テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置
半導体センサ、太陽電池又はエミッタあるいはそれらの前駆体は、基板と、この基板上に堆積されたテクスチャ出しされた半導体層とを有する。この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされるか、テクスチャ出しされた基板表面を複製することによってテクスチャ出しされる。それから基板又は第１の層は、装置から他の半導体層を成長させたりテクスチャ出しするためのテンプレートとなる。テクスチャ出しされた層は、基板から表面に複製されて、光取り出しや光吸収を強化する。いくつかの障壁及び量子井戸層からなる複合的量子井戸は、テクスチャ出しされた層を交互に繰り返しながら堆積される。量子井戸層の領域におけるテクスチャ出しは、半導体が有極性であり、そして量子井戸が極性方向に沿って成長される場合に、内部量子効率を大幅に強化する。これは、窒化物半導体が極性［０００１］又は［０００−１］方向に沿って成長される場合である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、２００４年４月１５日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたＩＩＩ−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第６０／５６２，４８９号と、２００４年１０月１日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたＩＩＩ−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第６０／６１５，０４７号と、２００５年１月２１日に出願された「平坦で、ひだのある量子井戸に基づいた窒化物ＬＥＤ」なる名称の米国仮出願第６０／６４５，７０４号とに基づく優先権を主張し、ここにその開示全体を参照によって組み入れる。
【０００２】
［連邦補助研究または開発に関する表明］
この発明を導いた研究の一部は、合衆国陸軍研究事務所によって与えられた契約第ＤＡＡＤ１９−００−２−０００４の下で提供された合衆国政府支援によって遂行されたものである。従って、合衆国政府はこの発明に相応の権利を有する。
【０００３】
「背景技術」
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、赤外、可視又は紫外（ＵＶ）領域の光を発生することが可能な半導体光学装置である。可視及び紫外で発光するＬＥＤは、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、その窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との合金を使用して作られる。これらの装置は一般に、ｐ−ｎ接合として配置されたｐ及びｎ型半導体層からなる。標準的なＬＥＤ装置では、半導体層は、研磨された基板、例えばシリコン上に均一に成長される。典型的な半導体層は、ｐ又はｎ型層となるようにドープされている窒化ガリウム（ＧａＮ）によって形成される。
【０００４】
ＬＥＤにとって重要な性能指数は、その内部量子効率（ＩＱＥ）と光取り出し効率である。典型的なＬＥＤにとって、ＩＱＥは、多くの要因、例えば点欠陥の密度、オージェ過程及び装置設計に依存する。極性（０００１）又は（０００−１）方向に沿って成長される窒化物ＬＥＤの場合、内部効率はまた、内部電界によって引き起こされるｎ及びｐドープ層間の量子井戸の歪みに起因して低減される。ＧａＮ系ＬＥＤの光取り出し効率は、スネルの法則から４％であると決定される。ＬＥＤは通常、小エネルギーギャップ半導体（井戸）と広バンドギャップ半導体（障壁）とから作られたいくつかの量子井戸を有する。可視ＬＥＤは、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を井戸として使用し、またＧａＮを障壁として使用する。紫外ＬＥＤは、異なる組成のＡｌＧａＮを井戸及び障壁の双方に使用する。極性方向に沿って成長された窒化物半導体系のＬＥＤ装置の内部量子効率は、その量子井戸に加わる電界によって低減される。この現象は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と呼ばれる。ＱＣＳＥは、ＬＥＤの赤色光放出に影響を与えて、放出波長をシフトすると共に光ルミネサンス強度を低減する。光取り出し効率のむしろ小さな値は、半導体層の出口界面における高屈折率の結果である。
【０００５】
［発明の要約］
本発明は、光エミッタ又はセンサとして、あるいは太陽電池として使用される装置を提供する。この発明のエミッタについては、ＩＱＥ及び光取り出し効率が従来の装置に対して改良される。センサ又は太陽電池については、光を装置に結合する効率も改良される。一実施形態では、半導体材料は、テクスチャ出しされた（テクスチャード）最初の半導体層が成長時に基板上に堆積されることからスタートして、複数の層として堆積される。一実施形態では、この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面形態を有するようにする。基板とテクスチャ出しされた層は、複合的半導体層の成長用テンプレート（型板）として使用され得る。例えば、装置は、第１のテクスチャ出しされた層の上に堆積された第２の層を備えることがある。これらの層は、ｐ及びｎドーパントを伴って堆積されて、ｐ−ｎ接合型発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成することができる。テクスチャ出しされた発光層は、光脱出を強化する。最初の半導体層は、その上に量子井戸が成長される障壁層として役立つことが好ましい。複数の半導体層の各々は、第１の成長層のテクスチャと同様になり、かくして光が取り出されるＬＥＤの外面は、最初の半導体層とほぼ同じテクスチャを有する。
【０００６】
複数の障壁及び量子井戸層を備えた複合的量子井戸は、それぞれが本来のテクスチャを複製する複数の半導体層を交互にしながら、互いの上に堆積されることが好ましい。障壁及び井戸層を通して複製されたテクスチャ出しは、量子井戸の位置を変えて、それらの表面が［０００１］極性方向と直交しないようにする。かくして、量子井戸は、それらの方形井戸形状を維持する。何故ならば、それらは、極性化に起因する内部電界によっては歪まされないからである。この結果、正孔及び電子の波動関数は重なって、効率的な再結合に導き、かくして劇的にＩＱＥを改善する。
【０００７】
この発明の装置は、基板、例えばシリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＡｌＧａＮ）、炭化シリコン、酸化亜鉛及びサファイアを備えることができる。サファイア基板は、その上に層が堆積される前に、窒化されることもある。
【０００８】
テクスチャ出しされた基板の上に、あるいは全成長プロセス中でもう１つの層の上に成長される半導体層は、任意の好適なプロセスによって堆積され得る。そのような堆積プロセスの例には、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、液相成長法及びレーザアブレーションがある。半導体装置の層は、ＩＩＩ−窒化物材料、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれら材料の任意の組み合わせからなることができる。基板は、層成長の前にテクスチャ出しされることがある。あるいは成長の適切な条件を選択することによって、基板上の第１の半導体層がテクスチャ出しされた表面を有する。
【０００９】
半導体層は、ドーパントを含んで、この層がｐ又はｎ型になることができる。例示的なドーパントには、ベリリウム、セレン、ゲルマニウム、マグネシウム、亜鉛、カルシウム、Ｓｉ、イオウ、酸素又はこれらドーパントの組み合わせがある。１つの層は、単結晶又は多結晶の層である。この発明の装置は、いくつかのｐ及びｎ型層と、一般に層成長を促進する１以上の緩衝層を含むことができる。例示的な緩衝層は、ＧａＮ半導体層である。緩衝層は、基板上又は半導体層間に堆積される。
【００１０】
この発明の装置用の半導体層は、約１０オングストローム（Å）から１０ミクロン（μｍ）までの厚さに堆積される。基板と堆積層のテクスチャ出しは、約１００ナノメータ（ｎｍ）から５μｍまでの平均的な山−谷距離を有する。
【００１１】
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第１の半導体層を基板の表面上に堆積する工程と備える。第１の層は、成長時に自然にテクスチャ出しされるか、テクスチャ出しされた基板表面によってテクスチャ出しされる。基板又は第１の層は、それからテンプレートとして、テンプレートと同じテクスチャを有した他の半導体層を堆積することに使用されている。好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。複合的量子井戸は、第１の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。
【００１２】
［発明の詳細な説明］
本発明のＬＥＤや光検出器は、外部光取り出し効率及び内部量子効率の一方又は双方が改良されている。光取り出し効率は、最初の半導体基板層からの層を適用するプロセスによって典型的に複製されるテクスチャ出しされた放出表面によって改良されている。成長速度の制御と適切な堆積手順の使用により、テクスチャ出しされた表面層を最初の半導体層上に形成することができる。このテクスチャは、後続の層が適用されるときにそれらの層を通して複製され、その結果、大幅に改良された光取り出し効率を有する放出層を生じる。最終表面のテクスチャ出しも、下地の基板を別にテクスチャ出しするか、あるいは深い溝で装飾された未研磨の基板を使用することによって達成可能である。何故ならば、ウエハは通常インゴットからソーを使用して切断されるからである。
【００１３】
ＬＥＤの内部量子効率の改良は、ｐ−ｎ接合に、複合的量子井戸（ＭＱＷ）を組込むことによって達成される。この結果、ｐ及びｎ側からそれぞれ注入された電子及び正孔がより良好に閉じ込められ、かくしてより効率的な再結合が生じる。
【００１４】
量子井戸を含んだ半導体装置が極性方位上に成長されるとき、その量子井戸は、電子及び正孔を分離する。このことにより、電子−正孔領域は遠くに離れて配置され、光を発生する電子−正孔再結合の効率を低減する。この発明のＬＥＤは、テクスチャ出しされた表面上に量子井戸を成長させることによって、この欠損を克服する。このように、量子井戸は歪まされることはなく、かくして井戸中の電子及び正孔はより効率的に再結合する。
【００１５】
本発明に係るＬＥＤの一実施形態では、ＬＥＤは、基板２上に形成される。図１ａ並びに図２ａ及びｂに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、テクスチャ出しされた半導体層４が基板上に堆積される。この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされ、テクスチャ出しされた表面トポロジー（モーフォロジー）１０を有するようになる。基板及びテクスチャ出しされた層は、ＬＥＤを形成するための複合的半導体層の成長用テンプレートとして使用される。そのようなテクスチャ出しされたＡｌＮテンプレートは、紫外ＬＥＤを製造することにも使用できる。例えば、１つの装置は、第１のテクスチャ出しされた層上に堆積された第２の層を備えることもできる。これらの層は、ドープされて、発光ダイオード（ＬＥＤ）用のｐ−ｎ接合を形成することが可能である。適切なドーパントには、セレン、ゲルマニウム、マグネシウム亜鉛、マグネシウム、ベリリウム、カルシウム、Ｓｉ、イオウ、酸素又はそれらの任意の組み合わせがある。半導体層の各々は、第１の成長層及びそのテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされ、改良された取り出し効率のテクスチャ出しされた放出表面を有することができる。
【００１６】
第２の実施形態では、図３ａ，ｂ、図４ａ，ｂ並びに図５ａ，ｂに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、複数の障壁及び量子井戸層を備えた複合的量子井戸が、装置のｎ及びｐドープ層間で、半導体層を交互にして、互いの上に堆積されている。複合的量子井戸は、第１の層の上に成長されるときに、その層のテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされる。
【００１７】
殆どの場合、テクスチャ出しされた層と量子井戸との間に、厚さ可変のｎドープＡｌＧａＮクラッド層が成長される。
【００１８】
第１の層の成長に使用される好適な基板は、この技術分野では知られている。例示的基板には、サファイア、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン、酸化亜鉛及びシリコン（Ｓｉ）がある。例えば、好ましい基板は、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）Ｓｉ、（１１１）ＧａＡｓ、（０００１）ＧａＮ、（０００１）ＡｌＮ、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア及び（０００１）炭化シリコンであり得る。
【００１９】
