專利名稱：用于一種固態(tài)發(fā)光器件的像素結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光器件，并且尤其涉及用于發(fā)光器件的像素結(jié)構(gòu)，該發(fā)光器件可提 供實用的固態(tài)發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
03制造用于照明和投射的發(fā)光系統(tǒng)，具備顯著的優(yōu)勢，如能定制光源的形狀，因為 光源和系統(tǒng)光學元件的形狀提供一種對所合成光束進行精確成形的手段。所合成光束的 形狀是發(fā)光系統(tǒng)的一個重要屬性，特別是在汽車行業(yè)中固態(tài)車頭燈的制造中更是如此， 如在2005年4月28日對Yatsuda等人公布的名稱為"車燈(Vehicle Lamp)"的第 2005/088853號以及在2005年2月24日對Yasushi Yatsuda等人公布的名稱為"光源和車 燈(Light Source and Vehicle Lamp)，，的第2005/041434號美國已公布專利申請中所披露 的。其工作原理是構(gòu)造一排光源元件，光源元件被布置以形成當其與適當光學器件組合 時可產(chǎn)生某一光分布圖案的發(fā)射形狀和亮度分布。 然而，常規(guī)形狀的發(fā)光器件必須由許多獨立發(fā)光元件如LED構(gòu)成，由于化合物 半導體加工技術(shù)所固有的局限性(如襯底與有源層之間的晶格失配)，通常不能以超過 約4 mn^的面積來構(gòu)造發(fā)光元件。此外，由于需要對每個獨立發(fā)光元件進行物理安裝、 光耦合和電互連，各獨立發(fā)光元件的相互間距通常不能小于5 mm。因此，所構(gòu)造的發(fā) 射形狀不能實現(xiàn)連續(xù)的照明區(qū)域，而且對單位面積上可獲得的亮度存在固有的限制。此 外，該形狀的精細度或平滑度受獨立發(fā)光元件粒度限制，而且由于發(fā)光元件安裝和相連 的物理約束條件，它們不能小于一定的尺寸。 所有這些效應均用于修改、在某些情況下是增強鄰近有源層3的接觸界面的內(nèi)部 電場，這將導致發(fā)光器件1提早發(fā)生故障和破壞。
15提高SRSO有源層3內(nèi)過剩硅的含量將導致兩種情況發(fā)生第一，所生成薄膜的 介電常數(shù)將由于存在過剩硅而增大，即隨著過剩硅體積濃度(ss產(chǎn)11.9與s。x= 3.9)的增 加，硅的介電常數(shù)將開始影響并最終主導整個SRSO材料的介電常數(shù)；第二，納米顆粒 之間的距離將減小，導致所介入氧化物所形成的勢壘變薄。如果此勢壘厚度降至足夠 小，則納米顆粒之間的直接隧穿將出現(xiàn)增多。隨著SRSO有源層3的過剩硅含量的提 高，納米顆粒的密度將增加，納米顆粒間的距離將減小，這將允許跨越該薄氧化物層勢 壘的電子波函數(shù)的直接交迭增加，隧穿的可能性也會增加，即場強越小，導電性越高， 形成的電流就越大。此外，可預期由于ITO層4與N+硅襯底2之間的逸出功而導致的 電流注入不對稱性也將會降低。由于這種直接隧穿的增多，支持給定電流所需的電場也 會降低。圖2通過有源層在不同退火溫度(如硅含量)下折射率與電場強度的關(guān)系圖清 晰地示出了這一效應。通過有源層3強制施以1.5 mA/cm2的恒定電流密度，電場由厚度 決定?？梢钥吹?，以折射率增加示出的過剩硅含量的提高將導致維持恒定電流密度所需 的電場顯著降低。大折射率SRSO有源層薄膜的這一特性將被用于提高光學活性SRSO 器件結(jié)構(gòu)的可靠性和熱電子電阻。
16本發(fā)明的一個目的是通過將富含納米顆粒的層鄰近電流注入界面布置，降低并控 制可能因熱載流子及其與此器件運行間的相互作用而導致的有害影響，由此克服現(xiàn)有技 術(shù)的缺點。
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當今用于制造固態(tài)發(fā)光器件的主流技術(shù)均采用各類第III-V族或第II-VI族化合物 半導體材料，如磷化鋁鎵銦、氮化銦鎵。盡管這些材料被開發(fā)成可實現(xiàn)相對較高的內(nèi)部
效率，與常規(guī)照明技術(shù)竟爭所需的高整體能量轉(zhuǎn)換效率仍然被證明是難以實現(xiàn)的。今天 最明顯的限制是提取效率，該指標是對離開器件以實現(xiàn)有用輻射光的內(nèi)部發(fā)光量的度 量。只有對提取問題提出可行的解決方案，固態(tài)技術(shù)方可在效率上超越常規(guī)技術(shù)，從而 獲得普遍應用。因此，任何可以提高提取效率的方法對于固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)都具有重要的意 義。
18在諸如LED等固態(tài)發(fā)光器中，光是在器件體內(nèi)產(chǎn)生，或者某些情況是在一薄膜 內(nèi)產(chǎn)生。當光離開器件向空氣中輻射時，垂直于界面的光線將高效地發(fā)出；然而以超過 臨界角的角度到達界面的光線則會發(fā)生全內(nèi)反射，因此不能用作可用的輻射光，而是在 器件內(nèi)發(fā)熱浪費掉。光的浪費是限制當今固態(tài)發(fā)光器件提取效率的一個主要因素。損失 的量取決于發(fā)光材料折射率與外部介質(zhì)(在實用情況下即空氣)折射率之間不匹配的程 度。例如，對于折射率在2.5-4.0范圍內(nèi)的典型LED材料，對空氣的提取效率僅為2%-4%。
