Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов и способ его изготовления

Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к массиву полупроводниковых светоизлучающих элементов и к способу его изготовления.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Традиционно были разработаны светоизлучающие элементы, в которых используется световое излучение из полупроводниковых стержней (см. патентную литературу 1). Например, светоизлучающий элемент, раскрытый в патентной литературе 1, является светоизлучающим элементом, содержащим полупроводниковые стержни, имеющие p-n-переходы и сформированные на полупроводниковой подложке, с одним электродом, расположенным на подложке, и еще одним электродом, расположенным на стержне, и полупроводниковыми стержнями, равномерно разнесенными друг от друга. Этот светоизлучающий элемент излучает свет в направлении либо перпендикулярно, либо параллельно поверхности подложки.

[0003] Известен также массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, включающий в себя светоизлучающие элементы и использующий световое излучение из полупроводниковых стержней для испускания множественных цветов света (см. патентную литературу 2 и 3). Например, патентная литература 2 предлагает светоизлучающий элемент, содержащий структуру с множественными квантовыми ямами, сформированную многократным (например, три раза) нанесением комбинации слоя ям и запирающего слоя, чтобы за счет этого излучать многоцветный свет, регулируя толщину каждого слоя ям. Также предложено, чтобы для выбора длины волны света излучаемый свет с множественными цветами проходил через прозрачную пленку (или избирательный по длине волны фильтр), которая(ый) пропускает только единственную длину волны желаемого цвета. Патентная литература 3 раскрывает светоизлучающий элемент, содержащий два или более активных слоя, причем каждый активный слой имеет пару электродов. Этот светоизлучающий элемент излучает многоцветный свет при приложении заданного напряжения к каждой паре электродов, тем самым вызывающем световое излучение из каждого активного слоя.

[0004] Селективная газофазная эпитаксия металлоорганических соединений (Selective-Area MOVPE) известна как одна из важных технологий формирования полупроводниковых стержней в форме наностолбиков (см. непатентную литературу 1 и 2). MOVPE - это способ выращивания полупроводниковых кристаллов селективно на определенных обнаженных областях полупроводниковой кристаллической подложки с помощью MOVPE. В непатентной литературе 1 и 2 сообщалось, что толщиной и/или высотой выращиваемых полупроводниковых кристаллов можно управлять, регулируя обнаженные области полупроводниковой кристаллической подложки. Например, высота выращенных стержней (или наностолбиков) становится большей по мере уменьшения диаметра обнаженной области, в то время как стержни становятся более высокими, когда уменьшен интервал (или шаг) между обнаженными областями. Само собой разумеется, стержни становятся более толстыми по мере увеличения площади обнаженной части.

[0005] Между тем, сообщили о технологиях по изготовлению светоизлучающих с поверхности элементов, используемых для излучения множественных длин волн (см. непатентную литературу 3 и 4). Эти документы касаются технологий по выращиванию тонкопленочной структуры с квантовыми ямами GaInAs/GaAs для светоизлучающего с поверхности элемента. При этой технологии множество линейных и имеющих выпуклую форму ступенек (которые называют "мезаструктурами") формируют параллельно друг другу на поверхности (001) подложки из GaAs. Впоследствии, на подложке размещают многослойную тонкую пленку методом MOCVD (химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы). Во время этого процесса тонкая пленка размещается довольно толсто на верхней поверхности мезаструктур, в то время как на поверхности «долины» между соседними мезаструктурами размещается более тонкая пленка.

[0006] Толщиной тонкой пленки, расположенной на поверхности долины между мезаструктурами, можно управлять в зависимости от таких факторов (которые также называют “параметрами управления”), как ширина мезаструктур, глубина (или высота) ступенек, интервал между соседними мезаструктурами и т.п. Другими словами, распределение толщины пленки, сформированной тонкопленочной эпитаксией MOCVD, определяется этими параметрами управления, и поэтому можно управлять длиной волны света, излучаемого из изготовленного этим способом светоизлучающего элемента. Надлежащее управление толщиной тонкой пленки (или длиной волны света, излучаемого из светоизлучающего элемента), требует точного конструирования и изготовления мезаструктур.

