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JP7285491B2 - ナノワイヤ発光スイッチデバイス及びその方法 - Google Patents

ナノワイヤ発光スイッチデバイス及びその方法 Download PDF

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Description

本出願は、２０１８年８月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／７２２，２６８号の利益を主張するものであり、その全体が参照によって本明細書に援用される。
分野
この技術は、一般に、ナノワイヤ構造に関し、より詳細には、ナノワイヤ発光スイッチデバイス及びその方法に関する。
背景
現在のディスプレイ解像度は、その実際的な限界に到達しつつある。ピクセル密度及び解像度での進展を可能にするために、ディスプレイに含まれる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のサイズをさらに縮小する必要がある。
したがって、ディスプレイ技術の未来は、より高い効率（７０％対５～７％）、より高い信頼性、及びより高いピクセル密度を提供する可能性のために追及されているナノワイヤ発光ダイオード（ＬＥＤ）とともにあり得る。信頼性に関しては、ナノワイヤＬＥＤは、現在利用可能な他の技術と比較すると、ナノワイヤＬＥＤを製造できる材料のおかげで長期間の動作及びより高温にさらによく耐えることができる。しかしながら、より高いピクセル密度に関しては、ナノワイヤＬＥＤを、それらを「オン」または「オフ」にするトランジスタ（スイッチ）と高密度に統合する容易な方法はなかった。この問題に対処するために現在利用できる手法は、デバイスの性能だけではなくＬＥＤの面積を犠牲にし、したがって潜在的な用途を制限している。
特に、トランジスタをＬＥＤと結合することに関するこれまでの研究は、ＬＥＤ性能を低下させ、面積を消費し、コストを上昇させる手法に依存していた。これらの手法には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を作成するために別の材料の沿面成長に領域を専用にするなどの方法が含まれる。残念ながら、このプロセスは、ＬＥＤ性能の低下につながり、デバイス総面積の望ましくない部分を占有する。
別の手法では、ＣＭＯＳトランジスタと結合されるシリコン上での成長が試された。残念なことに、シリコン上での成長は、材料の不一致に起因するＬＥＤの欠陥を生じさせる場合があり、これにより相応して性能は低下する。さらに、この手法は依然として温度変動の管理に苦慮し、消費する面積がいまだに多すぎる。
さらに別の手法では、シリコン上でのＬＥＤとのフリップチップボンディングが試された。この手法を用いると、ＬＥＤをシリコン上のＣＭＯＳトランジスタと結合するために、ＬＥＤは別々に製作され、個別に切り出されてからシリコンウェハの上部に実装される。残念なことに、この手法には、既存の技術を超えてサイズを縮小できないことに加えて、共に接続する必要のある数百の別々のＬＥＤから生じる信頼性の懸念がある。
概要
ナノワイヤシステムは、基板と、基板の表面から軸に沿って延びる少なくとも１つのナノワイヤ構造とを含む。ナノワイヤ構造は、発光ダイオードと、発光ダイオードの動作状態を制御するために電気的に結合されたデバイスドライバとを含む。発光ダイオード及びデバイスドライバは、少なくとも１つのドープ領域をそれぞれ共有するように統合される。
ナノワイヤシステム製造する方法は、基板を提供する工程と、基板の表面から軸に沿って延びる少なくとも１つのナノワイヤ構造を形成する工程とを含む。ナノワイヤ構造は、発光ダイオードと、発光ダイオードの動作状態を制御するために電気的に結合されたデバイスドライバとを含む。発光ダイオード及びデバイスドライバは、少なくとも１つのドープ領域をそれぞれ共有するように統合される。
この技術は、単軸配向の統合された共有層構造によって高ピクセル密度アレイを容易に製作できるようにする、１つ以上のエネルギー効率が高く、信頼できるナノワイヤ発光スイッチデバイスを提供することを含むいくつかの優位点を提供する。特に特許請求されている技術の例では、ＬＥＤ構造をオン及びオフに切り替えるトランジスタの層内ではないが、ＬＥＤ構造の発光層内で共通の材料であるＧａＮを新規に利用している。ナノワイヤ発光スイッチデバイスのこれらのＧａＮをベースにした例では、以前の技術で見られる約５～７％のエネルギー効率と比較して、最大で約７０％のエネルギー効率を達成できる。これらのエネルギー効率の向上によって、電力消費を大きく削減することが可能になり、結果として、電池寿命を大幅に延ばす。さらに、ナノワイヤ発光スイッチデバイスのこれらの及び他の例は、１桁の低いミクロン範囲でのピクセル断面を達成することができ、いっそう高い解像度を実現する可能性を有し、以前の既存のディスプレイより桁違いに大きいディスプレイ解像度を可能にする。