19通常所使用的提高提取效率的最簡單方法是使用折射率高于空氣的透明材料對管 芯進行封裝，這將降低由全內(nèi)反射造成的損耗，因為折射率之間的不匹配程度會降低。 例如，通過采用折射率在1.5-1.6范圍內(nèi)的密封劑，常規(guī)LED材料的提取效率可以提高 到4%-10%的范圍內(nèi)，這是一定程度的改進，但仍然是非常低的效率水平。因此，仍然 需要進行大量的工作來找到其他降低全內(nèi)反射損耗的方法，包括表面織構(gòu)化、硅透鏡化 以及邊緣發(fā)射收集器。許多此類方法先前已被介紹，但它們往往都會大幅增加加工工藝 的成本和復雜度，而且通常不能提供優(yōu)于2的改善因子。因此，采用先前所設(shè)想的任何 材料體系均不能在實踐中實現(xiàn)高于20%的提取效率。
20上述昂貴且并不完善的機制試圖在折射率不匹配的條件下優(yōu)化提取效率。與之相 比，本發(fā)明的一個目的是實現(xiàn)完整或接近完整的提取，方法是采用折射率緊密匹配的材 料來制造密封劑和發(fā)光層，從而基本消除發(fā)光器與密封劑界面處的全內(nèi)反射，而不需要 特別的表面處理。
21本發(fā)明的另一個目的是通過在單個半導體襯底上構(gòu)造發(fā)光區(qū)來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺 點，其中發(fā)光區(qū)的形狀采用光刻法確定，這將使發(fā)光區(qū)連續(xù)或接近連續(xù)，也可實現(xiàn)任何 的尺寸，如長度和寬度從厘米到米的量級，包括構(gòu)成彎曲幾何形狀的圓、橢圓、橢圓體 等的曲線或弓形線。因此，單位面積上的亮度可以被最大化；任何形狀和形狀分辨率可 以得以構(gòu)建；而發(fā)光區(qū)的尺寸也可以大大緊湊，因為整個部件均采用單片方式構(gòu)建。所 發(fā)出的光可以為任何顏色，包括白色。在本發(fā)明的一種變化形式中，發(fā)光區(qū)可以再細分為不同的區(qū)域，每一區(qū)域均有其自身的電連接，由此可實現(xiàn)改變光束形狀的電子方式。 在一種進一步的變化形式中，這些不同的區(qū)域還可以發(fā)出不同顏色的光，因此還可通過 改變不同成分的相對強度來對所成光束的顏色進行電子控制?？捎玫恼{(diào)色板可以包括白 色，且包含對色溫和顯色指數(shù)的控制。因此，本發(fā)明涉及一種發(fā)光器件，它包括 [24襯底；
25] 被支承在襯底上的有源層結(jié)構(gòu)，至少包括具備一定濃度的發(fā)光中心的第一有源 層，用于以第一波長發(fā)光；—組電極，包含上透明電極和第二底電極，用于對有源層結(jié)構(gòu)施加電場；以及 [27]第一過渡層，位于上透明電極與有源層結(jié)構(gòu)之間，其的導電性高于有源層結(jié)構(gòu)頂 層的導電性； 從而可以減小生成所期望的、流經(jīng)第一接觸區(qū)的電流所需的電場，并減小與大場 強相關(guān)的有害影響。


下文將參照附圖對本發(fā)明進行更為詳細的介紹，附圖所示為優(yōu)選實施方式，其 中
31]圖1示出了 一種常規(guī)的發(fā)光器件；
32圖2不同富硅氧化硅有源層的折射率與電場強度關(guān)系33圖3為根據(jù)本發(fā)明、帶有過渡層的發(fā)光器件的側(cè)視34圖4所示為一三維仿真的結(jié)果，其中透明電極的邊緣置于襯底上薄的富硅氧化硅
層和厚的場氧化物(FOX)區(qū)之上；
35]圖5為根據(jù)本發(fā)明的一種發(fā)光器件的側(cè)視36]圖6-18表示了圖5中器件的加工步驟；圖19示出了圖5中器件的有源層結(jié)構(gòu)的一種實施方式； 參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光器件11包括一個合適的半導體襯底12,其上沉積 有有源層結(jié)構(gòu)13。對在其上生成有源層結(jié)構(gòu)13的襯底12進行選擇以使其能夠耐受 1000 。C或更高量級的高溫。合適的襯底的例子包括硅片或多晶硅層(二者均可進行n 摻雜或p摻雜，采用如每立方厘米lxl(^-5xl0"個摻雜質(zhì)的密度)、熔融石英、氧化鋅 層、石英、藍寶石碳化硅或金屬襯底。上述某些襯底可選地具有熱生長氧化層，該氧化 層厚度可達約2000 nm,優(yōu)選厚度為1-20 nm。上述某些襯底可選地具有電沉積導電 層，其厚度可在50-2000 nm之間，但優(yōu)選在100-500 nm之間。襯底的厚度并不重要， 只要保持熱學和機械穩(wěn)定性即可。
