(57)【要約】  本発明は、例えば、好ましくは深紫外（ＤＵＶ）領域の光を放射または吸収するための半導体デバイスに関する。本デバイスは、例えば、共鳴共振器発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）またはレーザーダイオードなどであり、好ましくは分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を有する基板層（３０２）と、黒鉛層（３０４）と、場合によってはマスク層（３０６）を用いて黒鉛層上で成長させた、好ましくはワイヤまたはピラミッドである、少なくとも１つの半導体構造（３１０）とから形成される。半導体構造は、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域（３１６）と、好ましくはｐ型ドーピングされた六方晶窒化ホウ素である、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）領域（３１２）とから構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板層と、
黒鉛層と、
前記黒鉛層上で成長させた少なくとも１つの半導体構造とを含む半導体デバイスであって、前記構造は、少なくとも
ＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域と、
六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）領域とを含む、半導体デバイス。
【請求項２】
前記ＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域の位置は、前記黒鉛層に対する前記ｈＢＮ領域の位置よりも前記黒鉛層の近くにある、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記黒鉛層は、前記基板層上に配置されている、請求項１または請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記基板層は、分布型ブラッグ反射器を含む、請求項１、請求項２、または請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ｈＢＮ領域は、ｐ型ドーピングされている、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項６】
前記ｐ型ドープｈＢＮ領域は、接触層を形成している、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ｈＢＮ領域は、複数のｈＢＮ層を含み、そのうちの少なくとも１つはドーピングされておらず、少なくとも１つはｐ型ドーピングされている、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項８】
前記ドーピングされていないｈＢＮ層は、前記ｎ型ドープＩＩＩ−Ｖ半導体領域と界面を形成している、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記黒鉛層上で前記ＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域を成長させ、前記ｎ型ドープ領域上に前記ｈＢＮ領域を堆積させた、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項１０】
前記黒鉛層から、前記少なくとも１つの半導体構造をボトムアップ方式で成長させた、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項１１】
前記構造は、前記ｎ型ドープ領域と前記ｈＢＮ領域との間に、真性ＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに含む、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項１２】
前記構造は、ｐ型ドープＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに含む、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ｎ型ドープ領域は電子を含み、
前記ｐ型ドープ領域は正孔を含み、
前記構造は、ｎ型ドープ領域から電子を、ｐ型ドープ領域から正孔を受け取って、受け取った電子および正孔を再結合させて発光するように配置された真性ＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに含む、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ｎ型ドープ領域は電子を含み、
前記ｐ型ドープ領域は正孔を含み、
前記構造は、光子を吸収すると電子−正孔対を生じるように配置された真性ＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに含む、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記真性領域は、少なくとも１つのヘテロ構造を含む、請求項１１、請求項１３、または請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記ヘテロ構造は、量子ヘテロ構造である、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記量子ヘテロ構造は、量子井戸、量子ドット、または超格子である、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ヘテロ構造は、
ＡｌＧａＮヘテロ構造もしくはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮヘテロ構造であるか、または
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、もしくはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮを含む、請求項１５、請求項１６、または請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記ｈＢＮ領域は、電子阻止層として機能する、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２０】
前記ｈＢＮ領域は、封入層または不動態化層として機能する、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２１】
前記ＩＩＩ−Ｖ半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体である、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２２】
前記構造は、ｎ型ドープＡｌＧａＮ領域またはｎ型ドープＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ領域と、ｐ型ドープＡｌＧａＮ領域またはｐ型ドープＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ領域と、ＡｌＧａＮ真性領域またはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ真性領域とを含む、請求項１３または請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの半導体構造は、ナノ構造であり、例えば、ナノワイヤまたはナノピラミッドである、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２４】
前記ナノ構造は、軸状ヘテロ構造および／または放射状ヘテロ構造を含む、請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記黒鉛層上の孔パターンマスクの孔を通して前記ナノ構造を成長させた、請求項２３または請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
共鳴共振器発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）である、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの半導体構造の表面上に、金属層をさらに含む、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２８】
前記金属層は、上部接触層として機能する、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記金属層は、反射鏡として機能する、請求項２７または請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記基板層は、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ガラス基板、金属製基板、または溶融石英基板を含む、先行する請求項のいずれか１つに記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光用または光検出用の半導体構造を有する半導体デバイス、特に、ナノワイヤ（ＮＷ）やナノピラミッド（ＮＰ）などのナノ構造を有する半導体デバイスに関する。特に、黒鉛層上で成長させた、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）層を含むＩＩＩ−Ｖ半導体構造を有する半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、ここ何年もの間、様々な用途に用いられてきている。例えば、照明用途や電気通信用に光を発生させるために、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザーなどの発光半導体デバイスが用いられている。また、半導体デバイスは、画像技術など様々な用途の光検出器、および光アイソレータとしても用いられている。例えば電流が流れる方向を制御するために、電子工学的用途においても半導体ダイオードが用いられている。半導体デバイスには、ｐ型ドープ領域およびｎ型ドープ領域からなる接合部（例えば、いわゆるｐ−ｎ接合部）を有するものもある。このようなデバイス（例えば、光を発生させる、または低抵抗で電流が流れる方向を規定する）は、接合部を通る電流の流れを制御することによって、効率的に作動する。例えば、発光デバイスの場合、理想的には、電子の流れは、ｎ型領域の伝導帯における電子がｐ型領域の伝導帯へ漏れることがないように、制御されるべきである。
