專利名稱：白光發(fā)射器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的示例性實施方式涉及可發(fā)射白光而不用磷光體的發(fā)光器件(LED)。
背景技術：
使用半導體的發(fā)光器件(LED)可以是高效且環(huán)保的光源。它們還可用于各種領 域，諸如顯示裝置、光通信、汽車和常規(guī)照明。另外，對白光LED的需要增加。白光可通過使用磷光體發(fā)射。例如，白光可通過激發(fā)紫外線(UV)LED以發(fā)射UV 光并且然后通過使用UV光分別激發(fā)紅色、綠色和藍色磷光體以發(fā)射紅光、綠光和藍光而獲 得。因而，可獲得白光?？蛇x地，白光可使用藍光LED作為光源以及激發(fā)黃色磷光體以發(fā)射 黃光而獲得，原因在于黃色是藍色的補色?？墒褂冒l(fā)射紅光、綠光和藍光的LED的組合而不使用磷光體來發(fā)射白光。

發(fā)明內(nèi)容
實例實施方式可提供一種用于發(fā)射白光而不用磷光體的發(fā)光器件(LED)。根據(jù)實例實施方式，一種發(fā)光器件(LED)可包括第一半導體層；有源層，形成于 第一半導體層上且被構造為產(chǎn)生具有第一波長的第一光；第二半導體層，形成于有源層上； 以及多個半導體納米結構，彼此分離地布置且形成在第二半導體層上。納米結構可構造為 至少部分地吸收第一光并發(fā)射第二光，第二光具有不同于第一波長的第二波長。LED還可包括覆蓋納米結構的透明電極層。透明電極層可直接形成在第二半導體層上。納米結構可直接形成于第二半導體層 上。納米結構的寬度可小于由納米結構發(fā)射的光的波長。有源層可具有InGaN基多量子阱結構。有源層的銦(In)的摩爾分數(shù)可被設置為 使得有源層發(fā)射藍光。第一光和第二光可分別是藍光和黃光。LED還可包括被構造為至少部分吸收第一光并發(fā)射第三光的納米結構，第三光具 有不同于第二波長的第三波長。第一光、第二光和第三光可分別是藍光、紅光和綠光。納米結構可由InGaN形成，可具有InGaN基多量子阱結構，和/或可具有包括 InGaN基多量子阱結構的核_殼結構。


通過結合附圖對示例性實施方式的以下詳細描述，本發(fā)明的上述和/或其它方面 和優(yōu)點將變得清楚和更易于理解，附圖中圖1是示出白光發(fā)射器件(LED)的示例性構造的示圖，；圖2A至圖2E是示出圖1的白光LED的示例性納米結構的橫截面視圖；圖3是示出白光LED的另一示例性構造的示圖4是示出白光LED的另一示例性構造的示圖；圖5是示出白光LED的另一示例性構造的示具體實施例方式現(xiàn)將參考附圖更全面地描述示例性實施方式。然而，實施方式可以以許多不同的形式實現(xiàn)且不應解釋為限于這里闡述的實施方式。而是，提供這些實例實施方式使得本公 開充分和完整，且向那些本領域的技術人員全面地傳達本發(fā)明的范圍。在附圖中，為了清晰 夸大了層和區(qū)域的厚度。將可以理解當元件被稱為在另一組件“上”、“連接到”、“電連接到”或“耦接到”另 一組件時，它可以直接在其他組件上或直接連接到、電連接到或耦接到其它組件，或者可以 存在中間組件。相反，當元件被稱為“直接”在其他元件“上”、“直接連接到”、“直接電連接 至Γ或“直接耦接到”另一組件時，則沒有中間組件存在。這里所用的術語“和/或”包括相 關列舉項目的一個或更多的任何和所有組合。將理解雖然術語第一、第二和第三等可以用于在此來描述各種元件、組件、區(qū)域、 層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分應不受這些術語限制。這些術語只 用于區(qū)分一個元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一元件、組件、區(qū)域、層和/或部分。例如，第 一元件、組件、區(qū)域、層和/或部分可以被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分，而不背離實 例實施方式的教導。