この発明の装置用の基板は、成長された表面を化学的に清浄化することによる半導体層成長用に準備され得る。基板の成長表面は、オプションで研磨されてもよい。基板はまた、層成長に先行して熱的に脱ガスされてもよい。基板の表面は、参照によりここに組み入れられる米国特許第５，６７７，５３８号に開示されているように、オプションで窒化されることも可能である。切断された状態の未研磨、未処理の基板上での成長は、その上にテクスチャ出しされた表面を成長することを促進する。
【００２０】
半導体層は、いくつかのプロセス、例えばハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）、レーザアブレーション及びこれら方法の変形例によって成長され得る。典型的な成長プロセスは、参照によりここに組み入れられる米国特許第５，７２５，６７４号、第６，１２３，７６８号、第５，８４７，３９７号及び第５，３８５，８６２号に開示されている。半導体層はまた、窒化物層を生じる窒素の存在下でも成長され得る。窒化物層の例には、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びそれらの合金がある。
【００２１】
図１ａは、この発明の半導体装置の部分的表現である。好ましい実施形態では、この装置は、テクスチャ出しされたテンプレートであって、基板２と、その上に成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層４とを備える。基板２は、最初にテクスチャ出しされているか、あるいは平滑に研磨され得る。第１の層４は、基板２上に成長されるときにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面トポロジー１０を有する。第１の層は、変形ＨＶＰＥ堆積プロセスによって成長されて、テクスチャ出しされた表面１０を生じることが好ましい。変形ＨＶＰＥプロセスは、成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層を、その層の欠陥領域を増強塩酸（ＨＣｌ）濃度でエッチングすることによって、部分的に生じさせる。変形ＨＶＰＥプロセスのＨＣｌ濃度は、以下で例示されるように、典型的な堆積プロセスのものよりも実質的に高い。
【００２２】
一実施形態では、第１の層４は、ＩＩＩ群窒化物の層からなる半導体層であり得る。この層４は、以下で示されるように、堆積中の好適なドープによってｐ又はｎ型とされた半導体層であることが好ましいが、それはまたＡｌＮのような絶縁層でもよく、あるいは両者でもよい。層４は、参照によりここに組み入れられる米国特許第６，６８６，７３８号に記載されているように、オプションで、基板上に堆積された緩衝層の上に成長され得る。
【００２３】
基板２及び層４の厚さは、広い範囲をカバーできるものであるが、層４の厚さは、その表面に複製されたテクスチャ出しの程度を変化させるものである。例えば、厚さ１０μｍの層は、約１００ｎｍ〜５μｍの山−谷テクスチャ距離を有することができる。半導体層のテクスチャ出しは、その層の上に成長されてテクスチャを複製するＬＥＤ層の光取り出し特性に影響を与える。半導体層４は、典型的には成長時にランダムにテクスチャ出しされる。層４は、単結晶又は多結晶の材料である。
【００２４】
図２ａは、図１の装置上に成長された第２の層８を示す。この層８は、任意の好適な堆積プロセスによって成長される。第２の層は、第１の層４のテクスチャ出しされた表面１０の上に成長される。第２の層８は、図２ｂに示されるように、第１の層４のテクスチャ出しされた表面トポロジー１０を埋め込むほど厚くないことが好ましい。第２の層８は、図２ａに示されるように、層４による複製によってテクスチャ出しされた上面９を有することが好ましい。
【００２５】
層８は、ＩＩＩ群窒化物からなる半導体層であることが好ましい。第２の層８は、層４のドーピングとは逆のｐ又はｎ型半導体層である。第２の層８は、単結晶又は多結晶の半導体層である。一実施形態では、第１及び第２の層４及び８のドーピングは、光センサ又はエミッタとして使用されるｐ−ｎ接合３を形成する。これらの装置は、電子ディスプレイ、固体ライト、コンピュータ又はソーラーパネル用に使用され得る。電極１１及び１３は、この技術分野でそのような用途について知られているように、層４及び８に接続される。
【００２６】
図３ａ及び３ｂは、図１の装置上に成長された複合的量子井戸６を有するＬＥＤの部分的表現である。量子井戸６は、第１の層４の表面トポロジーによってテクスチャ出しされている。上述したように、第１の層４は、基板２上に成長されるときにテクスチャ出しされ得る。一実施形態では、複合的量子井戸６は、１以上の障壁層５と量子井戸層７とを交互に備える。
【００２７】
いくつかの障壁層５及び量子井戸層７は、テクスチャ出しされた第１の層４をそれぞれ複製する半導体層を交互にすることによって成長され得る。例えば、量子井戸は、第１の層２の上に成長された障壁層５によって形成され得る。それから量子井戸層７は、障壁層５の上に成長される。それから第２の障壁層５は、量子井戸層７の上に成長され、その上に第２の量子井戸層が成長される。一実施形態では、量子井戸層７及び第１の層４は、組成が一致させられている。障壁層５は、第１の層４及び量子井戸層７の双方とは異なる組成を有することができる。
【００２８】
障壁層５は、１以上のＩＩＩ−Ｖ群窒化物の化合物を備えることができる。一実施形態では、１以上の障壁層５は、ＡｌＧａＮである。同様に、１以上の量子井戸層７は、ＩＩＩ群窒化物、例えばＧａＮであるか、又はもう１つのＩＩＩ−Ｖ化合物である。これらの層はまた、任意の好適な堆積プロセスによって成長させられる。障壁層５又は量子井戸層７は、それらの間に成長された緩衝層を有することができる。これらの層は、単結晶又は多結晶の層である。
【００２９】
これらの層の厚みは、典型的に充分に薄く、テクスチャ出して表面を複製することに適している。これらの層に関するテクスチャ出しの度合いは、内部量子効率及び光取り出し効率に影響を与える。この発明の装置は、１〜２０個の量子井戸を備えて、複数の障壁層５及び量子井戸層７を構成することが好ましい。
【００３０】
図３ａ及び３ｂは、テクスチャ出しされた複合的量子井戸６上に成長された半導体上層８を示す。この層８は、既知の堆積プロセスによって成長され得る。この層は、テクスチャ出しされた層９（図３ａ）であるか、第１の層４のテクスチャ出しされた表面トポロジーを埋め込むように厚いものである（図３ｂ）か、それを研磨したものである。
【００３１】
層８は、ＩＩＩ群窒化物からなる半導体層であることが好ましい。上層８もまた、層４とは逆のｐ又はｎ型半導体層であって、ｐ−ｎ接合を形成する。このｐ−ｎ接合は、半導体装置、例えばＬＥＤや光検出器として機能することを可能にする。上層８は、単結晶又は多結晶の半導体層である。複合的量子井戸６もまた、成長時にテクスチャ出しされた障壁層５及び量子井戸層７を備えることができる。例えば、層５及び７は、上述した変形ＨＶＰＥ堆積プロセスによって成長され得る。
【００３２】
図３ａに示された装置構造は、通常の装置の効率よりも有意に高い内部量子効率及び外部光取り出し効率を呈することが可能である。図３ｂの装置は、内部量子効率の増加を総合的に処理する。
【００３３】
この発明の装置は、１００％に近い光取り出し効率を有することが可能である。同様に、そのような装置は、５０〜６０％の範囲の内部量子効率を有することがある。
【００３４】
図４ａ及び４ｂは、最初にテクスチャ出しされた表面を有する基板を備えた装置を示している。第１の層４に後続する層は、テクスチャ出しされた基板２上に堆積されて、上面が複製によってテクスチャ出しされる。
【００３５】
図４ａの装置は、層８上のテクスチャ層９を備えるか、あるいは図４ｂでは、その実施形態としてテクスチャ出しされていない層を備える。
【００３６】
代替実施形態では、基板は、図示のように、例えば図５ａでは、上述したものと実質的に同じ手順を使用して、テクスチャ出しされた上下双方の表面９及び１５を有する。図５ｂでは、底層２だけを備え、表面１５は、テクスチャ出しされ、そして放出表面として機能することができる。
【００３７】
例えば、図５ｃは、サファイア基板２上の平坦なＡｌＮテンプレート４ａを使用したＬＥＤである。ＡｌＮテンプレートと量子井戸及び障壁層７及び５との間には、クラッド又はコンタクト層として知られる厚いＡｌＧａＮ層４ｂがある。この層は、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され得る。それらの上にあるのは、それぞれＡｌＧａＮ及びＧａＮのｐドープ層８ａ及び８ｂである。層４ｂ及び８ｂは、電気コネクタ１１及び１３を受けて、サファイア基板２を通して下向きに光取り出しを行う。層８ａは、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され、そして電子遮蔽層として機能して電子の損失を防止する。層５及び７は、明瞭化のために平坦に示されているが、望み通りに、ひだがつけられている、と理解されるべきである。
【００３８】
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第１の半導体層を基板の表面上に堆積する工程と備える。第１の層は、以下で説明されるように、成長時にテクスチャ出しされるか、テクスチャ出しされた基板表面によってテクスチャ出しされる。それから基板又は第１の層は、テンプレートとして、他の半導体層を堆積してテクスチャ出しすることに使用され得る。そのようなテンプレートは、この製造段階で販売され、他のものが、多層化を完了して、そのテクスチャを放出層まで複製できるようにする。
好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。この場合、井戸は、半導体層を交互にしながら堆積され得る障壁及び量子井戸層の双方を備える。複合的量子井戸は、第１の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
【００３９】
ここでの実施例は、本発明の利点を説明するために与えられる。これら実施例は、上述された発明の変形例又は実施形態のいずれかを含むか組み入れることができる。上述された実施形態もまた、発明の他の実施形態のいずれか又は全ての変形例を含むか組み入れることができる。以下の実施例は、いかなる意味においても、発明の範囲を制限することを意図されていない。
【実施例１】
【００４０】
この発明によりテクスチャ出しされたＧａＮテンプレートは、上述した変形ＨＶＰＥプロセスによって成長される。このＧａＮテンプレートは、変形ＨＶＰＥリアクタを通して成長される。このリアクタ内において、ＩＩＩ群前駆体はＧａＣｌガスであり、これは、上流のＧａを含有した石英ボート上を流れるＨＣｌによって、約５００℃〜１０００℃の温度で合成され得る。それからＧａＣｌガスは、下流の基板ウエハの表面付近で、アンモニア（ＮＨ３）と混合され、約９００℃〜１２００℃の温度でＧａＮを形成する。この発明のＧａＮ又はＡｌＮ又はＡｌＧａＮテンプレートは、極性方向及び非極性方向に沿って成長され得る。テンプレートはまた、立方対称性を有する基板、例えば（１００）Ｓｉや（００１）ＧａＡｓを選択することによって、それらの立方構造内で成長することができる。この場合、その上に成長される後続の窒化物層は、同様に立方対称性を有する。
【００４１】
変形リアクタは、一般的に４つのゾーンに分割され、各ゾーンの温度は、個別に制御可能である。このリアクタはまた、反応原系ガス及び希釈剤用に３つの別々の配送チューブを有する。窒素や水素は、ＮＨ３及びＨＣｌに対する希釈剤及びキャリヤガスとして使用される。窒素は、中間チューブを通して送られる。このチューブは、下流ガスシースとして作用して、ＧａＣｌ及びＮＨ３ガスが、基板表面に接触する前に、混合されることを防止する。ＧａＮ層のテクスチャ出しは、ＨＣｌのエッチング効果の結果であり得る。例えば、テクスチャ出しは、ＨＣｌが成長中の層の表面からＧａをエッチングするときに起こる。ＨＣｌはまた、第１の層の境界ドメインにおいて欠陥のあるＧａＮをエッチングする。変形ＨＶＰＥプロセスのＨＣｌ濃度は、テクスチャ出しが回避された典型的な堆積プロセスのそれよりも実質的に高い。
【００４２】
テクスチャ出しされたＧａＮテンプレートは、ＩＩＩ群前駆体に対するＮＨ３の流率によって制御される約３０〜２００μｍ毎時の範囲の高成長速度条件下で成長され得る。この流率は、典型的には約３００〜１０である。テンプレートの成長は、ＧａＣｌガスによって基板を１０００℃で前処理し、次いで薄いＧａＮ緩衝層を５５０℃〜６５０℃で成長させることによって行われる。それから速度条件は、ＧａＮの高温エピ層成長用に約１０７０℃まで勾配をつけられる。基板もまた、スパッタされた酸化亜鉛を伴う成長に先行して、前処理され得る。酸化亜鉛の普通の厚さは、約５００Å〜１５００Åである。それからテンプレートの成長は、チャンバを成長温度まで加熱し、更に成長を開始するために反応原系ガスを流すことによって行われる。
【００４３】
図６ａは、テクスチャ出しされた表面（ひだのある量子井戸）における複合的量子井戸を示す透過型電子顕微鏡画像を示す。テクスチャ出しにより生じたＶ溝１８では、増強された光生成が全ての材料に対して起こる。図６ｂは、２０で放射する電気的に励起されたウエハレベルのＬＥＤを示す。この青色ＬＥＤ構造は、未研磨の（０００１）サファイア基板上に作られた。この基板上には、３ミクロンの多量にドープされたｎ型ＧａＮが成長され、次いでインジウムを１３％含むＩｎＧａＮを井戸とし、またＧａＮを障壁とする１０個のＭＱＷが成長された。ＭＱＷの成長に続いて、マグネシウムでｐ型にドープされた、Ａｌを３０％含むＡｌＧａＮからなる薄い（約１０μｍ）の電子遮断層が成長され、次いでマグネシウムで多量にｐ型にドープされた２００ｎｍのＧａＮが成長される。光が放出される自由表面は、未研磨のサファイア基板のモーフォロジーを複製している。
【００４４】
