(57)【要約】【課題】  ダイオードベースのデバイスとその製造方法を提供する。【解決手段】  基板、前記基板の一部を露出する、少なくとも１のアスペクト比を有する開口を含む誘電材料、前記開口内の少なくとも一部に設置された下領域と前記開口上に延伸した上領域を含み、前記基板と格子不整合の半導体材料を含む下ダイオード材料、前記下ダイオード材料の前記上領域に隣接した上ダイオード材料、及び前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、前記基板の上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含むダイオード。【選択図】  図３
2011142293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、
前記基板の一部を露出する、少なくとも１のアスペクト比を有する開口を含む誘電材料、
前記開口内の少なくとも一部に設置された下領域と前記開口上に延伸した上領域を含み、前記基板と格子不整合の半導体材料を含む下ダイオード材料、
前記下ダイオード材料の前記上領域に隣接した上ダイオード材料、及び
前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、前記基板の上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含むダイオード。
【請求項２】
前記活性ダイオード領域は、前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含む請求項１に記載のダイオード。
【請求項３】
前記活性ダイオード領域は、前記上ダイオード材料及び下ダイオード材料と異なる材料を含み、前記活性ダイオード領域は、前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成する請求項１に記載のダイオード。
【請求項４】
前記活性ダイオード領域は、前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含む請求項１に記載のダイオード。
【請求項５】
前記基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択される請求項１に記載のダイオード。
【請求項６】
前記基板は、単結晶シリコンウエハである請求項１に記載のダイオード。
【請求項７】
前記開口はトレンチであり、前記下ダイオード材料の上領域は、前記トレンチ上にフィンを形成する請求項１に記載のダイオード。
【請求項８】
前記開口は、２つの垂直な軸に関してアスペクト比を有するホールであり、前記下ダイオード材料の上領域は、前記開口上に柱を形成する請求項１に記載のダイオード。
【請求項９】
前記半導体材料は、本質的にIII−V族化合物、II−VI族化合物及びIV族合金からなるグループから選択される材料を含む請求項１に記載のダイオード。
【請求項１０】
前記下ダイオード材料は、ｎ型ドーパントを含み、前記上ダイオード材料は、ｐ型ドーパントを含む請求項１に記載のダイオード。
【請求項１１】
基板、
前記基板と格子不整合であり、前記基板の上表面の上に延伸し、且つ前記上表面を横切る幅と前記上表面の上の前記幅より大きい高さとを有する下ダイオード部分を含む、下ダイオード材料、
前記下ダイオード材料に隣接した上ダイオード材料、及び
前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、前記上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含むダイオード。
【請求項１２】
前記活性発光ダイオード領域は、前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含む請求項１１に記載のダイオード。
【請求項１３】
前記活性発光ダイオード領域は、前記上ダイオード材料及び下ダイオード材料と異なる材料を含み、前記活性発光ダイオード領域は、前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成する請求項１１に記載のダイオード。
【請求項１４】
前記活性ダイオード領域は、前記上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含む請求項１１に記載のダイオード。
【請求項１５】
前記下ダイオード材料は、ｎ型ドーパントを含み、前記上ダイオード材料は、ｐ型ドーパントを含む請求項１１に記載のダイオード。
【請求項１６】
ダイオードを製造する方法であって、
基板上に、誘電材料の層を堆積するステップ、
誘電材料に少なくとも１のアスペクト比を有する開口をパターンニングし、前記基板の一部を露出するステップ、
前記開口内と開口上に前記基板と格子不整合の半導体材料を成長させて下ダイオード領域を形成するステップ、
前記下ダイオード領域に隣接した活性ダイオード領域を形成するステップ、及び
前記活性ダイオード領域に隣接した上ダイオード領域を形成するステップを含む方法。
【請求項１７】
前記活性ダイオード領域は、複数の量子井戸を含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記開口は、トレンチ及び／またはホールである請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記化合物半導体材料は、本質的にIII−V族化合物、II−VI族化合物及びIV族合金からなるグループから選択される材料を含む請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウエハ上の化合物半導体または他の格子不整合半導体でできた半導体ダイオードとその半導体ダイオードを形成する方法に関し、特に、例えば発光ダイオード（ＬＥＤs）、レーザー、光起電力技術、及びその他の光電子用途などのフォトニック応用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本欄は、背景情報を提供し、以下に記述され及び／または請求項に記載された各態様に関する情報を紹介する。これらの背景の記述は、従来技術であると認めるものではない。
【０００３】
大部分のチップ製造は、高品質、大面積、低コストのシリコンウエハのシリコンプロセスを用いている。例えばガリウムヒ素とリン化インジウムなどの化合物半導体でできたデバイスの商業製作は、シリコンウエハの利点を生かすことができない。それらは通常、サファイア、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、または炭化ケイ素などの材料でできた小さくて高価なウエハの上に、発光ダイオード、多接合型太陽電池及びその他の化合物半導体デバイスを形成する。
【０００４】
高価でない基板上に化合物半導体デバイスを形成する試みは、広い経済的意味を持つ。化合物半導体は、光を発しかつ光を検出することができるため、通信基盤の重要な構成要素である。これらは、光ファイバによって信号を伝送するレーザー、それらの信号を受けるセンサ、携帯電話の増幅器、携帯電話基地局の増幅器及びマイクロ波信号を送受信する回路の材料である。
【０００５】
発光ダイオードは、通常、サファイアまたは炭化ケイ素のウエハの上に堆積された窒化ガリウムからなる。これらの独特な基板は、発光ダイオードの高コストの一因となる。直径４インチのサファイアウエハは、通常約１３０ドルかかり、２インチの炭化ケイ素ウエハは約２０００ドルかかる。これと対称的に、４インチのウエハの４倍程度の表面積と、２インチのウエハの１６倍程度の表面積を提供する８インチのシリコンウエハのコストは、通常１００ドル以下である。
【０００６】
高性能多接合型太陽電池は通常、ゲルマニウムウエハ上に堆積されたゲルマニウム、ガリウムヒ素と、インジウムガリウムリンの層を含む。発光ダイオード用のウエハと同様に、ゲルマニウムウエハは、シリコンウエハより小さく、大幅に高い。
【０００７】
シリコンウエハ上に化合物半導体デバイスを形成する能力は、さまざまな主要産業の市場成長を促進する。
【０００８】
半導体ウエハ上の化合物半導体デバイスの製造を妨げている２つの主要な技術面での障壁は、格子定数の不整合と熱膨張係数の不整合である。
【０００９】
格子不整合：結晶物では、原子は、格子として知られる規則的な周期的配列で位置している。“格子定数”として知られる原子間の距離は、通常数オングストローム（１オングストローム＝１０−１０メートル）である。シリコンは、多くの化合物半導体より小さい格子定数を有する。化合物半導体がシリコン上に成長した時、ミスフィット転位（misfit dislocations）として知られる結晶の不完全性（crystalline imperfections）が界面に現れる。ミスフィット転位は、界面から上向きに伝播する、貫通転位として知られる他の結晶欠陥を招く。貫通転位は、例えばレーザー、太陽電池、発光ダイオードなどの化合物半導体デバイスの性能と信頼性を低下させる。
【００１０】
熱収縮不整合：化合物半導体は、通常、１０００℃を超えることがある高温で成長する。ウエハが冷却した後、化合物半導体の薄膜は、シリコンウエハよりも収縮する可能性がある。よって、ウエハは凹状に湾曲し、応力を加え、最終的に薄膜を亀裂させる。
【００１１】
最近まで、シリコン基板上に高品質の化合物半導体を成長させる最も有望な従来の取り組みは、傾斜緩衝層（graded buffer layers）、ウエハボンディング、またはメサ（mesa）上の選択的成長の３つの方法に依存してきた。しかし、これらの方法のいずれも商業的成功を収めていない。
【００１２】
傾斜緩衝層では、材料構成は実質的な純ケイ素から純化合物半導体に徐々に変化する。格子定数も徐々に変化するため、結晶欠陥は界面に形成されにくくなる。しかし、傾斜緩衝層は、相対的に厚くしなければならない（４％の格子不整合に対して約１０ミクロン）。厚い緩衝層は、コストと亀裂の可能性を増やす。
【００１３】
ウエハボンディングは、高価な基板にデバイスを成長させ、デバイスを取り外してそれらをシリコンウエハにボンディングすることを含む。この方法は、シリコンプロセスをコスト削減手段ではなくしてしまう。また、ボンディングは通常３００℃以上の温度を必要とする。材料が冷却した時、化合物半導体は、シリコンウエハよりも収縮するため、亀裂が生じる可能性がある。
【００１４】
メサ上の選択的成長は、ある転位の移動度を利用している。この方法は、小さい領域（長さ１０〜１００ミクロン）に化合物半導体を堆積することで、可動転位がその領域の端に移動し、デバイスから除去される短い経路を提供する。しかし、この技術によって形成された構造は、通常、高密度の貫通転位（１平方センチ当たり１億以上）を有する。この技術は、格子不整合が２％を超えた時に大多数を占める不動転位（immobile dislocation）を除去することができない。
【００１５】
アスペクト比トラッピング（非特許文献１参照。その内容全体を本明細書に参照として組み入れる。）は、シリコンウエハ上に高品質の化合物半導体、ゲルマニウム、または他の格子不整合材料を堆積させることを可能にする、最近開発された技術である。図１は、アスペクト比トラッピング（ＡＲＴ）の原理を示している。例えば二酸化ケイ素（SiO2）または窒化ケイ素（SiNx）などの誘電材料２０の薄膜がシリコンウエハ１０の上に堆積される。当業者は、例えば酸窒化ケイ素（SiOxNy）や、ハフニウム（Hf）やジルコニウム（Zr）などの材料のケイ酸塩または酸化物、例えば酸化ハフニウム（HfO）、などの多種の誘電材料を選ぶことができる。
【００１６】
前記誘電材料にトレンチがエッチングされ、続いて例えばゲルマニウムまたは化合物半導体などの格子不整合半導体３０をトレンチ内に堆積する。点線に表示されるように貫通転位４０は、通常、界面から約４５度の角度で上向きに伝播し、トレンチの側壁を横切り、側壁で終了する。貫通転位４０は、結晶ファセットがそれらを側壁に導くため、トレンチの長さの範囲で下方に伝播することができない。側壁が貫通転位をトラップ（trap）するトレンチ内の領域は、“トラッピング領域（trapping region）”５０と言われる。トラッピング領域５０上の格子不整合半導体３０の上領域は、相対的に無欠陥領域６０である。
【００１７】
アスペクト比トラッピングは、以下の理由により、熱膨張係数の不整合により生じる亀裂の問題に対処する：（１）エピタキシャル層が薄いため、応力が小さい；（２）アスペクト比トラッピングの開口の寸法が小さいため、材料が熱膨張不整合に起因する応力を弾力的に調整できる；且つ（３）半導体材料よりも従順な二酸化ケイ素基台（pedestal）が変形して応力を調整できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】J. S. Parkら、Applied Physics Letters, Vol. 90, 052113 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ダイオードベースのデバイスとその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
一実施例に基づいて、ダイオードは、基板、基板の一部を露出する、少なくとも１のアスペクト比を有する開口を含む誘電材料、開口内の少なくとも一部に設置された下領域と開口上に延伸した上領域を含み、基板と格子不整合の半導体材料を含む下ダイオード材料、下ダイオード材料の上領域に隣接した上ダイオード材料と、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、基板の上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含む。
【００２１】
もう１つの実施例に基づいて、ダイオードは、基板、基板と格子不整合であり、基板の上表面の上に延伸し、且つ上表面を横切る幅と上表面の上の幅より大きい高さとを有する下ダイオード部分を含む、下ダイオード材料、下ダイオード材料に隣接した上ダイオード材料と、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含む。
【００２２】
もう１つの実施例は、ダイオードを製造する方法である。前記方法は、基板上に、誘電材料の層を堆積するステップ、誘電材料に少なくとも１のアスペクト比を有する開口をパターンニングし、基板の一部を露出するステップ、開口内と開口上に、基板と格子不整合の半導体材料を成長させて下ダイオード領域を形成するステップ、下ダイオード領域に隣接した活性ダイオード領域を形成するステップと、活性ダイオード領域に隣接した上ダイオード領域を形成するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】アスペクト比トラッピング（ＡＲＴ）の原理を示している。
【図２】実施例に基づいた半導体ダイオードの包括的構造を表している。
【図３】フィンの形状で構成されたダイオードの実施例１である。
【図４】図３の実施例を形成する模範的段階である。
【図５】図３の実施例を形成する模範的段階である。
【図６】図３の実施例のもう１つの実施例である。
【図７】図３の実施例を形成する実施例に基づいた第１方法を要約している。
【図８】図３の実施例を形成する実施例に基づいた第２方法を要約している。
【図９】図３の実施例を製造するもう１つのステップを表している。
【図１０】図３の実施例を製造するもう１つのステップを表している。
【図１１】図３の実施例を形成する実施例に基づいた第３方法を要約している。
【図１２】図１６に示された実施例を形成する模範的段階である。
【図１３】図１６に示された実施例を形成する模範的段階である。
【図１４】図１６に示された実施例を形成する模範的段階である。
【図１５】図１６に示された実施例を形成する模範的段階である。
【図１６】円柱の形状で構成されたダイオードの実施例である。
