專利名稱：Ⅲ族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管與其形成方法，特別是涉及一種III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法。
背景技術(shù)：
由于在照明應(yīng)用上具有極大的潛力，以白光發(fā)光二極管為基礎(chǔ)的固態(tài)光源獲得許多重視。對(duì)于白光二極管而言，可通過(guò)控制各種顏色(polychromatic)的發(fā)光體 (emitter)，例如紅、黃、綠、藍(lán)等發(fā)光體的混合而控制其發(fā)光效力與色彩表現(xiàn)u?，F(xiàn)今，氮化銦鎵(indium galliumnitride, InGaN)化合物半導(dǎo)體成為白光二極管中最具潛力的使用材料。這是由于氮化銦鎵InxGai_xN(0彡χ彡1)的直接能隙可由近紅外光區(qū)域(0. 6eV, InN)被連續(xù)調(diào)整到近紫外光區(qū)域(33eV，GaN)，涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜。然而，氮化銦鎵 (InGaN)在波長(zhǎng)更長(zhǎng)的范圍，發(fā)光效率會(huì)大幅降低2_5，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。迄今，高效率的氮化銦鎵(InGaN)發(fā)光二極管僅限于藍(lán)光區(qū)域。因此，整個(gè)白光二極管通常是利用黃色磷光劑，例如摻雜有鈰(cerium)的釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet)，通過(guò)冷光下轉(zhuǎn)換(luminescencedown-conversion)技術(shù)，而發(fā)出白光。但是，由于斯托克司頻移損失(Stokesshift loss)與有限的色彩表現(xiàn)u，利用磷光劑(phosphor)轉(zhuǎn)換的光源其效率與發(fā)光質(zhì)量仍然不夠完美。再者，市場(chǎng)上也需要一個(gè)可涵蓋全可見(jiàn)光波段的發(fā)光體來(lái)滿足色彩顯示達(dá)最佳化的需求。因此，改善InGaN在更長(zhǎng)波段的發(fā)光效率是目前的研究主流。 特別是，半導(dǎo)體材料在波長(zhǎng)介于550nm至590nm之間的綠黃光波段，即熟知的“綠黃光能隙”(green-yellow gap)，其發(fā)光效率有明顯下降的趨勢(shì)，然而現(xiàn)今沒(méi)有任何半導(dǎo)體材料能在此波段制造出高效率的發(fā)光二極管2’5。造成同一發(fā)光體，在不同波長(zhǎng)有不同的發(fā)光效率，可歸因于晶格結(jié)構(gòu)本身帶有極性，以及氮化銦(InN)與氮化鎵(GaN)之間的晶格系數(shù)差異(lattice mismatch)，約11%。 傳統(tǒng)的高質(zhì)量hGaN發(fā)光二極管，在六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)(wurtzite crystal structure)的 GaN沿極性c軸(c-axis)方向成長(zhǎng)平面式的hGaN/GaN多重量子阱結(jié)構(gòu)。因此，所成長(zhǎng)的高銦含量的hGaN/GaN多重量子阱結(jié)構(gòu)，勢(shì)必有高密度的缺陷，以及內(nèi)部靜電(壓電)場(chǎng) (> lMV/cm6'7)的問(wèn)題。內(nèi)部電場(chǎng)會(huì)將電子與空穴的波函數(shù)(wave function)分開(kāi)，造成量子局限斯塔克效應(yīng)(quantum confined Stark effect, QCSE)，使得發(fā)光體在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍時(shí)，發(fā)光效率無(wú)法提高。對(duì)于低銦含量的藍(lán)光InGaN發(fā)光二極管而言，利用載流子局限現(xiàn)象(carrier localization phenomenon)與超薄的量子阱結(jié)構(gòu)，例如商業(yè)產(chǎn)品的hGaN發(fā)光二極管或激光二極管其寬度約2至4nm，借此可減輕缺陷密度與QCSE的影響。不幸地，上述方案不能應(yīng)用在高銦含量的InGaN量子阱結(jié)構(gòu)，因其缺乏強(qiáng)的電荷局限，且具有更大的內(nèi)部電場(chǎng)。此外，對(duì)于極性C-平面(c-plane) InGaN 二極管，還有其它與QCSE或量子阱結(jié)構(gòu)相關(guān)的不利特性，例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增加，由于內(nèi)部電場(chǎng)造成載流子屏蔽，使發(fā)光效率降低，并且其中心波長(zhǎng)會(huì)往藍(lán)光的波長(zhǎng)方向移動(dòng)。因此，如何解決QCSE的問(wèn)題，成為照明光源發(fā)展所亟需克服的問(wèn)題。過(guò)去數(shù)年已有許多研究致力于克服QCSE效應(yīng)，例如在各種基板上成長(zhǎng)非極性的 a-平面(a-plane)或m_平面(m-plane)7’8。然而，非極性的方法有其本身的限制與挑戰(zhàn)8， 因而，對(duì)于“綠黃光能隙”的效率降低問(wèn)題，仍然沒(méi)有最佳解決方案。參考文獻(xiàn) 1 :Schubert, Ε. F. &Kim, J. K. Sold-state light sourcesgetting small. Science 308，1274-1278(2005)；參考文獻(xiàn) 2 =Krames, Μ. R.，Shchekin, 0. B.，Mueller-Mach，R.，Mueller, G. 0.， Zhou, L. , Harbers, G. &Craford, Μ. G. Status andfuture of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting. J. Disp. Technol. 3,160-175(2007)；參考文獻(xiàn) 3 :Mukai, Τ. , Yamada, Μ· &Nakamura, S. Characteristicsof InGaN-based uv/blue/green/amber/red light-emitting diodes. Jpn. J. Appl. Phys. 38, 3976-3981(1999)；參考文獻(xiàn)4 :Xu, Τ.，Nikiforov, A. Yu.，F(xiàn)rance, R.，Thomidis, C.，Williams, A. &Moustakas, Τ. D. Blue-green-red LEDs based on InGaNquantum dots grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Phys. Stat. Sol. A 204, 2098-2102(2007)；# # i； 5 =Humphreys, C. J. Solid-state lighting. MRS Bull. 33, 459-470(2008)；參考文獻(xiàn)6 :Fiorentini, V. ,Bernardini,F. ,Delia Sala,F.，DiCarlo,A. &Lugli, P.Effects of macroscopic polarization in III-Vnitride multiple quantum wells. Phy. Rev. B 60,8849-8858(1999)；參考文獻(xiàn) 7 :ffaltereit, P. , Brandt, 0. , Trampert, A. , Grahn, H. T. , Menniger, J., Ramsteiner, Μ. , Reiche, M. &Ploog,K. H. Nitridesemiconductors free of electrostatic fields for efficient whitelight-emitting diodes. Nature 406,865-868 (2000)；參考文獻(xiàn) 8 :Masui, H. , Nakamura, S. , DenBaars, S. P. &Mishra, U. K. Nonpolar and semipolar Ill-nitride light-emitting diodes !Achievements and challenges. IEEE Trans. Electron Devices 57,88-100(2010).