專利名稱：帶有直立式納米線結(jié)構(gòu)的led及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管LED。具體而言，本發(fā)明涉及包括納米線的LED。
背景技術(shù)：
當(dāng)今發(fā)光二極管(LED)的主要類型是建立在平面技術(shù)上的。在基片上把PN結(jié)構(gòu)造成多層從而給器件提供了基本水平的定向。發(fā)光復(fù)合發(fā)生在這些層的子集中。因?yàn)榘雽?dǎo)體層的折射率顯著高于空氣的折射
光有貢獻(xiàn)。實(shí)際上這些層將作為L(zhǎng)ED的水平平面內(nèi)的波導(dǎo)。已提出了若干措施來(lái)減輕LED光受陷于器件中的效應(yīng)以及從半導(dǎo)體層中高效地提取光。這樣的措施包括修改表面以便提供具有與水平面成不同角度的若干部分。EP1369935中提出了一種類似的方案，其中在LED器件中提供納米大小的顆粒以對(duì)光進(jìn)行散射或可選地吸收光以及生成不同波長(zhǎng)的光。另外，平面技術(shù)在小型化和適當(dāng)材料的選擇方面存在約束，這將在下面進(jìn)行描述。
納米級(jí)技術(shù)的發(fā)展以及尤其是制作納米線的能力開(kāi)辟了以在平面技術(shù)中不可能的方式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和組合材料的可能性。這一發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)在于納米線的一維(1D)屬性使得能夠克服在用平面技術(shù)制造的器件中對(duì)不同材料之間的晶格匹配的要求。已經(jīng)表明并加以利用，例如InP的納米線能夠無(wú)缺陷地生長(zhǎng)在InAs或Si上。在Samuelson等人的US20040075464中公開(kāi)了基于納米線結(jié)構(gòu)的多種器件，例如納米線LED。這些LED具有給出量子限制效應(yīng)的內(nèi)部異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
US20030168964教導(dǎo)一種多條納米線的組件，所述多條納米線作
基片之間的LED,每;單獨(dú):納米線具有P^"、 N型和發(fā)光層的結(jié)構(gòu)。這些納米線據(jù)稱被布置成發(fā)射光透過(guò)導(dǎo)電透明基片。
先前已報(bào)導(dǎo)了其它的納米線LED。 Hiruma等人制造了垂直的GaAs納米線pn LED。這些納米線被嵌入在SOG中并且用Au/Ge/Ni頂接觸進(jìn)行覆蓋，這是在Appl. Phys. Lett. 60 (6) 1992中的Haraguchi等人的"Ga4s 7"A7c"o〃 formed /力qf"a/ ft;m c/ysfa/s，，中描述的。這些器件表現(xiàn)室溫電致發(fā)光。如在Nanoletters中的Quian等人的"CoA"e/Miv/f/s勿e//A/ar ow/廠e Heferos化i/c^/re as /Wtz/〃co/o廠， fy/g/ -iE廳/c/'ency/j'S^-Em/W叩D/'oc(es"中所描述的，還制造了基于GaN的納米線LED。

發(fā)明內(nèi)容
本領(lǐng)域已表明可以利用納米線來(lái)構(gòu)造LED。為了提供適合于工業(yè)生產(chǎn)方法的高效器件，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明的目標(biāo)是要提供一種納米結(jié)構(gòu)化LED以及其制作方法從而克服現(xiàn)有技術(shù)器件和方法的缺陷。這是由權(quán)利要求1所限定的器件和權(quán)利要求29所限定的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED包括基片和從該基片突出的直立式納米線。提供有源區(qū)以產(chǎn)生光的pn結(jié)在使用期間存在于該結(jié)構(gòu)內(nèi)。納米線、部分納米線或與納米線結(jié)合的結(jié)構(gòu)形成波導(dǎo)，以將在有源區(qū)中產(chǎn)生的光的至少一部分定向到由納米線給定的方向。
納米結(jié)構(gòu)化LED還可以包括外延地連接到納米線的體積元件(volume element)。體積元件提供高摻雜度以一般在納米線內(nèi)或靠近納米線形成有源區(qū)而無(wú)需對(duì)納米線本身進(jìn)行摻雜。
能夠以不同的方式來(lái)改進(jìn)波導(dǎo)的導(dǎo)波特性。波導(dǎo)具有第 一有效折射率nw，而圍繞至少一部分波導(dǎo)的材料具有第二有效折射率nc，并且通過(guò)保證該第一有效折射率大于該第二有效折射率nw>nc，給波導(dǎo)提供良好的導(dǎo)波特性?？梢酝ㄟ^(guò)將光學(xué)活性(optically active)包層引到波導(dǎo)上來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)波特性。
由于本發(fā)明，可以利用所產(chǎn)生的光的很大一部分并且由此能夠提供高效的LED。這至少部分是通過(guò)將納米線用作波導(dǎo)、將所產(chǎn)生的光導(dǎo)出表面而實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED非常適合于批量生產(chǎn)，并且所描述的方法可升級(jí)到工業(yè)使用。
納米線作為波導(dǎo)的使用為將光定向明確限定的方向提供了可能性。通過(guò)使用來(lái)自光纖光學(xué)領(lǐng)域的概念，光束能夠根據(jù)預(yù)計(jì)使用而被聚焦或分散。
納米線技術(shù)在選擇在常規(guī)體層技術(shù)中不可能的材料和材料組合方
6面提供了可能性。這在根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED中被使用，來(lái)提 供產(chǎn)生在常規(guī)技術(shù)不能獲得的波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)(例如紫色和UV)的光的LED。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)允許在納米線內(nèi)包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及不同摻雜的 區(qū)，以便于優(yōu)化電學(xué)和/光學(xué)特性。
本發(fā)明的實(shí)施例被限定于從屬權(quán)利要求中。通過(guò)以下詳細(xì)描述本發(fā) 明并結(jié)合附圖和權(quán)利要求加以考慮，本發(fā)明的其它目標(biāo)、優(yōu)點(diǎn)和新穎特 征將顯而易見(jiàn)。


現(xiàn)在將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中
圖1a-b示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施
例；
圖2示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的納米線的 波導(dǎo)特性；
圖3a-b示意性圖解說(shuō)明了與根椐本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED結(jié)合使 用反射層；
