特表 2023-521478 層及びナノワイヤから形成されるハイブリッド構造を含む発光ダイオード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-24

(54)【発明の名称】層及びナノワイヤから形成されるハイブリッド構造を含む発光ダイオード

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/04 20100101AFI20230517BHJP

   H01L 33/38 20100101ALI20230517BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20230517BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20230517BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20230517BHJP

【ＦＩ】

H01L33/04

H01L33/38

H01L33/32

H01L21/28 301B

H01L21/28 301

H01L29/44 P

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022562844

(86)(22)【出願日】2021-04-09

(85)【翻訳文提出日】2022-12-13

(86)【国際出願番号】 FR2021050630

(87)【国際公開番号】W WO2021209702

(87)【国際公開日】2021-10-21

(31)【優先権主張番号】2003746

(32)【優先日】2020-04-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】502124444

【氏名又は名称】コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ

(71)【出願人】

【識別番号】506316557

【氏名又は名称】サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック

(71)【出願人】

【識別番号】516065504

【氏名又は名称】ユニヴェルシテ グルノーブル アルプ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ブリュノ・ドーダン

(72)【発明者】

【氏名】グウェノレ・ジャコパン

(72)【発明者】

【氏名】ジュリアン・ペルノ

【テーマコード（参考）】

4M104

5F241

【Ｆターム（参考）】

4M104AA04

4M104AA07

4M104BB36

4M104CC01

4M104FF11

4M104FF26

4M104GG04

4M104HH20

5F241AA25

5F241CA04

5F241CA05

5F241CA40

5F241CA52

5F241CA66

5F241CA74

5F241CA88

(57)【要約】

本発明は、少なくとも以下を含む発光ダイオード（１００）に関する：
・ｎドープＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{（１－Ｘ１－Ｙ１）}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（Ｘ１＞０およびＸ１＋Ｙ１≦１）の第１の層（１０６）、
・ｐドープＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{（１－Ｘ２－Ｙ２）}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（Ｘ２＞０およびＸ２＋Ｙ２≦１）の第２の層（１０８）、
・第１の層および第２の層（１０６、１０８）の間に配置され、少なくとも１つの多重量子井戸発光構造（１１２、１１４）を含む活性領域、
・第２の層（１０８）上に配置された、インジウム原子およびマグネシウム原子でｐドープされたＡｌＮに基づくナノワイヤ（１２２）、
・ナノワイヤ（１２２）と接触するオーミック接触層（１２４）。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも以下を含む発光ダイオード（１００）：
・ｎドープＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{（１－Ｘ１－Ｙ１）}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（Ｘ１＞０およびＸ１＋Ｙ１≦１）の第１の層（１０６）、
・ｐドープＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{（１－Ｘ２－Ｙ２）}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（Ｘ２＞０およびＸ２＋Ｙ２≦１）の第２の層（１０８）、
・第１の層および第２の層（１０６、１０８）の間に配置され、少なくとも１つの多重量子井戸発光構造（１１２、１１４）を含む活性領域（１１０）、
・第２の層（１０８）上に配置された、インジウム原子およびマグネシウム原子でｐドープされたＡｌＮに基づくナノワイヤ（１２２）、
・ナノワイヤ（１２２）と接触するオーミック接触層（１２４）。

【請求項2】

ナノワイヤ（１２２）の横側面を覆い、オーミック接触層（１２４）がその上に配置される誘電体層（１２３）をさらに含む、請求項１に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項3】

オーミック接触層（１２４）が、ナノワイヤ（１２２）の横側面および／またはナノワイヤの上部を覆う、請求項１に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項4】

オーミック接触層（１２４）が、ダイヤモンドを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項5】

ナノワイヤ（１２２）中のインジウムの原子濃度は、約１０^１７から１０^２１原子／ｃｍ^３の間であり、および／またはナノワイヤ（１２２）中のマグネシウムの原子濃度は、約１０^１８から１０^２１原子／ｃｍ^３の間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項6】

第２の層（１０８）の厚さの少なくとも一部がエッチングされ、ナノワイヤ（１２２）がその上に配置されるピラー（１２５）を形成している、請求項１から５のいずれか一項に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項7】

多重量子井戸発光構造（１１２、１１４）が、Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_{（１－Ｘ３）}Ｎを含み、Ｘ３が約０から１の間である、請求項１から６のいずれか一項に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項8】

第１の層（１０６）が、活性領域（１１０）と第３の層（１１６）との間に配置されるように、意図的にドープされていないＡｌ_Ｘ４Ｇａ_{（１－Ｘ４－Ｙ４）}Ｉｎ_Ｙ４Ｎ（Ｘ４＞０およびＸ４＋Ｙ４≦１）の第３の層（１１６）をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項9】

第２の層（１０８）との界面におけるナノワイヤ（１２２）の横方向の寸法が、オーミック接触層（１２４）との界面におけるものよりも小さい、請求項１から８のいずれか一項に記載の発光ダイオード（１００）。