【０００３】
深紫外（ＤＵＶ）領域で作動する、ＬＥＤやレーザーなどの発光体またはフォトダイオードなどの検出器は、殺菌、スペクトル分析、および光触媒作用などの用途において関心を集めている。最新の半導体ＬＥＤエミッタおよび半導体レーザーエミッタでは、ＡｌＧａＮ（または他のＩＩＩ族窒化物材料）などのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を用いて２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲のＤＵＶ光を発生させる傾向がある。例えば、典型的なＤＵＶ ＬＥＤ／ＤＵＶ レーザーは、ｐ型ドープＡｌＧａＮ領域とｎ型ドープＡｌＧａＮ領域との間に配置されたＡｌＧａＮ量子井戸（ＱＷ）を１つ以上有する。ＱＷは、デバイスにおける光を発生させるための真性領域（例えば、光発生領域、またはいわゆる活性領域）の一部を形成していてもよい。ｎ型領域およびｐ型領域から、それぞれ電子および正孔がＱＷへ注入されるように、ｐ−ｎ接合部（ｐ型領域およびｎ型領域からなる）にわたって順バイアスを印加することによって、光を発生する。理想的には、ＱＷ内の電子および正孔が再結合して、光を発生する。通常、電子担体および正孔担体が発光体において非放射再結合することは、光が提供されないため、好ましくない。
【０００４】
電子がｐ型領域に漏れ、そのためにＱＷにおいて光を発生させるように放射再結合することができなくなることを防止するために、窒化物系のエミッタは、ｐ型領域に電子阻止層（ＥＢＬ）を有していてもよい。ＥＢＬは、ｐ型領域の伝導帯において、電位障壁を形成する。この障壁は、電子がｎ型領域から、および／またはＱＷから、ｐ型領域を通って移動するのを阻止するように機能する。典型的には、適切なタイプのＥＢＬは、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを含む。
【０００５】
通常、たいていの半導体デバイス（例えば、ＬＥＤ、レーザー、光検出器、および整流ダイオード）の形態は、成長前層構造のトップダウン式エッチング（またはリフトオフなどの他のトップダウン式プロセス）によって規定される。例えば、従来のＡｌＧａＮ系のＤＵＶ ＬＥＤエミッタ／ＤＵＶ レーザーエミッタは、成長前層構造、例えば、ｐ型ドープＡｌＧａＮ領域とｎ型ドープＡｌＧａＮ領域との間に配置されたＡｌＧａＮ量子井戸（ＱＷ）を１つ以上有する層構造をエッチングすることによって形成され得る。このようなトップダウン方式の加工によって、デバイスの構造が規定される。例えば、隆線形のＬＥＤ構造／整流ダイオード構造または垂直共振器形レーザー構造が規定され得る。成長前構造の層については、たいてい、適切な基板（例えば、サファイア）上で、薄膜成長法を用いて成長させる。通常、各薄膜層の成長によって、下地材料の全面を覆うように成長する連続層が形成される（例えば、サファイア基板上で成長したＡｌＧａＮの薄膜層は、サファイアの上面を覆う連続層を形成する）。成長前薄膜層構造のトップダウン方式の加工によって規定された形態を有するデバイスは、当該技術分野において、薄膜デバイスと呼ばれることもある。
【０００６】
例えば上述したような（ＤＵＶスペクトルにおいて作動する）半導体デバイスも、光抽出の問題を抱えている。例えば、サファイアなどの従来の基板材料の透過率は、２００ｎｍ〜３００ｎｍでおよそ８５％以下である。さらに、典型的な上部接点は金属製であり、当該波長における透過率はかなり低い。
【０００７】
薄膜ＡｌＧａＮデバイス（例えば、ＡｌＧａＮ ＬＥＤ／ＡｌＧａＮレーザー）にＡｌＮ製ＥＢＬまたはＡｌＧａＮ製ＥＢＬを用いることで、欠陥がほとんどないＥＢＬ層を提供し得る。しかしながら、このようなデバイスでも、依然として、外部量子効率（ＥＱＥ）特性の低さに悩まされる場合がある。主な理由のうちの１つは、ＡｌＮ製ＥＢＬが、ｐ型領域の価電子帯において電位障壁を形成することである。ＡｌＮ製ＥＢＬなどの障壁は、デバイスの順バイアス抵抗を上昇させ、それによってデバイスの担体注入効率（ＣＩＥ）を低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このようなデバイスにおけるさらなる問題は、ｐ型ドープＡｌＧａＮ領域のドーピング効率が低いことである。ドーピング効率が低いことで正孔担体濃度が制限され、その結果、この領域の抵抗率が高くなり、伝導率が低くなる。これによって、正孔注入効率が低くなる。別の問題は、このようなデバイスが、良好なオーム接触を得るために、ｐ型ＡｌＧａＮと金属製ｐ電極との間にｐ型ＧａＮの薄層を有する場合があることである。これは、ｐ型ＧａＮ層がＤＵＶ光を吸収し、それによって光抽出効率（ＬＥＥ）を低下させるため、問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の問題の少なくともいくつかに対処することを目的とする。
【００１０】
第１の態様として、本発明は、
基板層と、
黒鉛層と、
前記黒鉛層上で成長させた少なくとも１つの半導体構造とを含む、半導体デバイスであって、前記構造は、少なくとも
ＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域と、
六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）領域とを含む、半導体デバイスを提供する。
【００１１】
したがって、例えば発光／光吸収のための、半導体デバイスが提供される。この構造においてｈＢＮを用いることによって、複数の利点が得られる。まず、ｈＢＮ領域は、半導体構造のｐ型領域として機能し、光発生領域における放射再結合のために正孔を注入し得る。これは、公知のデバイスの標準的なｐ型ドープＡｌＧａＮ領域に代わるものである。この点において、ｈＢＮは、真性担体濃度が自然に高くなるため、有利である。さらに、価電子エネルギー帯が、例えばＡｌＧａＮデバイスの価電子エネルギーレベルとよく一致するので、ＡｌＧａＮ層への正孔注入がより効率的になる。これらの利点によって、半導体構造の価電子帯における担体注入効率がより高くなり、デバイス全体のＥＱＥを上昇させる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、ＡｌＮ電子阻止層を有する公知のＡｌＧａＮ系薄膜デバイスのバンド構造を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る、ｐ型ドープｈＢＮ領域を有する半導体構造のバンド構造を示す。
【図３】図３ａ〜図３ｆは、本発明の実施形態に係る、ボトムアップ方式で成長させたナノワイヤを有するデバイスを製造するためのプロセスフローを示す。
【図４】図４ａおよび図４ｂは、それぞれ、本発明の実施形態に係る、軸状ナノワイヤレーザーおよび放射状ナノワイヤレーザーの構造を示す。
【図５】図５ａ〜図５ｄは、本発明の実施形態に係る、様々なタイプのＮＷ ＶＣＳＥＬ構造を示す。
【図６】図６ａは、本発明の実施形態に係る、軸状ＮＷの構造を示す。図６ｂは、本発明の実施形態に係る、コアシェルＮＷの構造を示す。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る、コアシェルナノピラミッドの構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、黒鉛層を基板層上に配置する。これによって、黒鉛層を基板層上に直接転写または成長させて、他の層に関連する他の複雑な加工工程を不要にすることができる。基板層は、サファイア基板であってもよいし、ＧａＡｓ基板であってもよいし、ＧａＮ基板であってもよいし、ＡｌＮ基板であってもよいし、Ｓｉ基板であってもよいし、ＳｉＣ基板であってもよいし、ガラス基板であってもよいし、金属製基板（例えば、Ｍｏ箔、Ｗ箔、Ｔｉ箔、Ｔａ箔、Ｈｆ箔、など）であってもよいし、溶融石英基板であってもよい。他の基板材料も想定される。基板層は、黒鉛層との組み合わせであってもよく、例えば、グラフェン層をエピタキシャル面（１つまたは複数の半導体構造を成長させる、基板の面）に堆積させたサファイア基板、溶融石英基板、または石英基板であってもよい。
【００１４】
当業者であれば、例えば、デバイスの発光波長／吸光波長およびスペーサ層の機能に応じて、様々な基板層およびその厚さが選択され得るということを理解するであろう。光の一波長に対しては透過性を有し、他の波長に対しては透過性を有しない層があってもよい。例えば、ＧａＡｓは、ＩＲレーザー光に対して透過性を有する。
【００１５】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、基板層は、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む。ＤＢＲは、ある周波数範囲においてほぼ全反射を達成するのに用いることができる、誘電層または半導電層が交互する周期構造である。この周波数範囲は、半導体構造の発光スペクトル／吸収スペクトルを含んでいてもよい。ＤＢＲは、様々な屈折率を有する材料が交互する複数層からなる構造、または誘電体導波路の何らかの特性（例えば高さ）を周期的に変化させた結果、導波路における実効屈折率が周期的に変化する構造である。本開示のＤＢＲは、誘電性または半導電性とすることができる。ＤＢＲは、黒鉛層と電気的に接触していてもよいし、透過性スペーサ層によって黒鉛層から離されていてもよい。本明細書で用いる「透過性」なる語は、デバイスが放出／吸収する光に対し、透過性を有することを意味する。ＤＢＲは、半導体構造のｎ型領域またはｈＢＮ領域から生じる光を、当該領域に戻すように、また構造中心に向かうように、反射させるために、半導体構造のｎ型領域またはｈＢＮ領域と光学的に結合していてもよい。光は、本構造の長軸に沿って、例えばナノワイヤの軸方向軸に沿って、反射されてもよい。
【００１６】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ｈＢＮ領域は、ｐ型ドーピングされている。これによって、有利には、活性領域およびｎ型領域へ注入される正孔担体がより多く提供される。例えば、ｈＢＮ領域に対してｐ型ドーピングを行うと、ｎ型ドープ領域とｐ型ドープ領域との間に配置された真性領域（光発生領域を形成していてもよい）へ、より多くの担体を移動させることが可能になる。また、追加的な担体によって、ｈＢＮ領域の抵抗率が低下し（または、逆に、伝導率が上昇し）、提供されるデバイスの抵抗がより低下する。このように、ｈＢＮに対してｐ型不純物をドーピングすると、ｐ−ｎ領域を通る所与の順方向電流のための駆動電圧が低下する。さらに、ｈＢＮ領域は、性能を低下させることなく、ドーピングを高濃度まで容易に行うことができる。このようなドーピングの容易さを、ｈＢＮにおける高い真性担体濃度と合わせると、担体濃度が極めて高い材料が提供される。先に説明したように、このことによって、光発生領域への担体注入効率が向上し、デバイスの内部量子効率が向上する。
