JP6227128B2 - マルチカラーｌｅｄ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイに関し、特に、少なくとも２つの異なる波長の光を発することのできるアレイに関する。また、本発明は、そのようなアレイを製造する方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子の場合、発光波長は、厚さで決定された閉じ込め効果とともに、ＬＥＤの活性領域のバンドギャップによって決定される。活性領域は、１つ以上の量子井戸（ＱＷ）を含むことが多い。ＧａＮ系素子などのＩＩＩ族窒化物系ＬＥＤ素子の場合、活性領域（例えば、量子井戸）の物質は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮなどの三元物質であることが好ましく、０＜ｘ＜１である。

そのようなＩＩＩ族窒化物のバンドギャップは、活性領域（例えば、ＱＷ）に取り入れられたＩｎの量に依存する。より多くのＩｎを取り入れることによって、バンドギャップがより小さくなるため、発せられた光の波長はより長くなる。本明細書において使用されるように、「波長」という用語は、ＬＥＤのピーク発光波長を示す。半導体ＬＥＤの一般的な発光スペクトルは、ピーク波長を中心にした波長の狭帯域であることが理解されるべきである。

従来技術のマルチカラーＬＥＤアレイには、いくつかの欠点がある。マルチカラーＬＥＤの中には、同一のナノワイヤの異なる部分から異なる色の光（即ち、異なる波長）を発するナノワイヤＬＥＤを形成するものがある。それにより、同一のナノワイヤＬＥＤから異なる発光波長を制御及び選択的に活性化することが困難になる。

１つの実施形態は、少なくとも第１の領域及び第２の領域を含む支持部と、各々が、第１のナノ構造を含む第１の成長テンプレートを含み、第１のピーク発光波長を有し、支持部の第１の領域にわたって配置された複数の第１の発光素子と、を備えるデバイスを提供する。デバイスは、支持部の第２の領域にわたって配置された複数の第２の発光素子を更に備える。第２の発光素子の各々は、第２のナノ構造を含む第２の成長テンプレートを含み、第１のピーク発光波長とは異なる第２のピーク発光波長を有する。第１の成長テンプレートの各々は、第２の成長テンプレートの各々とは異なる。

支持部は、デバイスが成長した後にデバイスに取り付けられる成長基板又はハンドル基板である。第１のナノ構造の各々は、第１の成長テンプレートの内側部分又は全体を含む第１のナノワイヤコアを含み、第１のナノワイヤコアの各々は、第１の領域における成長マスクの第１の開口部から突出する。第２のナノ構造の各々は、第２の成長テンプレートの内側部分又は全体を含む第２のナノワイヤコアを含み、第２のナノワイヤコアの各々は、第２の領域における成長マスクの第２の開口部から突出する。第１のテンプレート層が成長マスクにわたって第１の開口部を越えて横に拡張するように、第１の成長テンプレートの各々は、第１のナノワイヤコア及び第１のナノワイヤコアの周囲の少なくとも１つの第１のテンプレート層を含み、第２のテンプレート層が成長マスクにわたって第２の開口部を越えて横に拡張するように、第２の成長テンプレートの各々は、第２のナノワイヤコア及び第２のナノワイヤコアの周囲の少なくとも１つの第２のテンプレート層を含むことが好ましい。

第１のナノワイヤコア及び第２のナノワイヤコアの各々は、第１の導電型（例えば、ｎ型）の半導体材料を含む。第１のバンドギャップを有する少なくとも１つの第１の量子井戸を含む第１の活性領域は、第１のナノワイヤコアの各々の周囲に配置される。第１のバンドギャップとは異なる第２のバンドギャップを有する少なくとも１つの第２の量子井戸を含む第２の活性領域は、第２のナノワイヤコアの各々の周囲に配置される。第１のナノワイヤコア及び第２のナノワイヤコアの各々は、ＩＩＩ族窒化物半導体材料（例えば、窒化ガリウム）を含み、第１の量子井戸及び第２の量子井戸の各々は、窒化インジウムガリウム材料を含むことが好ましい。

第１の導電型とは異なる第２の導電型（例えば、ｐ型）の半導体材料を含む第１の接合形成要素は、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合を形成するように、第１の活性領域の各々の周囲に配置される。第１の導電型とは異なる第２の導電型の半導体材料を含む第２の接合形成要素は、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合を形成するように、第２の活性領域の各々の周囲に配置される。

第１の成長テンプレートの各々は、（ａ）それぞれの活性領域に対する成長領域、（ｂ）露出成長面の比率及び（ｃ）隣接成長テンプレートからの間隔のうちの１つによって、第２の成長テンプレートの各々とは異なる。第１の量子井戸の各々は、第１の成長テンプレートと第２の成長テンプレートとの間の差異によって、第２の量子井戸の各々とは異なる量のインジウムを含むことが好ましい。例えば、第１の成長テンプレートの各々は、ナノピラミッド形状を有し、第２の成長テンプレートの各々は、ナノピラー形状又はナノワイヤ形状を有する。従って、第１の成長テンプレートの各々は、第２の活性領域に接触する第２の成長テンプレートのｐ面ファセット面積と比較して、第１の活性領域に接触する、より大きなｐ面ファセット面積を有する。これにより、第１の成長テンプレートと第２の成長テンプレートとの間のｐ面ファセット面積の差異のために、第２の量子井戸の各々と比較して、各々が、より多い量のインジウムを含み、より低いピーク発光波長を有する第１の量子井戸が得られる。

別の実施形態において、第１の開口部の各々は、第２の開口部の各々と実質的に同等の幅又は直径を有し、第２の開口部の各々が隣接する第２の開口部から離間されるのと比較して、隣接する第１の開口部からより遠くに離間され、第１の成長テンプレートの各々は、第２の活性領域に接触する第２の成長テンプレートの各々の成長領域と比較して、第１の活性領域に接触する実質的に同等の又はより小さな成長領域を有する。

別の実施形態において、複数の第３の発光素子は、支持部の第３の領域にわたって更に配置され、第３の発光素子の各々は、第１のピーク発光波長及び第２のピーク発光波長とは異なる第３のピーク発光波長を有する。第３の発光素子の各々は、第３の領域における成長マスクの第３の開口部から突出する第３のナノワイヤコアを含む第３のナノピラミッド成長テンプレートを含み、第３の開口部の各々は、第１の開口部及び第２の開口部の各々と実質的に同等の幅又は直径を有し、第１の開口部及び第２の開口部の各々が隣接する第１の開口部及び第２の開口部のそれぞれから離間されるのと比較して、隣接する第３の開口部からより遠くに離間される。第３の成長テンプレートの各々は、第１の活性領域及び第２の活性領域のそれぞれに接触する第１の成長テンプレート及び第２の成長テンプレートの各々の成長領域と比較して、第３の活性領域に接触する実質的に同等の又はより小さな成長領域を有し、第３のピーク発光波長は、第１のピーク発光波長及び第２のピーク発光波長より長い。

別の実施形態において、第１の開口部の各々は、第２の開口部の各々より実質的に大きな幅又は直径を有し、第２の開口部の各々が隣接する第２の開口部から離間されるのと比較して、隣接する第１の開口部から実質的に同等に又はより遠くに離間され、第１の成長テンプレートの各々は、第２の活性領域に接触する第２の成長テンプレートの各々の成長領域と比較して、第１の活性領域に接触する実質的に同一の又はより小さな成長領域を有する。

第１の発光素子及び第２の発光素子は、発光ダイオードを含み、第１の接合形成要素及び第２の接合形成要素の各々は、半導体シェル、複数の成長テンプレートに接触する連続した半導体層又は複数の成長テンプレートに接触する格子間ボイドを有する連続した半導体層から選択される。

別の実施形態は、第１の領域の複数の第１の開口部及び第２の領域の複数の開口部を有する成長マスクを含む成長基板を提供することと、同一のナノ構造成長工程において、第１の開口部を介して複数の第１のナノ構造及び第２の開口部を介して複数の第２のナノ構造を選択的に成長させることであって、第１のナノ構造及び第２のナノ構造が第１の成長テンプレート及び第２の成長テンプレートのそれぞれの内側部分又は全体を含むことと、を備える発光素子を製造する方法を提供する。方法は、同一の活性領域成長工程において、第１の成長テンプレート及び第２の成長テンプレートのそれぞれの上で第１の活性領域及び第２の活性領域を成長させることと、第１の発光素子及び第２の発光素子のそれぞれを形成するように、同一の接合形成要素成長工程において、第１の活性領域及び第２の活性領域のそれぞれの上で第１の接合形成要素及び第２の接合形成要素を成長させることと、を更に備える。第２の発光素子の各々が第１の発光素子の各々の第１のピーク発光波長とは異なる第２のピーク発光波長を有するように、第１の成長テンプレートの各々は、第２の成長テンプレートの各々とは異なる。

別の実施形態は、基板と、基板の第１の領域にわたって配置された第１の半導体ナノ構造を含む複数の第１の成長テンプレートと、基板の第２の領域にわたって配置された第２の半導体ナノ構造を含む複数の第２の成長テンプレートと、を備える中間半導体構造を提供する。第１の成長テンプレートの各々は、（ａ）それぞれの活性領域に対する成長領域、（ｂ）露出成長面の比率及び（ｃ）隣接成長テンプレートからの間隔のうちの少なくとも１つによって、第２の成長テンプレートの各々とは異なる。