因此，亟需提出一種發(fā)光二極管，以克服在綠黃光波段的效率不佳，以及發(fā)光二極管的發(fā)光效率降低的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，上述現(xiàn)有的發(fā)光二極管與其形成方法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造方法與使用上， 顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決上述存在的問(wèn)題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來(lái)謀求解決之道，但長(zhǎng)久以來(lái)一直未見(jiàn)適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品及方法又沒(méi)有適切的結(jié)構(gòu)及方法能夠解決上述問(wèn)題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問(wèn)題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新的III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法，實(shí)屬當(dāng)前重要研發(fā)課題之一，亦成為當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。有鑒于上述現(xiàn)有的發(fā)光二極管與其形成方法存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造多年豐富的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)，并配合學(xué)理的運(yùn)用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新的III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有的發(fā)光二極管與其形成方法，使其更具有實(shí)用性。經(jīng)過(guò)不斷的研究、設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)反復(fù)試作樣品及改進(jìn)后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實(shí)用價(jià)值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的發(fā)光二極管與其形成方法存在的缺陷，而提供一種新型結(jié)構(gòu)的III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服在綠黃光波段的效率不佳，以及發(fā)光二極管的發(fā)光效率降低的問(wèn)題，非常適于實(shí)用。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明III 族-氮化物發(fā)光二極管提出的其包括一第一電極；一 η型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)η 型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸；一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于每個(gè)η型氮化鎵納米柱上；一 P型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)P型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)P型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型氮化鎵納米柱，且被設(shè)置于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的η型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的數(shù)量為兩個(gè)以上，且一氮化鎵阻擋層設(shè)置于每?jī)蓚€(gè)氮化銦鎵納米碟之間。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的電激發(fā)光為單色光或多色光。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該發(fā)光二極管的電激發(fā)光為偏振光。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的每個(gè)該氮化銦鎵納米碟的厚度為 IOnm以上。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的每個(gè)該氮化銦鎵納米碟的厚度介于 IOnm 至 40nm。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的當(dāng)其驅(qū)動(dòng)電流增加，該發(fā)光二極管的電激發(fā)光的波長(zhǎng)維持不變。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該發(fā)光二極管的發(fā)光色溫與該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流無(wú)關(guān)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的當(dāng)其驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)5Ma，該發(fā)光二極管的色溫保持在6，000K。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的當(dāng)該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流密度增加至50A/cm2，該發(fā)光二極管的相對(duì)外部量子效率隨之變化，但不會(huì)飽和或降低。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該第一電極或該第二電極為一透明電極，且每個(gè)該P(yáng)型氮化鎵納米柱或每個(gè)該η型氮化鎵納米柱具有兩端，其中靠近該透明電極的一端比另一端寬廣。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明III 族-氮化物發(fā)光二極管提出的其包括一第一電極；一 η型氮化鎵納米柱，與該第一電極歐姆接觸；一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于該η型氮化鎵納米柱上；一 ρ型氮化鎵納米柱， 設(shè)置于該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟上方；以及一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱歐姆接觸。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的數(shù)量為兩個(gè)以上，且一氮化鎵阻擋層設(shè)置于每?jī)蓚€(gè)氮化銦鎵納米碟之間。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的電激發(fā)光為單色光或多色光。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該發(fā)光二極管的電激發(fā)光為偏振光。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該發(fā)光二極管的電激發(fā)光具有一偏振比，該偏振比與該發(fā)光二極管的電激發(fā)光波長(zhǎng)以及該氮化銦鎵納米碟的直徑無(wú)關(guān)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流密度達(dá)到 8000A/cm2 以上。