【図１７】図１６の実施例を形成する実施例に基づいた第１方法を要約している。
【図１８】図１６の実施例を形成するもう１つの方法のステップを示している。
【図１９】図１６の実施例を形成するもう１つの方法のステップを示している。
【図２０】図１６の実施例を形成する実施例に基づいたもう１つの方法を要約している。
【図２１】図１６の実施例の変形を表しており、円形断面を有する円柱状ダイオードのアレイがもう１つの実施例に基づいて六角形アレイに配置されている。
【図２２】図２１の実施例の上面図を表している。
【図２３】図２５に示された実施例を形成する模範的段階を示している。
【図２４】図２５に示された実施例を形成する模範的段階を示している。
【図２５】誘電体層が反射性でなく透過性であるダイオードの実施例である。
【図２６】図２５の実施例を形成する実施例に基づいた方法を要約している。
【図２７】図２８に示されたもう１つの実施例を形成するステップを示している。
【図２８】シリコン基板が除去されたダイオードの実施例である。
【図２９】図２８の実施例を形成する方法を要約している。
【図３０】図３２の実施例を形成するステップを示している。
【図３１】図３２の実施例を形成するステップを示している。
【図３２】上電気的コンタクトも反射体となるダイオードの実施例である。
【図３３】図３２の実施例を形成する実施例に基づいた方法を要約している。
【図３４】図３５に示された実施例を形成するステップを表している。
【図３５】窒化ガリウムと他のIII族窒化物半導体材料は、誘電体層のホールまたはトレンチの中から成長したとき、六角錐の形状で自然に成長するという事実を巧みに利用したダイオードの実施例である。
【図３６】図３５の実施例を形成する実施例に基づいた方法を要約している。
【図３７】図３８の実施例を形成するステップを示している。
【図３８】シリコン基板が除去された図３５の実施例の変形例である。
【図３９】図３８の実施例を形成する実施例に基づいた方法を要約している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本実施の形態の製造と使用が以下に述べられる。しかしながら、本発明は、多種多様な特定の状況において具体化され得る多くの適用可能な発明の概念を提供する、ということが理解されなければならない。
【００２５】
論議される特定の実施例は、発明の製造と使用の特定の方法の単なる例示であって、発明の範囲を限定するものではない。
【実施例】
【００２６】
模範的なダイオード構造は、通常、単一のダイオードとの関連で論じられるが、半導体エンジニアとその他の当業者は、応用例の大部分が複数のダイオードを必要とし、且つ通常、単一チップ上に集積されるということがわかる。
【００２７】
一般的には、本明細書に述べられる半導体ダイオードは、図２に示された包括的構造を有する。この構造は、基板１０１、下ダイオード領域１０２、活性ダイオード領域１０３、上ダイオード領域１０４、デバイス上部の電気的コンタクト１０５と、デバイス底部の電気的コンタクト１０６を含む。各領域１０２、１０３及び１０４は、複数層を含むことができる。
【００２８】
下ダイオード領域１０２と上ダイオード領域１０４は、反対のドーピングタイプを有する。例えば、下ダイオード領域１０２がｎ型が支配的となるように（例えばリン、ヒ素、またはアンチモンなどの電子供与体で）ドープされている場合、上ダイオード領域１０４は、ｐ型が支配的となるように（例えばホウ素またはアルミニウムの電子受容体で）ドープされ、逆の場合も同様である。下ダイオード領域１０２と上ダイオード領域１０４の両方の高濃度ドーピングは、電流がデバイスに流れ入り、デバイスから流れ出る低抵抗経路を提供する。上領域と下領域の一般的なドーピングレベルは、1017-1020 cm3の範囲内にある。活性領域の一般的なドーピングレベルは、1017 cm3以下である。注意するのは“上（top）”と“下（bottom）”を用いて領域を示すのは、利便性のためで、ある形態では、上領域は下領域の上部に位置することができる。例えば、基板の上方に形成されたダイオードの場合、その下領域上に形成された上領域を有する。ダイオードがハンドルウエハにフリップチップ接続されている場合、基板は除去され、上述のダイオードを見る形態も通常、逆になる。この場合、上領域は下領域の下方にあるように見える。
【００２９】
基板１０１は、通常シリコンウエハであるが、異なる実施例では、サファイアや炭化ケイ素を含む他の各種の基板が適合する。基板１０１の少なくともいくつかの部分は、下ダイオード領域１０２と同じ支配的なドーピングタイプ（ｎ型またはｐ型のいずれか）を有する。よって、下ダイオード領域１０２と基板１０１間の良好な電気的接触を得ることができる。
【００３０】
活性ダイオード領域１０３の詳細構造は、用途を含む、多くの要素に依存する。一形態では、活性ダイオード領域１０３は、下ダイオード領域１０２と上ダイオード領域１０４の接合部（junction）によって形成される。この場合、接合部に近い上領域と下領域のドープ濃度を変えることが望ましい。ＬＥＤでは、活性ダイオード領域１０３は、ドープされた層と、電子と正孔が再結合し光子を発生させる薄いドープされていない量子井戸との両方を含む多数層を含むことができる。太陽電池のもう１つの実施例では、活性ダイオード領域１０３は、中程度のｎ型ドープ、または中程度のｐ型ドープの半導体材料の単一層で構成され、入射光子を吸収して電子−正孔対を発生することができる。
【００３１】
ダイオード領域を形成するのに用いられる材料は、当業者には周知である。有用な半導体材料の典型的な例は：例えばケイ素、炭素、またはゲルマニウムなどのIV族材料、または例えば炭化ケイ素またはシリコンゲルマニウムなどのこれらの合金；例えば亜鉛、マグネシウム、ベリリウム、またはカドミウムなどのII族材料と、テルル、セレン、硫黄などのVI族材料で形成された化合物である、例えばZnSe、ZnSTe、またはZnMgSTeなどのII−VI族化合物（二元、三元及び四元形態）と；例えばインジウム、アルミニウム、またはガリウムなどのIII族材料と、ヒ素、リン、アンチモン、または窒素などのＶ族材料で形成された化合物である、例えばInP、GaAs、GaN、InAlAs、AlGaN、InAlGaAsなどのIII−Ｖ族化合物（二元、三元及び四元形態）である。III−Ｎ化合物の例は、窒化アルミ（AlN）、窒化ガリウム（GaN）、窒化インジウム（InN）及びそれらの三元と四元化合物を含む。よって、半導体材料は、少なくとも１つのIV族元素または化合物、III−ＶまたはIII−Ｎ化合物、またはII−VI化合物を含むことができる。当業者は、例えばバンドギャップ、格子定数、ドーピングレベルなどの望ましい特性に基づいて如何にこれらの材料を選択し処理するかがわかるだろう。
【００３２】
図３は、模範的な実施例１に基づいた半導体ダイオードを表している。図４は、例えばシリコンウエハの基板１５５を含む図３の物理的下部構造の一例を表しており、他の実施例では例えば（１００）の他の方向が選択されるが、例えばＬＥＤsまたは太陽電池などの多くのフォトニック応用（photonic application）では、基板の表面は（１１１）の結晶方向を有することができる。基板１５５は、ダイオードベースのデバイスの構造によって、ｎドープまたはｐドープのどちらかであることができる。他の適当な基板は、サファイアと炭化ケイ素を含むことができる。
【００３３】
図３のダイオードを準備するための第１のステップは、化学気相蒸着（CVD）または他の堆積技術によって、例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素の誘電材料１６０の層をシリコン基板１５５の上に堆積することである。デバイスでは、誘電体層からの光線の反射が問題を生じる可能性がある時、その反射率が一般の半導体材料の反射率により近いため、窒化シリコンが一般的に好まれる。誘電体膜の厚さは、通常２００〜４００nmであるがそれより厚くても薄くてもよい。
【００３４】
１つまたは複数のトレンチ１６５がパターン化され、誘電材料１６０の層に実質的に垂直な側壁を有する。図４に表されるようにシリコン基板１５５の表面の一部を露出する。トレンチの数は１つ、または例えば２、３、４、５、６などの１つ以上、または用途に応じて更に多いことができる。従来のフォトリソグラフィーまたは反応性イオンエッチ技術によってトレンチをパターン化することができる。ここに提示の内容に基づいて当業者には分かるように、トレンチは、例えば、ホール（hole）、凹溝（recess）、またはリング（ring）などの他の形状の開口であることができる。トレンチ１６５の幅は、誘電材料の厚さと同じか、またはそれより小さいことが好ましい。この条件はアスペクト比トラッピングの必要条件から出ており、トレンチ１６５の高さとトレンチ１６５の幅の比率は、実質的に全ての貫通転位をトラップするために、１以上であることが好ましい。この技術は、同一出願人による先の特許出願（例えば２００６年５月１７日に出願の“LATTICE-MISMATCHED SEMICONDUCTOR STRUCTURES WITH REDUCED DISLOACTION DEFECT DENSITIES AND RELATED METHODS FOR DEVICE FABRICATION”と題された米国特許出願第11/436,198号；２００８年６月２５日に出願の“LATTICE-MISMATCHED SEMICONDUCTOR STRUCTURES WITH REDUCED DISLOCATION DEFECT DENSITIES AND RELATED METHODS FOR DEVICE FABRICATION”と題された米国特許出願第12/180,254号；２００６年５月１７日に出願の“LATTICE-MISMATCHED SEMICONDUCTOR STRUCTURES WITH REDUCED DISLOCATION DEFECT DENSITIES AND RELATED METHODS FOR DEVICE FABRICATION”と題された米国特許出願第11/436,062号；２００６年９月７日に出願の“DEFECT REDUCTION OF SELECTIVE Ge EPITAXY IN TRENCHES ON Si(001) SUBSTRATES USING ASPECT RATIO TRAPPING”と題された米国特許仮出願第60/842,771号；２００７年９月７日に出願の“DEFECT REDUCTION USING ASPECT RATIO TRAPPING”と題された米国特許出願第11/852,078号、これらの内容全体は本明細書に参照として組み入れられる。）、及び学術誌論文（Parkらの APL 90, 052113 [2007]、の内容全体を本明細書に参照として組み入れる）に提示されている。
【００３５】
ある場合では、一般的な技術によってトレンチ１６５の底部のシリコン基板１５５の表面を洗浄することは、下ダイオード領域のエピタキシャル成長のための準備をするのに利点がある可能性がある。例えばParkらの APL 90, 052113 [2007]を参照下さい。
【００３６】
もう１つのステップは、下ダイオード領域１７０を成長させることであり、これによって図５に示された構造を形成する。下ダイオード領域１７０用の材料は、デバイスによって決まる。太陽電池では、下ダイオード領域１７０は、例えばインジウムガリウムリン（InGaP）であることができる。ＬＥＤには、下ダイオード領域１７０は、例えばGaN、AlN、InN、またはこれらで構成された二元、三元、または四元化合物であることができる。下ダイオード領域１７０は、例えばＬＥＤs、レーザー、及び共鳴トンネルダイオードなどのデバイスに有用な特性を有する多くの他の半導体材料、例えば、ガリウム、インジウム、またはアルミニウムから選択された少なくとも１つのIII族元素に加え、ヒ素、リン、またはアンチモンから選択された少なくとも１つのV族元素の二元、三元、及び四元などの組み合わせの化合物半導体材料を含む多種の他の半導体材料から形成されることもできる。
【００３７】
エピタキシャル成長中に下ダイオード領域１７０をその場で（in situ）ドープする、またはイオン注入によって下ダイオード領域１７０をその場外で（ex situ）ドープすることが可能である（一般的に、通常、本明細書で述べた下ダイオード領域、活性ダイオード領域と、上ダイオード領域をドープすることが好ましく、且つエピタキシャル成長中にその場で、またはイオン注入によってそれらをその場外でドープすることが可能である）。
【００３８】
図５では、下ダイオード領域１７０は、独立フィン（free-standing fin）の構造を有する。登坂仁一郎及び北海道大学の彼の同僚が例えば有機金属気相エピタキシによって形成されたナノワイヤーなどの独立垂直構造を成長させる方法を提示しており（Noborisaka（登坂）ら、 Appl. Phys. Lett. 86, 213102 [2005]; Noborisaka（登坂）ら、Appl. Phys. Lett. 87, 093109 [2005]）、その内容全体を本明細書に参照として組み入れる。上述の北海道のグループは、構造の上面に堆積する結晶相が構造の側壁に堆積する結晶相よりずっと速い成長条件を確認した。言い換えれば、これらの成長条件は、基板の平面に垂直に成長するのを促し、基板の平面に平行に成長するのを抑える。これらの成長条件を確立するために、上述の北海道のグループは、例えば気体前駆体の分圧、気体前駆体の元素比、及び基板の温度などの変数を調整した。これらの方法は、図５に示されるように独立フィン形状に下ダイオード領域１７０を成長させるのに用いることができる。好ましくは、トレンチの誘電側壁が{１１０}の結晶方向を有することで、後に続くエピタキシャルフィンが{１１０}側壁を有し、登坂らによって述べられた成長条件下で安定して、ゆっくりと成長するか、または全く成長しないことが好ましい。
【００３９】
誘電材料１６０の垂直側壁によって囲まれたフィンの下領域は、貫通転位１８０を含む転位をトラップすることから“トラッピング領域”１７５と呼ばれることがある。貫通転位は、フィン状下ダイオード領域１７０と基板１５５の間の界面で発生し、約４５度の角度で上向きに伝播する。図５は、点線で貫通転位１８０を表している。トラッピング領域１７５の上に位置する下ダイオード領域１７０の部分は、相対的に無欠陥のままである。この低欠陥領域は、高品質、大面積、低コストのシリコンウエハの上に高品質の化合物半導体デバイスを製造することを可能にする。例えば、GaN、InN、AlN、またはこれらの三元、または四元化合物などのいくつかの材料では、108/cm2以下の転位密度は、デバイス応用に有用である程度に十分低い。例えばGaAsとInPなどのいくつかの他の材料では、例えば106/cm2以下の、やや低い転位密度がデバイスに有用であるために通常要求される。
【００４０】
図６は、活性ダイオード領域１８５を成長させるステップを表している。活性ダイオード領域１８５の詳細な構造は、デバイスによって決まる。例えば複数の量子井戸、または中程度でドープされた半導体の単一層を含むことができる。活性ダイオード領域１８５を成長させる前、成長条件が調整されて、下ダイオード領域１７０の側壁に堆積する結晶相が下ダイオード領域１７０の上面に堆積する結晶相と実質的に同じ速さで成長することができる。よって、活性ダイオード領域１８５は、下ダイオード領域１７０の外側の周りに形状適応的（conformally）に成長することができる。登坂と彼の同僚は、成長条件を提示している（Noborisaka（登坂）ら、Appl. Phys. Lett. 87, 093109 [2005]）。
【００４１】
この実施例と他の実施例では、活性ダイオード領域１８５と上ダイオード領域１９０は、下ダイオード領域と実質的に同じ格子定数を有する必要はないが、実質的に同じ格子定数を有することが好ましい。実質的に同じ格子定数を有する結果、ダイオード領域間の界面に形成される欠陥は、あるとしても少ない。
【００４２】