圖4示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施例； 圖5示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施例； 圖6示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施例； 圖7示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施例； 圖8示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施例； 圖9示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施例； 圖10示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化LED的組
件；
圖11示意性圖解說(shuō)明了結(jié)合反射平面的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化LED的組
件；
圖12示意性圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明包括在平面發(fā)光結(jié)構(gòu)上的納米 線的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)施例；
圖13圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的方法中的基本制作步驟。 圖14示意性圖解說(shuō)明了 LED納米結(jié)構(gòu)；
圖15a是根椐圖14的納米結(jié)構(gòu)LED的SEM圖像，圖15b是有源 LED納米結(jié)構(gòu)的圖像；圖16是在第一 MOVPE步驟之后本發(fā)明的納米線結(jié)構(gòu)的SEM圖
像；
圖17a-c是根據(jù)圖14和圖16的納米線和LED納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā) 光圖18示出a)生長(zhǎng)在GaP和Si上的GaAs LED的電致發(fā)光的功 率相關(guān)性，b) 80 mA下基于GaP和基于Si的LED納米結(jié)構(gòu)的EL光
譜；
圖19a-b示出了用3.0 sccm的NH3流速所生長(zhǎng)的樣品的SEM圖
像；
圖20a-b示出了用1.0 sccm的NH3流速所生長(zhǎng)的樣品的SEM圖
像；
圖21a-b示出了用0.5 sccm的NH3流速所生長(zhǎng)的樣品的SEM圖 像；以及
圖22示出了用0.2 sccm的NH3流速所生長(zhǎng)的樣品的SEM圖像。
具體實(shí)施例方式
根椐本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化發(fā)光二極管包括直立式納米線。在US 2003010244中描述了用于在半導(dǎo)體基片上生長(zhǎng)納米線的適當(dāng)方法。在 US 20040075464中可找到給外延生長(zhǎng)的納米線提供異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。
對(duì)本申請(qǐng)來(lái)說(shuō)，直立式納米線應(yīng)當(dāng)被解釋為從基片以某一角度突出 的納米線，該直立式納米線例如是從基片外延生長(zhǎng)的。與基片的角度一 般將是基片和納米線的材料、基片的表面以及生長(zhǎng)條件的結(jié)果。通過(guò)控 制這些參數(shù)，可以制作僅指向一個(gè)方向(例如垂直)或者指向有限的一 組方向的納米線。例如，閃鋅礦和金剛石半導(dǎo)體的納米線和基片由來(lái)自 周期表的笫III、 V和IV列的元素組成，這些納米線能夠在[111j方向上 生長(zhǎng)并且然后在任何{111}基片表面的法向方向生長(zhǎng)。被表示為表面法向 和納米線的軸向之間的角度的其它方向包括70.53° {111}、 54.73° {100}、以及均對(duì)于{110}的35.27。和90° 。因而這些納米線限定一個(gè) 方向或有限的一組方向。
根據(jù)本發(fā)明，納米結(jié)構(gòu)化LED的納米線、納米線的一部分或由納 米線形成的結(jié)構(gòu)被用作波導(dǎo)以將由納米結(jié)構(gòu)化LED所產(chǎn)生的光的至少 一部分定向由直立式納米線所給定的方向。理想的導(dǎo)波納米線LED結(jié)
8構(gòu)包括高折射率芯層與具有比芯層折射率低的折射率的一個(gè)或多個(gè)圍 繞包層。該結(jié)構(gòu)是圓對(duì)稱的或近似圓對(duì)稱的。圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的光發(fā)生導(dǎo) 波對(duì)于光纖應(yīng)用而言是眾所周知的并且與稀土摻雜光纖放大器和激光
器的領(lǐng)域能夠形成很多相似之處(parallel)。然而， 一個(gè)區(qū)別在于光纖 放大器是光泵浦的而所描述的納米線LED結(jié)構(gòu)可以被視為電泵浦的。 一個(gè)熟知的品質(zhì)因數(shù)是所謂的數(shù)值孔徑，NA-. NA=V ^，其中m 和ri2分別是芯層和包層的折射率。NA確定波導(dǎo)所捕獲的光的角度。對(duì) 于在波導(dǎo)的芯層內(nèi)生成的光，捕獲角cp可以按m . cos((p)-n2來(lái)確定。 NA和被捕獲光的角度是優(yōu)化新LED結(jié)構(gòu)時(shí)的重要參數(shù)。
川-V半導(dǎo)體芯層材料的折射率的典型值在從2.5到3.5的范圍內(nèi)。 當(dāng)與諸如具有從1.4到2.0范圍的折射率的Si02或SiN之類的玻璃類型 的包層材料組合時(shí)，捕獲角可以高達(dá)65度。65度的捕獲角使得高達(dá)75 %的生成光能夠(在兩個(gè)方向上均)被該結(jié)構(gòu)捕獲并引導(dǎo)。
在優(yōu)化光提取時(shí)的一個(gè)考慮因數(shù)是使得NA沿納米線結(jié)構(gòu)變化以優(yōu) 化從該結(jié)構(gòu)的光提取。 一般而言，理想的是當(dāng)光生成在最遠(yuǎn)離出口位置 發(fā)生時(shí)讓NA最高。這會(huì)使所捕獲且引導(dǎo)朝向出口的光最大化。相比而 言，越靠近結(jié)構(gòu)的出口端，可以使NA越小，原因在于所生成的光會(huì)以 隨機(jī)的方向輻射并且大多數(shù)輻射光會(huì)打到該結(jié)構(gòu)的頂部部分的頂部和 側(cè)面并射出。在結(jié)構(gòu)的頂部部分中具有較低的NA還會(huì)使光捕獲并向下 引導(dǎo)回通過(guò)該結(jié)構(gòu)最小化，向下引導(dǎo)回通過(guò)該結(jié)構(gòu)是不理想的除非在該 結(jié)構(gòu)的底部上插入反射器?？梢酝ㄟ^(guò)用另一具有略低折射率的不同組分 的川-V包層來(lái)包圍川-V納米線芯層，獲得低的NA。
根椐本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED 100被示例性圖解說(shuō)明于圖1中并 且包括基片105和從基片以限定角e外延生長(zhǎng)的納米線110。納米線的 一部分被體積元件115圍繞。該體積元件115優(yōu)選地外延連接到納米線 110。納米線110的一部分被布置成作為將產(chǎn)生的光的至少一部分定向 由納米線的伸展方向所給出的大致方向的導(dǎo)波部分，并且將被稱為波導(dǎo) 116。對(duì)二極管功能所必要的pn結(jié)由納米線110和體積元件115的組 合來(lái)形成。體積元件提供高的摻雜度，因此pn結(jié)可以在不直接摻雜納 米線110的情況下或者至少不用改變納米線110的直接摻雜的情況下形 成。這是有利的，原因在于對(duì)1D結(jié)構(gòu)的摻雜可能在技術(shù)上是有挑戰(zhàn)性 的并且大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)施成本很高。體積元件115的功能以及納米線110和體積元件115之間的相互作用將在下面進(jìn)行進(jìn)一步的討論。接觸125 被提供在體積元件115上(例如在頂部)或者以繞接(wrapping)配置 ^皮提供在圓周外表面上(所描繪的)?；?05和部分直立式結(jié)構(gòu)可以 被覆蓋層107所覆蓋，例如像所示出的薄膜或者像填充包圍納米結(jié)構(gòu)化 LED的空間的材料。