別の実施形態は、上述の中間半導体構造を提供することと、同一の活性領域成長工程において、第１の成長テンプレート及び第２の成長テンプレートのそれぞれの上で第１の窒化インジウムガリウム半導体活性領域及び第２の窒化インジウムガリウム半導体活性領域を成長させることと、を備える半導体デバイスを製造する方法を提供する。第１の活性領域の各々は、第１の成長テンプレートと第２の成長テンプレートとの間の差異によって、第２の活性領域の各々とは異なる量のインジウムを含む。

別の実施形態は、Ｖ族制限成長様式でＭＯＣＶＤによって基板にわたってＩＩＩ−Ｖ族ナノワイヤを成長させることを備えるＩＩＩ−Ｖ族半導体ナノワイヤを成長させる方法を提供する。

図１Ａは、本発明の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図１Ｂは、図１Ａの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図２Ａは、本発明の別の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図２Ｂは、図２Ａの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図２Ｃは、本発明の別の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図２Ｄは、図２Ｃの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図３Ａは、本発明の別の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図３Ｂは、図３Ａの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図４Ａは、本発明の別の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図４Ｂは、図３Ａの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図５Ａは、本発明の別の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図５Ｂは、図５Ａの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図６Ａは、本発明の別の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図６Ｂは、図６Ａの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図７は、本発明の半導体デバイスの実施形態を示す垂直断面図である。 図８Ａは、本発明の別の実施形態における半導体デバイスを示す上面図である。 図８Ｂは、図８Ａの線Ａ−Ａに沿った垂直断面図である。 図９Ａは、ナノワイヤ長対マスク開口部間隔を示す理論グラフである。 図９Ｂは、ナノワイヤ長対マスク開口径を示す理論グラフである。

本明細書において、
「ｐ面」は、「ピラミッド面」を意味し、ＩＩＩ族窒化物系における

を示し、
「ｃ面」は、｛０００１｝面を示し、
「ｍ面」は、

を示す。特に指定のない限り、成長率は、層の成長率を意味する。通常、選択成長において、体積成長率は、幾何学的配置に関わらず一定である。以下で説明する本発明の一側面は、半導体材料の成長体積量をローカルに設定する機能を提供する。

本明細書において、「動力学的制限成長様式」は、成長率が主にエネルギー障壁（低温、原料物質の分解、表面結合の解除など）によって妨げられて、熱力学的平衡に到達する成長様式を意味する。「マスフロー制限成長様式」は、成長領域における堆積物が大部分は妨げられていないが、成長率が成長領域における原料物質の濃度によって制限される成長様式を意味する。「ＩＩＩ族制限成長様式」は、１つ又は複数のＩＩＩ族列元素に対してマスフロー制限される成長様式を意味し、「Ｖ族制限成長様式」は、１つ又は複数のＶ族列に対してマスフロー制限される成長様式を意味する。

成長系は、通常、これらのパラメータを組み合わせた部分集合によって制限される。成長系において深刻な慣性反力障壁が存在するとしても、成長率は、原料濃度によって制限されることが多い。Ｖ〜ＩＩＩ族制限成長率の相対的な重要性（ｗｅｉｇｈｔ）は、全Ｖ／ＩＩＩ族比を変更することによって、最も容易に調整される。動力学的制限成長率対マスフロー制限成長率の相対的な重要性は、動力学的障壁の起源に依存するため、より複雑である。これを変化させる通常のパラメータは、温度、全圧、全流量、キャリアガス及びＶ／ＩＩＩ族比である。各元素群の５０％が堆積される必要があるＶ／ＩＩＩ族の成長において、２つの族のうちの１つのみが成長率を制限しているように、一方の族元素が動力学的に制限され、他方の族元素がマスフロー制限されることを実現することも重要である。従来のＶ／ＩＩＩ族の成長において、ＭＯＶＰＥ法及び同様な成長法で、高品質材料は、例えば、１，０００〜１０，０００などの少なくとも１，０００のＶ／ＩＩＩ族原料ガスマスフロー比を使用するＧａＮにおいて、Ｖ族材料の高オーバフローで成長することが多い。これらの条件の下、成長率は、ＩＩＩ族で制限され、Ｖ族濃度は、成長表面へのＶ族材料の飽和オーバフローを維持するように高い。これに対して、Ｖ族制限成長モードにおいて、Ｖ／ＩＩＩ族比は、０．００１〜１００などの１，０００未満であり、例えば、０．００１〜０．１などの１未満であることが好ましい。

成長率の種類を決定するために、ある特定の成長条件における制限は、相対的に簡単であり、条件パラメータを変更すること及び成長率（例えば、厚さ測定）の変化を記録することによって実行される。動力学的障壁のエネルギーの高さは、温度に依存して成長率を測定することによって推論される。

なお、ＧａＮによるＮＨ_３の分解効率の動力学的障壁は、適切に設けられるが、以下の理論部分においては説明されない追加パラメータである。理論部分は、流量及び成長領域を単に幾何学的なものとして扱い、成長率に対する体積衝撃係数を扱う。

その他の材料系に基づく成長可能な緑色の蛍光体及び緑色ＬＥＤを実現するのが困難であったため、１つの工程における幾つかのカラーＬＥＤの同時成長は、光の白色を抽出するためのＲＧＢ（赤緑青）、ＹＢ（黄青）又はＹＧＢ（黄緑青）の組み合わせ（即ち、ＲＧＢ、ＹＢ又はＹＧＢのピーク波長発光の組み合わせに基づく白色発光ＬＥＤ）だけでなく、高効率ＧＢ（緑青）に対しても商業的に高い関心となるだろう。従来技術のデバイスの欠点を鑑みて、本発明者らは、ＬＥＤアレイなどの光電子デバイスを形成するために使用可能な選択的に成長した構造を発明する。本明細書において使用されるように、１つの工程における同時成長という用語は、異なる色を発するＬＥＤの対応する層又は構造が１つの工程において成長することを意味する。従って、例えば、異なる色を発するＬＥＤのナノ構造コアは、同一の第１の工程において成長し、異なる色を発するＬＥＤのＱＷ活性領域は、同一の第２の工程において成長し、異なる色を発するＬＥＤの接合形成要素又は接合形成シェルは、同一の第３の工程において成長する。

半導体ＬＥＤ素子のアレイは、活性領域を含むシェル及びボリュームエレメントシェルによって取り囲まれた、本明細書においてはテンプレートと呼ばれるナノ構造（例えば、ナノワイヤ又はナノピラミッド）コアを含むことが好ましい。そのようなナノ構造ＬＥＤは、光又はＵＶ放射の「点光源」であると考えられ、伸張したストライプ又は平面バルク半導体層を含む従来技術のＬＥＤ構造とは異なる。テンプレートは、ナノワイヤコアなどの単一の成長層を含んでもよいが、以下に説明されるように複数の層から形成されてもよい。

以下の実施形態のうちの幾つかにおいて、Ｖ族制限条件／様式は、マスクの開口を介したナノワイヤコア成長工程において例示される。しかしながら、Ｖ族制限が製品として十分に良質な材料で達成される、その他のあらゆる適切な成長様式、例えば、ＶＬＳ成長法又はその他の選択成長法が利用されてもよい。従って、Ｖ族制限成長工程である選択的ナノワイヤ成長は、本発明を限定するものではなく、単に例示するために使用される。

１つの実施形態において、アレイは、幾何学的配置の点で異なる性質、例えば、個々の元素の長さ及び／又は幅、並びに／或いは異なる元素間の間隔を有するナノ構造などの少なくとも２つの半導体構造を含む。また、量子井戸の領域及びＱＷが成長するテンプレート上での相対ファセット分布は、異なってもよい。以下の例において、特に、望ましいマルチカラー（即ち、複数のピーク波長）発光の効果を提供するために、異なる幾何学的性質を有する元素は、選択されたパターンに応じて、ともに分類されるのがよい。異なる光学的性質及び幾何学的性質を有する元素又は元素群は、即ち、チップレベルで色を混合するため又はその他の光学的相互作用を容易にするために、混合パターンで製造されてもよい。

別の実施形態において、マルチカラーＬＥＤアレイを製造する方法は、アレイにおいて半導体構造の種々の幾何学的配置を提供するために、異なるサイズ（面積及び／又は直径）、並びに／或いはマスクの種々の部分における開口部間の異なる間隔を有する成長開口部のパターンを含む成長マスクを形成することを備える。方法は、半導体構造の製造中に成長チャンバ外のその他の処理工程、例えば、エッチング及びイオン注入を必要とせずに、半導体構造（例えば、ナノワイヤコア）の複数の族の元の位置の成長を利用する。幾つかの実施形態において、方法は、テンプレートを形成するために、少なくとも１つのナノワイヤコア成長工程及びコアの周囲で放射層を成長させる１つ以上の工程を含む複数の工程成長モードを含む。