図６に更に示されるように、上ダイオード領域１９０が成長される。上ダイオード領域の半導体材料はデバイスによって決まる。上ダイオード領域１９０のドーピングは、下ダイオード領域１７０のドーピングの反対であり、１つがｐ型の場合、もう１つはｎ型であり、逆の場合も同様である。
【００４３】
図６では、上ダイオード領域１９０の幅は、隣接のファンの間に開口が残るように制限される。この構造は、太陽電池に適合し、上ダイオード領域１９０が入射光を吸収する可能性を減少または最小限にするのに重要である。上ダイオード領域１９０内で形成された電子−正孔対は、それらが活性ダイオード領域１８５に届く前に再結合した場合、何ら有効な電気を発生しない。上ダイオード領域１９０の材料の量は、フィン間に自由な空間を残して、上ダイオード領域１９０をできるだけ薄くすることで減少または最小限にされることができる。この場合、上ダイオード領域は、例えば１０〜５００nmの範囲内の厚さを有することができる。
【００４４】
図６に示された構造から太陽電池を設計した時、効率は、隣接する活性ダイオード領域１８５間の距離を入射光の波長より小さく保つことで増加させることができる。この方法は、入射光が活性領域１８５間の自由な空間に入り、シリコン基板１５５に届くのを妨げる可能性があり、これは、太陽電池の効率を減少させる可能性がある。
【００４５】
図３は、上ダイオード領域１９５が更に成長して、それが隣接のフィン間の全空間を充填するもう１つの方法を示している。この構造では、接合欠陥（coalescence defects）として知られる結晶欠陥は、図３の点線で表された成長面（growth fronts）の交差点１９７に形成され得る。これらの欠陥は、ダイオードの活性領域から離れているため、デバイス性能の障害は、低減されまたは最小限にされる。上ダイオード領域１９５を継続して成長させる時、シリコン基板１５５の平面に平行に成長するのを促し、シリコン基板１５５の平面に垂直に成長するのを抑える成長条件を選択することが有用である。
【００４６】
図３は、一般的な技術によって上電気的コンタクト２００と下電気的コンタクト２０３を製造した後の構造も表している。当業者は、例えば銅、銀、またはアルミニウムなどの導電金属のストリップ、またはインジウムスズ酸化物などの相対的透明導電性酸化物の層などの電気的コンタクトに適合する多種の材料があることがわかる。ＬＥＤでは、下電気的コンタクト２０３は、内部で発生した光を反射してＬＥＤを他の面から出すことができる、銀などの高反射性導電材料が好ましい。当業者は、例えばコンタクトビアを形成して電気的接続を形成するなど、基板１５５を通して下電気的コンタクト２０３を下ダイオード領域１７０に接続する多くの方法があることがわかる。単一の下電気的コンタクト２０３は、複数のダイオードの要素となることができる。
【００４７】
上ダイオード領域１９５が隣接のフィン間の全空間を充填する、図３に示された構造の一つ特徴は、単一の上ダイオード領域１９５が複数の他のダイオード内の活性ダイオード領域１８５と物理的接触（従って電気的接触）することである。この構造は、ＬＥＤsに特に有利であり、活性ダイオード領域１８５内で発生された光線の放射をブロックすることができる。共用の上ダイオード領域１９５で各ダイオード素子は、その専用の上電気的コンタクト２００を必要としないことができ、単一の上電気的コンタクト２００は、複数のダイオードの要素となることができる。
【００４８】
図６に比べ、図３の共通の上ダイオード領域１９５の追加の半導体材料は、LEDの性能を損なわない。上ダイオード領域１９５は、上ダイオード領域の半導体材料のバンドギャップが活性ダイオード領域の半導体材料のバンドギャップより広ければ、通常、多数の放射光子を吸収しない。
【００４９】
図３と図６の両方に示された構造は、従来のＬＥＤsと比べ、さまざまな性能優位性を提供することができる。例えば、単結晶シリコン基板などの基板上に青色発光ダイオードを製造する好ましい材料は、窒化ガリウムである。ウルツ鉱型(Wurtzite)結晶構造を有する窒化ガリウムは、そのc面（c-plane）がシリコン基板１５５に平行して、且つそのm面（m-plane）とa面（a-plane）がシリコン基板１５５に垂直に自然に成長する。従来のＬＥＤsでは、内部量子効率を制限する１つの要因は、窒化ガリウムの極性のc面（polar c-plane）が半導体ダイオードに面することである。図３と図６に示された構造は、窒化ガリウムの非極性のm面またはa面がダイオードに面するため、より高い内部量子効率を実現することができる。１つの好ましいＬＥＤ構造では、下ダイオード領域１７０、活性ダイオード領域１８５及び上ダイオード領域１９５は、窒化ガリウムとインジウムガリウム窒化物で形成され、窒化ガリウムのm面またはa面の結晶表面は、下ダイオード領域１７０と活性ダイオード領域１８５間の界面を形成し、窒化ガリウムのm面またはa面の結晶表面は、活性ダイオード領域１８５と上ダイオード領域１９５間の界面を形成する。
【００５０】
また、図３と図６に表された構造は、GaAsとAlGaAsなどの立方体材料に基づいたＬＥＤsに用いることもできる。
【００５１】
以下は、本発明の実施例に基づいた下ダイオード領域、活性ダイオード領域及び上ダイオード領域を形成するプロセスパラメータの例である。まず、従来の基板とパターン化された誘電体層が提供される。実施例１に基づいたGaAsとAlGaAsベースのＬＥＤの下ダイオード領域、活性ダイオード領域及び上ダイオード領域のプロセスパラメータは、以下の通りである。
【００５２】
この実施例では、下ダイオード領域は、幅または径方向寸法より大きい高さの寸法を有する（例えば高さ１ミクロンと幅１００nmの）GaAsの柱（pillar）またはフィン（central pillar またはfin）であることができる。成長条件（例えばＣＶＤ）は、（i）圧力：０.１atm；（ii）前駆体：トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、水素（H2）で希釈された２０％のアルシン（AsH3）；（iii）温度：７５０℃；及び（iv）ドーパント：ｎ型、を含む。下ダイオード領域をＮ型にするドーパントの１つはシリコンである。垂直成長を大きく増進させるのに、従来技術を熟知の者に周知のようなGaAs成長に通常用いられるものに比べ、このステップではアルシンの分圧は、相対的に低いことができる。例えば、アルシンの分圧は、通常より５〜１０倍低いことができる。リアクター（反応装置）に依存した（reactor-dependent）数値であるため、ここでは絶対値が提供されない。
【００５３】
また、この実施例では、活性ダイオード領域は、下ダイオード層に第１閉じ込め層（confinement layer）、量子井戸層及び第２閉じ込め層となる複数の層を含むことができる。
【００５４】
キャリア閉じ込め用のAlGaAs層（例えば１５nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：０.１atm；（ii）前駆体：TMG、トリメチルアルミニウム（TMG）と、水素で希釈された２０％のアルシン；（iii）温度：８５０℃；及び（iv）ドーパント：Ｎ型ドーパントであるシリコン、を含む。
【００５５】
発光用のGaAs量子井戸層（例えば１０nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：０.１atm；（ii）前駆体：ＴＭＧと、水素で希釈された２０％のアルシン；（iii）温度：７２０℃；及び（iv）ドーパント：ドーピングなし、を含む。
【００５６】
キャリア閉じ込め用のAlGaAs層（例えば１５nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：０.１atm；（ii）前駆体：ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＧ）及び水素で希釈された２０％のアルシン；（iii）温度：８５０℃；及び（iv）ドーパント：亜鉛のＰ型ドーパント、を含む。
【００５７】
この例を継続すると、上ダイオード領域は、活性ダイオード層に、または活性ダイオード層上に位置する（例えば０.５ミクロンの厚さ）。GaAs層の成長条件は、（i）圧力：０.１atm；（ii）前駆体：ＴＭＧと、水素で希釈された２０％のアルシン；（iii）温度：７２０℃；及び（iv）ドーパント：Ｐ型ドーパントである亜鉛、を含む。
【００５８】
図３に示された実施例は、シリコン基板上の化合物半導体または他の格子不整合材料で形成され、且つシリコン基板１５５、シリコン基板１５５を覆い、シリコン基板１５５の表面を露出し、実質的に垂直な側壁を有し、且つその高さと幅の比率が１以上のトレンチ１６５を含む誘電材料１６０の層、トレンチを充填し、フィンの形状で上向きに延伸する半導体材料の下ダイオード領域１７０、貫通転位１８０が誘電材料１６０の側壁を横切り、（例えば減少された欠陥領域で）終了する下ダイオード領域１７０の最下方の部分に位置するトラッピング領域１７５、下ダイオード領域１７０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の活性ダイオード領域１８５、活性ダイオード領域の周りに形状適応的に成長した半導体材料の上ダイオード領域１９５、上電気的コンタクト２００と、下電気的コンタクト２０３を含むことができる。
【００５９】
図７は、図３に表された半導体ダイオードを製造する方法、特に、以下のステップを含み、シリコン基板上の化合物半導体または他の格子不整合材料で形成されたダイオードを製造する方法を要約している。ステップ９００は、誘電材料１６０などの誘電材料の層を例えばシリコン基板１５５などのシリコン基板の表面上に堆積するステップを含む。ステップ９０５は、例えば誘電材料１６０にトレンチ１６５をパターニングするように、誘電材料の層にトレンチをパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含む。このトレンチは、実質的に垂直な側壁を有し、トレンチの高さと幅の比率は、１以上である。ステップ９１０は、シリコン基板の平面に垂直に成長するのを促し、シリコン基板の平面に平行に成長するのを抑える成長条件を選択するステップを含む。ステップ９１５は、半導体材料を成長させ、トレンチを充填し、フィンの形状で上向きに延伸する、例えば下ダイオード領域１７０などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ９２０は、例えば活性ダイオード領域１８５などの活性ダイオード領域用の半導体材料が下ダイオード領域の上部と下ダイオード領域の側面上に実質的に同じ速度で成長するように成長条件を選択するステップを含む。ステップ９２５は、下ダイオード領域の上部と下ダイオード領域の側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば活性ダイオード領域１８５などの活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ９３０は、活性ダイオード領域の上部と活性ダイオード領域の側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域１９５などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ９３５は、例えば上電気的接触２００などの上電気的コンタクトを上ダイオード領域の表面上に形成するステップを含む。ステップ９４０は、例えば下電気的コンタクト２０３などの下電気的コンタクトをシリコン基板の底部上に形成するステップを含む。
【００６０】
図８に示されたもう１つの実施例では、ステップ９５０は、上ダイオード領域を継続して成長させ、隣接するダイオードからの上ダイオード領域が結合して、複数のダイオードを一つに接合する単一の上ダイオード領域を形成するステップを含む。
【００６１】
更にもう１つの実施例では、登坂と彼の同僚によって述べられた独立垂直構造を成長させる技術は、全ての条件下で有効ではない可能性があるという事実を考慮する。例えば、シリコン基板が（１００）結晶面を有する場合、通常、独立垂直構造を成長させることができない。
【００６２】
図９に示されるように、この方法は、適当にドープされたシリコン基板１５５から始まる。誘電材料２１０の第１層は、シリコン基板１５５の表面上に成長する。いくつかの実施例では、第１誘電体層２１０の好ましい材料は、窒化ケイ素である。この第１誘電体層２１０は、その中にトレンチを形成した後に欠陥をトラップするのに十分に厚くなければならない。例えば、第１誘電体層２１０の厚さは、トレンチの幅以上でなければならない。
【００６３】
第２誘電体層２１５は、第１誘電体層２１０の上部に成長される。いくつかの実施例では、この第２誘電体層の好ましい材料は、二酸化ケイ素である。
【００６４】
トレンチ２２０は、誘電体層２１０と２１５の両方を穿通して実質的に垂直な側壁でパターン化され、シリコン基板１５５の表面の一部を露出する。選択的なステップは、トレンチ２２０の底部のシリコン基板１５５の表面を、例えば上述の洗浄方法で、洗浄することである。
【００６５】
図１０に示されるように、下ダイオード領域１７０は、半導体材料でトレンチを充填することで成長される。シリコンと下ダイオード領域の半導体材料間に格子不整合が存在するため、シリコン基板１５５と下ダイオード領域１７０間の界面にミスフィット転位が形成される可能性がある。貫通転位１８０は、斜め上向きに伝播し、誘電体層２１０の側壁を横切り、トラッピング領域１７５内で終了する。トラッピング領域１７５上の下ダイオード領域１７０の部分は、相対的に無欠陥領域であることができ、高性能のデバイスに適合する。このようにして、シリコン基板上に化合物半導体デバイスが形成できる。
【００６６】
第２誘電体層２１５は、例えばフッ化水素酸と水によるウェットエッチのプロセスによって除去される。このプロセスは、第１（窒化ケイ素）誘電体層２１０及び下ダイオード領域２２５を含むどの半導体材料のいずれにも作用することなく、第２（二酸化ケイ素）誘電体層２１５を選択的に除去することができる。結果として得られた構造は、図５に表される。よって、この方法は、フィンの形状に構成される下ダイオード領域を形成する、異なる方式を述べている。
【００６７】
この方法は上述し図３と図６に示したように続き、活性ダイオード領域１８５、上ダイオード領域１９０、及び上電気的コンタクト２００と下電気的コンタクト２０３を堆積する。
【００６８】
図１１は、以下のステップを含み、図９と図１０によって少なくとも一部が表された、もう１つの方法を要約している。ステップ１０００は、例えば第１誘電体層２１０などの誘電材料の第１層を例えばシリコン基板１５５などのシリコン基板の表面上に堆積するステップを含む。ステップ１００５は、誘電材料の第１層と異なる特性を有する例えば第２誘電体層２１５などの誘電材料の第２層を、誘電材料の第１層の表面に堆積するステップを含む。ステップ１０１０は、例えばトレンチ２２０などのトレンチを誘電材料の第１層と誘電材料の第２層の両方を穿通してパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含み、このトレンチは、実質的に垂直な側壁を有し、トレンチの高さとトレンチの幅の比率は、（例えば誘電材料の第１層において）１以上である。ステップ１０１５は、半導体材料をトレンチ内に成長させ、例えば下ダイオード領域１７０などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１０２０は、誘電材料の第２層の残留部分を選択的に除去するステップを含む。ステップ１０２５は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば活性ダイオード領域１８５などの活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１０３０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域１９５などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１０３５は、例えば上電気的コンタクト２００などの上電気的コンタクトを上ダイオード領域の表面上に形成するステップを含む。ステップ１０４０は、例えば下電気的コンタクト２０３などの下電気的コンタクトをシリコン基板の底部上に形成するステップを含む。