【請求項10】

発光ダイオード（１００）を製造する方法であって、少なくとも以下を含む方法：
・ｎドープされたＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{（１－Ｘ１－Ｙ１）}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（Ｘ１＞０およびＸ１＋Ｙ１≦１）の第１の層（１０６）を生成するステップ、
・第１の層（１０６）上に配置され、少なくとも１つの多重量子井戸発光構造（１１２、１１４）を含む活性領域（１１０）を生成するステップ、
・活性領域（１１０）上に、ｐドープされたＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{（１－Ｘ２－Ｙ２）}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（Ｘ２＞０およびＸ２＋Ｙ２≦１）の第２の層（１０８）を生成するステップ、
・第２の層（１０８）上に、インジウム原子およびマグネシウム原子でｐドープされたＡｌＮに基づくナノワイヤ（１２２）を生成するステップ、
・ナノワイヤ（１２２）と接触して配置されたオーミック接触層（１２４）を生成するステップ。

【請求項11】

第１の層（１０６）、活性領域（１１０）および第２の層（１０８）が、ＭＯＣＶＤ型の堆積によって生成され、ナノワイヤ（１２２）が、分子線エピタキシーによって生成される、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

オーミック接触層（１２４）が、分子線エピタキシーによって、または真空蒸着によって、または陰極スパッタリングによって、または化学気相堆積によって生成される、請求項１０または１１に記載の方法。

【請求項13】

ナノワイヤ（１２２）の生成が、以下のステップの実施を含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法：
・第２の層（１０８）上に、生成が意図されるナノワイヤ（１２２）の数および配置に対応する数および配置の開口部（１２８）が通過するハードマスク（１３０）を生成するステップ、
・ハードマスク（１３０）が配置される第２の層（１０８）の面上で、ハードマスク（１３０）の開口部（１２８）からエピタキシーによってナノワイヤ（１２２）を生成するステップ。

【請求項14】

ナノワイヤ（１２２）の生成が、以下のステップの実施を含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法：
・第２の層（１０８）の厚さの少なくとも一部で、ナノワイヤ（１２２）の生成が意図される側の第２の層（１０８）の面からエッチングが実行され、その数および配置が生成が意図されるナノワイヤ（１２２）の数および配置に対応するピラー（１２５）を形成するステップ、
・第２の層（１０８）に形成されたピラー（１２５）上でのエピタキシーによってナノワイヤ（１２２）を生成するステップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光ダイオードまたはＬＥＤ（「Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ」）の分野に関する。有利には、本発明は、紫外（ＵＶ）範囲、特に約２００ｎｍから３５０ｎｍの間に含まれる波長範囲の光を放出するＬＥＤの製造に適用される。

【背景技術】

【0002】

紫外発光の分野では、水銀を使用しない発光方法を見出す必要がある。この問題を解決するのが、ＡｌＮ及びＧａＮの合金で構成されたＬＥＤである。

【0003】

ＵＶ範囲で発光する半導体ヘテロ構造に基づくＬＥＤは、様々な組成を有するＡｌＧａＮを含む層のスタックからなる。図１は、そのようなＬＥＤ１０の構造を概略的に示す。ＬＥＤ１０は、ｎドープＡｌＧａＮを含む第１の層１２と、ｐドープＡｌＧａＮを含む第２の層１４とによって形成されるｐｎ接合を含む。ＬＥＤ１０はまた、層１２と１４との間に、ＬＥＤ１０の発光領域を形成し、光子の放出を生じる電子と正孔の再結合が起こる量子井戸を含む活性領域１６を含む。活性領域１６は、意図的にドープされていない、または真性のＡｌＧａＮを含む。ＬＥＤ１０はまた、第２の層１４上に、高濃度ｐドープＧａＮの層１８と、層１８上に配置され、例えばＮｉ－Ａｕ合金を含む導電層２０とを含む。これらの層は、ＭＯＣＶＤ（「Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（有機金属化学気相堆積）」、または有機金属前駆体からの化学気相堆積）によって形成される。

【0004】

活性領域１６の半導体の組成は、ＬＥＤ１０によって放出されることが意図されている波長に応じて選択される。ＵＶ範囲で放出するために、活性領域１６は、Ｘが０≦Ｘ≦１であるようなＡｌ_ＸＧａ_{（１－Ｘ）}Ｎを含む。第１の層１２は、ｎドープされたＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{（１－Ｙ１）}Ｎを含み、第２の層１４は、ｐドープされたＡｌ_Ｙ２Ｇａ_{（１－Ｙ２）}Ｎを含み、Ｙ_１＞ＸおよびＹ_２＞Ｘである。

【0005】

理想的には、層１２および１４をＡｌＮで作成すること（すなわち、Ｙ_１＝１およびＹ_２＝１となるように作成すること）で、ＬＥＤ１０の作製を単純化することが可能になるだろう。しかしながら、第２の層１４をｐドープされたＡｌＮとすることは問題を提起する。なぜなら、ＬＥＤ１０の適切な動作のために十分かつ必要な電気伝導を保証するのに十分な大きさのｐ型ドーピングレベルを有するＡｌＮを得ることを可能にする技術的解決策がないからである。したがって、層１２および１４は、現在、Ｙ_１＜１およびＹ_２＜１となるように作られている。