図７ａは、変形ＨＶＰＥプロセスによって成長されるときにランダムにテクスチャ出しされたＧａＮテンプレートの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。この画像は、電子線に対して約３０度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。ＧａＮ層の成長は、（０００１）サファイア基板上に起こった。この成長は、２５標準立方センチメータ毎分（ｓｃｃｍ）のＨＣｌを使用するプロセスによって１０００℃の前処理中に行われた。このプロセスはまた、ＩＩＩ群前駆体に対するアンモニアの比１５０を、約５９０℃での緩衝層成長中に使用した。それから１０７０℃での高温成長の段階は、ＩＩＩ群に対するアンモニアの比６０を使用した。テンプレートのテクスチャ出しの程度又は度合いは、成長前線に到達したＧａＣｌの量に依存しているものと決定された。そのようなＧａＣｌの量は、成長速度も制御することができる。
【００４５】
図６と比較して、図７は、原子的に平坦な標準ＧａＮ層のＳＥＭ画像を示している。図示のように、通常のＧａＮ層の表面トポロジーは、２〜３の表面欠陥にも係わらず、テクスチャ出しされていない。この画像は、電子線に対して約３０度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。原子的に平坦な表面を有する通常のＧａＮ層の光ルミネサンスは、この発明のランダムにテクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレートのそれと比較された。両方の層サンプルは、１０ミリワット（ｍＷ）のヘリウムレーザを励起源として使用する同一の条件で測定された。
【００４６】
この比較の結果は、図８によって示されている。この図において、テクスチャ出しされたテンプレートの光ルミネサンス強度は、平坦なＧａＮ層の強度よりも５０倍以上大きい。強化された光取り出しは、そのような半導体層の高屈折率によって特にテクスチャ出しされた表面を通して起こる。テクスチャ出しされた表面は、ＧａＮ層と空気との間の高屈折率変化によって制限されたエスケープコーン（脱出円錐）と比べて、単一フォトンのエスケープコーンを増加させる。
【００４７】
この発明のＩＩＩ群層テンプレートのテクスチャ出しのランダム性は、図９ａ及び９ｂに描かれている。図９ａは、図９ｂの画像化領域の深さ分析プロットを持つ、この発明のＧａＮテンプレートの原子間力顕微鏡画像である。このプロットは、テンプレートについての表面トポロジーのガウス分布、ランダム性の特徴を示している。平均的な山−谷表面トポロジーは、約１．３ミクロンである。
【実施例２】
【００４８】
実施例ＩＩは、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート上の複合的な（ひだのある）量子井戸を含む。これら量子井戸は、１０対のＡｌＧａＮ及びＧａＮ層を備える。個別のＧａＮ層は、テクスチャ出しされた量子井戸層からなることがある。この場合、ＡｌＧａＮ層は、障壁層として作用する。ＡｌＧａＮ層の組成は、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである。一般的に、ＡｌｘＧａｘ−１Ｎである。複合的量子井戸はまた、小ギャップのＩＩＩ−Ｖ窒化物膜（井戸）と大ギャップのＩＩＩ−Ｖ窒化物膜（障壁）の任意の組み合わせによって作ることができる。ＭＱＷの組成は、光の放出エネルギを純ＩｎＮの約０．７ｅＶから純ＡｌＮからの６ｅＶまで決定する。複数の量子井戸層は、任意の好適な体積プロセスによって成長される。ＭＢＥプロセスは、無線周波数又はマイクロ波プラズマによって活性化されている窒素に対するＩＩＩ群材料の反応を含む。代替的解決法は、ＩＩＩ群材料を、加熱された基板上のアンモニアと反応させることである。
【００４９】
成長プロセスによる半導体成長用のＩＩＩ群材料は、噴散セルから蒸発可能であるか、あるいはＩＩＩ群アルキルの形態で提供され得る。ＭＢＥプロセスやプラズマ援助ＭＢＥプロセスでの半導体成長中に、窒素やアンモニアガスは、典型的に約１〜５０ｓｃｃｍ使用される。量子井戸が成長されるときに、量子井戸の層は、テンプレートのテクスチャを複製する。そのようなＭＢＥプロセスは、この技術分野で既知である。この発明はまた、当業者によって使用されることがある他の典型的な半導体成長用の解決法も考慮する。
【００５０】
１０対のテクスチャ出しされたＡｌＧａＮ及びＧａＮ量子井戸は、約７ナノメータ（ｎｍ）の井戸厚さと、対応する約８ｎｍの障壁層厚さとを有していた。複数の量子井戸は、約７５０℃の温度で基板に成長された。先ず、ＡｌＧａＮ障壁層が、この発明のテクスチャ出しされたＩＩＩ群テンプレート上に成長される。それから障壁層は、量子井戸、ＧａＮ層の堆積用表面となる。それから、ＧａＮ層は、次の障壁層用の成長表面となる。この成長パターンは、複合的量子井戸層が形成されるまで継続され得る。これらの井戸は、下地のテクスチャ出しされたテンプレートの表面トポロジーを複製する。井戸及び障壁層の厚さは、例えば、１０Åから５００Å以上となり得る。
【００５１】
図１０及び１１は、通常の量子井戸の光ルミネサンス・スペクトルと、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート上に成長されたテクスチャ出しされた量子井戸のそれを示す。通常の平坦なＧａＮ層上に成長された量子井戸からの光ルミネサンス・スペクトルは、高い強度ピークを３６４ｎｍに呈する。この強度ピークは、一次的にはＭＱＷ直下の平坦なバルクＧａＮ層に起因する。約３９６ｎｍにある極めて低く且つ広いルミネサンスピークは、部分的に平坦な井戸に起因しているものと仮定される。平坦な井戸サンプルの陰極ルミネサンス・スペクトルは、この仮定を立証することに使用された。このスペクトルは、量子井戸を探索するために約４ｋＶの低加速度電圧を使用して行われた。これらの結果は、図９の挿入図によって示されている。これらの結果は、約３９６ｎｍで生じた広いピークが通常の量子井戸に対応したものであることを確認している。
【００５２】
平坦な量子井戸から観察されたルミネサンスは、大きさが大幅に低減されていると共にバルクに対して赤色シフトされたものとして示されている。これらの結果は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と一致する。
【００５３】
典型的な量子井戸と比べて、この発明のテクスチャ出しされたテンプレートによってテクスチャ出しされた量子井戸は、バルクＧａＮ層のルミネサンスに対して青色シフトされている。複数のテクスチャ出しされた量子井戸は、井戸がその上に成長されたテンプレートと比較したときに、実質的に増加されたルミネサンスを呈する。
【００５４】
これらの結果は、テクスチャ出しされたＩＩＩ群窒化物テンプレート上に形成された、ひだのある井戸が、極性化に関連した内部電界によっては歪まされないことを示している。図１１はまた、テクスチャ出しされた量子井戸についてのピーク光ルミネサンスが、通常の平坦なＧａＮ層上に成長されたものよりも約７００倍以上も高いことを示している。この違いは、テクスチャ出しされた表面を通しての増強された光取り出しと、ＱＣＳＥの消去により増強された自然放出率の双方に起因する。
【実施例３】
【００５５】
高度に導電性の、マグネシウムをドープした、正孔濃度が約１０１８ｃｍ−３で厚さが約０．５マイクロメータのｐ型ＧａＮ層が、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）によって、この発明に係るｎ型のテクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレート上に堆積された。テクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレートは、約１０１９ｃｍ−３の電子濃度を有していた。ｐ型ＧａＮ層の形成は、無線周波数プラズマ源を使用して行われ、分子窒素とクヌーセン噴散セルを活性化して、Ｇａ及びＭｇを蒸発させた。成長は、極度にガリウム過多の状態で起こった。この状態では、次いでＭｇが７００℃〜８００℃の比較的高い基板温度で組み込まれた。この代わりに、アンモニアを窒素源として使用して、ｐ型層が成長され得る。同様のｐ型層はまた、ＭＯＣＶＤやＨＶＰＥプロセスによって成長されていた。図１２は、テクスチャ出しされたテンプレートと共に形成されたｐ−ｎ接合の８０ｍＡの電流注入時におけるエレクトロルミネサンス・スペクトルを示している。
【実施例４】
【００５６】
実施例ＩＶでは、テクスチャ出しされた基板は、テクスチャ出しされた表面を伴って作られている。この表面上には、テクスチャ出しされた特徴を複製しながら追加層が成長される。追加層は、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート、ｐ−ｎ接合又は光学装置を形成するように成長される。追加層は、複数の井戸及び障壁層によって形成された複合的量子井戸を備えることがある。テクスチャ出しされる基板の表面は、平坦であるか、予めテクスチャ出しされている。基板の表面はまた、不変であるか、そうでなければ自然である。
【００５７】
単分散球状コロイド様粒子の単層を備えるマスク構造が、基板の表面上に被覆される。この基板は、シリコン、炭化シリコン、サファイア、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又は酸化亜鉛である。球状単分散コロイド様粒子は、０．０２〜１０ミクロンの範囲のサイズで市販されている。この粒子の基板の表面上へのパッキングは、被覆に使用される技術に依存して、周期的かランダムのいずれかである。基板の１〜５インチ径部分に対するマスク構造の被覆は、数分を要する。そのような被覆領域は、１０８〜１０２サブミクロンの特徴を基板上に規定する。
【００５８】
マスクされた表面はそれから、例えばイオンビームエッチングによってエッチングされる。このエッチングは、個別の粒子を基板表面上でピラーの形にする。ピラーの縦横比と形状は、相対マスクエッチ率と下地の基板材料によって決定される。ピラーの縦横比を最小化するために、リアクティブ及び化学的援助イオンビームエッチングの双方が使用され得る。基板の表面はそれから、液体又は気体、例えばフッ化水素又はアルゴンによってエッチングされる。液体又は気体による基板のエッチングは、ある領域では、他の領域よりも有意ではない。これは、ピラーが、基板表面の部分のエッチングを遅らせたり、阻止する傾向があるからである。
【００５９】
エッチング後に、基板の表面上のピラーは、溶剤によって除去される。この溶剤は、ピラーを溶解して、テクスチャ出しされた表面を基板に生ずる。基板の表面はそれから、テクスチャ出しされた特徴を複製する追加層を成長することに使用される。基板の表面をエッチングし、テクスチャ出しするための技術は、デックマン等の“分子規模の微孔性超格子”、ＭＲＳブルティン、ｐｐ．２４−２６（１９８７）によって、とても詳細に記載されている。
本発明は、ここでは好ましい実施形態に関連して説明されてきたが、当業者は、
【００６０】
先の明細書を読んだ後に、ここに言及されている装置及び方法に対して、変化、均等物の置換及び他の変更をもたらすことが可能となる。上述した各実施形態は、他の実施形態のいずれか又は全てに関して開示されたそのような変形を含むか組み入れることが可能である。それ故、特許によって与えられる保護は、添付された請求の範囲及びその均等物に含まれる定義によってのみ広さ制限されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明のテクスチャ出しされたテンプレートの部分的表現である。
【図２ａ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積されてｐ−ｎ接合を形成する半導体層の部分的表現である。
【図２ｂ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積されてｐ−ｎ接合を形成する半導体層の別の部分的表現である。
【図３ａ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積された複合的量子井戸の部分的表現である。
【図３ｂ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積された複合的量子井戸の別の部分的表現である。
【図４ａ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の部分的表現であり、この表面は、その上に堆積された複合的量子井戸を含む半導体層をテクスチャ出しする。
【図４ｂ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の別の部分的表現であり、この表面は、その上に堆積された複合的量子井戸を含む半導体層をテクスチャ出しする。
【図５ａ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の部分的表現であり、それらの表面上には、複合的量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図５ｂ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の別の部分的表現であり、それらの表面上には、複合的量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図５ｃ】テクスチャ出しされた表面を有する基板のさらに別の部分的表現であり、それらの表面上には、複合的量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図６ａ】テクスチャ出しされた量子井戸のＴＥＭ図。
【図６ｂ】放射する電気的に励起されたウエハレベルのＬＥＤのＴＥＭ図。