【００６９】
図１２は、半導体ダイオードがフィン状でなく、円柱状に構成された半導体ダイオードのもう１つの実施例を示している。例えば、二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの誘電材料１６０の層は、適当にドープされたシリコン基板１５５の表面上に成長する。
【００７０】
ホール２５０は、一般的なフォトリソグラフィーまたはエッチング技術によって誘電材料１６０に実質的に垂直な側壁でパターン化される。ホール２５０が実質的に全ての貫通転位をトラップできるように、ホール２５０の深さとホール２５０の直径比は、１以上であることが好ましい。ホールは、シリコン基板１５５の表面を露出する。
【００７１】
成長条件（例えば気体前駆体の圧力と組成と、基板の温度など）は、上述の登坂の文献に述べられたように、シリコン基板１５５の平面に垂直に成長するのを促し、シリコン基板１５５の平面に平行に成長するのを抑えるように選択される。図１３に示されたように、ホールを充填してホール上に独立円柱を形成する適当にドープされた半導体材料が成長され、下ダイオード領域２６０を形成する。
【００７２】
また、シリコンと半導体ダイオード材料との間に格子不整合があるため、下ダイオード領域２６０とシリコン基板１５５間の界面にミスフィット転位が生じる可能性がある。貫通転位は、界面から上向きに伝播し、誘電体層１６０のホールの湾曲した側壁を横切り、終了する。貫通転位が発生し、終了するトラッピング領域は、誘電体層のホール２５０内に実質的に残存する可能性があるため、図１３で見えない可能性がある。図１３にみられる下ダイオード領域２６０の全ての部分は、トラッピング領域上に存在する。この下領域２６０の上部分は、相対的に無欠陥であることができ、高性能デバイスを形成するのに適合する。
【００７３】
（下ダイオード領域２６０が非常に小さい直径、好ましくは１００ナノメートルをかなり下回る、を有する円柱である特殊なケースでは、下ダイオード領域２６０の半導体材料は、どんな格子不整合欠陥も形成することなく、完全な弾性応力暖和を受けることができる。この場合、誘電体層の側壁がトラップする貫通転位がなく、ダイオードは、“トラッピング領域”を含まない可能性がある。）
【００７４】
成長条件は、アクティブダイオード領域２６５の材料が下ダイオード領域２６０の上部と側面に実質的に同じ速度で成長するように調整される。図１４に示されるように、半導体材料は、下ダイオード領域２６０の上部と側面に形状一致して成長され、活性ダイオード領域２６５を形成する。
【００７５】
図１５に示されるように、半導体材料は、活性ダイオード領域２６５の上部と側面に形状一致して成長され、上ダイオード領域２７０を形成する。半導体ダイオードが図１５に示されるような独立円柱の構成を有するように不連続的な上ダイオード領域２７０を成長させるか、または図１６に示されるような連続的な上ダイオード領域２７５を成長させることができる可能性がある。
【００７６】
図１６に示されるように、上電気的コンタクト２８０は、上ダイオード領域２７５の露出された表面上に成長され、下電気的コンタクト２８５は、シリコン基板１５５の下に成長される。
【００７７】
図１６に示されたダイオードは、シリコン基板１５５、シリコン基板の表面を露出し、実質的に垂直な側壁を有するホール２５０を含み、ホール２５０の深さとホール２５０の直径比が１より大きい誘電体層１６０、ホールを充填し、円柱の形状で上向きに延伸する半導体材料の下ダイオード領域２６０、下ダイオード領域２６０の最下方の部分にあり、貫通転位が誘電材料１６０のホール２５０の湾曲した側壁を横切り、終了するトラッピング領域、下ダイオード領域２７０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の活性ダイオード領域２６５、活性ダイオード領域２６５の周りに形状適応的に成長した上ダイオード領域２７５、上電気的コンタクト２８０と、下電気的コンタクト２８５を含むことができる。
【００７８】
以下の方法は、図１６に示された実施例を形成する２つの模範的な方法である。
【００７９】
図１７は、以下のステップを含む１つの方法を要約している。ステップ１１００は、例えばシリコン基板１５５などのシリコン基板の表面上に、例えば誘電材料１６０などの誘電材料の層を堆積するステップを含む。ステップ１１０５は、例えばホール２５０などのホールを誘電材料の層にパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含み、このホールは、実質的に垂直な側壁を有し、ホールの深さとホールの直径比は、１以上である。ステップ１１１０は、シリコン基板の平面に垂直に成長するのを促し、シリコン基板の平面に平行に成長するのを抑える成長条件を選択するステップを含む。ステップ１１１５は、ホールを充填し、円柱の形状で上向きに延伸する例えば下ダイオード領域２６０などの下ダイオード領域を形成する半導体材料を成長させるステップを含む。ステップ１１２０は、例えば活性ダイオード領域２６５などの活性ダイオード領域用の半導体材料が下ダイオード領域の上部と下ダイオード領域の側面上に実質的に同じ速度で成長するように成長条件を選択するステップを含む。ステップ１１２５は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１１３０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域２７５などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１１３５は、例えば上電気的コンタクト２８０などの上電気的コンタクトを上ダイオード領域の表面上に形成するステップを含む。ステップ１１４０は、例えば下電気的コンタクト２８５などの下電気的コンタクトをシリコン基板の底部上に形成するステップを含む。
【００８０】
他の方法は、円柱の形状の独立の下ダイオード領域を成長させる能力に依存しない。これは、図１８に示されるように適切にドープされたシリコン基板１５５から始まる。例えば窒化ケイ素などの第１誘電体層２１０は、シリコン基板１５５の表面に成長される。
【００８１】
第２誘電体層２１５は、第１誘電体層２１０の上に成長される。いくつかの実施例では、この第２誘電体層２１５に好ましい材料は、酸化ケイ素である。
【００８２】
ホール３００は、誘電体層２１０と２１５の両方を穿通して実質的に垂直な側壁でパターン化され、シリコン基板１５５の表面を露出する。例えば一般的なフォトリソグラフィーまたは反応性イオンエッチプロセスなどの各種技術によってホール３００をパターン化することができる。
【００８３】
第１誘電体層２１０の厚さは、ホール３００の直径より大きいか、または直径と同じであることができる。これらの条件下で、第１誘電体層２１０の湾曲した側壁は、実質的に全ての貫通転位をトラップすることができる。
【００８４】
ホール３００の底部のシリコン基板１５５の表面は、前述の洗浄方法によって洗浄されることができる。
【００８５】
図１９に示されたように、下ダイオード領域２６０は、ホール３００を半導体材料で充填することで成長される。
【００８６】
ミスフィット転位は、シリコン基板１５５と下ダイオード領域２６０の間の界面に形成することができる。貫通転位は、上向きに伝播し、第１誘電体層２１０の側壁を横切り、トラッピング領域内で終了する。これは充填されたホール３００の底部に存在するため、図１９には見られない。トラッピング領域上の下ダイオード領域３１０の部分は、相対的に無欠陥であることができるため、高性能のデバイスに適合する。
【００８７】
第２誘電体層２１５の残りの部分（例えば二酸化ケイ素層）は、フッ化水素酸と水を用いたウェットエッチによって除去される。このプロセスは、第１（例えば窒化ケイ素）誘電体層２１０及び下ダイオード領域２６０を含むことができるどの半導体材料のいずれにも作用することなく、第２（例えば二酸化ケイ素）誘電体層２１５を選択的に除去する。
【００８８】
結果として得られた構造は、図１３に表される。それから前記プロセスは、図１４〜図１６に対応して上述された方法に述べられたように続く：図１４に示されたように活性ダイオード領域２６５を、図１５または図１６に示されたように上ダイオード領域２７０または２７５を、及び図１６に示されたように上電極コンタクト２８０と下電極コンタクト２８５を堆積する。
【００８９】
図２０は、以下のステップを含む上述の方法を要約している。ステップ１２００は、例えばシリコン基板１５５などのシリコン基板の表面上に、例えば第１誘電体層２１０などの誘電材料の第１層を堆積するステップを含む。ステップ１２０５は、例えば第１誘電体層の表面上に、例えば第２誘電体層２１５などの誘電材料の第２層を堆積するステップを含む。ステップ１２１０は、例えばホール３００などのホールを誘電材料の第１層と誘電材料の第２層の両方にパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含み、このホールは、実質的に垂直な側壁を有し、ホール（３００）の深さとホールの直径比は、１以上である。ステップ１２１５は、ホール内に半導体材料を成長させ、例えば下ダイオード領域２６０などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１２２０は、誘電材料の第２層の残留部分を選択的に除去するステップを含む。ステップ１２２５は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば活性ダイオード領域２６５などの活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１２３０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応に半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域２７０または２７５などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１２３５は、例えば上電気的コンタクト２８０などの上電気的コンタクトを上ダイオード領域の表面上に形成するステップを含む。ステップ１２４０は、例えば下電気的コンタクト２８５などの下電気的コンタクトをシリコン基板の底部上に形成するステップを含む。
【００９０】
いくつかの半導体材料は、円形ホール２５０内に堆積された時、独特の行動を示し、続いて独立の下ダイオード領域２６０を成長させる。特に、独立円柱は、円形ホールの外に成長し、六角柱を形成する。例えば、柱（図１３の要素２６０、図１４の要素２６５と、図１５の要素２７０）は、円形の断面でなく、六角形の断面を有する。上述のように、六角形の断面を有する柱を除いて、半導体ダイオードは図１２〜１６と同じである。
【００９１】
六角柱は、方形アレイ（square array）でなく、六角形アレイを構成することで、半導体ダイオードのパッキング密度（packing density）を増加するのに有利に用いられることができる。図２１は、上ダイオード領域２７０のみが見える複数の半導体ダイオードを示しており、方形アレイでなく、六角形アレイに配置されている（図２１で注意するのは、柱は六角形の断面でなく、円形の断面を有する）。ホール２５０の六角形アレイは、方形アレイではなく、誘電体材料１６０に形成される。
【００９２】
図２２の六角形アレイの上面図は、六角形アレイにより可能になる半導体ダイオードの高密度のパッキングを表している。図２２の六角形構造は、六角形の断面を有する上ダイオード領域２７０の上部である。六角形構造の間の領域は、誘電材料１６０の露出された部分である。もう１つの実施例は、高密度のパッキングを達成するために、他のダイオードも六角形の断面を有する六角形アレイに配置された、上述のような複数のダイオードを含む。
【００９３】
図３に示されたダイオード構造は、ＬＥＤsと他の光デバイスに適合する。しかし、多接合太陽電池では、誘電体層１６０からの光線の反射が、変換効率を減少させ得る。例えば、シリコン基板１５５が相対的に低エネルギーの光子を捕捉するためのｐ−ｎ接合を含むとする。これらの相対的に低エネルギーの光子は、構造の上部に入射し、上ダイオード領域１９５内を伝播し、（その経路に依存して）活性ダイオード領域１８５と下ダイオード領域１７０内をも伝播する可能性があり、続いて誘電体層１６０に入射する。これらの光子のいくつかの割合は、誘電体層１６０から反射し、他の層１７０、１８５及び１９５を伝播し、デバイスの上表面から射出する。太陽電池は、それらを吸収せず、それらの光子はプロセス中に失われる。
【００９４】
図２５は、１つの模範的なデバイス構造を示している。この構造は、減少された厚さ（例えば２０ナノメートルより少ない）、即ち光子を反射せずに光子を伝播するのに十分な薄さ、を有する誘電体層を提供することができる。この構造を構築するには、図２３に示されるシリコン基板１５５を用意する。そのシリコン層が接合の中の１つを含んでいる多接合太陽電池が製作される場合、シリコン基板１５５は適当にドープされる。誘電体層３５０は、実質的に全ての入射光線を伝播するのに十分薄く（２０ナノメートルより少ない）、シリコン基板１５５上に成長される。トレンチ３５５は、誘電体層にパターン化される。
【００９５】
堆積条件は、上述したように、垂直成長を促し、水平成長を抑えるようにリアクターで調整される。図２４に示されるように、下ダイオード領域３６５は、独立フィンの形状で成長される。
【００９６】
堆積条件は、垂直成長と水平成長が実質的に同じ速度で発生するようにリアクターで調整される。図２５に示されたように、半導体材料は、下ダイオード領域３６５の上部と側面の周りに形状適応的に成長され、活性ダイオード領域３８０を形成する。
【００９７】
誘電体層が非常に薄いため、トレンチ３５５のアスペクト比（高さと幅の間の比率）は、１より小さい。よって、誘電体層３５０の側壁は、実質的に全ての貫通転位３７５をトラップすることができない可能性がある。貫通転位３７５は、活性ダイオード領域３８０内に伝播し続けることができる。注意するのは、電子−正孔対は、それらが貫通転位３７５に接触した時、再結合し、太陽電池の効率を低下させる。しかし、前記構造は、光子が貫通転位３７５に届く前に、光子がダイオードの上方部にある一次光吸収領域３９０を通過することができるため、この影響を暖和する。一次光吸収領域３９０は、貫通転位３７５によって占有された領域と比べ、比較的大きいため、ほとんどの光子を吸収することができる。貫通転位３７５での電子−正孔対の再結合は、よって二次的影響であり、太陽電池の効率も大きく低下させないことができる。
【００９８】
半導体材料は、活性ダイオード領域３８０の上部と側面の周りに形状適応的に成長され、上ダイオード領域３９５を形成する。また、接合欠陥４００は、隣接するフィンからの成長前面（growth fronts）が結合した上ダイオード領域３９５に現れることができる。
【００９９】
上電気的コンタクト４１０は、上ダイオード領域３９５の上表面の上に成長され、下電気的コンタクト４１５は、シリコン基板１５５の底部上に成長される。太陽電池では、接合欠陥４００の影響は、上電気的接触４１０でそれらを覆うことによって暖和できる。
【０１００】
図２５に示されたダイオードは、シリコン基板上の化合物半導体または他の格子不整合半導体からできたダイオードであり、シリコン基板１５５、シリコン基板を覆い、シリコン基板１５５の表面を露出するトレンチ３５５を含み、２０ナノメートルより少ない厚さを有する誘電材料の層３５０、トレンチ３５５を充填し、フィンの形状で上向きに延伸する半導体材料の下ダイオード領域３６５、下ダイオード領域３６５の周りに形状適応的に成長した半導体材料の活性ダイオード領域３８０、活性ダイオード領域３８０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の上ダイオード領域３９５、上電気的コンタクト４１０と、下電気的コンタクト４１５を含むことができる。
