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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к полупроводниковым материалам, устройствам и способам для их изготовления, а более конкретно, к нанопроволокам и активным устройствам с полупроводниковыми нанопроволоками.

Уровень техники

Нанопроволоки, состоящие из сплавов группы III-N (нитридов элементов III группы Периодической таблицы, например, нитрида галлия (GaN)), могут послужить основой для полупроводниковых устройств нового типа, например, наномерных оптоэлектронных устройств. Например, нанопроволоки из GaN могут обладать большой шириной запрещенной зоны, высокой температурой плавления и химической устойчивостью, необходимыми для работы в агрессивных средах или при высоких температурах. Более широкая запрещенная зона GaN и родственных этому соединению сплавов также способствует созданию источников света видимого диапазона, которые могут быть использованы в дисплеях и для освещения. Кроме того, уникальная геометрия каждой нанопроволоки открывает перспективы в области исследований новых принципов построения устройств для фотоэлектроники и транспорта. Для реализации этого потенциала в полной мере требуется масштабируемый процесс изготовления высококачественных нанопроволок и/или матриц нанопроволок из нитридов элементов III группы, при условии точного и единообразного управления геометрией, положением и кристаллическими свойствами каждой нанопроволоки.

Обычный процесс изготовления нанопроволок основан на механизме роста "пар-жидкость-кристалл" (VLS - от англ. Vapor-Liquid-Solid) с использованием катализаторов, например, Au, Ni, Fe или In. При этом, однако, возникают сложности, поскольку в этих каталитических процессах невозможно управлять положением и однородностью получающихся нанопроволок. Другим недостатком обычных каталитических процессов является то, что катализатор неизбежно попадает в нанопроволоки. Это ухудшает качество кристаллических наноструктур, из-за чего ограничивается область их применения.

Таким образом, в настоящее время существует необходимость в преодолении этих и других недостатков известных технологий и создания высококачественных нанопроволок и/или матриц нанопроволок, и масштабируемых процессов их изготовления. Также ставится задача создания фотоэлектронных устройств на основе нанопроволок, и их изготовления с использованием высококачественных нанопроволок и матриц нанопроволок.

Раскрытие изобретения

В соответствии с различными вариантами осуществления, настоящее изобретение включает способ изготовления нанопроволок. В этом способе поверх подложки может быть создана маска для селективного выращивания. Маска для селективного выращивания может включать множество расположенных в определенном порядке отверстий, оставляющих открытыми множество участков подложки. Затем на каждом из этих участков подложки, открытых через расположенные в определенном порядке отверстия, может быть выращен полупроводниковый материал с использованием селективного неимпульсного режима выращивания. Режим выращивания может быть переведен из неимпульсного режима выращивания в импульсный режим выращивания. Продолжая выращивание в импульсном режиме, можно получить множество полупроводниковых нанопроволок.

В соответствии с различными вариантами осуществления, настоящее изобретение также включает матрицу нанопроволок из нитридов элементов III группы, которая может включать маску для селективного выращивания, расположенную поверх подложки. Маска для селективного выращивания может включать множество отверстий, расположенных в определенном порядке, которые оставляют открытыми множество участков подложки. Нанопроволоки из нитридов элементов III группы могут быть соединены с открытыми участками подложки и отходить от них, проходя сквозь маску для селективного выращивания. Нанопроволоки из нитридов элементов III группы могут быть ориентированы вдоль единого направления и могут сохранять геометрию сечения одной из множества выбранных областей поверхности.

В соответствии с различными вариантами осуществления, настоящее изобретение также включает подложку из GaN. Структура GaN подложки может представлять собой пленку из GaN, образованную сращиванием множества нанопроволок из GaN, в которых отсутствуют дефекты. Пленка из GaN может иметь плотность дефектов примерно 10⁷/см^-2 или менее.

