диэлектрика 1015 для получения оптимальных рабочих характеристик лазерного устройства 1100. В различных вариантах осуществления толщина полированного электрода 1145 р-типа вдоль боковой стенки полированной структуры 1135 оболочки, показанной на Фиг.20, может составлять примерно в интервале от 1 мкм до 5 мкм, при этом общая высота составляет примерно 10 мкм.In various embodiments, the extent (eg, thickness or height) of the p-type
Пассивирующий слой 1195 может быть сформирован на верхнем полированном конце активной структуры каждого лазера, т.е. на каждой поверхности полированного электрода 1145 р-типа и полированной структуры 1135 оболочки. Конфигурация пассивирующего слоя может быть выбрана так, чтобы не происходило вредной нерадиационной рекомбинации или утечки через переход в лазерном устройстве 1100 на основе нанопроволоки. В различных вариантах осуществления пассивирующий слой может быть выполнен из, например, любого диэлектрического материала, известного специалистам, толщиной приблизительно от 10 до 100 нм.A
В некоторых вариантах осуществления состав и коэффициент преломления материалов, используемых для полированной структуры 1135 оболочки, окружающей резонатор в нанопроволоке (т.е. ядро 830 нанопроволоки) могут повлиять на процесс генерирования оптического излучения 1199. Например, когда диаметр нанопроволок, приведенных в качестве примера, составляет примерно 200 нм, часть генерируемой оптической волны может существовать за пределами резонатора. Поэтому лазер может быть более чувствителен к составу и индексу преломления окружающих резонатор материалов, то есть материалов, используемых для каждого слоя полированной структуры 1135 оболочки.In some embodiments, the composition and refractive index of the materials used for the
В других вариантах осуществления, поскольку на лазерном оптическом резонаторе (т.е. ядре 830 нанопроволоки) физически отсутствует нижняя грань, может существовать изменение эффективного показателя преломления в области маски 1025 для селективного выращивания. Это изменение показателя преломления может на деле быть обеспечено (т.е. увеличено) за счет того, что часть генерируемой оптической волны может существовать за пределами резонатора. В приведенном в качестве примера варианте осуществления оптическая настройка лазерного устройства 1100 на основе нанопроволоки (см. Фиг.20) может быть выполнена регулировкой толщины маски 1025 для селективного контакта для получения максимального отражения. Например, оптическая толщина маски 1025 для селективного контакта в лазерном устройстве 1100 может составлять приблизительно от 220 нм до 230 нм, если устройство излучает синий свет при длине волны 450 нм.In other embodiments, since the bottom face is physically absent on the laser optical resonator (i.e., the nanowire core 830), there may be a change in the effective refractive index in the region of the
На Фиг.21 показано другое лазерное устройство 1200, использованное в качестве примера, в котором между слоями подложки 810 и маски 1025 для селективного выращивания располагается зеркальная стопа 1220 брэгговских отражателей (DBR - от англ. distributed Bragg reflector) вместо легированного промежуточного слоя 820, расположенного между двумя слоями лазерного устройства 1100, показанного на Фиг.20.On Fig shows another
Зеркальная стопа 1220 DBR зеркал может представлять эпитаксиальную DBR зеркальную стопу. DBR зеркальная стопа 1220 может включать, например, чередующиеся четверть-волновые слои из, например, GaN и AlGaN. В различных вариантах осуществления DBR зеркальная стопа 1220 может быть настроена так, чтобы улучшить отражение и увеличить добротность резонатора лазера 1299.Mirrored
В различных вариантах осуществления все активные устройства на основе нанопроволоки, показанные на Фиг.19-21, могут иметь низкое сопротивление устройства, поскольку на большей площади может быть расположено больше имеющих сопротивление электродов р-типа (например, электродов 1045 и/или 1145 р-типа) гетероструктуры, поскольку это площадь наружной периферии каждой активной структуры с нанопроволокой "ядро-оболочка"/МQW. Например, для светодиодного устройства 1000 (показано на Фиг.19) конфигурация электрода 1045 р-типа может быть такой, что он полностью покроет верхнюю часть устройства 1000, что приведет к дальнейшему снижению сопротивления устройства.In various embodiments, all active nanowire devices shown in FIGS. 19-21 may have a low resistance, since more p-type electrodes (e.g., 1045 and / or 1145 p- electrodes can be located over a larger area) type) heterostructures, since this is the area of the outer periphery of each active structure with a core-shell nanowire / MQW. For example, for the LED device 1000 (shown in FIG. 19), the configuration of the p-
Несмотря на то, что на Фиг.15-21 была представлена одиночная нанопроволока для иллюстрации изобретения, специалисту должно быть понятно, что процесс выращивания структуры "ядро-оболочка" для каждой нанопроволоки из множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок (например, показанных на Фиг.1-10) для наномерных активных устройств может быть осуществлен одновременно на большой площади (например, целой полупроводниковой пластины-заготовке).Although a single nanowire has been shown in Figs. .1-10) for nanoscale active devices can be implemented simultaneously over a large area (for example, a whole semiconductor wafer blank).