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的每個(gè)該氮化銦鎵納米碟的厚度為 IOnm以上。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該發(fā)光二極管是作為一個(gè)次波長(zhǎng)光學(xué)顯影術(shù)的光源，以接觸或近接曝光微影模式，在該發(fā)光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)使一光刻膠感光，其中該光刻膠落在該發(fā)光二極管的近場(chǎng)范圍內(nèi)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的其通過(guò)一光閘掃描該單根納米柱發(fā)光二極管與該光刻膠，完成次波長(zhǎng)光學(xué)顯影術(shù)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的該發(fā)光二極管是作為一個(gè)次波長(zhǎng)光學(xué)成像技術(shù)的光源，一對(duì)象落在該發(fā)光二極管的近場(chǎng)范圍內(nèi)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其中所述的其通過(guò)一光閘掃描該發(fā)光二極管與該對(duì)象而完成該光學(xué)成像。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題另外再采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明 III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法提出的其包括形成一第一電極；形成一 η型氮化鎵納米柱數(shù)組，其具有多個(gè)η型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸；形成一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟在每個(gè)η型氮化鎵納米柱上；形成一 P型氮化鎵納米柱數(shù)組，其具有多個(gè)P型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)P型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型氮化鎵納米柱，且被形成于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的η型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及形成一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的所述η型與ρ型氮化鎵納米柱的晶格結(jié)構(gòu)為一六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其中所述納米柱沿者六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的c軸方向磊晶成長(zhǎng)。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的其利用一等離子體輔助分子束磊晶方法制作該η型氮化鎵納米柱、ρ型氮化鎵納米柱、氮化銦鎵納米碟。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的該等離子體輔助分子束磊晶方法，與成長(zhǎng)三族-氮化物薄膜時(shí)所用的三族分子束與氮?dú)馔勘认啾容^下使用高氮含量的(nitrogen-rich)條件。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的其每個(gè)氮化銦鎵納米碟的發(fā)光波長(zhǎng)是由磊晶程序的溫度以及三族半導(dǎo)體的分子束通量決定。
前述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟包含一或多個(gè)Tl氮化銦鎵納米碟、一或多個(gè)T2氮化銦鎵納米碟、一或多個(gè)T3氮化銦鎵納米碟，且其磊晶溫度為T(mén)l > T2 > T3。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的其結(jié)合所述不同磊晶溫度T1、T2、T3成長(zhǎng)的納米碟其電激發(fā)光會(huì)獲得白光。前述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的當(dāng)其形成兩個(gè)以上該氮化銦鎵納米碟，尚包含形成一氮化鎵阻擋層在每?jī)蓚€(gè)氮化銦鎵納米碟之間。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明的主要技術(shù)內(nèi)容如下為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種III族-氮化物發(fā)光二極管，包含一第一電極；一 η型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)η型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸；一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于每個(gè)η型氮化鎵納米柱上；一 ρ型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè) P型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)P型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型氮化鎵納米柱，且被設(shè)置于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的η型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及一第二電極，與該ρ型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。另外，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種III族-氮化物發(fā)光二極管，其包含 一第一電極；一 η型氮化鎵納米柱，與該第一電極歐姆接觸；一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于該η型氮化鎵納米柱上；一 ρ型氮化鎵納米柱，設(shè)置于該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟上方；以及一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱歐姆接觸。再者，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明再提供了一種III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其包含形成一第一電極；形成一 η型氮化鎵納米柱數(shù)組，其具有多個(gè)η型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸；形成一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟在每個(gè)η型氮化鎵納米柱上；形成一 P型氮化鎵納米柱數(shù)組，其具有多個(gè)P型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)P型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型氮化鎵納米柱，且被形成于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的η型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及形成一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法至少具有下列優(yōu)點(diǎn)及有益效果克服了現(xiàn)今發(fā)光二極管，特別是白光發(fā)光二極管的發(fā)展限制，如在“綠黃光能隙”以及高驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的效率降低。