【００１７】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ｐ型ドープｈＢＮ領域は、接触層を形成する。ｐ型ドープｈＢＮの担体濃度が高いため、ｈＢＮ自体を接触層として用いて、追加的な接触層の必要性を完全に代替することができる。これにより、デバイス製作に関連する加工工程数や材料数が低減されるので、有利である。例として、ｐ型ドープｈＢＮ領域は、例えばＬＥＤにおける典型的なｐ−ＧａＮ接触層の代わりに、電極（例えば、金属製の電極）とオーム接触するための接触層を形成してもよい。さらに、追加的な接触層を用いることによる、吸収などの他の短所は、ｈＢＮ領域を接触層として用いることによって回避される。ｈＢＮは、ＤＵＶ波長に対して実質的に透過性を有するので、ｈＢＮ領域を通して放射光／吸収光を誘導することによって、光抽出効率（ＬＥＥ）または吸光度を向上させることができる。また、表面接触層としてのｈＢＮ領域の使用は、例えば上部金属接点と結合させるためのＡｌＧａＮなどの高ドープ領域の必要性を代替する。このような選択肢と比較すると、ｈＢＮは伝導特性を向上させ、半導体デバイスのＥＱＥを上昇させる。さらに、従来のインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）接点は、ＵＶ光を多く吸収し、このために、ＬＥＥを低下させてレーザーの性能を劇的に低下させる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ｈＢＮ領域は、複数のｈＢＮ層を含み、そのうちの少なくとも１つはドーピングされておらず、少なくとも１つはｐ型ドーピングされている。ｈＢＮ領域をドーピングされていない層とドーピングされた層とに分けることで、これらの層と隣接する領域との間の界面を最適化することができる。例えば、ドーピングされていないｈＢＮ領域は、光発生領域との界面における担体注入効率などの特性が向上し得るため、光発生領域に隣接して配置されてもよい。同時に、ドーピングされたｈＢＮ領域は、表面接触層との界面における特性が向上し得るため、表面接触層に隣接して配置されてもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ドーピングされていないｈＢＮ層は、ｎ型ドープＩＩＩ−Ｖ半導体領域と界面を形成する。価電子帯のエネルギーがよく一致するため、ｈＢＮ領域の価電子帯からｎ型ドープＩＩＩ−Ｖ半導体領域の価電子帯へ注入される担体を増加させることが、この界面によって可能となり、これらの層の間の抵抗を低下させて、デバイスのＥＱＥを上昇させる。また、ｈＢＮ層は、デバイスの伝導帯において電位障壁を形成し、ｎ型ドープＩＩＩ−Ｖ半導体領域における担体の閉じ込めを向上させる。
【００２０】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、黒鉛層上でＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域を成長させ、ｎ型ドープ領域上にｈＢＮ領域を堆積させる。これによって、デバイスの形態が規定される。黒鉛層上でｎ型ドープ領域を成長させ、その後、ｎ型ドープ領域上にｈＢＮ領域を堆積させることによって、規定されたプロセスフローに沿うことができ、デバイスを合理的に生産することが可能となる。これによって、製造速度の上昇と製造コストの低減とを両立させることができる。
【００２１】
少なくともいくつかの実施形態において、少なくとも１つの半導体構造は、ミクロ構造であってもよい。しかしながら、１つ以上の好適な実施形態において、少なくとも１つの半導体構造は、ナノ構造であり、例えば、ナノワイヤまたはナノピラミッドである。本明細書で用いる「ナノ構造」なる語は、ナノメートル寸法またはマイクロメートル寸法の中実構造のことをいう。
【００２２】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、例えば、適切なボトムアップ方式のエピタキシャル成長モードによって、黒鉛層から、少なくとも１つの半導体構造をボトムアップ方式で成長させる。ボトムアップ方式の成長によって、ミクロ構造／ナノ構造を成長させて、自立型のミクロ構造／ナノ構造（例えば、ナノワイヤ）を形成することが可能となる。また、ボトムアップ方式の成長によって、ミクロ構造／ナノ構造を位置決め成長させることが可能となる。これは、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって、または有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって、達成されてもよい。したがって、当業者であれば、ボトムアップ方式の成長によって、黒鉛層の特定の部分／領域にミクロ構造／ナノ構造を１つ以上成長させ得るということを理解するであろう。特定の位置／領域は、無作為に選択されてもよい。あるいは、特定の位置／領域は、あらかじめ選択されていてもよい（例えば、基板上の孔パターンマスクの孔を通して、ミクロ構造／ナノ構造を成長させることによる）。
【００２３】
さらに、ボトムアップ方式の成長によって、ミクロ構造／ナノ構造の形状（例えば、ナノワイヤの細長い形状、またはナノピラミッドの側面を有する形状）が直接規定されるということが分かるであろう。このように、成長後の層においてミクロ構造／ナノ構造を規定するために、デバイスのＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域およびｈＢＮ領域を成長させた後で、トップダウン方式の加工（例えば、エッチング）を行う必要はない。しかしながら、ミクロ構造／ナノ構造を規定するのにボトムアップ方式の成長を用いた後で、例えば、ミクロ構造／ナノ構造をさらに成形したり、ミクロ構造／ナノ構造間の空間を埋めたり、かつ／または接触電極を規定したりするのに、トップダウン方式の加工を続けて用いてもよいということが、理解されるであろう。
【００２４】
ボトムアップ方式で（例えば、適切な成長モードを用いて）成長させたミクロ構造／ナノ構造は、例えば、薄膜よりもさらに多くの格子不整合を含むことができるということがわかっている。これにより、ｈＢＮ領域における欠陥がより減少するため、有利である。その結果、例えば、ボトムアップ方式で成長させた、より高品質のｈＢＮ領域を有するミクロ構造／ナノ構造を用いて、レーザー、ＬＥＤ、および光検出器などのデバイスを、より効率的なものとして提供することができる。発光用途／光検出用途においては、このような改良によって、ＥＱＥ、ＩＱＥ、ＣＩＥ、および／またはＬＥＥがより高いデバイスが提供されることがわかった。電子的用途においては、このような改良によって、ＣＩＥがより高いデバイス（例えば、整流ダイオード）が提供されることがわかった。
【００２５】
また、このような技術によって、デバイスは、黒鉛層の特定の利点を利用できるようになる。例えば、黒鉛層は、ＤＵＶ光に対して実質的に透過性を有する（すなわち、透過率が高い）ので、ミクロ構造／ナノ構造から黒鉛層を介して、放出光を外部へ誘導することができ、黒鉛層からミクロ構造／ナノ構造内へ、吸収光を誘導することができる。さらに、黒鉛層を、例えばミクロ構造／ナノ構造のための底面電極として用いて、光の発生を開始するのに必要な電流を提供してもよい。黒鉛層は、転写グラフェンまたはグラフェンガラスであってもよいが、エピタキシャルグラフェンのような異なる種類の黒鉛物質であってもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、本構造は、ｎ型ドープ領域とｈＢＮ領域との間に、真性ＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに含む。この真性領域は、光発生領域または活性領域として機能し得る。真性領域は、ｎ型ドープ領域またはｈＢＮ領域と比較すると、上記の利点が強化されているため（例えば、ＣＩＥの向上、バンドエネルギー整合の向上、担体閉じ込めの向上など）、より多くの光を発生し得る。
【００２７】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、本構造は、ｐ型ドープＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに含む。この領域は、デバイスの真性領域／ｎ型領域に担体を注入するために、先の実施形態のｈＢＮ領域と真性領域／ｎ型ドープ領域との間に配置されてもよい。このｐ型ドープＩＩＩ−Ｖ半導体領域を有することによっても、上記の利点が強化され得る。
【００２８】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ＩＩＩ−Ｖ半導体ｎ型ドープ領域の位置は、黒鉛層に対するｈＢＮ領域の位置よりも、黒鉛層の近くにある。いくつかの実施形態において、ｎ型ドープ領域は電子を含み、ｐ型ドープ領域は正孔を含み、本構造は、ｎ型ドープ領域から電子を、ｐ型ドープ領域から正孔を受け取って、受け取った電子および正孔を再結合させて発光するように配置された真性ＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに有する。このようにすると、発光デバイスが形成され得る。
【００２９】
いくつかの実施形態において、ｎ型ドープ領域は電子を含み、ｐ型ドープ領域は正孔を含み、本構造は、光子を吸収すると電子−正孔対を生じるように配置された真性ＩＩＩ−Ｖ半導体領域をさらに含む。このようにすると、光検出デバイスが形成され得る。
【００３０】
本構造が真性領域を含む実施形態のうちの少なくともいくつかにおいて、真性領域は、ヘテロ構造を少なくとも１つ含む。真性領域にヘテロ構造を用いることによって、光の発生／検出を向上させることができる。
【００３１】
いくつかの実施形態において、ヘテロ構造は、量子ヘテロ構造である。いくつかの実施形態において、量子ヘテロ構造は、量子井戸、量子ドット、または超格子である。超格子は、複数の量子井戸層／量子ドット層を有していてもよい。いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ヘテロ構造は、ＡｌＧａＮヘテロ構造またはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮヘテロ構造であるか、あるいはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮを含む。