【0006】

さらに、ＵＶ範囲、例えば３００ｎｍ以下の範囲の重要な波長に到達するために、層１２および１４は高濃度のアルミニウム（例えば約６０％を超える）を含まなければならず、これは層１４のｐドーピングを実施するための問題を提起する。

【0007】

最後に、ＬＥＤ１０の層１４の側で実施しなければならない電流の注入は、考慮すべき別の重要な制約である。

【0008】

これらの問題は、厚さが数十ナノメートルであり、層１４と２０との間の遷移を確実にすることを可能にする、高濃度にｐドープされたＧａＮの層１８の存在により現在解決されている。しかし、この層１８による活性領域１６から発光される（特に、約３５０ｎｍ未満の波長に対して）ＵＶ放射の吸収により、ＬＥＤ１０の有効性は制限される。特に、約２５０ｎｍから２６０ｎｍの間に含まれる波長を放射し、殺菌用途に使用されるＬＥＤは、高濃度ｐドープＧａＮ層１８によって放射される放射線の一部を吸収することによって本質的にその有効性が低下する。

【0009】

さらに、層２０の堆積は、電流線の良好な横方向分布を保証し、ＬＥＤ１０の層１４の側への電流注入を最適化するために必要であるが、ＬＥＤ１０の発光効率をさらに低下させる原因となる。なぜなら、この層２０は、活性領域１６から放射されるＵＶ光の一部を吸収するためである。

【0010】

Ａ－Ｍ Ｓｉｌａｄｉｅらによる刊行物Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０１９ １９（１２），８３５７－８３６４「Ｍｇ ａｎｄ Ｉｎ Ｃｏｄｏｐｅｄ ｐ－ｔｙｐｅ ＡｌＮ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｆｏｒ ｐｎ Ｊｕｎｔｉｏｎ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ」は、ＡｌＮナノワイヤを含むｐｎ接合の実現を提案しており、マグネシウム原子の使用により、大幅なｐドーピングを実施することが可能である。このようなナノワイヤは、シリコン基板上での成長によって生成される。これらのナノワイヤはまた、その上部にｐドープＧａＮを含む。ナノワイヤは、ナノワイヤのｐドープＧａＮ部分の上に堆積され、オーミック接触として使用されるＩＴＯ（酸化インジウムスズ）層で覆われる。このようなｐｎ接合を使用してＵＶ ＬＥＤを製造し、それがナノワイヤで作成される場合、ＩＴＯオーミック接触層を有して製造されたこのＬＥＤは最適なものではないだろう。なぜなら、ナノワイヤの間にＩＴＯが存在し得るため、ナノワイヤのｎドープ部分とｐドープ部分との間で短絡が発生する可能性があるからである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０１９ １９（１２），８３５７－８３６４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、ＬＥＤの上部に形成されたオーミック接触層に起因する短絡の発生をその構造により回避する発光ダイオードを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

このために、本発明は、少なくとも以下を含む発光ダイオードを提案する：
・ｎドープＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{（１－Ｘ１－Ｙ１）}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（Ｘ１＞０およびＸ１＋Ｙ１≦１）の第１の層、
・ｐドープＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{（１－Ｘ２－Ｙ２）}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（Ｘ２＞０およびＸ２＋Ｙ２≦１）の第２の層、
・第１の層および第２の層の間に配置され、少なくとも１つの多重量子井戸発光構造を含む活性領域、
・第２の層上に配置された、インジウム原子およびマグネシウム原子でｐドープされたＡｌＮに基づくナノワイヤ、
・ナノワイヤと接触するオーミック接触層。

【0014】

したがって、そのようなＬＥＤは、層のスタックと、この層のスタック上に配置されたｐドープされたＡｌＮ系ナノワイヤとから形成されたハイブリッド構造を含む。このような構造では、ＬＥＤの上部に形成されたオーミック接触層に起因する短絡が回避される。なぜなら、このオーミック接触層の材料は、第２層の存在により、ナノワイヤおよび第１層の材料の両方と接触することはできない。

【0015】

本発明によって提供される別の利点は、ナノワイヤの組織化されたアレイの生成によりハイブリッド構造が光子の抽出を改善することができる発光ダイオード（またはＬＥＤ）の製造である。

【0016】

さらに、第２の層に配置された、インジウム原子およびマグネシウム原子でｐドープされたＡｌＮに基づくナノワイヤにより、電流線の良好な横方向分布を確保し、ＬＥＤのｐドープ層側への電流注入を最適化することが可能になり、一方でＬＥＤのこの側での光吸収を制限する。

【0017】

活性領域の多重量子井戸構造は、２つのバリア層の間に配置された発光層からそれぞれが形成される量子ドットの１つまたは複数の層に対応することができる。

【0018】

本明細書全体を通して、「ＡｌＮに基づくナノワイヤ」という表現は、ＡｌＮに加えて、０から３０％の間で含まれる少なくとも１つの他の材料のモル分率を含み得るナノワイヤを示す。この材料またはこれらの他の材料は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮまたはＢＮに対応する。この他の材料がＩｎＮに対応する場合、ＡｌＮ系ナノワイヤに存在するＩｎＮのモル分率は、好ましくは２０％以下である。有利なことに、この材料またはこれらの材料に関係なく、ＡｌＮ系ナノワイヤに存在する材料のモル分率は、好ましくは５％以下である。「ＡｌＮ系ナノワイヤ」という表現は、ＡｌＮナノワイヤ、すなわち、ＡｌＮ以外の材料を含まないナノワイヤの場合も包含する。