【０１０１】
図２６は、図５に表された実施例を製造する方法を示している。前記方法は、以下のステップを含む。ステップ１３００は、２０ナノメートルより少ない、または２０ナノメートルと等しい厚さを有する例えば誘電材料３５０などの誘電材料の層を例えばシリコン基板１５５などのシリコン基板の表面上に堆積するステップを含む。ステップ１３０５は、実質的に垂直な側壁を有する、例えばトレンチ３５５などのトレンチを誘電材料の層にパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含む。ステップ１３１０は、シリコン基板の平面に垂直に成長するのを促し、シリコン基板の平面に平行に成長するのを抑える成長条件を選択するステップを含む。ステップ１３１５は、半導体材料を成長させ、トレンチを充填し、フィンの形状で上向きに延伸する、例えば下ダイオード領域３６５などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１３２０は、例えば活性ダイオード領域３８０などの活性ダイオード領域用の半導体材料が下ダイオード領域の上部と下ダイオード領域の側面上に実質的に同じ速度で成長するように成長条件を選択するステップを含む。ステップ１３２５は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１３３０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域３９５などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１３３５は、例えば上電気的コンタクト４１０などの上電気的コンタクトを上ダイオード領域の表面上に形成するステップを含む。ステップ１３４０は、例えば下電気的コンタクト４１５などの下電気的コンタクトをシリコン基板の底部上に形成するステップを含む。
【０１０２】
いくつかの応用例では、シリコン基板の存在は、デバイスの性能を劣化させる可能性がある。例えば、特定の波長範囲で発光する発光ダイオードであれば、シリコンが光線を吸収する可能性がある。シリコン基板を除去することができる模範的なデバイス構造が図２８に示される。図２７に示されるように、このようなデバイスを作製するプロセスのステップは、図３の構造の製造に至るステップであり、電気的コンタクト２００と２０３の形成の前に、単に図３の構造が逆にされたものである。
【０１０３】
図２８に示されたように、“ハンドル（handle）”基板、または表面４３０は、上ダイオード領域１９５に接合される。ハンドル基板４３０は、LEDパッケージング固定具（packaging fixture）の一部であることができる。ここではハンドル基板４３０を上ダイオード領域１９０、１９５にしっかりと接合するために、例えば、化学機械研磨などの何らかの適当な技術によって、上ダイオード領域１９０、１９５の表面を平坦化する必要がある可能性がある。
【０１０４】
ハンドル基板４３０は、導電性であることができるか、または上ダイオード領域１９５用の接点として用いられる導体素子（conductor elements）を含むことができる。ボンディング方法は周知の技術であり、ＬＥＤの“上”部分がＬＥＤパッケージの一部である表面に接合されるＬＥＤのフリップチップボンディングに用いられる方法を含む。
【０１０５】
始めのシリコン基板１５５は、例えば研磨、例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（tetramethyl ammonium hydroxide）などの化学物質を用いたエッチング、またはレーザーアブレーションなどの１つまたは１つ以上の方法によって除去される。上述の除去方法の全ては、当業者には周知のものである。
【０１０６】
図２８に示されるように、上電気的コンタクト４３５と下電気的コンタクト４４０は、標準的な技術によって追加される。上述のように、下電気的コンタクト４４０は、ハンドル基板４３０内にあることもできる。
【０１０７】
最も好ましい方向にＬＥＤから出射するように光線を生じさせるために、コンタクト４３５と４４０用に反射性材料を選択することが有用な可能性がある。
【０１０８】
図２８に示された実施例は、化合物半導体または他の格子不整合材料ででき、実質的に垂直な側壁を有し、且つその高さと幅の比率が１以上であるトレンチ１６５を含む誘電材料１６０の層、トレンチを充填する半導体材料のフィンの形状の下ダイオード領域１７０、貫通転位１８０が誘電材料１６０の側壁を横切り、終了する下ダイオード領域１７０のトラッピング領域１７５、下ダイオード領域１７０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の活性ダイオード領域１８５、活性ダイオード領域の周りに形状適応的に成長した半導体材料の上ダイオード領域１９５、ハンドル基板４３０、上電気的コンタクト４３５、及び下電気的コンタクト４４０を含むダイオードを含むことができる。
【０１０９】
図２９は、図２８に表された実施例を製造する方法を示している。前記方法は、以下のステップを含む。ステップ１４００は、例えば誘電材料１６０などの誘電材料の層を例えばシリコン基板１５５などのシリコン基板の表面上に堆積するステップを含む。ステップ１４０５は、例えばトレンチ１６５などのトレンチを誘電材料の層にパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含む。このトレンチは、実質的に垂直な側壁を有し、トレンチの高さと幅の比率は、１以上である。ステップ１４１０は、シリコン基板の平面に垂直に成長するのを促し、シリコン基板の平面に平行に成長するのを抑える成長条件を選択するステップを含む。ステップ１４１５は、半導体材料を成長させ、トレンチを充填し、フィンの形状で上向きに延伸する、例えば下ダイオード領域１７０などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１４２０は、例えば活性ダイオード領域１８５などの活性ダイオード領域用の半導体材料が下ダイオード領域の上部と下ダイオード領域の側面上に実質的に同じ速度で成長するように成長条件を選択するステップを含む。ステップ１４２５は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１４３０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域１９０などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１４３５は、例えばハンドル基板４３０などのハンドル基板を上ダイオード領域の表面に接合するステップを含む。ステップ１４４０は、化学または機械プロセスによってシリコン基板を除去するステップを含む。ステップ１４４５は、例えば上電気的コンタクト４３５などの上電気的コンタクトを誘電体層の露出された表面上に形成するステップを含む。ステップ１４５０は、例えば下電気的コンタクト４４０などの下電気的コンタクトをハンドル基板の露出された表面上に形成するステップを含む。
【０１１０】
図２８の実施例を形成するもう１つの方法の一例は、図７で述べられたプロセスでなく、図１１で述べられたプロセスによって図９に示されたフィン形状構造を形成することである。
【０１１１】
シリコン基板による光線の吸収を低下または最小限に抑えるもう１つの方法は、シリコン基板の上に反射体（reflector）を組み込むことである。図３２に示された実施例は、上電気的コンタクトともなる反射体を有するダイオードを用いてこれを行う１つの方法を示している。
【０１１２】
図３０に示されるように、この構造を構築するのに、ダイオードデバイスの構造に応じてｐ型またはｎ型にドープされた例えば（１１１）面シリコンなどの材料からできた基板５００が用意される。例えば窒化ケイ素などの誘電材料５１０の第１層、例えばタングステンなどの耐熱金属５２０の層と、誘電材料５３０の第２層が堆積または成長される。例えばタングステンなどの耐熱層／材料または耐熱金属５２０は、この層５２０が融解することなく、後に続く層の成長温度に耐えることができる。
【０１１３】
トレンチは、フォトリソグラフィー及び／または反応性イオンエッチによって構造内にパターン化される。
【０１１４】
誘電スペーサ５５０は、従来の方法によってトレンチの側壁上に形成される。スペーサプロセスでは、全ての露出された表面（誘電材料５３０の第２層の側壁、耐熱金属５２０、誘電材料５１０の第１層及びトレンチの底部に位置するシリコン基板５００の露出された表面）は、例えば酸化ケイ素などの誘電材料の層で形状適応的に被覆（conformally coated）される。誘電材料は、選択的に、水平面を覆っている全ての酸化ケイ素を除去するが、垂直面を覆っている酸化ケイ素をそのままにする短時間の異方性反応性イオンエッチングを受ける。このプロセスは、誘電スペーサ５５０を形成し、金属を露出しない。
【０１１５】
選択的に、トレンチの底部に位置するシリコン基板５００の露出された表面は、上述の方法によって洗浄されることができる。
【０１１６】
上述の登坂と彼の同僚による文献に述べられているように、シリコン基板５００の平面に垂直に成長するのを促し、シリコン基板５００の平面に平行に成長するのを抑える成長条件が選択される。半導体材料は、トレンチを充填し、フィンの形状で上向きに延伸する独立の下ダイオード領域５７０を形成するように成長される。半導体材料の成長は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて行われることができる。この成長ステップのプロセスウィンドウ（例えば温度と圧力の条件）は、下ダイオード領域に用いる半導体材料が誘電スペーサ５５０及び第２誘電層５３０のいずれにも集結（nucleate）できないため、狭い可能性がある。
【０１１７】
貫通転位５６０は、下ダイオード領域５７０とシリコン基板５００の間の界面から例えば４５度の角度で上向きに伝播し、誘電スペーサ５５０を横切り、トラッピング領域５５５内で終了する。実質的に全ての貫通転位をトラップするために、トラッピング領域のアスペクト比（誘電スペーサ５５０の高さと誘電スペーサ５５０の幅の比率）は、１以上であることが好ましい。
【０１１８】
成長条件は、活性ダイオード領域５８０用の半導体材料がフィンの側面とフィンの上部の上に実質的に同じ速度で成長するように選択される。半導体材料は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に成長され、活性ダイオード領域５８０を形成する。
【０１１９】
有機金属化学気相成長法が用いられる場合、サンプルは、例えば有機金属化学気相成長法リアクターなどのリアクターから取り出され、誘電材料５３０の第２層は、選択ウエットエッチング（wet selective etch）によって構造から除去される。誘電材料が窒化ケイ素の場合、熱リン酸が良好なエッチング液となることができる。
【０１２０】
この構造は、リアクターに戻される。成長条件は、図３１に示されるように、上ダイオード領域５９０用の半導体材料が下ダイオード領域の上部と側面上に実質的に同じ速度で成長するだけでなく、耐熱金属５２０の表面も覆うように選択される。上ダイオード領域５９０は、半導体材料を成長させて、活性ダイオード領域５８０の上部と側面の周りに形状適応的な被覆を提供することによって形成される（耐熱金属５２０の層は、上ダイオード領域５９０への電気的接点となるため、図３のように隣接するダイオードからの上ダイオード領域が結合するように上ダイオード領域５９０を継続して成長させる必要はない）。同時に、半導体材料５９５の水平層は、耐熱金属５２０の表面を覆うように形成される。
【０１２１】
選択的に、例えば二酸化ケイ素などの誘電材料６００の第３層を用いて上ダイオード領域５９０と半導体材料５９５の水平層を覆うことが有利である可能性がある。
【０１２２】
図３１に示されるように、標準的な技術が用いられて、誘電材料６００の第３層と半導体材料５９５の水平層を穿通するビア６０５を形成する。最良の結果を得るには、ビア６０５がダイオード素子５７０、５８０及び５９０から比較的離れているとよい。
【０１２３】
最後に、図３２に示されるように、ビア６０５は、例えばタングステンプラグなどの適当な材料６２０、または従来技術で周知の他の適当な材料を堆積することによって充填され、上電気的コンタクト６３０で終了する。下電気的コンタクト６４０も形成される。
【０１２４】
発光ダイオードとして図３２に示された構造の実施例では、耐熱金属層５２０は、上電気的コンタクトとなるだけでなく、反射体となることもできる。ダイオード内で発生されたいくつかの光線は、下方に伝播し、シリコン基板５００へ向かう。その光線の大部分は、耐熱金属層５２０に入射する。例えば、タングステンが耐熱金属層５２０に用いられた場合、実質的に全ての光線を上向きに反射させることができる。反射した光線は、構造から離れ、ＬＥＤの輝度に貢献することができる。ダイオード内に発生した光線のほんの一部のみがトラッピング領域５５５を通過してシリコン基板５００に達し、吸収されてプロセス中に失われ得る。
【０１２５】
図３２に示されたもう１つの実施例の一例は、第１トレンチの代わりにホールをパターン化し、フィンでなく円柱の形状にダイオードを成長させることである。
【０１２６】
図３２に示された実施例は、化合物半導体または他の格子不整合材料で形成されたダイオードであり、シリコン基板５００、シリコン基板５００を覆う誘電材料５１０の層、誘電体層を覆う耐熱金属５２０の層、耐熱金属５２０の層を覆う半導体材料５９５の水平層、半導体材料５９５の層と耐熱金属５２０の層と誘電材料５１０の層とを穿通してシリコン基板５００の表面を露出し、実質的に垂直な側壁を有し、第１トレンチの高さと第１トレンチの幅の比率は、１以上である第１トレンチ、第１トレンチの側壁を覆う誘電スペーサ５５０、第１トレンチを充填し、フィンの形状で上向きに延伸する半導体材料の下ダイオード領域５７０、貫通転位５６０が誘電スペーサ５５０を横切り、終了する下ダイオード領域５７０の最下方の部分に位置するトラッピング領域５５５、下ダイオード領域５７０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の活性ダイオード領域５８０、活性ダイオード領域５８０の周りに形状適応的に成長し、半導体材料５９５の水平層に接触した半導体材料の上ダイオード領域５９０、上ダイオード領域５９０と半導体材料５９５の水平層を覆う誘電材料６００の厚層、誘電材料６００の厚層と半導体材料５９５の水平層を穿通して耐熱金属５２０の層の表面を露出する第２トレンチ、第２トレンチを充填し、耐熱金属５２０の層を物理的に接触する金属プラグまたは導体６２０、金属プラグに物理的に接触する上電気的コンタクト６３０、及びシリコン基板６４０に物理的に接触する下電気的コンタクト６４０を含むことができる。
【０１２７】