Для специалистов, ознакомившихся с предложенными здесь описанием и способом осуществления изобретения, будут очевидны и другие преимущества настоящего изобретения. Считается, что описание и примеры осуществления приведены только для иллюстрации, а истинные область притязаний и сущность изобретения определяются нижеследующей формулой изобретения.For specialists who have become acquainted with the description and method of carrying out the invention proposed herein, other advantages of the present invention will be apparent. It is believed that the description and examples of implementation are given for illustration only, and the true scope of the claims and the essence of the invention are determined by the following claims.
Claims (25)
содержащей группу отверстий, расположенных в определенном порядке и открывающих группу участков подложки,
стадию селективного неимпульсного выращивания, в которой на каждом из указанных участков сквозь указанные отверстия выращивают ядра нанопроволок с использованием режима выращивания, включающего
одновременную подачу исходных газообразных веществ, образующих ядра нанопроволок, в реактор для выращивания кристаллов (неимпульсный режим),
стадию переключения, в которой после формирования ядер нанопроволок с заданными характеристиками переключают режим выращивания из неимпульсного режима в режим, при котором происходит поочередная подача исходных газообразных веществ, образующих нитевидную часть нанопроволок, в реактор для выращивания кристаллов (импульсный режим), и
стадию импульсного выращивания, в которой продолжают выращивание нитевидных частей нанопроволок в импульсном режиме с формированием множества полупроводниковых нанопроволок.1. A method of manufacturing nanowires, comprising the step of forming a mask for selective growth on a substrate,
containing a group of holes arranged in a certain order and opening a group of sections of the substrate,
the stage of selective non-pulse growth, in which at each of these sites through these holes grow nuclei of nanowires using the growing mode, including
the simultaneous supply of the source of gaseous substances forming the core of the nanowires, in the reactor for growing crystals (non-pulse mode),
a switching stage in which, after the formation of the cores of the nanowires with the specified characteristics, the growth mode is switched from the non-pulsed mode to the mode in which the initial gaseous substances forming the filamentous part of the nanowires are alternately fed into the crystal growing reactor (pulsed mode), and
the stage of pulsed growth, in which they continue to grow the filamentary parts of the nanowires in a pulsed mode with the formation of many semiconductor nanowires.
матрицу нанопроволок, содержащую группу нанопроволок GaN, каждая из которых свободна от дефектов, и
пленку GaN, полученную сращиванием группы нанопроволок GaN, которая характеризуется значением плотности дефектов приблизительно 107/см-2 или менее,
причем указанные нанопроволоки GaN получены способом по п.1 или 2.24. A semiconductor device made of gallium nitride, including:
a matrix of nanowires containing a group of GaN nanowires, each of which is free from defects, and
a GaN film obtained by splicing a group of GaN nanowires, which is characterized by a defect density of approximately 10 7 / cm -2 or less,
moreover, these GaN nanowires obtained by the method according to claim 1 or 2.