Другие цели и преимущества изобретения могут частично быть приведены в приведенном ниже описании, а также станут очевидными из описания, либо понятными в ходе выполнения изобретения. Цели и преимущества изобретения будут достигнуты посредством элементов и комбинаций, специально описанных в приложенной формуле изобретения.

Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и следующее ниже подробное описание, приведены только для пояснения изобретения в заявленном виде и не ограничивают его объем.

Краткое описание чертежей

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

На Фиг.1-3 представлены виды поперечного сечения, использованного в качестве примера устройства с полупроводниковыми нанопроволоками на различных этапах изготовления, в соответствии с настоящим изобретением.

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

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

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

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

На Фиг.10(A-D) представлены результаты эксперимента по выращиванию множества упорядоченных матриц нанопроволок из GaN с использованием двухэтапного процесса выращивания без катализатора, предложенного в настоящем изобретении.

На Фиг.11-14 представлены четыре варианта полупроводниковых устройств, включающих структуру подложки из GaN, сформированной из множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок, показанных на Фиг.1-10, в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.15 представлен пример устройства с активной структурой на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW (структура на квантовых ямах, от англ. Multiple Quantum Well), предложенного в настоящем изобретении.

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

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

На Фиг.20 представлен пример лазерного устройства на нанопроволоке, использующего активную структуру на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/MQW, изображенную на Фиг.15-16, в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.21 представлен другой пример лазерного устройства на нанопроволоке, использующего активную структуру на основе нанопроволоки "ядро-оболочка"/МQW, изображенную на Фиг.15-16, в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

Ниже приводится подробное описание вариантов осуществления, иллюстрирующих настоящее изобретение, примеры которых представлены на приложенных чертежах. В тех случаях, когда это возможно, одни и те же или сходные части на чертежах имеют одинаковые обозначения. В следующем ниже описании, приводятся ссылки на соответствующие чертежи, составляющие часть этого описания и иллюстрирующие конкретные варианты осуществления изобретения. Эти варианты осуществления изобретения описаны достаточно подробно, чтобы специалисты могли реализовать настоящее изобретение. При этом следует понимать, что могут быть использованы и другие варианты осуществления, и в пределах области притязаний изобретения могут быть сделаны различные изменения. Таким образом, приведенное ниже описание носит исключительно иллюстративный характер.

Хотя изобретение проиллюстрировано на одном или более примерах его осуществления, в приведенных примерах вариантов осуществления могут быть сделаны изменения и/или модификации, не выходящие за пределы существа изобретения и области притязаний, определенных приложенной формулой изобретения. Кроме того, хотя конкретный признак изобретения может быть раскрыт применительно к одному или нескольким вариантам осуществления, этот признак, при желании или в стремлении усовершенствования какой-либо функции, может быть объединен с одним или более признаком других вариантов осуществления. Ниже в настоящем описании и формуле предполагается, что термины "включающий", "включает", "имеющий", "имеет", "с (совместно с чем-либо)", или их варианты, имеют значение "включающий", по аналогии с термином "содержащий". Термин "по крайней мере один из" показывает, что может быть выбран один или более объектов из перечисленных объектов.

Несмотря на то, что числовые интервалы и параметры, представляющие широкую область притязаний изобретения, являются приближенными, числовые величины в конкретных примерах осуществления приведены с максимально возможной точностью. Любая числовая величина, однако, неизбежно включает определенные ошибки, обусловленные погрешностью измерений при соответствующих испытаниях. Кроме того, подразумевается, что все указанные здесь интервалы охватывают любые и все подинтервалы, включенные в соответствующую категорию. Например, интервал "менее 10" может включать любой и все подинтервалы между (и включая их) минимальным нулевым значением и максимальным значением 10, то есть любой и все подинтервалы, имеющие минимальное значение, равное или большее нуля, и максимальное значение, равное или большее 10, например, от 1 до 5.