方法の利点は、より大きな半導体構造を製造するために、小さな設置面積の開口部を使用する機会である。それにより、半導体構造の総底面積と比較して、かなり小さな断面設置面積によって区別されたデバイスを形成し、設置面積が小さいため、基板と比較して、結晶欠陥が少なくなる、或いは、転位密度が低くなる。方法の別の利点は、種々の構造形状及び相対ファセット面積率を同時に（即ち、同一の成長工程において）製造できることである。放射層成長に遷移するまで成長領域が変化しない成長様式を導入することによって、構造の高さ、即ち、結果として得られる構造の形状は、以下に説明されるように、開口部のサイズ及び／又は間隔のうちの１つの影響を受けないようにできる。

方法は、アレイにおいて種々のＬＥＤによる異なる波長発光を最適化するために、結果として得られるナノワイヤの長さが連続してマスクの幾何学的配置に依存しないように又は依存するように制御されるナノワイヤ成長様式を利用することを更に備える。

本発明の一側面は、同様な高さであるが異なる形状（例えば、異なる厚さのナノワイヤ、並びに／或いは、ナノワイヤ及びナノピラミッド）の半導体構造（例えば、ナノ構造コア）群を製造する実現性を示す。本発明の別の側面は、高さは異なるが同様な形状の半導体構造群を製造する実現性を示す。

本発明の一側面は、略同一の形状を有するが総面積の異なる層を含む半導体構造群を製造する機能を提供することである。別の側面によって、略同一の面積を有するが形状の異なる層を含む半導体構造群を製造できる。

本発明の一側面は、略同一の面積を有するが、族間の相対ファセット面積率の異なる層を含む半導体構造群を製造する機能を提供する。本発明の別の側面は、同様な間隔、族間の相対ファセット面積率の異なる層を含む半導体構造群を製造する機能を提供する。

一般的な一側面において、本発明は、複数の個々の選択的に成長した構造群が、種々の構造群から異なる色の発光を提供するためにサイズ、幾何学的配置、間隔及び基板にわたって分布の点で異なる性質を有する基板上に提供された選択的に成長した光電子構造又は光電子素子に関する。幾何学的配置の点で、個々の元素は、同一の長さ及び／又は高さ、或いは、異なる長さ及び／又は高さを有し、異なる又は同一の有効径（又は幅）を有し、異なるファセットを示し、全体的に幾何学的配置は、個々の元素及び元素群間の成長のために、マスクの開口部間の間隔又はサイズに基づいて変動する。

従って、本発明の実施形態は、基板と、基板から突出する少なくとも２つの成長元素（例えば、ナノ構造コア）とを提供する。コアは、基板にわたって成長マスクの開口部を介して基板から突出することが好ましい。ナノ構造コアは、いずれかの横方向において３μｍ以下、例えば、１００ｎｍ〜１μの横方向延長部（即ち、直径又は幅）と、５０ｎｍ〜１０μｍ、例えば、０．１μ〜５μの高さとを有することが好ましい。ナノ構造コアの例は、以下に説明するナノワイヤ（即ち、ナノピラー）コア及びナノピラミッドコアを含む。上述したように、ナノ構造コア自体又は１つ以上のシェル層を有するナノ構造コアは、成長テンプレートを形成する。更に、要望に応じて、完成したデバイスが自立型のデバイスであるか、或いは、異なるハンドル基板に取り付けられるように、成長基板は、基板にわたってコアが成長した後に除去されてもよい。

ＩｎＧａＮ量子井戸（「ＱＷ」）活性領域に対して、ＩｎＧａＮ半導体層（例えば、半導体ナノ構造コア上のＱＷシェル）の成長率がより高い結果、量子井戸により多くのインジウムが取り入れられる。より多くのインジウムが取り入れられる結果、ＱＷ半導体材料のバンドギャップが狭くなるため、ＬＥＤによって発光されるピーク波長（即ち、発光された色の赤色シフト）が長くなる。

第１の実施形態において、互いにより近くに離間される第２の成長領域（例えば、テンプレート）と比較して、非成長領域（例えば、マスクされた基板領域）によって互いにより遠くに離間される第１の成長領域上（例えば、ナノワイヤテンプレート又はナノピラミッドテンプレート上）でより高いＱＷ成長率が発生する。従って、第１の実施形態において、第１の成長領域は、第２の成長領域の隣接テンプレートより長い距離だけ隣接テンプレートから離間される半導体テンプレートを含む。活性領域が第１群及び第２群の成長領域の両方で同時に同一の成長工程において形成される場合でも、このような間隔の差異によって、結果として、第２の成長領域のテンプレート上より第１の成長領域のテンプレート上に形成された活性領域（例えば、ＱＷ）において、より多くのインジウムが取り入れられる。第１の成長領域において形成されたＬＥＤは、第２の成長領域において形成されたＬＥＤより長いピーク発光波長を有する。

第１の成長領域のより広く離間されたテンプレートは、より大きな高さを有するため、一般的なＩＩＩ族制限（例えば、マスフロー制限）ＭＯＣＶＤ成長様式で第２の領域のより狭く離間されたコアより大きな露出表面積を有する。第１の領域のコアのより大きな高さ及び表面積は、第２の領域のコア上に形成された活性領域と比較して、第１の領域のテンプレート上に形成された活性領域に取り入れられるインジウムがより少ないことを意味する。従って、コアの高さ及び面積の差異は、活性領域と発光波長とを区別する際にテンプレート間の間隔の差異に不利に作用する。

本発明者らは、ＩＩＩ−Ｖ族の成長において使用された従来のＩＩＩ族制限様式とは対照的なＶ族材料制限成長様式を導入することによって、第１の成長領域及び第２の成長領域のテンプレートの高さの差異をより小さく又は同等にさえできると保証することを認識した。これは、後続の層に対する成長領域の合計が第２の成長領域より大きくなることを更に意味する。従って、第１の実施形態のテンプレートは、少なくとも１つの成長工程、例えば、Ｖ族材料制限成長様式で動作する少なくとも１つの有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）成長工程によって、成長マスクの開口部を介して形成されることが好ましい。この様式において、相対的に低いＶ〜ＩＩＩ族の原料ガス比（例えば、アンモニア：ＧａＮコアに対して０．００１〜１００などの１，０００を下回るＴＥＧ比又はＴＭＧ比）が使用されるため、成長は、Ｖ族元素（例えば、窒素）制限される。なお、ナノ構造（例えば、ナノワイヤ）コア及び１つ以上のシェルの両方を含むテンプレートに対して、以下に説明されるように、シェルはＩＩＩ族又はＶ族制限モードで成長してもよいが、ナノ構造コアはＶ族制限モードで成長することが好ましい。従って、テンプレート（例えば、ナノワイヤコア又はナノワイヤコア＋少なくとも１つのシェル）の高さ及び面積は、第１の領域及び第２の領域におけるＬＥＤに対する異なる発光波長を保証する際にテンプレート間隔の差異に不利に作用しない。以下において更に詳細に説明されるように、アンモニアのより多い又はより少ない瞬間的な気相拡散（ＴＥＧ又はＴＭＧと比較して）によって、成長がＶ族（例えば、アンモニア）に制限される場合に、ローカルに気相濃度が低下しない原料が得られる。

第２の実施形態において、テンプレートのｍ面上で成長した活性領域と比較して、テンプレートのｐ面上で成長した活性領域（例えば、ＱＷ）に、より多くのインジウムが取り入れられる。従って、第２の実施形態において、第１の成長領域のテンプレートは、第２の領域のテンプレートより大きな露出ｐ面ファセット面積（及びより小さなｍ面ファセット面積）を含む。換言すれば、テンプレートのうちの少なくとも２つは、異なる面積のファセット比又は形状を有する。面積のファセット比は、少なくとも２つのそのようなファセット、例えば、ｐ面ファセット及びｍ面ファセットの相対面積である。

マスクの開口部を介した成長によって形成されるテンプレートに対して、第１の成長領域のマスクは、第２の成長領域のマスクより大きな開口部を含む。これにより、第１の成長領域に形成される露出ｐ面の面積がより大きなナノピラミッドテンプレート、露出ｐ面（例えば、ナノワイヤの先端部においてのみ露出したｐ面）の面積がより小さく、且つ、露出ｍ面（例えば、六角形の断面のナノワイヤテンプレートの側壁上に露出した）がより大きなナノワイヤテンプレートが形成される。活性領域が第１の成長領域及び第２の成長領域の両方で同時に同一の成長工程において形成される場合でも、このようなテンプレート上に露出したｐ面面積の量の差異によって、結果として、第２の領域の成長領域上に形成された活性領域（例えば、ＱＷ）と比較して、第１の領域のテンプレート上に形成された活性領域（例えば、ＱＷ）に、より多くのインジウムが取り入れられる。従って、第１の成長領域において形成されたＬＥＤは、第２の成長領域において形成されたＬＥＤより長いピーク発光波長を有する。

より大きな成長領域上の活性領域の成長率は、より小さな成長領域上の成長率より遅い。従って、より小さな面積のテンプレート上に形成された活性領域と比較して、より大きな面積のテンプレート上に形成された活性領域に取り入れられるインジウムは、より少ない（テンプレートサイズの相対的な差異より大きな影響を合計のローカル成長領域に与える程度に間隔が変更されない限り）。従って、ｐ面ファセット優勢テンプレート（例えば、ナノピラミッドテンプレート）がｍ面ファセット優勢テンプレート（例えば、ナノワイヤテンプレート）より小さな面積又は高さを有する場合、ｍ面ファセット優勢テンプレートに取り入れられるインジウムは、より少なくなる。これにより、ナノピラミッドテンプレートとナノワイヤテンプレートとの間の露出ｐ面面積の差異のプラスの効果が増す（即ち、総面積の差異は、露出ｐ面面積の差異と相乗作用を示す）。