納米線110典型地具有大約為50 nm到500 nm的直徑，而體積元 件的直徑大約為500 nm到1000 nm，即對(duì)于圍繞納米線的這部分體積 元件而言厚度約為200 nm。納米線的波導(dǎo)部分116的長(zhǎng)度典型地且優(yōu) 選地約為1到化pm。體積元件的長(zhǎng)度典型地且優(yōu)選地約為1到5 nm。 體積元件的尺寸應(yīng)當(dāng)使得關(guān)于例如摻雜接收性的特性是一般與體材料 相關(guān)聯(lián)并且根據(jù)體材料而被預(yù)料到的那些。例如厚度大于150 nm的 InGa:Si的體積元件已表明顯現(xiàn)可接受的摻雜接收性。這些尺寸無(wú)論是 實(shí)際數(shù)量(number)還是各部分彼此相對(duì)的數(shù)量都能夠被改變以便優(yōu)化 特定的條件并且適應(yīng)不同的材料組合。
pn結(jié)產(chǎn)生布置在納米線中或者在納米線附近的有源區(qū)120，在其中 產(chǎn)生的光。應(yīng)當(dāng)注意，圖1a中的有源區(qū)120的位置是非限制性示例。 圖2圖解說(shuō)明了波導(dǎo)部分116的波導(dǎo)特性。納米結(jié)構(gòu)化LED的不同構(gòu)
即納米線110中的材;;的4斤^t率應(yīng)當(dāng)大于包圍材料的折射率。如果納米 線110具有第 一折射率nw，則包圍波導(dǎo)部分116中的納米線的材料(典 型地為覆蓋層107 )具有第二折射率iv而體積元件具有第三折射率nvE, nw>ncinw>nVE。納米結(jié)構(gòu)化LED的典型值為nw 3， ric"1.5以及nvE 3。
納米線110可以被提供一個(gè)或多個(gè)包層。可以引入第一包層112 以改善納米線的表面特性，例如如果利用GaAs納米線則已表明通過(guò)添 加GalnP的包層112改善了所迷特性?？梢詫ｉT(mén)引入另外的包層例如 光學(xué)包層113來(lái)改善納米線110的導(dǎo)波特性，其方式與光纖光學(xué)領(lǐng)域中 已完善建立的方式類似。光學(xué)包層113典型地具有在納米線和包圍材料 的折射率之間的折射率。可選地，包層113具有漸變折射率，已表明這 在特定情況下改善光傳輸。如果利用光學(xué)包層113，則納米線的折射率 nw應(yīng)當(dāng)就納米線和包層兩者定義有效折射率。
如上面引用文獻(xiàn)中所描述的并且在下面例證的，可生長(zhǎng)精確直徑的納米線的能力在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中被用來(lái)就納米結(jié)構(gòu)化LED 100 所產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)而言優(yōu)化納米線110或至少波導(dǎo)116的導(dǎo)波特性。如 眾所周知的，作為L(zhǎng)ED光產(chǎn)生的基礎(chǔ)的復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生在窄波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的 光，這取決于材料特性。在實(shí)施例中，納米線110的直徑經(jīng)選擇以便具 有與所產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)的良好對(duì)應(yīng)。優(yōu)選地，納米線110的尺寸是使得 沿納米線提供針對(duì)所產(chǎn)生的光的特定波長(zhǎng)所優(yōu)化的均勻光學(xué)腔。芯層納 米線必須足夠?qū)捯圆东@光。按經(jīng)驗(yàn)估計(jì)直徑必須大于人/2nw，其中人是所 產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)而nw是納米線110的折射率。
對(duì)于被布置成產(chǎn)生可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)的光的納米結(jié)構(gòu)化LED，納米線的波 導(dǎo)的直徑應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地大于80 nm以便納米線成為有效的波導(dǎo)。在紅外和 近紅外中，大于110 nm的直徑就足矣。納米線直徑的大約優(yōu)選上限由 生長(zhǎng)約束給定并且大約為500 nm。納米線110的長(zhǎng)度典型地且優(yōu)選地 約為1-10 iim，以為有源區(qū)120提供足夠的體積并且同時(shí)不會(huì)有不必要 長(zhǎng)度而造成內(nèi)部吸收。
圖1b圖解說(shuō)明了本發(fā)明的一實(shí)施例，其中體積元件115包括殼狀 結(jié)構(gòu)的多層117、 118。所述多層可以包括摻雜層117和阱層118,該 摻雜層117提供p區(qū)或n區(qū)，該阱層118將包括工作時(shí)的有源區(qū)120。 可選地，該阱能夠由多個(gè)子層制作。因此，在這個(gè)實(shí)施例中有源區(qū)120 在徑向上將主要是在納米線110之外。根椐這個(gè)實(shí)施例，波導(dǎo)116可以 由殼狀結(jié)構(gòu)的層117和118以及可選的其它一個(gè)或多個(gè)包層119形成， 所述包層119具有增強(qiáng)如上所討論的導(dǎo)波的特性。納米線110可以典型 地為波導(dǎo)116的一部分。可選地，導(dǎo)波被盡可能地限制到殼狀結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的以下不同實(shí)施例中，主要示出了具有參照?qǐng)D1a所描述 的設(shè)計(jì)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白的，對(duì)于具有參照?qǐng)D化所描迷的 殼狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這些不同實(shí)施例應(yīng)當(dāng)只有很小的相關(guān)調(diào)節(jié)。
在一個(gè)實(shí)施例中有反射層108，在圖3a-3b中示出為被提供在基片 105上(圖3a)，或者可選地在覆蓋層107上(圖3b)，如果利用覆 蓋層107的話。反射層的目的是對(duì)從納米結(jié)構(gòu)化LED以向下方向發(fā)射 的光進(jìn)行反射。優(yōu)選地以多層結(jié)構(gòu)的形式或者像金屬膜來(lái)提供反射層 108，該多層結(jié)構(gòu)例如包括AIGaS/GaAs或GaN/AIGaN的反射層。
根據(jù)圖4所示的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，反射層108被布置成在部分波 導(dǎo)116或者納米線/波導(dǎo)/包層組合之下繼續(xù)，因此形成鄰近基片的莖
ii(stem) 113,莖113比上面的納米線/包層具有更小的直徑。下面將描 述這種制作方法。如果莖113的直徑足夠小于光的波長(zhǎng)，則大部分的定 向光模會(huì)延伸到波導(dǎo)之外，以使得包圍波導(dǎo)的狹窄部分的反射層108能 夠高效地反射。反射層108可以垂直于納米結(jié)構(gòu)化LED或者可選地被 設(shè)計(jì)成使得打到反射層108上的光中的大量光會(huì)被以向上方向反射。通 過(guò)以具有除90。之外的另一角度的配置來(lái)制造該層和波導(dǎo)，能夠把光定 向到與波導(dǎo)不同的方向上。這樣的一種特定情況是當(dāng)以與基片成不同于 90°的角度生長(zhǎng)納米線的時(shí)侯。如果波導(dǎo)116或者納米線+包層具有第 一有效折射率nw并且反射層具有第二有效折射率ns且nw>nc，則納米 線和反射層之間的角度可以被選擇為獲得全內(nèi)反射。
