發(fā)光納米線的串聯(lián)電連接的制作方法
【專利摘要】一種光電裝置，至少包括：形成在支撐體（58）上的第一和第二發(fā)光納米線(60,62)，均包括空穴注入?yún)^(qū)(68,70)和電子注入?yún)^(qū)(72,74)；串聯(lián)電連接包括：形成在支撐體（58）上的連接納米線(82)，包括：與第一納米線（60）的空穴注入?yún)^(qū)（68）一起形成電路徑的第一域（84）；與第二納米線（62）的電子注入?yún)^(qū)（74）一起形成電路徑的第二域（90）；與第一和第二域（84，90）接觸且能夠使電流在第一和第二域之間流過(guò)的第三域（92）；連接第一納米線（60）的空穴注入?yún)^(qū)（68）和連接納米線(82)的第一域（84）的第一導(dǎo)電區(qū)（86），其與第二納米線(62)電絕緣；連接連接納米線(82)的第二域（90）和第二納米線（62）的電子注入?yún)^(qū)（74）的第二導(dǎo)電區(qū)（88），其與第一納米線(60)電絕緣。
【專利說(shuō)明】發(fā)光納米線的串聯(lián)電連接
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于發(fā)光納米線(nanowires)的光電裝置,尤其涉及LEDs (發(fā)光二極管)。
【背景技術(shù)】
[0002]按照?qǐng)D示，LED包括電子注入半導(dǎo)體區(qū)，空穴注入半導(dǎo)體區(qū)，以及所謂的“有源(active)”半導(dǎo)體區(qū)，注入的電子和注入的空穴在有源半導(dǎo)體區(qū)福射復(fù)合(radiativelyrecombine)。
[0003]用于制備LEDs的第一代技術(shù)稱為“平面技術(shù)(planar technology)”。因?yàn)槠矫婕夹g(shù)引起了一系列問(wèn)題，尤其是量子效率方面和/或所用的不同材料之間網(wǎng)格匹配(meshmatching)方面和/或?qū)Πl(fā)射波長(zhǎng)的限制方面的問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于納米線的具有多量子講限制結(jié)構(gòu)(multiple quantum well confinement structures)的 LEDs。該納米線，尤其是該納米線的制備方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是:
[0004]當(dāng)納米線在基片(substrate)上生長(zhǎng)時(shí)，有可能不同納米線是用網(wǎng)格參數(shù)相互不匹配的不同材料制備的。由于硅是一種低成本基片，能夠被制成大尺寸，具有傳導(dǎo)性，因此硅被設(shè)想用于II1-N材料制備的納米線的生長(zhǎng)，這在平面技術(shù)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。這種改進(jìn)既有產(chǎn)品方面的優(yōu)勢(shì)，也有簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝方面的優(yōu)勢(shì)，尤其是電注入水平方面(electrical injection level)的優(yōu)勢(shì)；
[0005]由于自由表面(free surfaces)壓力的放松，從而具有良好的晶體質(zhì)量。因此，相對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，可以觀察到非輻射復(fù)合中心數(shù)目下降了，尤其是觀察不到位錯(cuò)(dislocations),位錯(cuò)對(duì)LEDs的量子效率有不利的影響；以及
[0006]更好的光提取，而沒(méi)有使制備工藝變得復(fù)雜。
[0007]可以區(qū)分現(xiàn)有技術(shù)中用于形成LEDs的兩種類型納米線:
[0008]—種納米線的有源區(qū)包括具有軸向外延(axial-epitaxy)多量子講的限制結(jié)構(gòu)(confinement structures),也就是沿著納米線生長(zhǎng)軸生長(zhǎng)的限制結(jié)構(gòu)；
[0009]—種納米線的有源區(qū)包括具有徑向外延(radial-epitaxy)多量子講的限制結(jié)構(gòu)，也就是在納米線生長(zhǎng)軸周圍的區(qū)域(volume)內(nèi)的限制結(jié)構(gòu)。
[0010]圖1是形成具有徑向多量子阱的納米LED10的納米線實(shí)施例橫截面示意圖。納米LED10是由娃η型摻雜的GaN層14 (GaN layerl4n_doped with silicon)制備的，形成在η+型摻雜的硅基片12上，具有由軸向多量子阱構(gòu)成的有源區(qū)16，軸向多量子阱16由非故意摻雜GaN區(qū)18和位于非故意摻雜GaN區(qū)18上面的InGaN區(qū)20兩者相互交替形成。鎂P型摻雜的GaN區(qū)22進(jìn)一步被放置在P型摻雜的AlGaN電子阻擋區(qū)24上面，電子阻擋區(qū)通常稱為EBL (Electron Blocking Layer),電子阻擋區(qū)24本身被放置在有源區(qū)16的上面。
[0011]根據(jù)這種軸向幾何結(jié)構(gòu)，借助于基片12，通過(guò)區(qū)14和區(qū)22，電子和空穴被分別注入到有源區(qū)16，在有源區(qū)16的InGaN量子阱20內(nèi)至少部分輻射復(fù)合。
[0012]圖2是形成具有多量子阱、圍繞芯層(core)34徑向外延生長(zhǎng)的納米LED30的納米線實(shí)施例橫截面示意圖，芯層34位于η+型摻雜的基片32上。納米LED30包括由硅η型摻雜的GaN形成的芯層(core) 34和包層(shell)，包層包括具有徑向多量子阱的有源區(qū)36，所述徑向多量子阱由非故意摻雜的GaN區(qū)38和InGaN區(qū)40兩者相互交替形成，EBL區(qū)域(volumm) 44包圍有源區(qū)36，EBL區(qū)域本身被鎂P型摻雜的GaN區(qū)域42包圍。