В приведенных в качестве примера вариантах осуществления представлены полупроводниковые устройства, включающие высококачественные (т.е. без дефектов) нанопроволоки из нитридов элементов III группы и однородные матрицы нанопроволок группы III-N, а также масштабируемые процессы для их изготовления, в которых можно с высокой точностью управлять положением, ориентацией, свойствами поперечного сечения, длиной или особенностями кристаллической структуры каждой нанопроволоки. В частности, множество нанопроволок и/или матриц нанопроволок может быть сформировано с использованием режима селективного выращивания с последующим переключением режима выращивания из режима селективного выращивания в режим импульсного выращивания. Свойства поперечного сечения, например, размеры поперечного сечения (например, диаметр или ширина) и формы поперечного сечения, каждой нанопроволоки, полученной в режиме селективного выращивания, могут сохраняться при продолжении выращивания с использованием импульсного режима выращивания. При этом можно сформировать нанопроволоки с высоким параметром удлинения. В приведенном в качестве примера варианте осуществления длина каждой нанопроволоки может составлять приблизительно от 10 нм до 1000 мкм, например, приблизительно от 10 нм до 100 мкм.

Кроме того, могут быть сформированы высококачественные пленки из нитридов элементов III группы, например, высококачественные GaN пленки, путем остановки роста и сращивания множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок. Такие GaN пленки могут использоваться в качестве структур подложек из GaN, используемых при изготовлении устройств на основе GaN, например, светодиодов видимого диапазона и лазеров для развивающихся технологий твердотельных осветительных приборов и чувствительных датчиков ультрафиолетового излучения.

Более того, поскольку каждая из выращенных в импульсном режиме нанопроволок и/или матрица нанопроволок может обладать неполярными боковыми стенками, выращивание структур "ядро-оболочка" может быть с успехом использовано для создания на боковых стенках каждой нанопроволоки активных структур оболочки на квантовых ямах. Подобные активные MQW структуры нанопроволок "ядро-оболочка" могут быть использованы в наномерных фотоэлектронных устройствах, обладающих высокой эффективностью, например, светодиодах на основе нанопроволоки, и/или лазеров на основе нанопроволоки.

В настоящем описании термин "нанопроволока" в целом относится к любому удлиненному проводящему или полупроводящему материалу, имеющему по меньшей мере один меньший размер, например, один из размеров поперечного сечения, например, ширину или диаметр, меньший или равный примерно 1000 нм. В различных вариантах осуществления меньший размер может составлять менее примерно 100 нм. В различных других вариантах осуществления меньший размер может составлять менее примерно 10 нм. Нанопроволоки могут иметь соотношение размеров (например, отношение длины к ширине и/или большего размера к меньшему размеру), приблизительно 100 или более. В различных вариантах осуществления соотношение размеров может составлять примерно 200 или более. В других различных вариантах осуществления соотношение размеров может составлять примерно 2000 или более. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера, поперечное сечение нанопроволоки может быть очень несимметричным, при этом в одном направлении размер поперечного сечения может быть много меньше 1000 нм, а в ортогональном направлении размер может быть значительно больше 1000 нм.

Кроме того, предполагается, что термин "нанопроволоки" также охватывает другие вытянутые структуры с подобными размерами, включающие наноштифты, наностолбики, наноиглы, наностержни и нанотрубки (например, нанотрубки с одинарной стенкой, либо нанотрубки с многослойной стенкой), и различные их производные функциональные волокнистые формы, например, нановолокна в форме нитей, пряжи, ткани и др.

Нанопроволоки могут иметь поперечное сечение различной формы, например, прямоугольное, многоугольное, квадратное, овальное или круглое. Соответственно, нанопроволоки могут иметь цилиндрическую и/или коническую объемную (3-D) конфигурацию. В различных вариантах осуществления множество нанопроволок могут быть существенно параллельны друг другу, располагаться под углом, по синусоиде и др.