本発明者らは、例えば、開口部の密度を増加させることでローカル成長領域を増加させることによって、Ｖ族制限様式で成長する際により遠くに離間されたコアと比較して、密集して成長したコアの高さが更に増加することを認識した。元素として存在する窒素に対して分解する際に深刻な動力学的ボトルネックを有する、特に、ここではＮＨ_３により例示されたＶ族原料によって、その効果を説明する。約１５％のＮＨ_３は、ＧａＮ表面によって触媒された９５０℃で分解される。ＧａＮなしでの又は窒化シリコンマスクなどの誘電体表面に露出した場合の気相分解のおおよその見積もりは、８００℃〜１，０００℃の一般的なＧａＮ成長温度において、１％〜３％である。コアのより密集した間隔によって形成されたＧａＮテンプレートの拡大された表面積は、このように、Ｖ族制限成長率及びより近くに離間されたテンプレートの高さを互いにより遠くに離間されたテンプレートの高さ以上に向上できる。これは、第２の成長領域のより近くに離間されたテンプレートの総面積が第１の成長領域のより遠くに離間されたテンプレートの総面積より大きいことを保証する。従って、第２の成長領域のテンプレートが第１の成長領域のテンプレートより大きな面積又は高さを有し、それにより、第２の成長領域において成長した活性領域により多くのインジウムが取り入れられることを保証するために、Ｖ族制限成長様式を使用するのが望ましい。従って、第２の実施形態のＩＩＩ族窒化物のナノワイヤテンプレート又はナノピラミッドテンプレートは、ＧａＮが引き起こすＮＨ_３Ｖ族原料ガスの接触分解の増加を正当化するために、十分な密度の開口部と組み合わせてＶ族制限様式で動作する有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）方法によって、成長マスクの開口部を介して形成されることが好ましい。この結果、第１の成長領域よりも第２の成長領域において、より高く、且つ、より面積の大きなテンプレートが得られる。

第３の実施形態は、第１の実施形態と第２の実施形態との組み合わせである。第３の実施形態において、成長マスクの開口部は、第２の成長領域よりも第１の成長領域において大きく、第２の成長領域よりも第１の成長領域において遠くに離間される。従って、開口部の間隔及びサイズは、第１の成長領域及び第２の成長領域において形成されたＬＥＤ間のピーク発光波長の差異を相乗効果的に増加させる。

本実施形態において、第１の成長領域のテンプレートの高さは、第２の成長領域のテンプレートの高さより大きいことが好ましい。第１の成長領域におけるＧａＮ表面積の増加、上述したようなＮＨ_３分解の動力学的障壁を利用することによって、この効果を向上できる。従って、第１の領域と第２の領域との間において開口部間隔の差異が開口部サイズの差異よりはるかに大きくない限り、第３の実施形態においてテンプレート成長に含まれたＮＷコア成長工程は、Ｖ族材料制限成長様式で実施されることが好ましい。この場合、ＩＩＩ族制限成長様式が使用されることが好ましい。なお、活性領域（例えば、ＱＷ）及びシェル成長は、テンプレートを成長させるために使用された様式に関係なく、全ての３つの実施形態においてＩＩＩ族制限成長様式で実施されることが好ましい。

従って、ＬＥＤ又はその他の光電子デバイスに対するテンプレートを成長させるために使用されたマスクは、各成長領域における種々の形状のテンプレートの成長及び後続してテンプレート上の異なる構成物（例えば、異なるインジウム含有量）を有する活性領域の成長を促進するために、種々の成長領域において間隔及び／又はサイズの異なる開口部を含む。

選択成長という用語は、他の表面における成長が低いか又はごく僅かである少なくとも１つの表面上のエピタキシャル成長を示す。ＭＯＣＶＤによる選択的なナノ構造テンプレートの成長は、成長がマスク上で成長しない開口部に限定されるエピタキシャル基板にわたって開口を有するマスクを使用することが好ましい。しかしながら、ＶＬＳなどのその他の形式のナノ構造（例えば、ナノワイヤ）成長又は粒子によって向上した成長は、結晶のある方向又はファセットがその他のファセットよりかなり速く成長しているように更に選択的である。ナノワイヤ成長は、表面選択成長と呼んでよいが、表面選択成長という用語は、ある表面又はファセットがその他の表面より速く成長しているあらゆる種類の構造に対しても使用されている。従って、本発明は、マスク開口部を介したテンプレート成長に限定されるものではなく、種々のその他の種類のナノ構造テンプレートを含む。更に、成長法は、ＭＯＣＶＤに限定されず、例えば、ＣＢＥ、ＭＢＥ、ＬＰ−ＭＯＶＰＥなどのその他の方法を含む。効果的及び特徴的な選択成長形態が実現されるあらゆる方法が実行可能である。

光電子デバイスは、形状、サイズ及び／又はピッチの異なるテンプレートを有するＬＥＤアレイであることが好ましい。各テンプレートは、第１の導電型の半導体テンプレート（例えば、ｎ型のＧａＮナノワイヤ又はナノピラミッドテンプレート）であることが好ましい。テンプレート、活性領域（例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸）及び第２の導電型のシェル（例えば、ｐ型ＧａＮシェル）は、ｐｉｎ接合を形成する。電圧が接合にわたって印加される場合、活性領域は、光（例えば、可視光又はＵＶ放射線）を発する。アレイにおいて、少なくとも２つのＬＥＤから発せられた光は、異なる波長を有する。発せられた光の異なる波長は、異なる面積を示す少なくとも２つのテンプレートによって達成される。

図１乃至図６を参照して、上述したマスク開口部及びナノ構造テンプレートの構成の種々の限定しない実施形態を説明する。図１Ａ乃至図６Ａは、マスク開口部におけるナノ構造テンプレートを示す上面図であり、図１Ｂ乃至図６Ｂは、それぞれ、図１Ａ乃至図６Ｂの各々の線Ａ−Ａに沿った図１Ａ乃至図６Ａのそれぞれにおけるデバイスを示す垂直断面図である。３つの異なる変数は、これらの図において示された多数の組み合わせ、即ち、１）開口部と開口部の群との間の間隔、２）マスク開口部サイズ、及び、３）テンプレート成長（例えば、テンプレートナノ構造コア成長）を含む成長工程のうちの１つがＶ族又はＩＩＩ族で制限されるかで変動する。

図１Ａ及び図１Ｂは、異なる方法で離間されたテンプレートが２つの異なる波長を発するＬＥＤに提供されている第１の実施形態を示す。これらの図において、成長マスク６（例えば、窒化シリコン層又は別の絶縁材料層）は、基板５（例えば、シリコン、ＧａＮ、サファイヤなど）にわたって成長する。基板５は、マスク６の下に、半導体バッファ層（例えば、理解を容易にするために示されないＧａＮ、ＡｌＧａＮなど）を含む。図１Ａは、第１の成長領域８ａ及び第２の成長領域８ｂのそれぞれのナノ構造テンプレート２ａ、２ｂの２群を含むＬＥＤチップを示す概略上面図である。図１Ｂは、図１の線Ａ−Ａに沿った元素を通る断面を含む垂直断面図である。図に示されるように、基板５上には複数の成長領域８ａ、８ｂ（例えば、交互の第１の成長領域及び第２の成長領域）がある。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、テンプレート２ａ、２ｂの幾何学的配置は、マスク６の開口部１０ａ及び１０ｂの間隔によって制御される。開口部１０ａ、１０ｂは、同一のサイズ（例えば、同一の幅、長さ及び／又は直径）を有し、開口部間の間隔は、成長領域８ａ及び８ｂにおいて異なる。ナノワイヤコア成長を相対的に大きなＶ：ＩＩＩ族流量比によるＩＩＩ族制限に設定することによって、成長領域８ａのテンプレートの高さは、成長領域８ｂのテンプレートの高さより大きくなる。これらの図に示されるように、ナノピラミッド型テンプレート２ａ、２ｂは、ナノワイヤコア成長後の放射状（ピラミッド状）のシェル成長工程のＩＩＩ族制限条件のために、それぞれの成長領域８ａ、８ｂのそれぞれの開口部１０ａ、１０ｂにおいて選択的に成長する。開口部１０ａ及び１０ｂが縮小する場合、その他のテンプレートの種類（例えば、ナノワイヤテンプレート）が成長してもよい。本実施形態において、Ｖ族制限成長工程は、正当化されない。

第１の成長領域８ａの第１の開口部１０ａは、第２の成長領域８ｂの第２の開口部１０ｂより隣接開口部から広く離間される。従って、第１の成長領域８ａの第１の開口部１０ａから突出する第１のナノピラミッドテンプレート２ａは、第２の成長領域８ｂの第２の開口部１０ｂから突出するナノピラミッドテンプレート２ｂより隣接テンプレートから広く離間される。

