способ изготовления нанопроволок, матрица нанопроволок из нитридов элементов iii группы периодической таблицы (варианты) и подложка (варианты)

Формула изобретения

1. Способ изготовления нанопроволок, включающий стадию формирования на подложке маски для селективного выращивания,

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.

2. Способ по п.1, в котором в состав подложки включают промежуточный слой поверх несущей поверхности подложки, а ядра нанопроволок селективно выращивают на промежуточном слое сквозь группу отверстий, расположенных в определенном порядке.

3. Способ по п.1 или 2, в котором в состав подложки включают по меньшей мере один материал, выбранный из группы, включающей Si, SiC, сапфир, GaN и GaAs.

4. Способ по п.1 или 2, в котором до стадии селективного неимпульсного выращивания дополнительно осуществляют по меньшей мере один процесс очистки.

5. Способ по п.1 или 2, в котором определенным порядком группы отверстий является гексагональная матрица, при этом диаметр отверстий составляет приблизительно от 10 нм до 1000 нм и шаг отверстий составляет приблизительно от 50 нм до 10 мкм.

6. Способ по п.1 или 2, в котором поперечные сечения каждой полупроводниковой нанопроволоки из группы полупроводниковых нанопроволок и каждого отверстия из группы отверстий, расположенных в определенном порядке, по существу, совпадают.

7. Способ по п.6, в котором форму поперечного сечения выбирают из группы, включающей многоугольник, прямоугольник, квадрат, овал и круг.

8. Способ по п.6, в котором переключение режима выращивания из неимпульсного в импульсный режим осуществляют до выхода ядра нанопроволоки поверх маски для селективного выращивания.

9. Способ по п.1 или 2, в котором по меньшей мере один материал, выбранный из группы, включающей GaN, AlN, InN, InGaN, AlInGaN и AlGaN, используется в качестве полупроводникового материала.

10. Способ по п.1 или 2, в котором на стадии селективного выращивания осуществляют введение газообразных исходных веществ группы III и группы V Периодической таблицы, соотношение V/III в которых составляет приблизительно от 100 до 500.

11. Способ по п.1 или 2, в котором на стадии импульсного выращивания в реакторе для выращивания в по меньшей мере одном из последовательных циклов осуществляют попеременное введение исходных газообразных веществ группы III и группы V Периодической таблицы, в которых соотношение V/III составляет приблизительно от 60 до 100.

12. Способ по п.1 или 2, в котором на этапе импульсного выращивания скорость вертикального роста доводят до приблизительно 2 мкм/ч или более.

13. Способ по п.1 или 2, в котором каждая нанопроволока из группы нанопроволок имеет длину приблизительно от 10 нм до 100 мкм.

14. Способ по п.1 или 2, в котором переключение режима выращивания из неимпульсного в импульсный режим производят после выступания растущего ядра нанопроволоки поверх маски для селективного выращивания с образованием группы усеченных пирамидальных наноструктур, частично расположенных на поверхности маски для селективного выращивания, после этого на каждой пирамидальной наноструктуре из группы указанных пирамидальных наноструктур формируют нитевидную часть нанопроволоки посредством продолжения импульсного выращивания нанопроволок, при этом поперечные сечения нанопроволок и верхней стороны каждой из пирамидальных наноструктур, по существу, совпадают.

15. Способ по п.14, в котором нитевидная часть полупроводниковой нанопроволоки имеет размер поперечного сечения меньший, чем размер поперечного сечения каждого отверстия из группы отверстий, расположенных в определенном порядке.

16. Матрица нанопроволок, включающая подложку с группой селективных участков поверхности и нанопроволоки из нитридов элементов III группы, полученные способом по п.1 или 2, соединенные каждая с и выходящая из соответствующего участка из группы указанных селективных участков, при этом указанная нанопроволока ориентирована вдоль единого направления, а ее поперечное сечение остается таким же, как у соответствующего участка из группы селективных участков поверхности.

17. Матрица по п.16, в которой нанопроволоки состоят из GaN и ориентированы вдоль кристаллографического направления (0001).