【００３２】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ｈＢＮ領域は、電子阻止層（ＥＢＬ）として機能する。伝導帯においてｎ型ドープ領域よりも高レベルのエネルギーを提供することによって、ｈＢＮ領域は、隣接層の伝導帯において担体を捕獲する。この電位障壁は、ｎ型領域における電子がｈＢＮ（ｐ型）領域へと流れることを阻害および／または阻止する。例えば、ｎ−ＡｌＧａＮ領域を有するデバイスにおいて、ｈＢＮ領域は、ｎ−ＡｌＧａＮ領域よりも、伝導帯のオフセットが大きい。このように、ｈＢＮ領域は、ＥＢＬとして機能し、電子がｈＢＮ領域を通ってｎ−ＡｌＧａＮ領域から漏出することを効率的に阻止する。また、デバイスが真性領域を有する（好ましくは、光の発生／検出のため）実施例において、ｈＢＮ ＥＢＬは、真性領域における電子がｈＢＮ（ｐ型）領域を通って流れることを阻害および／または阻止するように配置される。このように、ｈＢＮ領域に隣接する領域における電子の漏出が抑制される。従来技術において、例えばＡｌＮなどのＥＢＬは、典型的には、隣接層よりも価電子帯のエネルギーが低い。つまり、担体に対する電位障壁が存在し、界面の抵抗を上昇させ、さらにデバイスの担体注入効率を低下させる。
【００３３】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ｈＢＮ領域は、封入層または不動態化層として機能する。したがって、ｈＢＮ領域は、外部からの損傷／影響からナノ構造を保護し得、特に、非放射再結合中心として機能する表面状態を不動態化し得る。ナノ構造の周囲に充填物質を有するデバイスにおいては、このｈＢＮ封入層／ｈＢＮ不動態化層は、ミクロ構造／ナノ構造から充填物質への漏電を防止し得る。
【００３４】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、ＩＩＩ−Ｖ半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体である。
【００３５】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、本構造は、ｎ型ドープＡｌＧａＮ領域またはｎ型ドープＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ領域と、ｐ型ドープＡｌＧａＮ領域またはｐ型ドープＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ領域と、ＡｌＧａＮ真性領域またはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ真性領域とを含む。
【００３６】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、少なくとも１つの半導体構造は、ナノ構造であり、例えばナノワイヤまたはナノピラミッドである。本構造がナノ構造である実施形態のうちの少なくともいくつかにおいて、ナノ構造は、軸状ヘテロ構造および／または放射状ヘテロ構造を有する。放射状ナノ構造は、コアシェルナノ構造としても知られている。
【００３７】
軸状ナノ構造においては、ナノ構造の次の層を成長させるために、第１領域を上面が平坦になるように成長させてもよいし、傾斜するように成長させてもよい。したがって、上面は、基板のエピタキシャル面から離れる方向を向いていてもよいということが、理解されるであろう。いくつかの実施形態において、軸状ナノ構造の上面に、直接、ドーピングタイプが反対のドープ領域を成長させてもよい。例えば、ｎ型ドープ領域の上面に、ｐ型ドープ領域を成長させてもよい。他の実施形態において、軸状ナノ構造の第１領域の上面に、直接、真性領域を成長させてもよい。後者の場合、真性領域の上面に、直接、第１領域とはドーピングタイプが反対であるドープ領域を成長させてもよい。
【００３８】
放射状ナノ構造、すなわちコアシェルナノ構造においては、第１領域のことをコア領域という場合もある。第１領域の傾斜した外面上に成長させたコアシェルナノ構造の層は、いわゆるシェル領域の一部を形成し得る。
【００３９】
好ましくは、ナノ構造の次の層を成長させるために、コアシェルナノ構造の第１領域（例えば、ｎ型ドープ領域またはｐ型ドープ領域）を、少なくとも１つの外面が基板のエピタキシャル面に対して傾斜するように成長させてもよい。傾斜した外面は、基板のエピタキシャル面から離れる方向を向いていてもよい。傾斜した外面は、基板のエピタキシャル面に対して０度から９０度の間の鋭角を規定してもよい。いくつかの実施形態において、コアシェルナノ構造の傾斜した外面上に、直接、ドーピングタイプが反対のドープ領域を成長させてもよい（例えば、第１ｎ型ドープ領域の傾斜した外面上に、ｐ型ドープ領域を成長させてもよい）。他の実施形態において、コアシェルナノ構造の第１領域の傾斜した外面上に、直接、真性領域を成長させてもよい。後者の場合、真性領域の上に、直接、第１領域とはドーピングタイプが反対であるドープ領域を成長させてもよい。
【００４０】
コアシェルナノ構造の傾斜した外面は、ナノ構造（例えば、ナノワイヤまたはナノピラミッド）の１つの側壁、または一連の側壁を規定してもよい。好ましくは、側壁は、基板から突出し、ナノ構造の基部から延出する。好ましくは、ナノ構造の基部は、基板と対向しており、基板のエピタキシャル面とは平行であってもよい。理想的には、ナノ構造の基部は、直接、基板のエピタキシャル面に接触している。
【００４１】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、黒鉛層上の孔パターンマスクの孔を通して、ナノ構造を成長させる。上述したように、これによって、ナノ構造を所定の位置で成長させることが可能になる。
【００４２】
いくつかの実施形態において、デバイスは、共鳴共振器ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）である。
【００４３】
いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、デバイスは、少なくとも１つの半導体構造の表面に、金属層をさらに含む。いくつかの実施形態において、金属層は、上部接触層として機能する。これによって、ナノ構造に順バイアス／逆バイアスを印加するための外部電圧をデバイスに提供することが可能になる。いくつかの実施形態において、代替的または追加的に、金属層は、反射鏡として機能する。このように、金属層は、さらなる発光／吸収のために光をナノ構造へと戻すように誘導するために、ナノ構造が放射／吸収した光を反射することができる。
【００４４】
［定義］
「ミクロ構造」なる語は、通常は最小の寸法として、寸法が少なくとも１マイクロメートルである構造を意味する。「ナノ構造」なる語は、通常は最小の寸法として、寸法が少なくとも１ナノメートルである構造を意味する。
【００４５】
本明細書で用いる「ミクロワイヤ（ＭＷ）」なる語は、マイクロメートル寸法の、中実でワイヤ状の構造のことをいう。したがって、ＭＷは、細長いミクロ構造であるということが、理解されるであろう。好ましくは、ＭＷは、ＭＷの大半、例えばその長さの７５％において、直径が均一である。ＭＷなる語は、ミクロロッド、ミクロピラー、ミクロカラム、またはミクロウィスカの使用を包含することが意図され、これらのうちのいくつかは、末端構造がテーパー状であってもよいし、逆テーパー状であってもよい。ＭＷの幅または直径、およびＭＷの長さは、マイクロメートル寸法であり、典型的には、１μｍ〜１００μｍの範囲である。理想的には、ＭＷの直径は、１μｍと５０μｍとの間である。理想的には、ＭＷの基部の直径と、ＭＷの上部の直径とは、ほぼ同じままであるべきである（例えば、その違いは互いの２０％以内である）。
【００４６】
本明細書で用いる「ミクロピラミッド（ＭＰ）」なる語は、１μｍ〜数百μｍの範囲のマイクロメートル寸法の、中実でピラミッド状の構造のことをいう。例えば、ＭＰの基部の幅は、およそ１μｍ〜２０μｍで、高さは、およそ１μｍ〜２０μｍであってもよい。ＭＰは、基部と、基部から角度的にオフセットした３つ以上（好ましくは６つ）の側壁とを有する。典型的には、これらの傾斜した側壁は、基部に対して２５°〜６２°以上の角度をなす。好ましくは、側壁は、共に収束しており、これらは、収束して頂点を規定していてもよいが、平坦な小さい上面を有するようにすることも可能である。好ましくは、ＭＰの基部は、基板のエピタキシャル面と同一平面にある。
【００４７】
本明細書で用いる「ナノワイヤ（ＮＷ）」なる語は、ナノメートル寸法の、中実でワイヤ状の構造のことをいう。したがって、ＮＷは、細長いナノ構造であるということが、理解されるであろう。好ましくは、ＮＷは、ＮＷの大半、例えばその長さの７５％において、直径が均一である。ＮＷなる語は、ナノロッド、ナノピラー、ナノカラム、またはナノウィスカの使用を包含することが意図され、これらのうちのいくつかは、末端構造がテーパー状であってもよい。ＮＷは、本質的には、その幅または直径、およびその長さが、ナノメートル寸法、典型的には、数百ｎｍ〜数μｍ（例えば、８μｍ）の範囲である、一次元形態であるということができる。理想的には、ＮＷの直径は、５０ｎｍと５００ｎｍとの間である。通常は、ＮＷが、ある光学モードを制限し、導波路として機能するための直径は、ある特定の直径であるということが、理解されるであろう。特定の直径は、ＮＷの実効屈折率および発光波長に依存する。理想的には、ＮＷの基部の直径と、ＮＷの上部の直径とは、ほぼ同じままであるべきである（例えば、その違いは互いの２０％以内である）。
【００４８】
本明細書で用いる「ナノピラミッド（ＮＰ）」なる語は、数百ｎｍ〜数μｍの範囲のナノメートル寸法の、中実でピラミッド状の構造のことをいう。例えば、ＮＰの基部の幅は、およそ２００ｎｍ〜１０μｍで、高さは、およそ２００ｎｍ〜１０μｍであってもよい。ＮＰは、基部と、基部から角度的にオフセットした３つ以上（好ましくは６つ）の側壁とを有する。典型的には、これらの傾斜した側壁は、基部に対して２５°〜６２°以上の角度をなす。好ましくは、側壁は、共に収束しており、これらは、収束して頂点を規定していてもよいが、平坦な小さい上面を有するようにすることも可能である。好ましくは、ＮＰの基部は、基板のエピタキシャル面と同一平面にある。
【００４９】
基板は、好ましくは、複数のミクロ構造／ナノ構造（例えば、ＮＷおよび／またはＮＰ）を保持するということが、理解されるであろう。これを、ミクロ構造／ナノ構造のアレイと呼ぶ場合がある。しかしながら、いくつかの例において、単一のミクロ構造／ナノ構造を用いて、ＬＥＤデバイス／レーザーデバイスなどの発光デバイスを開発することができるであろうということが、想定される。
【００５０】
典型的には、ＮＷの幅は、数百ナノメートル以下のオーダー（例えば、５００ｎｍ〜５０ｎｍ）であり、アスペクト比（幅に対する長さの比）は、１０以上である。しかしながら、１０よりも小さいアスペクト比も想定される。例えば、幅が２００ｎｍで長さが４００ｎｍであるナノワイヤのアスペクト比は、２である。これらの典型的な寸法を仮定すると、ＮＷは、多くの場合、一次元（１Ｄ）の異方性形状を有するものと考えられる。
【００５１】
ナノワイヤの直径は対称であるので、ＮＷの寸法によって、２つの横方向寸法において、ＮＷ内に光を閉じ込め得る。光閉じ込めは、ＮＷの幅、およびＮＷと周囲物質（例えば、空気または充填剤）との間の屈折率の差異によって生じる。光閉じ込めによって、ＮＷの長さに沿って光を誘導することが可能になる。ＮＷ内の材料構造および／または材料組成、ＮＷの長さおよび幅（例えば、直径）を調節することによって、ＮＷ共振器内部で支援される光学モードを柔軟に調整し得る。