41有源層結(jié)構(gòu)13可以由一個或多個包含發(fā)光中心的有源層組成，每一層均具備獨 立選擇的成分(composition)和厚度，如寬能帶隙半導體(第IV族，如Si、 Ge、 Sn和 Pb)納米顆?；蚪殡姴牧?，如摻雜或不摻雜稀土元素及摻雜或不摻雜碳的第IV族(如 Si、 Ge、 Sn和Pb)氧化物或氮化物基體，下文將對其進行介紹。特別的例子包括采用 二氧化硅基體(SRSO)的硅納米顆粒和采用氮化硅基體的硅納米顆粒。作為替代選 擇，有源層可以由稀土氧化物構(gòu)成。通過采用具備不同成分的有源層，可以制備出多顏 色結(jié)構(gòu)。例如，將鉺、銩和銪摻雜的半導體納米顆粒層組合在同一結(jié)構(gòu)中，將可實現(xiàn)以 綠色(鋱)、藍色(鈰)和紅色(銪)或上述顏色組合發(fā)光的結(jié)構(gòu)。有源層可以疊層布 置，也可以并排構(gòu)造為可獨立控制的電路元件。有源層結(jié)構(gòu)13可以采用多種適用方法 之一進行沉積，如等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)、分子束外延、脈沖激光沉 積、濺射和溶膠-凝膠工藝等。稀土元素優(yōu)選采用鑭系元素，如鈰、鐠、釹、钷、釔、 鉺、銩、鐿、釤、鏑、鋱、銪、鈥或镥；然而它們也可以是鄰T系元素，如釷。 [42] 在有源層結(jié)構(gòu)13裝有頂部透明電流注入(電極)層14,如透明導電氧化物 (TCO),例如氧化銦錫(ITO),該層與底部電極16 —起可對有源層結(jié)構(gòu)13施加交 流或直流電。電流注入層14的厚度優(yōu)選在150-500 nm之間，其化學成分和厚度要使該 半導體結(jié)構(gòu)的電阻率小于70 Q-cm。在正面電流注入層14與頂部電接觸層15 (如Al) 之間設(shè)置緩沖電接觸層17 (如TiN)。緩沖接觸層17可在正面電流注入層14與頂部電 接觸層15之間提供歐姆接觸點，而頂部電接觸層15則為引線接合接觸提供了合適的表 面。對透明電極14和緩沖電接觸層17也可以選用其他合適的材料。在有源層結(jié)構(gòu)13 與襯底12之間可以提供后反射器18,以此將內(nèi)部發(fā)出的射向襯底12的光反射回發(fā)光表 面，即TCO電流注入層14。 在常規(guī)發(fā)光器件中，光學活性SRSO層通常存在過剩硅含量，導致所測得的折射 率為1.5-1.6。接觸界面上約需要6 MV/cm的電場以使1.5 mA/cm2的電子流流入該 SRSO層。通過在有源層結(jié)構(gòu)13與襯底12和電流注入層14的界面上分別添加薄的阻擋 或過渡層19a和19b,特別是當有源層結(jié)構(gòu)12包括由導電性相對較低的某種形式的寬能 帶隙或介電材料構(gòu)成的上、下層時，可使相同的電流流經(jīng)光學有源層結(jié)構(gòu)13，但注入界 面處如TCO 14與有源層結(jié)構(gòu)13之間以及有源層結(jié)構(gòu)13與襯底12之間的電場此時將由 6 MV/cm減小到2MV/cm以下。過渡層19a和1%在其生長過程中優(yōu)選采用與有源層結(jié) 構(gòu)13相同或類似的材料生成，但要具有更高的導電性，即有更高的材料含量和更高的 折射率，如折射率在1.9-2.3范圍內(nèi)的SRSO。然而，可以在過渡層19a和1%中置入其 他導電性材料，如金屬等。過渡層19a和19b將顯著提高電子由接觸電極15和16向有 源層結(jié)構(gòu)13中的注入效率，并減小由接觸界面經(jīng)直接隧穿造成的逸出功不對稱度，這 可由電流所需電場的降低得出。過渡層19a和19b對與界面相關(guān)的熱電子效應呈現(xiàn)更高 的電阻，還為電流注入層14和硅襯底12界面提供了防止局部電荷累積導致電場增強電 流注入的屏蔽。此外，它們還作為阻擋層，使與光學活性區(qū)相關(guān)的高場強區(qū)后移并且遠 離接觸界面。因此，添加過渡層19a和19b可以顯著地提高器件11的可靠性和壽命。44對于200 nm厚的SRSO有源層結(jié)構(gòu)13,過渡層19a和19b在5 nm-20 nm范圍 內(nèi)，優(yōu)選為8 nm-12 nm,最優(yōu)選為10 nm，即優(yōu)選為有源層結(jié)構(gòu)13厚度的2.5%-10%， 更優(yōu)選為4%-6%,最優(yōu)選為5%,此范圍值將足以顯著減小界面處的電場場強。過渡層 19a和19b應使如上所述的高場強陷阱和界面生成問題得以降低，從而形成更為健壯且 效率更高的光學活性器件結(jié)構(gòu)。
45在示例工藝中，生長過程的半導體(如硅)成分在沉積開始時被初始設(shè)置為一個 高值。該值根據(jù)所需的折射率確定，因此即由所需的過剩半導體(如硅)含量確定。在 沉積出第一過渡層19a的厚度之后，生長過程的半導體成分被調(diào)整為在有源層結(jié)構(gòu)13 中生成一個或多個層所需的一個或多個值。 一旦有源層結(jié)構(gòu)13沉積到足夠的厚度，生 長過程的半導體成分將被再次提高到最初使用的高值，并沉積出所需的第二過渡層19b 的厚度。 一旦完成之后，生長過程就終止，對薄膜進行適當?shù)耐嘶?，以便在有源層和過 渡層中形成半導體納米顆粒，如硅納米晶體。