【0019】

第１の実施形態では、ＬＥＤは、ナノワイヤの横側面を覆い、オーミック接触層がその上に配置される誘電体層をさらに含むことができる。

【0020】

第２の実施形態では、オーミック接触層は、ナノワイヤの横側面および／またはナノワイヤの上部を覆うことができる。オーミック接触層がナノワイヤの横側面を覆う場合、ナノワイヤはオーミック接触層内に配置することができる。この構成は、オーミック接触層とナノワイヤとの間の接触面がより重要であり、これは電流線の横方向分布およびＬＥＤのｐドープ層側への電流注入を改善するので、有利である。

【0021】

有利なことに、オーミック接触層はダイヤモンドを含むことができる。

【0022】

ナノワイヤ中のインジウムの原子濃度は、約１０^１７から１０^２１原子／ｃｍ^３の間で構成することができ、および／またはナノワイヤ中のマグネシウムの原子濃度は、約１０^１８から１０^２１原子／ｃｍ^３の間で構成することができる。

【0023】

第２の層の厚さの少なくとも一部がエッチングされてよく、ナノワイヤがその上に配置され得るピラーを形成し得る。

【0024】

多重量子井戸発光構造は、Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_{（１－Ｘ３）}Ｎを含むことができ、Ｘ３は約０から１の間、または０から０．９の間である。Ｘ３が１である場合、ＬＥＤの構造は、２００ｎｍに等しい波長で発光を実行するのに有利であり得るｐｎ接合の構造に対応する。

【0025】

発光ダイオードは、第１の層が活性領域と第３の層との間に配置されるように、意図的にドープされていないＡｌ_Ｘ４Ｇａ_{（１－Ｘ４－Ｙ４）}Ｉｎ_Ｙ４Ｎ（Ｘ４＞０およびＸ４＋Ｙ４≦１）の第３の層をさらに含むことができる。

【0026】

第２の層との界面におけるナノワイヤの横方向の寸法は、オーミック接触層との界面におけるものよりも小さいものであり得る。

【0027】

ナノワイヤはそれぞれ、円筒形状、または代替的に、例えば円錐台形状などの別の形状を有することができる。上部に大きな寸法の断面を有する円錐台形状のナノワイヤは、オーミック接触層の堆積を促進することができる。

【0028】

本発明は、発光ダイオードを製造する方法にも関し、少なくとも以下を含む：
・ｎドープされたＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{（１－Ｘ１－Ｙ１）}Ｉｎ_Ｙ１Ｎ（Ｘ１＞０およびＸ１＋Ｙ１≦１）の第１の層を生成するステップ、
・第１の層上に配置され、少なくとも１つの多重量子井戸発光構造を含む活性領域を生成するステップ、
・活性領域上に、ｐドープされたＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{（１－Ｘ２－Ｙ２）}Ｉｎ_Ｙ２Ｎ（Ｘ２＞０およびＸ２＋Ｙ２≦１）の第２の層を生成するステップ、
・第２の層上に、インジウム原子およびマグネシウム原子でｐドープされたＡｌＮに基づくナノワイヤを生成するステップ、
・ナノワイヤと接触して配置されたオーミック接触層を生成するステップ。

【0029】

第１の層、活性領域および第２の層は、ＭＯＣＶＤ型の堆積によって生成することができ、ナノワイヤは、分子線エピタキシーによって生成することができる。

【0030】

オーミック接触層は、例えば、分子線エピタキシーによって、真空蒸着によって、陰極スパッタリングによって、化学気相堆積（ＣＶＤ）によって生成することができる。

【0031】

１つの特定の構成によれば、ナノワイヤの生成は、以下のステップの実施を含み得る：
・第２の層上に、生成が意図されるナノワイヤの数および配置に対応する数および配置の開口部が通過するハードマスクを生成するステップ、
・ハードマスクが配置される第２の層の面上で、ハードマスクの開口部からエピタキシーによってナノワイヤを生成するステップ。

【0032】

別の特定の構成によれば、ナノワイヤの生成は、以下のステップの実施を含み得る：
・第２の層の厚さの少なくとも一部で、ナノワイヤの生成が意図される側の第２の層の面からエッチングが実行され、その数および配置が生成が意図されるナノワイヤの数および配置に対応するピラーを形成するステップ、
・第２の層に形成されたピラー上でのエピタキシーによってナノワイヤを生成するステップ。

【0033】

本発明は、添付の図面を参照して、例示のみを目的とし、限定するものではない例示的な実施形態の説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】ＵＶ範囲で発光する先行技術のＬＥＤを示す。

【図2】異なる実施形態による、本発明の目的である材料層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを示す図である。

【図3】異なる実施形態による、本発明の目的である材料層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを示す図である。

【図4】異なる実施形態による、本発明の目的である材料層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを示す図である。

【図5】異なる実施形態による、本発明の目的である材料層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを示す図である。