【００５２】
本発明の発明者らは、ＮＷ構造自体が、その一次元（１Ｄ）の異方性形状によって、（ｉ）ファブリ・ペロー光共振器（例えば、光が循環し得る）、および（ｉｉ）光を増幅するのに適しており、担体閉じ込めおよび光閉じ込めが強く、電子状態密度が改善された利得媒質、の両方として機能し得ると考えている。これらの性質によって、ＮＷレーザー／ＮＷ ＬＥＤは、他のレーザー光源／ＬＥＤ光源よりも性能が効率的で、寸法がさらに小さくなることが期待される。
【００５３】
本明細書において、エピタキシャル成長とは、基板の配向性に近似した、ミクロ構造／ナノ構造の基板上での成長を意味する。本明細書の実施形態においては、ボトムアップ方式のエピタキシャル成長モードを用いて、ミクロ構造／ナノ構造を直接的に成長させる。ミクロ構造／ナノ構造のエピタキシャル成長によってミクロ構造／ナノ構造の形態が規定されるが、トップダウン方式の加工または追加的な成長工程を続けて用いることで、ミクロ構造／ナノ構造をさらに成形したり、ｐ電極またはｎ電極などの、ミクロ構造／ナノ構造の追加的な特徴を規定したりしてもよいということが、理解されるであろう。
【００５４】
エピタキシャル成長させるボトムアップ方式のミクロ構造／ナノ構造は、固体状前駆体から成長させてもよいし、気体状前駆体から成長させてもよいし、液体状前駆体から成長させてもよい。基板が種結晶として機能するので、堆積させたミクロ構造／ナノ構造は、基板と同様の格子構造および／または配向をとることができる。これは、たとえ単結晶基板を用いたとしても、基板上に多結晶膜／非晶質膜を堆積させる、その他の薄膜堆積法／薄膜成長法とは異なる。
【００５５】
「共鳴共振器」または「光共振器」なる語は、生じた光が、ミクロ構造／ナノ構造またはデバイスの領域内において行きつ戻りつし得る領域として定義される。例えば、光共振器は、デバイスの対向する面に配置された２つのＤＢＲまたは２つの金属反射鏡の間に形成されてもよく、デバイスのミクロ構造／ナノ構造の１つ以上が、ＤＢＲ／金属反射鏡の間に配置されている。別の例においては、ミクロ構造／ナノ構造内の光発生領域（例えば、ＱＷを有する真性領域）および周囲のクラッド領域が、光共振器と定義されてもよい。この場合、光は、クラッド層の間を行きつ戻りつし、それによって各流路において真性領域を通過し得る。ミクロ構造／ナノ構造の対向する面に配置された２つのＤＢＲまたは２つの金属反射鏡は、ミクロ構造／ナノ構造内において、光を循環させ得る。
【００５６】
また、光検出、電流整流用途、または他の電子的用途のために、本明細書で説明するミクロ構造／ナノ構造を光発生領域なしで成長させてもよいということも、理解されるであろう。この場合、ミクロ構造／ナノ構造は、発光しなくてもよい。
【００５７】
したがって、ミクロ構造／ナノ構造方式のレーザー／ＬＥＤは、多くの望ましい特性を呈し得ることが理解されるであろう。しかしながら、今日まで、このようなデバイス、特に、ＮＷ垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）およびＮＷ共鳴共振器発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）を作成することは、困難なままであり、いまだ解決すべき重大な科学的かつ実用的な課題がいくつか存在している。これらの課題のうちのいくつかを以下に挙げるが、特にミクロ構造／ナノ構造のアレイを製造するためには、これらの課題に対処する必要がある（このことは、発光フォトニック結晶（ＰＣ）アレイを作成するために隣接したミクロ構造／ナノ構造間に光結合を誘導するためには望ましい）。
【００５８】
１．モノリシック集積の困難さ。分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）または金属反射鏡上に、垂直ＩＩＩ−Ｖミクロ構造／ナノ構造をエピタキシャルに成長させるのは、困難である。例えば、［１１１］方向にＧａＡｓ系ＮＷをエピタキシャルに成長させることは、ＧａＡｓ（１００）上で成長させた二次元（２Ｄ）のＧａＡｓ ＤＢＲ／ＡｌＡｓ ＤＢＲとは両立しない。
【００５９】
２．反射鏡として適した多くのＤＢＲ材料は、伝導性が低いか、または絶縁性を有しさえするので、電気的に励起されたレーザー／ＬＥＤを作成するのは困難である。
【００６０】
ナノ構造の長さに沿って光を循環させる手段を提供することによって（例えば、ＮＷ／ＮＰの両端に反射鏡を設けることによる）、ナノ構造は、ナノ構造ＶＣＳＥＬ／ナノ構造ＲＣＬＥＤを形成し得る。ＲＣＬＥＤの構造は、ＶＣＳＥＬと同じであってもよいが、作動中は、ＲＣＬＥＤは、発振閾値以上ではなく、発振閾値未満で作動するように配置される。したがって、ＮＷ ＶＣＳＥＬ／ＮＰ ＶＣＳＥＬについての以下の説明は、ＮＷ ＲＣＬＥＤ／ＮＰ ＲＣＬＥＤの構造についての説明でもあるということが、理解されるであろう。また、レーザー閾値未満で作動させる場合、ＮＷ ＶＣＳＥＬ／ＮＰ ＶＣＳＥＬは、ＲＣＬＥＤであるとみなしてもよいということも、理解されるであろう。ＮＷ ＲＣＬＥＤ／ＮＰ ＲＣＬＥＤからの光出力の大部分は、自然放出であるが、これは、レーザー閾値未満で作動するからである。発振閾値以上で作動させると、ＮＷ ＶＣＳＥＬ／ＮＰ ＶＣＳＥＬからの光出力の大部分は、誘導放出である。
【００６１】
好ましくは、ナノ構造ＶＣＳＥＬおよび／またはナノ構造ＲＣＬＥＤの長さは、それぞれが配置されている基板の水平面から実質的に垂直に延びている。したがって、いくつかの実施形態においては、ナノ構造ＶＣＳＥＬおよびナノ構造ＲＣＬＥＤは、基板の面に実質的に平行な方向に発光するのではなく、基板の水平面に対して傾斜した方向に発光するということが、理解されるであろう。
【００６２】
使用時、ナノ構造の活性領域は、数十ｋＡ／ｃｍ２〜数百ｋＡ／ｃｍ２の電流によって電気的に励起されており、数ｋＷ／ｃｍ２〜数十ｋＷ／ｃｍ２の範囲の出力電力を発生させる。電流は、ｎ型ドープ領域と電気的に接続しているｎ電極、およびナノ構造のｐ型領域（ｈＢＮ）と電気的に接続しているｐ電極を介して印加される。一実施形態において、黒鉛基板は、一電極として機能し、これを介してナノ構造に電流を提供することができる。また、必要であれば、デバイスに外部電極を設けることもできる。
【００６３】
複数のナノ構造を有することの利点は、各ナノ構造が、例えば光を発生させるための電子−正孔再結合プロセスの単独の供給源となることである。さらに、ナノ構造をアレイ状に配置することの利点は、アレイがフォトニック結晶（ＰＣ）を形成し得ることである。ナノ構造をボトムアップ方式で位置決め成長させることによって、アレイのパラメータ（例えば、間隔）を直接的かつ効率的に調節することが可能になる。例えば、発光用途においては、このことは、放射された光の指向性／角分布に影響し得る。吸光用途の場合、このことは、ナノ構造の吸収特性を向上させ得る。
【００６４】
［黒鉛層］
説明した通り、いくつかの実施形態において、黒鉛層はグラフェンである。「グラフェン」なる語は、密集してハニカム（六方晶系）結晶格子となったｓｐ２炭素原子からなる平坦なシートのことをいう。好ましくは、黒鉛層は、厚さを２０ｎｍ以下とするべきである。理想的には、含有するグラフェンまたはその誘導体の層の数は、１０以下、好ましくは５以下とするべきである（これを少数層グラフェンと呼ぶ）。特に好ましくは、厚さが一原子分であるグラフェンの平坦なシートである。通常、黒鉛層の面積は限定されない。この面積は、０．５ｍｍ２以上ほどであってもよく、例えば、１０ｃｍ２以下など、５ｍｍ２以上までであってもよい。したがって、黒鉛層の面積は、実用性という点でのみ、限定される。
【００６５】
黒鉛の結晶形態または「薄片」形態は、積層された多数の（すなわち、１０以上の）グラフェンシートからなる。したがって、黒鉛層とは、単一または複数のグラフェンシートから形成されるものを意味する。あるいは、黒鉛基板は、化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いて、Ｎｉ膜またはＣｕ箔上で成長させてもよい。基板は、例えばＣｕ、Ｎｉ、またはＰｔ製の金属膜または金属箔上でＣＶＤにより成長させたグラフェン基板としてもよい。
【００６６】
エッチング、または電気化学的な層間剥離法によって、ＣＶＤにより成長させたこれらの黒鉛層を、Ｎｉ膜またはＣｕ膜などの金属箔から化学的に剥離することができる。その後、ミクロ構造／ナノ構造を成長させるために、剥離後の黒鉛層を支持担体に転写、堆積させる。剥離および転写の間、電子線レジストまたはフォトレジストを用いて薄いグラフェン層を支持してもよい。アセトンを用いることで、堆積後に、これらの支持材料の除去を容易に行うことができる。
【００６７】
黒鉛層として、グラフェンガラスが好ましい場合もある。グラフェンガラスは、ＣＶＤを用いて、ガラス基板上に直接グラフェンを形成することで作成される。グラフェンガラスを用いると、面倒で破壊を引き起こす転写手順が回避される。ガラスに直接グラフェンを成長させることによって、金属箔上でグラフェンを成長させた後ガラスに転写させる手順を回避することができる。
【００６８】
黒鉛層の表面を改質してもよい。例えば、水素、酸素、窒素、ＮＯ２、またはこれらを組み合わせたもののプラズマで処理してもよい。基板の酸化によって、ミクロ構造／ナノ構造の核形成が向上する可能性もある。また、例えば、ミクロ構造／ナノ構造を成長させる前に純度を確保するために、基板を前処理することも好ましい。ＨＦまたはＢＯＥなどの強酸で処理することは、選択肢の１つである。表面の不純物を除くために、イソプロパノール、アセトン、またはｎ−メチル−２−ピロリドンで基板を洗浄してもよい。
【００６９】
洗浄した黒鉛表面を、ドーピングによってさらに改質することができる。ドーパント原子またはドーパント分子は、ミクロ構造／ナノ構造を成長させるための種として機能し得る。ＦｅＣｌ３、ＡｕＣｌ３、またはＧａＣｌ３の溶液を、ドーピング工程において用いることができるであろう。
【００７０】
［黒鉛層の支持体］
黒鉛層は、例えばナノ構造などの半導体をボトムアップ方式でその上で成長させることを可能にするために、支持される必要がある場合がある。いくつかの実施形態において、分布型ブラッグ反射器または金属反射鏡が、成長中のナノ構造とは反対側の表面上で、黒鉛基板と平行に隣接していてもよい。黒鉛層は、透過性が高いので、ＤＢＲまたは金属反射鏡は、反射が大きく低下することなく、依然としてその機能を発揮することができる。黒鉛層に隣接する、デバイスの基部にあるＤＢＲまたは金属反射鏡は、光を完全に反射するように、例えば、本質的に１００％の反射器として、設計されてもよい。
【００７１】