さらに、特許請求されている技術の例は、単一の半導体材料システムを使用し、真のモノリシックナノワイヤ発光スイッチデバイスを達成する。ＬＥＤとデバイスドライバとの間で少なくとも１つの層を共有するこのナノワイヤ発光スイッチデバイスの独自の構造は、複数の層及び空間消費レイアウトを必要とした以前のＬＥＤ構造よりも少ない層を有する。さらに、特許請求されている技術のこれらの例は、より少ないステップと、エッチングステップを実行する前に、及びソース金属、ゲート金属、ドレイン金属、及び絶縁層を追加してナノワイヤ発光スイッチデバイスまたはアレイを完成する前にＬＥＤ及びアクティブデバイスドライバのすべての機能層を形成する能力とにより、マルチマテリアルのＬＥＤに必要とされるよりもはるかに簡略な製造工程を可能にする。
さらに、特許請求されている技術には、以前の技術に優る他の優位点がある。一例として、以前の技術では、複数の層だけではなく、加工費の追加を生じさせた多数の金属層と結合された、ＬＥＤの発光層及びＦＥＴ層で複数の材料を使用することも必要であった。明確に対照的に、特許請求されている技術の例は、発光層及びＦＥＴ層のために、３つの関連する金属層または他の導電層を有する１つの材料系、この例ではＧａＮに依存する場合がある。特許請求されている技術の例により、以前のマルチマテリアルシステムで必要とされた追加の層及び異なる材料の必要性を排除することによって、製造費及び時間の両方を減少させるために設計は大幅に簡略化される。さらに、特許請求されている技術の例は、以前の技術に優るより大きい歩留まり及び解像度の１００倍の改善の可能性を提供する。
[本発明1001]
基板と、
前記基板の表面から軸に沿って延びる少なくとも1つのナノワイヤ構造と
を備える、ナノワイヤシステムであって、
前記ナノワイヤ構造は、
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの動作状態を制御するために電気的に結合されたデバイスドライバと
を備え、
前記発光ダイオード及び前記デバイスドライバは、少なくとも1つのドープ領域をそれぞれ共有するように統合されている、
前記ナノワイヤシステム。
[本発明1002]
前記共有された少なくとも1つのドープ領域が、前記発光ダイオードの陰極領域と前記デバイスドライバのドレイン領域とを含むＧａＮ層を備える、本発明1001のシステム。
[本発明1003]
前記発光ダイオードが、前記陰極領域を含む前記ＧａＮ層に電気的に結合された陽極領域をさらに備え、前記デバイスドライバが、ソース領域と前記ドレイン領域を含む前記ＧａＮ層との間で電気的に結合されたチャネル領域を備える、本発明1002のシステム。
[本発明1004]
前記ソース領域及び前記チャネル領域が、それぞれ別のＧａＮ層を備える、本発明1003のシステム。
[本発明1005]
前記発光ダイオードの前記陰極領域及び前記デバイスドライバの前記ドレイン領域が、共通の外部接続性を共有する、本発明1002のシステム。
[本発明1006]
前記デバイスドライバの前記チャネル領域の周縁部の少なくとも一部分に電気的に結合されたゲート金属層をさらに備える、本発明1003のシステム。
[本発明1007]
前記少なくとも1つのナノワイヤ構造が2つ以上のナノワイヤ構造を備え、前記デバイスドライバのそれぞれのソース領域が共有ソース領域である、本発明1001のシステム。
[本発明1008]
2つ以上のナノワイヤ構造のチャネル領域と電気的に結合されたゲート金属層をさらに備える、本発明1007のシステム。
[本発明1009]
複数の隣接するナノワイヤ構造を共に電気的に結合する透明導電フィルム層をさらに備える、本発明1008のシステム。
[本発明1010]
前記複数の隣接するナノワイヤ構造が、前記透明導電フィルム層と前記ゲート金属層の両方によって電気的に結合されている、本発明1009のシステム。
[本発明1011]
前記少なくとも1つのナノワイヤ構造の最大断面寸法が約10ミクロン未満である、本発明1001のシステム。
[本発明1012]
前記少なくとも1つのナノワイヤ構造の最大断面寸法が約3ミクロン未満である、本発明1001のシステム。
[本発明1013]
Ｎｉ系金属ドレイン接点と、ソース領域に隣接し電気的に接続されたＴｉ系金属層とをさらに備える、本発明1001のシステム。
[本発明1014]
前記発光ダイオードが、前記ＬＥＤの発光部分の上に、スペクトル発光を改変する材料の1つ以上の層をさらに備える、本発明1001のシステム。
[本発明1015]
前記1つ以上の層が色コンバータを備える、本発明1014のシステム。
[本発明1016]
基板を提供する工程と、
前記基板の表面から軸に沿って延びる少なくとも1つのナノワイヤ構造を形成する工程と