テンプレート間の間隔が異なるため、同一の後続の工程において、テンプレート２ａ、２ｂ上に形成される活性領域（例えば、ＱＷ）へのＩｎの取り込みは異なる。特に、活性領域の成長工程の間、第２のテンプレート２ｂ上の活性領域と比較して、第１のテンプレート２ａ上の活性領域に、より多くのＩｎが取り込まれることになる。従って、バンドギャップは、第２のテンプレート２ｂ上より第１のテンプレート２ａ上で成長した活性領域において広くなる。特に、第１のテンプレート２ａ上で成長した、あまり密集せずに配置されたＬＥＤは、より長い波長光（例えば、赤色光、黄色光又は緑色光）を発光でき、第２のテンプレート２ｂ上により密集して配置されたＬＥＤは、より短い波長光（例えば、青色光）をできる。

なお、格子間のマスク面積が８ａ及び８ｂの間隔差とともに増加したほどテンプレート２ｂより大きなテンプレート２ａの表面積が増加していないということによって、これは条件付けられる。第２のナノピラミッドテンプレート２ｂと比較して、第１のナノピラミッドテンプレート２ａは、より大きな高さを有するため、ＩＩＩ族列制限成長様式に起因して、より大きな露出表面積を有する。テンプレート２ａのより大きな高さ及び表面積は、テンプレート２ｂ上よりテンプレート２ａ上に形成された活性領域に取り入れられるインジウムがより少ないことを意味する。従って、テンプレートの高さ及び面積の差異は、発光波長と活性領域とを区別する際に、テンプレート間の間隔の差異に不利に作用する。

従って、本発明者らは、テンプレートが異なる成長領域において異なる間隔を有する場合（但し、両方の成長領域において開口部サイズが同一の場合）、Ｖ族制限成長様式でテンプレートを成長させるのが好ましいことを認識した。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、Ｖ族制限成長様式が同一のサイズの開口部１０ａ、１０ｂで使用される場合、領域８ａの成長マスク６のより広く離間された開口１０ａから突出するテンプレート２ａは、ナノピラミッド形状を有し、領域８ｂの成長マスク６のより狭く離間された開口１０ｂから突出するテンプレート１０２ｂは、ナノワイヤ（例えば、ナノピラー）形状を有する。

ナノピラミッドテンプレート２ａ及びナノワイヤテンプレート２ｂは、ほぼ同一の高さ及びそれらがＶ族制限成長モードで成長する同様な露出表面積を有する。これは、テンプレート２ａ及び１０２ｂの露出表面積の小さな差異（もしあれば）が、テンプレート上の活性領域に取り込まれるインジウムの量の差異に大きな悪影響を及ぼさないことを意味する。更に、ナノワイヤテンプレート１０２ｂは、大部分の側壁に沿って露出したｍ面「ｍ」ファセット及び先端部に近接して露出したｐ面「ｐ」ファセットを有する。これは、露出ｐ面ファセットの面積がナノワイヤテンプレート１０２ｂより大きなナノピラミッドテンプレート２ａ上に形成された活性領域が、相乗効果的にナノワイヤテンプレート１０２ｂのｍ面ファセット上に形成された活性領域より多くのインジウムを取り込むことを意味する。従って、領域８ａのナノピラミッドテンプレート上に形成された活性領域は、領域８ｂのナノワイヤテンプレート１０２ｂにおいて形成された活性領域より更により長い波長を発する。従って、Ｖ族制限成長様式は、領域８ａ及び８ｂのＬＥＤ間の発光波長の差異を大きくする。

図２Ｃ及び図２Ｄは、第２の成長領域８ｂにおけるＮＨ_３のＧａＮ媒介の接触分解の増加を正当化するように、十分に高い密度の領域８ｂの開口部及び十分に高い成長温度と組み合わせてナノワイヤテンプレート１０２ｂ及びナノピラミッドテンプレート２ａがＶ族制限成長モードで成長する場合、ナノワイヤテンプレート１０２ｂがナノピラミッドテンプレート２ａより大きな高さ及びより大きな露出表面積を有する別の一実施形態を示す。

上述したように、約１５％のＶ族原料ガスＮＨ_３は、ＧａＮテンプレート表面による分解の触媒作用のために、９５０℃で分解される。ＧａＮテンプレートなしでの又はガスが窒化シリコンマスク６表面などの誘電体表面に露出する場合のＮＨ_３気相分解のおおよその見積もりは、８００℃〜１，０００℃の一般的なＧａＮ成長温度において、１％〜３％である。領域８ａより領域８ｂにおいてＧａＮコアの間隔がより密集している結果として、領域８ｂにおいてアンモニアガスに露出されたＧａＮの拡大された表面積は、Ｖ族制限成長率及び領域８ｂのより近くに離間されたナノワイヤ形状のテンプレート１０２ｂの高さを互いにより遠くに離間される領域８ａのピラミッド形状のテンプレート２ａの高さ以上に向上できる。これは、成長領域８ｂのより近くに離間されたテンプレート１０２ｂのテンプレートの総面積が成長領域８ａのより遠くに離間されたテンプレート２ａのテンプレートの総面積より大きいことを保証する。従って、成長領域８において成長した活性領域に更により多くのインジウムが取り込まれるために、成長領域８ｂのテンプレート１０２ｂが領域８ａのテンプレート２ａより大きな面積又は高さを有することを保証するために、十分に高い温度で（例えば、８００℃〜１，０００℃などの少なくとも８００℃、例えば、９５０℃〜１，０００℃で）Ｖ族制限成長様式を使用することが望ましい。換言すれば、テンプレート２ａがより小さな露出面積を有し、より遠くに離間され、且つ、より大きな露出ｐ面面積を有するため、領域８ｂのテンプレート１０２ｂ上で成長した活性領域と比較して、領域８ａのテンプレート２ａ上で成長した活性領域に、より多くのインジウムが取り込まれる。

図１及び図２には、２つの繰り返しの成長領域８ａ、８ｂしか示されないが、３つ以上の成長領域が同一の基板５上に形成されてもよい。例えば、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、３つの異なる成長領域８ａ、８ｂ及び８ｃが基板５上に形成されてもよい。マスク６の開口部１０ａ、１０ｂ及び１０ｃのサイズは、全ての３つの領域８ａ、８ｂ及び８ｃにおいて同一である。しかしながら、領域８ｃの開口部１０ｃは、領域８ａの開口部１０ａより広く離間され、領域８ａの開口部１０ａは、領域８ｂの開口部１０ｂより広く（大きなピッチで）離間される。限定しない実施形態において、ナノワイヤテンプレート１０２ｂは、領域８ｂにおいて形成され、ナノピラミッドテンプレート２ａ及び２ｃは、領域８ａ及び８ｃにおいてそれぞれ形成される。従って、領域８ｂのテンプレート１０２ｂ上に形成されたＬＥＤの活性領域は、最短発光波長（例えば、青色）を有し、領域８ａのテンプレート２ａ上に形成されたＬＥＤの活性領域は、中間発光波長（例えば、緑色）を有し、領域８ｃのテンプレート２ｃ上に形成されたＬＥＤの活性領域は、最長発光波長（例えば、赤色）を有する。当然のことながら、赤色、橙色、黄色、緑色及び青色の波長光を発するＬＥＤの活性領域を形成するために、４つ以上の成長領域が含まれてもよい（例えば、５乃至７つの領域）。

図４Ａ及び図４Ｂに示された別の実施形態において、成長領域８ａ及び８ｂの隣接開口部間の間隔を変動させるのではなく、成長領域８ａと８ｂとの間でマスク開口部１０ａ、１０ｂ又は領域のサイズを変動させる。隣接開口部間の間隔は、成長領域８ａ及び８ｂの両方において同一である。領域８ａの開口部１０ａは、領域８ｂの開口部１０ｂより大きい。

本実施形態において、成長様式は、相対的に小さなＩＩＩ：Ｖ族流量比によって制限されたＩＩＩ族に設定されることが好ましい。それにより、領域８ｂのより小さな開口部１０ｂから突出するテンプレートに対してよりも領域８ａのより大きな開口部１０ａから突出するテンプレートに対して成長領域がより大きいために、成長が垂直方向の成長に対して最初に設定されるため、領域８ａのテンプレートは、領域８ｂのテンプレートより広くて短い。これは、所定の時間の間、同等の量の材料がマスク開口部１０ａ、１０ｂにおいて堆積するためである。放射方向にテンプレートの成長が継続するか又は切り替わることによって、２つの異なるテンプレートの種類が得られる。ナノワイヤテンプレート又はナノピラーテンプレート１０２ｂは、領域８ｂのより小さな開口部１０ｂにおいて形成され、ナノピラミッドテンプレート２ａは、領域８ａのより大きな開口部１０ａにおいて形成される。ナノピラミッドテンプレート２ａは、ナノワイヤテンプレート１０２ｂと比較して、活性領域成長に露出されたｐ面側のファセット「ｐ」の量が多い。ナノワイヤテンプレート１０２ｂは、ナノピラミッドテンプレート２ａと比較して、より多くのｍ面側のファセット「ｍ」が露出される。ｐ面側のファセットによって、結果として、ｍ面側のファセットよりこれらのファセット上で成長した活性領域に多くのインジウムが取り入れられるため、領域８ａのナノピラミッドテンプレート２ａ上で成長した活性領域は、同一の成長工程の間、領域８ｂのナノワイヤテンプレート１０２ｂ上で成長した活性領域より長い波長光を発する。