【図７ａ】この発明のテクスチャ出しされた窒化ガリウム（ＧａＮ）テンプレートの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図７ｂ】通常の平坦なＧａＮ半導体層のＳＥＭ画像である。
【図８】通常のＧａＮ層と図６のテクスチャ出しされたテンプレートとの間の光ルミネサンスの比較である。
【図９】画像化領域の深さ分析プロットを持つ、図６のテクスチャ出しされたテンプレートの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。
【図１０】通常の平坦な量子井戸の光ルミネサンス・スペクトルを示す。
【図１１】図６のテクスチャ出しされたテンプレート上に成長されたテクスチャ出しされた量子井戸のそれを示す。
【図１２】図６のテクスチャ出しされたテンプレートを備えたＬＥＤ装置の光ルミネサンス・スペクトルを示す。
【符号の説明】
【００６２】
２ 基板
４ 第１の層
８ 第２の層
９ 上面
１１，１３ 電極
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、２００４年４月１５日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたＩＩＩ−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第６０／５６２，４８９号と、２００４年１０月１日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたＩＩＩ−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第６０／６１５，０４７号と、２００５年１月２１日に出願された「平坦で、ひだのある量子井戸に基づいた窒化物ＬＥＤ」なる名称の米国仮出願第６０／６４５，７０４号とに基づく優先権を主張し、ここにその開示全体を参照によって組み入れる。
【０００２】
［連邦補助研究または開発に関する表明］
この発明を導いた研究の一部は、合衆国陸軍研究事務所によって与えられた契約第ＤＡＡＤ１９−００−２−０００４の下で提供された合衆国政府支援によって遂行されたものである。従って、合衆国政府はこの発明に相応の権利を有する。
【０００３】
「背景技術」
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、赤外、可視又は紫外（ＵＶ）領域の光を発生することが可能な半導体光学装置である。可視及び紫外で発光するＬＥＤは、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、その窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との合金を使用して作られる。これらの装置は一般に、ｐ−ｎ接合として配置されたｐ及びｎ型半導体層からなる。標準的なＬＥＤ装置では、半導体層は、研磨された基板、例えばシリコン上に均一に成長される。典型的な半導体層は、ｐ又はｎ型層となるようにドープされている窒化ガリウム（ＧａＮ）によって形成される。
【０００４】
ＬＥＤにとって重要な性能指数は、その内部量子効率（ＩＱＥ）と光取り出し効率である。典型的なＬＥＤにとって、ＩＱＥは、多くの要因、例えば点欠陥の密度、オージェ過程及び装置設計に依存する。極性（０００１）又は（０００−１）方向に沿って成長される窒化物ＬＥＤの場合、内部効率はまた、内部電界によって引き起こされるｎ及びｐドープ層間の量子井戸の歪みに起因して低減される。ＧａＮ系ＬＥＤの光取り出し効率は、スネルの法則から４％であると決定される。ＬＥＤは通常、小エネルギーギャップ半導体（井戸）と広バンドギャップ半導体（障壁）とから作られたいくつかの量子井戸を有する。可視ＬＥＤは、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を井戸として使用し、またＧａＮを障壁として使用する。紫外ＬＥＤは、異なる組成のＡｌＧａＮを井戸及び障壁の双方に使用する。極性方向に沿って成長された窒化物半導体系のＬＥＤ装置の内部量子効率は、その量子井戸に加わる電界によって低減される。この現象は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と呼ばれる。ＱＣＳＥは、ＬＥＤの赤色光放出に影響を与えて、放出波長をシフトすると共に光ルミネサンス強度を低減する。光取り出し効率のむしろ小さな値は、半導体層の出口界面における高屈折率の結果である。
【０００５】
［発明の要約］
本発明は、光エミッタ又はセンサとして、あるいは太陽電池として使用される装置を提供する。この発明のエミッタについては、ＩＱＥ及び光取り出し効率が従来の装置に対して改良される。センサ又は太陽電池については、光を装置に結合する効率も改良される。一実施形態では、半導体材料は、テクスチャ出しされた（テクスチャード）最初の半導体層が成長時に基板上に堆積されることからスタートして、複数の層として堆積される。一実施形態では、この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面形態を有するようにする。基板とテクスチャ出しされた層は、複合的半導体層の成長用テンプレート（型板）として使用され得る。例えば、装置は、第１のテクスチャ出しされた層の上に堆積された第２の層を備えることがある。これらの層は、ｐ及びｎドーパントを伴って堆積されて、ｐ−ｎ接合型発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成することができる。テクスチャ出しされた発光層は、光脱出を強化する。最初の半導体層は、その上に量子井戸が成長される障壁層として役立つことが好ましい。複数の半導体層の各々は、第１の成長層のテクスチャと同様になり、かくして光が取り出されるＬＥＤの外面は、最初の半導体層とほぼ同じテクスチャを有する。
【０００６】
複数の障壁及び量子井戸層を備えた複合的量子井戸は、それぞれが本来のテクスチャを複製する複数の半導体層を交互にしながら、互いの上に堆積されることが好ましい。障壁及び井戸層を通して複製されたテクスチャ出しは、量子井戸の位置を変えて、それらの表面が［０００１］極性方向と直交しないようにする。かくして、量子井戸は、それらの方形井戸形状を維持する。何故ならば、それらは、極性化に起因する内部電界によっては歪まされないからである。この結果、正孔及び電子の波動関数は重なって、効率的な再結合に導き、かくして劇的にＩＱＥを改善する。
【０００７】
この発明の装置は、基板、例えばシリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＡｌＧａＮ）、炭化シリコン、酸化亜鉛及びサファイアを備えることができる。サファイア基板は、その上に層が堆積される前に、窒化されることもある。
【０００８】
テクスチャ出しされた基板の上に、あるいは全成長プロセス中でもう１つの層の上に成長される半導体層は、任意の好適なプロセスによって堆積され得る。そのような堆積プロセスの例には、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、液相成長法及びレーザアブレーションがある。半導体装置の層は、ＩＩＩ−窒化物材料、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれら材料の任意の組み合わせからなることができる。基板は、層成長の前にテクスチャ出しされることがある。あるいは成長の適切な条件を選択することによって、基板上の第１の半導体層がテクスチャ出しされた表面を有する。
【０００９】
半導体層は、ドーパントを含んで、この層がｐ又はｎ型になることができる。例示的なドーパントには、ベリリウム、セレン、ゲルマニウム、マグネシウム、亜鉛、カルシウム、Ｓｉ、イオウ、酸素又はこれらドーパントの組み合わせがある。１つの層は、単結晶又は多結晶の層である。この発明の装置は、いくつかのｐ及びｎ型層と、一般に層成長を促進する１以上の緩衝層を含むことができる。例示的な緩衝層は、ＧａＮ半導体層である。緩衝層は、基板上又は半導体層間に堆積される。
【００１０】
この発明の装置用の半導体層は、約１０オングストローム（Å）から１０ミクロン（μｍ）までの厚さに堆積される。基板と堆積層のテクスチャ出しは、約１００ナノメータ（ｎｍ）から５μｍまでの平均的な山−谷距離を有する。
【００１１】
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第１の半導体層を基板の表面上に堆積する工程と備える。第１の層は、成長時に自然にテクスチャ出しされるか、テクスチャ出しされた基板表面によってテクスチャ出しされる。基板又は第１の層は、それからテンプレートとして、テンプレートと同じテクスチャを有した他の半導体層を堆積することに使用されている。好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。複合的量子井戸は、第１の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。
【００１２】
［発明の詳細な説明］
本発明のＬＥＤや光検出器は、外部光取り出し効率及び内部量子効率の一方又は双方が改良されている。光取り出し効率は、最初の半導体基板層からの層を適用するプロセスによって典型的に複製されるテクスチャ出しされた放出表面によって改良されている。成長速度の制御と適切な堆積手順の使用により、テクスチャ出しされた表面層を最初の半導体層上に形成することができる。このテクスチャは、後続の層が適用されるときにそれらの層を通して複製され、その結果、大幅に改良された光取り出し効率を有する放出層を生じる。最終表面のテクスチャ出しも、下地の基板を別にテクスチャ出しするか、あるいは深い溝で装飾された未研磨の基板を使用することによって達成可能である。何故ならば、ウエハは通常インゴットからソーを使用して切断されるからである。
【００１３】
ＬＥＤの内部量子効率の改良は、ｐ−ｎ接合に、複合的量子井戸（ＭＱＷ）を組込むことによって達成される。この結果、ｐ及びｎ側からそれぞれ注入された電子及び正孔がより良好に閉じ込められ、かくしてより効率的な再結合が生じる。
【００１４】
量子井戸を含んだ半導体装置が極性方位上に成長されるとき、その量子井戸は、電子及び正孔を分離する。このことにより、電子−正孔領域は遠くに離れて配置され、光を発生する電子−正孔再結合の効率を低減する。この発明のＬＥＤは、テクスチャ出しされた表面上に量子井戸を成長させることによって、この欠損を克服する。このように、量子井戸は歪まされることはなく、かくして井戸中の電子及び正孔はより効率的に再結合する。
【００１５】
本発明に係るＬＥＤの一実施形態では、ＬＥＤは、基板２上に形成される。図１ａ並びに図２ａ及びｂに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、テクスチャ出しされた半導体層４が基板上に堆積される。この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされ、テクスチャ出しされた表面トポロジー（モーフォロジー）１０を有するようになる。基板及びテクスチャ出しされた層は、ＬＥＤを形成するための複合的半導体層の成長用テンプレートとして使用される。そのようなテクスチャ出しされたＡｌＮテンプレートは、紫外ＬＥＤを製造することにも使用できる。例えば、１つの装置は、第１のテクスチャ出しされた層上に堆積された第２の層を備えることもできる。これらの層は、ドープされて、発光ダイオード（ＬＥＤ）用のｐ−ｎ接合を形成することが可能である。適切なドーパントには、セレン、ゲルマニウム、マグネシウム亜鉛、マグネシウム、ベリリウム、カルシウム、Ｓｉ、イオウ、酸素又はそれらの任意の組み合わせがある。半導体層の各々は、第１の成長層及びそのテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされ、改良された取り出し効率のテクスチャ出しされた放出表面を有することができる。
【００１６】
第２の実施形態では、図３ａ，ｂ、図４ａ，ｂ並びに図５ａ，ｂに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、複数の障壁及び量子井戸層を備えた複合的量子井戸が、装置のｎ及びｐドープ層間で、半導体層を交互にして、互いの上に堆積されている。複合的量子井戸は、第１の層の上に成長されるときに、その層のテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされる。
【００１７】
殆どの場合、テクスチャ出しされた層と量子井戸との間に、厚さ可変のｎドープＡｌＧａＮクラッド層が成長される。
【００１８】
第１の層の成長に使用される好適な基板は、この技術分野では知られている。例示的基板には、サファイア、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン、酸化亜鉛及びシリコン（Ｓｉ）がある。例えば、好ましい基板は、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）Ｓｉ、（１１１）ＧａＡｓ、（０００１）ＧａＮ、（０００１）ＡｌＮ、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア及び（０００１）炭化シリコンであり得る。
【００１９】
この発明の装置用の基板は、成長された表面を化学的に清浄化することによる半導体層成長用に準備され得る。基板の成長表面は、オプションで研磨されてもよい。基板はまた、層成長に先行して熱的に脱ガスされてもよい。基板の表面は、参照によりここに組み入れられる米国特許第５，６７７，５３８号に開示されているように、オプションで窒化されることも可能である。切断された状態の未研磨、未処理の基板上での成長は、その上にテクスチャ出しされた表面を成長することを促進する。