場處化參^" 二維仿真的結(jié)果如圖4所示，其中透明電極14 (如氧化銦錫(ITO))的邊緣被 置于襯底12上薄(如0.05 um-l.O um)的富硅氧化硅層13 ( SRSO )和厚(如0.5 um-5 um)的場氧化物(FOX)區(qū)之上。ITO電極14的內(nèi)緣將導致電場在薄SRSO氧化物層 13上的濃度增強。相反地，處于厚的場氧化物區(qū)(FOX)上方的ITO電極14的外緣則 呈現(xiàn)更為分散的潛在輪廓，提示ITO電極14的外緣上電場降低。這種擴散是由于場氧 化物FOX區(qū)的厚度增大所致。因此，當ITO電極14在SRSO層13上直接終止時，邊 緣處的場強非常高，但當ITO電極14在FOX區(qū)上方終止時，邊緣處的場強就要低得 多。仿真顯示出了場氧化物對ITO邊緣電場的影響。ITO電極被偏置為100V, E場強^ 10MV/cm。 當采用交流偏置時，由于與器件電容相關(guān)的位移電流，器件總電容可能使實時隧 穿電流難以測量。為減少此效應，在場氧化物層21上放置金屬接觸層26將減小與此區(qū)
域相關(guān)的寄生電容。由于場氧化物層21相對非常厚，如2-10倍、優(yōu)選4-6倍于光學活
性(如SRSO)層23,單位面積的場氧化物電容Crox顯著小于CSRSO。因此，總電容就
是Cfox和Csrso的串聯(lián)組合，這將導致器件總電容和測得位移電流的幅值減小。在實踐中，密封劑35將是一種專門為制造發(fā)光器件20而生產(chǎn)的透明環(huán)氧樹脂， 其化學及其他特性應符合二者之間折射率條件下的應用。但從理論上講，可以采用任何 透明材料，除理所當然的透明度因素之外，唯一與本發(fā)明相關(guān)的工作特性就是折射率。 它可以是一團透明的凝膠，或者是任何實際可用的材料，只要它為透明且折射率合適。 [54為了獲得實際可用的總體效率，有源層結(jié)構(gòu)22的構(gòu)造必須確保它可以以實用的 效率水平發(fā)光，由此在無后反射器條件下，可以設(shè)計出總效率在30%-40%范圍內(nèi)的器 件，其理論最大值為50%,有后反射器時則為100%,這至少是先前可用材料體系可實 現(xiàn)效率的2倍。 ^W雄 在圖8中，在頂部氮化物層42a的相對兩側(cè)對其進行加工，采用等離子體蝕刻法 向下蝕刻至襯墊氧化物層41a，僅保留其中心帶。在襯墊氧化物層41a中心帶兩側(cè)上的 開放區(qū)域中生長場氧化物區(qū)21。優(yōu)選情況下，采用高熱蒸汽爐生長構(gòu)成場氧化物區(qū)21 的1 pm的熱氧化物(圖9)。采用短暫的濕法蝕刻去除氮化物層42a中心帶上的任何被 氧化的氮化物，而后將采用短暫的等離子蝕刻去除氮化物層42a中心帶上的任何殘留氮 化物。之后采用濕法蝕刻將剩余的襯墊氧化物層41a從中心帶上去除，以準備沉積有源 層結(jié)構(gòu)22 (圖10)。 圖11示出了有源層結(jié)構(gòu)22在場氧化物區(qū)21上以及向器件阱27內(nèi)的沉積，此沉 積形成了自然傾斜的場氧化物過渡，即場氧化物區(qū)21的內(nèi)緣(與器件阱27相鄰處)基 本上與傾斜的上表面漸縮為一點。自然傾斜的FOX過渡起2個作用。首先，它們可以 實現(xiàn)良好的臺階覆蓋(step coverage)。如果器件阱27上FOX區(qū)21的邊緣為垂直臺 階，如lpm高，則后續(xù)任何薄膜層，如光學有源層結(jié)構(gòu)22的一個底層，將必須至少有 lpm厚，方可在垂直臺階上加工出來。這樣厚的膜將需要非常高的工作電壓。通過采用 傾斜過渡，可以沉積出厚度小得多的薄膜，且薄膜的連續(xù)性在臺階上得以保持。第二， 由于從器件阱27底部向上到場氧化物區(qū)21上的過程中氧化物逐漸變厚，TCO 24與襯 底23之間的垂向電場將逐漸減弱。其結(jié)果是，不存在可能導致有源層結(jié)構(gòu)22內(nèi)擊穿的 場集邊(crowding)情況。 如上文參見圖3和5和下文參見圖19-21的規(guī)定，有源層結(jié)構(gòu)22通常厚度為0.05 pm-1.0nm,并可包含一個或多個有源層，在其任何一側(cè)有過渡層31和32。采用適當?shù)?沉積方法(如PECVD )在有源層結(jié)構(gòu)22上沉積厚約300 A的氮化物覆蓋層43 (如氮化 硅)，用于在高溫退火中保護有源層結(jié)構(gòu)22的半導體納米顆粒免遭意外氧化。在高溫 退火之后，去除氮化物覆蓋層43和原底部氮化物層42b (圖12)。在有源層結(jié)構(gòu)22上 方包括在場氧化物區(qū)21和器件阱27上方，沉積透明電極層24 (圖13)。透明電極層 24優(yōu)選經(jīng)過一個退火步驟，如在空氣中，這將獲得較高的電阻率均勻度且電阻率下降較 多。此外，該退火步驟還可提供適用于下一步驟的更為一致的蝕刻性能以及更為平滑的 蝕刻型面。 從透明電極層24的相對的邊緣上去除(即被蝕刻掉) 一個窄條，從而形成肩部 44 (圖14),并實現(xiàn)器件的橫向隔離。接下來，在透明電極層24上沉積另一層氮化物
