专利名称：用于固态光发射器的工程结构的制作方法
技术领域：
诸如以引用的方式并入本文的于2006年7月25日授权给Hill名称为"Doped Semiconductor Powder and Preparation Thereof'的美国专利第7,081,664号，于2006 年10月17日授权给Hill的名称为"Solid State White Light Emitter and Display Using Same "的美国专利第7,122,842号，于2004年8月5日以Hill的名义公开的名称为 "Broadband Optical Pump Source for Optical Amplifiers, Planar Optical Amplifiers, Planar Optical Circuits and Planar Optical Lasers Fabricated Using Group IV Semiconductor Nanocrystals"的公开的美国专利申请第2004/151461号，以Hill等的 名义于2004年10月28日公开的名称为"Doped Semiconductor Nanocrystal Layers and Preparation Thereof，的美国公开专利申请第2004/214,362号，以Hill的名义于2004 年12月16日公开的名称为"Light Emitting Diodes and Planar Optical Lasers Using IV Semiconductor Nanocrystals"的美国公开专利申请第2004/252,738号中所公开的现有 技术光发射器件，已经证实了前面所述的运用。 iv)需要通过热退火法减少离子注入损伤同时尽量使光学激发稀土最大化之间 的平衡；
013] v)由于实际输入能量，注入的离子不能深入薄膜，因此薄膜的厚度受到限制；
另一种用于获得掺杂的IV族半导体纳米粒子层沉积方法，包含共溅镀IV族半 导体和稀土金属，典型在氧等离子体中。此方法中，IV族半导体和稀土金属被放置 在目标衬底上，衬底接着被;汰置于真空室，暴露在氩子束中。氩离子束溅4度IV族 半导体和稀土金属，然后两者被沉积到一个接受硅晶片上。硅晶片上新形成的薄膜 接着进行退火以生长纳米粒子和光学激发稀土离子。通过此方法制作的掺杂的IV 族半导体纳米粒子层有如下缺点i)这些层没有很好的纳米粒子和稀土离子的一致 性分布；ii)这些层遭受由于稀土在薄膜里的团簇而带来的上变换效率损失；iii)稀 土薄膜在薄膜中的浓度限制在比0.1%略大的程度。图4是4艮据
图1的器件的替代超晶格半导体结构的横截面图。 具体实施例
031参考图l,本发明的实施例提供了一种电致发光固体器件1,其包括导电的衬底 11,例如N型或P型半导体晶片。发光薄膜结构20被沉积到导电村底11的顶部。 此发光薄膜结构包括一个或者多个具有发光中心(例如宽禁带半导体介电基质中的 半导体纳米粒子或其他半导体材料)的薄的有源层。该薄膜结构20可以通过诸如等 离子体化学气相沉积(PECVD),分子束外延生长，脉冲激光沉积，溅射以及溶胶-凝胶(sol-gel)方法的多种适合的方法中的一种沉积。上层的光透明电流注入(电 极)层21,例如、氧化锡铟(ITO),被沿着背面电接触25安装在薄膜结构20上， 从而使得可以将AC或DC电压施加到其上。优选的，透明电流注入层21的厚度从 150到500nm。优选的，电流注入层21的厚度和化学成分使得发光结构20具有 70ohm-cm以下的阻抗率(resistivity)。缓冲电接触22,例如TiN,被放置于透明电 流注入层21和上层的电接触23 (例如铝的金属)之间。緩冲层电接触22提供了在 前面的透明电流注入层21和上层的电接触23之间的欧姆接触，同时上层的电接触 23为引线结合接触提供了适合的表面。其他用于透明电流注入层21和緩冲电接触 的适合的材料也可以作为替代而使用。背反射器24可以放置于薄膜结构20和村底 ll之间以用于反射光，该反射光线在内部背朝发射表面，即透明的电流注入层21, 被发射到衬底11上。