在這里為了描述的方便，可以使用空間相對術語，諸如“下面”、“下方”、“下”、“上 方”、“上”等，來描述一個組件和/或特征與另一組件和/或特征，或其他組件和/或特征如 圖中所示的關系。將理解空間相對術語旨在包含除了在圖中所繪的方向之外裝置在使用或 操作中的不同方向。在此使用的術語僅用于描述具體的實例實施方式，不意欲限制。如這里所述的，單 數(shù)形式也意欲包括復數(shù)形式，除非在上下文中以其它方式清晰地表示。將進一步理解當在 說明書中使用術語“包括”和/或“包含”時，表示所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或 組件的存在，但是不排除一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在或 添加。除非另有界定，這里使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有實例實施方式 所屬的領域的普通技術人員共同理解的相同意思。還將理解諸如那些在共同使用的字典中 限定的術語應解釋為一種與在相關技術的背景中它們的涵義一致的涵義，而不應解釋為理 想化或過度正式的意義，除非在這里明確地如此界定?，F(xiàn)在將參考在附圖中示出的實例實施方式進行描述，其中通篇相同的附圖標記表 示相同的組件。圖1是示出發(fā)光器件(LED)的示例性構造的示圖，圖2A至圖2D是示出圖1的白 光LED的示例性納米結構的橫截面視圖。參考圖1，白光LED 100可包括納米結構陣列，該納米結構陣列包括由可吸收入射 光的半導體材料形成的多個納米結構。納米結構可改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL和/或可再發(fā)射入射 光，改變其波長。納米結構可彼此分離地布置。例如，白光LED 100可包括第一半導體層 120、有源層130、和/或第二半導體層140。第一半導體層120可被第一類型的摻雜劑摻雜。有源層130可形成于第一半導體層120上。第二半導體層140可形成于有源層130上。第 二半導體層140可被第二類型的摻雜劑摻雜。白光LED 100可包括納米結構陣列，其中的 多個納米結構可由吸收和/或再發(fā)射由有源層130產(chǎn)生的光的半導體材料形成。納米結構 可彼此分離地布置。白光LED 100可包括基板110、第一半導體層120、有源層130、第二半導體層140、 納米結構陣列、透明電極層160、第一電極170和/或第二電極180。納米結構陣列可形成 于第二半導體層140上。透明電極層160可形成為覆蓋整個納米結構陣列。第一電極170 可形成于第一半導體層120的頂表面的一部分上。第二電極180可形成于透明電極層160 的頂表面的一部分上。例如，基板110可以是藍寶石基板、SiC基板或GaN基板。 第一半導體層120可以是由第一類型的摻雜劑摻雜的半導體層。第一半導體層 120可以由III-V族氮化物半導體材料(例如，n-GaN)形成。例如，第一類型的摻雜劑可以 是η-型摻雜劑。例如，第一類型的摻雜劑可以包括硅(Si)。雖然沒有示出，但是用于外延 生長的緩沖層可以形成于基板110上。有源層130可以是由于電子-空穴復合而發(fā)光的層(例如，InGaN基氮化物半導 體層)。所發(fā)射的光的波段可通過控制有源層130中的帶隙能量而調整。例如，有源層130 可包括量子阱和/或勢壘層。例如，離子阱可由InGaN形成。例如，勢壘層可由GaN，InGaN， AlGaN和/或InAlGaN形成。有源層130可包括單量子阱或多量子阱。根據(jù)實例實施方式， 例如，有源層130可布置為發(fā)射藍光。換言之，在有源層130的InGaN層中銦的摩爾分數(shù)可 以設置使得有源層130發(fā)射藍光。一般地，當銦的摩爾分數(shù)被改變約時，所發(fā)射的光的 波長被改變約5納米(nm)。例如，當發(fā)射藍光時，InGaN層中銦的摩爾分數(shù)是大約20%。第二半導體層140可以是由第二類型的摻雜劑摻雜的半導體層。第二半導體層 140可以由III-V族氮化物半導體材料(例如，p-GaN)形成。例如，第二類型的摻雜劑可 以是P-型摻雜劑。