纳米线/纳米锥形状的发光二极管及光检测器制造技术

技术编号:18466640 阅读:16 留言:0更新日期:2018-07-18 16:21
一种发光二极管装置,包括:在石墨基板上生长的多个纳米线或纳米锥,该纳米线或纳米锥具有p‑n或p‑i‑n结,与该石墨基板电接触的第一电极;与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部接触的光反射层,该光反射层可选地充当第二电极;可选地,与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部电接触的第二电极,该第二电极在该光反射层不充当电极的情况下是必不可少的;其中该纳米线或纳米锥包括至少一个III‑V族化合物半导体;且其中在使用中,光自该装置以大体上与该光反射层相对的方向发射。

Nanowire / nano cone shaped light emitting diodes and photodetectors

A light emitting diode device, including: a plurality of nanowires or nanowires on a graphite substrate, the nanowire or the nano cone having a p n or p i n junction, a first electrode contact with the graphite substrate, an optical reflection layer that is in contact with the top of at least part of the nanowire or nano cone, and the light reflection layer is optional. When the second electrode is optional, the second electrode is electrically contact with the top of at least part of the nanowire or nano cone, the second electrode is essential in the case that the light reflection layer does not act as an electrode; the nanowires or nanowires include at least one III semiconducting semiconductor semiconductor; and in use, light is used. The device is emitted in the direction opposite to the light reflecting layer in general.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米线/纳米锥形状的发光二极管及光检测器
本专利技术涉及薄石墨层作为用于生长纳米线或纳米锥的透明基板的用途,该纳米线或纳米锥可形成LED及光检测器,例如,用于可见光或UV光谱中的光的发射或检测的LED及光检测器(特定言之,UVLED及UV光检测器)。该纳米线或纳米锥可设有导电及理想反射性顶部接触电极材料以实现倒装芯片配置。
技术介绍
近几年来,随着纳米技术变为重要工程规则,对半导体纳米结晶(诸如,纳米线及纳米锥)的兴趣愈加强烈。已发现纳米线(一些作者亦称为纳米须、纳米棒、纳米柱、纳米管柱等)于各种电装置(诸如感测器、太阳能电池及发光二极管(LED))中的重要应用。本专利技术涉及(特定言之)分别发射及检测紫外线(UV)光谱中的光的LED及光检测器。该UV光可归类为三个不同波长类型:UV-A:315至400nm,UV-B:280至315,及UV-C:100至280nm。UV-C光(尤其深UV(250至280nm))的应用包括水及空气纯化,及通过通过直接攻击DNA的方式消灭细菌、病毒、原生动物及其他微生物以进行表面消毒。深UV消毒亦于化学选择上提供许多有利之处。深UV消毒不可过量且不产生副产物、毒素或挥发性有机化合物。深UV光非常适用于处理对化学消毒剂变得极具抗性的微生物,因为它们无法对深UV辐射发展免疫力。