層46,如氮化硅，其厚度可達1500 A,以填充肩部44 (圖15)。場氧化物區(qū)21上方 的氮化物層46窄條被去除，如被蝕刻掉，以提供金屬接觸層26的開口 (圖16)。圖 17示出了在氮化物層46內(nèi)條帶上沉積TiH或鎳膠/勢壘層47,以固定其金屬接觸層 26。在底部金屬接觸層28 (如鋁接觸層)固定之前去除底部襯墊氧化物層41b。反射涂 層29可以在其安裝之前置于襯底23的底部或底部金屬接觸層28上。 [60超晶格結(jié)構(gòu)是由本發(fā)明的一種實施方式實現(xiàn)的一類優(yōu)選有源層結(jié)構(gòu)22，，它以圖 19示例示出，其結(jié)構(gòu)包含多個有源層51,如半導體納米顆粒，以寬能帶隙半導體或介 電材料緩沖層52如二氧化硅隔離，即與之交叉布置，并支承在襯底23上。每個有源層 51的厚度均在1 nm-10 nm之間。有源層結(jié)構(gòu)22，可以構(gòu)成設(shè)計用以發(fā)射不同波長光的有 源層51,由此各波長的組合將產(chǎn)生所需的輸出光，如白光。發(fā)射不同波長光的各層(如 因摻雜有不同稀土元素)可以相互交替散置，也可以將多個發(fā)射相同波長光的層51堆 疊在一起置于另一組多個發(fā)射另一波長光的層51上。對超晶格結(jié)構(gòu)的最大厚度沒有限 制，但優(yōu)選采用50 nm-2000 nm的厚度，更優(yōu)選采用150 nm-750 nm的厚度，具體#4居 可用電壓值確定。鑒于上文所述的原因，在襯底23與底部介電層52以及頂部介電層52 與透明電極之間可以分別添加過渡層59a和5% (見圖18 )。 圖19所示結(jié)構(gòu)相互接觸但沒有介入層的相鄰各層；然而，可以在不干涉所述層 的情況下得以利用附加層。因此，術(shù)語"涂層"和"接觸，，并不排除附加介入層但非干涉層 的可能性。 通過在氮化硅基體中嵌入小的硅納米顆粒，由于氮原子對納米顆粒的表面鈍化效 應，以及激子的電子與空穴波函數(shù)的強耦合效應，硅納米顆粒的輻射壽命可以接近納秒 和/或次納秒量級。 在氮化硅基體內(nèi)生成硅納米顆粒的均勻沉積的SiNx薄膜中，該薄膜通常具有相 對較寬的尺寸范圍，以及隨機的空間分布，特別是在納米顆粒之間的間距。此外，SiNx 薄膜內(nèi)生成的硅納米顆粒在承受較高溫度時可能形成連接的小簇，這會影響發(fā)光效率。 此外這還會嚴重限制薄膜沉積之后的器件加工靈活性。納米顆粒尺寸和間距的變化組合 可能對此類薄膜中形成的硅納米顆粒結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光效率造成顯著影響。65在硅納米顆粒嵌入在氮化硅基體內(nèi)的薄膜中，薄膜的導電性可能受到氮化硅基體 的高陷阱密度的顯著影響，因此會對所注入的載荷子從電場獲取能量而在硅納米顆粒中 生成激子過程的有效性產(chǎn)生有害影響。然而，根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)則消除了上述所 有問題，它是在半導體氮化物的各有源層之間提供緩沖層，從而確保了納米顆粒之間的 適當間距。此外，提供較薄的有源層即納米顆粒尺寸，納米顆粒的尺寸也可以得到更精 確的控制。
66] 具體參見圖20，根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，有源層結(jié)構(gòu)22，，包含設(shè)計的薄膜 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由若干組織層的多種不同組合62、 63和64形成，其中有源層65、 66和 67分別用緩沖層68、 69和70隔開，由純寬能帶隙半導體或介電材料制成。對于所設(shè)計 出的由交流電壓驅(qū)動的薄膜有源層結(jié)構(gòu)22"，由于電流將隨電壓的交變而雙向流動，故 緩沖層68和70分別置于有源層65和67與電極26和28之間。
67納米顆粒如納米晶體的尺寸約等于其所處的有源層65、 66和67的厚度。每一有 源層65、 66和67中納米顆粒的尺寸即層65、 66和67的厚度按照特定的激發(fā)能設(shè)計， 以產(chǎn)生所需顏色的光。對于摻雜有稀土元素的二氧化硅基體內(nèi)的硅納米晶體，納米顆粒 直徑t/(單位為納米)與激發(fā)能￡ (單位為電子伏)的理論關(guān)系由下式給出 [68
1.143 + 5.845/(^+1.274^/+0.905)-6.234/(/ + 3.39W+ 1.412);對于第IV族元素(如硅)，無稀土元素摻雜的氮化硅基體內(nèi)的納米晶體，或?qū)?于第IV族元素(如硅)，無稀土元素摻雜的二氧化硅基體內(nèi)的納米晶體，生成特定激 發(fā)能以使納米晶體發(fā)出所需顏色光的激發(fā)能公式為 [71]E = E0+C/d2其中E0= 1.16 eV, C= 11.8 eV隱nm2 緩沖層68、 69和70的厚度與相鄰納米顆粒有源層65、 66和67內(nèi)納米顆粒的尺 寸緊密匹配。對于垂直于層65-70平面所施加的電場，電子必須從所施加的電場獲得足 夠的能量以^^將納米顆粒激發(fā)至正確的能量-在緩沖層68、 69和70內(nèi)獲得的能量(以 eV為單位測得)等于電場場強乘以緩沖層68、 69或70的厚度。例如，對于所施加的5 MV/cm的電場，緩沖層的厚度必須等于或大于3.8 nm方可將納米顆粒激發(fā)至1.9 eV (1.9eV/0.5eV/nm = 3.8nm)，等于或大于4.6 nm方可將納米顆粒激發(fā)至2.3 eV,或者 等于或大于5.6 nm以將納米顆粒激發(fā)至2.8 eV。對于所設(shè)計的由交流電驅(qū)動的薄膜有源 層結(jié)構(gòu)22，其中相鄰納米顆粒層(如65和66)以不同波長發(fā)光，介入緩沖層(如68) 必須足夠厚方可在車交高能量的層中激發(fā)納米顆粒。