図３３は、図３２に表された実施例を製造する方法を示している。前記方法は、以下のステップを含む。ステップ１５００は、例えば誘電材料５１０などの誘電材料の第１層を例えばシリコン基板５００などのシリコン基板の表面上に堆積するステップを含む。ステップ１５０５は、例えば耐熱金属５２０などの耐熱金属の層を誘電材料の第１層上に堆積するステップを含む。ステップ１５１０は、例えば誘電材料５３０などの誘電材料の第２層を耐熱金属の層上に堆積するステップを含む。ステップ１５１５は、誘電材料５１０の第２層と耐熱金属の層と誘電材料の第１層とを穿通して、実質的に垂直な側壁を有し、その高さと幅の比率が１以上である第１トレンチをパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含む。ステップ１５２０は、誘電材料の第３層を用いて全ての露出された表面（誘電材料の第２層、第１トレンチの側壁と、第１トレンチの底部に位置するシリコン基板の表面）をコーティングするステップを含む。ステップ１５２５は、誘電材料の第３層の水平表面をエッチング除去し、例えばスペーサ５５０などの誘電スペーサを第１トレンチの側壁上に残すステップを含む。ステップ１５３０は、（i）シリコン基板の平面に垂直に成長するのを促し、（ii）シリコン基板の平面に平行に成長するのを抑え、（iii）半導体材料を誘電材料の第１層及び誘電スペーサのいずれにも集結（nucleate）させない成長条件を選択するステップを含む。ステップ１５３５は、半導体材料を成長させ、第１トレンチを充填し、フィンの形状で上向きに延伸する、例えば下ダイオード領域５７０などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１５４０は、選択ウエットエッチングによって誘電材料の第２層を除去するステップを含む。ステップ１５４５は、活性ダイオード領域用の半導体材料が下ダイオード領域の上部と下ダイオード領域の側面上に実質的に同じ速度で成長するように成長条件を選択するステップを含む。ステップ１５５０は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、例えば活性ダイオード領域５８０などの活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１５５５は、例えば上ダイオード領域５９０などの上ダイオード領域用の半導体材料が（i）活性ダイオード領域の上部と活性ダイオード領域の側面上に実質的に同じ速度で成長し、（ii）耐熱金属の表面をコーティングするように成長条件を選択するステップを含む。ステップ１５６０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的に半導体材料を成長させ、活性ダイオード領域を形成し、且つ耐熱金属の表面をコーティングする、例えば半導体材料５９５の水平層などの半導体材料の水平層を同時に成長させるステップを含む。ステップ１５６５は、例えば誘電材料６００などの誘電材料の第３層を用いて上ダイオード領域と半導体材料の水平層をコーティングするステップを含む。ステップ１５７０は、誘電材料の第３層と半導体材料の水平層に穿通した例えばビア６０５などのビアを形成するステップを含む。ステップ１５７５は、耐熱金属の層に接触し、例えば上電気的接触６３０などの上電気的接触で終了する、例えば金属プラグまたは導体６２０などの金属���プラグを堆積することによって、ビアを充填するステップを含む。ステップ１５８０は、例えば下電気的コンタクト６４０などの下電気的コンタクトをシリコン基板の底部上に成長させるステップを含む。
【０１２８】
図３５は、窒化ガリウムが誘電体層のホールまたはトレンチから成長した時、結晶表面形成の結果、六角錐の形状で自然に成長するという事実を利用した発光ダイオードを主として意図した、しかしこれに限定されない、もう１つの実施例を示している。図３４に示されるように、この実施例を形成するのに、シリコン基板７００が用意される。誘電材料７１０の層が堆積される。ホール７２０は、リソグラフィープロセス及び／またはエッチプロセスによって誘電材料に形成され、シリコン基板の表面の一部を露出する。選択肢として、ホールの底部のシリコン基板７００の表面は、上述のプロセスによって洗浄されることができる。
【０１２９】
図３５に示されるように、半導体材料は、下ダイオード領域７３０を形成するように成長される（この実施例では、全ての半導体材料は、例えば窒化ガリウムなどのIII族窒化物材料であることができる）。下ダイオード領域７３０の半導体材料は、ホール７２０を充填し、六角錐の形状でホールから上向きに自然に成長する。
【０１３０】
他の実施例では、構造が貫通転位をトラップできるように、ホール７２０の深さとホール７２０の直径比は、１以上であることが好ましい。貫通転位７４０は、下ダイオード領域７３０とシリコン基板７００の間の界面に形成することができる。これらの貫通転位は、斜め上向きに伝播し、誘電体層７１０の側壁を横切り、トラッピング領域７５０内で終了することができ、下ダイオード領域７３０の上方部に相対的に無欠陥領域の窒化ガリウムが形成されることができる。
【０１３１】
半導体材料はピラミッド形の活性ダイオード領域７６０の周りに形状適応的に成長され、活性ダイオード領域７６０を形成する。
【０１３２】
半導体材料はピラミッド形の活性ダイオード領域７６０の周りに形状適応的に成長され、上ダイオード領域７７０を形成する。選択肢として、隣接するダイオード上の上ダイオード領域７７０が結合する方式で、上ダイオード領域７７０用の半導体材料を成長させることができる。この方法の利点は、電流が上ダイオード領域７７０によって１つのダイオードから次のダイオードに流れることができるため、上電気的コンタクト７８０として働く金属の単一ストリップが電流を複数のダイオードに供給することができることである。
【０１３３】
最後に、上電気的コンタクト７８０と下電気的コンタクト７９０が形成される。上電気的コンタクト７８０は、例えば金属のストリップ、または例えばインジウムスズ酸化物などの透明導電体の膜層であることができる。上電気的コンタクト７８０はデバイスより出射された光線をブロックするため、上電気的コンタクト７８０に充てられる面積を減少または最小限にするのに有用であることができる。“透明”コンタクトでさえも通常１００％透過でない。
【０１３４】
図３５に示された構造は、さまざまな利点を提供する。窒化ガリウムが六角錐の形状で自然に成長するため、それは本明細書で詳述された他の実施例よりも簡単に成長することができる。ｐ−ｎダイオードの表面積はシリコン基板７００の表面積より大きい。この利点は、デバイスの占有面積の単位表面積当たりの光子出力を増加させるため、重要である。下ダイオード領域は、上述の実施例のように細い柱またはフィンであるように限定されない。狭い下ダイオード領域は、高電流動作で不良な直列抵抗ペナルティ（penalty）を招く可能性のあるそれらの実施例に対して利点となる可能性がある。下ダイオード領域７３０と活性ダイオード領域７６０の間の界面に位置する窒化ガリウムの結晶表面と活性ダイオード領域７６０と上ダイオード領域７７０の間の界面に位置する窒化ガリウムの結晶表面は、半極性面であり、これは、それらの界面に位置する結晶表面が極性のc面であった場合より、LEDの内部量子効率が高くなることを意味する。
【０１３５】
もう１つの構造として、図３５に示された実施例は、誘電体層内に例えばトレンチなどのホールでない、アスペクト比トラッピング（ART）の開口を形成することで構成されることができる。
【０１３６】
以下は、本発明の本実施例に基づいた下ダイオード領域、活性ダイオード領域及び上ダイオード領域を形成するプロセスパラメータの例である。まず、従来の基板とパターン化された誘電体層が用意される。図３５の実施例に基づいたGaN及びInGaNベースのＬＥＤの下ダイオード領域、活性ダイオード領域及び上ダイオード領域の成長条件（例えばＣＶＤ）の模範的なプロセスパラメータは、以下の通りである。この実施例では、下ダイオード領域は、２つの層を有することができる。低温緩衝層となる第１GaN層（例えば３０nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：１００Torr；（ii）前駆体：水素（H2）で希釈されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（NH３）；（iii）温度：５３０℃；及び（iv）ドーパント：Ｎ型ドーパントのシリコン、を含む。高温緩衝層となる第２GaN層（例えば５００nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：１００Torr；（ii前駆体：水素（H2）で希釈されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（NH３）；（iii）温度：１０３０℃；及び（iv）ドーパント：シリコンでＮ型にドーピング、を含む。この実施例では、活性ダイオード領域は、２つの層を有することができる。射出用の量子井戸となるInGaNの第１層（例えば２nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：１００Torr；（ii）前駆体：水素（H2）で希釈されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とアンモニア（NH３）；（iii）温度：７４０℃；及び（iv）ドーパント：ドーピング無し、を含む。キャリア閉じ込め用の障壁層となるGaNの第２層（例えば１５nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：１００Torr；（ii）前駆体：水素（H2）で希釈されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（NH３）；（iii）温度：８６０℃；及び（iv）ドーパント：シリコンでＮ型にドーピング、を含む。この実施例では、上ダイオード領域は、活性ダイオード層に位置する。GaNの層（例えば１００nmの厚さ）の成長条件は、（i）圧力：１００Torr；（ii）前駆体：水素（H2）で希釈されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（NH３）；（iii）温度：９５０℃；及び（iv）ドーパント：Ｐ型ドーパントのマグネシウムを含む。上ダイオード領域はｐ接触層として動作することができる。
【０１３７】
図３５に示された実施例は、例えばシリコン基板上の窒化ガリウムなどのIII族窒化物半導体材料からの半導体ダイオードであり、シリコン基板７００、シリコン基板の表面を露出し、実質的に垂直な側壁を有するホール７２０を含み、ホール７２０の深さとホール７２０の直径比が１より大きい誘電体層７１０、ホールを充填し、六角錐の形状で上向きに延伸する半導体材料の下ダイオード領域７３０、下ダイオード領域７３０の最下方の部分にあり、貫通転位７４０が誘電材料７１０の湾曲した側壁を横切り、終了するトラッピング領域７５０、下ダイオード領域７３０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の活性ダイオード領域７６０、活性ダイオード領域７６０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の上ダイオード領域７７０、上電気的コンタクト７８０と、下電気的コンタクト７９０を含むことができる。
【０１３８】
図３６は、図３５の実施例を形成する方法を示している。これは、シリコン基板上のIII族窒化物半導体からできた発光ダイオードを形成する方法であり、以下のステップを含む。ステップ１６００は、例えばシリコン基板７００などのシリコン基板の表面上に、例えば誘電材料７１０などの誘電材料の層を堆積するステップを含む。ステップ１６０５は、例えばホール７５０などのホールを誘電材料の層にパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含み、このホールは、実質的に垂直な側壁を有し、ホールの深さとホールの直径比は、１と同じかまたは１より大きい。ステップ１６１０は、III族窒化物半導体材料を成長させ、ホールを充填し、六角錐の形状で上向きに延伸する、例えば下ダイオード領域７３０などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１６１５は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的にIII族窒化物半導体材料を成長させ、例えば活性ダイオード領域７６０などの活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１６２０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的にIII族窒化物半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域７７０などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１６２５は、例えば上電気的コンタクト７８０などの上電気的コンタクトを上ダイオード領域の露出された表面上に形成するステップを含む。ステップ１６３０は、例えば下電気的コンタクト７９０などの下電気的コンタクトをシリコン基板の底部上に形成するステップを含む。
【０１３９】
図３８に示された実施例は、発光ダイオードで発生された光線をシリコン基板が吸収する可能性をなくすようにシリコン基板が除去された図３５の実施例の変形例である。図３４に示された構造がまず用意される。図３７に示されるように、半導体材料が成長され、下ダイオード領域７３０を形成する。下ダイオード領域７３０用の半導体材料は、ホール７１０を充填し、六角錐の形状で成長する。
【０１４０】
III族窒化物半導体材料は、下ダイオード領域７３０の上部と側面の周りに形状適応的に成長され、活性ダイオード領域７６０を形成する。
【０１４１】
III族窒化物半導体材料は、活性ダイオード領域７６０の上部と側面の周りに形状適応的に成長され、上ダイオード領域８００を形成する。この場合、上ダイオード領域８００は、隣接するダイオードからの成長面が結合するまで成長を続ける。選択的なステップは、上ダイオード領域８００の得られた表面を平坦化し、好ましくは、その表面の品質よって決めることができる。
【０１４２】
図３８に示されるように、前記構造は逆にされ、ハンドル基板８１０は、上ダイオード領域８００の表面に接合される（現在は構造の底部に位置する）。ハンドル基板８１０は、LEDパッケージング固定具の一部であることができる。いくつかの実施例では、ハンドル基板８１０は、導電性であり、他の実施例では、上ダイオード領域８００用の接点となる導体要素を含む。
【０１４３】
始めのシリコン基板７００は、例えば研磨、例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（tetramethyl ammonium hydroxide）などの化学物質を用いたエッチング、またはレーザーアブレーションなどの１つまたは１つ以上の方法によって除去される。
【０１４４】
図３８に示されるように、上電気的コンタクト８２０と下電気的コンタクト８３０は、完成した構造を作り出すように形成される。
【０１４５】
図３８の実施例は、図３５の実施例と同じ利点を提供し、更に内部に発生される光線を吸収するシリコン基板７００を含まないため、発光ダイオードとして高い抽出効率を提供することができる。
【０１４６】
図３８に示される実施例は、例えばシリコン基板上の窒化ガリウムなどのIII族窒化物半導体材料からの半導体ダイオードを含むことができ、実質的に垂直な側壁を有するホール７２０を含み、ホール７２０の深さとホール７２０の直径比が１以上の誘電体層７１０、ホール７２０を充填し、六角錐の形状の構造となる半導体材料の下ダイオード領域７３０、下ダイオード領域７３０内にあり、貫通転位７４０がホールの側壁を横切る（１６０と終了するトラッピング領域７５０、下ダイオード領域７３０の周りに形状適応的に成長した半導体材料の活性ダイオード領域７６０、活性ダイオード領域の周りに形状適応的に成長した半導体材料の上ダイオード領域８００、上電気的コンタクト８２０と、下電気的コンタクト８３０を含む。
【０１４７】