此外，本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光二極管的制作不需要特殊的納米制造技術(shù)，且具有在半導(dǎo)體基板上大量制造的能力。另外，本發(fā)明實(shí)施例的 InGaN納米碟的數(shù)量、厚度與結(jié)構(gòu)可依照需要設(shè)計(jì)，有利于所應(yīng)用發(fā)光或顯示裝置的最佳化。綜上所述，本發(fā)明是一種III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法，其主要包含 一第一電極；一 η型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)η型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸；一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于每個(gè)η型氮化鎵納米柱上；一 ρ型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)P型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)P型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型氮化鎵納米柱， 且被設(shè)置于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的η型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。本發(fā)明在技術(shù)上有顯著的進(jìn)步，并具有明顯的積極效果，誠(chéng)為一新穎、進(jìn)步、實(shí)用的新設(shè)計(jì)。上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖IA顯示根據(jù)本發(fā)明III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法一實(shí)施例的白光發(fā)光二極管的立體圖；圖IB顯示圖IA的發(fā)光二極管，被施加20mA的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)發(fā)出白光的照片，而圖下方顯示在各種驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的電激發(fā)光(micro-electroluminescence，EL)的放大10倍的顯微照片；圖IC顯示圖IA的發(fā)光二極管，被施加20mA的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的電激發(fā)光的放大100 倍的顯微照片，該發(fā)光二極管可發(fā)出全波段的可見(jiàn)光；圖ID顯示圖IA的發(fā)光二極管的國(guó)際照明委員會(huì)(CIE 1931) xy色度圖，其中驅(qū)動(dòng)電流從5mA到25mA。圖2A顯示根據(jù)本發(fā)明III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法實(shí)施例的I nGaN/ GaN納米柱數(shù)組白光發(fā)光二極管，其驅(qū)動(dòng)電流為ImA至25mA的電激發(fā)光圖譜。圖2B顯示在圖2A的兩波峰G48、569nm)與整體的驅(qū)動(dòng)電流與電激發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系圖。圖3A顯示根據(jù)本發(fā)明III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法一實(shí)施例的單根 InGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管的電流-電壓曲線。圖;3B顯示根據(jù)本發(fā)明III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法一些實(shí)施例的單根^GaN/GaN納米柱發(fā)光二極管的電激發(fā)光圖譜，其中每個(gè)發(fā)光二極管具有一 InGaN納米碟。圖3C顯示圖3A的單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流由IOOnA增加至500nA時(shí)，發(fā)光主波長(zhǎng)維持在475nm。圖4A顯示圖3A的單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管，在驅(qū)動(dòng)電流500 nA時(shí)的偏振(polarized)電激發(fā)光圖譜。圖4B顯示3A圖的單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管，利用極坐標(biāo)表示電激發(fā)光強(qiáng)度的二維空間分布與納米柱幾何的相對(duì)關(guān)系。1 :n型硅基板2:鈦/金電極 3 :n型GaN納米柱數(shù)組/n型GaN納米柱4 :InGaN 納米碟5 φ型GaN納米柱數(shù)組/p型GaN納米柱6:鎳/金電極7 =GaN 阻擋層T1-T3 :InGaN 納米碟
具體實(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的III族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、制造方法、步驟、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如后。在本發(fā)明實(shí)施例的方法，將利用硅基板上自組裝的GaN納米柱數(shù)組當(dāng)作長(zhǎng)晶樣板，再成長(zhǎng)hGaN/GaN納米柱異質(zhì)接合結(jié)構(gòu)在納米柱數(shù)組上，借此可完成本發(fā)明的主要目的。上述方法最主要的特色在于排除了壓電極化效應(yīng)(piezoelectric polarization effects)，因而可形成每個(gè)厚達(dá)數(shù)十納米(nm)的hGaN納米碟結(jié)構(gòu)。利用上述方法，本發(fā)明實(shí)施例示范了整體、無(wú)磷光體的白光(多色變化的)納米柱數(shù)組發(fā)光二極管，以及偏振全彩(單色的)單根納米柱發(fā)光二極管。以下將介紹本發(fā)明較佳實(shí)施例的無(wú)磷光體、可發(fā)白光的多色納米柱數(shù)組發(fā)光二極管。首先，根據(jù)等離子體輔助分子束磊晶方法，在一 3吋、η型硅(111)基板上，沿者六方纖鋅礦(mirtzite)結(jié)構(gòu)的c軸(c-axis)成長(zhǎng)垂直自我排列的GaN納米柱數(shù)組。上述等離子體輔助分子束磊晶方法的詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)Chen，H. -Y.，Lin, H. -W.，Shen, C. -H. &Gwo， S. Structure andphoto luminescence properties of epitaxially oriented GaN nanorodsgrown on Si (lll)by plasma-assisted molecular-beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 89,243105(2006)，其內(nèi)容并入本文，視為本發(fā)明說(shuō)明書(shū)的一部分。根據(jù)上述方法成長(zhǎng)的納米柱數(shù)組，為無(wú)應(yīng)力(strain-free)、無(wú)差排(dislocation-free)缺陷的單結(jié)晶結(jié)構(gòu)， 其被用來(lái)成長(zhǎng)具相似晶格結(jié)構(gòu)的無(wú)應(yīng)力InGaN納米碟。