を含む、ナノワイヤシステムを製造する方法であって、
前記ナノワイヤ構造は、
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの動作状態を制御するために電気的に結合されたデバイスドライバと
を備え、
前記発光ダイオード及び前記デバイスドライバは、少なくとも1つのドープ領域をそれぞれ共有するように統合される、
前記方法。
[本発明1017]
前記共有された少なくとも1つのドープ領域が、前記発光ダイオードの陰極領域と前記デバイスドライバのドレイン領域とを含むＧａＮ層を備える、本発明1016の方法。
[本発明1018]
前記発光ダイオードが、前記陰極領域を含む前記ＧａＮ層に電気的に結合された陽極領域をさらに備え、前記デバイスドライバが、ソース領域と前記ドレイン領域を含む前記ＧａＮ層との間で電気的に結合されたチャネル領域を備える、本発明1017の方法。
[本発明1019]
前記ソース領域及び前記チャネル領域が、それぞれ別のＧａＮ層を備える、本発明1018の方法。
[本発明1020]
前記発光ダイオードの前記陰極領域及び前記デバイスドライバの前記ドレイン領域が、共通の外部接続性を共有する、本発明1017の方法。
[本発明1021]
前記デバイスドライバの前記チャネル領域の周縁部の少なくとも一部分に電気的に結合されたゲート金属層を形成する工程をさらに含む、本発明1018の方法。
[本発明1022]
前記少なくとも1つのナノワイヤ構造を形成する前記工程が、前記ナノワイヤ構造の2つ以上を形成することをさらに含み、前記デバイスドライバのそれぞれのソース領域が共有ソース領域である、本発明1016の方法。
[本発明1023]
2つ以上のナノワイヤ構造のチャネル領域と電気的に結合されたゲート金属層を形成する工程をさらに含む、本発明1022の方法。
[本発明1024]
複数のナノワイヤ構造を共に電気的に結合する透明導電フィルム層を形成する工程をさらに含む、本発明1023のシステム。
[本発明1025]
前記複数の隣接するナノワイヤ構造が、前記透明導電フィルム層及び前記ゲート金属層の両方によって電気的に結合される、本発明1024の方法。
[本発明1026]
前記少なくとも1つのナノワイヤ構造の最大断面寸法が約10ミクロン未満である、本発明1016の方法。
[本発明1027]
前記少なくとも1つのナノワイヤ構造の最大断面寸法が約3ミクロン未満である、本発明1016の方法。
[本発明1028]
Ｎｉ系金属ドレイン接点と、ソース領域に隣接し電気的に接続されたＴｉ系金属層とを形成する工程をさらに含む、本発明1016の方法。
[本発明1029]
前記ＬＥＤの発光部分の上に、スペクトル発光を改変する材料の1つ以上の層を形成する工程をさらに含む、本発明1016の方法。
[本発明1030]
前記1つ以上の層が色コンバータを備える、本発明1030の方法。
図１Ａは、複数のナノワイヤ発光スイッチデバイスを有するナノワイヤアレイシステムの例の断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示すナノワイヤアレイシステムの一部分の部分的に切り取られた部分的な斜視図である。図１Ｃは、図１Ａ～図１Ｂに示すナノワイヤ発光スイッチデバイスの１つの例の斜視図である。 図２Ａ～Ｆは、ナノワイヤアレイシステムの例を作成する方法の例の斜視図である。 別の製作技術を示すナノワイヤアレイシステムの別の例の断面図である。 さらに別の製作技術を示すナノワイヤアレイシステムのさらに別の例の断面図である。
詳細な説明
図１Ａ～図１Ｃに、ナノワイヤアレイシステム２０（１）の一例を示す。ナノワイヤアレイシステム２０（１）は、他の構成の他のタイプ及び／または数のシステム、デバイス、構成要素、層、領域、または他の要素を含む場合があるが、複数の離間したナノワイヤ発光スイッチデバイス１１と、導電層１２、１３、及び１４と、絶縁層１６と、基板１７とを含む。この技術は、単軸配向の統合された共有層構造によって高ピクセル密度アレイを容易に製作できるようにする、１つ以上のエネルギー効率が高く、信頼できるナノワイヤ発光スイッチデバイスを提供することを含むいくつかの優位点を提供する。
図１Ａ～図１Ｂをより詳細に参照すると、ほんの一例としてＳｉＣ（炭化ケイ素）基板またはシリコン（Ｓｉ）基板などの他のタイプ及び／または数の基板が使用され得るが、ナノワイヤアレイシステム２０（１）のこの例では、基板１７はＡｌ２Ｏ３（サファイア）の層を含む。