Нанопроволоки могут быть сформированы на/от несущей подложки, которая может включать выделенные участки поверхности, с которыми могут быть соединены нанопроволоки (например, выращиваться) или от которых они могут отходить. Несущая основа нанопроволок также может включать подложку, сформированную из различных материалов, включая Si, SiC, сапфир, керамику или стекло. Несущая основа нанопроволок также может включать маску для селективного выращивания, сформированную на подложке. В различных вариантах осуществления несущая основа нанопроволок может дополнительно включать промежуточный слой, расположенный между маской для селективного выращивания и подложкой.

В различных вариантах осуществления с использованием нанопроволок или матриц нанопроволок могут быть изготовлены активные устройства с нанопроволоками, например, светодиоды на основе нанопроволоки или лазеры на основе нанопроволоки. В различных вариантах осуществления нанопроволоки и/или матрицы нанопроволок, и активные устройства на основе нанопроволок могут быть изготовлены с использованием системы полупроводниковых материалов соединений III-V групп, например, системы материалов соединений группы III-N. Примерами элементов III группы могут служить Ga, In или Аl, которые могут быть получены из предшественников элементов III группы, например, триметилгаллия (TMGa), триэтилгаллия (TEGa), триметилиндия (TMIn) или триметилалюминия (ТМАl). Примером предшественника для азота может служить, например, аммиак (NH₃). Могут быть использованы и другие элементы V группы, например, Р или As, с такими предшественниками для элементов V группы, как третичный бутилфошин (ТВР), или арсин (AsН₃).

В приведенном ниже описании полупроводниковые сплавы группы III-N могут быть представлены комбинацией элементов группы III-N, например, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN или AlnGaN. В целом, элементы в соединении могут находиться в различных мольных долях. Например, полупроводниковый сплав InGaN может быть описан выражением In_xGa_1-xN, где мольная доля × может быть любым числом, меньшим 1,00. Кроме того, в зависимости от величины мольной доли, из материалов со сходным составом могут быть изготовлены различные активные устройства. Например, соединение In_0,3Ga_0,7N (где x равно примерно 0,3) может быть использовано в активной MQW области светодиода, излучающего синий свет, в то время как соединение ln_0,43Ga_0,57N (где x равно примерно 0,43) может быть использовано в активной MQW области светодиода зеленого света.

В различных вариантах осуществления настоящего изобретения нанопроволоки матрицы нанопроволок и/или активные устройства на основе нанопроволок могут включать легирующие добавки, выбранные из группы, включающей примеси р-типа из группы II Периодической таблицы, например, Мg, Zn, Cd и Нg; примеси р-типа из группы IV Периодической таблицы, например, С; или примеси n-типа из группы, включающей Si, Ge, S, Se и Те.

В различных вариантах осуществления нанопроволоки и/или матрицы нанопроволок, а также активные устройства на основе нанопроволок, могут иметь высококачественную гетерогенную структуру и могут быть сформированы посредством различных технологий выращивания кристаллов, включая химическое осаждение из газовой фазы металло-органических соединений (MOCVD - от англ. metal-organic chemical vapor deposition), также известное как эпитаксия из газовой фазы металло-органических соединений (OMVPE - от англ. organometallic vapor phase epitaxy), молекулярно-лучевую эпитаксию (МВЕ - от англ. molecular beam epitaxy), молекулярно-лучевую эпитаксию из газового источника (GSMBE-отангл. gas source molecular beam epitaxy), молекулярно-лучевую эпитаксию металло-органических соединений (МОМВЕ - от англ. metal-organic МВЕ), эпитаксию атомных слоев (ALE - от англ. atomic layer epitaxy), либо гидридную эпитаксию из газовой фазы (HVPE - от англ. hydride vapor phase epitaxy), и другие процессы.

В различных вариантах осуществления изобретения может использоваться многоэтапный режим выращивания, например, двухэтапный режим выращивания, для выращивания высококачественных кристаллов нанопроволок и/или матриц нанопроволок, а также активных устройств на основе нанопроволок. Первый этап режима выращивания, например, режима селективного выращивания, может быть использован для создания условий избирательности роста для ядер нанопроволок и/или матриц нанопроволок. В режиме селективного выращивания могут быть использованы обычные способы выращивания кристаллов, например, обычный MOCVD, для ядер нанопроволок с требуемой толщиной, например, приблизительно 10 нм или более.