Патентная литература 1: JP 4-212489 A

Патентная литература 2: JP 2003-347585 A

Патентная литература 3: JP 7-183576 A

Непатентная литература 1: Noborisaka, J. et al., “Catalyst-free growth of GaAs nanowires by selective-area metal organic vapor-phase epitaxy”, Applied Physics Letters, vol. 86, p. 213102-1 - 213102-3 (2005).

Непатентная литература 2: Yang, L. et al., “Size-dependent photoluminescence of hexagonal nanopillars with single InGaAs/GaAs quantum wells fabricated by selective-area metal organic vapor phase epitaxy”, Applied Physics Letters, vol. 89, p. 203110-1- 203110-3 (2006).

Непатентная литература 3: M. Arai, et al., “Multiple-wavelength GaInAs-GaAs vertical cavity surface emitting laser array with extended wavelength span”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 9, No. 5, (2003), p. 1367-1373.

Непатентная литература 4: A. Onomura, et al., “Densely integrated multiple-wavelength vertical cavity surface-emitting laser array”, Japanese Journal of Applied Physics, vol., 42 (2003), p. L529-L531.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

[0007] Множество светоизлучающих элементов, которые излучают лучи света с различными длинами волн и сформированы на одной и той же подложке, может быть применимым в системе связи, называемой системой с мультиплексированием по длине волны (WDM), что является выгодным способом связи на больших расстояниях. Поэтому желательно обеспечить удобный способ изготовления полупроводникового светоизлучающего элемента с простой структурой, включая множество сформированных на одной и той же подложке светоизлучающих элементов для излучения света различных длин волн.

[0008] Однако проблема с традиционными технологиями состоит в том, что необходимы дополнительные технологические этапы для обеспечения отдельных элементов после выращивания полупроводниковых кристаллов с тем, чтобы изготовить полупроводниковые светоизлучающие с поверхности элементы с множественными длинами волн на той же самой подложке. В частности, полупроводниковые светоизлучающие элементы, раскрытые в патентной литературе 2, излучают свет множественных длин волн из соответствующих частей полупроводникового кристалла, а необходимая длина волны извлекается посредством избирательного по длине волны фильтра. Таким образом, должен быть введен этап формирования избирательного по длине волны фильтра. Точно так же, полупроводниковые светоизлучающие элементы, раскрытые в патентной литературе 3, включают в себя наслоение частей кристаллической пленки, соответствующих множественным длинам волн светового излучения, так что для извлечения света соответствующих длин волн отдельно и независимо необходим этап формирования многоступенчатой электродной структуры, причем каждая ступенька обладает различными глубинами травления полупроводниковой пленки.

[0009] Далее, если в технологиях, раскрытых в непатентной литературе 2 и 3, сформированные на подложке мезаструктуры не расположены клиновидным образом при заданной ширине вдоль продольного направления, или расположены иначе, например, будучи пересекающимися друг с другом, изогнутыми или расположенными концентрически, то сталкиваются с трудностями при управлении толщиной пленки во время выращивания тонкой пленки. Поэтому ограничена свобода конструирования светоизлучающего с поверхности элемента с множественными длинами волн.

[0010] Интервал длины волны между светоизлучающими элементами, используемыми для связи с грубым WDM по полосе пропускания 1 мкм, составляет 10 нм. Если согласно раскрытым в непатентной литературе 2 и 3 технологиям желательно иметь 10-нанометровый интервал длины волны между светоизлучающими элементами, то интервал между самими элементами должен составлять по меньшей мере 500 мкм. Поэтому, когда к массиву светоизлучающих элементов оптически подсоединяют многомодовое оптическое волокно (с диаметром сердцевины от 50 мкм до 65 мкм), с соответствующими светоизлучающими элементами, имеющими различные длины волн, должны быть соединены различные оптические волокна.