導電層のそれぞれは、他のタイプ及び／または数の導電層、及び／または他の材料を含む場合があるが、導電層１２、１３、及び１４はそれぞれ金属層を含む。他の構成の他のタイプ及び／または数の導電層が使用され得るが、この例では、導電層１２は、離間したナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれの端部に位置するドレイン接触層を形成する。さらに、他の構成の他のタイプ及び／または数の導電層が使用され得るが、この例では、導電層１３は、離間したナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれの隣接した別の端部に位置するソース接触層を形成する。さらに、他の構成の他のタイプ及び／または数の導電層が使用され得るが、この例では、導電層１４は、離間したナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれのチャネル領域７の少なくとも一部分の周りに位置するゲート金属接触層を形成する。
他の構成の他のタイプ及び／または数の導電層が使用され得るが、透明導電フィルム（ＴＣＦ）１５は、離間した発光スイッチデバイス１１の１つ以上のための導電層１２の１つ以上を共に結合するために形成される場合がある別の導電層を含む。図１Ａの断面図に示すように、離間したナノワイヤ発光スイッチデバイス１１は、例えば透明導電フィルム（ＴＣＦ）１５を用いて、３つのナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のための３つの別個の導電層１２を結合する場合がある。
また、本明細書の例でナノワイヤ構造またはナノワイヤと呼ばれる発光スイッチデバイス１１の間隔をあけることによってこの例で形成されたピクセルアレイの中のピクセルのサイズ、密度、及び輝度は、導電層１４及び導電層１５の幅を変えて、単一の表示ピクセルとして機能する発光スイッチデバイス１１の数を増加または減少させることによって変更することもできる。図１Ｂは、導電層１４及び導電層１５を共有する複数の発光スイッチデバイス１１の例を示す。
他の構成の他のタイプ及び／または数の絶縁層が使用され得るが、透明な絶縁体１６は、導電層１３と導電層１４との間、及び導電層１３と透明導電フィルム（ＴＣＦ）１５の少なくとも一部分との間、ならびに離間したナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれの対応する部分の周りに位置する。
図１Ａ～図１Ｃをより詳細に参照すると、デバイスのそれぞれは、他のタイプ及び／または数の他の層、領域、または他の要素を含む場合があるが、離間したナノワイヤ発光スイッチデバイス１１はそれぞれ、発光ダイオード（ＬＥＤ）層８、９、及び１０と、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または層６、７、及び８を含む他のデバイスドライバもしくはスイッチとを含む。他のタイプのドライバまたはスイッチが使用され得るが、この例では、ＦＥＴが、各ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のＬＥＤの動作状態、つまり、この例ではオン状態またはオフ状態を制御するために結合される。さらに、この例では、ＬＥＤ及びＦＥＴは、有利なことに層または他のドープ領域８を共有して、貴重なスペースを占有するＬＥＤに隣接するデバイスドライバまたはスイッチの以前の位置付けから失われる空間を最小限に抑えるのに役立つ。さらに、他の構成が使用され得るが、この例では、ＬＥＤ及びＦＥＴは、有利なことに、それぞれ基板１７から単軸に沿って延びるように構築されてはるかによりコンパクトで狭い設計を可能にし、はるかに高い解像度を達成できるようにナノワイヤ発光スイッチデバイス１１をより密な間隔にすることを可能にする。
また、発光スイッチデバイス１１の１つ以上により作られた各ピクセルは、この例では発光スイッチデバイス１１のＦＥＴであるデバイスドライバを含むことによって輝度を変調させることもできる。輝度レベルは、例えば導電層１４及び／または導電層１５に電気的にバイアスをかけることによって変更できる。
他のタイプのソース領域が使用され得るが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または他のデバイスドライバもしくはスイッチの層６は、基板１７上で成長するまたはそれ以外の場合形成されるＦＥＴの電子が豊富なソース領域である。ほんの一例としてｎ型ＧａＮ層など、再び他のタイプのソース領域が使用され得るが、この特定の例では、層６は、意図的ではなくドープされた（ｕ－ＧａＮ）バッファ層である。ＦＥＴのための電子が豊富なソース領域としてのｕ－ＧａＮバッファ層６は、Ｏ２からの１０１７ｃｍ－３～１０２０ｃｍ－３の高電子濃度、及び欠陥取り込みにより可能である。
他のタイプのチャネル領域が使用され得るが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または他のデバイスドライバまたはスイッチの層７は、層６の上で成長するまたはそれ以外の場合形成される、ＦＥＴの電子が不足したチャネル領域である。ｐ型ＧａＮ層など他のタイプのチャネル領域が再び使用され得るが、この特定の例では、層７は、ソース領域６よりも厚いｕ－ＧａＮの層である。層をわずかにｎ型にする材料の固有の窒素欠陥のため、このより厚いｕ－ＧａＮ層７を、ＦＥＴのための電子が不足したチャネル領域として使用することが可能である。