圖IA至圖ID顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光二極管，其中圖IA為發(fā)光二極管的立體圖；圖IB顯示發(fā)光二極管被施加20mA的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)發(fā)出白光的照片，而圖下方顯示在各種驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的電激發(fā)光顯微照片(micro-electroluminescence，EL)，其放大倍率為10 倍；圖IC顯示發(fā)光二極管被施加20mA的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的電激發(fā)光顯微照片，其放大倍率為 100倍；以及圖ID顯示發(fā)光二極管的國(guó)際照明委員會(huì)(CIE 1931)xy色度圖，其中驅(qū)動(dòng)電流從5mA增加至25mA，色溫可保持在自然白光的6000K(由普郎克軌跡顯示)。請(qǐng)參閱圖IA所示，本實(shí)施例的發(fā)光二極管包含一 η型硅基板1、一鈦/金(Ti/Au 復(fù)合層)電極2設(shè)置于硅基板1上、一 η型氮化鎵(GaN)納米柱數(shù)組3由許多η型GaN納米柱構(gòu)成并與鈦/金電極歐姆接觸、一或多個(gè)氮化銦鎵(InGaN)納米碟4設(shè)置于每個(gè)η型 GaN納米柱上、一 ρ型GaN納米柱數(shù)組5由許多ρ型GaN納米柱構(gòu)成且設(shè)置于InGaN納米碟 4上方，其中一個(gè)ρ型GaN納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型GaN納米柱，以及一鎳/金(Ni/Au復(fù)合層) 電極6與ρ型GaN納米柱數(shù)組5歐姆接觸。注意鈦/金電極2可不直接接觸η型GaN納米柱數(shù)組3，而是通過(guò)硅基板1與η型GaN納米柱數(shù)組3歐姆接觸。另外，鎳/金電極6為透明電極；每個(gè)P型GaN納米柱5具有兩端且靠近透明電極的那一端比另一端寬，此結(jié)構(gòu)有助于避免漏電流。上述發(fā)光二極管的白色發(fā)光，是借此堆疊在GaN納米柱ρ_η異質(zhì)接合結(jié)構(gòu)中的 InGaN納米碟4來(lái)完成所須的混光效果。注意每一個(gè)前述的一或多個(gè)^iGaN納米碟4是由許多不同發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)光體構(gòu)成，其平均發(fā)射波長(zhǎng)可由長(zhǎng)晶時(shí)的溫度T與^iAia的分子束通量(flux)控制。納米碟可由多個(gè)成長(zhǎng)溫度組合而成在本實(shí)施例，發(fā)光二極管具有三個(gè)不同成長(zhǎng)溫度(Τ1、Τ2、Τ;3)所組合成的InGaN納米碟，其中有三個(gè)Tl、一個(gè)Τ2、一個(gè)Τ3的InGaN 納米碟，且其長(zhǎng)晶溫度為T(mén)l > Τ2 > Τ3。在本發(fā)明其它實(shí)施例，依據(jù)發(fā)光需求，可有不同數(shù)量或組合的InGaN納米碟。另外，在每?jī)蓚€(gè)InGaN納米碟之間，設(shè)置一 GaN阻擋層7。
對(duì)于傳統(tǒng)的平面式hGaN/GaN多重量子阱結(jié)構(gòu)，InGaN主動(dòng)層的厚度限制在2到 4nm。在本發(fā)明實(shí)施例，由于所成長(zhǎng)的納米碟具有無(wú)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，因此其堆疊成長(zhǎng)可控制厚度的納米碟。例如，每個(gè)納米碟的厚度可介于10至25nm。另外，納米碟的數(shù)量與位置必須精確的控制，才能獲得如圖IB的白光效果。本實(shí)施例所提供的厚InGaN納米碟提供較大與可調(diào)整的主動(dòng)層，且在高驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，可減低電子過(guò)剩、改善載流子捕捉的現(xiàn)象。在本文稍后將提及，厚的納米碟可有效解決發(fā)光二極管效率降低的問(wèn)題。另外，圖IC顯示本實(shí)施例的納米柱數(shù)組發(fā)光二極管，具有發(fā)出各種多樣顏色(全彩)光的能力。對(duì)于傳統(tǒng)磷光體發(fā)光二極管而言，若要能發(fā)出各種顏色的光，必須發(fā)展出新的全彩磷光體數(shù)組，如果考慮其溫度穩(wěn)定性、量子效率、化學(xué)可靠性(chemical robustness)，這將會(huì)是一個(gè)令人氣餒的任務(wù)。圖2A顯示根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的hGaN/GaN納米柱數(shù)組白光發(fā)光二極管，其驅(qū)動(dòng)電流為ImA至25mA的電激發(fā)光圖譜。如圖，在驅(qū)動(dòng)電流20mA時(shí)，兩個(gè)主要發(fā)光波峰分別位于藍(lán)光頻帶的448nm以及黃光頻帶的569nm。如圖，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電流增加使發(fā)光波長(zhǎng)往藍(lán)光偏移的量，小到足以忽略。此表示本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光二極管的發(fā)光體可有效排除QCSE 效應(yīng)。在發(fā)光二極管的主動(dòng)層結(jié)構(gòu)中，成長(zhǎng)溫度Tl的納米碟提供藍(lán)光發(fā)射頻帶、T2納米碟提供黃光頻帶，而T3納米碟提供較少的紅光頻帶與黃光頻帶混合。隨著驅(qū)動(dòng)電流增加，無(wú)論藍(lán)光、黃光頻帶都顯示可以忽略波長(zhǎng)的偏移量。由這電激發(fā)光圖譜可看出，藍(lán)光頻帶與黃光頻帶的混合造成如圖IB所示的白光效果。而相當(dāng)小的波長(zhǎng)偏移表示，InGaN納米碟發(fā)光體的極化效應(yīng)可以忽略，使得納米柱數(shù)組發(fā)光二極管的色溫，不受驅(qū)動(dòng)電流的影響，如圖ID 所示。在藍(lán)光頻帶的1. 3nm與黃光頻帶的2. 4nm小偏移量，可能是由于InGaN與GaN間微小的自發(fā)極性不匹配(spontaneous polarizationmismatch)所至文。如前所述，在高驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的效率降低，是現(xiàn)今發(fā)展發(fā)光二極管的主要障礙。造成效率降低的原因，在學(xué)術(shù)界引起廣泛討論，并提出一些可能的機(jī)制，例如俄歇非輻射復(fù)合(Auger nonradiative recombination)、載流子溢流(carrier overflow)、極性場(chǎng) (polarization fields)、線位錯(cuò)(threading dislocation)等等。而本發(fā)明實(shí)施例所提供的厚的無(wú)應(yīng)力InGaN/GaN納米柱異質(zhì)接合結(jié)構(gòu)可成功克服效率降低的問(wèn)題。圖2B顯示在圖2A的兩波峰G48、569nm)與整體的驅(qū)動(dòng)電流與電激發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系圖。無(wú)論是藍(lán)光頻帶G48nm)或黃光頻帶(569nm)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增加，其電激發(fā)光的強(qiáng)度也隨著線性增加，且斜率固定。因此，可證明整體發(fā)光二極管所發(fā)出的白光，不會(huì)受到驅(qū)動(dòng)電流增加而改變。另外，整體發(fā)光二極管的電激發(fā)光圖譜顯示出發(fā)光強(qiáng)度并未衰減。注意圖中的驅(qū)動(dòng)電流只測(cè)試到25mA (電流密度約為53A/cm2)，本實(shí)施例的發(fā)光二極管其實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流與電流密度還可遠(yuǎn)大于此。為了測(cè)量在效率降低前的最大電流密度， 本發(fā)明另一實(shí)施例提供單根納米柱發(fā)光二極管，并測(cè)量其光電特性。圖3A顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管在室溫下的電流-電壓(I-V)曲線。如圖，在-10V的時(shí)候并沒(méi)有漏電流發(fā)生。而圖中的插圖顯示該單根納米柱發(fā)光二極管的場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)圖譜，以及構(gòu)造示意圖。如圖， 刻度標(biāo)示(scale bar)為500nm、單根納米柱發(fā)光二極管的長(zhǎng)度約2 μ m，其包含直徑90nm、 厚度40nm的單一 hGaN納米碟4。I-V曲線顯示出良好的二極管特性。并且，所制備的單根納米柱發(fā)光二極管沒(méi)有漏電流，適合用來(lái)測(cè)量通過(guò)其自身的實(shí)際電流密度值。