【００２０】
半導体層は、いくつかのプロセス、例えばハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、液相成長法（ＬＰＥ）、レーザアブレーション及びこれら方法の変形例によって成長され得る。典型的な成長プロセスは、参照によりここに組み入れられる米国特許第５，７２５，６７４号、第６，１２３，７６８号、第５，８４７，３９７号及び第５，３８５，８６２号に開示されている。半導体層はまた、窒化物層を生じる窒素の存在下でも成長され得る。窒化物層の例には、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びそれらの合金がある。
【００２１】
図１ａは、この発明の半導体装置の部分的表現である。好ましい実施形態では、この装置は、テクスチャ出しされたテンプレートであって、基板２と、その上に成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層４とを備える。基板２は、最初にテクスチャ出しされているか、あるいは平滑に研磨され得る。第１の層４は、基板２上に成長されるときにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面トポロジー１０を有する。第１の層は、変形ＨＶＰＥ堆積プロセスによって成長されて、テクスチャ出しされた表面１０を生じることが好ましい。変形ＨＶＰＥプロセスは、成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層を、その層の欠陥領域を増強塩酸（ＨＣｌ）濃度でエッチングすることによって、部分的に生じさせる。変形ＨＶＰＥプロセスのＨＣｌ濃度は、以下で例示されるように、典型的な堆積プロセスのものよりも実質的に高い。
【００２２】
一実施形態では、第１の層４は、ＩＩＩ群窒化物の層からなる半導体層であり得る。この層４は、以下で示されるように、堆積中の好適なドープによってｐ又はｎ型とされた半導体層であることが好ましいが、それはまたＡｌＮのような絶縁層でもよく、あるいは両者でもよい。層４は、参照によりここに組み入れられる米国特許第６，６８６，７３８号に記載されているように、オプションで、基板上に堆積された緩衝層の上に成長され得る。
【００２３】
基板２及び層４の厚さは、広い範囲をカバーできるものであるが、層４の厚さは、その表面に複製されたテクスチャ出しの程度を変化させるものである。例えば、厚さ１０μｍの層は、約１００ｎｍ〜５μｍの山−谷テクスチャ距離を有することができる。半導体層のテクスチャ出しは、その層の上に成長されてテクスチャを複製するＬＥＤ層の光取り出し特性に影響を与える。半導体層４は、典型的には成長時にランダムにテクスチャ出しされる。層４は、単結晶又は多結晶の材料である。
【００２４】
図２ａは、図１の装置上に成長された第２の層８を示す。この層８は、任意の好適な堆積プロセスによって成長される。第２の層は、第１の層４のテクスチャ出しされた表面１０の上に成長される。第２の層８は、図２ｂに示されるように、第１の層４のテクスチャ出しされた表面トポロジー１０を埋め込むほど厚くないことが好ましい。第２の層８は、図２ａに示されるように、層４による複製によってテクスチャ出しされた上面９を有することが好ましい。
【００２５】
層８は、ＩＩＩ群窒化物からなる半導体層であることが好ましい。第２の層８は、層４のドーピングとは逆のｐ又はｎ型半導体層である。第２の層８は、単結晶又は多結晶の半導体層である。一実施形態では、第１及び第２の層４及び８のドーピングは、光センサ又はエミッタとして使用されるｐ−ｎ接合３を形成する。これらの装置は、電子ディスプレイ、固体ライト、コンピュータ又はソーラーパネル用に使用され得る。電極１１及び１３は、この技術分野でそのような用途について知られているように、層４及び８に接続される。
【００２６】
図３ａ及び３ｂは、図１の装置上に成長された複合的量子井戸６を有するＬＥＤの部分的表現である。量子井戸６は、第１の層４の表面トポロジーによってテクスチャ出しされている。上述したように、第１の層４は、基板２上に成長されるときにテクスチャ出しされ得る。一実施形態では、複合的量子井戸６は、１以上の障壁層５と量子井戸層７とを交互に備える。
【００２７】
いくつかの障壁層５及び量子井戸層７は、テクスチャ出しされた第１の層４をそれぞれ複製する半導体層を交互にすることによって成長され得る。例えば、量子井戸は、第１の層２の上に成長された障壁層５によって形成され得る。それから量子井戸層７は、障壁層５の上に成長される。それから第２の障壁層５は、量子井戸層７の上に成長され、その上に第２の量子井戸層が成長される。一実施形態では、量子井戸層７及び第１の層４は、組成が一致させられている。障壁層５は、第１の層４及び量子井戸層７の双方とは異なる組成を有することができる。
【００２８】
障壁層５は、１以上のＩＩＩ−Ｖ群窒化物の化合物を備えることができる。一実施形態では、１以上の障壁層５は、ＡｌＧａＮである。同様に、１以上の量子井戸層７は、ＩＩＩ群窒化物、例えばＧａＮであるか、又はもう１つのＩＩＩ−Ｖ化合物である。これらの層はまた、任意の好適な堆積プロセスによって成長させられる。障壁層５又は量子井戸層７は、それらの間に成長された緩衝層を有することができる。これらの層は、単結晶又は多結晶の層である。
【００２９】
これらの層の厚みは、典型的に充分に薄く、テクスチャ出して表面を複製することに適している。これらの層に関するテクスチャ出しの度合いは、内部量子効率及び光取り出し効率に影響を与える。この発明の装置は、１〜２０個の量子井戸を備えて、複数の障壁層５及び量子井戸層７を構成することが好ましい。
【００３０】
図３ａ及び３ｂは、テクスチャ出しされた複合的量子井戸６上に成長された半導体上層８を示す。この層８は、既知の堆積プロセスによって成長され得る。この層は、テクスチャ出しされた層９（図３ａ）であるか、第１の層４のテクスチャ出しされた表面トポロジーを埋め込むように厚いものである（図３ｂ）か、それを研磨したものである。
【００３１】
層８は、ＩＩＩ群窒化物からなる半導体層であることが好ましい。上層８もまた、層４とは逆のｐ又はｎ型半導体層であって、ｐ−ｎ接合を形成する。このｐ−ｎ接合は、半導体装置、例えばＬＥＤや光検出器として機能することを可能にする。上層８は、単結晶又は多結晶の半導体層である。複合的量子井戸６もまた、成長時にテクスチャ出しされた障壁層５及び量子井戸層７を備えることができる。例えば、層５及び７は、上述した変形ＨＶＰＥ堆積プロセスによって成長され得る。
【００３２】
図３ａに示された装置構造は、通常の装置の効率よりも有意に高い内部量子効率及び外部光取り出し効率を呈することが可能である。図３ｂの装置は、内部量子効率の増加を総合的に処理する。
【００３３】
この発明の装置は、１００％に近い光取り出し効率を有することが可能である。同様に、そのような装置は、５０〜６０％の範囲の内部量子効率を有することがある。
【００３４】
図４ａ及び４ｂは、最初にテクスチャ出しされた表面を有する基板を備えた装置を示している。第１の層４に後続する層は、テクスチャ出しされた基板２上に堆積されて、上面が複製によってテクスチャ出しされる。
【００３５】
図４ａの装置は、層８上のテクスチャ層９を備えるか、あるいは図４ｂでは、その実施形態としてテクスチャ出しされていない層を備える。
【００３６】
代替実施形態では、基板は、図示のように、例えば図５ａでは、上述したものと実質的に同じ手順を使用して、テクスチャ出しされた上下双方の表面９及び１５を有する。図５ｂでは、底層２だけを備え、表面１５は、テクスチャ出しされ、そして放出表面として機能することができる。
【００３７】
例えば、図５ｃは、サファイア基板２上の平坦なＡｌＮテンプレート４ａを使用したＬＥＤである。ＡｌＮテンプレートと量子井戸及び障壁層７及び５との間には、クラッド又はコンタクト層として知られる厚いＡｌＧａＮ層４ｂがある。この層は、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され得る。それらの上にあるのは、それぞれＡｌＧａＮ及びＧａＮのｐドープ層８ａ及び８ｂである。層４ｂ及び８ｂは、電気コネクタ１１及び１３を受けて、サファイア基板２を通して下向きに光取り出しを行う。層８ａは、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され、そして電子遮蔽層として機能して電子の損失を防止する。層５及び７は、明瞭化のために平坦に示されているが、望み通りに、ひだがつけられている、と理解されるべきである。
【００３８】
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第１の半導体層を基板の表面上に堆積する工程と備える。第１の層は、以下で説明されるように、成長時にテクスチャ出しされるか、テクスチャ出しされた基板表面によってテクスチャ出しされる。それから基板又は第１の層は、テンプレートとして、他の半導体層を堆積してテクスチャ出しすることに使用され得る。そのようなテンプレートは、この製造段階で販売され、他のものが、多層化を完了して、そのテクスチャを放出層まで複製できるようにする。
好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。この場合、井戸は、半導体層を交互にしながら堆積され得る障壁及び量子井戸層の双方を備える。複合的量子井戸は、第１の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
【００３９】
ここでの実施例は、本発明の利点を説明するために与えられる。これら実施例は、上述された発明の変形例又は実施形態のいずれかを含むか組み入れることができる。上述された実施形態もまた、発明の他の実施形態のいずれか又は全ての変形例を含むか組み入れることができる。以下の実施例は、いかなる意味においても、発明の範囲を制限することを意図されていない。
【実施例１】
【００４０】
この発明によりテクスチャ出しされたＧａＮテンプレートは、上述した変形ＨＶＰＥプロセスによって成長される。このＧａＮテンプレートは、変形ＨＶＰＥリアクタを通して成長される。このリアクタ内において、ＩＩＩ群前駆体はＧａＣｌガスであり、これは、上流のＧａを含有した石英ボート上を流れるＨＣｌによって、約５００℃〜１０００℃の温度で合成され得る。それからＧａＣｌガスは、下流の基板ウエハの表面付近で、アンモニア（ＮＨ３）と混合され、約９００℃〜１２００℃の温度でＧａＮを形成する。この発明のＧａＮ又はＡｌＮ又はＡｌＧａＮテンプレートは、極性方向及び非極性方向に沿って成長され得る。テンプレートはまた、立方対称性を有する基板、例えば（１００）Ｓｉや（００１）ＧａＡｓを選択することによって、それらの立方構造内で成長することができる。この場合、その上に成長される後続の窒化物層は、同様に立方対称性を有する。
【００４１】
変形リアクタは、一般的に４つのゾーンに分割され、各ゾーンの温度は、個別に制御可能である。このリアクタはまた、反応原系ガス及び希釈剤用に３つの別々の配送チューブを有する。窒素や水素は、ＮＨ３及びＨＣｌに対する希釈剤及びキャリヤガスとして使用される。窒素は、中間チューブを通して送られる。このチューブは、下流ガスシースとして作用して、ＧａＣｌ及びＮＨ３ガスが、基板表面に接触する前に、混合されることを防止する。ＧａＮ層のテクスチャ出しは、ＨＣｌのエッチング効果の結果であり得る。例えば、テクスチャ出しは、ＨＣｌが成長中の層の表面からＧａをエッチングするときに起こる。ＨＣｌはまた、第１の層の境界ドメインにおいて欠陥のあるＧａＮをエッチングする。変形ＨＶＰＥプロセスのＨＣｌ濃度は、テクスチャ出しが回避された典型的な堆積プロセスのそれよりも実質的に高い。
【００４２】
テクスチャ出しされたＧａＮテンプレートは、ＩＩＩ群前駆体に対するＮＨ３の流率によって制御される約３０〜２００μｍ毎時の範囲の高成長速度条件下で成長され得る。この流率は、典型的には約３００〜１０である。テンプレートの成長は、ＧａＣｌガスによって基板を１０００℃で前処理し、次いで薄いＧａＮ緩衝層を５５０℃〜６５０℃で成長させることによって行われる。それから速度条件は、ＧａＮの高温エピ層成長用に約１０７０℃まで勾配をつけられる。基板もまた、スパッタされた酸化亜鉛を伴う成長に先行して、前処理され得る。酸化亜鉛の普通の厚さは、約５００Å〜１５００Åである。それからテンプレートの成長は、チャンバを成長温度まで加熱し、更に成長を開始するために反応原系ガスを流すことによって行われる。
【００４３】
図６ａは、テクスチャ出しされた表面（ひだのある量子井戸）における複合的量子井戸を示す透過型電子顕微鏡画像を示す。テクスチャ出しにより生じたＶ溝１８では、増強された光生成が全ての材料に対して起こる。図６ｂは、２０で放射する電気的に励起されたウエハレベルのＬＥＤを示す。この青色ＬＥＤ構造は、未研磨の（０００１）サファイア基板上に作られた。この基板上には、３ミクロンの多量にドープされたｎ型ＧａＮが成長され、次いでインジウムを１３％含むＩｎＧａＮを井戸とし、またＧａＮを障壁とする１０個のＭＱＷが成長された。ＭＱＷの成長に続いて、マグネシウムでｐ型にドープされた、Ａｌを３０％含むＡｌＧａＮからなる薄い（約１０μｍ）の電子遮断層が成長され、次いでマグネシウムで多量にｐ型にドープされた２００ｎｍのＧａＮが成長される。光が放出される自由表面は、未研磨のサファイア基板のモーフォロジーを複製している。
【００４４】