【図6】本発明の目的である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造する第１の方法のステップを示す図である。

【図7】本発明の目的である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造する第１の方法のステップを示す図である。

【図8】本発明の目的である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造する第１の方法のステップを示す図である。

【図9】本発明の目的である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造する第１の方法のステップを示す図である。

【図10】本発明の主題である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造するための第２の方法のステップを示す図である。

【図11】本発明の主題である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造するための第２の方法のステップを示す図である。

【図12】本発明の主題である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造するための第２の方法のステップを示す図である。

【図13】本発明の主題である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造するための第２の方法のステップを示す図である。

【図14】本発明の主題である、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤを製造するための第２の方法のステップを示す図である。

【0035】

以下に記載される様々な図の同一、類似、または同等の部分には、ある図から別の図への移行を容易にするために同じ参照番号を付けている。

【0036】

図を読みやすくするために、図に示されている様々な部分は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。

【0037】

様々な可能性（変形および実施形態）は、相互に排他的ではなく、互いに組み合わせることができると理解されなければならない。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下に説明する図２は、第１の実施形態による、材料およびナノワイヤの層から形成されたハイブリッド構造ＬＥＤ１００を示す。

【0039】

以下の説明では、用語「厚さ」は、Ｚ軸に平行な寸法、すなわち、ＬＥＤ１００の様々な層の積層方向に平行な寸法を示すために使用される。

【0040】

ＬＥＤ１００は、基板１０２を含む。この第１の実施形態では、基板１０２は、例えばサファイアを含む。例えばシリコンなどの半導体材料を含む、他のタイプの基板が使用されてもよい。この基板１０２の厚さは、例えば数百ミクロンに等しい。

【0041】

ＬＥＤ１００はまた、基板１０２上に配置されたバッファ層１０４を含む。バッファ層１０４はＡｌＮを含む。バッファ層１０４の厚さは、例えば、約０．５から３ミクロンの間である。

【0042】

ＬＥＤ１００は、ｎドープＡｌ_Ｘ１Ｇａ_{（１－Ｘ１－Ｙ１）}Ｉｎ_Ｙ１Ｎの第１の層１０６を含み、ここでＸ１＞０およびＸ１＋Ｙ１≦１である。好ましくは、Ｘ１の値は、約０．７から０．８の間であり、Ｙ１の値は、約０から０．１の間である。有利には、Ｙ１の値はゼロであり、これは、第１の層１０６の半導体がＡｌＧａＮであることを意味する。第１の層１０６の厚さは、例えば１μｍに等しいか、または約０．５μｍから５μｍの間である。

【0043】

例示的な実施形態によれば、第１の層１０６の半導体のｎ型ドーピングは、この半導体の堆積中に、シリコン原子を第１の層１０６の半導体に組み込むことによって得られる。第１の層１０６の半導体中のドーパントの濃度は、例えば、１０^１７原子／ｃｍ^３から１０^１９原子／ｃｍ^３の間である。

【0044】

ＬＥＤ１００は、ｐドープ半導体の第２の層１０８も含む。第２の層１０８の半導体は、ｐドープされたＡｌ_Ｘ２Ｇａ_{（１－Ｘ２－Ｙ２）}Ｉｎ_Ｙ２Ｎに対応し、ここでＸ２＞０およびＸ２＋Ｙ２≦１である。有利には、第２の層１０８の半導体は、Ｘ２＝Ｘ１およびＹ２＝０である。Ｘ２＝１であることも可能であり、有利である。第２の層１０８の半導体におけるドーパントの濃度は、例えば、約１０^１８原子／ｃｍ^３から１０^２１原子／ｃｍ^３の間である。第２の層１０８の厚さは、例えば１μｍに等しく、より一般的には約０．２μｍから１μｍの間である。

【0045】

ＬＥＤ１００はまた、第１の層１０６と第２の層１０８との間に配置される活性領域１１０を含む。この活性領域１１０は、光が放出されることが意図される多重量子井戸発光構造を含む。この発光構造は、それぞれが２つのバリア層１１４の間に配置された１つ以上の発光層１１２を含む。

【0046】

発光層１１２は、例えばＡｌ_Ｘ３Ｇａ_{（１－Ｘ３）}Ｎに対応する半導体を含み、ここでＸ３はＸ３＜Ｘ２であり、Ｘ１及びＸ３は好ましくは０から０．９の間である。この半導体は、意図的にドープされていない（または真性）であり、すなわち、ＬＥＤ１００の製造中に、ドーピング原子を半導体に導入するステップを施していない。この半導体に存在する残留ドーピング原子の濃度は、例えば、約１０^１５から１０^１７原子／ｃｍ^３である。発光層１１２のそれぞれの厚さは、例えば、約１から１０ｎｍの間である。

【0047】

有利には、Ｘ３の値は、活性領域１１０の発光層１１２から放出される光の波長がＵＶ範囲、特に約２１０ｎｍから３４０ｎｍの間、より具体的にはＵＶ－Ｃ（すなわち、２１０ｎｍから２８０ｎｍの間）に属するように選択され、これは０．７＜Ｘ３＜１となるようなＸ３に対応する。Ｘ３が０から１の間であることも可能であり、Ｘ３＝１の場合、ＬＥＤの構造は、２００ｎｍに等しい波長で発光を行うのに有利である。