他のタイプのソース領域が使用され得るが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または他のデバイスドライバもしくはスイッチの層８は、層７上で成長するまたはそれ以外の場合形成されるＦＥＴの電子が豊富なドレイン領域である。再度、他のタイプのドレイン領域が使用され得るが、この特定の例では、層８は、ｎ型ＧａＮ層である。この層８は、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のＦＥＴとＬＥＤとの間で共有され、ＬＥＤの電子が豊富な層として機能する。この特定の例では、層８のＧａＮ層は、ＬＥＤの陰極領域と、ＦＥＴまたは他のデバイスドライバのドレイン領域とを含む。
他のタイプの層及び／または井戸、ならびに他のバリアが使用され得るが、層９は、例えば光を効率よく生成するＬＥＤ用のＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮ量子井戸、及びＧａＮまたはＡｌＧａＮバリアを有する多重量子井戸（ＭＱＷ）領域９である。より具体的には、この例では、ＬＥＤからの発光は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の層が、光の生成のために電子と正孔の対を捕捉するためにＧａＮまたはＡｌＧａＮの層間に閉じ込められる多重量子井戸（ＭＱＷ）領域であるこの層９を利用する。他の例では、スペクトル発光を改変する材料の１つ以上の他の層が、層９上にある場合がある。さらなる例として、追加の層の１つ以上は、色コンバータを含む場合がある。
ＬＥＤの領域のための他のタイプの領域及び他の構成が再び使用され得るが、層１０は、ＬＥＤ用のｐ－ＧａＮ領域１０または陽極領域である。層８及び９を含むこの層１０は、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれのＬＥＤのこの例を完成させる。したがって、この例では、ＬＥＤ及びＦＥＴは、共有層８と直列で接続されており、ＦＥＴは、ＬＥＤを「オン」動作状態または「オフ」動作状態の間で切り替えることができる。
上記の例に示すように、ＦＥＴ及びＬＥＤの層のそれぞれは、有利なことに、例えばＧａＮ系材料などの同じ材料から形成され得、これによって製造に必要とされる材料の数が削減され、結果として効率を提供する。さらに、ＬＥＤ発光領域及びＦＥＴ（ドライバまたはスイッチ）内のＧａＮ系材料は本質的に透明であり、１つ以上の金属の選択された選択肢と結合されると、アレイシステムを光学的に透明にすることができる。この光学的な透明性によって、例えば拡張現実ディスプレイを含む多様な異なるタイプのディスプレイ技術などのいくつかの新しい応用例で、この技術の例を使用できる。ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のためのこの光学的な透明性及び単軸配向構造によって、ウェアラブル電子機器及びそれ以外の場合曲面状の電子機器で使用するためのフレキシブルディスプレイデバイスを生成が可能になる。
図２Ａから図２Ｆを参照すると、ナノワイヤアレイシステムの例を作成する例が示されている。以下に例として示すように、この統合されたＬＥＤ－ＦＥＴデバイスの製作では、半導体産業で容易に利用可能な製作技術が利用され得、この技術の容易な採用を可能にする。より詳細には、特許請求されている技術の例は、幅広く商業的に利用されている有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）ツールを使用し、従来方式で成長させたＬＥＤ層を利用し得る。
図２Ａをより詳細に参照すると、最初に、電子が豊富なソース層または領域６は、これらの例では再び意図的ではなくドープされた（ｕ－ＧａＮ）バッファ層またはｎ型ＧａＮ層のどちらかであろう基板１７上で成長する。上述のように、ｕ－ＧａＮバッファ層の使用は、Ｏ２からの１０１７ｃｍ－３～１０２０ｃｍ－３の高電子濃度、及び欠陥取り込みのために可能である。さらに、ＳｉＣ（炭化ケイ素）基板またはシリコン（Ｓｉ）基板などの他のタイプの基板が使用され得るが、この例では、基板１７はＡｌ２Ｏ３（サファイア）である。
次に、電子が不足したチャネル層または領域７は、再び層もしくは領域６またはｐ型ＧａＮ層に使用されるよりも厚いｕ－ＧａＮの層である場合がある、層または領域６上で成長する。層をわずかにｎ型にする材料の固有の窒素欠陥のため、より厚いｕ－ＧａＮ層を、電子が不足したチャネル領域７として使用することが可能である。