図７ａは、変形ＨＶＰＥプロセスによって成長されるときにランダムにテクスチャ出しされたＧａＮテンプレートの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。この画像は、電子線に対して約３０度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。ＧａＮ層の成長は、（０００１）サファイア基板上に起こった。この成長は、２５標準立方センチメータ毎分（ｓｃｃｍ）のＨＣｌを使用するプロセスによって１０００℃の前処理中に行われた。このプロセスはまた、ＩＩＩ群前駆体に対するアンモニアの比１５０を、約５９０℃での緩衝層成長中に使用した。それから１０７０℃での高温成長の段階は、ＩＩＩ群に対するアンモニアの比６０を使用した。テンプレートのテクスチャ出しの程度又は度合いは、成長前線に到達したＧａＣｌの量に依存しているものと決定された。そのようなＧａＣｌの量は、成長速度も制御することができる。
【００４５】
図６と比較して、図７は、原子的に平坦な標準ＧａＮ層のＳＥＭ画像を示している。図示のように、通常のＧａＮ層の表面トポロジーは、２〜３の表面欠陥にも係わらず、テクスチャ出しされていない。この画像は、電子線に対して約３０度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。原子的に平坦な表面を有する通常のＧａＮ層の光ルミネサンスは、この発明のランダムにテクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレートのそれと比較された。両方の層サンプルは、１０ミリワット（ｍＷ）のヘリウムレーザを励起源として使用する同一の条件で測定された。
【００４６】
この比較の結果は、図８によって示されている。この図において、テクスチャ出しされたテンプレートの光ルミネサンス強度は、平坦なＧａＮ層の強度よりも５０倍以上大きい。強化された光取り出しは、そのような半導体層の高屈折率によって特にテクスチャ出しされた表面を通して起こる。テクスチャ出しされた表面は、ＧａＮ層と空気との間の高屈折率変化によって制限されたエスケープコーン（脱出円錐）と比べて、単一フォトンのエスケープコーンを増加させる。
【００４７】
この発明のＩＩＩ群層テンプレートのテクスチャ出しのランダム性は、図９ａ及び９ｂに描かれている。図９ａは、図９ｂの画像化領域の深さ分析プロットを持つ、この発明のＧａＮテンプレートの原子間力顕微鏡画像である。このプロットは、テンプレートについての表面トポロジーのガウス分布、ランダム性の特徴を示している。平均的な山−谷表面トポロジーは、約１．３ミクロンである。
【実施例２】
【００４８】
実施例ＩＩは、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート上の複合的な（ひだのある）量子井戸を含む。これら量子井戸は、１０対のＡｌＧａＮ及びＧａＮ層を備える。個別のＧａＮ層は、テクスチャ出しされた量子井戸層からなることがある。この場合、ＡｌＧａＮ層は、障壁層として作用する。ＡｌＧａＮ層の組成は、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである。一般的に、ＡｌｘＧａｘ−１Ｎである。複合的量子井戸はまた、小ギャップのＩＩＩ−Ｖ窒化物膜（井戸）と大ギャップのＩＩＩ−Ｖ窒化物膜（障壁）の任意の組み合わせによって作ることができる。ＭＱＷの組成は、光の放出エネルギを純ＩｎＮの約０．７ｅＶから純ＡｌＮからの６ｅＶまで決定する。複数の量子井戸層は、任意の好適な体積プロセスによって成長される。ＭＢＥプロセスは、無線周波数又はマイクロ波プラズマによって活性化されている窒素に対するＩＩＩ群材料の反応を含む。代替的解決法は、ＩＩＩ群材料を、加熱された基板上のアンモニアと反応させることである。
【００４９】
成長プロセスによる半導体成長用のＩＩＩ群材料は、噴散セルから蒸発可能であるか、あるいはＩＩＩ群アルキルの形態で提供され得る。ＭＢＥプロセスやプラズマ援助ＭＢＥプロセスでの半導体成長中に、窒素やアンモニアガスは、典型的に約１〜５０ｓｃｃｍ使用される。量子井戸が成長されるときに、量子井戸の層は、テンプレートのテクスチャを複製する。そのようなＭＢＥプロセスは、この技術分野で既知である。この発明はまた、当業者によって使用されることがある他の典型的な半導体成長用の解決法も考慮する。
【００５０】
１０対のテクスチャ出しされたＡｌＧａＮ及びＧａＮ量子井戸は、約７ナノメータ（ｎｍ）の井戸厚さと、対応する約８ｎｍの障壁層厚さとを有していた。複数の量子井戸は、約７５０℃の温度で基板に成長された。先ず、ＡｌＧａＮ障壁層が、この発明のテクスチャ出しされたＩＩＩ群テンプレート上に成長される。それから障壁層は、量子井戸、ＧａＮ層の堆積用表面となる。それから、ＧａＮ層は、次の障壁層用の成長表面となる。この成長パターンは、複合的量子井戸層が形成されるまで継続され得る。これらの井戸は、下地のテクスチャ出しされたテンプレートの表面トポロジーを複製する。井戸及び障壁層の厚さは、例えば、１０Åから５００Å以上となり得る。
【００５１】
図１０及び１１は、通常の量子井戸の光ルミネサンス・スペクトルと、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート上に成長されたテクスチャ出しされた量子井戸のそれを示す。通常の平坦なＧａＮ層上に成長された量子井戸からの光ルミネサンス・スペクトルは、高い強度ピークを３６４ｎｍに呈する。この強度ピークは、一次的にはＭＱＷ直下の平坦なバルクＧａＮ層に起因する。約３９６ｎｍにある極めて低く且つ広いルミネサンスピークは、部分的に平坦な井戸に起因しているものと仮定される。平坦な井戸サンプルの陰極ルミネサンス・スペクトルは、この仮定を立証することに使用された。このスペクトルは、量子井戸を探索するために約４ｋＶの低加速度電圧を使用して行われた。これらの結果は、図９の挿入図によって示されている。これらの結果は、約３９６ｎｍで生じた広いピークが通常の量子井戸に対応したものであることを確認している。
【００５２】
平坦な量子井戸から観察されたルミネサンスは、大きさが大幅に低減されていると共にバルクに対して赤色シフトされたものとして示されている。これらの結果は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と一致する。
【００５３】
典型的な量子井戸と比べて、この発明のテクスチャ出しされたテンプレートによってテクスチャ出しされた量子井戸は、バルクＧａＮ層のルミネサンスに対して青色シフトされている。複数のテクスチャ出しされた量子井戸は、井戸がその上に成長されたテンプレートと比較したときに、実質的に増加されたルミネサンスを呈する。
【００５４】
これらの結果は、テクスチャ出しされたＩＩＩ群窒化物テンプレート上に形成された、ひだのある井戸が、極性化に関連した内部電界によっては歪まされないことを示している。図１１はまた、テクスチャ出しされた量子井戸についてのピーク光ルミネサンスが、通常の平坦なＧａＮ層上に成長されたものよりも約７００倍以上も高いことを示している。この違いは、テクスチャ出しされた表面を通しての増強された光取り出しと、ＱＣＳＥの消去により増強された自然放出率の双方に起因する。
【実施例３】
【００５５】
高度に導電性の、マグネシウムをドープした、正孔濃度が約１０１８ｃｍ−３で厚さが約０．５マイクロメータのｐ型ＧａＮ層が、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）によって、この発明に係るｎ型のテクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレート上に堆積された。テクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレートは、約１０１９ｃｍ−３の電子濃度を有していた。ｐ型ＧａＮ層の形成は、無線周波数プラズマ源を使用して行われ、分子窒素とクヌーセン噴散セルを活性化して、Ｇａ及びＭｇを蒸発させた。成長は、極度にガリウム過多の状態で起こった。この状態では、次いでＭｇが７００℃〜８００℃の比較的高い基板温度で組み込まれた。この代わりに、アンモニアを窒素源として使用して、ｐ型層が成長され得る。同様のｐ型層はまた、ＭＯＣＶＤやＨＶＰＥプロセスによって成長されていた。図１２は、テクスチャ出しされたテンプレートと共に形成されたｐ−ｎ接合の８０ｍＡの電流注入時におけるエレクトロルミネサンス・スペクトルを示している。
【実施例４】
【００５６】
実施例ＩＶでは、テクスチャ出しされた基板は、テクスチャ出しされた表面を伴って作られている。この表面上には、テクスチャ出しされた特徴を複製しながら追加層が成長される。追加層は、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート、ｐ−ｎ接合又は光学装置を形成するように成長される。追加層は、複数の井戸及び障壁層によって形成された複合的量子井戸を備えることがある。テクスチャ出しされる基板の表面は、平坦であるか、予めテクスチャ出しされている。基板の表面はまた、不変であるか、そうでなければ自然である。
【００５７】
単分散球状コロイド様粒子の単層を備えるマスク構造が、基板の表面上に被覆される。この基板は、シリコン、炭化シリコン、サファイア、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又は酸化亜鉛である。球状単分散コロイド様粒子は、０．０２〜１０ミクロンの範囲のサイズで市販されている。この粒子の基板の表面上へのパッキングは、被覆に使用される技術に依存して、周期的かランダムのいずれかである。基板の１〜５インチ径部分に対するマスク構造の被覆は、数分を要する。そのような被覆領域は、１０８〜１０２サブミクロンの特徴を基板上に規定する。
【００５８】
マスクされた表面はそれから、例えばイオンビームエッチングによってエッチングされる。このエッチングは、個別の粒子を基板表面上でピラーの形にする。ピラーの縦横比と形状は、相対マスクエッチ率と下地の基板材料によって決定される。ピラーの縦横比を最小化するために、リアクティブ及び化学的援助イオンビームエッチングの双方が使用され得る。基板の表面はそれから、液体又は気体、例えばフッ化水素又はアルゴンによってエッチングされる。液体又は気体による基板のエッチングは、ある領域では、他の領域よりも有意ではない。これは、ピラーが、基板表面の部分のエッチングを遅らせたり、阻止する傾向があるからである。
【００５９】
エッチング後に、基板の表面上のピラーは、溶剤によって除去される。この溶剤は、ピラーを溶解して、テクスチャ出しされた表面を基板に生ずる。基板の表面はそれから、テクスチャ出しされた特徴を複製する追加層を成長することに使用される。基板の表面をエッチングし、テクスチャ出しするための技術は、デックマン等の“分子規模の微孔性超格子”、ＭＲＳブルティン、ｐｐ．２４−２６（１９８７）によって、とても詳細に記載されている。
本発明は、ここでは好ましい実施形態に関連して説明されてきたが、当業者は、
【００６０】
先の明細書を読んだ後に、ここに言及されている装置及び方法に対して、変化、均等物の置換及び他の変更をもたらすことが可能となる。上述した各実施形態は、他の実施形態のいずれか又は全てに関して開示されたそのような変形を含むか組み入れることが可能である。それ故、特許によって与えられる保護は、添付された請求の範囲及びその均等物に含まれる定義によってのみ広さ制限されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明のテクスチャ出しされたテンプレートの部分的表現である。
【図２ａ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積されてｐ−ｎ接合を形成する半導体層の部分的表現である。
【図２ｂ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積されてｐ−ｎ接合を形成する半導体層の別の部分的表現である。
【図３ａ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積された複合的量子井戸の部分的表現である。
【図３ｂ】図１のテクスチャ出しされたテンプレート上に堆積された複合的量子井戸の別の部分的表現である。
【図４ａ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の部分的表現であり、この表面は、その上に堆積された複合的量子井戸を含む半導体層をテクスチャ出しする。
【図４ｂ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の別の部分的表現であり、この表面は、その上に堆積された複合的量子井戸を含む半導体層をテクスチャ出しする。
【図５ａ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の部分的表現であり、それらの表面上には、複合的量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図５ｂ】テクスチャ出しされた表面を有する基板の別の部分的表現であり、それらの表面上には、複合的量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図５ｃ】テクスチャ出しされた表面を有する基板のさらに別の部分的表現であり、それらの表面上には、複合的量子井戸を含むテクスチャ出しされた半導体層が堆積されている。
【図６ａ】テクスチャ出しされた量子井戸のＴＥＭ図。
【図６ｂ】放射する電気的に励起されたウエハレベルのＬＥＤのＴＥＭ図。
【図７ａ】この発明のテクスチャ出しされた窒化ガリウム（ＧａＮ）テンプレートの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図７ｂ】通常の平坦なＧａＮ半導体層のＳＥＭ画像である。