18. Матрица по п.16, в которой каждая нанопроволока включает по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN и AlInGaN.

19. Матрица по п.16, в которой форма поперечного сечения каждой нанопроволоки выбрана из группы, включающей многоугольник, прямоугольник, квадрат, овал и круг.

20. Матрица по п.16, в которой каждая нанопроволока дополнительно имеет соотношение размеров, равное приблизительно 100 или более, а размер ее поперечного сечения составляет приблизительно 250 нм или менее.

21. Матрица по п.16, в которой подложка включает в себя группу нанопроволок из нитридов элементов III группы Периодической таблицы, при этом нитевидная часть каждой нанопроволоки расположена на поверхности соответствующего ядра нанопроволоки, причем поверхность нитевидной части нанопроволоки является поверхностью усеченной пирамидальной структуры, образованной в результате роста ядра нанопроволоки поверх маски для селективного выращивания на стадии первоначального неимпульсного выращивания.

22. Матрица по п.21, в которой подложка дополнительно включает в себя наноструктуру пирамидальной формы из нитридов элементов III группы Периодической таблицы, образованную из ядер нанопроволоки из нитридов элементов III и частично расположенную на маске для селективного выращивания, причем верхняя грань указанной наноструктуры включает в себя один участок из группы селективных участков поверхности подложки.

23. Матрица нанопроволок из нитридов элементов III группы Периодической таблицы, включающая подложку, маску для селективного выращивания, расположенную поверх указанной подложки, группу отверстий, расположенных в определенном порядке, при котором обнажена группа селективных участков поверхности вышеупомянутой подложки, и нанопроволоки группы III-N, каждая из которых соединена с и выходит из соответствующего участка из группы указанных селективных участков, при этом каждая указанная нанопроволока ориентирована вдоль единого направления, а ее поперечное сечение остается таким же, как у соответствующего участка из группы селективных участков поверхности подложки.

24. Полупроводниковое устройство из нитрида галлия, включающее:

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.

25. Подложка, включающая группу нанопроволок, полученных способом по п.1 или 2.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Уровень техники

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.

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.

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.

Раскрытие изобретения

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.

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.

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 10 ⁷/см^-2 или менее.

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.

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.

Краткое описание чертежей

Приложенные чертежи, включенные в описание и составляющие его часть, иллюстрируют несколько вариантов осуществления изобретения и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов изобретения.

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.

На Фиг.4 представлен второй пример устройства с полупроводниковыми нанопроволоками, иллюстрирующий настоящее изобретение.

На Фиг.5 представлен пример процесса формирования множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок, при использовании двухфазного режима выращивания, предложенного в настоящем изобретении.

На Фиг.6-8 изображено третье устройство с полупроводниковыми нанопроволоками, иллюстрирующее настоящее изобретение.

На Фиг.9 представлено четвертое устройство с полупроводниковыми нанопроволоками, иллюстрирующее настоящее изобретение.

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.

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.

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.

На Фиг.16 представлен другой пример устройства с активной структурой на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW, предложенного в настоящем изобретении.

На Фиг.17-19 показан пример светодиода на основе нанопроволоки, использующего активную структуру на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW, в соответствии с настоящим изобретением.

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.

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.

Осуществление изобретения

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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 In_xGa _1-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 In_0,3Ga _0,7N (где x равно примерно 0,3) может быть использовано в активной MQW области светодиода, излучающего синий свет, в то время как соединение ln_0,43Ga_0,57N (где x равно примерно 0,43) может быть использовано в активной MQW области светодиода зеленого света.

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.

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.

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.

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.

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 иили 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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°.

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.

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 см ³/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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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".

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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 Al_xGa_1-x N, где x может быть любым числом, меньшим 1, например 0,05 или 0,10.

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 Al_xGa_1-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, In_xGa_1-xN и GaN, где х может быть любым числом, меньшим 1,00, например, любым числом в интервале примерно, от 0,20 до 0,45.

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, Al_xGa_1-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.

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.

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.

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 (Si₃ N₄), 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.

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 /2, где 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.