75對于二氧化硅基體內(nèi)基于硅納米顆粒且摻雜有稀土離子及其他雜質(zhì)(如碳)的固 態(tài)發(fā)光器件，所設(shè)計的薄膜有源層結(jié)構(gòu)22"在光通量(光輸出功率)、效率(內(nèi)部功率 轉(zhuǎn)換效率和外部光視效能)、顯色指數(shù)(CRI)、器件可靠性和壽命以及器件工藝性/成 本/成品率方面實現(xiàn)了巨大的進步。 稀土離子可以加入有源層65、 66和67或緩沖層68、 69和70,或者兩者中都加 入。優(yōu)選的結(jié)構(gòu)僅在有源層65、 66和67內(nèi)加入稀土元素，其濃度要使從納米顆粒到稀 土離子的能量轉(zhuǎn)移效率以及被激發(fā)稀土離子的輻射效率達到最大。鑒于所涉及的物理過 程的復雜性，通常根據(jù)經(jīng)驗優(yōu)化。對置于納米顆粒層內(nèi)或緊鄰其布置的稀土離子的種類 進行選擇以使所輻射的光波長與層內(nèi)納米顆粒的激發(fā)能相匹配(反之亦然)。 [77] 如果需要其他雜質(zhì)，則通常將僅被加入到納米顆粒層65、 66或67內(nèi)，盡管它們 可被置于有源層結(jié)構(gòu)22，，內(nèi)的任何地方。例如，由于在觀察中已經(jīng)確定，測得的納米顆 粒激發(fā)能并不能達到理論預期水平，在寬能帶隙半導體或介電材料(如氧化硅基體)中 可能需要碳原子來提高轉(zhuǎn)移至稀土離子的納米顆粒激發(fā)能。 任何層內(nèi)納米顆粒的密度均可通過在沉積過程中改變所述層內(nèi)過剩硅含量以及改 變退火條件(如退火溫度和時間)的方式加以改變。納米顆粒層65、 66和67內(nèi)的納米 顆粒密度優(yōu)選盡可能高，以提高所發(fā)光的強度，同時仍要保持在可能導致納米晶體間相 互作用或納米顆粒結(jié)塊的密度以下。
81有源層結(jié)構(gòu)22，，內(nèi)重復層65-70的總數(shù)由將要施加到整個薄膜上的電壓以及高效 和可靠工作所需的電場來決定。在一個簡單的近似中，在納米顆粒層65、 66和67上僅 有非常小的電壓降，因此所需的層數(shù)將等于所施加電壓除以電場場強再除以緩沖層68、 69和70的厚度。例如，如果所施加電壓為110 V,則介電層69內(nèi)所需的電場場強為5 MV/cm (即0.5 V/nm),而所需的激發(fā)能為2.3 eV,由此納米顆粒層66厚度為2.1 nm,緩沖層厚度為4.6nm,故重復層對66/69的總數(shù)為 [82] (110 V) / (0.5 V/nm) / (4.6 nm) = 48層或?qū)Α?br> 83] 通過重復相同的有源層和緩沖層對，所設(shè)計的薄膜有源層結(jié)構(gòu)22，，可以發(fā)出單色 光。混合色(如白色)可以由所設(shè)計的有源層結(jié)構(gòu)22，，發(fā)出，因為整個薄膜將針對每一 成分色包含若干層對。例如，組合在一起的N對活性/介電層可能包含k對針對藍光的 65/68 、 m對針對綠光的66/69以及n對針對琥珀色/紅色/橙色光的67/70,其中k + m + n =N。每一顏色層對(如65/68、 66/69和67/70)的數(shù)量可以有區(qū)別，以實現(xiàn)任何所需的 顯色指數(shù)(CRI)。例如，暖白色需要紅色對比藍色對65/68多，而冷白色的要求則相 反。
84]對于白色或其他多色發(fā)光情形，以及后反射器29包括在結(jié)構(gòu)內(nèi)的器件20,優(yōu)選 將最低能量(波長最長，如紅光)發(fā)光層緊鄰反射器29布置，最高能量(波長最短， 如藍光)層緊鄰發(fā)光表面布置。發(fā)射中間波長光(如綠光)的各層置于發(fā)射最長和最短 波長的層之間。
85
圖21示出了一種由直流電即陽極62和陰極63所驅(qū)動的設(shè)計薄膜有源層結(jié)構(gòu) 22，"。有源層65、 66和67以及緩沖層68、 69和70中的大多數(shù)均與所設(shè)計薄膜結(jié)構(gòu) 22"中相同；然而，由于電子僅以一個方向運動，不同類型的有源層之間的介入援沖層 必須具備正確的厚度，以便將納米顆粒層內(nèi)的納米顆粒激發(fā)到更接近陽極處。因此，所 設(shè)計的薄膜結(jié)構(gòu)22"，優(yōu)選由陰極處的緩沖層68和陽極處的納米顆粒層67來終止。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，其包含襯底；被支承在所述襯底上的有源層結(jié)構(gòu)，所述有源層結(jié)構(gòu)至少包括具有一定濃度的發(fā)光中心的第一有源層，所述第一有源層用于以第一波長發(fā)光；一組電極，其包含上透明電極和第二底電極，所述電極組用于對所述有源層結(jié)構(gòu)施加電場；以及第一過渡層，其位于所述上透明電極與所述有源層結(jié)構(gòu)之間，所述第一過渡層的導電性高于所述有源層結(jié)構(gòu)的頂層的導電性；由此，與所述有源層結(jié)構(gòu)相關(guān)的高場強區(qū)被后移并離開所述有源層結(jié)構(gòu)與所述透明電極之間的第一接觸區(qū)；從而可以減小生成所期望的、流經(jīng)所述第一接觸區(qū)的電流所需的電場，并減小與大場強相關(guān)的有害影響。