圖:3B顯示根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管的電激發(fā)光圖譜，其中每個(gè)發(fā)光二極管僅具有單個(gè)^GaN納米碟。如圖譜所示，從單一 InGaN納米碟發(fā)出的光皆為單色光，具有窄的光譜頻寬，大約25nm。顯微鏡圖像(未顯示)顯示，在500nA的驅(qū)動(dòng)電流下，這些單根納米柱發(fā)光二極管所呈現(xiàn)的具有繞射限制 (diffraction-limited)的點(diǎn)光源分別為紫光、藍(lán)光、青綠光、綠光、黃光。圖3C顯示圖 3A的單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流由IOOnA增加至500nA時(shí)，發(fā)光波峰維持在475nm。另外，插圖顯示電激發(fā)光強(qiáng)度以及相對(duì)外部量子效率(externalquantum efficiency,EQE)與驅(qū)動(dòng)電流密度的關(guān)系。相對(duì)EQE的值是以一固定的集光裝置，在直流電的模式，由電激發(fā)光強(qiáng)度除以驅(qū)動(dòng)電流獲得。如插圖所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流的密度增加，相對(duì)EQE 也會(huì)增加。而傳統(tǒng)的發(fā)光二極管，相同的EQE增加趨勢(shì)，只維持在電流密度小于lOA/cm2。在本實(shí)施例，納米柱的直徑為90nm，借此可換算出電流密度值。如插圖所示，本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光二極管，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流密度達(dá)到8000A/cm2時(shí)，EQE效率仍然沒(méi)有衰減的跡象。相比較于現(xiàn)有習(xí)知的InGaN發(fā)光二極管，其驅(qū)動(dòng)電流密度僅約lOA/cm2時(shí)，對(duì)于某些具有較厚InGaN 主動(dòng)層的發(fā)光二極管，其驅(qū)動(dòng)電流密度也只有200A/cm2。本實(shí)施例發(fā)光二極管的高驅(qū)動(dòng)電流密度，可歸因于厚達(dá)40nm且無(wú)應(yīng)力的納米碟結(jié)構(gòu)所致。在一些顯示器的應(yīng)用，例如背光系統(tǒng)，必須將發(fā)光二極管發(fā)出的光偏振化，以改善系統(tǒng)效率。對(duì)于非極性的m-平面InGaN發(fā)光二極管，有文獻(xiàn)指出其在in-plane方向可發(fā)出非等方向性(anisotropy)的光，因此有機(jī)會(huì)被應(yīng)用于液晶顯示器的背光系統(tǒng)；另外，傳統(tǒng)的極性C-平面InGaN發(fā)光二極管卻缺乏此特性。然而，本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光二極管，其極性納米柱所發(fā)出的光，可以是高度偏振化的。圖4A顯示如圖3A的單根^GaN/GaN納米柱發(fā)光二極管，在驅(qū)動(dòng)電流500nA時(shí)的偏振(polarized)電激發(fā)光圖譜。圖中曲線A為偏振方向與GaN納米柱軸方向平行的電激發(fā)光強(qiáng)度(電場(chǎng)Ea//C)、曲線B為偏振方向與GaN 納米柱軸方向垂直的電激發(fā)光強(qiáng)度(電場(chǎng)Ea丄c)，其中納米柱軸方向即為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu) (wurtzite crystal structure)的極性 c 軸方向。另夕卜，定義偏振比(polarization ratio) ρ為ρ = (I〃-I±)/(I〃+I±)，其中1〃與分別為平行與垂直c軸方向的電激發(fā)光強(qiáng)度。 在計(jì)算后獲得偏振比P為-0.85。另外，圖4A的插圖顯示100倍放大的顯微鏡圖像。圖4B顯示如圖3A的單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管，利用極坐標(biāo)表示電激發(fā)光強(qiáng)度的二維空間分布與納米柱幾何的相對(duì)關(guān)系。之前所測(cè)量的偏振比P為-0.85表示單根納米柱發(fā)光二極管發(fā)出的光是高度偏振化的，可于圖4B獲得證實(shí)。不同于現(xiàn)有習(xí)知的極性納米柱或納米線(nanowire)，本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光二極管可發(fā)出高度非等方向性的光，而負(fù)偏振比-0. 85表示偏振方向是垂直于納米柱長(zhǎng)軸方向。一先前的研究指出，寬度小于IOOnm的單根GaN納米柱內(nèi)的光限制效應(yīng)(opticalconf inement effect)是造成光偏振化的原因。如果根據(jù)此理論，偏振比將會(huì)是發(fā)光波長(zhǎng)與納米柱直徑的函數(shù)。但相反地，本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，偏振光是來(lái)自設(shè)置于GaN納米柱中間的InGaN納米碟結(jié)構(gòu)。另外，負(fù)的偏振比顯示，偏振光與發(fā)光波長(zhǎng)以及InGaN納米碟的直徑的依存關(guān)系微弱。這些特性將有助于任何需要偏振光的應(yīng)用上?？傊?，本發(fā)明實(shí)施例提供的納米柱數(shù)組發(fā)光二極管與單根納米柱發(fā)光二極管，以不同現(xiàn)有習(xí)知的技術(shù)的厚的、無(wú)應(yīng)力的InGaN納米碟發(fā)光體，克服了現(xiàn)今發(fā)光二極管，特別是白光發(fā)光二極管的發(fā)展限制，例如，在“綠黃光能隙”以及高驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的效率降低。此外，本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光二極管的制作不需要特殊的納米制造技術(shù)，且具有在半導(dǎo)體基板上大量制造的能力。此外，本發(fā)明實(shí)施例的InGaN納米碟的數(shù)量、厚度與結(jié)構(gòu)可依照需要設(shè)計(jì)，有利于所應(yīng)用發(fā)光或顯示裝置的最佳化。制作白光hGaN/GaN納米柱數(shù)組發(fā)光二極管范例本實(shí)施例是利用前述的等離子體輔助分子束磊晶方法(PAMBE)，在一 3吋、η型、電阻率0. 001至0. 005 Ω cm的硅(111)基板上，沿者六方纖鋅礦(wurtzite)結(jié)構(gòu)的c軸成長(zhǎng)垂直自我排列的η型GaN納米柱數(shù)組、InGaN納米盤(pán)、P型GaN納米柱數(shù)組。其中，與成長(zhǎng)三族-氮化物(group Ill-nitride)薄膜時(shí)所用的三族分子束與氮?dú)馔勘认啾容^之下，本實(shí)施例使用更高的氮?dú)獗壤?nitrogen-rich，高氮含量)。本實(shí)施例利用一購(gòu)自DCA儀器公司，型號(hào)DCA-60的PAMBE系統(tǒng)，其裝設(shè)有一大的射頻氮?dú)獾入x子體源。射頻功率設(shè)為500W、 氮?dú)饬髁吭O(shè)為每分鐘3立方厘米(3sCCm)。由實(shí)時(shí)的反射式高能量電子繞射(reflection high energy electron diffraction,RHEED)觀察到所成長(zhǎng)的納米柱為六方纖鋅礦單結(jié)晶結(jié)構(gòu)，納米柱沿著c軸方向成長(zhǎng)。另外，納米柱的in-plane (垂直面)結(jié)晶軸符合下列磊晶關(guān)系<2 0> ΙΙ[ 10]5 ;<1 00>丨I [111] Si。在成長(zhǎng)LGaN納米碟之前，先在前述硅基板上，以770°C、鎵分子束平衡壓(BEPea)9X 10_8torr的條件，成長(zhǎng)摻雜有硅、厚度約1 μ m的 η型GaN納米柱數(shù)組在硅基板上。