[0013]區(qū)36、44、42進(jìn)一步形成在電子絕緣層(insulation layer)46上，芯層34直接與基片32接觸。
[0014]根據(jù)這種徑向幾何結(jié)構(gòu)，借助于基片32，經(jīng)過(guò)芯層34和區(qū)42，電子和空穴分別注入有源區(qū)36，在有源區(qū)36的InGaN量子阱40內(nèi)至少部分輻射復(fù)合。如果一種納米線結(jié)構(gòu)中空穴和電子注入?yún)^(qū)中的一個(gè)形成至少部分包圍包含了有源復(fù)合區(qū)的芯層的包層，這種納米線結(jié)構(gòu)通常被稱為“芯層/包層(core/shell)”。
[0015]無(wú)論納米線是軸向還是徑向構(gòu)造，納米線陣列的電力供應(yīng)(electric powersupply)通常是并聯(lián)的。圖3和圖4描述了一種并聯(lián)連接實(shí)施例，圖3是包含納米線10、30的陣列50的LED簡(jiǎn)化俯視圖，在這種實(shí)施例中，陣列是3納米線X 3納米線，圖4是圖3中的A-A平面的簡(jiǎn)化剖面圖。
[0016]如圖所示，納米線10、30被嵌入到由電絕緣材料組成的平面化層(planarizinglayer) 52，且在上電極54和下電極56之間并聯(lián)連接，上電極54位于平面化層52的上面，下電極56位于基片12、32的下面，納米級(jí)10、30在基片12、32上面形成。已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多種并聯(lián)連接方案，其實(shí)施例如 US2005/0253138, US2007/0057248, US2008/0157057, W02008/048704, W02008/140611 和 TO2010/071594 中所記載。
[0017]為了使電流在納米線中流動(dòng)，所述納米線不得不服從于(submitted)最低的電源供應(yīng)電壓，稱為“閾值電壓(thr e sho I d to I tage ) ”，其值依賴于形態(tài)特征(高度、直徑等)、納米線的結(jié)構(gòu)特征(所涉及的半導(dǎo)體材料的摻雜水平、晶體質(zhì)量、講和勢(shì)魚(yú)(b ar r i e r s )的組分)以及具有納米線的接觸體(contact)的“局部”(local)質(zhì)量?，F(xiàn)在，由于形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的分散(dispersion)，納米線具有不同的閾值電壓，從而不可能生產(chǎn)出完全一樣的納米線。
[0018]無(wú)論如何,納米線的并聯(lián)連接強(qiáng)加給所有的納米線一個(gè)相同的勢(shì)差(potentialdifference).因此，在納米線的閾值電壓有顯著波動(dòng)的情況下，很難甚至不可能同時(shí)使所有的納米線轉(zhuǎn)換到導(dǎo)電狀態(tài)。而且，并聯(lián)連接可能會(huì)引起納米線短路。事實(shí)上，有缺陷的納米線導(dǎo)致主要導(dǎo)電路徑的產(chǎn)生，因此導(dǎo)致強(qiáng)泄漏電流的產(chǎn)生。由于納米線尺寸很小，其直徑通常為幾納米到幾微米，高度通常為幾百納米到幾十微米，因此這些缺陷更加關(guān)鍵，使得它們的性能對(duì)這些缺陷更加敏感。
[0019]而且，LED的光強(qiáng)度主要是它引導(dǎo)的電流強(qiáng)度的函數(shù)(function)，不是用于產(chǎn)生電極(electrode)的電源電壓值的函數(shù)。如果一個(gè)幾乎相等的勢(shì)差被強(qiáng)加到所有的納米線上，由于這些納米線的性能差異，穿過(guò)這些納米線的電流也可能不同，因此不同納米線間有可能產(chǎn)生顯著不同的發(fā)光能力。
[0020]同時(shí)，發(fā)光裝置的串聯(lián)連接是已知的，其實(shí)施例如US7535028和W02011/020959中所記載。但是，這些串聯(lián)連接涉及到大橫向尺寸的裝置。因此，US7535028涉及到平面LEDs的串聯(lián)連接，而W02011/020959涉及到插入到兩個(gè)電極之間的聚集納米線的LED裝置的連接。[0021]由于納米線的直徑小，最先進(jìn)的串聯(lián)連接技術(shù)無(wú)法應(yīng)用。尤其考慮到所涉及的尺寸和所用的生長(zhǎng)方法，目前存在不可逾越的技術(shù)障礙。例如，很容易理解通過(guò)W02011/020959文獻(xiàn)中的金線進(jìn)行的串聯(lián)連接不可能用于串聯(lián)連接兩根相鄰的納米線。類似地，很容易理解US7535028文獻(xiàn)中記載的串聯(lián)連接要求斜面(inclined sides)提供位于溝槽(trench)上面的金屬接觸位點(diǎn),其不可能用于串聯(lián)連接兩根基本垂直的納米線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明旨在提供一種電連接(electric connection),所述電連接能夠串聯(lián)發(fā)光納米線。
[0023]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明旨在提供一種光電裝置，所述光電裝置至少包括:
[0024]形成在基片上的第一和第二發(fā)光納米線，所述第一和第二發(fā)光納米線均包括用于空穴注入的第一型半導(dǎo)體區(qū)和用于電子注入的第二型半導(dǎo)體區(qū)；
[0025]第一和第二發(fā)光納米線的串聯(lián)電連接包括:
[0026]ο形成在支撐體(support)上的連接納米線以及包括:
[0027]Ca)第一域(region),所述第一域能夠與所述第一納米線的所述空穴注入?yún)^(qū)一起形成使電流流過(guò)的電路徑(electric path)；
[0028](b)第二域，所述第二域能夠與所述第二納米線的所述電子注入?yún)^(qū)一起形成使得電流流過(guò)的電路徑道；以及
[0029](C)第三域，所述第三域與所述第一域和所述第二域接觸，使得電流從所述第一域和所述第二域之間流過(guò)；
[0030]O連接第一納米線的空穴注入?yún)^(qū)和連接納米線的第一域的第一導(dǎo)電區(qū)，所述第一導(dǎo)電區(qū)與第二納米線電絕緣；以及
[0031]O連接第二納米線的電子注入?yún)^(qū)和連接納米線的第二域的第二導(dǎo)電區(qū)，所述第二導(dǎo)電區(qū)與第一納米線電絕緣。
[0032]串聯(lián)連接納米線的主要困難在于空穴注入?yún)^(qū)和電子注入?yún)^(qū)被設(shè)置在相反的兩端。兩根納米線的串聯(lián)連接包括將一根納米線的空穴注入?yún)^(qū)連接到另一根納米線的電子注入?yún)^(qū)，因此需要穿過(guò)一個(gè)溝槽。本發(fā)明通過(guò)使用一種納米線，可以很容易地穿過(guò)這個(gè)溝槽。因此，這個(gè)溝槽被穿過(guò)后，在串聯(lián)連接其他元件的生產(chǎn)中沒(méi)有進(jìn)一步的技術(shù)障礙，也就是說(shuō)，導(dǎo)電區(qū)例如但并非唯一地可以通過(guò)平面生產(chǎn)技術(shù)制備。而且，連接納米線可能與需要連接的納米線是同一種類型，因此能夠與發(fā)光納米線同時(shí)生產(chǎn)。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一和第二發(fā)光納米線均包括半導(dǎo)體芯層(半導(dǎo)體芯層的末端位于支撐體上，形成空穴注入?yún)^(qū)或電子注入?yún)^(qū))以及半導(dǎo)體包層，所述半導(dǎo)體包層至少包圍所述芯層的上端部分，且所述包層在所述空穴注入?yún)^(qū)和所述電子注入?yún)^(qū)中間形成其他區(qū)。換句話說(shuō)，發(fā)光納米線出現(xiàn)在所謂的“芯層/包層”結(jié)構(gòu)中。
[0034]更具體地:
[0035]第一和第二納米線的芯層是由第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料制備的；
[0036]第一和第二納米線的包層是由第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料制備的；以及
[0037]連接納米線至少包含一個(gè)由第一導(dǎo)電型材料制備的芯層。
[0038]根據(jù)這種改進(jìn)，因此納米線具有芯層/包層結(jié)構(gòu)，包括:[0039]用于產(chǎn)生的電子/空穴對(duì)輻射復(fù)合的有源半導(dǎo)體區(qū)，也就是納米線的芯層；
[0040]用于空穴徑向注入所述納米線或每一條納米線的半導(dǎo)體區(qū)，也就是包層；以及
[0041]用于電子徑向注入所述納米線或每一條納米線的半導(dǎo)體區(qū)，也就是，與支撐體相接觸的芯層末端。
[0042]在此，“軸向注入”意味著電子主要沿著納米線生長(zhǎng)方向注入到有源區(qū)。例如，電子從納米線的底端(base)注入。在此，“徑向注入”意味著空穴主要經(jīng)過(guò)納米線的側(cè)面(lateral surface)注入到有源區(qū)。例如，空穴注入?yún)^(qū)沿著有源區(qū)的高度至少部分包圍有源區(qū)。
[0043]換句話說(shuō)，提供電子軸向注入能夠釋放納米線芯層用于有源區(qū)，從而使得有源區(qū)占據(jù)大部分的納米線容量(bulk)。事實(shí)上，由于電子具有非常高的流動(dòng)性，盡管注入表面面積很小，電子會(huì)占據(jù)有源區(qū)的全部空間。
[0044]然后，由于該裝置是基于納米線的，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)募{米線高度，有可能獲得良好的電荷載流子(charge carrier)限制,而同時(shí)限制電荷載流子的濃度，電荷載流子會(huì)引起“量子效率下降(efficiency droop)”,下面將會(huì)進(jìn)一步詳細(xì)解釋。
[0045]然后，由于納米線對(duì)網(wǎng)格匹配不敏感，納米線高度的選擇與形成有源區(qū)的半導(dǎo)體的組分選擇相關(guān)，例如，基于GaN裝置情況下的銦組分，尤其是想要獲得適當(dāng)?shù)碾娏髅芏榷孔有什幌陆禃r(shí)。因此，發(fā)射波長(zhǎng)具有更廣泛的選擇。因此，有可能制備基于在可視范圍內(nèi)發(fā)射的納米線的LEDs，尤其是制備基于GaN LED情況下從藍(lán)光到紅光范圍內(nèi)發(fā)射的納米線的LEDs，或者甚至是在納米線芯層外延過(guò)程中，通過(guò)改變銦組分而形成發(fā)白光的LED。
[0046]而且，因?yàn)橛性磪^(qū)占據(jù)了大部分納米線容量，所以即使具有強(qiáng)注入電流密度，依據(jù)本發(fā)明的裝置依然具有改良的內(nèi)量子效率。
[0047]根據(jù)本實(shí)施例，連接納米線包括第一型半導(dǎo)體芯層，所述芯層至少在分別形成連接納米線第一域和第二域的第一部分和第二部分沒(méi)有包層。尤其是，沒(méi)有包層的連接納米線芯層的第一部分包括與支撐體相反的納米線末端。