На втором этапе режима выращивания могут быть созданы условия для продолжения роста каждой нанопроволоки с сохранением свойств поперечного сечения, оставшихся от первого режима выращивания, с получением при этом произвольной длины. Второй этап режима выращивания начинается после переключения режима выращивания, который завершает первый этап режима выращивания. На втором этапе режима выращивания может быть использован импульсный режим выращивания, например, импульсное MOCVD выращивание.

В настоящем описании термин "импульсный режим выращивания" относится к процессу, в котором газообразные исходные вещества группы III и группы V вводятся по очереди в реактор выращивания кристаллов в заданной последовательности. Например, TMGa и NН₃ могут использоваться в качестве исходных веществ для приведенного в качестве примера процесса формирования нанопроволок GaN и/или матриц нанопроволок и\или активных устройств на основе нанопроволок GaN. В импульсном режиме выращивания, TMGa и NH₃ могут вводиться по очереди в последовательности, когда TMGa вводится с заданным расходом (например, примерно 10 стандартных см³/мин) в течение определенного промежутка времени (например, примерно 20 с), после чего вводится NН₃ с заданным расходом (например, примерно 1500 стандартных см³/мин) в течение заданного промежутка времени (например, примерно 30 с). В различных вариантах осуществления может проводиться один или более циклов последовательностей (например, повторяться) для получения заданной длины каждой нанопроволоки. В различных вариантах осуществления скорость роста каждой нанопровлоки может зависеть от направления.

В различных вариантах осуществления, в изготовлении описанных нанопроволок, матриц нанопроволок и/или активных устройств на основе нанопроволок могут быть использованы диэлектрические материалы. Например, маска для селективного выращивания при формировании множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок может быть выполнена из диэлектрических материалов. В другом примере диэлектрические материалы могут быть использованы для электрической изоляции в активных устройствах, например, светодиодах на нанопроволоке или лазеров на нанопроволоке. Диэлектрические материалы в настоящем описании могут включать диоксид кремния (SiO₂), нитрид кремния (Si₃N₄), оксинитрид кремния (SiON), фторированный диоксид кремния (SiOF), оксикарбид кремния (SiOC), оксид гафния (НfO₂), силикат гафния (HfSiO), нитрид-силикат гафния (HfSiON), оксид циркония (ZrO₂), оксид алюминия (Аl₂О₃), титанат бария и стронция (BST), цирконат-титанат свинца (PZT), силикат циркония (ZrSiO₂), оксид тантала (TaO₂) или иные изолирующие материалы. В соответствии с различными другими вариантами осуществления для селективного выращивания раскрытых здесь нанопроволок может использоваться маска для выращивания из проводящего металла, например, вольфрама.

Использованные в качестве примера варианты осуществления для полупроводниковых устройств на основе нанопроволок и/или матриц нанопроволок, и масштабируемые процессы их изготовления представлены на Фиг.1-3, Фиг.4-5, Фиг.6-8, Фиг.9 и Фиг.10(A-D).

На Фиг.1-3 представлены виды поперечного сечения полупроводникового устройства 100 на основе нанопроволоки на разных этапах изготовления, в соответствии с настоящим изобретением. Для специалиста очевидно, что показанное на Фиг.1-3 полупроводниковое устройство 100 на основе нанопроволоки, представляет собой обобщенную схематическую иллюстрацию, и что могут быть добавлены другие слои/нанопроволоки, либо существующие слои/нанопроволоки могут быть удалены или модифицированы.

Как показано на Фиг.1, устройство 100 на основе нанопроволоки может включать подложку 110, маску 135 для селективного выращивания и множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Маска 135 для селективного выращивания и множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, могут быть размещены поверх подложки 110, в то время как множество сквозных отверстий 138, расположенных в определенном порядке, могут быть рассеяны по маске 135 для селективного выращивания.

