用于光发射的基于纳米线的光电器件制造技术

一种光电器件，其包括：活性半导体区域（84），其用于电子-空穴对的辐射复合，以至少一根纳米线的形式制成，所述纳米线由非故意掺杂半导体材料制成；半导体区域（88），其用于空穴到所述或每根纳米线中的径向注入，其由具有第一导电类型和比形成所述纳米线的材料的带隙小的带隙的掺杂半导体材料制成；以及半导体区域（82），其用于电子到所述或每根纳米线中的轴向注入，其由具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂半导体材料制成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光发射的基于纳米线的光电器件专利
本专利技术涉及用于产生光的基于纳米线的光电器件，特别是LED(发光二极管)。背景“平面”技术是当前被实现以基于III-V且特别是III-N材料并基于II-VI材料例如GaN、ZnO或GaAlAs来形成发光器件例如LED的技术，所述发光器件例如在蓝光谱域中发射或用于转换成白光。在平面技术中的LED通常通过连续的外延、特别是通过来自III-N族的半导体材料的层的MOCVD(金属有机化学气相沉积)形成。因此，参考图1(其为目前技术水平的平面LED10的简化视图)，n型硅掺杂GaN层12沉积在蓝宝石基底14上。由交替的非故意地掺杂GaN子层18和InGaN子层20产生的多量子阱所形成的活性层16沉积在n掺杂GaN层12上。通常称为“EBL”的p型掺杂AlGaN电子阻断层22进一步沉积掺杂在活性层16和p型镁掺杂GaN层24之间。最后，下部电接触层26和上部电接触层28分别在层12上和p型掺杂层24上形成，用于LED10的电连接。因此，借助于n型层12注入活性层16中的电子和借助于p型层24注入活性层16中的空穴至少部分地分别在活性层16中辐射地复合，多量子阱具有限制功能，如本质上已知的。光因此由活性层16发射。例如前面描述的基于III-N半导体和基于量子阱的平面LED遭受性能限制。首先提出载流子的电注入和电限制的问题。事实上，一方面，与电子移动性比较，空穴移动性非常小，而另一方面，由于激活p型掺杂GaN层24中的在此作为受主的镁原子很困难，并由于层24相对于层12的更高的电阻率，空穴以比电子低的浓度被注入。EBL层22因此对定位InGaN/GaN量子阱中的电子-空穴对的辐射复合是必需的。然而，EBL层22需要尽可能小心地被设计，特别是当涉及其能带、层16上的其异质外延生长、以及其三元材料含量时。事实上，拙劣设计的AlGaN层导致阻断通过p型掺杂层24注入的空穴，并因此导致使LED10变得低效。接着提出平面LED10的内部量子效率的问题。由于被称为“下降效应(DroopEfficiency)”的现象，对于大于10A/cm2的电流密度，可观察到LED效率的明显下降，这因此从需要大于200A/cm2的高电流密度的很多应用例如显示或照明中排除LED。更具体地，下降效应现象与由电子-空穴对的非辐射复合引起的损失的源相关，其中下列现象可被提到：■在InGaN/GaN量子阱中的富含铟的区域外部的电荷载流子的移位；■归因于局部位错和缺陷的损失；■由热效应引起的损失；■在InGaN/GaN异质结构之间的明显的压电极化，其产生电子-空穴对的空间分离和界面状态的出现；■通过直接或声子辅助机制的俄歇(Auger)复合；以及■由于从多量子阱逃逸的电子和这些阱中的低空穴浓度引起的低效的载流子注入。当载流子密度高时，这些损失都较大。为了降低下降效应并因此增加可应用于LED的电流密度而没有其效率的明显降低，在电子-空穴对的辐射复合区域中的电荷载流子的密度应降低。为此目的，N.F.Gardner等人的文章“Blue-emittingInGaN-GaNdouble-heterostructurelight-emittingdiodesreachingmaximumquantumefficiencyabove200A/cm2”(AppliedPhysicsLetters91,243506(2007))提出了通过如图2所示的双异质结构代替本性上即使对于低电流密度值也引起下降效应的多量子阱。