[0048]換句話說(shuō)，根據(jù)芯層/包層結(jié)構(gòu)，連接納米線本來(lái)是發(fā)光納米線，其在與支撐體相反的末端被剝?nèi)チ税鼘?。因此，在由第一型半?dǎo)體和第二型半導(dǎo)體相互交替，例如n-p-n-p交替形成的不同納米線之間獲得了電路徑(electric path)。因此,能夠在確定電流在納米線間良好流動(dòng)的同時(shí)制備納米線。
[0049]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，連接納米線是由導(dǎo)電材料制備的，因此提供低電阻率的電連接。
[0050]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，支撐體(support)包括電絕緣的平面化層(electrically-1nsulating planar layer),所述平面化層具有形成第二導(dǎo)電區(qū)的平面導(dǎo)電接觸體(contact),所述接觸體具有連接納米線和形成在連接納米線上的第二納米線。
[0051]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，納米線被嵌入到平面化電絕緣層，與支撐體相反的納米線末端從所述平面化電絕緣層稍微突出，所述平面化電絕緣層具有形成第一導(dǎo)電區(qū)的導(dǎo)電接觸體，所述導(dǎo)電接觸體包圍住第一納米線和形成在第一納米線上面的連接納米線的突出末端。因此能夠采用平面生產(chǎn)工藝。
[0052]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該裝置包括通過(guò)串聯(lián)電連接而形成的發(fā)光納米線串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
[0053]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該裝置包括由至少兩組(140，142)并聯(lián)電連接的發(fā)光納米線組成的發(fā)光納米線網(wǎng)絡(luò)，至少一組納米線與其他組的納米線通過(guò)串聯(lián)電連接串聯(lián)。[0054]本發(fā)明的目的還在于提供一種光電裝置的制備方法，該光電裝置至少包括形成在支撐體上的第一和第二發(fā)光納米線，還包括其末端形成在支撐體(形成空穴注入?yún)^(qū)或電子注入?yún)^(qū))上面的半導(dǎo)體芯層，以及至少包圍住所述芯層上端部分的半導(dǎo)體包層，且所述半導(dǎo)體包層形成空穴注入?yún)^(qū)和電子注入?yún)^(qū)之間的其他區(qū)，所述方法包括以下步驟:
[0055]1.形成包含電絕緣層的支撐體，所述電絕緣層上面具有下端導(dǎo)電層；
[0056]2.在支撐體上形成三個(gè)相同的發(fā)光納米線，每一個(gè)發(fā)光納米線均包含第一型半導(dǎo)體芯層和第二型半導(dǎo)體包層，所述包層至少包圍住所述芯層的上端部分，其中兩個(gè)納米線在電接觸體上形成；
[0057]3.在支撐體上放置平面化電絕緣層，以包圍納米線，同時(shí)讓納米線的自由末端從所述平面化電絕緣層稍微突出；
[0058]4.去掉在下端導(dǎo)電層上面形成的兩個(gè)納米線之一的自由末端的部分包層，以露出它的芯層；以及
[0059]5.在所述平面化絕緣層上放置上部電接觸體，以包圍住不是在下端導(dǎo)電層上形成的納米線的自由末端，且所述納米線的自由末端已經(jīng)被去掉了部分包層。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0060]通過(guò)以下與附圖相關(guān)的實(shí)施例的詳細(xì)描述能夠更好地理解本發(fā)明，在附圖中相同的附圖標(biāo)記代表相同或相近的元件，其中:
[0061]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中具有軸向多量子阱的納米LED的簡(jiǎn)化橫截面圖，如【背景技術(shù)】部分所述；
[0062]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中具有徑向多量子阱的納米LED的簡(jiǎn)化橫截面圖，如【背景技術(shù)】部分所述；
[0063]圖3是并聯(lián)電連接的形成LED的納米線陣列的簡(jiǎn)化俯視圖，如【背景技術(shù)】部分所述；
[0064]圖4是圖3中的陣列沿平面A-A的剖面圖，如【背景技術(shù)】部分所述；
[0065]圖5是兩個(gè)芯層/包層型納米LEDs (發(fā)光納米線)串聯(lián)電連接的簡(jiǎn)化橫截面圖；
[0066]圖6a、6b、6c是由圖2所示的納米LED形成的連接納米線的簡(jiǎn)化橫截面圖；
[0067]圖7是具有有源芯層的納米LED的簡(jiǎn)化橫截面圖，圖8是從圖7的納米LED中獲得的連接納米線的簡(jiǎn)化橫截面圖；
[0068]圖9是圖7中的LED沒(méi)有溢出(overflow)時(shí)最大電流密度表；
[0069]圖10是一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面圖，其中電力供應(yīng)接觸是在納米LED裝置的相同表面形成的；
[0070]圖11是一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面圖，其中納米線形成在支撐體上，該支撐體包括常規(guī)的導(dǎo)電層；
[0071]圖12是一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面圖，其中納米線形成在支撐體上，該支撐體包括常規(guī)的導(dǎo)電層，納米線直接形成在該導(dǎo)電層上；
[0072]圖13是一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面圖，其中串聯(lián)連接的上端接觸體在納米線很大一部分高度上形成；