Подложкой 110 может быть любая подложка, на которой может быть выращен материал группы III-N. В различных вариантах осуществления подложка 110 может включать сапфир, карбид кремния, кремний, кремний на изоляторе (SOI - от англ. Silicon-on-insulator), полупроводящие соединения III-V групп, например, GaN или GaAs, металлы, керамику или стекло, а также и иные материалы.

Для изготовления маски 135 для селективного выращивания может быть выполнено нанесение рисунка на диэлектрический слой (не показан), образованный на подложке 110, с последующим его травлением. В различных вариантах осуществления диэлектрический слой может быть выполнен из любого диэлектрического материала и сформирован посредством любой технологии, известной специалистам. Затем производится разметка слоя нанесением рисунка с использованием одного или более способов, включающих интерферометрическую литографию (IL - от англ. interferometric lithography), к которой относится иммерсионная интерферометрическая литография и нелинейная интерферометрическая литография, наноимпринтная литография (NL - от англ. nanoimprint lithography) и электронно-лучевая литография, которыми можно изготовить наноструктуры или регулярное множество наноструктур на больших, макроскопических площадках. После нанесения рисунка может быть проведено травление, например, реактивное ионное травление для формирования множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Процесс травления может быть остановлен на поверхности подстилающего слоя, то есть подложки 110, при этом обнажается множество участков 139 подложки 110. В различных вариантах осуществления, маска 135 для селективного выращивания может представлять собой маску для выращивания из проводящего металла, выполненную, например, из вольфрама, необходимую для селективного выращивания нанопроволоки в импульсном режиме.

Множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, может иметь такую же глубину, что и толщина маски 135 для селективного выращивания, например, примерно 30 нм или менее, а размер поперечного сечения, например диаметр приблизительно от 10 нм до 1000 нм. В качестве дополнительного примера может быть указан диаметр приблизительно от 10 нм до 100 нм. В использованном для примера варианте осуществления множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, имеет гексагональный порядок расположения с шагом (т.е. межцентровой интервал двух смежных отверстий), составляющим приблизительно от 50 нм до 10 мкм. В различных вариантах осуществления, могут быть сформированы матрицы множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Затем наномерные свойства множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, будут перенесены в последующие процессы формирования нанопроволок и/или матриц нанопроволок.

В различных вариантах осуществления, перед началом процесса выращивания нанопровлок и/или матриц нанопроволок, может быть выполнена процедура очистки устройства 100, показанного на Фиг.1. Например, процесс очистки может включать очистку вне технологической установки (т.е. очистка проводится за пределами реактора, где происходит выращивание). После чего производится очистка внутри технологической установки (т.е. очистка проводится внутри реактора). В зависимости от материалов, используемых для маски 135 для селективного выращивания, могут применяться различные способы очистки. В варианте осуществления, использованном в качестве примера, маска для селективного выращивания из нитрида кремния может быть подвергнута стандартной очистке вне реактора, после чего производится очистка в реакторе с помещением устройства 100 в реактор MOCVD, использованный в качестве примера, и нагревом устройства 100 до температуры приблизительно 950°С в течение примерно 3 мин в потоке водорода. В восстановительной атмосфере водорода могут быть удалены нежелательные собственные оксиды с поверхности устройства 100. В зависимости от комбинации материалов подложки 110 и маски 135 для селективного выращивания, специалист сможет выбрать альтернативные процедуры, которые могут быть использованы.