更に、ＩＩＩ族制限成長様式において、ナノピラミッドテンプレート２ａと比較して、ナノワイヤテンプレート１０２ｂは、より高く、より大きな露出表面積を有する。これは、ナノワイヤテンプレート１０２ｂ上よりナノピラミッドテンプレート２ａ上に形成された活性領域に、より多くのインジウムが取り入れられることを意味する。この相乗効果によって、テンプレート２ａ上の領域８ａにおいて形成された活性領域（例えば、更により短い波長）と、テンプレート１０２ｂ上の領域８ｂにおいて形成された活性領域（例えば、更により長い波長）との間の発光波長の差異が更に増加する。上述したように、開口部サイズの異なる３つ以上の成長領域（例えば、３〜７つの領域）が使用されてもよい。

図５Ａ及び図５Ｂに示された第３の実施形態において、開口部間隔（第１の実施形態に係る）及び開口部サイズ（第２の実施形態に係る）の両方は、成長領域間で変動する。従って、成長領域８ａの開口部１０ａは、成長領域８ｂの開口部１０ｂと比較して、隣接開口部からより広く離間され、より大きなサイズを有する。

図５Ａ及び図５Ｂにおいて、領域８ｂの開口部の間隔がナノワイヤ成長工程中にＧａＮ表面積を増加させるのに十分なほど近接する場合（ＮＨ_３分解の動力学的効率を向上させるために）、テンプレートは、ＩＩＩ族制限成長様式又はＶ族制限成長様式で成長する。これらの両方の様式の結果、領域８ａの開口部１０ａから突出する、より短く、且つ、より遠くに離間されたナノピラミッドテンプレート２ａと、領域８ｂの開口部１０ｂから突出する、より高く、且つ、より近くに離間されたナノワイヤテンプレート１０２ｂとが得られる。これまでの実施形態において提供されたように、領域８ｂのテンプレート１０２ｂ上で成長したＬＥＤの活性領域と比較して、領域８ａのテンプレート２ａ上で成長したＬＥＤの活性領域は、より多くのインジウムを含み、より長い波長の光を発する。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、開口部１０ａ、１０ｂは、図５Ａ及び図５Ｂと同一のサイズ及び間隔を有する。しかしながら、ＮＨ_３分解がＧａＮ表面によって明らかに触媒作用を及ぼさない場合、テンプレートは、Ｖ族制限成長様式で成長する。この結果、領域８ａの開口部１０ａから突出する、より遠くに離間されたナノピラミッドテンプレート２ａと、領域８ｂの開口部１０ｂから突出する、より近くに離間されたナノワイヤテンプレート１０２ｂとが更に得られる。しかしながら、テンプレート２ａ及び１０２ｂは、ほぼ同一の高さを有する。これまでの実施形態において提供されたように、領域８ｂのテンプレート１０２ｂ上で成長したＬＥＤの活性領域と比較して、領域８ａのテンプレート２ａ上で成長したＬＥＤの活性領域は、より多くのインジウムを含み、より長い波長の光を発する。しかしながら、活性領域のインジウムの取り込み及び発光波長の差異は、一般に、図５Ａ及び図５Ｂの高さの異なるテンプレートを含むデバイスに対する差異より小さい。従って、開口部間隔の差異が開口部サイズの差異より非常により大きくない限り、ＩＩＩ族制限様式は、第３の実施形態に対して好ましい。ＧａＮ表面は、半径方向の成長においてテンプレートをマスク比率に設定するための、且つ、触媒表面である変化する変数（成長時間に依存する）である。ナノワイヤ成長モードにおいて成長がより長く継続するほど、触媒効果に対して差異がより大きくなる（即ち、ナノワイヤの上端及び側壁の両方がアンモニアの分解を助長するため、ナノワイヤが長いほど、使用可能なアンモニア分解領域が大きくなる）。

図１乃至図６に示されたテンプレート２、１０２を形成するために、あらゆる適切なＭＯＣＶＤ処理条件が使用されてもよい。ＭＯＣＶＤリアクタの圧力は、５ｋＰａ〜１００ｋＰａ（５０ｍｂａｒ〜１，０００ｍｂａｒ）であり、リアクタの温度は、５００℃〜１，２００℃、好ましくは、９００℃〜１，２００℃であることが好ましい。ＩＩＩ族原料ガスは、０．１２及び１．２μｍｏｌ／ｍｉｎ又は０．５〜１０ｓｃｃｍ／ｍｉｎの流量を有するＴＭＧ（トリメチルガリウム）又はＴＥＧ（トリエチルガリウム）である。Ｖ族原料ガスは、０．２〜１０ｓｃｃｍ／ｍｉｎ、例えば、０．２〜３ｓｃｃｍ／ｍｉｎの流量を有するアンモニアである。

処理は、ＩＩＩ族のＶ族に対する原料ガス流量比を変更することによって、ＩＩＩ族で制限されるか、或いは、Ｖ族で制限される。更に、Ｖ族制限様式は、ローカルＧａＮ総表面積によって、ローカルにある程度動力学的に制限されるように操作される。増加するＩＩＩ族原料ガスフローとともに、成長率が増加していないＩＩＩ族原料ガスの増加するフローを提供する結果、Ｖ族制限成長（即ち、高いＩＩＩ：Ｖ族比）が得られる。増加するＩＩＩ族原料ガスフローとともに、成長率が増加しているＩＩＩ族原料ガスのより低いフローを提供する結果、Ｖ族制限成長（即ち、低いＩＩＩ：Ｖ族比）が得られる。

図７に示されるように、完成した各ＬＥＤ１は、基板５上に形成される。基板５は、オプションのＧａＮ又はＡｌＧａＮのエピタキシャルバッファ層７を含むサファイヤ、ＳｉＣ、Ｓｉ又はＧａＮの基板を含む。マスク６は、ＰＥＣＶＤによって堆積された窒化シリコン又は酸化シリコンの層（厚さ２０ｎｍ〜５０ｎｍ）を含む。電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）、ナノインプリントリソグラフィ、光リソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又は湿式化学エッチングの方法などの当該技術分野において知られている幾つかの技術は、開口部１０ａ、１０ｂを形成するために使用される。各開口部は、５０ｎｍ〜２００ｎｍなどの１０ｎｍ〜５００ｎｍのサイズ（即ち、直径）であり、１５０ｎｍ^２〜０．５μ^２の面積を有し、０．５μｍ〜５μｍ離れて傾斜（即ち、離間）されることが好ましい。テンプレート２は、上述したように、更に動力学的制限又はマスフロー制限されるＩＩＩ族又はＶ族の制限工程から構成される別の適切な方法又はＭＯＣＶＤによって、開口部１０において選択的に成長する。テンプレート２は、第１の（例えば、ｎ型）導電型のドーパントを用いてドープされた別のＩＩＩ族窒化物半導体材料又はＧａＮを含む。

活性領域４（例えば、量子井戸）は、ＭＯＣＶＤ又は別の適切な方法によってテンプレート２上で成長し、第２の（例えば、ｐ型）導電型のシェルなどの接合形成要素３は、活性領域上で成長する。活性領域４及びシェル３は、ＩＩＩ族制限様式で成長することが好ましい。シェル３は、ｐ型ＧａＮを含み、活性領域は、予め選択されたＩｎのＧａに対する比率を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ量子井戸を含む（即ち、ｘは、０より大きく、且つ、１より小さい範囲で変動する）。ＩｎＧａＮは、インジウム含有量に基づいて約３７５ｎｍ〜１，１００ｎｍのピーク発光波長の適応性を有する。要望に応じて、量子井戸は、ＩｎＡｌＧａＮ又は別の適切な半導体材料などの４元材料を含んでもよい。ＩｎＡｌＧａＮは、約２００ｎｍ〜１，１００ｎｍの波長の材料適応性を高めるが、高品質成長のために更なる課題を取り入れる。その後、電極がテンプレート２及びシェル３との電気的コンタクトにおいて形成され、ＬＥＤが完成する。

本発明の一側面によって突出したアレイは、活性領域のＩｎ含有量が異なるために各領域における活性領域４バンドギャップが異なるＬＥＤ１の群（即ち、成長領域８ａ、８ｂなど）が別個に電気的にアドレス可能であるように並べられる。換言すれば、種々の駆動電圧又は駆動電流は、種々の成長領域におけるＬＥＤの種々の群に印加される。同一の駆動電圧が全ての元素に印加される場合、幾つかのデバイスの効率が低くなりすぎるか又は過剰な電圧がその他に印加され、それはエネルギー使用の観点から非効率であるため、これは望ましい。更に、ＬＥＤアレイによって発せられる光の色を変更するために、ＬＥＤの群のうちの幾つか（例えば、１つ以上）はｏｎにされ、ＬＥＤのその他の幾つか（例えば、１つ以上）の群はｏｆｆにされる。これは、各ＬＥＤ群と（例えば、各成長領域と）接触している別個の電極を形成し、各群からの電極対を１つ以上の電圧源又は電流源に別個に接続することによって達成される。