[0073]圖14是一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面圖，其中串聯(lián)連接的上端接觸體沒(méi)有覆蓋納米線的上端水平部分(upper horizontal portion)；
[0074]圖15是一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面圖，其中串聯(lián)連接的上端接觸體沒(méi)有覆蓋納米線的上端水平部分，且芯層/包層型納米LEDs的包層的水平部分(horizontal portion)被去掉了 ；
[0075]圖16-22是根據(jù)本發(fā)明用于制備串聯(lián)連接的第一種方法的簡(jiǎn)化橫截面圖；
[0076]圖23是圖1所示的納米LEDs之間的串聯(lián)連接簡(jiǎn)化橫截面圖；
[0077]圖24和圖25分別是一個(gè)串聯(lián)連接納米LEDs陣列的下端和上端接觸體的簡(jiǎn)化俯視圖；以及
[0078]圖26和圖27分別是兩個(gè)串聯(lián)連接納米LEDs陣列的下端和上端接觸體的簡(jiǎn)化俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0079]圖5描述了用于電連接第一和第二納米線的本發(fā)明電串聯(lián)連接，所述第一和第二納米線形成芯層/包層型納米LEDs60、62，所述納LEDs60、62在支撐體58上面串聯(lián)。
[0080]如圖所示，納米LEDs60、62均包括:
[0081]芯層64、66，空穴和電子至少部分輻射復(fù)合的有源區(qū)位于芯層中；
[0082]第一型電荷載流子注入到有源復(fù)合區(qū)，例如空穴注入?yún)^(qū)的區(qū)68、70，所述區(qū)68、70形成至少沿著芯層64、66的部分高度包圍住芯層64、66的包層；
[0083]第二型電荷載流子注入到有源復(fù)合區(qū)，例如電子注入?yún)^(qū)的區(qū)72、74，所述區(qū)72、74至少包括納米LED的底部(foot)，也就是納米LED靠在支撐體58上的末端；
[0084]在該描述的實(shí)施例中，電絕緣平面化層76形成在支撐體58上，納米LEDs被嵌入到該電絕緣平面化層76中，但是它們與支撐體58相反的末端78、80 (以下稱為“頭部”)從層76中突出。
[0085]納米LEDs60、62之間的串聯(lián)電連接具有在第一納米LED60的空穴注入?yún)^(qū)68和第二納米LED62的電子注入?yún)^(qū)74之間建立電路徑的功能，為了實(shí)現(xiàn)該功能，包括:
[0086]連接納米線82，連接納米線82形成在支撐體58上面，且除了頭部84之外均嵌入層76 ；
[0087]形成在層76上的第一接觸體86，電連接第一納米LED60的頭部78到連接納米線82的頭部84，且與第二納米LED62電絕緣；以及
[0088]形成在支撐體58上的第二接觸體88，電連接連接納米線82的底部90到第二納米LED62的底部74，且與第一納米LED60電絕緣。
[0089]納米LEDs60、62的性能可能改變很大，尤其當(dāng)涉及到材料的性能以及空穴注入?yún)^(qū)68、70和電子注入?yún)^(qū)72、74的結(jié)構(gòu)時(shí)。因此，按照功能來(lái)分，連接納米線82至少可以被分成3個(gè)區(qū):
[0090]包含納米線82的頭部84的第一區(qū)，其和第一納米LED60的空穴注入?yún)^(qū)68 “電兼容，，(electrically compatible)；
[0091]包含納米線82的底部84的第二區(qū)，其和第二納米LED62的電子注入?yún)^(qū)74 “電兼容”；
[0092]位于連接納米線82的頭部84和底部90之間的第三中間區(qū)，使得電流從第一區(qū)84和第二區(qū)90中間流過(guò)。
[0093]在本發(fā)明中，電兼容性尤其意味著所涉及的不同區(qū)之間的電串聯(lián)連接對(duì)電流的流動(dòng)沒(méi)有阻礙。尤其是，納米LEDs60、62包括能夠形成PN結(jié)的不同型半導(dǎo)體區(qū)。類似的，連接納米線82也包括一種或多種半導(dǎo)體材料，下面將會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明。因此，例如，納米LEDs的電串聯(lián)連接包括非串聯(lián)連接的PN結(jié)和NP結(jié)，在這種情況下，存在與電流流動(dòng)方向相反的串聯(lián)連接首-尾(head-to-tail) 二極管。
[0094]之前對(duì)連接納米線82進(jìn)行了簡(jiǎn)單和功能性的描述。尤其是，其納米線區(qū)可能是由不同的材料制備的，或者兩個(gè)區(qū)甚至三個(gè)區(qū)是由相同的材料制備的。類似的，連接納米線的3個(gè)區(qū)的軸向分布已經(jīng)被描述過(guò)了。但是，一個(gè)或幾個(gè)區(qū)在結(jié)構(gòu)上可能至少部分徑向分布。
[0095]圖5也顯示了下端和上端接觸體94和96，接觸體94和96分別與用于納米LEDs的電力供應(yīng)的第一納米LED60的底部72和第二納米LED62的頭部80接觸。如圖所示，下端接觸體94的一部分是自由的，使得它能夠與電力供應(yīng)連接。因?yàn)閮H僅只顯示了兩個(gè)納米LEDs60、62，該納米LEDs在該實(shí)施例中也作為電串聯(lián)連接的輸入和輸出終端。當(dāng)然，根據(jù)上述方案，可以有多于兩個(gè)的納米LEDs進(jìn)行串聯(lián)連接。那么下端和上端接觸體94和96分別與該串聯(lián)連接最末端的兩個(gè)納米LEDs相連。下端接觸體94優(yōu)選但不是必須與第二接觸體88具有相同的性能，第二接觸體88將第二納米LED62連接到連接納米線82。類似的，上端接觸體96優(yōu)選但不是必須與第一接觸體86具有相同的性能，第一接觸體86將第一納米LED60連接到連接納米線82。