На Фиг.2 показано, как может происходить селективный рост ядер нанопроволок 140 из множества открытых участков 139 поверхности подложки 110, которые заполняют каждое из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, и определяемых маской 135 для селективного выращивания. Маска 135 для селективного выращивания может служить в качестве формы для селективного выращивания, повторяя в виде негатива на множестве ядер 140 наноструктуры наномерный рисунок множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Таким путем, параметры расположения и поперечного сечения каждого из множества ядер нанопроволок 140, например, формы и размеров, могут быть заданы соответствующими параметрами каждого отверстия из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке. Например, множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, может включать гексагональную матрицу размером примерно 250 нм. Гексагональная матрица затем может быть перенесена на выращивание множества ядер 140 наноструктуры с тем же или меньшим размером, примерно 250 нм. В другом примере, если одно или более отверстий из множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, имеет примерно круглую форму с диаметром примерно 100 нм, по меньшей мере одно ядро из множества ядер 140 наноструктуры может быть выращено в круглых отверстиях, и будет иметь диаметр примерно 100 нм или менее. Таким образом, множество ядер 140 наноструктуры может быть расположено в строго определенной области и иметь форму в соответствии с множеством отверстий 138, расположенных в определенном порядке, заданном маской 135 для селективного выращивания. В различных вариантах осуществления множество ядер 140 наноструктуры может быть сформировано стандартным MOCVD-процессом.

Таким образом, показанное на Фиг.2 устройство 100 может быть использовано в качестве несущей подложки для нанопроволок и/или матриц нанопроволок, которая может включать множество выделенных участков поверхности (т.е. поверхности для каждого из множества ядер 140 наноструктуры). Затем на множестве выделенных участков поверхности может быть выращено множество нанопроволок и/или матриц нанопроволок. В различных вариантах осуществления маска 135 для селективного выращивания может быть удалена подходящим процессом травления с тем, чтобы открыть множество ядер 140 наноструктуры после формирования множества нанопроволок.

На Фиг.3 показано, как может быть сформировано множество нанопроволок 145 продолжением выращивания ядер 140 наноструктуры посредством, например, остановки режима селективного выращивания и использования импульсного режима выращивания, перед тем, как множество ядер 140 наноструктуры начнут выступать над верхней поверхностью маски 135 для селективного выращивания. Множество нанопроволок 145 может быть сформировано из того же материала, что и ядра 140 наноструктуры, например, GaN, AlN, InN, InGaN, AlnGaN или AlGaN. В различных вариантах осуществления, гетероструктуры могут быть сформированы на каждой из множества нанопроволок 145. В различных вариантах осуществления легирующие добавки n-типа и/или р-типа могут быть введены во множество нанопроволок 145, в зависимости от области применения.

За счет переключения в импульсный режим выращивания до того, как множество ядер 140 наноструктуры начнет выступать из верхней поверхности маски 135 для селективного выращивания, параметры каждой из множества нанопроволок 145, например, форма поперечного сечения и размеры, могут быть сохранены, пока не будет достигнута заданная длина. Другими словами, параметры поперечного сечения нанопроволок 145, например, форма и/или размеры, могут оставаться существенно неизменными, такими же или аналогичными форме и размерам отверстий 138.В различных вариантах осуществления, длина каждой нанопроволоки может быть порядка микрон, например, примерно 20 мкм или более.

В различных вариантах осуществления в устройствах на основе нанопроволок может быть сформирован промежуточный слой. На Фиг.4 показано полупроводниковое устройство 200 на основе нанопроволоки, используемое в качестве второго примера осуществления, включающее предложенный в настоящем изобретении промежуточный слой. Видно, что устройство 200 на основе нанопроволоки может включать промежуточный слой 220, расположенный между подложкой, например, подложкой 110, и маской для селективного выращивания, например, маской 135 для селективного выращивания (см. Фиг.1-3). В различных вариантах осуществления промежуточный слой 220 может представлять собой планарную полупроводниковую пленку, сформированную из, например, GaN, AlN, InN, InGaN, AlnGaN или AlGaN, например, стандартной технологией MOCVD. В различных вариантах осуществления толщина промежуточного слоя 220 может составлять, например, от 100 нм до 10 мкм. В различных вариантах осуществления промежуточный слой 220 может быть легирован присадками либо n-типа, либо р-типа, для обеспечения электрического соединения с нижним концом каждой нанопроволоки из множества нанопроволок 140. Могут быть использованы различные легирующие присадки, известные специалистам.