Решение проблемы

[0011] Авторы настоящего изобретения изучили способ изготовления полупроводникового светоизлучающего с поверхности элемента (или элемента, излучающего с поверхности свет множественных длин волн), включая множество светоизлучающих элементов, которые излучают свет различных длин волн и сформированы на той же самой подложке методом селективной MOVPE или т.п. В результате этого был найден способ изготовления излучающего с поверхности свет множественных длин волн элемента, обладающий большей свободой конструирования, и таким образом создано настоящее изобретение.

[0012] Конкретно, первый вариант воплощения настоящего изобретения относится к массиву полупроводниковых светоизлучающих элементов.

(1) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, включающий в себя:

полупроводниковую кристаллическую подложку;

изолирующую пленку, расположенную на поверхности подложки, причем изолирующая пленка разделена на две или более области, каждая из которых имеет два или более отверстия, обнажающие поверхность подложки;

полупроводниковые стержни, простирающиеся вверх от поверхности подложки через отверстия, причем каждый из полупроводниковых стержней имеет наслоенные в направлении его простирания слой полупроводника n-типа и слой полупроводника p-типа, тем самым обеспечивающие p-n-переход;

первый электрод, соединенный с полупроводниковой кристаллической подложкой, и

второй электрод, соединенный с верхними частями полупроводниковых стержней,

при этом высоты полупроводниковых стержней, измеренные от поверхности подложки, меняются среди упомянутых двух или более областей.

Здесь отмечается, что порядок наслоения слоя полупроводника n-типа и слоя полупроводника p-типа, формируемых в полупроводниковых стержнях, может представлять собой либо p-тип с последующим n-типом, либо n-тип с последующим p-типом, если смотреть от подложки.

(2) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковые стержни имеют p-n-гетеропереход.

(3) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковые стержни имеют структуру с квантовой ямой.

(4) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом средняя площадь отверстий меняется среди упомянутых двух или более областей.

(5) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом среднее расстояние между центрами отверстий меняется среди упомянутых двух или более областей.

(6) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковая кристаллическая подложка выполнена из полупроводникового материала, выбранного из группы, состоящей из GaAs, InP, Si, InAs, GaN, SiC и Al₂O₃, и поверхность подложки с расположенной на ней изолирующей пленкой является поверхностью с кристаллографической осью (111).

(7) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковые стержни сформированы химическим осаждением металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD) или молекулярно-пучковой эпитаксией (MBE).

(8) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом первый электрод является электродом n-типа, а второй электрод - прозрачным электродом p-типа.

(9) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом первый электрод является электродом p-типа, а второй электрод - прозрачным электродом n-типа.

[0013] Второй вариант воплощения настоящего изобретения относится к способу изготовления массива полупроводниковых светоизлучающих элементов.

(10) Способ изготовления массива полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), включающий в себя этапы:

A) приготовление полупроводниковой кристаллической подложки, имеющей поверхность с кристаллографической осью (111), покрытую изолирующей пленкой, при этом изолирующая пленка разделена на две или более области, и каждая из этих двух или более областей имеет отверстие, обнажающее поверхность с кристаллографической осью (111); и

B) формирование полупроводниковых стержней, простирающихся вверх через отверстия от поверхности полупроводниковой кристаллической подложки, покрытой изолирующей пленкой, посредством химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы или молекулярно-пучковой эпитаксии, причем этот этап дополнительно включает в себя этапы формирования слоя полупроводника n-типа и слоя полупроводника p-типа.

На этапе B) не накладывается никакого ограничения на порядок формирования слоя полупроводника n-типа и формирования слоя полупроводника p-типа, и слой полупроводника p-типа может быть сформирован после слоя полупроводника n-типа, или же слой полупроводника n-типа может быть сформирован после слоя полупроводника p-типа.