[0096]層76具有提供絕緣表面的功能，納米線頭部之間的電連接接觸體形成在絕緣表面上。當(dāng)然，任何能夠具有該功能的裝置均適用本發(fā)明。
[0097]現(xiàn)在詳細(xì)描述本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，需要理解的是，在某一個(gè)實(shí)施例中描述的連接納米線相關(guān)的特征可能與另一個(gè)實(shí)施例中支撐體的特征相結(jié)合。類似的，在某一個(gè)實(shí)施例中描述的電力供應(yīng)接觸體的特征可能替換另一個(gè)實(shí)施例中電力供應(yīng)接觸體的特征。
[0098]依據(jù)第一個(gè)實(shí)施例，連接納米線82是由導(dǎo)電材料制備的。例如，連接納米線82是金屬，其既能夠獲得高質(zhì)量的連接，也能夠與任一類型的納米LED完美兼容，不管空穴注入?yún)^(qū)和電子注入?yún)^(qū)的結(jié)構(gòu)和材料是什么樣的。
[0099]但是該實(shí)施例具有使納米LEDs陣列的制備工藝變得復(fù)雜的缺陷，因?yàn)楸仨毺峁﹥煞N類型的制備工藝，一種用于制備納米LEDs，另一種用于制備連接納米線。
[0100]根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例，連接納米線即是納米LED，納米LED已被改裝成能夠用作連接納米線。這使得能夠在一個(gè)相同的生長(zhǎng)過(guò)程中制備所有的納米線、納米LEDs以及連接納米線。
[0101]圖6a、6b和6c描述了將第二個(gè)實(shí)施例應(yīng)用于圖2所示的芯層/包層型納米LEDs。
[0102]因此，納米LED30經(jīng)過(guò)了以下改裝:從包層42的頭部84去掉一部分包層42，尤其是至少去掉覆蓋了納米LED的芯層34的上表面100的包層42。因此露出芯層34，芯層34和形成納米LEDs60、62的空穴注入?yún)^(qū)的包層42電兼容，芯層34被串聯(lián)連接的第一區(qū)86，例如金屬接觸體86覆蓋。
[0103]在圖6a所示的實(shí)施例中，納米LED30的頂部被去掉了以露出芯層34，而同時(shí)留下有源區(qū)36以及區(qū)域42、44與導(dǎo)電區(qū)86接觸。
[0104]在圖6b所示的實(shí)施例中，納米LED30、區(qū)域42、區(qū)域44的頂部被沿著納米LED30的部分高度去掉了，而留下有源區(qū)36與導(dǎo)電區(qū)86接觸。
[0105]在圖6c所示的實(shí)施例中，納米LED30、有源區(qū)36以及區(qū)域42、區(qū)域44的頂部被沿著納米LED30的部分高度去掉了，而避免有源區(qū)36與導(dǎo)電區(qū)86接觸。
[0106]例如，支撐體58包括常見(jiàn)的絕緣基片102，串聯(lián)連接的第二接觸體88由導(dǎo)電層，尤其是金屬層或與芯層34同樣類型的重?fù)诫s半導(dǎo)體層組成，第二接觸體88位于絕緣基片102上面。
[0107]作為一種改進(jìn)，第二接觸體88包括了位于絕緣基片102上面的第一導(dǎo)電金屬層或重?fù)诫s半導(dǎo)體層104以及第二半導(dǎo)體層32，例如，類似于現(xiàn)有技術(shù)中使得納米LEDs在其上形成的半導(dǎo)體層。最后，絕緣平面化層76，例如，是采用和絕緣層46相同的材料制備的。
[0108]優(yōu)選地，所有的納米LEDs是在這種類型的支撐體58上形成的。
[0109]為了提高發(fā)光率和降低基片102的吸收率，形成第二接觸體88的金屬層優(yōu)選為由反射發(fā)射波長(zhǎng)的金屬制備，例如鋁或者銀。類似地，接觸體88的金屬層優(yōu)選為基本覆蓋常用基片102的整個(gè)表面，例如，金屬層被整體放置在基片102上面，然后被蝕刻以分離第一納米LED60的連接納米線82。反過(guò)來(lái)，例如，如果為了滿足應(yīng)用的需要或者由于生產(chǎn)限制，而選擇由能夠吸收納米LEDs發(fā)射的波長(zhǎng)的金屬來(lái)制備金屬層，那么第二接觸體88的表面應(yīng)該選擇盡可能的低。
[0110]圖8描述了將第二個(gè)實(shí)施例應(yīng)用于圖7所示的芯層/包層型納米LEDs。需要注意的是，圖7所示的納米LEDs可以并聯(lián)，例如按照?qǐng)D3和圖4所示的方式連接。
[0111]關(guān)于圖7，納米LEDl 10形成在支撐體58上，支撐體58包括通用的絕緣基片102，絕緣基片102上面有導(dǎo)電層111，例如金屬或摻雜半導(dǎo)體層。作為改進(jìn)，層111包括位于基片102上的第一導(dǎo)電層112，第一導(dǎo)電層112上面具有η型GaN層114。支撐體58的一部分，例如，是由上圖6描述的金屬或摻雜半導(dǎo)體制備的。
[0112]納米LEDllO包括由II1-V或I1-VI家族，優(yōu)選為ΙΙΙ-Ν家族半導(dǎo)體材料制備的芯層116。至少芯層116的上部被包層118包圍住，包層118由與芯層116相同材料家族的ρ摻雜半導(dǎo)體材料制備而成，但是具有更大的能隙(energy gap)以使得空穴從包層118注入至IJ芯層116。包層118優(yōu)選為與支撐體58相隔離，以避免上端電子接觸體120和底部導(dǎo)電層111之間的任何短路。例如，包層118在支撐體58上方就截止了。最后，納米LEDllO除了頭部之外被嵌入到絕緣平面化層76以及形成在層76上面的電接觸體120，例如電連接的區(qū)域86。
[0113]納米LEDl 10按照以下方式操作。電子通過(guò)支撐體58上面的導(dǎo)電層111注入芯層116，空穴通過(guò)接觸體120注入包層118。然后，注入的電子-空穴對(duì)在形成有源層的芯層116內(nèi)至少部分輻射復(fù)合。