在卫生领域中,深UV光可有助于消毒医学工具或消灭致命病毒(诸如H1N1及埃博拉(Ebola))。在食品加工中,UV光可有助于增加食品的储架寿命。UV光发射器可应用于消费性电子产品(诸如净水器、空气净化器、牙刷消毒器及其他卫浴产品)中。当前UV发射器是通常基于昂贵、能量效率低下、体积庞大、易碎且难以处理掉的水银灯。开发于UV区中发射(尤其于UV-C区中发射)的可靠且经济的LED(其亦最难达成)将颇受关注。小尺寸及低电力消耗、较长操作寿命、较少维护、环境友好及容易处理使得UVLED相较于水银灯之类似物成为更具吸引力的解决方案。UVLED通常使用III族氮化物半导体薄膜,尤其使用富Al的氮化物材料来制备。并入结构中的Al含量越高,则可达成的光的波长越深。若干研究组已证实使用AlGaN、AlInGaN及AlN制造基于薄膜的LED。然而,迄今为止,达成的最大外部量子效率(EQE)是针对UV-B及UV-CLED而言分别是介于2至6%之间及约1%[Kneissl,SemiconductorSciandTech.26(2011)014036]。制造UVLED(特定言之,基于AlGaN、AlInGaN及AlN薄膜的导致极低EQE的UVLED)中仍有许多问题。难以于可发生纳米线生长的传统支撑件(诸如蓝宝石或硅)上生长高品质AlGaN薄膜。制造具有与AlGaN极相近的晶格匹配的AlN基板是昂贵的且缺乏大尺寸AlN晶圆。根据吾人的知识,最大可获得的晶圆是1.5”晶圆且在265nm下透明率为约60%。为用作UV发射器,采用对UV光透明的电极材料可能亦为必要的。常见电极材料氧化铟锡(ITO)是对深UV区不透明的。仍有其他问题,诸如蓝宝石基板/空气界面处的较大内反射,其导致经反射的深UV光于LED内部的较大吸收。因此,蓝宝石作为用于UVLED的基板是不理想的。因此,本专利技术是关于基于与半导体材料的薄膜相对的纳米线或纳米锥的UVLED。然而,UV纳米线(NW)LED已于文章Zhao,ScientificReports5,(2015)8332中提出,该文章讨论于Si上生长的氮极性AlGaNNW,它们是深UV发射器。应注意用于纳米线生长的方法要求GaNNW杆(stem)于Si支撑件上生长。尽管基于此等NW的LED的内部量子效率(IQE)相较于基于薄膜的LED得到改善,但EQE因硅基板及顶部接触件吸收所发射的光而仍较低。另外,此研究中所生长的纳米线被随机定位,从而导致NW的组成及尺寸的不均匀性,从而降低装置的性能。理想地,本专利技术者寻求优选地基于AlGaN、AlN或AlInGaN纳米线或纳米锥的UVLED。基于AlGaN或AlInGaN纳米线或纳米锥的材料是最适用于实现涵盖整个UV-A、UV-B及UV-C带的LED的材料。因此,本专利技术者提出涉及纳米线(NW)或纳米锥(NP)于石墨基板(诸如石墨烯)上的生长的解决方案。特定言之,本专利技术者考虑使AlN/AlGaN/AlInGaNNW或NP于石墨烯上生长。石墨烯既充当基板亦充当接触NW的透明且导电的接触件。由于石墨烯跨所有UV波长及(特定言之)对UV-C波长区透明,因此石墨烯可用作用于基于NW或NP的UVLED装置的底部接触件。此外,本专利技术者已知晓优选地装置设计涉及倒装芯片设计,其中底部石墨接触件/基板是用作LED的发射侧,因为其改善光提取(lightextraction)效率。另外,需要较高载流子注入效率以获得LED的较高外部量子效率(EQE)。然而,随着AlGaN合金中的Al组成增加而增加的镁受体的电离能使得难以于具有较高Al含量的AlGaN合金中获得较高空穴浓度。为获得较高空穴注入效率(尤其在由高Al组成的势垒层中),本专利技术者已设计许多可个别或一起使用的对策。纳米线于石墨烯上的生长是非新颖的。于WO2012/080252中,有对使用分子束外延(MBE)使半导体纳米线于石墨烯基板上生长的讨论。WO2013/104723涉及于‘252披露内容上的改善,其中石墨烯顶部接触件应用在于石墨烯上生长的NW上。然而,此等前述文献未涉及UVLED倒装芯片。最近,本专利技术者已描述于石墨烯上生长的核壳纳米线(WO2013/190128)。US2011/0254034描述于可见光区中发射的纳米结构化LED。该装置包括具有一组自基板凸出的纳米线的纳米结构化LED。该纳米线具有p-i-n结且各纳米线的顶部部分经亦可充当电极的光反射接触层覆盖。当在电极与光反射接触层之间施加电压时,光产生于纳米线内。然而,之前无人考虑基于在石墨烯上生长的纳米线(NW)或纳米锥(NP)的LED倒装芯片。