032形成在薄膜结构20上的衬底11被选取以能够承受高达1000 。C级或更高的温 度。适合的衬底的例子包括硅晶片或者多晶硅层，二者中的任一个都可以被n掺杂 或p掺杂，例如具有lxl02Qto 5xl0"掺杂物每cm3,熔融石英，氧化锌层，石英， 蓝宝石碳化硅，或金属衬底。衬底11可以选择的具有热生长氧化层，该氧化层能达 到2000nm的厚度，优选lnm到20nm的厚度。衬底11可以选择的具有沉积的导电 层，该导电层的厚度在50到2000nm之间，但优选100到500nm之间。衬底的厚 度不关键，只要其热稳定性和机械稳定性得到保证。薄膜结构20包括一个或者多个有源层，每一层具有独立选取的成分和厚度，例 如半导体纳米粒子，诸如宽禁带半导体或介电基质中的IV族半导体(例如Si， Ge， Sn和PB),诸如IV族半导体(例如Si, Ge, Sn和PB )的氧化物或氮化物基 质，其具有或不具有稀土掺杂元素并且具有或不具有碳掺杂，这将在下文中描述。
作为替代，这些有源层可以包括稀土氧化物，或者其他具有被碰撞电离或者碰撞 激发的发光中心的半导体材料。通过使用具有不同成分的有源层，可以制备多颜色 的结构。例如，在一个单一结构中结合掺杂铒，铥和铕的半导体纳米粒子层提供了 可以发绿色(铽)荧光，蓝色(铈)荧光，红色(铕)荧光或其色彩组合(例如白 色)荧光结构。这些层可以作为分立的可控电路元件或者堆叠或者并排构造。对于由AC电压驱动的工程薄膜结构31， 一对电极52和53被置于从35到40 的堆叠层的相对的侧面。緩冲层38和40分别紧接着电极44和45，因为当电压振 荡时，电流将沿着两个方向流动。理想情况下，电极中有一个，例如电极52,是透 明的，例如ITO，并且反射层或涂覆层50被增加在两个电极之一 (例如电极53 ) 和剩下的从35到40的层堆叠之间，以通过透明的电极52将任何光反射回。
1040例如纳米晶体的纳米粒子的尺寸，几乎接近有源层35, 36, 37 (或上述的12, 14)的相等厚度，其中，它们占10% 在每一个有源层35， 36和37中的纳米粒 子的尺寸，即有源层35, 36， 37的厚度，根据特定能量激发而设定，以产生需要的 色彩的光发射。对于掺杂了稀土的氧化硅基质寄主(matrix host)中的硅纳米粒子， 纳米粒子直径d (单位为纳米)和激发能量E (单位为电子伏)之间的理论关系由 下式给出1.143 + 5.845/(f+1.274^+0.905) —6.234/(^ + 3.391^+ 1.412); E = E0+C/d2因此，发射红光的层的厚度，即位于具有硅氮化物基质中的硅纳米粒子的有源层 中的纳米粒子的直径，是4nm。对于发射绿光的层是3.25nm，发射蓝光的层为2.6nm。 [047没有纳米粒子的有源层的厚度一般被经验性地确定，这是基于光亮度和能量要求
间的折中。 一方面，如果有源层无限制地薄，那么整个层的能量就可以精确地得到， 并因此可以优化能量的匹配；但是，如果有源层无限制的薄，就不会有发光中心也 不会有光。有源层越厚，该层就可以越亮，因为每平方毫米(persqmm)会有更多 的发光中心；但是，能量不会在整个厚度上取得最优值，因此会有效率的损失。稀土离子可以被加入有源层35, 36和37，可以被加入緩冲层38， 39和40,或 二者都加入。优选的结构只在有源层35, 36和37中加入稀土，具有的浓度使得从 纳米粒子到稀土离子的能量转移效率可以最大化，并且被激发的稀土离子的辐射发 射效率最大化。由于涉及到复杂的物理过程，优化通常是经验过程。被置于纳米粒 子有源层中或与其邻近的稀土粒子种类需要被选取，从而使得辐射的波长与有源层 中的纳米粒子的激发能量相匹配(反之亦然)。稀土元素优选镧系元素，例如铈、镨 (praeseodymium )、《女(neodynium)、 4叵、4斗、镇、镇、衫、铜、4戈、铺或错。 但是，也可以选取辨类元素，例如钍。如果需要，其他掺杂物一般只被加入到纳米粒子有源层35， 36或37中，虽然他 们也可以被置于结构31内的任意地方。例如，因为观察已经确定测量到的纳米粒子 的激发能量不如理论预期的高，碳原子可以被用于提升转移到宽禁带半导体或介电 (例如氧化硅)基质中的稀土离子的纳米粒子的激发能量。本说明书中的所有出版物，专利和专利申请通过引用的方式并入本文中，正如每 个单独的出版物、专利和专利申请特别并单独的表明以引用的方式并入。任何引用 的出版物的公开先于申请日，并不能被理解为允许本发明不具有先于现有发明优点 的公开的资格。
权利要求