2. 如權(quán)利要求1所述的器件，還包含第二過渡層，位于所述襯底與所述有源層結(jié) 構(gòu)之間，所述第二過渡層的導電性高于所述有源層結(jié)構(gòu)的底層的導電性；由此與所述有源層結(jié)構(gòu)相關(guān)的高場強區(qū)被后移并離開所述有源層結(jié)構(gòu)與所述襯底之 間的第二接觸區(qū)；從而可以減小生成所期望的、流經(jīng)所述第二接觸區(qū)的電流所需的電場，并減小與大 場強相關(guān)的有害影響。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的器件，其中所述第一過渡層的厚度為所述有源層結(jié)構(gòu)厚 度的2.5%-10%,以使從所述有源層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的高能電子進行足夠的冷卻。
4. 如權(quán)利要求3所述的器件，其中所述第一過渡層的厚度為所述有源層結(jié)構(gòu)厚度的 4%-6%。
5. 如權(quán)利要求1-4中的任何一項所述的器件，其中所述有源層結(jié)構(gòu)包含第一緩沖 層，所述第一緩沖層包含與所述第一有源層相鄰的寬能帶隙半導體或介電材料；其中所 述第一緩沖層具有厚度，從而使電子在通過所述第一緩沖層時從所述電場獲得足夠的能 量，以便通過碰撞電離或碰撞激發(fā)以足夠的激發(fā)能激發(fā)所述第一有源層內(nèi)的所述發(fā)光中 心以所述第一波長發(fā)光。
6. 如權(quán)利要求5所述的器件，其中所述有源層結(jié)構(gòu)還包含與多個第一緩沖層交叉布 置的多個第一有源層。
7. 如權(quán)利要求6所述的器件，其中所述有源層結(jié)構(gòu)還包含多個第二有源層，其包括一定濃度的發(fā)光中心，所述多個第二有源層用于以第二波長發(fā)光；和多個第二緩沖層，其包括與所述多個第二有源層交叉布置的寬能帶隙半導體或介電 材料；其中所述第二緩沖層具有厚度，從而使電子在通過所述第二緩沖層時從所述電場獲 得足夠的能量，以便通過碰撞電離或碰撞激發(fā)以足夠的激發(fā)能激發(fā)所述第二有源層內(nèi)的 所述發(fā)光中心以所述第二波長發(fā)光；其中所述第 一和第二波長組合起來形成所需顏色的光。
8. 如權(quán)利要求7所述的器件，其中所述電極組以交流電源驅(qū)動；且其中所述第一介 電層之一被布置于所述有源層結(jié)構(gòu)的一端，所述第二介電層之一被布置于所述有源層結(jié) 構(gòu)的另 一端，以確保所有所述第一和第二有源層內(nèi)的所述發(fā)光中心在所述電場改變方向 時均被激發(fā)。
9. 如權(quán)利要求1-8中的任何一項所述的器件，其中所述第一有源層包含在其中嵌入 有半導體納米顆粒的寬能帶隙半導體或介電材料。
10. 如權(quán)利要求9所述的器件，其中所述過渡層包括半導體材料濃度高于所述第一 緩沖層的寬能帶隙半導體或介電材料。
11. 如權(quán)利要求1-10中的任何一項所述的器件，還包含電連接至所述透明電極的金屬電接觸層，所迷金屬電接觸層用于向其施加所述電 場；和位于所述電接觸層下方的場氧化物區(qū)，以將所述電接觸層下方的電流注入減至最 小，從而使與所述金屬電接觸層相鄰的有源層結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流達到最大。
12. 如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述場氧化物區(qū)具有傾斜的邊緣，使得所述上 透明電極與所述襯底之間的垂向電場逐漸減小。
13. 如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述場氧化物區(qū)的厚度為所述有源層結(jié)構(gòu)厚度 的2-10倍。
14. 如權(quán)利要求1-13中的任何一項所述的器件，還包含位于所述透明電極上方的密 封劑層，其折射率與所述有源層結(jié)構(gòu)的折射率緊密匹配，以減小它們之間的全內(nèi)反射。
15. 如權(quán)利要求14所述的器件，其中所述密封劑層具有彎曲上表面，以對所發(fā)射的 光提供透鏡效應，從而使被提取的光量達到最大。
16. 如權(quán)利要求1-15中的任何一項所述的器件，還包含位于所述底電極與所述有源 層結(jié)構(gòu)之間的反射層，所述反射層用于經(jīng)所述上透明電極將光反射回去。