一連の実施形態において、ＤＢＲまたは金属反射鏡が、デバイスの上部で用いられ、グラフェン層と平行であるが、ミクロ構造／ナノ構造によってグラフェン層からは離れている。これによって、ミクロ構造／ナノ構造によって放射／吸収される光の部分的な透過（例えば、低反射率ＤＢＲ）が可能となる。デバイスの上部または底部の任意のＤＢＲまたは金属反射鏡は、どちらの方向にでも（しかし、ミクロ構造／ナノ構造と平行に）発光するように切り替え可能であるということが、理解されるであろう。
【００７２】
したがって、ＤＢＲまたは金属反射鏡は、ミクロ構造／ナノ構造の成長条件に対して耐性がある場合には、成長を行っている間、黒鉛基板の支持体として機能し得る。あるいは、まず、支持されているグラフェン上でミクロ構造／ナノ構造を成長させ、次いで、グラフェン／構造を支持体から層間剥離し、その後、ＤＢＲ／金属反射鏡上に置く。理論上は、いったんミクロ構造／ナノ構造を成長させると、支持体を除去（例えば、エッチングによる）してもよいし、ミクロ構造／ナノ構造を保持している黒鉛基板を支持体から剥離させてもよい。したがって、本発明のデバイスを作製するために、支持されている黒鉛層上でミクロ構造／ナノ構造を成長させ、ミクロ構造／ナノ構造を有する黒鉛層を剥離させることで支持体を除去し、分布型ブラッグ反射器または金属反射鏡上に設置することは、本発明の範囲である。
【００７３】
［半導体構造の製造］
いくつかの実施形態において、ミクロ構造またはナノ構造は、ミクロワイヤまたはナノワイヤである。ミクロワイヤまたはナノワイヤが、基板に対して垂直に成長し、理想的にはそれによって［０００１］方向（六方晶結晶構造の場合）または［１１１］方向（立方晶結晶構造の場合）に成長するのが理想的である。発明者らは、［１１１］方向に成長する立方晶系結晶構造のミクロワイヤまたはナノワイヤの（１１１）平面（あるいは、［０００１］方向に成長する六方晶系結晶構造のミクロワイヤまたはナノワイヤの（０００１）平面）における、黒鉛層の六方対称および半導体原子の六方対称によって、ボトムアップ方式で成長するミクロワイヤまたはナノワイヤと基板との間で、格子整合を達成できるということに気付いた。ここでの技術については、ＷＯ２０１３／１０４７２３で包括的に説明されている。
【００７４】
追加的／代替的な実施形態において、ミクロ構造またはナノ構造は、ミクロピラミッド（ＭＰ）またはナノピラミッド（ＮＰ）である。これらは、触媒を用いない成長法または選択領域成長（ＳＡＧ）法を用いて形成される。上述したミクロワイヤ／ナノワイヤと同様に、ミクロピラミッド／ナノピラミッドも六角形の基部を有し、成長表面に対して格子整合している。ＭＰおよびＮＰも［０００１］方向に沿って成長するので、成長面についての上記説明は、ＭＰおよびＮＰに対しても適用される。ミクロピラミッド／ナノピラミッドのサイズについては、これらを成長させる開口のサイズ、および／または成長時間の変更によって制御することができる。ミクロピラミッド／ナノピラミッドの壁は、基板面に対して傾斜しており、この面と例えば４０°〜６０°の角度をなしているので、ミクロピラミッド／ナノピラミッドのアスペクト比は、１に近い。これらの傾斜した壁は、半極性面である。
【００７５】
ＷＯ２０１３／１０４７２３に記載されているように、半導体原子を異なる六角形に配置すると、このような材料の半導体ＮＷをボトムアップ方式で垂直に成長させることができ、それによって、薄い炭素系黒鉛材料の上部に自立型のＮＷが形成される。
【００７６】
成長するナノ構造と基板との間に格子不整合がないことが理想的ではあるが、ナノ構造は、例えば薄膜よりもかなり多い格子不整合を含むことができる。これによって、より品質が良いｈＢＮ領域を、ナノ構造に包含させることが可能になる。本発明のナノ構造は、基板に対して約１０％以下の格子不整合を有していてもよく、エピタキシャル成長は、依然として可能である。理想的には、格子不整合は、７．５％以下、例えば５％以下とするべきである。
【００７７】
六方晶ＧａＮ（ａ＝３．１８９Å）および六方晶ＡｌＮ（ａ＝３．１１１Å）のような半導体の中には、格子不整合が小さいので（およそ２％未満）、半導体ナノ構造の優れた成長を期待することができるものもある。
【００７８】
ナノワイヤでは、長さが重要である。理想的には、いくつかの実施形態において、長さが、レーザーデバイス／ＬＥＤデバイスから放射される光の、ＮＷ内部における波長の半整数倍に等しくなるように、成長させる。各ＮＷの光共振器の長さが、ＮＷから放射される光の波長の倍数に等しくなるように、ＮＷを成長させてもよい。
【００７９】
また、成長させたミクロ構造／ナノ構造は、寸法が同じ、例えばその違いが互いの１０％以内までであることが好ましいであろう。したがって、好ましくは、黒鉛層上のミクロ構造／ナノ構造の少なくとも９０％（好ましくは、実質的にすべて）は、寸法が同じ（例えば、その違いが互いの直径／長さの１０％以内まで）である。したがって、本質的に、当業者は、均一性、つまりミクロ構造／ナノ構造が寸法の点で実質的に同じであることを期待する。ミクロ構造／ナノ構造の長さ／高さは、成長プロセスを行う時間の長さによって制御されることが多い。
【００８０】
本構造がナノワイヤ（ＮＷ）である例において、ＮＷの断面形状は、典型的には、六角形であってもよい。ＮＷの断面直径（すなわち、太さ）は、２５ｎｍから数百ｎｍであってもよく、例えば３００ｎｍである。上記の通り、直径は、理想的には、ＮＷの大半において一定である。また、ＮＷを作成するのに用いられる原子の比を操作することによって、ＮＷの直径を制御することもできる。
【００８１】
また、ミクロ構造／ナノ構造の寸法は、それらを形成する温度の影響を受ける場合がある。温度をより高くすることで、アスペクト比が高くなる（例えば、ＮＷがより長く、かつ／またはより細くなる）。また、マスク層のミクロ孔／ナノ孔の開口サイズを操作することによって、直径を制御することもできる。当業者であれば、成長プロセスを操作して、所望の寸法のミクロ構造／ナノ構造を設計することができる。
【００８２】
［材料］
半導体構造は、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域から形成される。ＩＩＩ族元素の選択肢は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＴｌである。ここでの好ましい選択肢は、Ｂ、Ｇａ、Ａｌ、およびＩｎである。Ｖ族の選択肢は、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉである。すべて好ましいが、特にＮが好ましい。
【００８３】
もちろん、２つ以上のＩＩＩ族元素および／または２つ以上のＶ族元素を用いることができる。ナノ構造を製造するのに好ましい化合物としては、ＡｌＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＧａＳｂＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＩｎＳｂＮ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、またはＡｌＧａＡｓが挙げられる。Ｎと組み合わせたＡｌ、Ｇａ、およびＩｎに基づく化合物が、最も好ましい。ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＮの使用が、非常に好ましい。
【００８４】
二成分の材料の使用も可能であるが、ＡｌＧａＮなどの、Ｖ族アニオンと共にＩＩＩ族カチオンが２つ存在する三成分ナノ構造の使用が、ここでは好ましい。したがって、三成分化合物の式は、ＸＹＺであってもよく、式中、ＸはＩＩＩ族元素であり、ＹはＸとは異なるＩＩＩ族元素またはＶ族元素であり、ＺはＹとは異なるＶ族元素である。
【００８５】
四成分系が用いられてもよい。四成分系の式は、ＡＢＣＤであってもよく、式中、ＡはＩＩＩ族元素であり、ＢはＡとは異なるＩＩＩ族元素であり、ＣはＡおよびＢとは異なるＩＩＩ族元素またはＶ族元素であり、ＤはＣとは異なるＶ族元素である。
【００８６】
ＧａＮナノ構造、ＡｌＮナノ構造、ＩｎＧａＮナノ構造、ＡｌＧａＮナノ構造、ＡｌＩｎＮナノ構造、およびＡｌＩｎＧａＮナノ構造の成長が、特に好ましい。Ａｌ、Ｉｎ、およびＧａの含有量を操作することによって、これらのナノ構造を有するデバイスによって放射／吸収される光の波長を調整することができる。
【００８７】
［半導体構造の位置決め成長］
寸法の均一性がより優れた、ミクロ構造／ナノ構造のより規則的なアレイを作製するために、基板上でパターンマスクを用いてもよい。このマスクには、規則的な孔が設けられており、その孔において、ボトムアップ方式で、サイズが均一なミクロ構造／ナノ構造を成長させて、基板にわたって規則的なアレイとすることができる。孔のサイズおよび間隔については、注意深く制御することができる。孔を規則的に配置することによって、規則的なパターンでミクロ構造／ナノ構造を成長させることができる。
【００８８】
「マスク」なる語は、基板（例えば、黒鉛層）のエピタキシャル面上に直接堆積させたマスク材料のことを言う。理想的には、マスク材料は、放射された光（赤外光、可視光、ＵＶ−Ａ光、ＵＶ−Ｂ光、またはＵＶ−Ｃ光であり得る）を吸収するべきではない。また、マスクは、非導電性であるべきである。マスクは、例えば電子線蒸着、ＣＶＤ、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング、または原子層蒸着（ＡＬＤ）によって堆積させた、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｗ２Ｏ３、ＨｆＯ２などの材料を１つまたは２つ以上、含有していてもよい。その後、ドライエッチングまたはウェットエッチングと共に電子線リソグラフィ、深ＵＶリソグラフィ、またはナノインプリントリソグラフィを用いて、マスク材料における孔パターンを作製することができる。
【００８９】
ナノ構造を成長させる前に窒化／酸化のいずれかを行ったＴｉマスクによって、均一なナノ構造の成長が可能になることが見出されたため（例えば、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース，３１１（２００９），２０６３〜６８を参照のこと）、このようなマスクの使用が特に好ましい。
【００９０】
孔のサイズを変更することによって、ナノ構造のサイズを制御することができる。適切に距離をおいて孔を配置することが重要である。孔、ひいては成長するナノ構造が、レーザーが放射する光の波長よりも小さい間隔で配置されていると、ナノ構造アレイは、フォトニック結晶（ＰＣ）として機能し得る。縦に７５〜１５０、横に７５〜１５０のナノ構造を含む、例えば１００×１００ナノ構造のアレイが、可能なサイズである。なお、これらの数は、デバイスの設計によって大きく変化し得る。
【００９１】
マスク材料は、堆積させた際に下にある基板を損傷しない材料であれば、どのようなものであってもよい。孔の最小サイズは、５０ｎｍであってもよく、好ましくは少なくとも１００ｎｍ〜２００ｎｍである。マスクの厚さは、１０ｎｍ〜１００ｎｍであってもよく、例えば１０ｎｍ〜４０ｎｍである。