用于在波導(dǎo)116的下端獲得反射的可選方案是將反射層109布置在 納米線下面的基片中，如圖5所示。反射層可以例如是如上的多層結(jié)構(gòu)， 這在本領(lǐng)域中制作高反射表面是已知的。另一可選方案是在波導(dǎo)116內(nèi) 引入反射裝置111,如圖6所示。這種反射裝置可以是在納米線的生長(zhǎng) 過(guò)程期間提供的多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括例如SiNx/SiOx (介質(zhì)) 或GaAs/AIGaAs (半導(dǎo)體)的重復(fù)層。如果納米結(jié)構(gòu)化LED主要從納 米線的頂部發(fā)射光，則該反射裝置優(yōu)選地位于有源區(qū)之下，例如靠近基 片，如所描繪的?？蛇x地如果使用倒裝配置并且光主要來(lái)自波導(dǎo)116的 下端，則反射裝置111應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地放置在有源區(qū)之上。
在圖7所示的進(jìn)一步實(shí)施例中，所產(chǎn)生的光的主要部分通過(guò)納米線 110的波導(dǎo)116或波導(dǎo)116以向下方向定向通過(guò)基片105。光能夠被定 向通過(guò)整個(gè)基片厚度，或者可選地基片被提供有在納米線110基底下面 的開(kāi)孔130以便減小基片的厚度從而減小光在基片中的散射或吸收?；?片優(yōu)選地由透明材料制成?？蛇x地，納米結(jié)構(gòu)化LED能夠從基片被去 除。在這種情況下，納米線能夠在其下端由繞接接觸相接觸。體積元件 115的外表面的一部分或者優(yōu)選全部可以由反射層135覆蓋，這就提高 所產(chǎn)生的光經(jīng)波導(dǎo)116的輻射。例如由金屬形成的反射層可以另外用作 接觸。基片和納米線110的一部分可選地由Si02的保護(hù)層覆蓋。
在圖8所示的實(shí)施例中，體積元件815被布置為分散性單元，以給 出在大角度上基本均勻分布的光輻射。這種器件非常適合用于其中要求 均勻照射的照明目的。有源區(qū)120可以被布置在納米線中但可選地在體 積元件內(nèi)，并且位于納米線110的上端(如所描繪的)，或者徑向上在
12納米線之外并且可能在其之上。納米線110在其下端應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地被提供
有一些上面描述的反射裝置，例如在納米線內(nèi)的反射裝置111,以便將 光向上重新定向。體積元件的幾何形狀能夠被設(shè)計(jì)成進(jìn)一步分散光。在
納米線110波導(dǎo)和該體積之間的結(jié)處以及另外在由體積元件115的上邊 界形成的邊緣處提供分散。體積元件的高度和寬度經(jīng)選擇以使得該邊緣 進(jìn)一步分布分散的光的角度。
納米線LED的導(dǎo)波特性還提供聚集的定向束，其能夠被整形并且 定向性地被引導(dǎo)以提供期望的輻射圖樣。這能夠通過(guò)將出口界面整形為 透鏡狀形式和使用先前描述的可變NA方法的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 一般而言， 如果期望較寬的輻射圖樣，則應(yīng)當(dāng)將靠近出口的NA漸變地或在距出口 表面的某段距離處突變地更改為更小值。如果期望的是具有窄輻射圖 樣，則這可以通過(guò)具有聚焦凹透鏡狀的出口表面或/和使靠近出口的納米 線LED的頂部部分處的NA維持盡可能得高來(lái)實(shí)現(xiàn)。芯層納米線的直徑 還在整形輻射圖樣方面起重要作用。 一般而言，直徑越小，輻射圖樣越 寬，而大直徑芯層納米線將要求更受限制的、定向的輻射圖樣。這種-也許跟直覺(jué)相反的-效應(yīng)在光學(xué)工程中是眾所周知的，因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)輻射圖 樣實(shí)際上是近場(chǎng)的傅立葉(Fourier)變換。如眾所周知的，短或窄事件 的傅立葉變換產(chǎn)生傅立葉域中長(zhǎng)或?qū)捠录?一個(gè)極端的示例是S (delta) 函數(shù)，5函數(shù)的傅立葉變換是無(wú)限寬且密度恒定。與光輻射的相似之處 在于點(diǎn)光源(近場(chǎng)中的5函數(shù))在所有方向上(在遠(yuǎn)場(chǎng)中"無(wú)限"寬輻 射)以恒定密度進(jìn)行輻射。圖9示例性圖解說(shuō)明的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例是 針對(duì)提供聚集的、定向的光束而優(yōu)化的。相對(duì)大直徑(優(yōu)選大于150 nm ) 的納米線110延伸到體積元件115的上表面。在上端給納米線110提 供凹透鏡狀的出口表面112。
先前描繪的圓柱形體積元件115可用談到的生長(zhǎng)納米線的方法來(lái) 獲得，該圓柱形體積元件115應(yīng)當(dāng)視為示例性形狀。其它似乎合理的幾 何形狀包括但不限于帶有官形頂?shù)膱A柱形球狀物、球形/橢圓形以及金字 塔形。
在典型的實(shí)施方式中，在一個(gè)器件中提供很多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化LED。 圖10圖解說(shuō)明了這種器件的一部分。多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化LED 100已外延 生長(zhǎng)在摻Zn的GaP基片105上。LED的納米線110為本征GaAs并 且被提供帶有未摻雜InGaP的同心層。體積元件115包括摻Si的InGaP。納米線的下部分和基片被Si02層150覆蓋。底面接觸155被 提供在基片上以連接多個(gè)LED，并且每個(gè)單獨(dú)的LED均在體積元件115 上被提供有環(huán)繞接觸125。環(huán)繞接觸125被連接用于逐組地尋址LED。
在一個(gè)實(shí)施例中，如上所討論的，利用納米線以有限的一組優(yōu)選方 向生長(zhǎng)的這一固有特性。多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化LED 1110被提供在基片 1105，如圖11所示。所有LED具有相同方向或者具有有限的一組方向 中的一個(gè)方向。優(yōu)選地，LED被布置成產(chǎn)生明顯定向的光束。鄰近這組 LED以與基片成一角度提供反射裝置1250,該角度對(duì)應(yīng)于LED的方向 以便從LED發(fā)射的光被反射裝置1160以期望的方向反射。光的路徑示 意性地用虛箭頭來(lái)表示。如果LED具有多個(gè)方向，例如對(duì)應(yīng)于四個(gè)l1111 方向，則可以提供相應(yīng)的多個(gè)反射裝置，以優(yōu)選地將所有光定向到相同 方向，例如垂直于基片。
作為波導(dǎo)的納米線能夠被用來(lái)改善常規(guī)平面LED的性能。在圖12 所描繪的實(shí)施例中，多個(gè)納米線1210被布置在平面LED的表面上。在 平面LED (例如GaAsP)的有源層1260中產(chǎn)生光。納米線1210外延 地連接到平面LED層的頂部上以便獲得不同部分的良好匹配。納米線 1210可以被涂布用于保護(hù)納米線和/或改善特性的包層1212，例如 Si3N4。納米線1210之間的表面優(yōu)選地用例如Au的反射層1208來(lái)涂 布。在有源區(qū)1220中產(chǎn)生的光的至少一部分將進(jìn)入作為波導(dǎo)的納米線 1210,以將光導(dǎo)出基片平面。通過(guò)如上面所描述的相同機(jī)構(gòu)，納米線能 夠被布置成將光聚焦在一個(gè)或多個(gè)明確限定的方向上。