如在平面LED30的这个简化横截面视图中所示的，InGaN/GaN多量子阱在这里被单个非故意掺杂InGaN层32代替，InGaN层32与层12和22一起形成双异质结构34。与具有图1的多量子阱的LED10比较，双异质结构LED30对大约200A/cm2的高电流密度具有增加的效率。事实上，InGaN材料的体积(其中电子-空穴对复合出现)的增加导致电荷载流子密度的降低，这是下降效应的主要原因。这种改进因此在大约440纳米发射的器件上被演示，双GaN/InGaN异质结构具有10nm厚度并包含大约14％的铟。然而，具有双异质结构30的平面LED也遭受基本限制。首先，遇到平面LED所特有的电子注入和有限的内部量子效率的一般问题，也就是说，EBL层22是必要的，并因此提出与前面描述的相同的问题，且活性区域32的体积与LED30的总体积比较减小了。此外，虽然双异质结构34有效地解决了以多量子阱的形式的结构内在的问题，但它有自己特定的问题。事实上，由于在InGaN层32和GaN层12之间的大的网格参数差异，即，大约10％的差异，很难使具有高铟浓度和/或大厚度的InGaN材料外延地生长。事实上，在称为“临界厚度”的厚度之外，晶体缺陷出现在InGaN材料内，所述缺陷由于它们产生的非辐射复合而引起内部量子效率的相当大的损失。因此，为了通过增加InGaN体积来获得LED30中的高电流密度，层32应具有低的铟含量，这限制了能够以蓝光光谱被发射的波长。在没有效率损失的情况下，平面双异质结构因此引入LED发射波长和可能的电流密度之间的强对抗。与平面LED技术并行地，通过外延生长尤其是通过MBE(分子束外延)外延或通过MOCVD外延特别制造的基于InGaN/GaN纳米线的LED是已知的。可在目前技术水平中区分开两种类别的基于纳米线的LED：-纳米线的活性区域包括具有使用轴向外延生长(即，沿着纳米线生长轴)的多量子阱的限制结构的LED，-以及纳米线的活性区域包括具有使用径向外延生长(即，在纳米线生长轴周围形成的容积中)的多量子阱的限制结构的LED。图3以横截面视图示意性示出具有轴向外延多量子阱的纳米线40的例子。纳米线40由n掺杂硅GaN区域44形成，GaN区域44在n+掺杂硅基底42上形成，在GaN区域44上形成由多量子阱形成的活性区域46，多量子阱由交替的非故意掺杂GaN区域48和InGaN区域50形成。p型掺杂镁GaN区域52进一步沉积在EBL区域54上，EBL区域54本身沉积在活性区域46上。根据该轴向几何结构，电子和空穴分别借助于基底42和区域52注入到活性区域46中，并至少部分辐射地在活性区域46中复合。图4以横截面视图示意性示出具有在n+掺杂硅基底62上通过径向外延生长的多量子阱的纳米线60的例子。纳米线60包括n掺杂硅GaN芯64，其由径向多量子阱所形成的活性区域66围绕，多量子阱由交替的非故意掺杂GaN区域68和InGaN区域70形成。EBL体积74围绕活性区域66，EBL体积74本身由p型掺杂镁GaN体积72围绕。区域66、74和72进一步在电绝缘层76上形成。根据该径向几何结构，电子和空穴分别借助于基底62和区域72注入到活性区域66中，并至少部分辐射地在活性区域66中复合。纳米线及更具体地其制造方法具有很多优点，其中：■基底上的纳米线的生长，每个由具有与另一个不匹配的网格参数的材料形成。因此，可为由III-N材料制成的纳米线的生长设想硅，硅作为导电低成本基底能够被制造成大尺寸，这在平面技术中是不可能的。这个变形在生产成本和制造方法的简化方面特别是在电注入方面有优点；■归因于自由表面处的应力松弛的良好的晶体质量。因此，与平面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.14 FR 1057330;2011.05.18 FR 11543131.