図３９は、図３８の実施例を形成する方法を示している。これは、シリコン基板上のIII族窒化物半導体からできた発光ダイオードを形成する方法であり、以下のステップを含む。ステップ１７００は、例えばシリコン基板７００などのシリコン基板の表面上に、例えば誘電材料７１０などの誘電材料の層を堆積するステップを含む。ステップ１７０５は、例えばホール７２０のホールを誘電材料の層にパターンニングし、シリコン基板の表面を露出するステップを含み、このホールは、実質的に垂直な側壁を有し、ホールの深さとホールの直径比は、１以上である。ステップ１７１０は、III族窒化物半導体材料を成長させ、ホールを充填し、六角錐の形状で上向きに延伸する、例えば下ダイオード領域７３０などの下ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１７１５は、下ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的にIII族窒化物半導体材料を成長させ、例えば活性ダイオード領域７６０などの活性ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１７２０は、活性ダイオード領域の上部と側面の周りに形状適応的にIII族窒化物半導体材料を成長させ、例えば上ダイオード領域８８０などの上ダイオード領域を形成するステップを含む。ステップ１７２５は、隣接するダイオードからの成長面が結合するまで上ダイオード領域８００を成長させ続けるステップを含む。ステップ１７３０は、上ダイオード領域８００の表面を平坦化するステップを含む。ステップ１７３５は、例えばハンドル基板８１０などのハンドル基板を上ダイオード領域の表面にボンディングするステップを含む。ステップ１７４０は、化学または機械プロセスによってシリコン基板を除去するステップを含む。ステップ１７４５は、例えば上電気的コンタクト８２０などの上電気的コンタクトを誘電材料の層の露出された表面上に形成するステップを含む。ステップ１７５０は、例えば下電気的コンタクト８３０の下電気的コンタクトをハンドル基板の露出された表面上に形成するステップを含む。
【０１４８】
本発明の実施例は、アスペクト比トラッピングによってシリコン基板上に体積された化合物半導体または他の格子不整合半導体でできたダイオード用の新しく、且つ有用な構造を提供する。半導体ダイオードは、太陽電池、発光ダイオード、共鳴トンネルダイオード、半導体レーザー及びその他のデバイスの基礎的な構成要素である。
【０１４９】
本発明の一態様は、小さく、高価な基板でなく、高品質、大面積、低コストのシリコンウエハ上にそれらを形成することによって、太陽電池、発光ダイオード及びその他の化合物半導体デバイスのコストを減少することである。
【０１５０】
本発明のもう１つの態様は、III族窒化物半導体の非極性面を用いることで発光ダイオードの抽出効率と内部量子効率を改善することである。
【０１５１】
よって、本発明の一実施例は、基板、基板の一部を露出する、少なくとも１のアスペクト比を有する開口を含む誘電材料、開口内と開口上に設置され、基板と格子不整合の半導体材料を含む下ダイオード材料、下ダイオード材料の上領域に隣接した上ダイオード材料と、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、基板の上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０１５２】
基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択されることができる。基板は、単結晶シリコンウエハであることができ、（１１１）または（１００）の結晶方向を有することができる。誘電材料は二酸化シリコン又は窒化シリコンを含んでよい。半導体材料は、III−V族化合物、II−VI族化合物、IV族合金、またはその組み合わせを含むことができる。
【０１５３】
活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含むことができる。活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料と異なる材料を含み、活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成することができる。活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含むことができる。
【０１５４】
開口は、２つの垂直な軸に関して少なくとも１のアスペクト比を有するトレンチまたはホールであることができる。
【０１５５】
下ダイオード材料は、ｎ型ドーパントを含むことができ、上ダイオード材料は、ｐ型ドーパントを含むことができる。
【０１５６】
下ダイオード材料の上領域は、開口上にフィンを形成することができる。下ダイオード材料の上領域は、開口上に柱を形成することができる。
【０１５７】
ダイオードは、上ダイオード領域上に形成されたコンタクトを更に含むことができる。前記コンタクトは、透明導体を含むことができる。ダイオードは基板に隣接して形成された第２コンタクトを更に含むことができる。
【０１５８】
本発明のもう１つの実施例は、基板、基板の一部を露出する開口を含む誘電材料、開口の少なくとも一部に設置された下領域と開口の上に延伸する上領域を含む下ダイオード材料、上領域の下で終了する複数のミスフィット転位を含む下領域、基板と格子不整合の半導体材料を含む下ダイオード材料、下ダイオード材料の上領域に隣接した上ダイオード材料と、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、基板の上表面から離れて延伸した表面を含む活性発光ダイオード（active light emitting diode）領域を含むダイオードに関する。
【０１５９】
活性発光ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含むことができる。活性発光ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料と異なる材料を含み、活性発光ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成することができる。活性発光ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含むことができる。
【０１６０】
基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択されることができる。基板は、単結晶シリコンウエハであることができる。単結晶シリコンウエハは、（１１１）または（１００）の結晶方向を有することができる。誘電材料は二酸化シリコン又は窒化シリコンを含んでよい。半導体材料は、III−V族化合物、II−VI族化合物、IV族合金、またはその組み合わせを含むことができる。
【０１６１】
開口は、２つの垂直な軸に関して少なくとも１のアスペクト比を有するトレンチまたはホールであることができる。
【０１６２】
下ダイオード材料は、ｎ型ドーパントを含み、上ダイオード材料は、ｐ型ドーパントを含むことができる。下ダイオード材料の上領域は、開口上にフィンを形成することができる。下ダイオード材料の上領域は、開口上に柱を形成することができる。
【０１６３】
ダイオードは、上ダイオード領域上に形成されたコンタクトを更に含むことができる。前記コンタクトは、透明導体を含むことができる。ダイオードは基板に隣接して形成された第２コンタクトを更に含むことができる。
【０１６４】
本発明のもう１つの実施例は、基板、基板上に約２０nm以内の厚さを有する誘電体層、基板の一部を露出する開口を含む誘電体層、開口の少なくとも一部に設置された下領域と開口の上に延伸する上領域を含む下ダイオード材料、基板と格子不整合の半導体材料を含む下ダイオード材料、下ダイオード材料の上領域に隣接した上ダイオード材料と、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、基板の上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０１６５】
活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含むことができる。活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料と異なる材料を含み、活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成することができる。活性ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含むことができる。
【０１６６】
基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択されることができる。基板は、単結晶シリコンウエハであることができる。単結晶シリコンウエハは、（１１１）または（１００）の結晶方向を有することができる。誘電材料は二酸化シリコン又は窒化シリコンを含んでよい。半導体材料は、III−V族化合物、II−VI族化合物、IV族合金、またはその組み合わせを含むことができる。
【０１６７】
開口は、２つの垂直な軸に関して少なくとも１のアスペクト比を有するトレンチまたはホールであることができる。
【０１６８】
下ダイオード材料は、ｎ型ドーパントを含むことができ、上ダイオード材料は、ｐ型ドーパントを含むことができる。下ダイオード材料の上領域は、開口上にフィンを形成することができる。下ダイオード材料の上領域は、開口上に柱を形成することができる。
【０１６９】
ダイオードは、上ダイオード領域上に形成されたコンタクトを更に含むことができる。前記コンタクトは、透明導体を含むことができる。ダイオードは基板に隣接して形成された第２コンタクトを更に含むことができる。
【０１７０】
本発明のもう１つの実施例は、基板、基板の上に設置され、基板の一部をそれぞれ露出する複数の開口を含む誘電材料、下ダイオード材料を含み、開口に設置された下領域と開口の上に延伸する上領域をそれぞれ含む複数の下ダイオード部分（section）、基板と格子不整合の半導体材料を含む下ダイオード材料、下ダイオード部分（section）の上領域に隣接した、上ダイオード材料を含む連続の上ダイオード部分（section）と、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、基板の上表面から離れて延伸した表面をそれぞれ含む複数の活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０１７１】
複数の活性ダイオード領域は、連続の上ダイオード材料と複数の下ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含むことができる。複数の活性ダイオード領域は、連続の上ダイオード材料と複数の下ダイオード材料と異なる材料を含み、複数の活性ダイオード領域は、連続の上ダイオード材料と複数の下ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成することができる。複数の活性ダイオード領域は、連続の上ダイオード材料と複数の下ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含むことができる。
【０１７２】
基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択されることができる。基板は、単結晶シリコンウエハであることができる。単結晶シリコンウエハは、（１１１）または（１００）の結晶方向を有することができる。誘電材料は二酸化シリコン又は窒化シリコンを含んでよい。半導体材料は、III−V族化合物、II−VI族化合物、IV族合金、またはその組み合わせを含むことができる。
【０１７３】
開口は、２つの垂直な軸に関して少なくとも１のアスペクト比を有するトレンチまたはホールであることができる。
【０１７４】
下ダイオード材料は、ｎ型ドーパントを含むことができ、上ダイオード材料は、ｐ型ドーパントを含むことができる。複数の下ダイオード材料の上領域は、開口上にフィンを形成することができる。複数の下ダイオード材料の上領域は、開口上に柱を形成することができる。
【０１７５】
ダイオードは、連続の上ダイオード領域上に形成されたコンタクトを更に含むことができる。前記コンタクトは、透明導体を含むことができる。ダイオードは基板に隣接して形成された第２コンタクトを更に含むことができる。
【０１７６】
本発明のもう１つの実施例は、基板、基板と格子不整合であり、基板の上表面の上に延伸し、且つ上表面全体の幅とその幅より大きい高さを上表面の上に有する下ダイオード部分を含む下ダイオード材料、下ダイオード材料に隣接した上ダイオード材料と、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間にあり、基板の上表面から離れて延伸した表面を含む活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０１７７】
活性発光ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含むことができる。活性発光ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料と異なる材料を含み、活性発光ダイオード領域は、上と下ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成することができる。活性発光ダイオード領域は、上ダイオード材料と下ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含むことができる。
【０１７８】
基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択されることができる。基板は、単結晶シリコンウエハであることができる。単結晶シリコンウエハは、（１１１）または（１００）の結晶方向を有することができる。
【０１７９】
下ダイオード材料は、ｎ型ドーパントを含むことができ、上ダイオード材料は、ｐ型ドーパントを含むことができる。
【０１８０】
ダイオードは、上ダイオード領域上に形成されたコンタクトを更に含むことができる。前記コンタクトは、透明導体を含むことができる。ダイオードは基板に隣接して形成された第２コンタクトを更に含むことができる。
【０１８１】
本発明のもう１つの実施例は、ダイオードの製造方法に関し、前記方法は、誘電材料の層を基板上に堆積するステップ、それぞれ少なくとも１のアスペクト比を有する第１と第２開口を誘電材料にパターンニングし、基板の一部を露出するステップ、第１開口内と第１開口上に基板と格子不整合の化合物半導体材料を成長させて第１下ダイオード領域を形成するステップ、第２開口内と第２開口上に基板と格子不整合の化合物半導体材料を成長させて第２下ダイオード領域を形成するステップ、第１下ダイオード領域に隣接した第１活性ダイオード領域を形成するステップ、第２下ダイオード領域に隣接した第２活性ダイオード領域を形成するステップと、第１活性ダイオード領域と第２活性ダイオード領域に隣接した単一の上ダイオード領域を形成するステップを含む。
【０１８２】
第１と第２活性ダイオード領域は、複数の量子井戸を含むことができる。
【０１８３】
基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択されることができる。基板は、単結晶シリコンウエハであることができる。基板は、（１１１）または（１００）の結晶方向を有することができる。誘電材料は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素を含むことができる。
【０１８４】
第１と第２開口は、トレンチまたはホールであることができる。半導体材料は、III−V族化合物、II−VI族化合物、IV族合金、またはその組み合わせを含むことができる。
【０１８５】