【図８】通常のＧａＮ層と図６のテクスチャ出しされたテンプレートとの間の光ルミネサンスの比較である。
【図９】画像化領域の深さ分析プロットを持つ、図６のテクスチャ出しされたテンプレートの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。
【図１０】通常の平坦な量子井戸の光ルミネサンス・スペクトルを示す。
【図１１】図６のテクスチャ出しされたテンプレート上に成長されたテクスチャ出しされた量子井戸のそれを示す。
【図１２】図６のテクスチャ出しされたテンプレートを備えたＬＥＤ装置の光ルミネサンス・スペクトルを示す。
【符号の説明】
【００６２】
２ 基板
４ 第１の層
８ 第２の層
９ 上面
１１，１３ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学センサ、太陽電池又はエミッタとして使用される半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
前記基板上の第１の層であって、ＩＩＩ−Ｖ材料からなると共に、その表面がテクスチャ出しされたトポロジーを有する第１の層と、
障壁層と交互になると共に、第１の層の表面によってテクスチャ出しされた１以上の量子井戸層とを備え、
障壁層はＩＩＩ−Ｖ材料からなり、また量子井戸層はＩＩＩ−Ｖ材料からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板は、表面がテクスチャ出しされ、また前記第１及びそれに続く層は、基板のテクスチャ出しを複製する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
第１の層と障壁層は、一致したＩＩＩ−Ｖ組成を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）ＡｌＧａＮからなる群から選択された材料からなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
第１の層は、過剰ＨＣｌの存在下におけるＩＩＩ−Ｖ群材料のハライド気相成長法の結果である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる上層を更に備え、この上層は、１つの障壁層に成長されたものである請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
第１の層と上層は、ｐ及びｎ逆のドーパントを有して、それらの間のｐ−ｎ接合を、前記１以上の量子井戸層を有する領域内に形成する請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサからなる請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
基板は、前記第１の層から遠い側に、テクスチャ出しされた表面を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
基板のテクスチャ出しされた表面は、ｓ面の表面である請求項２に記載の半導体装置。
【請求項１１】
基板のｓ面の表面は、機械的にテクスチャ出しされたものである請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
基板のｓ面の表面は、リソグラフィ又はエッチングによってテクスチャ出しされたものである請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１３】
第１の層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はそのような方法の組み合わせの１つ又は複数から生じた基板上の堆積物である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１４】
１以上の量子井戸層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はこれら方法の組み合わせによって成長されたものである請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１５】
半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなり、前記基板上に成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層とを備え、
前記層の表面は、テクスチャ出しされたトポロジーを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）ＡｌＧａＮからなる群から選択された材料からなる請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
第１の層は、過剰ＨＣｌの存在下におけるハライド気相成長法によって基板上に成長されるときにテクスチャ出しされたものである請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１８】
第２の層を更に備え、この第２の層は、ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１９】
第１の層と第２の層は、ｐ及びｎ逆のドーパントをドープされて、それらの間にｐ−ｎ接合を構成する請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項１９に記載の半導体装置。
【請求項２１】
１以上のテクスチャ出しされた量子井戸層を第１及び第２の層の間に更に備える請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記量子井戸層は、複数の障壁層をそれぞれの量子井戸層間に更に備え、各障壁層は、第１の層の表面に対応するテクスチャ出しされた表面を有する請求項２１に記載の半導体装置。
【請求項２３】
装置は、１以上の量子井戸層を更に備え、それぞれは、第１の層の表面に対応するようにテクスチャ出しされた少なくとも１つの量子井戸層からなる請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項２４】
装置は、ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる上層を更に備える請求項２３に記載の半導体装置。
【請求項２５】
前記層と上層は、ｐ及びｎ逆のドーパントを有して、ｐ−ｎ接合を形成する請求項２４に記載の半導体装置。
【請求項２６】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項２５に記載の半導体装置。
【請求項２７】
半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及びＡｌＧａＮからなる群から選択された材料からなると共に、テクスチャ出しされた表面を有する基板と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料とドーパントからなり、前記基板のテクスチャ出しされた表面のテクスチャを複製する上面を有する第１の層と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる第２の層と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２８】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項２９】
第１の層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はこれら方法の組み合わせの１つ又は複数により生じた基板上の堆積物である請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３０】
第１の層と第２の層は、ｐ及びｎ逆のドーパントを有して、ｐ−ｎ接合を構成する請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３１】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項３０に記載の半導体装置。
【請求項３２】
基板のテクスチャ出しされた表面に対応してテクスチャ出しされた１以上の量子井戸層を更に備える請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３３】
前記量子井戸層は、複数の障壁層を備え、各障壁層は、基板のテクスチャ出しされた表面の複製を有する請求項３２に記載の半導体装置。
【請求項３４】
量子井戸層は、前記第１の層と実質的に同じ組成である請求項３３に記載の半導体装置。
【請求項３５】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項３４に記載の半導体装置。
【請求項３６】
基板のテクスチャ出しされた表面は、リソグラフィ又はエッチングされた表面である請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３７】
前記ＩＩＩ−Ｖ材料は、ＩＩＩ−Ｖ窒化物である先行する請求項のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項３８】
半導体装置を製作するための方法であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板を与える工程と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる第１の層を基板上に堆積する工程と備え、
前記層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされたものであり、前記層は、テクスチャ出しされたトポロジーを持つ表面を有することを特徴とする方法。
【請求項３９】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記層は、過剰ＨＣｌの存在下におけるハライド気相成長法によって堆積されたものである請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
第２の層を第１の層上に堆積する工程を更に備え、第２の層は、ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
第１の層と第２の層を、ｐ及びｎ逆のドーパントを伴って堆積する工程を備え、それらの間にｐ−ｎ接合を形成する請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
１以上の量子井戸層を前記第１の層及び第２の層上に堆積する工程を更に備え、各量子井戸層は、第１の層の表面を複製するテクスチャを有する請求項３８に記載の方法。
【請求項４４】
量子井戸層を堆積する工程は、複数の障壁層を堆積する工程を含み、各障壁層は、第１の層の表面を複製するテクスチャ出しされた表面を有する請求項３８に記載の方法。
【請求項４５】
前記障壁層は、量子井戸層と交互に堆積され、それぞれが第１の層のテクスチャを複製する請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
半導体装置を製作するための方法であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなると共に、テクスチャ出しされた表面を有する基板を与える工程と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなると共に、基板の表面によってテクスチャ出しされた上面を有する第１の層を基板上に堆積する工程と、
この層の上にＩＩＩ−Ｖ群材料からなる第２の層を堆積する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４７】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
第１の層と第２の層の堆積工程は、それらの層をｐ及びｎ逆のドーパントを伴って堆積する工程を含み、それらの間にｐ−ｎ接合を形成する請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１及び第２の層間における基板の表面テクスチャを複製する１以上の量子井戸層を堆積する工程を備える請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
量子井戸層を堆積する工程は、１以上の障壁層を堆積する工程を更に備え、各障壁層は、基板の表面を複製するテクスチャを有する請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
量子井戸層を堆積する前記工程は、前記第１の層の組成と実質的に一致する組成を堆積する請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記ＩＩＩ−Ｖ材料は、ＩＩＩ−Ｖ窒化物である請求項３８〜５１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１】
光学センサ、太陽電池又はエミッタとして使用される半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
前記基板上の第１の層であって、ＩＩＩ−Ｖ材料からなると共に、その表面がテクスチャ出しされたトポロジーを有する第１の層と、