別の実施形態において、種々の成長領域における異なる色の光を発するＬＥＤは、直列に電気的に接続される。例えば、１つ以上の領域８ａは、１つ以上の領域８ｂと直列に接続される。

第４の実施形態において、単一のテンプレート上の各活性領域が複数の波長を発するようにできる。各活性領域が３つの波長を発することができる図８Ａ及び図８Ｂにおいて、限定しない一例を示す。これは、開口部１０の行（ｒｏｗｓ）を含むマスク６開口部１０パターンのレイアウトによって達成される。各行「ｒ」における開口部１０は、隣接開口部に対して近くに離間されるが、行「ｒ」間には相対的に大きな距離がある。例えば、同一の行「ｒ」における隣接開口部間の距離「ｙ」は、少なくとも２倍大きく、例えば、隣接行における隣接開口部間の距離「ｘ」より２〜１０倍大きい。行間の距離ｘは、図７に示された個々のＬＥＤ１の幅の少なくとも２〜３倍であることが好ましい。

従って、ＬＥＤ１は、個々のテンプレートのファセットが同一の行における隣接テンプレートから狭い距離「ｙ」だけ離間される行に提供される。それにより、活性領域４へのＩｎの取り込みを抑制／阻止する。従って、同一の行における隣接ＬＥＤ１に対面するテンプレート２のｍ面サイドファセット上の活性領域４の部分４ｂは、最少量のインジウム、即ち、最短発光波長（例えば、青色領域において）を有することになる。一方、近接する隣接ＬＥＤがない行の側に対面する（即ち、隣接行に対面する）テンプレート２のｍ面サイドファセット上に形成された活性領域４の部分４ａは、より多くのＩｎを取り込む傾向がある。従って、活性領域の部分４ａは、部分４ｂより長い波長（例えば、緑色領域において）を有する発光を有する。最後に、テンプレート２の上端のｐ面ファセット上に形成された活性領域４の部分４ｃは、ｐ面ファセット上の活性領域において最も多くのＩｎが取り込まれるため、最長の波長光（例えば、赤色領域において）を発する。このようなナノワイヤテンプレート１０２の上端のｐ面ファセット上で多くのインジウムを取り込むことが第１の実施形態乃至第３の実施形態において望ましくない場合、テンプレート１０２は、急峻なｐ面ファセットの先端部を除去し、ナノワイヤテンプレート１０２上の平面のｃ面上面を残すようにエッチバックされる。テンプレート１０２のｃ面ファセット上に形成された活性領域部分は、堆積中に優先的にインジウムを取り込まない。

上述したように、ＬＥＤ発光色の差異は、基板のローカルな幾何学的配置、並びに、基板上のテンプレート（例えば、テンプレート）のローカルな形状及び寸法によって制御される。白色光を高品質に抽出できるように、最短波長と最長波長との間の最大２００ｎｍの波長の差異が必要である。より小さな差異が有利であるが、青色／緑色を良好に抽出するために、最短波長と最長波長との間の最大１００ｎｍの波長の差異が必要である。

マルチカラーＬＥＤのコンテキストでデバイスを説明したが、ＬＥＤアレイは、波長の範囲にわたって単色ＬＥＤを含んでもよい。更に、青色と、緑色と、赤色との間の従来の分割で多くの例を挙げたが、あらゆる複数の色の集合が想像されてよい。例えば、近接して置かれた色は、実質的に連続したスペクトル偽装黒体発光型の光源を提供するように生成される。更に、上述のテンプレートは、例えば、レーザ、光検出器、トランジスタ、ダイオードなどのその他のデバイスに対して使用される。

マスクに依存しない構造設計のための多段階選択成長
上述したように、３Ｄ構造用のテンプレートに対する第１の工程としてナノワイヤ成長を利用する場合、構造のサイズ及び形状は、ＩＩＩ族制限の条件下で依然として間隔及び開口部サイズ（ローカルなＡ_ｇ／Ａ_ｍ）に結合される。しかしながら、本発明の実施形態において、Ｖ族制限条件を利用すること、成長がＩＩＩ族原料物質の供給によってレート制限されない場合、間隔に依存しない一定の成長率を更に達成できる。

上述と同一の機構は、マスク開口部サイズに対しても当てはまる。開口部サイズは、主に、テンプレートの長さ及び幅に影響を及ぼし、特に、ＩＩＩ族原料物質制限成長様式で、テンプレートは、開口部サイズに依存しない長さで成長する。

従って、二段階の成長は、グローバルで単調なファセット成長を切り離し、且つ、開口部の間隔及びサイズを変動させることによって、種々の位置において異なる方法で成形された半導体構造を製造する機会を与えるため、更なる利点を有する。なお、テンプレートのサイドファセット上の半径方向の成長への遷移は、ナノワイヤの上端領域とともにナノワイヤ側のファセットが次に成長領域として使用される一方で、上端領域がナノワイヤ条件の間は成長領域であったという意味において、成長領域の再定義を意味する。

ナノワイヤ成長の機能は、成長率が間隔及び開口部サイズに直接依存し、且つ、成長量が一定である一般的な一段階の成長より非常に高い自由度で、間隔及び開口部サイズに依存せずに、後続の半径方向の成長のために成長領域を規定するテンプレートの準備を構成するものと理解される。ナノワイヤコアの一部として又はナノワイヤコア上に提供された層は、活性層を提供するためにテンプレートを形成し、ナノワイヤの比高に依存して、ピラミッドファセットと層のサイドファセットとの比率は変動する。核形成ごとの収集量／マスク領域のより大きな比率によって、ナノワイヤに対して放射層の成長中に、より多くの材料が使用可能になるため、間隔は、同一のテンプレート長においてｐ／ｍ面の比率を増加させる。種々の方法で、例えば、間隔及び開口部サイズによってテンプレートを分類することで、種々の性質（高さ、幅、ファセット面積など）を達成できるため、３元ＱＷがこれらのテンプレート上で成長する場合に本質的に異なる発光波長が得られる。

上述したように、マルチカラー発光ＬＥＤを製造する方法は、基板上に所望の開口部パターンを有する成長マスクを規定することを備える。成長マスクは、異なるサイズ及び／又は異なる間隔の開口部を有する基板を範囲に含む層であり、開口は、上述したような所望の性質を取得するためのある特定の規則によって分類される。テンプレートは、テンプレートの長さが実質的には開口部間隔に依存しないように、成長様式で選択的に成長する。

テンプレートが要望通りに成長している場合、即ち、複数のナノワイヤ及び／又はナノピラミッドが長さ、幅等の種々の組み合わせを示している場合、少なくとも１つの放射層（例えば、活性領域及びシェル）は、テンプレート上で成長する。これまでに示したように、成長様式に依存して高さを開口部ピッチに依存させるか、或いは、依存させないようにする場合、テンプレートを更に製造できる。これは、開口部サイズにも当てはまる。開口部サイズは、主に、テンプレートの長さ及び幅に影響を及ぼすが、長さを開口部サイズに依存させないようにできる。

しかしながら、ＩＩＩ族フローが高い極端な条件において、多くのナノワイヤ条件と同様に、少量のＡ_ｍを用いた成長は、極端に大きな開口部と同様に実現不可能である。その結果、低品質の成長を招き、多くの場合表面上に液体ＩＩＩ族元素液滴形態が得られる。

このように、ナノワイヤ成長において、成長がＩＩＩ族原料物質の供給によってレート制限されない場合、間隔に依存しない一定の成長率を更に達成できる。上述と同一の機構は、マスク開口部サイズに対しても当てはまる。開口部サイズは、主に、テンプレートの長さ及び幅に影響を及ぼし、特に、ＩＩＩ族原料物質制限成長様式において、テンプレートは、開口部サイズに依存しない長さで成長する。

マスクの開口部は、一般に、円形状を有するが、六角形又は矩形などのその他の形状が可能である。マスク開口部サイズは、１０ｎｍ〜５００ｎｍ（「有効径」）の範囲又は１５０ｎｍ^２〜０．５μｍ^２の面積である。

テンプレートの長さ／幅の比率は、活性領域ＱＷなどの放射層のｃ面／ｐ面／ｍ面面積の比率に直接影響を及ぼす。テンプレートがより短いほど、成長した同一の量の下地層において、より大きなピラミッド部分が得られる。増強された成長及びより長い成長時間で、ｐ面が最も遅い成長率を示すため、ピラミッド形状は、サイドファセットを犠牲にして徐々に形成される。ｐ面のみが元素を終了させる場合、体積成長率は減少する。原料流量がｐ面成長率より高い場合、この効果は強い。ナノワイヤ長がピラミッドの高さを決定するため、これは、より大きな間隔で、より小さな正味量の族を製造する際に更なる利点に対して使用される。完全なピラミッドが形成されている場合、ピラミッドの体積は、結果として、ナノワイヤ長によって完全に制御される。

なお、マスフローが優位に立つ際に理論的な説明が成長率上になす寄与表面比率に限定されているため、Ｖ族制限様式で増加したＧａＮ表面への露出により向上したローカルＮＨ_３分解などの動力学的効果によって発生した成長率の変動は、上述した理論への更なる効果である。しかしながら、全ての動力学的障壁が最小限にされる場合を除いて、マスフロー及び動力学的妨害への成長率応答は、少しも相互に限定されない。