為了形成光產(chǎn)生所必要的pn結(jié)，至少部分納米結(jié)構(gòu)需要被摻雜。 如上面所指出的，部分地提供體積元件以解決與納米元件的摻雜相關(guān)聯(lián) 的 一般難題以及促進(jìn)良好的電接觸特性。重要的是降低接入電阻以便提 高器件效率。從這個(gè)角度看，納米線就其本身而言不是最優(yōu)的，因?yàn)榧?xì) 長(zhǎng)性質(zhì)和納米線橫截面的低面積將增加器件電阻。用于制作低電阻接觸 (這是一個(gè)因由納米線幾何形狀給定的固有低接觸表面而復(fù)雜化的任 務(wù))的主要手段是對(duì)接觸的半導(dǎo)體側(cè)進(jìn)行高摻雜和低帶隙調(diào)節(jié)，但如上 所提及的，納米元件的摻雜因若干因素而富有挑戰(zhàn)性。然而，納米線器 件的某些其它部分不需要高摻雜，或者它們的摻雜水平不大重要并且能 夠與其它設(shè)計(jì)參數(shù)相權(quán)衡。還有一些器件中，關(guān)鍵部分的摻雜將降低器 件性能。這種不利生產(chǎn)的摻雜效應(yīng)的示例是光學(xué)區(qū)中的非發(fā)射雜質(zhì)級(jí)或場(chǎng)效應(yīng)溝道中降低遷移率的雜質(zhì)散射。
根據(jù)本發(fā)明的體積元件115在三個(gè)尺度上中延展、具有大體積和大 表面，由此可以避免對(duì)納米元件的挑戰(zhàn)性摻雜工藝，使該處理簡(jiǎn)化且更 加可靠，由于摻雜以及增加的接觸表面兩者均可以降低接入電阻，可以 充分利用將納米線用作有源組件這一優(yōu)點(diǎn)。
體積元件/納米線架構(gòu)增強(qiáng)了 LED的電學(xué)和光學(xué)性能。體積元件115 充當(dāng)載流子庫(kù)，使能從具有明確定義的(well defined)摻雜的區(qū)域到納 米線內(nèi)的高載流子注入，在所迷具有明確定義的摻雜的區(qū)域處能夠制作 低電阻接觸，優(yōu)選地采用環(huán)繞配置以便提高接觸面積并且最小化納米線 和接觸之間的距離。低內(nèi)部電阻和增加的栽流子量已經(jīng)保證了在低正向 電壓下多數(shù)載流子到納米線內(nèi)的高注入。載流子到納米線110內(nèi)的高注 入將高濃度的電子空穴對(duì)引入到納米線內(nèi)從而增加發(fā)光復(fù)合。與延伸到 對(duì)光加以定向的波導(dǎo)內(nèi)的有源區(qū)結(jié)合，高濃度的電子空穴對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)受 激發(fā)射，進(jìn)一步提高器件的輸出。
通過(guò)在納米線110和體積元件115中使用不同的材料組分，納米線 材料組分能夠經(jīng)選擇以傳到體積元件115內(nèi)以便降低因與納米線連接 的光學(xué)擾動(dòng)。在發(fā)射光的方向上延伸納米線的長(zhǎng)度將提高再吸收。為了 降低再吸收，在發(fā)射的光的方向上調(diào)節(jié)納米線的組分以便與發(fā)射的光的 能量相比增大帶隙。
一種制作納米結(jié)構(gòu)化LED的方法是首先根據(jù)上面提及的過(guò)程來(lái)生 長(zhǎng)納米線。然后對(duì)部分納米線進(jìn)行掩模并且選擇性地再生長(zhǎng)體積元件。 該方法示于圖13中。體積元件軸向并徑向地生長(zhǎng)，因此當(dāng)納米線被部 分掩模時(shí)，納米線變成包圍在體積元件中。適當(dāng)?shù)难谀２牧侠缡堑?硅、氧化硅等。
考慮到納米線生長(zhǎng)因諸如VLS生長(zhǎng)的納米線之類的物質(zhì)而局部增 強(qiáng)的系統(tǒng)，可通過(guò)更改生長(zhǎng)條件而在徑向生長(zhǎng)和軸向生長(zhǎng)之間更改的能 力使得能夠重復(fù)該工藝(納米線生長(zhǎng)、掩模形成以及后續(xù)的選擇性生長(zhǎng)) 以形成更高階的納米線/3D序列。對(duì)于納米線生長(zhǎng)和選擇性生長(zhǎng)不是通 過(guò)單獨(dú)的生長(zhǎng)條件進(jìn)行區(qū)分的系統(tǒng)，可能更好的是首先沿長(zhǎng)度生長(zhǎng)納米 線并且通過(guò)不同的選擇性生長(zhǎng)步驟來(lái)生長(zhǎng)不同類型的3D區(qū)或體積元 件。
圖13圖解說(shuō)明了 一種根據(jù)本發(fā)明的制作方法以便制作發(fā)光pn二極
15管/陣列，其中(一個(gè)或多個(gè))有源納米線區(qū)由GaAs和InGaP形成， 該方法包括以下步驟
1、 通過(guò)光刻在p+ GaP基片1305上限定一個(gè)或多個(gè)局部催化劑 (catalyst)。
2、 從局部催化劑1331生長(zhǎng)GaAs納米線1310。生長(zhǎng)參數(shù)針對(duì)催 化線生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3、 在納米線周?chē)鷱较蛏L(zhǎng)薄InGaP同心層1312 (包層)。
4、 沉積Si02作為掩模材料1332，
5、 回蝕刻掩模1332以露出納米線的上部分
6、 選擇性生長(zhǎng)11+ InGaP體積元件1315。調(diào)節(jié)生長(zhǎng)參數(shù)以給出徑 向生長(zhǎng)。
7、 (未示出)在體積元件上形成接觸1325并形成到基片上。 能夠以已知的方式改變生長(zhǎng)過(guò)程以例如在納米線中包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)、
提供反射層等等。在一些實(shí)施中所利用的莖113通過(guò)以下步驟來(lái)提供 首先生長(zhǎng)薄納米線(步驟2)，沉積反射層或選擇性生長(zhǎng)掩模以覆蓋下 部分，以及徑向生長(zhǎng)包層或納米線以增加納米線厚度。
根據(jù)納米結(jié)構(gòu)化LED的預(yù)計(jì)使用、適當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程的可用性、材料 成本等等，能夠針對(duì)結(jié)構(gòu)的不同部分而使用各種各樣的材料。另外，基 于納米線的技術(shù)允許無(wú)缺陷地組合在其它情況下不可能組合的材料。 m-v半導(dǎo)體由于其容易實(shí)現(xiàn)高速低功率的電子器件的特性而尤其備受 關(guān)注?；倪m當(dāng)材料包括但不限于Si、 GaAs、 GaP:Zn、 GaAs、 InAs、 InP、 GaN、 Al203、 SiC、 Ge、 GaSb、 ZnO、 InSb、 SOI (絕緣體上硅)、 CdS、 ZnSe、 CdTe。納米線110和體積元件115的適當(dāng)材料包括但不 P艮于GaAs (p) 、 InAs、 Ge、 ZnO、 InN、 GalnN、 GaN、 AIGalnN、 BN、 InP、 InAsP、 GalnP、 InGaP:Si、 InGaP:Zn、 GalnAS、 AllnP、 GaAllnP、 GaAllnAsP、 GalnSb、 InSb、 Si。例如GaP的可能施主摻雜 劑是Si、 Sn、 Te、 Se、 S等等，而對(duì)相同材料的受主摻雜劑是Zn、 Fe、 Mg、 Be、 Cd等等。應(yīng)當(dāng)注意，納米線技術(shù)使得可以使用諸如GaN、 InN 和AIN之類的氮化物，這就便于制作發(fā)射處于常規(guī)技術(shù)不容易獲得的波 長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的光的LED。商業(yè)上特別關(guān)心的其它組合包括但不限于GaAs、 GalnP、 GaAllnP、 GaP系統(tǒng)。典型的摻雜水平從1018變化到102Q。本 領(lǐng)域技術(shù)人員盡管熟悉這些及其他材料但要意識(shí)到其它材料和材料組合也是可能的。
低電阻率接觸材料的適當(dāng)性取決于待沉積的材料，但能夠使用金