[0114]需要注意的是，電子注入是軸向的，在該實(shí)施例中，電子是通過(guò)納米線底部注入，由于電子的流動(dòng)性高，在電注入方面，電子注入沒(méi)有限制。進(jìn)一步，芯層116的任何一點(diǎn)，也就是有源區(qū)的任何一點(diǎn)在短于或等于芯層半徑的距離上。因此，空穴注入表面面積非常大且非?？拷性磪^(qū)的每一點(diǎn)。
[0115]在層111包括半導(dǎo)體層的情況下，該層優(yōu)選為具有低電阻率，尤其是近似于
0.001 ohm/cm的電阻率，以減緩電子注入到芯層116，例如，該層是由厚度為400納米的η+摻雜的GaN制備的。這樣的層在另一方面可以支撐GaN納米線外延。[0116]進(jìn)一步,任何能夠進(jìn)行能量調(diào)節(jié)(energy-modulated)和能夠通過(guò)納米線形式外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料都可以形成芯層116和包層118。例如，納米LEDllO是由GaN制備的，芯層116是由非故意摻雜的InGaN制備的,包括低于IO16電子/cm3的低η型摻雜(residualn doping)，其具有根據(jù)納米LEDllO發(fā)射的波長(zhǎng)選擇的銦組分。包層118是由銦組分低于芯層116的鎂ρ型摻雜的GaN或者鎂ρ型摻雜的InGaN組成的，包層118的材料的ρ型載流子(P carrier)的濃度近似于IO18空穴/cm3。
[0117]作為一種改進(jìn)，納米LEDllO是基于ZnO，芯層116是由ZnO制備的，P型摻雜包層118是由ZnMgO制備的，或者芯層116是由ZnCdO制備的，而包層118是ZnO制備的。
[0118]作為一種改進(jìn)，納米LEDllO是基于GaAlAs，芯層116是由GaAs制備的，P型摻雜包層118是由GaAlAs制備的，或者心層116是由InGaAs制備的，而包層118是GaAs制備的。
[0119]根據(jù)另外一種改進(jìn)，納米LEDllO是基于AlInGaP,芯層116是由AlGaInP制備的，包層118是由同樣的材料制備的，但是具有更高的鋁濃度。
[0120]上端接觸體120對(duì)于納米LED的發(fā)射波長(zhǎng)是半透明的，可以由不同的層(stacks )形成，比如由Ni薄層和Au薄層形成或者由銦錫氧化物(indium-tin oxide, ITO)薄層形成。上端接觸體120可能局部被厚堆層(comb)覆蓋，例如厚一些的Ni層和Au層，以降低它的串聯(lián)電阻。
[0121]由于上端接觸體120對(duì)網(wǎng)格參數(shù)幾乎沒(méi)有影響，因此選擇任何一種半導(dǎo)體材料均可以實(shí)現(xiàn)它的納米線結(jié)構(gòu)，在LED發(fā)射的波長(zhǎng)方面有廣泛的選擇。
[0122]需要注意的是,納米LEDllO具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)型(double heterostructure type)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗擞尚緦?16以及支撐體58的導(dǎo)電或半導(dǎo)體表面形成的第一異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及由芯層116和包層118形成的第二異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0123]通過(guò)使用可以作為連接納米線82的改裝納米LEDl 10，納米LEDsl 10可以串聯(lián)電連接，如圖8所示。納米LEDsIIO經(jīng)過(guò)以下改裝:從包層118的頭部84去掉一部分包層118，尤其是至少去掉包層118覆蓋住了納米LED芯層116的上部表面121的部分。因此，露出芯層116，芯層116和形成納米LEDsllO的空穴注入的包層118電兼容。串聯(lián)連接的第一和第二域86、88分別是圖7所示的域120和110。
[0124]與常規(guī)的納米LEDs，例如圖1和圖2所示的納米LEDs相比，納米LEDsllO不需要EBL區(qū)。該區(qū)通常是必須的，以限制載流子與如圖1和圖2所示的多量子阱的結(jié)構(gòu)一致(instructures with)。目前在形態(tài)、組分、厚度方面以及EBL區(qū)(AlGaN)的三元II1-N半導(dǎo)體摻雜(ternary II1-N semiconductors)方面進(jìn)行完美地控制是必不可少的，以避免阻塞注入的空穴，從而制備出高效的納米LED。進(jìn)一步，與具有多量子阱的納米LEDs相比，納米LEDllO相對(duì)于納米線的總?cè)萘?bulk)具有更大的有源復(fù)合區(qū)，這意味著內(nèi)量子效率的提高。然后，因?yàn)榧{米LEDllO沒(méi)有量子阱，在納米LED的效率大幅下降(量子效率下降現(xiàn)象)之前，可應(yīng)用于納米LED的電流密度更高。
[0125]例如，在串聯(lián)連接的納米LEDsllO陣列的情況下，且假設(shè)納米LEDs是圓柱形的，填充系數(shù)(filling factor) F等于納米LEDsllO底部總面積與支撐體面積的比率,可以依據(jù)以下關(guān)系式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種光電裝置，至少包括: 形成在支撐體(58)上的第一和第二發(fā)光納米線(60，62)，所述第一和第二發(fā)光納米線(60, 62)中的每個(gè)均包括用于空穴注入的第一型半導(dǎo)體區(qū)(68，70)和用于電子注入的第二型半導(dǎo)體區(qū)(72，74)； 所述第一和第二發(fā)光納米線(60，62)的串聯(lián)電連接包括: 形成在支撐體(58)上的連接納米線(82)，所述連接納米線(82)包括: (a)第一域(84)，所述第一域(84)能夠與所述第一納米線(60)的空穴注入?yún)^(qū)(68)—起形成電路徑，所述電路徑能夠使電流流過(guò)； (b)第二域(90)，所述第二域(90)能夠與所述第二納米線(62)的電子注入?yún)^(qū)(74)—起形成電路徑，所述電路徑能夠使電流流過(guò)；以及 (c)與所述第一域(84)和第二域(90)接觸的第三域(92)，第三域(92)能夠使電流從所述第一域和所述第二域中間流過(guò)； 連接所述第一納米線(60)的空穴注入?yún)^(qū)(68)和所述連接納米線(82)的第一域(84)的第一導(dǎo)電區(qū)(86)，所述第一導(dǎo)電區(qū)(86)與所述第二納米線(62)電絕緣；以及 連接所述連接納米線(82)的第二域(90)和所述第二納米線(62)的電子注入?yún)^(qū)(74)的第二導(dǎo)電區(qū)(88)，所述第二導(dǎo)電區(qū)(88)與所述第一納米線(60)電絕緣。
2.如權(quán)利要求1所述的光電裝置，其中，所述第一和第二發(fā)光納米線(60，62)均包括半導(dǎo)體芯層(64，66)，所述半導(dǎo)體芯層(64，66)的末端(72，74)形成在支撐體(58)上，形成空穴注入?yún)^(qū)或電子注入?yún)^(qū)；所述第一和第二發(fā)光納米線(60，62)還包括半導(dǎo)體包層出8，70)，所述半導(dǎo)體包層(68，70)至少包圍住所述半導(dǎo)體芯層(64,66)的上端部分，且所述半導(dǎo)體包層(68，70)形成空穴注入?yún)^(qū)和`電子注入?yún)^(qū)中間的另一區(qū)。
3.如權(quán)利要求2所述的光電裝置，其中: 所述第一和第二發(fā)光納米線(60，62)的芯層(116)是由第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料制備的； 所述第一和第二發(fā)光納米線(60，62)的包層(118)由與第一導(dǎo)電型相反的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料制備的；以及 所述連接納米線(82)包括由第一導(dǎo)電型材料制備的至少一個(gè)芯層。
4.如權(quán)利要求2或3任一所述的光電裝置，其中，所述連接納米線(82)包括第一型半導(dǎo)體芯層，所述第一型半導(dǎo)體芯層至少在第一部分和第二部分上沒(méi)有包層，所述第一部分和第二部分分別形成所述連接納米線的第一域和第二域。
5.如權(quán)利要求4所述的光電裝置，其中所述的沒(méi)有包層的連接納米線的芯層的第一部分包括與支撐體相反的納米線末端。
6.如權(quán)利要求1~3任一所述的光電裝置，其中，所述連接納米線是導(dǎo)電材料制備的。
7.如上述任一權(quán)利要求所述的光電裝置，其中所述支撐體(58)包括平面化電絕緣層(102)，所述電絕緣層(102)具有形成所述第二導(dǎo)電區(qū)的平面導(dǎo)電接觸體(88)，所述導(dǎo)電接觸體(88)形成在所述電絕緣層(102)上，所述接觸體具有形成在所述接觸體上面的所述連接納米線(82)和所述第二發(fā)光納米線(60)。
8.如上述任一權(quán)利要求所述的光電裝置，其中所述納米線(60，62，82)被嵌入到電絕緣平面化層(76)，與所述支撐體(58)相反的所述納米線的末端(78，80，84)從所述層(76)稍微突出，所述層(76)具有形成所述第一導(dǎo)電區(qū)的導(dǎo)電接觸體(86)，且所述導(dǎo)電接觸體(86)包圍住形成在所述支撐體上面的第一納米線(60)和連接納米線(82)的突出末端(78，84)。
9.如上述任一權(quán)利要求所述的光電裝置，包括通過(guò)串聯(lián)電連接的串聯(lián)連接的發(fā)光納米線網(wǎng)絡(luò)。
10.如上述任一權(quán)利要求所述的光電裝置，包括由至少兩組(140，142)并聯(lián)電連接的發(fā)光納米線組成的發(fā)光納米線網(wǎng)絡(luò)，至少一組納米線與另一組的納米線通過(guò)串聯(lián)電連接串聯(lián)。
11.一種制備光電裝置的方法，所述光電裝置至少包括形成在支撐體上的第一和第二發(fā)光納米線；所述光電裝置還包括半導(dǎo)體芯層，所述半導(dǎo)體芯層的末端形成在支撐體上，形成空穴注入?yún)^(qū)或電子注入?yún)^(qū)；所述光電裝置還包括半導(dǎo)體包層，所述半導(dǎo)體包層至少包圍住所述半導(dǎo)體芯層的上端部分，且所述半導(dǎo)體包層形成空穴注入?yún)^(qū)和電子注入?yún)^(qū)中間的另一區(qū)，所述方法包括: 形成包括電絕緣層的支撐體，所述電絕緣層具有形成在所述支撐體上面的下端導(dǎo)電層； 在所述支撐體上形成3個(gè)相同的發(fā)光納米線，所述的發(fā)光納米線均包括第一型半導(dǎo)體芯層和第二型半導(dǎo)體包層，所述包層至少包圍住所述芯層的上端部分，所述納米線中的兩個(gè)形成在所述電接觸體上； 在所述支撐體上設(shè)置平面化電絕緣層，以覆蓋住所述納米線，同時(shí)讓所述納米線的自由末端從所述層中稍微突出； 去掉形成在所述下端導(dǎo)電層上面的所述兩個(gè)納米線中的一個(gè)的所述自由末端的一部分包層，以露出其芯層；以及 在所述平面化電絕緣層上設(shè)置上端電接觸體，以覆蓋住不是形成在所述下端導(dǎo)電層上面的所述納米線的自由末端，且所述納米線自由末端已經(jīng)被去掉了一部分包層。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK103620784SQ201280020829
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月18日
【發(fā)明者】安妮-勞倫·巴維恩科吾, 菲利普·吉勒特, 皮埃爾·莫勒 申請(qǐng)人:原子能與可替代能源委員會(huì)