Applications Claiming Priority (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US78083306P | 2006-03-10 | 2006-03-10 | |
US60/780,833 | 2006-03-10 | ||
US79833706P | 2006-05-08 | 2006-05-08 | |
US60/798,337 | 2006-05-08 | ||
US60/808,153 | 2006-05-25 | ||
US88936307P | 2007-02-12 | 2007-02-12 | |
US60/889,363 | 2007-02-12 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008134322A RU2008134322A (en) | 2010-02-27 |
RU2437180C2 true RU2437180C2 (en) | 2011-12-20 |
Family
ID=42127578
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008134322/28A RU2437180C2 (en) | 2006-03-10 | 2007-03-09 | Manufacturing method of nanowires, matrix of nanowires from nitrides of group iii of periodic table (versions), and substrate (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2437180C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2609788C1 (en) * | 2015-11-24 | 2017-02-03 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Production method for nanowire catalyst |
RU2657094C1 (en) * | 2017-07-19 | 2018-06-08 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for obtaining the solid regularly located whiskers |
RU2711824C1 (en) * | 2016-12-14 | 2020-01-22 | федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" | GROWTH OF GaN NANOTUBES, ACTIVATED WITH Si DOPANT ON Si SUBSTRATES WITH THIN AIN BUFFER LAYER |
RU2770919C1 (en) * | 2021-06-07 | 2022-04-25 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Method for producing layered nanowires from ferromagnetic metals with a programmable structure and a device for its implementation |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460166C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-08-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт Уральского отделения РАН | Method of producing semiconductor nanostructure |
-
2007
- 2007-03-09 RU RU2008134322/28A patent/RU2437180C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Kipshidze G et all. Controlled growth of GaN nanowires by pulsed metalorganic chemical vapor deposition. APPLIED PHYSICS LETTERS, 86, 033104, 11.01.2005. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2609788C1 (en) * | 2015-11-24 | 2017-02-03 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Production method for nanowire catalyst |
RU2711824C1 (en) * | 2016-12-14 | 2020-01-22 | федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" | GROWTH OF GaN NANOTUBES, ACTIVATED WITH Si DOPANT ON Si SUBSTRATES WITH THIN AIN BUFFER LAYER |
RU2657094C1 (en) * | 2017-07-19 | 2018-06-08 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for obtaining the solid regularly located whiskers |
RU2770919C1 (en) * | 2021-06-07 | 2022-04-25 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Method for producing layered nanowires from ferromagnetic metals with a programmable structure and a device for its implementation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008134322A (en) | 2010-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8716045B2 (en) | Pulsed growth of catalyst-free growth of GaN nanowires and application in group III nitride semiconductor bulk material | |
US7968359B2 (en) | Thin-walled structures | |
US20110140072A1 (en) | Defect-free group iii - nitride nanostructures and devices using pulsed and non-pulsed growth techniques | |
CN101443887B (en) | Pulsed growth of GAN nanowires and applications in group III nitride semiconductor substrate materials and devices | |
KR102461045B1 (en) | Lasers or LEDs based on nanowires grown on graphene-type substrates | |
KR101549270B1 (en) | Nitride nanowires and method of producing such | |
US8471268B2 (en) | Light emitting device | |
JP5226174B2 (en) | NANOSTRUCTURE, ELECTRONIC DEVICE HAVING SUCH NANOSTRUCTURE, AND METHOD FOR PREPARING NANOSTRUCTURE | |
WO2012075461A1 (en) | Defect-free group iii - nitride nanostructures and devices based on repetitive multiple step growth-etch sequence | |
WO2009009612A2 (en) | Growth of self-assembled gan nanowires and application in nitride semiconductor bulk material | |
KR101964890B1 (en) | Nano-structured light emitting device | |
TW201243901A (en) | Method for making light-emitting diode | |
RU2437180C2 (en) | Manufacturing method of nanowires, matrix of nanowires from nitrides of group iii of periodic table (versions), and substrate (versions) | |
EP3850676A1 (en) | Semiconductor devices with structures for emitting or detecting light | |
JP3157124U (en) | Structure of gallium nitride based light-emitting diode | |
CN113437191A (en) | Electric injection plasmon laser array based on whispering gallery mode and preparation method | |
KR101557083B1 (en) | Semiconductor thin film structure and method of forming the same | |
BRPI0708752A2 (en) | pulsed nanowire growth and applications in group iii nitride semiconductor substrate materials and devices |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20110607 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180310 |