[0014] Третий вариант воплощения настоящего изобретения относится к оптическому передатчику.

(11) Оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1) и оптический волновод, расположенный в каждой из упомянутых двух или более областей, для приема света из полупроводниковых стержней, расположенных в этой области.

(12) Оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1) и оптический волновод для приема света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей.

(13) Оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), оптический мультиплексор для мультиплексирования света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей, и оптический волновод для приема мультиплексированного света из оптического мультиплексора.

[0015] Четвертый вариант воплощения согласно настоящему изобретению представляет собой осветительный прибор.

(14) Осветительный прибор, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), и оптический волновод для приема света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей.

(15) Осветительный прибор, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), оптический мультиплексор для мультиплексирования света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей, и оптический волновод для приема мультиплексированного света из оптического мультиплексора.

Выгодные эффекты изобретения

[0016] Согласно настоящему изобретению предусмотрен массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, включающий в себя множество светоизлучающих элементов, сформированных на одной и той же подложке, соответственно излучающих различные длины волн света. Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по настоящему изобретению имеет простую структуру и может быть легко изготовлен.

[0017] В частности, такими факторами, как форма и размер (т.е. площадь поперечного сечения) полупроводниковых стержней, интервал между полупроводниковыми стержнями и расположение полупроводниковых стержней, управляют в зависимости от формы и расположения рисунка изолирующей пленки (или отверстий), так что намеченный(ые) полупроводниковый(ые) стержень(ни) может (могут) быть легко изготовлен(ы). Можно также легко управлять длиной волны света, излучаемого из полупроводниковых стержней.

[0018] Например, в пределах области 10 мкм × 10 мкм могут быть предусмотрены пять полупроводниковых стержней, чтобы сделать светоизлучающий элемент, состоящий из набора пяти полупроводниковых стержней и имеющий выходную мощность 1 мВт. Кроме того, даже учитывая запас на пространство для проводки и технологических этапов, интервал между светоизлучающими элементами по массиву светоизлучающих элементов может быть уменьшен до столь узкого, как примерно 20 мкм. Поэтому, когда с массивом светоизлучающих элементов соединяют многомодовое оптоволокно (например, с диаметром сердцевины 50 мкм), возможно направлять свет от множества светоизлучающих элементов с различными длинами волн светового излучения непосредственно в одно и то же оптоволокно. Следовательно, может быть реализована связь с четырехволновым мультиплексированием, используя одно оптоволокно при связи с грубым WDM (CWDM), не используя оптический мультиплексор.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] ФИГ.1 показывает процедуры по формированию полупроводниковых стержней с различными высотами на единственной подложке (вариант воплощения 1);

ФИГ.1A показывает подложку, покрытую изолирующей пленкой;

ФИГ.1B показывает отверстия, сформированные в изолирующей пленке;

ФИГ.1C показывает получившиеся полупроводниковые стержни;

ФИГ.2 представляет собой схематический вид, показывающий соответствующие слои получившегося полупроводникового стержня;

ФИГ.3 представляет собой график, показывающий толщину слоя квантовой ямы полупроводникового стержня в зависимости от интервала между полупроводниковыми стержнями;

ФИГ.4 показывает полупроводниковый стержень, покрытый AlGaAs;

ФИГ.5 показывает полупроводниковый стержень с интервалом между стержнями, заполненным изоляционным материалом, и с расположенными в нем электродами n-типа и p-типа;

ФИГ.6 представляет собой вид в перспективе массива полупроводниковых светоизлучающих элементов по варианту воплощения 1;

ФИГ.7 представляет собой график, показывающий толщину слоя квантовой ямы полупроводникового стержня каждого светоизлучающего элемента в массиве полупроводниковых светоизлучающих элементов по варианту воплощения 1 в зависимости пиковой длины волны светового излучения;