【００９２】
また、ナノ孔パターンを有するマスクを用いずに、ナノ構造をボトムアップ方式で成長させることもできる。このような場合、ナノ構造のサイズ（長さおよび直径）は均一でなく、不規則な位置に位置する場合がある。本発明の発明者らは、マスクを用いない場合に、ナノ構造の密度を最大化できるということを見出した。例えば、ナノ構造の密度としては、１平方マイクロメートルあたり少なくとも２０のナノ構造とすることが可能であり、例えば１平方マイクロメートルあたり少なくとも２５のナノ構造などとすることができる。特にＧａＮナノ構造、ＩｎＧａＮナノ構造、またはＡｌＧａＮナノ構造の場合に、ナノ構造の密度がこのように非常に高くなる。
【００９３】
［分布型ブラッグ反射器または金属反射鏡］
すでに述べたように、いくつかの実施形態において、デバイスは、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）または金属反射鏡を少なくとも１つ有していてもよい。ＤＢＲおよび／または反射鏡は必須ではないということが、理解されるであろう。例えば、ＤＢＲおよび／または反射鏡は、ＬＥＤおよび非発光体では必要とされない場合がある。以下では、好ましい例をいくつか説明する。この説明は、ＮＷデバイスについてのものであるが、この説明が、ＮＰデバイスまたは他のミクロ構造デバイス／ナノ構造デバイスに対して等しく適用されるということが、理解されるであろう。
【００９４】
発光用途においては、ＤＢＲまたは金属反射鏡が、ＮＷの共鳴共振器を画定してもよい。これは、ＮＷの一端にある反射性の高いＤＢＲ反射鏡または金属反射鏡と、ＮＷの他端にある好ましくは低反射性のＤＢＲまたは金属反射鏡とによって、画定される。理想的には、高反射性のＤＢＲまたは金属反射鏡は、黒鉛層に隣接した位置にある。共振器内において、ＮＷは、利得媒質を有していてもよく、ここに電流が注入されて、例えば単一空間発振モードを有するレーザー光などの光を発生させる。ＤＢＲは、単一縦モードにおいてのみ、反射を行うように設計される。その結果、レーザーは、単一空間縦モードで作動する。好ましくは、レーザーは、反射性の高いＤＢＲまたは金属反射鏡に対向する出口面から発光する。
【００９５】
好ましくは、ＤＢＲは、屈折率が異なる半導体層を交互に有している。好ましくは、各層の厚さは、材料におけるレーザー波長の４分の１であり、反射率は９９％近くである。典型的には、各ＤＢＲは、８層から４０層であってもよく、例えば１０層から３５層である。各層の厚さは、５ｎｍ〜２００ｎｍであってもよく、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さである。理想的には、層は、当該層の屈折率を反映したものである。したがって、各層は、２５０ｎｍ／層の屈折率であってもよい。典型的な屈折率はおよそ３〜４であるので、層の厚さは、６０ｎｍ程度であってもよい。ＤＢＲは、光を吸収せずに反射せねばならず、よって、そのバンドギャップは、ＮＷにおいて生じる光の波長に等しいバンドギャップよりも高くあるべきである。
【００９６】
デバイスの底部および／または上部の分布型ブラッグ反射器の代替として、例えばＡｌに基づく金属反射層が用いられてもよい。ＶＣＳＥＬでは、利得媒質の短い軸長とバランスをとるために、高反射性反射鏡が必要とされる。このような金属層は、追加的／代替的に、アルミニウム、金、銀、クロム、またはロジウムを含んでいてもよい。好ましくは、反射器は、ＮＷから発生した光をＮＷに戻すように配置される。
【００９７】
［充填剤］
充填剤を用いて層の集合体を包囲することは、本発明の範囲であり、充填剤は、放射光に対して透過性を有していてもよい。充填剤は、ミクロ構造／ナノ構造間の空間に存在し、かつ／または層の集合体全体の周囲に存在していてもよい。ミクロ構造／ナノ構造間の空間には、集合体全体に対して用いられるのとは異なる充填剤が用いられていてもよい。充填剤は、ミクロ構造／ナノ構造の材料よりも高いバンドギャップを有する半導体材料を含んでいてもよい。あるいは、充填剤は、ポリマーおよび／または樹脂を含んでいてもよい。
【００９８】
ここで、添付の図面を参照し、単なる例示として、本発明の好ましい特定の実施形態を説明する。図面は以下の通りである。
【００９９】
図１は、ＡｌＮ電子阻止層を有する公知のＡｌＧａＮ系薄膜デバイスのバンド構造を示す。
【０１００】
図２は、本発明の実施形態に係る、ｐ型ドープｈＢＮ領域を有する半導体構造のバンド構造を示す。
【０１０１】
図３ａ〜図３ｆは、本発明の実施形態に係る、ボトムアップ方式で成長させたナノワイヤを有するデバイスを製造するためのプロセスフローを示す。
【０１０２】
図４ａおよび図４ｂは、それぞれ、本発明の実施形態に係る、軸状ナノワイヤレーザーおよび放射状ナノワイヤレーザーの構造を示す。
【０１０３】
図５ａ〜図５ｄは、本発明の実施形態に係る、様々なタイプのＮＷ ＶＣＳＥＬ構造を示す。
【０１０４】
図６ａは、本発明の実施形態に係る、軸状ＮＷの構造を示す。
【０１０５】
図６ｂは、本発明の実施形態に係る、コアシェルＮＷの構造を示す。
【０１０６】
図７は、本発明の実施形態に係る、コアシェルナノピラミッドの構造を示す。
【０１０７】
図１は、公知のＡｌＧａＮ系薄膜デバイスのバンド構造１００を示す。本デバイスは、材料比がＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎであるｎ型ドープＡｌＧａＮ領域１０２を有する。本デバイスは、量子井戸１０６を４つ有する真性領域１０４をさらに有する。本デバイスは、ｐ型ドープＡｌＮ領域を有する電子阻止層１０８をさらに有する。本デバイスは、材料比がＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎであるｐ型ドープＡｌＧａＮ領域１１０をさらに有する。最後に、本デバイスは、ｐ型ドープＧａＮ領域１１２を有する。
【０１０８】
順バイアス下において、ｎ型ドープＡｌＧａＮ領域１０２から、真性領域１０４の伝導帯へと電子が注入される。これは、ｎ型ドープＡｌＧａＮ領域１０２と真性領域１０４との間で電位がわずかに異なることで促進され、その結果、抵抗率が低下し、ひいてはこれらの層間における担体注入効率が高くなる。電子阻止層１０８が存在することによって、真性領域における担体閉じ込めがさらに促進される。電子阻止層１０８は、伝導帯において電位障壁を提供し、これによって、真性領域１０４に電子を閉じ込めるのを促進する。つまり、量子井戸１０６において分布が増加し、ひいてはデバイスの内部量子効率が上昇する。また、デバイスにおける放射再結合の波長を微調整するために、量子井戸の組成を精密に制御することもできる。同様に、ｐ型ドープＡｌＧａＮ領域１１０は、順バイアス下において、真性領域１０４の価電子帯に正孔を注入する。これらの正孔は、真性領域１０４の価電子帯において、量子井戸１０６に分布する。しかしながら、電子阻止層１０８が価電子帯において電位障壁を形成することは、この領域の抵抗率が上昇し、そのために正孔注入効率が低下することを意味する。電子および正孔は、量子井戸１０６の存在に支援されて、真性領域１０４において放射再結合を行う。この例においては、量子井戸１０６のバンドギャップは４．９６ｅＶであり、２５０ｎｍの発光波長に相当する。
【０１０９】
ｐ型ドープＧａＮ領域１１２は、上部金属接点（図示せず）とのオーム接触を向上させるために存在している。説明した通り、この領域のバンドギャップは、本デバイスのその他の層よりも有意に小さく、最も重要なことには、ｐ型ドープＡｌＧａＮ領域１１０よりも有意に小さい（０．６ｅＶの相違）。この大きい電位障壁によって、この界面の抵抗率が上昇し、価電子帯における正孔注入効率をさらに低下させる。
【０１１０】
図２は、本発明の実施形態に係るデバイスにおけるｈＢＮ領域を有する、半導体ミクロ構造デバイス／半導体ナノ構造デバイスのバンド構造２００を示す。半導体ミクロ構造／半導体ナノ構造は、材料構造がＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎであるｎ型ドープＡｌＧａＮ領域２０２を有する。本デバイスは、量子井戸２０６を４つ有する、任意の真性領域２０４をさらに有する。本デバイスは、ｈＢＮ領域２０８をさらに有しており、この領域は、本実施形態において、電子阻止層、ｐ型ドープ領域、および上部接触層、ならびに不動態化層または封入層として機能する。
【０１１１】
図１と同様、本実施形態のｎ型ドープＡｌＧａＮ領域２０２は、順バイアス下において、真性領域２０４の伝導帯に電子を注入する。これは、ｎ型ドープＡｌＧａＮ領域２０２と真性領域２０４との間で電位がわずかに異なることで促進され、その結果、抵抗率が低下し、ひいてはこれらの層間における担体注入効率が高くなる。ｈＢＮ領域２０８が存在することによって、真性領域における担体閉じ込めがさらに促進される。すでに述べたように、ｈＢＮ領域２０８は、本実施形態において、電子阻止層として機能する。ＡｌＮ電子阻止層１０８と比較して、伝導帯における電位障壁が大きくなることによって、真性領域２０４における担体閉じ込めが向上する。繰り返しになるが、これによって、量子井戸２０６における分布が増加し、本デバイス２００における内部量子効率の上昇につながる。
【０１１２】
上記の通り、ｈＢＮ領域２０８は、デバイス２００のｐ型領域としても機能する。つまり、順バイアス下において、ｈＢＮ領域２０８が、真性領域２０４に正孔を注入する。図示した通り、価電子帯におけるｈＢＮ領域２０８と真性領域２０４との間の電位障壁は低下している。この結果、界面の抵抗率が低下し、正孔注入効率が上昇する。ｈＢＮ領域２０８から注入された正孔は、量子井戸２０６に分布する。伝導帯および価電子帯の両方の量子井戸２０６に分布することによって、電子および正孔が放射再結合を行い、光を発生する。上述した通り、量子井戸２０６のバンドギャップは４．９６ｅＶであり、２５０ｎｍの発光波長に相当する。
【０１１３】
本実施形態において、ｈＢＮ領域２０８は、さらに、デバイス２００用のよくある上部ｐ−ＡｌＧａＮおよびｐ接点の代替として機能する。このことは、ｈＢＮ固有のｐ型の性質によって可能となっており、いくつかの実施形態においては、高いｐ型ドーピング効率により、さらなる活用が可能である。つまり、この層の担体濃度を高くすることができ、そのため、そのバンド特性と組み合わせて、デバイスのオーム接触を十分なものとすることができる。
【０１１４】
図２のようなバンド構造を有する半導体ミクロ構造／半導体ナノ構造を黒鉛層上で成長させて、以下でさらに説明するようなデバイスを形成する。例えば、このようなデバイスは、半導体ミクロ構造／半導体ナノ構造を、分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と組み合わせたものであってもよい。半導体構造は、ナノワイヤ（ＮＷ）またはナノピラミッド（ＮＰ）を１つ以上有するナノ構造であってもよい。
【０１１５】