屬、金屬合金以及非金屬化合物如Al、 Al-Si、 TiSi2、 TiN、 W、 MoSi2、 PtSi 、 CoSi2 、 WSi2 、 In 、 AuGa 、 AuSb 、 AuGe 、 PdGe 、 Ti/Pt/Au 、 Ti/AI/Ti/Au 、 Pd/Au、 ITO (InSnO)等以及例如金屬與ITO的組合。
根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED的實(shí)現(xiàn)示例將被表示為在GaP和Si 基片上外延生長(zhǎng)的GaAs納米線。在這兩種基片上已確立了 LED功能 性。就溫度相關(guān)的光致發(fā)光、電致發(fā)光和輻射圖樣方面進(jìn)行評(píng)價(jià)這些結(jié) 構(gòu)。
根椐實(shí)現(xiàn)的LED器件包括生長(zhǎng)并集成在Si上的川-V發(fā)光納米線二 極管的陣列。每個(gè)器件被圍繞直接生長(zhǎng)在GaP或Si上的GaAs納米線 芯層構(gòu)造。每個(gè)二極管的一部分作為這些單獨(dú)的納米大小的p-i-n發(fā)光
結(jié)構(gòu)中的有源區(qū)。
圖14所示的LED器件1401包括p-i-n二極管結(jié)構(gòu)1400。基片1405 是器件的構(gòu)成整體所必需的部分，因?yàn)槠淦鹌胀╬層的功能。每個(gè)納米 結(jié)構(gòu)化LED 1400結(jié)構(gòu)包括納米線1410、圍繞至少部分納米線的包層 1430、蓋帽或球狀物1415以及頂接觸。p摻雜、n摻雜和本征半導(dǎo)體 材料的順序?qū)⑷Q于基片材料。在GaP上該結(jié)構(gòu)是p-GaP (基片) 1405、i-GaP 1411/i-GaAs(納米線)1410、 i-lnGaP(包層)1430、 n-lnGaP (球狀物)1415。在Si上該結(jié)構(gòu)是p-Si (基片)1405、 i-GaP/i-GaAs (納米線)1410、 i-lnGaP (包層)1430/n-lnGaP (球狀物)1415 在 這兩個(gè)器件中，納米線基底中的i-GaP 1411(納米線)層大約均為60 nm 厚并且起雙重用途用于提高生長(zhǎng)質(zhì)量的成核段、和電子阻擋層。
下面概括該制作過(guò)程。使用THMa金屬有機(jī)源和TMIn以及作為反 應(yīng)前導(dǎo)氣體的AsH3、 PHs和Si2H6。采用兩個(gè)生長(zhǎng)步驟。首先，通過(guò)使 用隨機(jī)沉積的直徑大小60 nm的Au懸浮微粒(粒子密度以1/|nm"+ ) 的粒子輔助生長(zhǎng)，在p型GaP (111) B (p = ~1018cm-3)和Si (111) (p 1015cirr3)基片上生長(zhǎng)2 )Lim長(zhǎng)的GaAs/GaP納米線。用名義上晶 格與GaAs匹配的40 nm厚的徑向InGaP包層來(lái)包圍這些納米線。在 這個(gè)步驟之后，取出樣品進(jìn)行光致發(fā)光表征或者隨后制作納米LED。 80 nm厚的SiO2沉積到被排齊用于LED制作的樣品上。將Si02回蝕刻以 僅覆蓋基片表面并且高達(dá)納米線側(cè)壁的大約1pm。然后將樣品重新裝載
17生長(zhǎng)徑向的Si摻雜InGaP層。LED完全被150-300 nm厚、200 x 200pm2 的方形Ni/Ge/Au接觸覆蓋，每個(gè)接觸覆蓋大約40000個(gè)獨(dú)立納米結(jié)構(gòu) 化LED。 P接觸用導(dǎo)電Ag膠制作在基片的背面上。其它的接觸手段例 如使用透明接觸在本領(lǐng)域內(nèi)是已知的并且容易用于本方法和器件。圖 15a示出了該結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
Si和GaP器件之間的一個(gè)重要區(qū)別是在納米線基底中異質(zhì)結(jié)構(gòu)順 序，在GaP上基片是p-GaP (基片)/i-GaP (納米線)/i-GaAs (納米 線)，而在Si上基片是p-Si (基片)/i-GaP (納米線)/i-GaAs (納米 線)，并且空穴注入條件和內(nèi)部電阻兩者都應(yīng)當(dāng)預(yù)期在這兩種結(jié)構(gòu)之間 是明顯不同的。
圖16描繪了在第一 MOVPE步驟之后的納米線結(jié)構(gòu)。所描繪的 GaAs納米線帶有薄InGaP包層、在納米線基底處的GaP成核段、以 及仍附著到頂部的基于Au的種子粒子。這種結(jié)構(gòu)還被轉(zhuǎn)移到中性基片 進(jìn)行PL表征。如圖16所示，在GaP和Si基片兩者上成品率均基本為 100%。在Si上制作納米結(jié)構(gòu)化LED被精制到如下程度納米線一致 地對(duì)準(zhǔn)與基片垂直的(111)方向并且基本沒(méi)有納米線生長(zhǎng)在也從基片 延伸出來(lái)的三個(gè)傾斜(111)方向上。這與在Si (111)上的lll-V納米 線生長(zhǎng)的現(xiàn)有技術(shù)方法形成對(duì)比。如圖16所見(jiàn)，在Si基片上以預(yù)定陣 列結(jié)構(gòu)整齊對(duì)準(zhǔn)地生長(zhǎng)lll-V納米線是成功大規(guī)模制作光學(xué)器件以及大 多數(shù)其它應(yīng)用的先決條件。
LED功能可以由光致發(fā)光(PL)測(cè)量來(lái)指示。這里介紹的測(cè)量是 在室溫下和在10 K的溫度下實(shí)施的。該結(jié)果示于圖17a-c的曲線圖和 圖15b中。以473 nm發(fā)射的激光器被用作激發(fā)源。PL由光學(xué)顯微鏡收 集，經(jīng)過(guò)分光計(jì)發(fā)散并且由液氮冷卻的CCD相機(jī)檢測(cè)。
為了在無(wú)基片影響的情況下研究來(lái)自納米線的PL,納米線被折斷 并且被從它們所生長(zhǎng)的基片中轉(zhuǎn)移，然后沉積到圖案化的Au表面上。 以此方式，納米線還可以被單獨(dú)地研究。如圖17a所示的PL光譜是在 10 k下從原生的(as-grown)納米線中獲取的，該P(yáng)L光語(yǔ)對(duì)于從Si 基片(Si)生長(zhǎng)的納米線和從GaP基片(GaP)生長(zhǎng)的納米線而言是類 似的。虛線是來(lái)自仍立于基片上的(大量)納米線的光譜。來(lái)自單獨(dú)的 納米線的光謙與從GaP基片生長(zhǎng)的納米線相比表現(xiàn)出較大的不同，后者更加結(jié)構(gòu)化。從Si生長(zhǎng)的納米線的平均PL強(qiáng)度大約是從GaP生長(zhǎng) 的相應(yīng)納米線的1/20。這與就Si-LED所見(jiàn)到的電致發(fā)光是就GaP-LED 所見(jiàn)到的電致發(fā)光的1/30-1/10相當(dāng)吻合。在室溫下，光語(yǔ)較寬且無(wú)特 征并且這兩個(gè)樣品的納米線之間的光譜差別很小。
GaP上和Si上的LED在施加正向偏壓時(shí)均展示了電致發(fā)光(EL), 如圖Ta-b所示。光的光語(yǔ)峰與GaAs帶隙能量很吻合。
如圖18a和b所見(jiàn)，示出了基于Si的(Si)和基于GaP的(GaP) LED的光功率/電流相關(guān)性。GaP上的LED在Si (40 mA)的一半電流 負(fù)載(20 mA)時(shí)開(kāi)始發(fā)光并且在60 mA時(shí)功率輸出大約是GaP基片 上的30倍高。然而，在100 mA下功率比已降低到基于Si的LED的 10倍。示出了 80 mA下兩種器件的EL光譜峰。與GaP基片器件相比， Si LED峰呈現(xiàn)略微紅移和帶有大約1.35eV的可能額外峰的尾部。峰值 的偏移可以用在GaP和Si上的不同In和Ga擴(kuò)散從而導(dǎo)致不同的 InGaP組分來(lái)解釋。通過(guò)使器件到達(dá)更高的電流，對(duì)于GaP器件能夠 在大約140 mA下看到峰值功率。這對(duì)于Si器件是看不到的并且可能指 示在這些電流水平下非輻射復(fù)合或竟?fàn)幮孤稒C(jī)制仍然支配EL。