技术实现思路
因此,自一个方面可见,本专利技术提供一种发光二极管装置,其包括:在石墨基板上生长的多个纳米线或纳米锥,该纳米线或纳米锥具有p-n或p-i-n结,与该石墨基板电接触的第一电极;与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部接触的第二电极,其可选地呈光反射层的形式;其中该纳米线或纳米锥包括至少一个III-V族化合物半导体。在使用中,光优选地以大体上平行于纳米线的生长方向但与纳米线的生长方向相对的方向发射。自另一方面可见,本专利技术提供一种发光二极管装置,其包括:在石墨基板上(优选地通过该石墨基板上的可选空穴图案化掩膜的空穴)生长的多个纳米线或纳米锥,该纳米线或纳米锥具有p-n或p-i-n结,与该石墨基板电接触的第一电极;与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部接触或与第二电极接触的光反射层,该第二电极与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部电接触,该光反射层可选地充当第二电极;与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部电接触的第二电极,该第二电极在该光反射层不充当电极的情况下是必不可少的;其中该纳米线或纳米锥包括至少一个III-V族化合物半导体;且其中在使用中,光是自该装置以大体上与该光反射层相对的方向发射的。自另一方面可见,本专利技术提供一种发光二极管装置,其包括:本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种发光二极管装置,包括:在石墨基板上生长的多个纳米线或纳米锥,该纳米线或纳米锥具有p‑n或p‑i‑n结,与该石墨基板电接触的第一电极;与该纳米线或纳米锥中的至少一部分的顶部接触的第二电极,可选地,第二电极呈光反射层的形式;其中该纳米线或纳米锥包括至少一个III‑V族化合物半导体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.13 GB 1512231.0;2016.01.05 GB 1600164.61.一种发光二极管装置,包括:在石墨基板上生长的多个纳米线或纳米锥,该纳米线或纳米锥具有p-n或p-i-n结,与该石墨基板电接触的第一电极;与该纳米线或纳米锥中的至少一部分的顶部接触的第二电极,可选地,第二电极呈光反射层的形式;其中该纳米线或纳米锥包括至少一个III-V族化合物半导体。2.如权利要求1所述的发光二极管装置,包括:在石墨基板上生长的多个纳米线或纳米锥,该纳米线或纳米锥具有p-n或p-i-n结,与该石墨基板电接触的第一电极;与该纳米线或纳米锥中的至少一部分的顶部接触或与第二电极接触的光反射层,该第二电极与该纳米线或纳米锥中的至少一部分的顶部电接触,可选地,该光反射层充当该第二电极;可选地,与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部电接触的第二电极,该第二电极在该光反射层不充当电极的情况下是必不可少的;其中该纳米线或纳米锥包括至少一个III-V族化合物半导体;且其中在使用中,光自该装置以大体上与该光反射层相对的方向发射。3.一种光检测器装置,包括:在石墨基板上生长的多个纳米线或纳米锥,该纳米线或纳米锥具有p-n或p-i-n结,与该石墨基板电接触的第一电极;与该纳米线或纳米锥的至少一部分的顶部接触的第二电极,第二电极可选地呈光反射层的形式;其中该纳米线或纳米锥包括至少一个III-V族化合物半导体;且其中在使用中,光被吸收于该装置中。4.如任何前述权利要求所述的装置,其中该纳米线或纳米锥是通过该石墨基板上的空穴图案化掩膜的空穴来生长的。5.如任何前述权利要求所述的装置,其中该纳米线或纳米锥是外延生长的。6.如任何前述权利要求所述的装置,其中该基板是石墨烯。7.如任何前述权利要求所述的装置,其中该基板的厚度高达20nm。8.如任何前述权利要求所述的装置,其中该基板是具有多达10个原子层的石墨烯。9.如任...

【专利技术属性】
技术研发人员:达萨·L·德赫拉杰金东彻比约恩·奥韦·M·菲姆兰黑尔格·韦曼
申请(专利权)人:科莱约纳诺公司挪威科技大学
类型:发明
国别省市:挪威,NO

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