ФИГ.8 показывает процедуры по формированию полупроводниковых стержней с различными высотами на единственной подложке (вариант воплощения 2);

ФИГ.8A показывает подложку, покрытую изолирующей пленкой;

ФИГ.8B показывает отверстия, сформированные в изолирующей пленке;

ФИГ.8C показывает получившиеся полупроводниковые стержни;

ФИГ.9 представляет собой график, показывающий диаметр слоя квантовой ямы получившегося полупроводникового стержня в зависимости от толщины полупроводникового стержня;

ФИГ.10 представляет собой схематический вид массива полупроводниковых светоизлучающих элементов по варианту воплощения 2;

ФИГ.11 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя GaAs/AlGaAs;

ФИГ.12 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaAs;

ФИГ.13A представляет собой график, показывающий диаметр показанного на ФИГ.12 полупроводникового стержня в зависимости от атомного отношения In/Ga в слое квантовой ямы;

ФИГ.13B представляет собой график, показывающий диаметр полупроводникового стержня в зависимости от пиковой длины волны светового излучения;

ФИГ.14 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaAs;

ФИГ.15 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaAsP;

ФИГ.16 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaN;

ФИГ.17 представляет собой график, показывающий атомное отношение In/Ga слоя квантовой ямы полупроводникового стержня в зависимости от пиковой длины волны светового излучения;

ФИГ.18 показывает оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов и оптический волновод;

ФИГ.19 показывает устройство передачи и приема оптического сигнала;

ФИГ.20 представляет собой концептуальный вид, показывающий конфигурацию сети;

ФИГ.21 представляет собой схематический вид массива полупроводниковых светоизлучающих элементов, который может использоваться в качестве устройства для оптической передачи (т.е. связи с четырехволновым мультиплексированием);

ФИГ.22 показывает устройство для оптической передачи (т.е. связи с четырехволновым мультиплексированием), включающее в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов;

ФИГ.23 представляет собой схематический вид массива полупроводниковых светоизлучающих элементов, который может использоваться в качестве осветительного прибора;

ФИГ.24 представляет собой осветительный прибор, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов; и

ФИГ.25 представляет собой график, показывающий атомное отношение In/Ga в полупроводниковом стержне InGaN в зависимости от диаметра стержня InGaN.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

1. Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов:

[0020] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов включает в себя 1) полупроводниковую кристаллическую подложку, 2) изолирующую пленку, расположенную на поверхности полупроводниковой кристаллической подложки и имеющую отверстия, обнажающие поверхность подложки, 3) полупроводниковые стержни, простирающиеся от поверхности подложки вверх через отверстия, причем каждый из полупроводниковых стержней имеет p-n-переход, 4) первый электрод, соединенный с полупроводниковой кристаллической подложкой; и второй электрод, соединенный с верхними частями полупроводниковых стержней. Изолирующая пленка разделена на несколько областей, и высоты полупроводниковых стержней, измеренные от поверхности подложки, меняются среди этих областей.

[0021] Подложка в полупроводниковом светоизлучающем элементе согласно настоящему изобретению может быть из любого материала, при условии, что он представляет собой кристалл полупроводника, такого как GaAs, InP, Si, InAs, GaN, SiC, Al₂O₃ или т.п.

[0022] Никакого особого ограничения не наложено на материал изолирующей пленки, расположенной на поверхности подложки, которая может быть любым неорганическим изоляционным материалом, таким как SiO₂, SiN или т.п. Изолирующая пленка может быть сформирована ионным распылением или другими похожими способами, а толщина пленки может составлять несколько десятков нм.

[0023] Та поверхность подложки, где расположена изолирующая пленка, является поверхностью с кристаллографической осью (111) кристалла полупроводника, который образует подложку. Выращивая полупроводниковые стержни от поверхности с кристаллографической осью (111), возможно «растянуть» полупроводниковые стержни в направлении кристаллографической оси (111) кристалла полупроводника, тем самым улучшая эффективность светоизлучающего элемента, включая эффективность генерации лазерного излучения, вызванную симметрической природой кристаллов.