一种发光二极管，包括：多根纳米线，所述纳米线直接形成在基底上，所述纳米线由非故意掺杂半导体材料制成，其中所述纳米线沿着每根所述纳米线的整个高度形成活性半导体区域，用于电子-空穴对的辐射复合；连续的第一半导体区域，所述连续的第一半导体区域用于将空穴径向注入到每根所述纳米线中，且所述连续的第一半导体区域部分地覆盖每根所述纳米线的与所述基底相对的部分，而不接触所述基底，所述连续的第一半导体区域由具有第一导电类型和具有比形成所述纳米线的非故意掺杂的半导体材料的带隙大的带隙的掺杂半导体材料制成；第二半导体区域，所述第二半导体区域用于将电子轴向注入到每根所述纳米线中，所述第二半导体区域由具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂半导体材料制成；以及上部欧姆电极和下部欧姆电极，所述上部欧姆电极形成在所述连续的第一半导体区域上，而所述下部欧姆电极形成为与所述基底接触；其中用于电子-空穴对的辐射复合的所述活性半导体区域由单独的II-VI类型的半导体材料制成；其中用于将空穴径向注入的所述连续的第一半导体区域由p掺杂II-VI类型的半导体材料形成；其中用于将电子轴向注入的所述第二半导体区域由n掺杂半导体材料形成；其中所述纳米线在由n掺杂半导体材料制成的基底上形成，而所述基底界定用于将电子轴向注入的所述第二半导体区域；或者，其中所述基底包括与形成所述活性半导体区域的材料同族的n掺杂半导体材料的连续层，所述连续层支撑所述纳米线，所述连续层界定用于将电子轴向注入的所述第二半导体区域；以及其中用于电子-空穴对的辐射复合的所述活性半导体区域的高度具有根据下面的关系式选择的最小值：其中F是纳米线填充因子，Joverflow是在没有电子饱和的情况下由纳米线承受的最大电流密度，NC是纳米材料的导带的有效状态密度，e是基本电荷，B是纳米材料的双分子复合系数，而WDH是所述活性半导体区域的高度的最小值，以及所述纳米线的用于电子-空穴对的辐射复合的所述活性半导体区域的高度范围在40纳米和5微米之间。2.如权利要求1所述的发光二极管，其中用于电子-空穴对的辐射复合的所述活性半导体区域的所述II-VI类型的半导体材料是非故意掺杂的ZnO；以及其中由p掺杂II-VI类型的半导体材料形成的、用于将空穴径向注入的所述连续的第一半导体区域由p掺杂ZnMgO制成。3.如权利要求1所述的发光二极管，其中用于电子-空穴对的辐射复合的所述活性半导体区域的所述II-VI类型的半导体材料是非故意掺杂的ZnCdO；以及其中由p掺杂II-VI类型的半导体材料形成的、用于将空穴径向注入的所述连续的第一半导体区域由p掺杂ZnO制成。4.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述纳米线具有范围在每平方厘米108和1010之间的密度；以及所述纳米线具有范围在50纳米和500纳米之间的直径。5.如权利要求4所述的发光二极管，其中所述纳米线具有4.109/cm2的密度、100纳米的直径，而所述活性半导体区域的高度是40纳米。6.如权利要求1所述的发光二极管，其中在所述活性半导体区域和所述连续的第一半导体区域之间没有电子阻断区域。7.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述纳米线包括用于电子的注入的n掺杂半导体材料的基部。8.如权利要求1所述的发光二极管，其中用于将空穴径向注入的所述第一半导体区域覆盖少于四分之三所述纳米线的外缘。9.如权利要求1所述的发光二极管，其中用于将空穴径向注入的所述第一半导体区域形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普·吉莱，安劳尔·巴文科夫，
申请(专利权)人：原子能与替代能源委员会，
类型：
国别省市：