1.一种发光结构，其包括第一有源层，其包括一定浓度的发光中心，用于发射第一波长的光；第一介电层，其邻近所述第一有源层；以及一组电极，其用于将电场施加于所述第一有源层和第一介电层；其中，所述第一介电层具有厚度，因而当电子穿过所述第一介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第一有源层中的所述发光中心，从而发射所述第一波长的光。
2. 根据权利要求1所述的发光结构，还包含多个附加的第一有源层；以及多个附加的第一介电层，第一个介电层与第一有源层在所述电极组之间交替而形成 了第一堆叠。
3. 根据权利要求2所述的发光结构，其中，所述电极组由交流电流源供电；以及其中， 所述第 一介电层中的 一个被置于所述第 一堆叠的每一端，以确保当所述电场改变方向 时，在所有所述第 一有源层中的所述发光中心被激发。
4. 根据权利要求2所述的发光结构，还包含多个第二有源层，其每一个包含用于发出不同于所述第一波长的第二波长的光的一 定浓度的发光中心；以及多个第二介电层，所述多个第二介电层的每一个与所述多个第二有源层中的一个相 邻，而形成第二堆叠；其中，所述第二介电层具有厚度，因此当电子穿过所述第二介电层时从所述电场中 获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第二有源层中的所述 发光中心，从而发射所述第二波长的光。
5. 才艮据权利要求4所述的发光结构，其中，所述电极组由交流电源供电；以及其中，所 述第一介电层中的一个被置于所述第一堆叠的外端，所述第二介电层中的一个被置于 所述第二堆叠的外端，所述第一和第二介电层中较大的一个被置于所述第一和第二堆 叠之间，以确保当电场改变方向时，所有第一和第二有源层中的所述发光中心被激发。
6. 根据权利要求1所述的发光结构，还包含第二有源层，其包括一定浓度的发光中心，用于发射第二波长的光；以及 第二介电层，其邻近所述第二有源层；其中，所述第二介电层具有厚度，因此当电子穿过所述第二介电层时从所述电场中 获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第二有源层中的所述 发光中心，从而发射所述第二波长的光。
7. 根据权利要求4、 5、或6所述的发光结构，其中，具有或不具有附加波长的情况下， 所述第 一和第二波长被结合以形成白光。
8. 根据权利要求1到7中任一项所述的发光结构，其中，所述第一有源层包括分散在半 导体基质内的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第 一有源层的所述 厚度。
9. 根据权利要求8所述的发光结构，其中，所述半导体纳米粒子的所述直径相应于与所 述第一波长相应的所述半导体纳米粒子的所述激发能量。
10. 根据权利要求9所述的发光结构，还包含了第二有源层，其包括分散在半导体基质 中的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第二有源层的厚度；以及第二介电层，其相邻于所述第二有源层，其中，所述第二介电层具有厚度，因而当 电子穿过所述第二介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发 以激发能激发在所述第二有源层中的所述发光中心，从而发射与所述第一波长不同的第 二波长的光；其中，所述第二有源层中的半导体纳米粒子的所述直径相应于与所述第二波长相应 的所述第二有源层中的所述半导体纳米粒子的所述激发能量。
11. 根据权利要求IO所述的发光结构，还包含 多个附加第一有源层；多个附加的第 一介电层，第 一有源层在所述电极组之间与第 一介电层交替而形成第 一堆叠；多个附加的第二有源层；多个附加的第二介电层，第二有源层在所述电极组之间与第二介电层交替而形成第 二堆叠。
12. 根据权利要求11所述的发光结构，还包含多个第三有源层，所述第三有源层中的每一个具有在基质中以第三厚度限定的半导 体纳米粒子，在所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子的每一个的直径相应于所述半 导体纳米粒子的所述激发能量，其与不同于所述第 一和第二所需波长的第三波长相对应； 以及多个第三介电緩冲层，其与所述多个第三有源层互相分离，所述第三介电緩冲层的 每一个具有厚度，因而当电子穿过所述第三介电层时从所述电场中获得足够的能量，而 以激发能激发在所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子，从而发射所述第三波长的光。