例如，第二類型的摻雜劑可包括鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋅(Zn)、鎘(Cd)和汞 (Hg)中的一種或多種。通常被認為是生長III-V族化合物半導體的各種方法可用于制造第一半導體層 120、有源層130和/或第二半導體層140。該方法的實例可包括金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD)、混合氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)、金屬有機氣相延伸(MOVPE)和/或鹵化 物化學氣相沉積(HCVD)。納米結構陣列可被制備用于抽運光，即，吸收和/或再發(fā)射由有源層130產(chǎn)生的 光。多個納米結構150可被布置為在納米結構陣列中彼此分離。通過抽運光(pumping light)，即通過部分地吸收由有源層130發(fā)射的光(例如，藍光)、改變所吸收的光的波長 (例如，變成黃光)和/或再發(fā)射具有改變后的波長的所吸收光，由LED 100發(fā)射的光可變 成全白色(overall white)。在處理期間，通過抽運光來改變光的波長的效率很重要。該效率由納米結構的結 晶品質和/或光提取效率來確定。納米結構150可具有這樣的結構，在其中InGaN基的半 導體材料可具有會在第二半導體層140上生長為諸如納米棒、納米線和/或納米點的形狀 的數(shù)納米的精細寬度。納米結構150的形狀不限于在圖1中所示的形狀。納米結構150， 具有諸如如上所述的形狀，當納米結構150的晶格常數(shù)與第二半導體層140中的GaN層的晶格常數(shù)之間的差別增加時，其可通過使自身變形而吸收應力。因而，考慮普通InGaN薄膜 (例如，約107cm2)的晶體缺陷，納米結構150可以是幾乎無缺陷的晶體。因此，可自由調 整銦含量，因而，可改變且可自由設定光的波長范圍。另外，當納米結構150的尺寸小于從 納米結構150發(fā)射的光的波長時，在納米結構150的晶體中產(chǎn)生的大多數(shù)光子可被提取出 晶體，因而可預期非常高的發(fā)光效率。納米結構150可形成為具有小于由納米結構150發(fā) 射的光的波長的寬度，其中該寬度可以例如大于或等于約IOnm并且小于或等于約500nm。如果有源層130發(fā)射藍光，則納米結構陣列可被布置為例如將入射的藍光改變?yōu)?黃光。例如，多個納米結構150中的每一個都可以由將藍光變成黃光的半導體材料形成。如 下所述，納米結構150可采用InGaN基多量子阱結構，在該情形下，可調整多個量子阱層的 銦的摩爾分數(shù)，使得可從每個量子阱層分別發(fā)射紅光和/或綠光。結果，可獲得黃光?？蛇x地，多個納米結構150可包括用于將藍光變成紅光的納米結構和/或用于將 藍光變成綠光的納米結構。在該情形下，例如，用于將藍光變成紅光的納米結構和用于將藍 光變成綠光的納米結構可以可選地布置在納米結構陣列中。
第一電極170和/或第二電極180可連接到外部電源，從而電子和/或空穴被注 入到有源層130。第一電極170和/或第二電極180可由例如金屬形成，諸如金(Au)、鋁 (Al)和銀(Ag)，或由透明的導電材料諸如銦錫氧化物(ITO)形成。根據(jù)示例性實施方式， 白光LED 100可具有臺式形狀結構面，在其中有源層130不完全覆蓋第一半導體層120，第 一半導體層120可被部分暴露，和/或第一電極170可形成于第一半導體層120的暴露部 分上。第二電極180可形成于例如透明電極層160的頂表面的一部分上。如在圖1中所示，透明電極層160可完全覆蓋納米結構陣列，換言之，由于納米結 構150用作在其中所施加的電流可流過的路徑，所以納米結構150可由與第二半導體層140 相同的摻雜劑(例如，第二類型摻雜劑)摻雜，其可以是P-型摻雜劑。在該結構中，納米結 構150和透明電極層160可在大區(qū)域上彼此接觸，使得電流可容易地施加到有源層130。另 夕卜，可降低白光LED 100的操作電壓，因而，可增強電性能(例如，生熱減少)。參照圖2A至圖2E，以下將描述納米結構150的示例性實施方式。如在圖2A中所示，圖1的納米結構150可具有核-殼結構。