[0024] Изолирующая пленка, расположенная на поверхности подложки, разделена на две или более области. Использующийся здесь термин "разделена" означает, что изолирующая пленка физически разрезана и разделена, или же изолирующая пленка может быть непрерывной пленкой и фактически разделенной на множественные области. Будучи физически разделенной, каждая область пленки может быть отделена по меньшей мере несколькими микрометрами, предпочтительно - примерно от 50 мкм до 100 мкм, друг от друга. Каждая из двух или более областей изолирующей пленки образует область светоизлучающего элемента, откуда излучаются лучи света с различными длинами волн.

[0025] Никакого особого ограничения не наложено на размер каждой области изолирующей пленки, который может быть задан подходящим образом в зависимости от различных факторов, таких как число формируемых на ней полупроводниковых стержней. При объединении с оптическим волноводом с образованием оптического передатчика (см. ФИГ.18), площадь каждой области изолирующей пленки, где расположены полупроводниковые стержни, должна быть почти равной или меньшей, чем размер сердцевины оптического волновода. По сути, если диаметр сердцевины оптического волновода составляет 50 мкм, то каждая область изолирующей пленки может быть прямоугольной с размером примерно 100 мкм.

[0026] Более того, никакого особого ограничения не наложено на расстояние t между соответствующими областями изолирующей пленки. Опять же, при объединении с оптическим волноводом с образованием оптического передатчика, расстояние между соответствующими областями может быть задано так, чтобы соответствовать шагу расположения оптического волновода. Обычно расстояние между соответствующими областями изолирующей пленки составляет от примерно нескольких мкм до нескольких сотен мкм.

[0027] В каждой области изолирующей пленки сформированы два или более отверстия, проникающие через пленку и простирающиеся до поверхности подложки. Полупроводниковые стержни выращивают из этих отверстий. В каждой области пленки должны быть сформированы два или более отверстия, а, как правило, предпочтительно имеется десять или более отверстий. Отверстия могут быть любой формы, включая прямоугольные, треугольные, шестиугольные или круглые.

[0028] Предпочтительно, проходное сечение отверстий каждой области является фиксированным. Например, проходное сечение может иметь диаметр примерно от 10 нм до 2 мкм, при условии, что отверстие является круглым. Кроме того, предпочтительно, чтобы отверстия были расположены равномерно. Использующийся здесь термин «расположены равномерно» обозначает, например, что между отверстиями имеется равное и постоянное расстояние. Расстояние между отверстиями может составлять не больше, чем примерно 3 мкм.

[0029] Отверстия могут быть сформированы путем удаления части изолирующей пленки, сформированной на поверхности полупроводниковой кристаллической подложки, фотолитографией или электроннолучевой литографией.

[0030] Далее, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что 1) среднее проходное сечение отверстий различается среди областей изолирующей пленки, или 2) плотность отверстий на единицу площади (например, среднее расстояние или интервал между отверстиями) различается среди областей изолирующей пленки. Учитывая продольное направление (или направление x) и поперечное направление (или направление у) в плоскости изолирующей пленки, расстояние или интервал между отверстиями может быть (1) идентичным как в направлении x, так и в направлении y, или (2) отличающимся по направлениям x и y соответственно. То есть, среднее расстояние между отверстиями может различаться среди областей изолирующей пленки. Таким образом, в соответствующих областях возможно сформировать полупроводниковые стержни, имеющие различные высоты.