13. 根据权利要求8所述的发光结构，其中，所述第一有源层掺杂了选取的第一稀土材 料，以辐射与所述第一有源层中的纳米粒子的激发能量相匹配的波长，因此能量被转移 到发射所述第一波长的光的第一稀土材料中。
14. 根据权利要求13所述的发光结构，还包含第二有源层，其包含了分散在半导体基质 中的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第二有源层的厚度，其中，所述第二有源层被摻杂了与所述第一稀土材料不同的第二稀土材料，其被选取从 而辐射与所述第二有源层中的所述纳米粒子的所述激发能量相匹配的波长，因此能量被 转移到发射所述第二波长光的所述第二稀土材料。
15. 根据权利要求14所述的发光结构，还包含 多个附加第一有源层；多个附加第 一介电层，其与所述第 一有源层交替而形成了所述第 一堆叠； 多个附加的第二有源层；多个附加的第二介电层，其与所述第二有源层交替从而形成了第二堆叠。
16. 根据权利要求15所述的发光结构，还包含多个第三有源层，每一个所述第三有源层具有在基质中以第三厚度限定的半导体纳 米粒子，所述第三有源层中的每一个所述半导体纳米粒子的直径基本等于所迷第三厚度， 所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子的所述直径对应于所述半导体纳米粒子的所述 激发能量，所述半导体纳米粒子的所述激发能量对应于与所述第一和第二所需波长不同 的第三波长；以及多个第三介电缓冲层，其将所述多个第三有源层相互分开，每一个所述第三介电緩 沖层具有厚度，因此，当电子从电场穿过时从所述电场中获得足够的能量，而以激发能 激发在所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子，从而发射所述第三波长的光。
17. 根据权利要求12或16所述的发光结构，其中，所述第一所需波长在红光波长的范 围内；其中，所述第二所需波长在绿光波长的范围内； 其中，所述第三所需波长在蓝光波长的范围内； 因此，由所述第一、第二和第三所需波长的组合发射出大致的白光。
18. 根据权利要求17所述的发光结构，其中，所述电极组包含第一透明电极和第二基电极；其中，所述发光结构还包含位于所述第二基电极和所述第一透明电极之间的反射层， 以通过所述第一透明电极将光反射回去。
19. 根据权利要求18所述的发光结构，其中，发射最长波长光的所述多个有源层被置于 在距离所述反射层最近处，以及发射最短波长光的所述有源层被沉积在距离所述第一透 明电极的最近处。
20. 根据权利要求1至19中任一项所述的发光结构中，其中，所述第一有源层包含位于 二氧化硅基质寄主中的IV族纳米粒子。
21. 根据权利要求1到19中任一项所述的发光结构，其中，所述第一有源层包含位于氮 化硅基质寄主中的IV族纳米粒子。
22.
23.
24. 根据权利要求1到7中任一项所述的发光结构，其中，所述第一有源层包含稀土氧 化物。
25. 根据权利要求1到7中任一项所述的发光结构，其中，所述电极组包含第一透明电 极和第二基电极；其中，所述发光结构还包含位于所述第二基电极和第一透明电极之间 的反射层，以通过所述第一透明电极将光反射回去。
全文摘要
一种发光器件工程结构，其包含了多个互相交替的有源层和缓冲材料层，这些层置于产生电场的AC或DC电极之间。这些有源层包含发光中心，例如Ⅳ族的半导体纳米晶体，发光中心位于基质中，例如宽禁带半导体或介电材料(诸如二氧化硅和氮化硅)。缓冲层则包含宽禁带半导体或介电材料，并且在所施加电场的方向上具有一定的厚度，从而使得电子在穿过时获得足够能量以在激发能量激发邻近有源层中的发光中心，从而有效的发射所需波长的光。
文档编号H01L29/12GK101361199SQ200680050151
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月22日 优先权日2005年12月28日
发明者E·史蒂文·希尔, 乔治·奇克, 伊恩·考尔德, 托马斯·马克埃尔维 申请人:第四族半导体有限公司