次に、電子が豊富な層８は、層７の上で成長するまたはそれ以外の場合形成される。下部の電子が豊富なソース領域６、電子が不足したチャネル領域７、及びｎ－ＧａＮドレイン領域８によって、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれのＦＥＴのこの例に必要とされる構造が作り出される。以下に説明するように、この層８は、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のこの例のＦＥＴ及びＬＥＤによって共有される。
次に、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれのこの例のために層８、９、及び１０を含むＬＥＤを形成するために、光を効率的に生成するＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮ量子井戸及びＧａＮまたはＡｌＧａＮバリアを含む多重量子井戸（ＭＱＷ）領域９が、共有層または領域８に形成される。
次に、ｐ－ＧａＮ領域１０は、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれのこの例の１０のためにＬＥＤの多重量子井戸（ＭＱＷ）領域９に形成される。したがって、この例では、層８、９、及び１０を含むＬＥＤ、ならびに層６、７、及び８を含むＦＥＴは、共有層８と直列で接続され、ＦＥＴは「オン」動作状態または「オフ」動作状態との間でＬＥＤを切り替えることができるように結合される。電子が豊富な共有された初期層は再び、この例のナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれのＬＥＤ用の陰極及びＦＥＴ用のドレイン領域の両方として機能する。
次に、ｐ－ＧａＮ層１０の露出面は、図２Ａ～図２Ｂに示すように、層または領域１２用のオーミックなｐ型ＧａＮ接点として、及び塩素ベースのドライエッチング用のハードマスクとしての両方で機能するＮｉまたは他の導電材料を付着させるために、金属リフトオフプロセスによってパターン化される場合がある。ナノワイヤ１１は、次いでｐ－ＧａＮ層または領域１２に対するよりオーミックな接点用にＮｉＯを作り出すためにＯ２の中で任意選択のアニールを受ける場合がある。
次に、材料を選択的に取り除いて、図２Ｂに示すように基板１７から単軸に沿ってそれぞれが延びるナノワイヤ発光スイッチデバイス１１を残すために、塩素ベースのドライエッチングが使用できる。
次に、Ｔｉ系のまたは他の導電材料のメタライゼーションが熱的に蒸発し、図２Ｃに示すように、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１の先端及び基部だけを被覆する。任意選択のアニールが、次いで金属からＴｉＮを生成するために実行され、ｕ－ＧａＮバッファ層または領域６のｎ型性質をさらに強化する場合がある。
金属付着後、透明な絶縁体１６は、次いで被覆され、エッチバックされて、図２Ｄに示すように、電子が豊富なソース領域または層６の上部境界の上方のすべてを明らかにする。絶縁体１６は、金属層または導電層１３及び１４を互いから分離するためのスペーサとして機能する。
次に、ゲート層１４の金属の線が次いでリフトオフプロセスによってパターン化される。Ｎｉなどの金属は熱的に蒸発し、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１の上部を導電層またはワイヤ１２及び絶縁体１６で被覆し、図２Ｄに示すようにｕ－ＧａＮ領域へのゲート全面結合を含む層１４を形成する。したがって、特許請求されている技術の例は、高速切替を提供し、「オフ」動作状態にあるときに電力消費を下げる、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のそれぞれのチャネル領域または層７の少なくとも一部分の周りにゲートを巻き付ける場合がある。
次に、より光学的に透明な絶縁体１６は、次いで被覆され、エッチバックされて、ワイヤ１２の先端だけをあらわにする場合がある。透明導電フィルム（ＴＣＦ）１５の線をパターン化して、図２Ｅに示すように上部相互接続１５を形成するために、リフトオフを再び使用し得る。
最終ステップとして、絶縁体１６は、図２Ｆに示すように外部接続用の埋め込み金属または導電層１３及び１４を露出するために、選択的にエッチング除去される場合がある。
さまざまな代替選択肢が、ほんの一例としてＮｉに加えてゲート金属または導電層１４の選択肢を使用するなど、これらのステップのそれぞれと使用され得る。他の例では、ナノワイヤ側面に沿ったゲート絶縁体が代わりに統合され得る。この方法の優位点の１つは、この層単位の製作によって、最終的な設計及びレイアウトに対する正確な制御及びカスタマイズが可能になる点である。別の優位点は、上述のように、この技術が既存の製作方法を利用できる点である。