図３ａ〜図３ｆは、ＮＷ／グラフェン／ＤＢＲを集積したレーザーまたはＲＣＬＥＤデバイスの製造プロセスを要約したものである。ＤＢＲ、ＮＷ、および高反射性ＮＷ上部反射鏡間のコヒーレント結合によって、低閾値電流および高発光効率を実現することを最終目標として、ＮＷ系垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を実証する。また、ＮＷの直径およびＮＷ間の間隔サイズを調節することによって、表面発光フォトニック結晶（ＰＣ）特性を発現させることもできる。ＤＢＲは、ＭＢＥまたはＭＯＣＶＤによって成長させた薄膜の複数層（例えば、ＡｌＮ／（Ａｌ）ＧａＮ）から作成することができ、薄膜の結晶方位は、通常、（０００１）である。別タイプのＤＢＲは、絶縁層と共に製造することができる。しかしながら、結晶方位が（０００１）であるこのような薄膜、または絶縁層は、ＮＷを垂直に成長させるのには用いることができない。緩衝層としてグラフェンを用いることで、この問題を解決することができる。さらに、伝導率が高く、ＤＵＶ領域における透過性が高いことから、担体注入層としてグラフェンを用いることができる。
【０１１６】
図３ａでは、ＤＢＲ３０２の形態の基板層が設けられる。例えば、ＡｌＮ／（Ａｌ）ＧａＮブラッグ対を有する高品質ＤＢＲを、ＭＢＥまたはＭＯＣＶＤによって成長させてもよい。図３ｂは、ＤＢＲ３０２上へのグラフェン層（例えば、単一層または二重層）３０４の堆積を示す。次いで、次のマスク層３０６が塗布され、エッチング（当該技術分野の典型的な方法による）を行って、図３ｃに示すように、ナノワイヤを位置決め成長させるための孔３０８を形成する。
【０１１７】
図３ｄに示すように、その後、まずｎ型ドープ領域３１６（例えば、ｎ型Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ領域）を成長させ、次いで、好ましくはヘテロ構造（例えば、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ量子井戸などの量子井戸）を少なくとも１つ有する真性領域３１４を成長させるように、ナノワイヤ３１０を、孔３０８内においてボトムアップ方式で成長させる。その後、ｐ型ｈＢＮ領域（場合によってはドーピングする）を有するｐ型ドープ領域３１２を、真性領域３１４上で成長させる。ｎ型ドープ領域およびｐ型ドープ領域は、それぞれ、下部クラッドおよび上部クラッドを形成する。次いで、各ＮＷ３１０のｐ型ドープ領域３１２上に、上部反射層３１８（例えば、Ａｌ金属反射鏡）を形成する（図３ｅ）。場合によっては、マスク層３０６を除去してもよい（例えば、適切なウェットエッチングによる）。さらに、場合によっては、図３ｆに示すように、その後、ＮＷ３１０の間のグラフェン層３０４およびブラッグ反射器３０２をエッチングし、単独のＮＷレーザー３２０としてもよい。もちろん、他のタイプのボトムアップ方式の成長技術を用いて、ナノワイヤを成長させてもよい。ＮＷ３１０それぞれを、電気的に励起させてもよいし、光学的に励起させてもよい。ＮＷ３１０を通る順バイアス／電流を印加するための電極として、Ａｌ金属反射鏡３１８およびグラフェン層３０４を用いてもよい。
【０１１８】
図４は、それぞれ、軸状ヘテロ構造を有するように成長させたナノワイヤ４００、および放射状ヘテロ構造を有するように成長させたナノワイヤ４１６の２つのナノワイヤを示す。ＤＢＲ４０４上に配置された黒鉛層４０６上で、軸状ヘテロ構造を有するナノワイヤ４００を成長させる。ＤＢＲ４０４は、下の支持層４０２に付着している。ＤＢＲ４０４および支持構造４０２は、基板を構成する層の一部である。軸状ヘテロ構造を有するナノワイヤ４００は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４０８と、真性ＡｌＧａＮ障壁層４１２と、ｉ−ＡｌＧａＮ量子井戸４１０と、ｐ型ｈＢＮ層４１４とを有する。
【０１１９】
ＤＢＲ４２０上に配置された黒鉛層４２２上で、放射状ヘテロ構造を有するナノワイヤ４１６を成長させる。ＤＢＲ４２０は、下の支持層４１８に付着している。ＤＢＲ４２０および支持構造４１８は、基板を構成する層の一部である。放射状ヘテロ構造を有するナノワイヤ４１６は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４３０と、真性ＡｌＧａＮ障壁層４２６と、ｉ−ＡｌＧａＮ量子井戸４２８と、ｐ型ｈＢＮ層４２４とを有する。
【０１２０】
図５ａ〜図５ｄは、ナノワイヤレーザーデバイス／ナノワイヤＬＥＤデバイスの異なる形態を示す。デバイス５０１（図５ａ）において、底部のＤＢＲ５１０または金属反射鏡には、上部にグラフェン層５０６が位置している透過性中間層５０８（例えば、シリカ層）が設けられている。ナノワイヤ５０２をボトムアップ方式で成長させるための孔が作成されている任意のマスク層５０４（例えば、酸化物マスク）を、グラフェン層および下の基板層の上に堆積させる。この配置によって、グラフェン層５０６上でナノワイヤ５０２をボトムアップ方式で（高温で）エピタキシャル成長させる際に、反射率の調節および／またはＧａＡｓ ＤＢＲ／Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ ＤＢＲなどの保護（キャッピング）が可能となる。
【０１２１】
デバイス５１１（図５ｂ）において、一連のナノワイヤ５１４の上部に、ＤＢＲ５１２を形成する。溶融石英支持体などの透過性シリカ５２０、またはその他の透過性支持体に支持されているグラフェン層５１８上で、ナノワイヤ５１４を成長させる。ここでもやはり、ナノワイヤ５１４をボトムアップ方式で成長させるための孔が作成されている任意のマスク層５１６（例えば、酸化物マスク）を、グラフェン層および下の基板層５２０の上に堆積させる。場合によっては、基板と支持体を合わせたものとして、グラフェンガラスを用いてもよい。
【０１２２】
デバイス５２１（図５ｃ）は、デバイス５０１の別の選択肢を示し、ここで、グラフェン層５２６および透過性中間層５２８（例えば、ガラス）が、ナノワイヤ５２２のボトムアップ方式の成長を支持する支持体を提供することもできる、グラフェンガラスを形成する。底部のＤＢＲ５３０または金属反射鏡は、ナノワイヤ５２２の成長後に設けることができる。ここでもやはり、ナノワイヤ５２２をボトムアップ方式で成長させるための孔が作成されている任意のマスク層５２４（例えば、酸化物マスク）を、基板層５２６、５２８、５３０の上に堆積させる。
【０１２３】
デバイス５３１（図５ｄ）は、また別の選択肢を示し、ＤＢＲ５３８が、ガラス５４０に支持されている。ここで、グラフェン層５３６は、ナノワイヤ５３２を成長させるために、ＤＢＲ５３８上に設けられる。ここでもやはり、ナノワイヤ５３２をボトムアップ方式で成長させるための孔が作成されている任意のマスク層５３４（例えば、酸化物マスク）を、グラフェン層５３６および下の基板層５３８、５４０の上に堆積させる。
【０１２４】
図６ａは、基板６０２上に位置するグラフェン層６０４上にボトムアップ方式で成長させたＡｌＧａＮ系ナノワイヤ６１４を有するデバイス（例えば、ＵＶ ＬＥＤ）を示す。ナノワイヤを位置決め成長させるための孔が作成されている（例えば、電子線リソグラフィまたはエッチングによる）マスク層６０６（例えば、酸化物マスク）を、グラフェン層６０４の上に堆積／成長させる。ナノワイヤ６１４は、それぞれ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ヘテロ構造活性領域６１０と、ｎ型ドープＡｌＧａＮ領域６０８と、ｐ型ドープｈＢＮ領域６１２とを有する軸状ナノワイヤである。ｎ型ドープＡｌＧａＮ領域６０８は、グラフェン層６０４上で直接、エピタキシャルに成長しており、その後、真性ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸を５つ有する活性領域６１０を成長させる。その後、ｐ型ドープｈＢＮ領域６１２を成長させる。ｐ型ドープｈＢＮ領域６１２は、活性利得媒質６１０に正孔を注入するｐ型ドープ注入領域を形成しているということが、理解されるであろう。さらに、ｐ型ドープｈＢＮ領域６１２は、ＥＢＬと、電極とオーム接触する上部接触層とを形成する。
【０１２５】
図６ｂは、基板６１６上に位置するグラフェン層６１８上にボトムアップ方式で成長させたＡｌＧａＮ系ナノワイヤ６２８を有するデバイス（例えば、ＵＶ ＬＥＤ）を示す。ナノワイヤを位置決め成長させるための孔が作成されている（例えば、電子線リソグラフィまたはエッチングによる）マスク層６２０（例えば、酸化物マスク）を、グラフェン層６１８の上に堆積／成長させる。ナノワイヤ６２８は、それぞれ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ヘテロ構造活性利得媒質６２４と、ｎ型ドープＡｌＧａＮコア領域６２２と、ｐ型ドープｈＢＮシェル領域６２６とを有するコアシェルナノワイヤである。ｎ型ドープＡｌＧａＮコア領域６２２は、グラフェン層６１８上で直接、エピタキシャルに成長しており、その後、真性ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸を５つ有する活性領域６２４を成長させる。その後、ｐ型ドープｈＢＮシェル領域６２６を成長させる。ｐ型ドープｈＢＮシェル領域６２６は、活性利得媒質６２４に正孔を注入するｐ型ドープ注入領域を形成しているということが、理解されるであろう。さらに、ｐ型ドープｈＢＮシェル領域６２６は、ＥＢＬと、電極とオーム接触する上部接触層とを形成する。
【０１２６】
図７は、基板７０２上に位置するグラフェン層７０４上にボトムアップ方式で成長させたＡｌＧａＮ系ナノピラミッド７１４を有するデバイス（例えば、ＵＶ ＬＥＤ）を示す。ナノピラミッド７１４は、それぞれ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ヘテロ構造活性利得媒質７１０と、ｎ型ドープＡｌＧａＮコア領域７０８と、ｐ型ドープｈＢＮシェル領域７１２とを有するコアシェルナノピラミッドである。ｎ型ドープＡｌＧａＮコア領域７０８は、グラフェン層７０４上で直接、エピタキシャルに成長しており、その後、真性ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸を５つ有する活性領域７１０を成長させる。その後、ｐ型ドープｈＢＮシェル領域７１２を成長させる。ｐ型ドープｈＢＮシェル領域７１２は、活性利得媒質７１０に正孔を注入するｐ型ドープ注入領域を形成しているということが、理解されるであろう。さらに、ｐ型ドープｈＢＮシェル領域７１２は、ＥＢＬと、電極とオーム接触する上部接触層とを形成する。
【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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【国際調査報告】
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