該核可具有InGaN 基多量子阱結構，其中，如在圖2A中所示，量子阱層151和勢壘層152可在徑向上交替地 層疊。該量子阱層151可由InxGaAlyN(C) < χ彡1，0彡y彡1)形成。勢壘層152可由 InvGaAlwN (0 ^ ν < 1,0 ^ w^ 1)形成。殼155可由GaN形成，覆蓋量子阱層151和/或 勢壘層152。如在圖2B中所示，圖1的納米結構150，還可具有核-殼結構，但是具有不同于圖 2A的納米結構150的橫截面形狀。圖2B的納米結構150是多棱錐型，示為三角形橫截面形 狀。核可具有InGaN基多量子阱結構，其中，如在圖2B中所示，量子阱層151和勢壘層152 可在徑向上交替地層疊。量子阱層151可由InxGaAlyN(C) < χ彡1，0彡y彡1)形成。勢壘 層152可由InvGaAlwN(C)彡ν < 1,0 ^w^ 1)形成。殼155可由GaN形成，覆蓋量子阱層 151和/或勢壘層152。如在圖2C中所示，圖1的納米結構150，可具有核-殼結構，可類似于圖2A的 核_殼結構。然而，該核可具有InGaN基多量子阱結構，其中量子阱層151和勢壘層152可 沿豎直方向交替地層疊。量子阱層151可由InxGaAlyN(C) < χ彡1，0彡y彡1)形成。勢壘層 152 可由 InvGaAlwN(O ^ ν < 1,0 ^ w ^ 1)形成。殼 155 可由 GaN 形成。由于在圖2A、圖2B和圖2C中所示的核-殼結構可采用GaN半導體材料作為殼 155，GaN半導體材料具有相對較高的帶隙能量，所以載流子限制(carrier confinement) 可減少表面復合損失。因而，可以預期高的光再發(fā)射效率。圖2D的納米結構150可具有InGaN基結構。圖2E的納米結構150可具有在其中 量子阱層151和勢壘層152可交替層疊的InGaN基多量子阱結構。如在圖2D和圖2E中所 示的結構可由相對于GaN半導體材料具有相對較低的帶隙能量的InGaN半導體材料形成。 因而，當施加電流時，可進一步降低接觸電阻。在圖2A至圖2E中所示的納米結構中所采用的InGaN材料可根據(jù)其銦含量改變?nèi)?射光的波長。當有源層130發(fā)射藍光時，納米結構150可具有用于發(fā)射綠光的銦含量和/ 或發(fā)射紅光的銦含量，從而表現(xiàn)出白光。在該點上，當配置納米結構陣列時 ，用于發(fā)射綠光 的納米結構和發(fā)射紅光的納米結構可交替布置。此外或可選地，納米結構150可具有其中 可調整多個量子阱層151 (其構成納米結構150)的摩爾分數(shù)使得多個量子阱層151發(fā)射紅 光和/或綠光的結構。如在圖2A至圖2E中所示，例如，可使用生長納米線的一般方法來生長納米結構 150。例如，通過使用金屬催化劑諸如Fe、Ni和/或Au，納米結構150可經(jīng)由氣相-液體-固 體(VLS)工藝生長。此外或可選地，在形成模板層(未示出)和/或在模板層中形成凹槽之 后，可在凹槽內(nèi)生長納米結構150。另外，可使用諸如MOCVD、HVPE、MBE、MOVPE和/或HCVD 的方法來生長納米結構150。在具有如上所述的納米結構150的白光LED 100中，由有源層130產(chǎn)生的藍光可 被納米結構150部分地吸收?？筛淖儽晃盏乃{光的波長，使得被吸收的藍光被再發(fā)射為 黃光和/或紅光和綠光。同時，由有源層130產(chǎn)生的藍光的剩余部分可被作為藍光發(fā)射到 外部。因而，可獲得白光。關于由有源層130產(chǎn)生的藍光的發(fā)射，納米結構150可提供以周 期性地改變反射系數(shù)，從而減少總反射。因而，所產(chǎn)生的光可以以高的光提取效率(light extractingefficiency)發(fā)出。另外，當被納米結構150吸收的光被作為具有改變波長的 光再發(fā)射時，由于納米結構150會具有少量的晶體缺陷以及尺寸會小于波長，所以白光LED 100的發(fā)光效率會非常高。圖3是示出白光LED的另一示例性構造的示圖。在圖3中示出的實例實施方式可 采用豎直層疊的結構，其中第一電極170的布置與其它實例實施方式的不同。第一電極170 可形成于第一半導體層120的后表面上。