この特定のレイアウトに示すデバイスレイアウトは、表示目的で個々のナノワイヤ１１を選択的にアドレスするために相互的なデザインを作り出す。この例では、ソース金属または導電層１３は、すべてのナノワイヤに共通であり、共通の接地接続として機能する。一方、ゲート金属または導電層１４及びドレイン金属または導電層１５は行と列で交互にアドレスされる。
ナノワイヤアレイシステムでナノワイヤ発光スイッチデバイス１１の１つを操作するための方法の一例を、ここで図１Ａ～図１Ｃを参照して説明する。ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のＦＥＴのゲート層１４が通電されると、次いで電子は、ソース領域６からチャネル領域７を通って共有ドレイン領域８に流れ込んで、ＦＥＴ及びＬＥＤを「オン」動作状態にする。共有ドレイン領域８から、電子はＬＥＤを通って流れて、ＭＱＷ領域９で正孔と再結合し、光を生じさせる。ドレイン接触層８は、ＦＥＴ６～８と直列であるＬＥＤ８～１０に順方向バイアスをかけ、ＦＥＴ動作のために正のソースからドレインへのバイアスを可能にする。
図３を参照すると、ナノワイヤアレイシステム２０（２）でナノワイヤ発光スイッチデバイス１１を製作する代替方法が示されている。この方法は、そうでなければ本明細書に例として示すまたは説明する場合を除き、図２Ａ～図２Ｆを参照して示し、説明するものと同じである。この例では、この製作方法は、選択的な領域成長のために絶縁層１６を使用することによるボトムアップ成長技術を利用する。ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１の選択的な領域成長は、別々の成長を発生させて、それぞれが異なった色を発するナノワイヤ発光スイッチデバイス１１を作り出すことを可能にし得る。異なった色を発する成長時のナノワイヤ発光スイッチデバイス１１を作り出すために、絶縁層１６の開口サイズの変動を単一成長プロセスと使用できる。
図４を参照すると、ナノワイヤアレイシステム２０（３）でナノワイヤ発光スイッチデバイス１１を製作する代替の方法が示されている。この方法は、そうでなければ本明細書に例として示すまたは説明する場合を除き、図２Ａ～図２Ｆを参照して示し、説明するものと同じである。この例では、この製作方法、成長したＬＥＤのＭＱＷ領域９及びｐ型領域１０は、共有されているｎ－ＧａＮ領域８の一部分の周りに巻き付くことができる。
本明細書に例として示し、説明するように、特許請求されている技術の例は、様々な異なるタイプの応用例に利用され得る。例えば、特許請求されている技術は、スマートウォッチからテレビ、電話までさまざまな異なるタイプのディスプレイ技術に使用できる。それぞれが個々のピクセルであるナノワイヤ発光スイッチデバイス１１は、有利なことにはるかに高い解像度を提供するために間隔をあけて配置できる。
他の例では、特許請求されている技術は、上述の透明な性質のため、典型的なディスプレイ技術を置き換えるために使用できる。その結果、特許請求されている技術の例は、ヘッドアップディスプレイ技術を作り出す上で非常にうまく機能する。さらに、別の例として、現在のヘッドアップディスプレイは大型のプロジェクタに依存しており、この特許請求されている技術の例はこの必要性を排除するであろう。この特許請求されている技術の例から作られたディスプレイは、いかなるプロジェクタも必要としない、接眼レンズそのものであろう。
さらに他の例では、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のナノワイヤ性質は、フレキシブルディスプレイに関係する他の機会を開く柔軟性を可能にする。特に、ナノワイヤ発光スイッチデバイス１１のワイヤ構造によって、ナノワイヤ発光スイッチデバイスは、屈曲及び機械的な動きの応力に耐えることができる。
このように、本発明の基本概念を説明したが、前述の詳細な開示は、単なる例として示されることを意図しており、これに限定されるものではないことは、当業者にはむしろ明らかであろう。本明細書に明示的に述べられていないが、種々の変更、改良、及び修正が発生するだろう、かつそれらは当業者を対象としている。これらの変更、改良、及び修正は、本明細書により示唆されることを意図しており、かつそれらは本発明の趣旨及び範囲内である。加えて、処理要素もしくは順序の記載順序、または番号、文字、もしくは他の名称の使用は、特許請求の範囲で指定される場合を除き、任意の順序に請求の過程を限定することを意図していない。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲及びその均等物によってのみ制限される。

Claims (14)

  1. 基板と、
    前記基板の表面から軸に沿って延びる少なくとも１つのナノワイヤ構造と
    を備える、ナノワイヤシステムであって、
    前記ナノワイヤ構造は、