【0048】

バリア層１１４はまた、例えばＡｌＮまたはＡｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ（Ｘ＞Ｘ３、好ましくはＸ３＋０．１に等しい）に対応する半導体を含む。発光層１１２の半導体として、バリア層１１４の半導体は意図的にドープされていない。バリア層１１４のそれぞれの厚さは、例えば、約１ｎｍから１０ｎｍの間である。

【0049】

活性領域１１０の厚さは、例えば１００ｎｍに等しく、より一般的には約１００ｎｍから３００ｎｍの間である。

【0050】

図２に見られるＬＥＤ１００に対応する例示的な実施形態では、ＬＥＤ１００はまた、第１の層１０６が活性領域１１０と第３の層１１６との間に配置されるように、第３の層１１６を含む。この第３の層１１６は、例えば、意図的にドープされていないＡｌ_Ｘ４Ｇａ_{（１－Ｘ４－Ｙ４）}Ｉｎ_Ｙ４Ｎを含み、ここでＸ４＞０およびＸ４＋Ｙ４≦１である。好ましくは、Ｘ４の値は約０．３から０．７の間であり、Ｙ４の値は約０から０．１の間である。第３の層１１６の組成が、第１の層１０６の組成と同一であること、またはＸ４が例えばＸ１－０．１に等しいことも可能である。第３の層１１６の厚さは、例えば、約５００ｎｍから２ミクロンの間である。第３の層１１６に存在する残留ドーパントの濃度は、例えば、約５．１０^１５から５．１０^１６ドーパント／ｃｍ^３の間である。

【0051】

或いは、ＬＥＤ１００が第３の層１１６を含まないことも可能である。

【0052】

図２に示される特定の例示的な実施形態では、ＬＥＤ１００はまた、第１の層１０６と活性領域１１０との間に配置された、意図的にドープされていないＡｌＧａＮの層１１８を含み、その厚さは例えば２０ｎｍに等しいか、または約１０ｎｍから３０ｎｍの間であり、ならびに第２の層１０８と活性領域１１０との間に配置され、第２の層１０８における電子の過剰を回避し、活性領域１１０における電荷キャリアの再結合を促進する電子ブロッキング層として使用される意図的にドープされていないＡｌＧａＮの層１２０を含み、その厚さが例えば２０ｎｍに等しいか、または約１０ｎｍと３０ｎｍとの間である。或いは、ＬＥＤ１００は、層１１８を含まなくてもよい。

【0053】

ＬＥＤ１００はまた、第２の層１０８上に形成されたｐドープされたＡｌＮ系ナノワイヤ１２２を含む。これらのナノワイヤ１２２の幾何学的特徴は、例えば、直径が５０ｎｍから１００ｎｍの間であり、密度が１ｃｍ^２あたり１０^１０の範囲であり、ワイヤの中心間の間隔が１００ｎｍから２００ｎｍの間であり、高さは例えば１００ｎｍから１ミクロンの間である。

【0054】

ナノワイヤ１２２におけるｐドープレベルが有意になるように、すなわち約１０^２０原子／ｃｍ^３を超えるようにするために、ナノワイヤ１２２の材料はインジウム原子およびマグネシウム原子でドープされる。ナノワイヤ１２２中のインジウムの原子濃度は、例えば、約１０^１７から１０^２１原子／ｃｍ^３の間であり、ナノワイヤ１２２中のマグネシウムの原子濃度は、例えば、約１０^１８から１０^２１原子／ｃｍ^３の間である。本明細書に記載のＬＥＤ１００に適用可能なそのようなドーピングの他の特徴は、Ａ－Ｍ Ｓｉｌａｄｉｅらによる刊行物「Ｍｇ ａｎｄ Ｉｎ Ｃｏｄｏｐｅｄ ｐ－ｔｙｐｅ ＡｌＮ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｆｏｒ ｐｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０１９ １９（１２）、８３５７－８３６４に記載されている。

【0055】

ＬＥＤ１００はまた、ナノワイヤ１２２の周りに形成され、例えばＳｉＯ_２を含む誘電体層１２３を含む。誘電体層１２３は、ナノワイヤ１２２がその上部から電気的に接続できるように、ナノワイヤ１２２の上部を覆わない。

【0056】

最後に、ＬＥＤ１００は、ナノワイヤ１２２の上部に配置され、これらのナノワイヤ１２２に電気的に接続されたオーミック接触層１２４を含む。このオーミック接触層１２４は、例えばＩＴＯまたは有利にはダイヤモンドなど、導電性であり、ＬＥＤ１００によって放射されることを意図された波長に対して透明である少なくとも１つの材料を含む。

【0057】

以下に説明する図３は、第２の実施形態による、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤ１００を示す。