障壁層と交互になると共に、第１の層の表面によってテクスチャ出しされた１以上の量子井戸層とを備え、
障壁層はＩＩＩ−Ｖ材料からなり、また量子井戸層はＩＩＩ−Ｖ材料からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板は、表面がテクスチャ出しされ、また前記第１及びそれに続く層は、基板のテクスチャ出しを複製する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
第１の層と障壁層は、一致したＩＩＩ−Ｖ組成を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）ＡｌＧａＮからなる群から選択された材料からなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
第１の層は、過剰ＨＣｌの存在下におけるＩＩＩ−Ｖ群材料のハライド気相成長法の結果である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる上層を更に備え、この上層は、１つの障壁層に成長されたものである請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
第１の層と上層は、ｐ及びｎ逆のドーパントを有して、それらの間のｐ−ｎ接合を、前記１以上の量子井戸層を有する領域内に形成する請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサからなる請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
基板は、前記第１の層から遠い側に、テクスチャ出しされた表面を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
基板のテクスチャ出しされた表面は、ｓ面の表面である請求項２に記載の半導体装置。
【請求項１１】
基板のｓ面の表面は、機械的にテクスチャ出しされたものである請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
基板のｓ面の表面は、リソグラフィ又はエッチングによってテクスチャ出しされたものである請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１３】
第１の層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はそのような方法の組み合わせの１つ又は複数から生じた基板上の堆積物である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１４】
１以上の量子井戸層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はこれら方法の組み合わせによって成長されたものである請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１５】
半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなり、前記基板上に成長されるときにテクスチャ出しされた第１の層とを備え、
前記層の表面は、テクスチャ出しされたトポロジーを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）ＡｌＧａＮからなる群から選択された材料からなる請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
第１の層は、過剰ＨＣｌの存在下におけるハライド気相成長法によって基板上に成長されるときにテクスチャ出しされたものである請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１８】
第２の層を更に備え、この第２の層は、ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１９】
第１の層と第２の層は、ｐ及びｎ逆のドーパントをドープされて、それらの間にｐ−ｎ接合を構成する請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項１９に記載の半導体装置。
【請求項２１】
１以上のテクスチャ出しされた量子井戸層を第１及び第２の層の間に更に備える請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記量子井戸層は、複数の障壁層をそれぞれの量子井戸層間に更に備え、各障壁層は、第１の層の表面に対応するテクスチャ出しされた表面を有する請求項２１に記載の半導体装置。
【請求項２３】
装置は、１以上の量子井戸層を更に備え、それぞれは、第１の層の表面に対応するようにテクスチャ出しされた少なくとも１つの量子井戸層からなる請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項２４】
装置は、ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる上層を更に備える請求項２３に記載の半導体装置。
【請求項２５】
前記層と上層は、ｐ及びｎ逆のドーパントを有して、ｐ−ｎ接合を形成する請求項２４に記載の半導体装置。
【請求項２６】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項２５に記載の半導体装置。
【請求項２７】
半導体装置であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及びＡｌＧａＮからなる群から選択された材料からなると共に、テクスチャ出しされた表面を有する基板と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料とドーパントからなり、前記基板のテクスチャ出しされた表面のテクスチャを複製する上面を有する第１の層と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる第２の層と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２８】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項２９】
第１の層は、ハライド気相成長法、有機金属化合物気相成長法、分子線エピタキシ法、液相成長法、レーザアブレーション又はこれら方法の組み合わせの１つ又は複数により生じた基板上の堆積物である請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３０】
第１の層と第２の層は、ｐ及びｎ逆のドーパントを有して、ｐ−ｎ接合を構成する請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３１】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項３０に記載の半導体装置。
【請求項３２】
基板のテクスチャ出しされた表面に対応してテクスチャ出しされた１以上の量子井戸層を更に備える請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３３】
前記量子井戸層は、複数の障壁層を備え、各障壁層は、基板のテクスチャ出しされた表面の複製を有する請求項３２に記載の半導体装置。
【請求項３４】
量子井戸層は、前記第１の層と実質的に同じ組成である請求項３３に記載の半導体装置。
【請求項３５】
装置は、発光ダイオード、太陽電池又は光センサである請求項３４に記載の半導体装置。
【請求項３６】
基板のテクスチャ出しされた表面は、リソグラフィ又はエッチングされた表面である請求項２７に記載の半導体装置。
【請求項３７】
前記ＩＩＩ−Ｖ材料は、ＩＩＩ−Ｖ窒化物である先行する請求項のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項３８】
半導体装置を製作するための方法であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板を与える工程と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる第１の層を基板上に堆積する工程と備え、
前記層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされたものであり、前記層は、テクスチャ出しされたトポロジーを持つ表面を有することを特徴とする方法。
【請求項３９】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び（０００１）窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記層は、過剰ＨＣｌの存在下におけるハライド気相成長法によって堆積されたものである請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
第２の層を第１の層上に堆積する工程を更に備え、第２の層は、ＩＩＩ−Ｖ群材料からなる請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
第１の層と第２の層を、ｐ及びｎ逆のドーパントを伴って堆積する工程を備え、それらの間にｐ−ｎ接合を形成する請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
１以上の量子井戸層を前記第１の層及び第２の層上に堆積する工程を更に備え、各量子井戸層は、第１の層の表面を複製するテクスチャを有する請求項３８に記載の方法。
【請求項４４】
量子井戸層を堆積する工程は、複数の障壁層を堆積する工程を含み、各障壁層は、第１の層の表面を複製するテクスチャ出しされた表面を有する請求項３８に記載の方法。
【請求項４５】
前記障壁層は、量子井戸層と交互に堆積され、それぞれが第１の層のテクスチャを複製する請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
半導体装置を製作するための方法であって、
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなると共に、テクスチャ出しされた表面を有する基板を与える工程と、
ＩＩＩ−Ｖ群材料からなると共に、基板の表面によってテクスチャ出しされた上面を有する第１の層を基板上に堆積する工程と、
この層の上にＩＩＩ−Ｖ群材料からなる第２の層を堆積する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４７】
基板は、（０００１）サファイア、（１１−２０）サファイア、（０００１）炭化シリコン、（０００１）酸化亜鉛、（１１１）シリコン、（１１１）ヒ化ガリウム、（０００１）窒化ガリウム、（０００１）窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
第１の層と第２の層の堆積工程は、それらの層をｐ及びｎ逆のドーパントを伴って堆積する工程を含み、それらの間にｐ−ｎ接合を形成する請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１及び第２の層間における基板の表面テクスチャを複製する１以上の量子井戸層を堆積する工程を備える請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
量子井戸層を堆積する工程は、１以上の障壁層を堆積する工程を更に備え、各障壁層は、基板の表面を複製するテクスチャを有する請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
量子井戸層を堆積する前記工程は、前記第１の層の組成と実質的に一致する組成を堆積する請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記ＩＩＩ−Ｖ材料は、ＩＩＩ−Ｖ窒化物である請求項３８〜５１のいずれか１つに記載の方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２００７−５３３１６４（Ｐ２００７−５３３１６４Ａ）
【公表日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０８５６６（Ｐ２００７−５０８５６６）
【出願日】平成１７年４月１５日（２００５．４．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１２８４９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１０４２３６
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【出願人】（５９５０９４６００）トラスティーズ オブ ボストン ユニバーシティ (37)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１５日（２００５．４．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１２８４９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１０４２３６
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【出願人】（５９５０９４６００）トラスティーズ オブ ボストン ユニバーシティ (37)
【Ｆターム（参考）】
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