[0031] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению включает в себя полупроводниковые стержни, простирающиеся от поверхности подложки, обнаженной через отверстия, и эти полупроводниковые стержни могут быть сформированы, например, парофазным осаждением, при котором используется термическое разложение металлоорганических соединений (которое будет описано подробно позже). Скорость роста полупроводниковых стержней замедляется по мере того, как 1) проходные сечения становятся более широкими, в то время как скорость повышается по мере того, как отверстия становятся меньшими. Другими словами, чем меньше проходные сечения отверстий, тем дольше растут полупроводниковые стержни в пределах заданного времени роста. Кроме того, полупроводниковые стержни растут быстрее по мере того, как 2) становится выше плотность отверстий (плотность), и растут медленнее по мере того, как плотность становится ниже. Таким образом, чем выше плотность отверстий, тем дольше формируются полупроводниковые стержни в пределах заданного времени роста.

[0032] Как упомянуто выше, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению включает в себя полупроводниковые стержни, простирающиеся от поверхности подложки, обнаженной через отверстия, сформированные в изолирующей пленке. Другими словами, каждая область включает в себя два или более полупроводниковых стержня, в зависимости от числа отверстий. Предпочтительно, полупроводниковые стержни каждой области имеют одинаковые длину и толщину.

[0033] Полупроводниковый компонент, который образует полупроводниковые стержни, может состоять из двух, трех, четырех или более чем четырех элементов. Примеры полупроводника, состоящего из двух элементов, включают GaAs, InP, InAs, GaN, ZnS, SiC, ZnTe и т.п. Примеры полупроводника, состоящего из трех элементов, включают AlGaAs, InGaAs, GaInP, InGaN, AlGaN, ZnSSe, GaNAs и т.п. Примеры полупроводника, состоящего из четырех элементов, включают InGaAsP, InGaAlN, AlInGaP, GaInAsN и т.п.

[0034] Предпочтительно, полупроводниковые стержни, расположенные в каждой области, имеют p-n-переходы. Термин «p-n-переход» означает, что в полупроводниковом кристалле область p-типа находится в контакте с областью n-типа. В полупроводниковых стержнях предпочтительно, чтобы область p-типа и область n-типа были наслоены в направлении простирания полупроводниковых стержней. Другими словами, плоскость p-n-перехода предпочтительно является перпендикулярной направлению простирания полупроводниковых стержней и параллельной подложке. Наслоение может быть выполнено либо в порядке «область p-типа с последующей областью n-типа», либо в порядке «область n-типа с последующей областью p-типа» в направлении простирания.

[0035] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению излучает свет из поверхности p-n-перехода полупроводниковых стержней, когда к обоим электродам (включая p-электрод и n-электрод, которые будут описаны позже) приложено напряжение. При этом, если верхняя и нижняя концевые поверхности полупроводниковых стержней перпендикулярны направлению простирания полупроводниковых стержней и если потери при распространении света внутри стержней малы, то свет излучается в том же самом направлении, что и направление простирания полупроводниковых стержней.

[0036] Полупроводниковые стержни согласно настоящему изобретению могут включать в себя p-n-переход, а также гетеропереход. Гетеропереход выполнен из полупроводников несходных составов, соединенных границей раздела, которой присуще резкое изменение состава. Те полупроводниковые материалы, которые образуют p-n-переход, могут быть соответственно выбраны для управления длиной волны светового излучения. Кроме того, чтобы придать эффективную функцию излучения света полупроводниковым стержням, имеющим и p-n-переход, и гетеропереход, может быть применена структура с квантовой ямой. Если структура с квантовой ямой выполнена из полупроводника с собственной проводимостью, или же части полупроводника кроме структуры с квантовой ямой образованы структурой с собственной проводимостью и введены на соединяющей границе раздела p-n-перехода, то образуется "pin" структура, которая улучшает эффективность излучения света по сравнению со случаем, когда полупроводник с собственной проводимостью не используется.

[0037] Структура с квантовой ямой образована слоем полупроводника с менее широкой запрещенной зоной (слоем квантовой ямы), окруженным с двух сторон слоями различных полупроводников с более широкой запрещенной зоной (запирающими слоями). Электроны удерживаются в слое полупроводника с менее широкой запрещенной зоной (слое квантовой ямы). Движение электронов в направлении, перпендикулярном пленке полупроводника, квантуется, обеспечивая дискретную энергию.