本発明のもう１つの実施例は、基板、基板の上にあり、開口のアレイを含む誘電材料、開口のアレイ内と開口のアレイ上に形成され、誘電材料から離れて延伸した少なくとも１つの側壁を含み、基板と格子不整合である半導体材料を含む複数の下ダイオード部分、下ダイオード部分に隣接した複数の上ダイオード部分と、上ダイオード部分と下ダイオード部分の間にあり、基板の上表面から離れて延伸した表面をそれぞれ含む複数の活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０１８６】
各開口は、少なくとも０.５、少なくとも１、少なくとも２、または３より大きいアスペクト比を有することができる。各下ダイオード部分は、誘電材料の上に実質的に垂直に上向きに延伸する少なくとも１つの側壁を含むことができる。各下ダイオード部分は、六角形の断面を有することができる。開口は、六角形アレイに配列されることができる。上ダイオード部分は、単一の連続した材料の層から形成されることができる。ダイオードは、発光ダイオードであることができる。
【０１８７】
本発明のもう１つの実施例は、基板、基板上にある第１誘電体層、第１誘電体層上にある耐熱金属の層、第１誘電体層と耐熱金属の層を穿通し、誘電側壁を有する開口、基板と格子不整合の化合物半導体材料を含み、開口内と開口上に設置された下ダイオード領域、下ダイオード領域に隣接した上ダイオード領域と、上ダイオード領域と下ダイオード領域の上部分の間の活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０１８８】
開口は少なくとも１のアスペクト比を有することができ、トレンチであることができる。ダイオードは上ダイオード領域の少なくとも一部を覆う第２誘電体層を更に含むことができる。ダイオードは、第２誘電体層を穿通して延伸する第２開口と金属プラグを含む第１コンタクトを更に含むことができ、金属プラグは、第２開口を充填し、耐熱金属の層に接触する。ダイオードは基板の底部に位置する第２コンタクトを更に含むことができる。
【０１８９】
本発明のもう１つの実施例は、ダイオードの製造方法に関し、前記方法は、誘電材料の第１層を基板上に堆積するステップ、誘電材料の第１層上に耐熱金属の層を堆積するステップ、誘電材料の第２層を耐熱金属の層上に堆積するステップ、誘電材料の第１層と耐熱金属の層と誘電材料の第２層とを穿通して延伸した側壁によって定義された第１開口を形成し、基板の表面を露出するステップ、開口の側壁上に誘電材料の層を形成するステップ、開口内と開口上に基板と格子不整合の化合物半導体材料を成長させて下ダイオード領域を形成するステップと、第２誘電層を除去するステップ、下ダイオード領域の一部に隣接した活性ダイオード領域を形成するステップと、活性ダイオード領域に隣接した上ダイオード領域を形成するステップを含む。
【０１９０】
前記方法は、活性ダイオード領域と耐熱金属を形状適応的に被覆する上ダイオード領域上の誘電材料の第３層を堆積するステップ、誘電材料の第３層と耐熱金属を覆う上ダイオード領域の一部を穿通するビアを形成するステップ、プラグが耐熱金属の層と接触するようにビアを金属プラグで充填するステップと、下電気的コンタクトを形成するステップを更に含むことができる。
【０１９１】
本発明のもう１つの実施例は、基板、基板上に位置する誘電体層、少なくとも１のアスペクト比を有する開口を含む誘電体層、開口内と開口上に設置され、六角形の結晶格子を有する化合物半導体材料を含む下ダイオード領域、化合物半導体材料の半極性面によって定義された側壁を含む下ダイオード領域、下ダイオード領域に隣接した上ダイオード領域と、上ダイオード領域と下ダイオード領域の間の活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０１９２】
前記基板は、立方格子を有する結晶基板であることができる。非極性面は、a面またはm面であることができる。開口はトレンチまたはホールであることができる。
【０１９３】
本発明のもう１つの実施例は、基板、開口を含む基板上に位置する誘電体層、開口に設置された基板と格子不整合の半導体材料と、開口上に設置されたピラミッド形ｐ−ｎ接合を含むピラミッド形ダイオードを含む。
【０１９４】
ピラミッド形ダイオードは、上ダイオード材料、活性ダイオード材料と、下ダイオード材料を更に含むことができる。ピラミッド形ダイオードは、約３ミクロンより大きい高さを有することができるか、または約５ミクロンより大きい高さを有することができる。ピラミッド形ダイオードは、約２ミクロンより少ない厚さを有する上接触層か、または約０.５ミクロンより少ない厚さを有する上接触層を含むことができる。ピラミッド形ダイオードは、下接触層を含むことができる。
【０１９５】
前記ダイオードは、それぞれの上ダイオード材料が互いに結合した複数のピラミッド形ダイオードを更に含むことができる。前記ダイオードは、透明上接触層を更に含むことができる。前記ダイオードはハンドル基板を更に含むことができる。
【０１９６】
基板は、シリコン、サファイア及び炭化ケイ素からなるグループから選択されることができる。半導体材料は、III−V族化合物、II−VI族化合物、IV族合金からなるグループから選択されることができる。
【０１９７】
本発明のもう１つの実施例は、基板を用意するステップ、基板上に少なくとも１のアスペクト比を有する開口を含む誘電体を提供するステップ、開口に基板と格子不整合の化合物半導体材料を形成するステップ、開口上にｐ−ｎ接合を含むダイオードを形成するステップ、ダイオード上に実質的に平坦な表面を有する誘電材料を形成するステップ、実質的に平坦な表面にハンドルウエハをボンディングするステップと、基板を除去するステップを含むダイオードを形成する方法に関する。
【０１９８】
前記開口は、トレンチまたはホールであることができる。前記ダイオードは、上ダイオード領域、下ダイオード領域と、活性ダイオード領域を含むことができる。前記ダイオードは、複数の上ダイオード領域、複数の下ダイオード領域と、複数の活性ダイオード領域を含むことができる。複数の上ダイオード領域は、互いに結合されることができる。
【０１９９】
本発明のもう１つの実施例は、基板、開口のアレイを含む基板上の誘電体層、１００nmより少ない幅を有する開口、開口のアレイ内と開口のアレイ上に設置された基板と格子不整合の半導体材料を含み、誘電体層上に少なくとも１００nm延伸する実質的に均一な高さを有する複数のナノ構造と、ナノ構造上に形成され、ナノ構造の側壁に用いる活性領域を含む複数のダイオード接合を含むダイオードに関する。
【０２００】
前記ナノ構造は、フィンまたは柱の形態であることができる。ナノ構造の幅は、約５nm、約１０nm、約２０nmと、約５０nmからなるグループから選択されることができる。ナノ構造の高さは、約１００nm、約２００nm、約５００nmと、約１０００nmからなるグループから選択されることができる。
【０２０１】
本発明のもう１つの実施例は、実質的に平坦な底面と複数の空洞（cavity）を有する上面を含む第１ダイオード材料、実質的に平坦な上面と第１ダイオード材料の複数の空洞内に延伸する底面を含む第２ダイオード材料と、第１ダイオード材料と第２ダイオード材料の間の活性ダイオード領域を含むダイオードに関する。
【０２０２】
ダイオードは、第１ダイオード材料の底面または第２ダイオード材料の上面に隣接した実質的に平坦な表面を有する基板を更に含むことができる。
【０２０３】
活性ダイオード領域は、第１ダイオード材料と第２ダイオード材料の接合によって形成されたｐ−ｎ接合を含むことができる。活性ダイオード領域は、第１ダイオード材料と第２ダイオード材料と異なる材料を含み、活性ダイオード領域は、第１ダイオード材料と第２ダイオード材料の間に形成されたｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域を形成することができる。活性ダイオード領域は、第１ダイオード材料と第２ダイオード材料の間に形成された複数の量子井戸を含むことができる。
【０２０４】
第１ダイオード材料は、III−V族材料を含むことができる。第１ダイオード材料は、窒化ガリウムを含むことができる。空洞は、極性窒化ガリウムの表面を含むことができる。
【０２０５】
空洞は、少なくとも１のアスペクト比を有するトレンチを定義することができるか、またはホールを定義することができる。空洞の表面積は、第１ダイオード材料の底面の表面積より大きくてよい。空洞の表面積は、第１ダイオード材料の底面の表面積の少なくとも１５０％であることができるか、または第１ダイオード材料の底面の表面積の少なくとも２００％であることができる。
【０２０６】
応用例の実施例は、トレンチの方向から制御する成長に基づいた“フィン”構成された構造に関して述べられた方法、構造、または装置を提供する。本明細書の記載に基づいて当業者には分かるように、トレンチの方向は、例えばホール、凹溝（recess）、四角い形状、環状などの他の形状の開口であることができ、例えば、他の３次元半導体構造または装置となることができる。
【０２０７】
応用例の実施例は、エピタキシャル成長などによって用いられ、及び／または，形成されることができる方法、構造、または装置を提供する。例えば、模範的な適合するエピタキシャル成長システムは、単一ウエハまたは複数ウエハのバッチリアクター（batch reactor）であることができる。さまざまなCVD技術が用いられることができる。製造への応用例において、量産エピタキシ用（for volume epitaxy）に一般的に用いられる適当なＣＶＤシステムは、例えばドイツのアーヘンを本拠地としているアイクストロン社から入手可能なアイクストロン２６００マルチウエハシステム、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から入手可能なEPI CENTURA単一ウエハマルチチャンバシステム（single-wafer multi-chamber systems）、またはオランダのビルトーベンを本拠地としているＡＳＭインターナショナルから入手可能なEPSILON単一ウエハエピタキシャルリアクター（single-wafer epitaxial reactors ）を含む。
【０２０８】
本明細書に述べられた“１つの実施例”、“一実施例”、“例”、“もう１つの実施例”、“他の実施例”などは、本発明の少なくとも１つの実施例に、本実施例に関連して述べられた特定の特性、構造、または特徴が含まれることを意味する。本明細書の異なる箇所で述べられた説明が全て同じ実施例に言及しているわけではない。また、特定の特性、構造、または特徴がいずれかの実施例に関連して述べられた時、当業者はこのような特性、構造、または特徴が他の実施例にも関連していることがわかる。また、理解し易いように、ある方法のステップは、分けたステップで詳述されている可能性があるが、これらの分けて詳述されたステップは、必ずしもその実行順序を指示していると解釈すべきではない。即ち、いくつかのステップは他の順序、または同時に行われることができる。また、模範的な図は、本発明の実施例に基づいたさまざまな方法を示している。このような模範的な方法の実施例は、ここに詳述され、使用され、対応する装置の実施例に適用できるが、本発明を制限するものではない。
【０２０９】
本発明の好適な実施例を例示し説明したが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて、これらの実施例に変更を加えることが可能であることは当業者により理解できる。それゆえ、上述した実施例は、ここに述べられた発明を限定するものではなく、全ての点で例示であると考えられる。従って、本発明が請求する保護範囲は、上述の詳細な説明によってではなく、特許請求の範囲によって示され、請求の範囲と等価の範囲及び意味の範囲内における全ての変更は、その中に取り込まれるものとする。本発明に用いられるように、用語“好ましくは”は非排他的であり、“好ましくは、しかし限定するものではない”の意味である。特許請求範囲における用語は、本明細書に記載したように一般の発明の概念と一致した最も広い解釈が採用されるべきである。例えば、“接合”と“接続”（及びその派生）の用語は、直接と間接の接続／接合の両方の意味に用いられる。もう１つの例として“有する（having）”と“含む（including）”、それらの派生、及び類似の転換用語或いは言い回しは“含む（comprising）”と同じであり（即ち全て“オープンエンド（open ended）”用語と見なされる）、“…から構成される（consisting of）” と“本質的に…から構成される（consisting essentially of）”のみ、“クローズ用語（closed term）”と見なされるべきである。
【符号の説明】
【０２１０】
１０  シリコンウエハ
２０  誘電材料
３０  格子不整合半導体
４０  貫通転位
５０  トラッピング領域
６０  無欠陥領域
１０１  基板
１０２  下ダイオード領域
１０３  活性ダイオード領域
１０４  上ダイオード領域
１０５、１０６  電気的コンタクト
１５５  シリコン基板
１６０  誘電材料
１６５  トレンチ
１７０  下ダイオード領域
１７５  トラッピング領域
１８０  貫通転位
１８５  活性ダイオード領域
１９０、１９５  上ダイオード領域
１９７  成長面の交差点
２００  上電気的コンタクト
２０３  下電気的コンタクト
２１０  第１誘電体層
２１５  第２誘電体層
２２０  トレンチ
２５０  ホール
２６０  下ダイオード領域
２６５  活性ダイオード領域
２７０  活性ダイオード領域
２７５  連続的な上ダイオード領域２７５
２８０  上電気的コンタクト
２８５  下電気的コンタクト
３００  ホール
３５０  誘電体層
３５５  トレンチ
３６５  下ダイオード領域
３７５  貫通転位
３８０  活性ダイオード領域
３９０  光吸収領域
３９５  光吸収領域
４００  接合欠陥
４１０  上電気的コンタクト
４１５  下電気的コンタクト
４３０  ハンドル基板
４３５  上電気的コンタクト
４４０  下電気的コンタクト
５００  基板
５１０  第１誘電材料
５２０  耐熱金属
５３０  第２誘電材料
５５０  誘電スペーサ
５５５  トラッピング領域
５６０  貫通転位
５７０  下ダイオード領域
５８０  活性ダイオード領域
５９０  上ダイオード領域
６００  貫通転位
６０５  ビア
６２０  適当な材料
６３０  上電気的コンタクト
６４０  下電気的コンタクト
７００  シリコン基板
７１０  誘電材料
７２０  ホール
７３０  下ダイオード領域
７４０  貫通転位
７５０  トラッピング領域
７６０  活性ダイオード領域
７７０  上ダイオード領域
７８０  上電気的コンタクト
７９０  下電気的コンタクト
８００  上ダイオード領域
８１０  ハンドル基板
８２０  上電気的コンタクト
８３０  下電気的コンタクト
９００、９０５、９１０、９１５、９２０、９２５、９３０、９３５、９４０、９５０、１０００、１００５、１０１０、１０１５、１０２０、１０２５、１０３０、１０３５、１０４０、１１００、１１０５、１１１０、１１１５、１１２０、１１２５、１１３０、１１３５、１１４０、１２００、１２０５、１２１０、１２１５、１２２０、１２２５、１２３０、１２３５、１２４０、１３００、１３０５、１３１０、１３１５、１３２０、１３２５、１３３０、１３３５、１３４０、１４００、１４０５、１４１０、１４１５、１４２０、１４２５、１４３０、１４３５、１４４０、１４４５、１４５０、１５００、１５０５、１５１０、１５１５、１５２０、１５２５、１５３０、１５３５、１５４０、１５４５、１５５０、１５５５、１５６０、１５６５、１５７０、１５７５、１５８０、１６００、１６０５、１６１０、１６１５、１６２０、１６２５、１６３０、１７００、１７０５、１７１０、１７１５、１７２０、１７２５、１７３０、１７３５、１７４０、１７４５、１７５０  ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【外国語明細書】
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