建立在GaN納米線上的LED器件由于它們可產(chǎn)生其它材料組合不 可獲得的波長(zhǎng)的光的能力而受到高度的商業(yè)關(guān)注。作為進(jìn)一步的實(shí)施示 例，要描述的是如何通過(guò)選擇性區(qū)域生長(zhǎng)而在GaN外延膜、藍(lán)寶石、 SiC或Si以及甚至自支持(self-supporting)的GaN上生長(zhǎng)GaN納米 線。在開(kāi)始基片上通過(guò)PECVD沉積一層SiNx (厚度30nm)。在隨后 的步驟中，通過(guò)外延束光刻EBL以及反應(yīng)離子蝕刻RIE來(lái)制造點(diǎn)圖案 的GaN開(kāi)口 (直徑大約100 nm)的陣列。開(kāi)口之間的間距在1.0~ 3.2 pm變化。然后，把經(jīng)過(guò)處理的樣品插入到水平MOCVD腔室內(nèi)以生長(zhǎng) GaN納米線。生長(zhǎng)過(guò)程包括起初階段，其中在5分鐘(min)內(nèi)將溫度 斜升(ramp up)到1000 1500°C的生長(zhǎng)區(qū)且在75 seem的高NHs流速 下退火大約60秒。在隨后的納米線生長(zhǎng)階段中，NH;j流速被減小到 3.0~0.2 sccm以通過(guò)將TMG (三曱基鎵)引入到腔室內(nèi)開(kāi)始生長(zhǎng)。這 項(xiàng)工作使用0.12和1.2 nmol/min之間的低TMG流速。NH3流速是控制 自開(kāi)口的生長(zhǎng)形態(tài)的關(guān)鍵因素。圖19示出了用3.0sccm的NH3流速所 生長(zhǎng)的樣品的SEM圖像。根據(jù)俯視圖像圖19 (a)],可以看到自開(kāi)口 的選擇性生長(zhǎng)與所報(bào)導(dǎo)的相同。這里需要指出的 一 點(diǎn)是生長(zhǎng)后的橫向大小大于1.0jam,這比大約100nm的開(kāi)口大小大很多。因而，GaN生長(zhǎng) 出開(kāi)口之后的橫向生長(zhǎng)是相當(dāng)大的。圖19 (b)示出了通過(guò)將樣品傾斜 35°所拍攝的SEM圖像，這清楚地表明所獲取的是金字塔而不是線。 這些金字塔由六個(gè)等價(jià)(iToi)面定界。(iToi)面的懸桂鍵密度是16.0 /nm2，這高于(iToo)面的懸桂鍵密度(12.1 /nm2)和(oooi)面的懸 桂鍵密度(11.4/nm2) [3。從這一點(diǎn)來(lái)看，(iToo )面和(oooi )面預(yù) 期在GaN生長(zhǎng)出開(kāi)口之后出現(xiàn)。但是，圖19示出了相反的情況。因此， 可能的解釋是(iToi)面具有N極化，這使其在NH3流速較高時(shí)是穩(wěn)定 的?；谶@點(diǎn)，3 sccm的NH3流速事實(shí)上對(duì)于生長(zhǎng)由(iToo)面所成 小面(faceted)的GaN線而言仍然很高。圖20示出了在1.0 sccm的 Nhb流速下生長(zhǎng)的樣品的SEM表征。俯視圖像圖20 (a)]與圖19 (a) 類似。但是，35°傾斜的圖像[圖20 (b)是不同的，即OToo)面的 垂直小面(facet)開(kāi)始出現(xiàn)在金字塔帽的下面。
圖21示出了將NH3流速進(jìn)一步減少到0.5 sccm時(shí)的生長(zhǎng)結(jié)果。俯 視圖像和35°傾斜的圖像均指示橫向方向上的大小收縮，盡管它們?nèi)匀?大于大約100nm的開(kāi)口大小。而且傾斜的圖像[圖21 (b)]還示出了垂 直小面。當(dāng)NHb流速被降低到0.2 sccm時(shí)，真正的GaN納米線開(kāi)始合 成，如圖22所示。為了制造GaN納米線，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)NH3流速以便實(shí)現(xiàn) 或可選地描述低的過(guò)飽和；從而實(shí)現(xiàn)遷移增強(qiáng)型生長(zhǎng)。如果需要其它形 狀，例如金字塔，則NHs流速可以為1 sccm或更高。另外的制造步驟 即提供包層和^M犬物可以用上面描述的方式來(lái)4丸行。
雖然本發(fā)明已結(jié)合目前認(rèn)為最實(shí)用的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描迷，但是 要理解本發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例，相反旨在覆蓋所附權(quán)利要求內(nèi)的 各種修改和等價(jià)布置。
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權(quán)利要求
1.一種納米結(jié)構(gòu)化LED，包括基片和從該基片突出的至少一個(gè)直立式納米線，pn結(jié)促成有源區(qū)(120)的形成以產(chǎn)生光，特征在于波導(dǎo)(116)將有源區(qū)中產(chǎn)生的光的至少一部分定向到由納米線(110)給定的方向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中納米線(110)的 一部分形成波導(dǎo)(116)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中該LED包括外延 地連接到納米線(110)的體積元件(115)，該體積元件被布置成來(lái)為 有源區(qū)(120)的形成提供高摻雜水平。
4. 根椐權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中包圍部分納米線 (110)的殼狀結(jié)構(gòu)形成波導(dǎo)(116)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中包圍部分納米線 (110)的殼狀結(jié)構(gòu)和部分納米線形成波導(dǎo)(116)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中波導(dǎo) (116)具有第一有效折射率nw，而圍繞至少一部分納米線的材料具有第二有效折射率nc，并且該笫一有效折射率大于該笫二有效折射率 nw>nc,以給波導(dǎo)(116)提供導(dǎo)波特性。
7. 根椐權(quán)利要求6所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中波導(dǎo)(116)與基 片形成限定角度，并且如果考慮到第一和第二折射率，納米線和基片之 間的角度足以實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中波導(dǎo)(116)被提 供有至少一個(gè)包層(112/113)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中 一個(gè)包層(112/113) 是光學(xué)包層(113)以增強(qiáng)波導(dǎo)(116)的導(dǎo)波特性。
10. 根椐權(quán)利要求8所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中一個(gè)或多個(gè)包層 (113)提供朝納米線-包層組件的邊界的漸變折射率以增強(qiáng)波導(dǎo)(116)的導(dǎo)波特性。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2-10中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中該 LED被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生特定波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的光，并且波導(dǎo)(116)的直徑是使得對(duì)于該特定波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的光而言納米線中的光傳播不因尺寸效應(yīng)而受阻。