在圖1的白光LED 100的情形下，在第一半導體 層120、有源層130和/或第二半導體層140完整地生長之后，第二半導體層140和/或有 源層130可被部分地蝕刻以部分地暴露第一半導體層120，第一電極170可形成于第一半導 體層120的暴露部分上。相反，在圖3中，在第一半導體層120、有源層130和/或第二半導 體層140完整地生長之后，基板(圖1中的110)可被去除，第一電極170可形成于第一半 導體層120的后表面上。圖4是示出白光LED的另一示例性構造的示圖。根據(jù)在圖4中示出的實例實施方 式，在白光LED 300中的納米結構150的位置可與在圖1的白光LED 100中的納米結構150 的位置不同。根據(jù)實施方式，可依次形成基板110、第一半導體層120、有源層130、第二半導 體層140和/或透明電極層160。納米結構150可彼此分離地形成，每個納米結構150都可由用于吸收和/或再發(fā)射由有源層130產(chǎn)生的光的半導體材料形成。納米結構陣列，包括 納米結構150，可形成于透明電極層160上。第一電極170和/或第二電極180，用于供應 電流到有源層130，可分別形成于第一半導體層120的暴露部分上以及透明電極層160的頂 表面的一部分上。在該結構中，納米結構150可不用做所施加的電流在其中流動的路徑，因 而對納米結構150摻雜不是必須的。換言之，納米結構150可由未摻雜的半導體材料形成。 雖然圖4示出了第二電極180可部分地覆蓋納米結構150，但是其僅是實例，白光LED 300 可被可選地構造為使得納米結構150不會形成于透明電極層160的接觸第二電極180的部 分頂表面上。圖5是示出 白光LED的另一示例性實施方式的示圖。與圖4的實例實施方式相比， 圖5的實例實施方式可采用豎直結構。換言之，第一電極170可形成于第一半導體層120 的后表面上。如在圖3至圖5中所示的，由白光LED 200、300和400采用的納米結構150可具 有例如在圖2A至圖2D中示出的結構。在實例實施方式中，由有源層130產(chǎn)生的一部分光 的波長可被納米結構150改變，而由有源層130產(chǎn)生的剩余部分的光可不做變化地被發(fā)出。 結果，可發(fā)射白光。由于根據(jù)實例實施方式的白光LED可實現(xiàn)白光而不使用磷光體，所以根據(jù)實例實 施方式的白光LED可在簡單的制造工藝中制造。另外，可降低白光LED的制造成本。根據(jù)實例實施方式的白光LED可采用用于發(fā)射白光的半導體納米結構。例如，在 實例實施方式中采用的納米結構可具有少量的晶體缺陷，因而，可實現(xiàn)高的內(nèi)部量子效率。 當由有源層產(chǎn)生的光被發(fā)射到外部時，周期性地變化納米結構的反射系數(shù)可改善將由有源 層產(chǎn)生的光提取到外部的效率。另外，納米結構可在大區(qū)域上接觸透明電極層160。在該情形下，電流可被容易地 施加到有源層130，從而可改進電屬性(例如，減少生熱，改進可靠性)。雖然已經(jīng)具體示出并描述了實例實施方式，但是本領域的技術人員將理解可以進 行形式和細節(jié)上的各種變化，而不脫離由附屬的權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
一種發(fā)光器件，包括第一半導體層；有源層，形成于所述第一半導體層上且被構造為產(chǎn)生具有第一波長的第一光；第二半導體層，形成于所述有源層上；以及多個半導體納米結構，彼此分離地布置且形成于所述第二半導體層上，所述納米結構構造為至少部分地吸收所述第一光并發(fā)射第二光，所述第二光具有不同于所述第一波長的第二波長。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中由所述有源層產(chǎn)生的所述第一光和由所述納 米結構發(fā)射的所述第二光結合而產(chǎn)生白光。
3.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，還包括覆蓋所述納米結構的透明電極層。
4.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述納米結構直接形成于所述第二半導體層上。