【0058】

前述の第１の実施形態によるＬＥＤ１００と比較して、この第２の実施形態によるＬＥＤ１００は、ナノワイヤ１２２の上部を覆い、かつナノワイヤ１２２の横側面を覆うことによって、第２の層１０８上のナノワイヤ１２２間に堆積されるオーミック接触層１２４を含む。このようなオーミック接触層１２４は、例えば、ナノワイヤ１２２が配置される第２の層１０８の表面に対して垂直にこの層の材料を堆積することによって得られる。このようなオーミック接触層１２４は、オーミック接触層１２４とナノワイヤ１２２との間の接触面が第１の実施形態よりも大きいので有利である。この第２の実施形態では、ＬＥＤ１００は誘電体層１２３を含まない。

【0059】

以下に説明する図４は、第３の実施形態による、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤ１００を示す。

【0060】

前述の第１および第２の実施形態によるＬＥＤ１００に対して、この第３の実施形態によるＬＥＤ１００の第２の層１０８は、ナノワイヤ１２２の製造が意図されている側の第２の層１０８の面から、その厚さの一部にわたってエッチングされる。製造されるナノワイヤ１２２の数および配置に対応する数および配置を有するピラー１２５またはカラムが、第２の層１０８のエッチングされた部分に形成される。図４の例では、ピラー１２５はそれぞれ、ピラー１２５がエッチングされた第２の層１０８の面に平行な平面（平面（Ｘ，Ｙ）に平行な平面）において、円形または楕円形である断面を有する。或いは、ピラー１２５のこれらの断面は、様々な形状、例えば多角形であってもよい。円形断面のピラー１２５の場合、各ピラー１２５の断面の直径は、例えば、約５０ｎｍから１００ｎｍの間である。多角形断面のピラー１２５の場合、各ピラー１２５の断面の最大対角線は、例えば、約５０ｎｍから１００ｎｍの間である。各ピラー１２５の高さ（Ｚ軸に沿った寸法であり、ＬＥＤ１００の様々な層の積層方向に対応する）は、例えば、約３００ｎｍから５００ｎｍの間である。

【0061】

ナノワイヤ１２２はピラー１２５上に生成される。誘電体層１２３は、ナノワイヤ１２２およびピラー１２５の周囲に形成され、ナノワイヤ１２２の上部を覆わない。オーミック接触層１２４は、ナノワイヤ１２２の上部に配置され、これらのナノワイヤ１２２に電気的に接続され、ナノワイヤ１２２間に位置する誘電体層１２３の部分上にも置かれている。

【0062】

以下に説明する図５は、第４の実施形態による、材料の層およびナノワイヤを含むハイブリッド構造ＬＥＤ１００を示す。

【0063】

第３の実施形態と同様に、この第４の実施形態によるＬＥＤ１００は、第２の層１０８の厚さの一部に形成されたピラー１２５を含み、これらのピラー１２５上にナノワイヤ１２２が形成される。この第４の実施形態では、オーミック接触層１２４は、ナノワイヤ１２２の上部を覆い、また、ナノワイヤ１２２およびピラー１２５の横側面を覆うことによって、第２の層１０８のエッチングされていない部分上の、ナノワイヤ１２２の間およびピラー１２５の間にも配置される。

【0064】

この実施形態の代替として、オーミック接触層１２４は、ナノワイヤ１２２の上部を覆わなくてもよい。この場合、オーミック接触層１２４は、ナノワイヤ１２２およびピラー１２５の横側面のみを覆う。

【0065】

別の実施形態によれば、誘電体層１２３は、ピラー１２５の横側面のみを覆うことができ、この場合、オーミック接触層１２４は、ナノワイヤ１２２の横側面、および場合によってはナノワイヤ１２２の上部を覆う。例えば、ピラー１２５の高さの一部分にわたってのみピラー１２５の横側面を覆う誘電体層１２３と、ピラー１２５の残りの高さにわたってピラー１２５の横側面を覆い、ナノワイヤ１２２の横側面も覆うオーミック接触層１２４とを有することによる、またそれとは別に、ピラー１２５の横側面を覆い、ナノワイヤ１２２の高さの一部分にわたってナノワイヤ１２２の横側面を覆う誘電体層１２３と、ナノワイヤ１２２の残りの高さにわたってナノワイヤ１２２の横側面を覆うオーミック接触層１２４とを有することによる、変形が可能である。すべての場合において、オーミック接触層１２４は、ナノワイヤ１２２の上部を覆っていてよく、または覆っていなくてもよい。

【0066】

前述の第１、第２、第３、および第４の実施形態の代わりに、第２の層１０８との界面におけるナノワイヤ１２２の横方向の寸法は、オーミック接触層１２４との界面におけるものよりも小さくてよい。この変形例では、ナノワイヤ１２２は、第２の層１０８と接触するナノワイヤ１２２の表面が、その上部におけるナノワイヤ１２２の表面よりも小さくなるように、実質的に切断された円錐形状を有する。

【0067】

ＬＥＤ１００を製造するための第１の方法は、図６から９に関連して以下に説明される。

【0068】

図６に示されるように、ＬＥＤ１００の様々な層は、基板１０２から、連続堆積によって生成され、これらの堆積は有利にはＭＯＣＶＤ型である。このようなＭＯＣＶＤ堆積中に、半導体を堆積するために使用される構成要素は、有機金属前駆体、例えば、アルミニウム源として使用されるトリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウム、窒素源として使用されるアンモニア、インジウム源として使用されるトリメチルインジウムまたはトリエチルインジウム、および任意にガリウム源として使用されるトリメチルガリウムまたはトリエチルガリウムである。