17. —種用于生成發(fā)光器件的方法，其包括以下步驟a) 提供襯底；b) 在所述村底的上表面上沉積有源層結(jié)構(gòu)，所述有源層結(jié)構(gòu)包括具有一定濃度的 發(fā)光中心的有源層；c) 在所述有源層結(jié)構(gòu)上沉積透明電極；d) 將金屬接觸層連接到所述透明電極上；以及e) 將底電極連接到所述襯底的下表面上；其中步驟b)包括在所述有源層結(jié)構(gòu)與所述透明電極之間沉積第一過渡層，所述第 一過渡層的導電性高于所述有源層結(jié)構(gòu)的頂層的導電性，由此與所述第 一 有源層相關(guān)的 高場強區(qū)被后移并遠離所述有源層結(jié)構(gòu)與所述襯底之間的第一接觸界面；從而減小生成所期望、在所述襯底與所述第 一有源層之間流動的電流所需的電場， 從而減小與大場強相關(guān)的有害影響。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述金屬接觸層下方沉積場氧化物區(qū)，以 將所述電接觸層下方的電流注入減至最小，從而使與所述金屬電接觸層相鄰的所述有源 層結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流達到最大。
19. 如權(quán)利要求17或18所述的方法，還包括在所述透明電極上方沉積密封劑層， 其折射率與所述有源層結(jié)構(gòu)的折射率緊密匹配，以減小它們之間的全內(nèi)反射；其中所述密封劑層具有彎曲上表面，對所發(fā)射的光提供透鏡效應，以使被提取的光量最大化。
20. 如權(quán)利要求17、 18或19所述的方法，其中步驟b)包括沉積包含寬能帶隙半導 體或介電材料、且與所述第一有源層相鄰的第一緩沖層；其中所述第一緩沖層具有厚 度，從而使電子在通過所述第一緩沖層時從所述電場獲得足夠的能量，以便通過碰撞電 離或碰撞激發(fā)以足夠的激發(fā)能激發(fā)所述第一有源層內(nèi)的所述發(fā)光中心以所述第一波長發(fā) 光。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中步驟b)還包含沉積與多個附加第一緩沖層交 叉布置的多個附加第一有源層。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中步驟b)還包含沉積具有一定濃度的發(fā)光中心 的多個第二有源層，所述多個第二有源層用于以不同于所述第一波長的第二波長發(fā)光；和沉積包含寬能帶隙半導體或介電材料、而與所述多個第二有源層交叉布置的多個第二緩沖層；其中所述第二緩沖層具有厚度，從而使電子在通過所述第二緩沖層時從所述電場獲 得足夠的能量，以便通過碰撞電離或碰撞激發(fā)以足夠的激發(fā)能激發(fā)所述第二有源層內(nèi)的 所述發(fā)光中心以所述第二波長發(fā)光；其中所述第一和第二波長組合起來形成所需顏色的光。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其中步驟b)包括i) 在所述襯底上沉積具有過剩半導體材料的寬能帶隙半導體或介電材料，以生成 所述第一有源層；ii) 沉積包含寬能帶隙半導體或介電材料、且與所述第一有源層相鄰的第一緩沖 層；其中所述第一緩沖層具有厚度，從而使電子在通過所述第一緩沖層時從所述電場獲 得足夠的能量，以便通過碰撞電離或碰撞激發(fā)以足夠的激發(fā)能激發(fā)所述第一有源層內(nèi)的 所述發(fā)光中心以所述第 一波長發(fā)光；iii) 在所述第一緩沖層上沉積具有過剩半導體材料的寬能帶隙半導體或介電材料， 以生成所述第一過渡層；并對所述有源層、所述過渡層和所述緩沖層進行退火，以便在所述第一有源層和所述 過渡層內(nèi)生成半導體納米顆粒；其中所述寬能帶隙半導體或介電材料是與所述第一有源層、所述過渡層及所述第一 緩沖層相同的材料；且其中在沉積步驟i) 、 ii)和iii)之間對半導體材料的濃度進行調(diào)整，以區(qū)分出所述 第一有源層、所述第一緩沖層和所述第一過渡層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光器件，其包括沉積在襯底上的有源層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一個或多個包含發(fā)光中心的有源層，如具有半導體納米顆粒的寬能帶隙材料。為實現(xiàn)從有源層結(jié)構(gòu)的實用的光提取，在有源層結(jié)構(gòu)上沉積透明電極，在襯底下方安置底電極。在上透明電極與有源層結(jié)構(gòu)之間以及有源層結(jié)構(gòu)與襯底之間的接觸區(qū)上形成導電性高于有源層結(jié)構(gòu)頂層的過渡層。因此與有源層結(jié)構(gòu)相關(guān)的高場強區(qū)被后移并離開接觸區(qū)，從而可以減小生成所期望的在透明電極、有源層結(jié)構(gòu)與襯底之間流動的電流所需的電場，并減小與大場強相關(guān)的有害影響。
文檔編號H01L33/00GK101361198SQ200680050141
公開日2009年2月4日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者喬治·奇克, 伊恩·考爾德, 史蒂文·E·希爾, 托馬斯·馬克埃爾維 申請人:第四族半導體有限公司