[0038] Предпочтительно, полупроводниковые стержни согласно настоящему изобретению включают в себя структуру с квантовой ямой. Когда в полупроводниковых стержнях сформирована структура с квантовой ямой, предпочтительно, чтобы толщина слоя квантовой ямы полупроводниковых стержней в пределах одной и той же области изолирующей пленки была постоянной и чтобы толщина слоя квантовой ямы полупроводниковых стержней менялась среди областей изолирующей пленки. По сути, поскольку длина волны излучаемого света меняется в зависимости от толщины слоя квантовой ямы, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, который излучает многоцветный свет, может быть обеспечен за счет управления толщиной слоя квантовой ямы для каждой области изолирующей пленки.

[0039] Далее, область p-типа и область n-типа, а также слой квантовой ямы полупроводниковых стержней согласно настоящему изобретению могут иметь многослойную структуру (см. Фиг.11, 15 и 16). Термин «многослойная структура» означает, что повторно нанесены два или более слоя несходных полупроводниковых компонентов. Например, запирающие слои (34 и 36), показанные на ФИГ.11, образованы поочередным нанесением слоя GaAs и слоя AlGaAs неоднократно. Если область p-типа, область n-типа или слой квантовой ямы полупроводниковых стержней имеет многослойную структуру, то может быть повышена интенсивность светового излучения за счет установления соответствия периода цикла этого слоя с длиной волны излучаемого света.

[0040] Полупроводниковые стержни могут быть сформированы методом MOCVD, а также молекулярно-пучковой эпитаксии, которая использует осаждение из паровой фазы элементов в вакуумном устройстве. Изготовление полупроводниковых стержней будет описано позже.

[0041] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что длина полупроводниковых стержней меняется среди областей. Как упомянуто выше, полупроводниковые стержни формируют методом MOCVD или т.п., и скорость роста полупроводникового кристалла изменяется в зависимости от площади сформированных в изолирующей пленке отверстий или плотности этих отверстий. Таким образом, регулируя площадь и/или расположение отверстий, можно управлять высотой полупроводниковых стержней.

[0042] Полупроводниковые стержни имеют p-n-переходы и излучают свет при поступлении электрического тока. Излучаемый свет имеет различные длины волн, соответствующие тем полупроводниковым материалам, которые образуют полупроводниковые стержни. Настоящее изобретение, главным образом, описывает полупроводниковые стержни, имеющие структуру с квантовой ямой. В структуре с квантовой ямой длина волны излучаемого света зависит от толщины слоя квантовой ямы. Таким образом, длины волн света, излучаемого из полупроводниковых стержней, различаются среди областей изолирующей пленки.

[0043] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению включает в себя первый электрод, соединенный с подложкой, и второй электрод, соединенный с кончиком (т.е. противоположной стороной подложки). Первый и второй электроды образованы комбинацией, например, электрода p-типа (такого как Cr/Au или оксиды InSn) и электрода n-типа (такого как AuGeNi). На полупроводниковой кристаллической подложке, включающей в себя две или более области, могут быть предусмотрены один или более первых электродов. Для каждой области (т.е. для каждого светоизлучающего элемента) могут быть предусмотрены один или более вторых электродов. Либо первый, либо второй электрод может быть произвольно выбран выполненным электродом p-типа или электродом n-типа, соответствующим расположению области p-типа и области n-типа.

[0044] Когда электрический ток включен и проходит через p-n-переход в прямом направлении, из электрода p-типа излучается свет, и этот излучаемый свет может быть извлечен со стороны электрода p-типа. Предпочтительно, электрод p-типа выполнен как прозрачный электрод или имеет снабженную рисунком структуру с тем, чтобы облегчить отвод света, излучаемого перпендикулярно поверхности подложки. Также возможно извлекать свет со стороны