发光纳米线的串联电连接的制作方法
【专利摘要】一种光电装置，至少包括：形成在支撑体（58）上的第一和第二发光纳米线(60,62)，均包括空穴注入区(68,70)和电子注入区(72,74)；串联电连接包括：形成在支撑体（58）上的连接纳米线(82)，包括：与第一纳米线（60）的空穴注入区（68）一起形成电路径的第一域（84）；与第二纳米线（62）的电子注入区（74）一起形成电路径的第二域（90）；与第一和第二域（84，90）接触且能够使电流在第一和第二域之间流过的第三域（92）；连接第一纳米线（60）的空穴注入区（68）和连接纳米线(82)的第一域（84）的第一导电区（86），其与第二纳米线(62)电绝缘；连接连接纳米线(82)的第二域（90）和第二纳米线（62）的电子注入区（74）的第二导电区（88），其与第一纳米线(60)电绝缘。
【专利说明】发光纳米线的串联电连接
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于发光纳米线(nanowires)的光电装置,尤其涉及LEDs (发光二极管)。
【背景技术】
[0002]按照图示，LED包括电子注入半导体区，空穴注入半导体区，以及所谓的“有源(active)”半导体区，注入的电子和注入的空穴在有源半导体区福射复合(radiativelyrecombine)。
[0003]用于制备LEDs的第一代技术称为“平面技术(planar technology)”。因为平面技术引起了一系列问题，尤其是量子效率方面和/或所用的不同材料之间网格匹配(meshmatching)方面和/或对发射波长的限制方面的问题，已经开发出了基于纳米线的具有多量子讲限制结构(multiple quantum well confinement structures)的 LEDs。该纳米线，尤其是该纳米线的制备方法具有许多优点，尤其是:
[0004]当纳米线在基片(substrate)上生长时，有可能不同纳米线是用网格参数相互不匹配的不同材料制备的。由于硅是一种低成本基片，能够被制成大尺寸，具有传导性，因此硅被设想用于II1-N材料制备的纳米线的生长，这在平面技术中是不可能实现的。这种改进既有产品方面的优势，也有简化生产工艺方面的优势，尤其是电注入水平方面(electrical injection level)的优势；
[0005]由于自由表面(free surfaces)压力的放松，从而具有良好的晶体质量。因此，相对于平面结构，可以观察到非辐射复合中心数目下降了，尤其是观察不到位错(dislocations),位错对LEDs的量子效率有不利的影响；以及
[0006]更好的光提取，而没有使制备工艺变得复杂。
[0007]可以区分现有技术中用于形成LEDs的两种类型纳米线:
[0008]—种纳米线的有源区包括具有轴向外延(axial-epitaxy)多量子讲的限制结构(confinement structures),也就是沿着纳米线生长轴生长的限制结构；
[0009]—种纳米线的有源区包括具有径向外延(radial-epitaxy)多量子讲的限制结构，也就是在纳米线生长轴周围的区域(volume)内的限制结构。
[0010]图1是形成具有径向多量子阱的纳米LED10的纳米线实施例横截面示意图。纳米LED10是由娃η型掺杂的GaN层14 (GaN layerl4n_doped with silicon)制备的，形成在η+型掺杂的硅基片12上，具有由轴向多量子阱构成的有源区16，轴向多量子阱16由非故意掺杂GaN区18和位于非故意掺杂GaN区18上面的InGaN区20两者相互交替形成。镁P型掺杂的GaN区22进一步被放置在P型掺杂的AlGaN电子阻挡区24上面，电子阻挡区通常称为EBL (Electron Blocking Layer),电子阻挡区24本身被放置在有源区16的上面。
[0011]根据这种轴向几何结构，借助于基片12，通过区14和区22，电子和空穴被分别注入到有源区16，在有源区16的InGaN量子阱20内至少部分辐射复合。
[0012]图2是形成具有多量子阱、围绕芯层(core)34径向外延生长的纳米LED30的纳米线实施例横截面示意图，芯层34位于η+型掺杂的基片32上。纳米LED30包括由硅η型掺杂的GaN形成的芯层(core) 34和包层(shell)，包层包括具有径向多量子阱的有源区36，所述径向多量子阱由非故意掺杂的GaN区38和InGaN区40两者相互交替形成，EBL区域(volumm) 44包围有源区36，EBL区域本身被镁P型掺杂的GaN区域42包围。
[0013]区36、44、42进一步形成在电子绝缘层(insulation layer)46上，芯层34直接与基片32接触。
[0014]根据这种径向几何结构，借助于基片32，经过芯层34和区42，电子和空穴分别注入有源区36，在有源区36的InGaN量子阱40内至少部分辐射复合。如果一种纳米线结构中空穴和电子注入区中的一个形成至少部分包围包含了有源复合区的芯层的包层，这种纳米线结构通常被称为“芯层/包层(core/shell)”。
[0015]无论纳米线是轴向还是径向构造，纳米线阵列的电力供应(electric powersupply)通常是并联的。图3和图4描述了一种并联连接实施例，图3是包含纳米线10、30的阵列50的LED简化俯视图，在这种实施例中，阵列是3纳米线X 3纳米线，图4是图3中的A-A平面的简化剖面图。