5.根據(jù)權利要求4所述的發(fā)光器件，其中所述多個納米結構被摻雜。
6.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，還包括 透明電極層，直接形成在所述第二半導體層上，其中所述納米結構直接形成在所述透明電極層上。
7.根據(jù)權利要求6所述的發(fā)光器件，其中所述納米結構未被摻雜。
8.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述納米結構布置為陣列。
9.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中每個納米結構的寬度小于所述第二波長。
10.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中每個納米結構的寬度大于或等于IOnm并且 小于或等于500nm。
11.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述有源層具有InGaN基多量子阱結構。
12.根據(jù)權利要求11所述的發(fā)光器件，其中所述有源層的銦的摩爾分數(shù)被設定為使得 所述有源層發(fā)射藍光。
13.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述第一光和所述第二光分別是藍光和黃光。
14.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述納米結構發(fā)射黃光。
15.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，還包括納米結構，構造為至少部分吸收所述第一光且發(fā)射第三光，該第三光具有不同于所述 第二波長的第三波長。
16.根據(jù)權利要求15所述的發(fā)光器件，其中所述第一光、所述第二光和所述第三光分 別是藍光、紅光和綠光。
17.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述納米結構由InGaN形成。
18.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述納米結構具有InGaN基多量子阱結構。
19.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述納米結構具有包括核和殼的核_殼結構。
20.根據(jù)權利要求19所述的發(fā)光器件，其中所述核包括由InxGaAlyN形成的InGaN基多量子阱結構，其中0≤χ≤1，0≤y≤1，以及所述殼由GaN形成。
21.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)光器件，其中所述多量子阱結構具有徑向層疊的結構。
22.根據(jù)權利要求20所述的發(fā)光器件，其中所述多量子阱結構具有豎直層疊的結構。
23.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述第一半導體層用硅摻雜。
24.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述第二半導體層用鎂、鈣、鋅、鎘和汞中的 一種或多種摻雜。
全文摘要
一種發(fā)光器件(LED)可包括第一半導體層；有源層，形成于第一半導體層上且被構造為產(chǎn)生具有第一波長的第一光；第二半導體層，形成于有源層上；以及多個半導體納米結構，彼此分離地布置且形成在第二半導體層上。納米結構可構造為至少部分地吸收第一光并發(fā)射第二光，第二光具有不同于第一波長的第二波長。
文檔編號H01L33/06GK101867000SQ20101011768
公開日2010年10月20日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權日2009年4月16日
發(fā)明者金澤 申請人:三星電子株式會社