之后，再于η型GaN納米柱上成長(zhǎng)hGaN納米碟。每個(gè)納米碟的發(fā)光波長(zhǎng)是由長(zhǎng)晶溫度(T)以及三族的分子束通量所決定。如圖IA的發(fā)光二極管，三種不同厚度納米碟的長(zhǎng)晶溫度分別為T(mén)l的750°C、T2的700°C、T3的690°C。另外，成長(zhǎng)Tl納米碟的鎵分子束平衡壓為7. 5X 10_8torr、銦分子束平衡壓2. 6 X 10_8torr、InGaN/ GaN的厚度比大約為25nm/25nm ；成長(zhǎng)T2納米碟的鎵分子束平衡壓為6. 2 X 10_8torr、銦分子束平衡壓3. 3X 10_8torr、InGaN/GaN的厚度比大約為10nm/25nm ；成長(zhǎng)T3納米碟的鎵分子束平衡壓為5. 7X 10-8torr、銦分子束平衡壓3. 7 X l(T8torr、InGaN/GaN的厚度比大約為 15nm/25nm。如圖IA所示，其中納米碟Tl、T2、T3的厚度介于10至25nm，而GaN阻擋層7 的厚度固定在25nm。之后，以690°C的條件，成長(zhǎng)摻雜有鎂、厚度約IymWpS GaN納米柱數(shù)組在納米碟上，其中，在磊晶時(shí)，逐漸提高fe/N的通量比，使側(cè)向磊晶形成ρ型GaN納米柱，借此形成“準(zhǔn)連續(xù)(quasi-continuous) ”的ρ型GaN薄膜。為形成一發(fā)光二極管，本實(shí)施例先以感應(yīng)式耦合等離子體法(inductively coupled plasma, I CP)形成一 260X280 μ m2的平臺(tái)，有效電流通過(guò)區(qū)域約為47，100 μ m2。 接著在上述平臺(tái)上以二氧化硅為刻蝕屏蔽，刻蝕形成一區(qū)域以在其上成長(zhǎng)GaN納米柱與納米盤(pán)。接著，在KTtorr真空下，以蒸鍍方法形成分別與硅基板以及ρ型GaN納米柱數(shù)組歐姆接觸的鈦/金電極與鎳/金電極，厚度分別是60nm/40nm以及15nm/35nm。鎳/金電極的厚度薄到足以使光線穿透。所制備白光發(fā)光二極管的電流電壓曲線，是以Keithley M00電源電表在室溫下測(cè)量。而電激發(fā)光光譜與光激發(fā)熒光光譜(photoluminescence，PL)的測(cè)量，是以光學(xué)分光系統(tǒng)結(jié)合一探針量測(cè)系統(tǒng)(probing station)作為測(cè)量設(shè)備。在室溫下以10倍物鏡 (Mitutoyo，折射率NA = 0. 28)放大，并結(jié)合裝設(shè)有液態(tài)氮冷卻的電荷耦合組件(CCD)感測(cè)芯片的光譜儀(HR460，Jobin-YVon)量測(cè)電激發(fā)光光譜。該光譜儀以一 NIST可追溯至美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局的鎢鹵光源(Ocean Optics, HL-2000-CAL)進(jìn)行校正。制作單根hGaN/GaN納米柱發(fā)光二極管范例
本實(shí)施例以前述PAMBE方法制作單根納米柱發(fā)光二極管。首先，在3吋、η型硅 (111)基板上，以770°C的條件，成長(zhǎng)摻雜有硅、厚度約1. 2 μ m的η型GaN納米柱在硅基板上。之后，以705°C、鎵分子束平衡壓為3. 5X 10_8torr、銦分子束平衡壓2. 6X 10_8torr的條件，在η型GaN納米柱上成長(zhǎng)40nm厚的InGaN納米碟。最后，再以685°C的條件，成長(zhǎng)厚度約800nm的ρ型GaN納米柱在InGaN納米碟上方。在PAMBE磊晶程序結(jié)束后，將所制備的單根納米柱發(fā)光二極管浸沒(méi)于的氫氟酸水溶液30秒，以移除在納米柱表面上的自生氧化層。接著，將單根納米柱發(fā)光二極管以超音波床震洗模式，使之懸浮于異丙醇溶液，之后，將單根納米柱發(fā)光二極管設(shè)置于一表面覆蓋有約500nm氧化層的硅基板上。兩接觸電極的圖案(pattern)是以標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)微影工藝與掀離法(photolithography and lift off)制作。兩接觸電極皆為鈦/金，厚度皆為20nm/35nm ；其制作方法是在腔體內(nèi)壓力約10_7tOrr的范圍下，以電子束蒸鍍制作。在蒸鍍程序后，所制備的單根納米柱發(fā)光二極管，在真空腔體壓力10_9torr的條件，以600°C進(jìn)行退火處理20秒。單根納米柱發(fā)光二極管的電流電壓曲線，是以一 Keithley 2400電源電表以及一場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡(kiss，Ultra 55)結(jié)合Zyvex SlOO機(jī)械手臂納米探測(cè)系統(tǒng)，在室溫下測(cè)量。而電激發(fā)光頻譜的測(cè)量，是在室溫下以100倍物鏡(Mitutoyo，折射率NA = 0. 5)收集后測(cè)量。 本發(fā)明實(shí)施例所提供的單根納米柱可具有某些特定應(yīng)用。在一實(shí)施例，本發(fā)明的一單根納米柱發(fā)光二極管是作為次波長(zhǎng)(subravelength)光學(xué)顯影技術(shù)的光源，以接觸 (contact)或近接曝光微影(proximity printing)模式，在發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)使一光刻膠感光，其中該光刻膠落在該單根納米柱發(fā)光二極管的近場(chǎng)(near-field)范圍內(nèi)。次波長(zhǎng)光學(xué)顯影技術(shù)可利用光間掃描(raster scanning)該單根納米柱發(fā)光二極管與該光刻膠而完成。在另一實(shí)施例，本發(fā)明的一單根納米柱發(fā)光二極管是作為次波長(zhǎng)(subravelength)光學(xué)成像技術(shù)的光源，一對(duì)象落在該單根納米柱發(fā)光二極管的近場(chǎng)(near-field)范圍內(nèi)，利用光間掃描(raster scanning)該單根納米柱發(fā)光二極管與該對(duì)象而完成該光學(xué)成像。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其包含 一第一電極；一 η型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)η型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸； 一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于每個(gè)η型氮化鎵納米柱上； 一 P型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)P型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)P型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型氮化鎵納米柱，且被設(shè)置于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的η型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的數(shù)量為兩個(gè)以上，且一氮化鎵阻擋層設(shè)置于每?jī)蓚€(gè)氮化銦鎵納米碟之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的電激發(fā)光為單色光或多色光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該發(fā)光二極管的電激發(fā)光為偏振光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中每個(gè)該氮化銦鎵納米碟的厚度為IOnm以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中每個(gè)該氮化銦鎵納米碟的厚度介于IOnm至40nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增加，該發(fā)光二極管的電激發(fā)光的波長(zhǎng)維持不變。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該發(fā)光二極管的發(fā)光色溫與該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流無(wú)關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)5mA，該發(fā)光二極管的色溫保持在6，000K。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中當(dāng)該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流密度增加至50A/cm2，該發(fā)光二極管的相對(duì)外部量子效率隨之變化，但不會(huì)飽和或降低。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該第一電極或該第二電極為一透明電極，且每個(gè)該P(yáng)型氮化鎵納米柱或每個(gè)該η型氮化鎵納米柱具有兩端，其中靠近該透明電極的一端比另一端寬廣。