上端、下端、基部、側部などに対する全ての参照は、理解を容易にするためだけに導入され、特定の配向を限定するものとして考えられるべきではない。更に、図面における構造の寸法は、必ずしも縮尺通りではない。

現在最も実用的であると考えられるもの及び好適な実施形態に関連して本発明を説明した。しかしながら、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で種々の変更及び等価の構成を範囲に含むことを意図することが理解されるだろう。

Claims (9)

1. 基板にわたってＩＩＩ−Ｖ族半導体ナノワイヤを形成する方法であって、
   前記基板にわたって配置された成長マスクの第１の領域の第１の開口部を介してＶ族制限成長様式でのＭＯＣＶＤによる複数の第１のＩＩＩ−Ｖ族ナノワイヤと、前記成長マスクの第２の領域の第２の開口部を介して前記Ｖ族制限成長様式でのＭＯＣＶＤによる複数の第２のＩＩＩ−Ｖ族ナノワイヤとを成長させること、を備え、
   前記第１の開口部は、前記第２の開口部より大きく、
   前記第１の複数のナノワイヤにおけるｍ面に対するｐ面の比率は、前記第２の複数のナノワイヤにおけるｍ面に対するｐ面の比率と異なることを特徴とする方法。
2. 前記第１のＩＩＩ−Ｖ族ナノワイヤは、前記第２のＩＩＩ−Ｖ族ナノワイヤより小さな高さを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のＩＩＩ−Ｖ族ナノワイヤは、０．１から５ミクロンの高さを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 発光素子を製造する方法であって、
   第１の領域の複数の第１の開口部及び第２の領域の複数の第２の開口部を有する成長マスクを含む成長基板を提供することと、
   同一のナノ構造成長工程において、前記第１の開口部を介して複数の第１のナノ構造及び前記第２の開口部を介して複数の第２のナノ構造を選択的に成長させることであって、前記第１のナノ構造及び前記第２のナノ構造が第１の成長テンプレート及び第２の成長テンプレートのそれぞれの内側部分又は全体を含むことと、
   同一の活性領域成長工程において、第１の成長テンプレート及び第２の成長テンプレートのそれぞれの上で第１の活性領域及び第２の活性領域を成長させることと、
   第１の発光素子及び第２の発光素子のそれぞれを形成するように、同一の接合形成要素成長工程において、第１の活性領域及び第２の活性領域のそれぞれの上で第１の接合形成要素及び第２の接合形成要素を成長させることと、を備え、
   前記第１の成長テンプレートの各々は、前記第２の発光素子の各々が前記第１の発光素子の各々の第１のピーク発光波長とは異なる第２のピーク発光波長を有するように、前記第２の成長テンプレートの各々とは異なり、
   前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子は、発光ダイオードを含み、前記第１の接合形成要素及び前記第２の接合形成要素の各々は、半導体シェル、複数の成長テンプレートに接触する連続した半導体層又は複数の成長テンプレートに接触する格子間ボイドを有する連続した半導体層から選択され、
   第１のナノワイヤコアの各々は、第１の導電型の半導体材料を含み、
   第２のナノワイヤコアの各々は、前記第１の導電型の半導体材料を含み、
   前記第１の活性領域の各々は、第１のバンドギャップを有する少なくとも１つの第１の量子井戸を含み、
   前記第２の活性領域の各々は、前記第１のバンドギャップとは異なる第２のバンドギャップを有する少なくとも１つの第２の量子井戸を含み、
   前記第１の接合形成要素の各々は、前記第１の成長テンプレート及び前記第１の活性領域とのｐｎ接合又はｐｉｎ接合を形成するように、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型の半導体材料を含み、
   前記第２の接合形成要素の各々は、前記第２の成長テンプレート及び前記第２の活性領域とのｐｎ接合又はｐｉｎ接合を形成するように、前記第１の導電型とは異なる前記第２の導電型の半導体材料を含み、
   前記第１の成長テンプレートの各々は、（ａ）それぞれの活性領域に対する成長領域、（ｂ）露出成長面の比率、（ｃ）隣接成長テンプレートからの間隔及び（ｄ）前記成長マスクの開口部のサイズのうちの少なくとも１つによって、前記第２の成長テンプレートの各々とは異なり、
   前記第１のナノワイヤコア及び前記第２のナノワイヤコアの各々は、ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含み、
   前記第１の量子井戸及び前記第２の量子井戸の各々は、窒化インジウムガリウム材料を含み、
   前記第１の量子井戸の各々は、（ａ）それぞれの活性領域に対する前記成長領域、（ｂ）露出成長面の前記比率、（ｃ）隣接成長テンプレートからの前記間隔及び（ｄ）前記成長マスクの前記開口部のサイズのうちの少なくとも１つにおける前記第１の成長テンプレートと前記第２の成長テンプレートとの間の差異によって、前記第２の量子井戸の各々とは異なる量のインジウムを含み、
   前記第１のナノワイヤコアの周囲の少なくとも１つの第１のテンプレート層が前記成長マスクにわたって前記第１の開口部を越えて横に拡張するように、前記第１の成長テンプレートの各々は、前記第１のナノワイヤコア及び前記第１のテンプレート層を含み、
   前記第２のナノワイヤコアの周囲の少なくとも１つの第２のテンプレート層が前記成長マスクにわたって前記第２の開口部を越えて横に拡張するように、前記第２の成長テンプレートの各々は、前記第２のナノワイヤコア及び前記第２のテンプレート層を含み、
   前記第１の成長テンプレートの各々は、ナノピラミッド形状を有し、
   前記第２の成長テンプレートの各々は、ナノピラー形状又はナノワイヤ形状を有し、
   前記第１の成長テンプレートの各々は、前記第２の活性領域に接触する前記第２の成長テンプレートのｐ面ファセット面積と比較して、前記第１の活性領域に接触する、より大きなｐ面ファセット面積を有し、
   前記第１の量子井戸の各々は、前記第１の成長テンプレートと前記第２の成長テンプレートとの間の前記ｐ面ファセット面積の差異によって、前記第２の量子井戸の各々と比較して、より多い量のインジウムを含み、より低いピーク発光波長を有することを特徴とする方法。
5. 第１のＩＩＩ族窒化物半導体ナノワイヤコア及び第２のＩＩＩ族窒化物半導体ナノワイヤコアの各々は、Ｖ族制限成長様式でＭＯＣＶＤによって選択的に成長し、
   前記第１の開口部の各々は、前記第２の開口部の各々と実質的に同等の幅又は直径を有し、
   前記第１の開口部の各々は、前記第２の開口部の各々が隣接する第２の開口部から離間されるのと比較して、隣接する第１の開口部からより遠くに離間され、
   前記第１の成長テンプレートの各々は、前記第２の活性領域に接触する前記第２の成長テンプレートの各々の成長領域と比較して、前記第１の活性領域に接触する実質的に同等の又はより小さな成長領域を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の領域におけるアンモニアＶ族原料物質のＩＩＩ族窒化物媒介の接触分解の増加を正当化するように、前記第１のＩＩＩ族窒化物半導体ナノワイヤコア及び前記第２のＩＩＩ族窒化物半導体ナノワイヤコアは、十分に高い密度の前記第２の領域の開口部及び十分に高い成長温度と組み合わせて、前記Ｖ族制限成長様式で成長し、
   前記第１の成長テンプレートの各々は、前記第２の活性領域に接触する前記第２の成長テンプレートの各々の前記成長領域と比較して、前記第１の活性領域に接触する前記より小さな成長領域を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記成長基板の第３の領域にわたって配置された複数の第３の発光素子を形成することを更に備え、
   前記第３の発光素子の各々は、前記第１のピーク発光波長及び前記第２のピーク発光波長とは異なる第３のピーク発光波長を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 第３の発光素子の各々は、前記第３の領域における成長マスクの第３の開口部から突出する第３のナノワイヤコアを含む第３のナノピラミッド成長テンプレートを含み、
   前記第３の開口部の各々は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の各々と実質的に同等の幅又は直径を有し、
   前記第３の開口部の各々は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の各々が隣接する第１の開口部及び第２の開口部のそれぞれから離間されるのと比較して、隣接する第３の開口部からより遠くに離間され、
   前記第３のナノピラミッド成長テンプレートの各々は、前記第１の活性領域及び前記第２の活性領域のそれぞれに接触する前記第１の成長テンプレート及び前記第２の成長テンプレートの各々の成長領域と比較して、第３の活性領域に接触する実質的に同等の又はより小さな成長領域を有し、
   前記第３のピーク発光波長は、前記第１のピーク発光波長及び前記第２のピーク発光波長より長いことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の開口部の各々は、前記第２の開口部の各々より実質的に大きな幅又は直径を有し、
   前記第１の開口部の各々は、前記第２の開口部の各々が隣接する第２の開口部から離間されるのと比較して、隣接する第１の開口部から実質的に同等に又はより遠くに離間され、
   前記第１の成長テンプレートの各々は、前記第２の活性領域に接触する前記第２の成長テンプレートの各々の成長領域と比較して、前記第１の活性領域に接触する実質的に同一の又はより小さな成長領域を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。