В различных вариантах осуществления ориентацию множества ядер 140 наноструктуры можно выставить в одном направлении, что, в свою очередь, достигается специальной ориентацией множества отверстий 138, расположенных в определенном порядке, вдоль единой кристаллографической оси. Например, множество отверстий 138, расположенных в определенном порядке, могут быть специально ориентированы вдоль единого направления промежуточного слоя 220, как это показано на Фиг.4. В варианте осуществления, приведенном в качестве примера, в процессе нанесения разметки интерферометрической литографией, отверстия в маске 135 для селективного выращивания могут быть специально ориентированы вдоль направления <1100> промежуточного слоя из GaN. В другом варианте осуществления, использованном в качестве примера, в процессе выращивания промежуточного слоя из GaN на сапфировой подложке, ось с между GaN промежуточным слоем и сапфировыми элементарными ячейками может быть повернута на 30°.

На Фиг.5 показан использованный в качестве примера процесс формирования множества нанопроволок и/или матриц нанопроволок, с использованием двухэтапного режима выращивания, предложенного в настоящем изобретении. В частности, на Фиг.5 приведены зависимости потока исходного газообразного вещества (включая первую кривую 302 газового потока и вторую кривую 306 газового потока) во время селективного выращивания 310 и последующего импульсного выращивания 320 для формирования, например, множества нанопроволок 145, как это описано на Фиг.1-4. Видно, что селективное выращивание 310 может быть остановлено путем запуска импульсного выращивания 320 (т.е. переключением из одного режима выращивания в другой) в момент времени переключения t₁. Импульсное выращивание 320 может дополнительно включать ряд импульсных последовательностей, например, первый цикл 324 последовательностей, второй цикл 328 последовательностей и/или дополнительные циклы последовательностей. В различных вариантах осуществления первый цикл 324 последовательностей может быть повторен как второй цикл 328 последовательностей.

В варианте осуществления, использованном в качестве примера формирования нанопроволок и/или матриц нанопроволок из GaN, первая зависимость 302 потока газа может быть построена для первого исходного газа группы III, например, три-метил-галлия (TMGa), а вторая зависимость 306 потока газа может быть построена для второго газообразного исходного вещества группы V, например, аммиака (NH₃). В процессе селективного выращивания 310 использованные в качестве примера нанопроволоки из GaN и/или матрицы нанопроволок могут быть сформированы в MOCVD реакторе, включая использование первого исходного газа группы III TMGa с постоянным потоком примерно 10 стандартных см³/мин, и второго исходного группы V газа NH₃ с постоянным потоком примерно 1500 стандартных см³/мин. Это означает, что в процессе селективного выращивания 310, исходные газы (т.е. TMGa и NH₃) могут подаваться не импульсно, непрерывно (т.е. исходные газы как группы III, так и группы V, подаются на подложку одновременно, в непрерывном, неимпульсном режиме). Более того, газообразное исходное вещество группы III (например, TMGa) и группы V (например, NH₃) могут вводиться одновременно, а соотношение между расходами газов группы V и группы III может поддерживаться равным, например, в интервале примерно от 100 до 500. В варианте осуществления, использованном в качестве примера, отношение группа V/группа III может поддерживаться равным примерно 150. Кроме того, другие условия работы реактора для селективного выращивания 310 могут включать, например, начальную температуру реакции, равную, примерно, от 1015°С до 1060°С, давление в реакторе примерно 100 мм рт.ст., и водородно-азотную смесь транспортирующего газа, подаваемую ламинарным потоком с расходом 4000 стандартных см³/мин. Может быть использован любой подходящий MOCVD реактор, например, модель реактора MOCVD Veeco TurboDisk P75, в которой подложки вращ