【0069】

第２の層１０８を生成した後、ハードマスクの製造が意図される層１２６が、第２の層１０８上に堆積される（図７を参照）。この層１２６は、例えば、ＳｉＮまたはグラフェンまたはＴｉＮを含む。

【0070】

次に、リソグラフィおよびエッチングステップを実施して、層１２６を通して、製造が意図されるナノワイヤ１２２の数および配置に対応する数および配置を有する開口部１２８を形成し、こうして、ナノワイヤ１２２の成長に使用されるハードマスク１３０を形成する（図８参照）。

【0071】

ナノワイヤ１２２を形成するために、ハードマスク１３０の開口部１２８から有利には分子ビームによるエピタキシーが実行される（図９）。インジウム原子およびマグネシウム原子によるナノワイヤ１２２の材料のドーピングは、それらの成長と同時に実施される。このようなドーピングの実施の詳細は、Ａ－Ｍ Ｓｉｌａｄｉｅらによる刊行物「Ｍｇ ａｎｄ Ｉｎ Ｃｏｄｏｐｅｄ ｐ－ｔｙｐｅ ＡｌＮ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｆｏｒ ｐｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０１９ １９（１２）、８３５７－８３６４に記載されている。

【0072】

ＬＥＤ１００は、第１の実施形態について前述したように（図２を参照）、最初に誘電体層１２３を製造し、次にオーミック接触層１２４を製造するか、または第２の実施形態について前述したように（図３を参照）、オーミック接触層１２４を製造することによって、完成する。両方の場合において、ハードマスク１３０は保持されてよく、または誘電体層１２３またはオーミック接触層１２４の製造の前に除去されてもよい。ハードマスク１３０は、ＬＥＤ１００によって放出されたＵＶ光の吸収を回避するために除去されることが好ましい。

【0073】

誘電体層１２３は、例えばスピンコーティングによって生成される。オーミック接触層１２４は、例えば、分子線エピタキシーによって、真空蒸着によって、陰極スパッタリングによって、または化学蒸着によって生成される。

【0074】

ＬＥＤ１００を製造するための第２の方法は、図１０から１４に関連して以下に説明される。

【0075】

図６から図８に関連して前述したＬＥＤ１００を製造するための第１の方法のステップが最初に実施される。これらのステップは図１０から１２に示される。

【0076】

次いで、ハードマスク１３０を使用して、第２の層１０８の厚さの一部において、ナノワイヤ１２２の製造が意図される側（これは、ハードマスク１３０が作製される第２の層１０８の面に対応する）の第２の層１０８の面から、開口部１２８の数および配置に対応する数および配置のピラー１２５をエッチングする。その後、ハードマスク１３０が除去される（図１３参照）。

【0077】

ピラー１２５の上部にナノワイヤ１２２を成長させるために、有利には分子ビームによるエピタキシーが実施される（図１４）。インジウム原子およびマグネシウム原子によるナノワイヤ１２２の材料のドーピングは、第１の製造方法で前述したものと同様に、それらの成長と同時に実施される。

【0078】

ＬＥＤ１００は、第３の実施形態について前述したように（図４を参照）、最初に誘電体層１２３を生成し、次にオーミック接触層１２４を生成するか、または第４の実施形態について前述したように（図５を参照）、オーミック接触層１２４を生成することによって完成する。

【0079】

さらに、上述の様々な製造方法では、ナノワイヤ１２２は、第２の層１０８との界面における横方向の寸法がその上部における横方向の寸法よりも小さくなるように製造され得る。このようなナノワイヤを形成するための実施の詳細は、Ａ－Ｍ Ｓｉｌａｄｉｅらによる刊行物「Ｍｇ ａｎｄ Ｉｎ Ｃｏｐｏｓｅｄ ｐ－ｔｙｐｅ ＡｌＮ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｆｏｒ ｐｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０１９ １９（１２）、８３５７－８３６４に記載されている。

【0080】

上述の製造方法では、ナノワイヤ１２２は、ＬＥＤ１００の他の層を製造するために使用される装置とは異なる装置で製造される。１つの装置から他の装置への移動、例えば、ＬＥＤ１００の層を生成するために使用されるＭＯＣＶＤ堆積装置からナノワイヤ１２２を生成するために使用されるＭＢＥエピタキシー装置への移動を容易にするために、ＭＯＣＶＤ堆積装置からそれを取り出す前に、ＭＯＣＶＤ堆積によって生成された構造上に、例えばＧａＮに基づく保護層を堆積することが可能である。構造がＭＢＥエピタキシー装置に入ると、保護層は除去され、ナノワイヤ１２２が生成される。

【符号の説明】

【0081】

１００ 発光ダイオード
１０６ 第１の層
１０８ 第２の層
１１０ 活性領域
１１２、１１４ 多重量子井戸発光構造
１１６ 第３の層
１２２ ナノワイヤ
１２３ 誘電体層
１２４ オーミック接触層
１２５ ピラー
１２８ 開口部
１３０ ハードマスク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【国際調査報告】