    発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードの動作状態を制御するために前記発光ダイオードに電気的に結合されたデバイスドライバと
    を備え、
    前記発光ダイオードの陰極領域及び前記デバイスドライバのドレイン領域は、少なくとも１つのドープ領域をそれぞれ共有するように統合されて、前記デバイスドライバのための電子が豊富なドレイン領域を備え、前記発光ダイオードの陽極領域が、前記少なくとも１つのドープ領域に電気的に結合され、前記デバイスドライバの電子が不足したチャネル領域が、電子が豊富なソース領域と前記少なくとも１つのドープ領域との間で電気的に結合される、
    前記ナノワイヤシステム。
  2. 前記共有された少なくとも１つのドープ領域が、ＧａＮ層を備える、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記陽極領域が、前記陰極領域を含む前記ＧａＮ層に電気的に結合され、前記チャネル領域が、前記ソース領域と、前記ドレイン領域を含む前記ＧａＮ層との間で電気的に結合される、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記ソース領域及び前記チャネル領域が、それぞれ別のＧａＮ層を備える、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記発光ダイオードの前記陰極領域及び前記デバイスドライバの前記ドレイン領域が、共通の外部接続性を共有する、請求項２に記載のシステム。
  6. 基板と、
    前記基板の表面から軸に沿って延びる少なくとも１つのナノワイヤ構造と
    を備える、ナノワイヤシステムであって、
    前記ナノワイヤ構造は、
    発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードの動作状態を制御するために前記発光ダイオードに電気的に結合されたデバイスドライバと、
    前記デバイスドライバのチャネル領域の周縁部の少なくとも一部分に電気的に結合されたゲート金属層と
    を備え、
    前記発光ダイオードの陰極領域及び前記デバイスドライバのドレイン領域は、少なくとも１つのドープ領域をそれぞれ共有するように統合されており、前記発光ダイオードの陽極領域が、前記少なくとも１つのドープ領域に電気的に結合され、前記デバイスドライバのチャネル領域が、ソース領域と前記少なくとも１つのドープ領域との間で電気的に結合される、
    前記ナノワイヤシステム。
  7. 基板と、
    前記基板の表面から、同じ単一配向をそれぞれ有する異なる軸に沿って別々に延びる、２つ以上のナノワイヤ構造と
    を備える、ナノワイヤシステムであって、
    前記ナノワイヤ構造のそれぞれは、
    発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードの動作状態を制御するために前記発光ダイオードに電気的に結合されたデバイスドライバと、
    ２つ以上のナノワイヤ構造のチャネル領域に電気的に結合されたゲート金属層と
    を備え、
    前記発光ダイオードの陰極領域及び前記デバイスドライバのドレイン領域は、少なくとも１つのドープ領域をそれぞれ共有するように統合されており、２つ以上のナノワイヤ構造のための前記デバイスドライバのソース領域が、共有されたソース領域である、
    前記ナノワイヤシステム。
  8. 複数の隣接するナノワイヤ構造を共に電気的に結合する透明導電フィルム層をさらに備える、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記複数の隣接するナノワイヤ構造が、前記透明導電フィルム層と前記ゲート金属層の両方によって電気的に結合されている、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記少なくとも１つのナノワイヤ構造の最大断面寸法が約１０マイクロメートル未満である、請求項１に記載のシステム。
  11. 前記少なくとも１つのナノワイヤ構造の最大断面寸法が約３マイクロメートル未満である、請求項１に記載のシステム。
  12. Ｎｉ系金属ドレイン接点と、前記ソース領域に隣接し電気的に接続されたＴｉ系金属層とをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  13. 前記発光ダイオードが、前記発光ダイオードの発光部分の上に、スペクトル発光を改変する材料の１つ以上の層をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  14. 前記１つ以上の層が色コンバータを備える、請求項１３に記載のシステム。
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