12. 根椐權(quán)利要求10所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中波導(dǎo)(116)的 直徑大于人/2rv，其中入是所產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)而nw是波導(dǎo)(116)的折射率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中該納米結(jié)構(gòu)化 LED被布置成產(chǎn)生可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)的光并且波導(dǎo)(116)的直徑大于80 nm。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中該納米結(jié)構(gòu)化 LED被布置成產(chǎn)生紅外或近紅外區(qū)內(nèi)的光并且波導(dǎo)(116)的直徑大于 110 nm。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中波 導(dǎo)(116)的直徑大于入/2nw且小于500 nm。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中有源 區(qū)(120)被布置在納米線(110)內(nèi)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中與有源區(qū)(120) 相關(guān)聯(lián)的pn結(jié)通過(guò)從體積元件(115)向納米線(110)注入載流子而 形成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中波導(dǎo) (116)或波導(dǎo)(116) /包層組件形成與所產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)的光學(xué)模相 匹配的光學(xué)腔。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中該基 片被提供有反射層(108)，該反射層被提供有納米線延伸經(jīng)過(guò)的通孔。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1-19中任一項(xiàng)所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中反射 裝置被提供在波導(dǎo)(116)內(nèi)并且被布置成反射在朝基片的方向上橫進(jìn) 的光。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中反射裝置是多層 結(jié)構(gòu)(111 )。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中反射裝置由反射 層(108)提供，該反射層在波導(dǎo)(116)的一部分之下延伸并且覆蓋波 導(dǎo)(116)的橫截面的外部分。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中波導(dǎo)(116)或 波導(dǎo)(116)和包層組件具有第一有效折射率nw,而反射層具有第二有 效折射率ns, lnw>nc，并且納米線和反射層之間的角度足以實(shí)現(xiàn)全內(nèi) 反射。
24. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中納米線(110)和 體積元件(115)被布置成從體積元件(115)來(lái)看將光以向下方向定向通過(guò)基片。
25. 根據(jù)權(quán)利要求2所迷的納米結(jié)構(gòu)化LED,包括帶有LED層 (1205)和多個(gè)納米線(1210)的平面LED,所迷多個(gè)納米線以直立式配置被布置在平面LED表面上且與LED層外延連接。
26. 根據(jù)權(quán)利要求2所迷的納米結(jié)構(gòu)化LED,其中體積元件(115) 被布置成擴(kuò)展在納米線(110)和體積元件(115)之間的結(jié)處通過(guò)分散 發(fā)射的光。
27. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米結(jié)構(gòu)化LED，其中體積元件(115) 被布置成擴(kuò)展在納米線(110)和體積元件(115)之間的結(jié)處通過(guò)分散 發(fā)射的光并且體積元件的高度和寬度被布置成進(jìn)一步分散該光。
28. —種器件，包括多個(gè)根椐任一前述權(quán)利要求的納米結(jié)構(gòu)化LED， 這組納米結(jié)構(gòu)化LED( 1100)被布置成在一個(gè)明確限定的方向或有限的 一組明確限定的方向上發(fā)射光，并且至少一個(gè)反射裝置(1160)被布置 成對(duì)來(lái)自與這組納米結(jié)構(gòu)化LED( 1100)相關(guān)聯(lián)的方向之一的光進(jìn)行反 射。
29. —種納米結(jié)構(gòu)化LED的制造方法，包括首先以促進(jìn)線生長(zhǎng)的第 一生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)納米線，以及其次以促進(jìn)徑向生長(zhǎng)的第二生長(zhǎng)模式選擇 性地生長(zhǎng)體積元件。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的納米結(jié)構(gòu)化LED的制造方法，包括以 下步驟-通過(guò)光刻在基片(1305)上限定(1) 一個(gè)或多個(gè)局部催化劑； -從局部催化劑(1331)生長(zhǎng)(2)納米線(1310)，生長(zhǎng)參數(shù)針對(duì)催化的線生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；-在納米線周?chē)鷱较蛏L(zhǎng)(3)薄同心層M312);-沉積(4)掩模材料(1332);-回蝕刻(5)掩模(1332)以露出納米線的上部分；-選擇性生長(zhǎng)(6)體積元件(1315),調(diào)節(jié)生長(zhǎng)參數(shù)以給出徑向生長(zhǎng)。
31. 根椐權(quán)利要求30所述的納米結(jié)構(gòu)化LED的制造方法，還包括 通過(guò)以下步驟形成莖(113):首先生長(zhǎng)薄納米線(步驟2),沉積反 射層或選擇性生長(zhǎng)掩模以覆蓋納米 的下部分，以及徑向生長(zhǎng)包層或納 米線以增加納米線厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管LED。具體而言，本發(fā)明涉及包括作為有源部件的納米線的LED。根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)化LED包括基片和從該基片突出的直立式納米線。提供有源區(qū)(120)以產(chǎn)生光的pn結(jié)存在于該結(jié)構(gòu)內(nèi)。納米線(110)或由納米線形成的結(jié)構(gòu)形成波導(dǎo)(116)，以將有源區(qū)中產(chǎn)生的光的至少一部分定向到由納米線(110)給定的方向。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101669219SQ200780051734
公開(kāi)日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2007年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者B·佩德森, J·奧爾森, L·薩穆?tīng)柹?申請(qǐng)人:昆南諾股份有限公司