12.—種III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其包含 一第一電極；一 η型氮化鎵納米柱，與該第一電極歐姆接觸；一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于該η型氮化鎵納米柱上；一 P型氮化鎵納米柱，設(shè)置于該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟上方；以及一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱歐姆接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的數(shù)量為兩個(gè)以上，且一氮化鎵阻擋層設(shè)置于每?jī)蓚€(gè)氮化銦鎵納米碟之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟的電激發(fā)光為單色光或多色光。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該發(fā)光二極管的電激發(fā)光為偏振光。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該發(fā)光二極管的電激發(fā)光具有一偏振比，該偏振比與該發(fā)光二極管的電激發(fā)光波長(zhǎng)以及該氮化銦鎵納米碟的直徑無(wú)關(guān)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流密度達(dá)到8000A/cm2以上。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中每個(gè)該氮化銦鎵納米碟的厚度為IOnm以上。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該發(fā)光二極管是作為一個(gè)次波長(zhǎng)光學(xué)顯影術(shù)的光源，以接觸或近接曝光微影模式，在該發(fā)光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)使一光刻膠感光，其中該光刻膠落在該發(fā)光二極管的近場(chǎng)范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中通過(guò)一光閘掃描該單根納米柱發(fā)光二極管與該光刻膠，完成次波長(zhǎng)光學(xué)顯影術(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中該發(fā)光二極管是作為一個(gè)次波長(zhǎng)光學(xué)成像技術(shù)的光源，一對(duì)象落在該發(fā)光二極管的近場(chǎng)范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的III族-氮化物發(fā)光二極管，其特征在于其中通過(guò)一光閘掃描該發(fā)光二極管與該對(duì)象而完成該光學(xué)成像。
23.—種III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其包含形成一第一電極；形成一 η型氮化鎵納米柱數(shù)組，其具有多個(gè)η型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸；形成一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟在每個(gè)η型氮化鎵納米柱上；形成一 P型氮化鎵納米柱數(shù)組，其具有多個(gè)P型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)P型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)η型氮化鎵納米柱，且被形成于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的η型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及形成一第二電極，與該P(yáng)型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其中所述η型與ρ型氮化鎵納米柱的晶格結(jié)構(gòu)為一六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其中所述納米柱沿者六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的c軸方向磊晶成長(zhǎng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其中利用一等離子體輔助分子束磊晶方法制作該η型氮化鎵納米柱、ρ型氮化鎵納米柱、氮化銦鎵納米碟。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其中該等離子體輔助分子束磊晶方法，與成長(zhǎng)三族-氮化物薄膜時(shí)所用的三族分子束與氮?dú)馔勘认啾容^下使用高氮含量的條件。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其中每個(gè)氮化銦鎵納米碟的發(fā)光波長(zhǎng)是由磊晶程序的溫度以及三族半導(dǎo)體的分子束通量決定。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其中該一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟包含一或多個(gè)Tl氮化銦鎵納米碟、一或多個(gè)T2氮化銦鎵納米碟、一或多個(gè)T3氮化銦鎵納米碟，且其磊晶溫度為T(mén)l > T2 > T3。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其中結(jié)合所述不同磊晶溫度T1、T2、T3成長(zhǎng)的納米碟其電激發(fā)光會(huì)獲得白光。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的III族-氮化物發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于其中當(dāng)形成兩個(gè)以上該氮化銦鎵納米碟，尚包含形成一氮化鎵阻擋層在每?jī)蓚€(gè)氮化銦鎵納米碟之間。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種Ⅲ族-氮化物發(fā)光二極管與其形成方法，其主要包含一第一電極；一n型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)n型氮化鎵納米柱與該第一電極歐姆接觸；一或多個(gè)氮化銦鎵納米碟，設(shè)置于每個(gè)n型氮化鎵納米柱上；一p型氮化鎵納米柱數(shù)組，具有多個(gè)p型氮化鎵納米柱，其中每個(gè)p型氮化鎵納米柱對(duì)應(yīng)一個(gè)n型氮化鎵納米柱，且被設(shè)置于每個(gè)所對(duì)應(yīng)的n型氮化鎵納米柱上方的該氮化銦鎵納米碟的上方；以及一第二電極，與該p型氮化鎵納米柱數(shù)組歐姆接觸。
文檔編號(hào)H01L33/08GK102347412SQ20101061765
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者呂宥蓉, 林弘偉, 果尚志 申請(qǐng)人:果尚志