[0016]如图所示，纳米线10、30被嵌入到由电绝缘材料组成的平面化层(planarizinglayer) 52，且在上电极54和下电极56之间并联连接，上电极54位于平面化层52的上面，下电极56位于基片12、32的下面，纳米级10、30在基片12、32上面形成。已经设计了许多种并联连接方案，其实施例如 US2005/0253138, US2007/0057248, US2008/0157057, W02008/048704, W02008/140611 和 TO2010/071594 中所记载。
[0017]为了使电流在纳米线中流动，所述纳米线不得不服从于(submitted)最低的电源供应电压，称为“阈值电压(thr e sho I d to I tage ) ”，其值依赖于形态特征(高度、直径等)、纳米线的结构特征(所涉及的半导体材料的掺杂水平、晶体质量、讲和势鱼(b ar r i e r s )的组分)以及具有纳米线的接触体(contact)的“局部”(local)质量。现在，由于形态和结构特征的分散(dispersion)，纳米线具有不同的阈值电压，从而不可能生产出完全一样的纳米线。
[0018]无论如何,纳米线的并联连接强加给所有的纳米线一个相同的势差(potentialdifference).因此，在纳米线的阈值电压有显著波动的情况下，很难甚至不可能同时使所有的纳米线转换到导电状态。而且，并联连接可能会引起纳米线短路。事实上，有缺陷的纳米线导致主要导电路径的产生，因此导致强泄漏电流的产生。由于纳米线尺寸很小，其直径通常为几纳米到几微米，高度通常为几百纳米到几十微米，因此这些缺陷更加关键，使得它们的性能对这些缺陷更加敏感。
[0019]而且，LED的光强度主要是它引导的电流强度的函数(function)，不是用于产生电极(electrode)的电源电压值的函数。如果一个几乎相等的势差被强加到所有的纳米线上，由于这些纳米线的性能差异，穿过这些纳米线的电流也可能不同，因此不同纳米线间有可能产生显著不同的发光能力。
[0020]同时，发光装置的串联连接是已知的，其实施例如US7535028和W02011/020959中所记载。但是，这些串联连接涉及到大横向尺寸的装置。因此，US7535028涉及到平面LEDs的串联连接，而W02011/020959涉及到插入到两个电极之间的聚集纳米线的LED装置的连接。[0021]由于纳米线的直径小，最先进的串联连接技术无法应用。尤其考虑到所涉及的尺寸和所用的生长方法，目前存在不可逾越的技术障碍。例如，很容易理解通过W02011/020959文献中的金线进行的串联连接不可能用于串联连接两根相邻的纳米线。类似地，很容易理解US7535028文献中记载的串联连接要求斜面(inclined sides)提供位于沟槽(trench)上面的金属接触位点,其不可能用于串联连接两根基本垂直的纳米线。
【发明内容】
[0022]本发明旨在提供一种电连接(electric connection),所述电连接能够串联发光纳米线。
[0023]为了实现上述目的，本发明旨在提供一种光电装置，所述光电装置至少包括:
[0024]形成在基片上的第一和第二发光纳米线，所述第一和第二发光纳米线均包括用于空穴注入的第一型半导体区和用于电子注入的第二型半导体区；
[0025]第一和第二发光纳米线的串联电连接包括:
[0026]ο形成在支撑体(support)上的连接纳米线以及包括:
[0027]Ca)第一域(region),所述第一域能够与所述第一纳米线的所述空穴注入区一起形成使电流流过的电路径(electric path)；
[0028](b)第二域，所述第二域能够与所述第二纳米线的所述电子注入区一起形成使得电流流过的电路径道；以及
[0029](C)第三域，所述第三域与所述第一域和所述第二域接触，使得电流从所述第一域和所述第二域之间流过；
[0030]O连接第一纳米线的空穴注入区和连接纳米线的第一域的第一导电区，所述第一导电区与第二纳米线电绝缘；以及
[0031]O连接第二纳米线的电子注入区和连接纳米线的第二域的第二导电区，所述第二导电区与第一纳米线电绝缘。
[0032]串联连接纳米线的主要困难在于空穴注入区和电子注入区被设置在相反的两端。两根纳米线的串联连接包括将一根纳米线的空穴注入区连接到另一根纳米线的电子注入区，因此需要穿过一个沟槽。本发明通过使用一种纳米线，可以很容易地穿过这个沟槽。因此，这个沟槽被穿过后，在串联连接其他元件的生产中没有进一步的技术障碍，也就是说，导电区例如但并非唯一地可以通过平面生产技术制备。而且，连接纳米线可能与需要连接的纳米线是同一种类型，因此能够与发光纳米线同时生产。
[0033]根据本发明的一个实施例，第一和第二发光纳米线均包括半导体芯层(半导体芯层的末端位于支撑体上，形成空穴注入区或电子注入区)以及半导体包层，所述半导体包层至少包围所述芯层的上端部分，且所述包层在所述空穴注入区和所述电子注入区中间形成其他区。换句话说，发光纳米线出现在所谓的“芯层/包层”结构中。
[0034]更具体地:
[0035]第一和第二纳米线的芯层是由第一导电型半导体材料制备的；
[0036]第一和第二纳米线的包层是由第二导电型半导体材料制备的；以及
[0037]连接纳米线至少包含一个由第一导电型材料制备的芯层。
[0038]根据这种改进，因此纳米线具有芯层/包层结构，包括:[0039]用于产生的电子/空穴对辐射复合的有源半导体区，也就是纳米线的芯层；
[0040]用于空穴径向注入所述纳米线或每一条纳米线的半导体区，也就是包层；以及
[0041]用于电子径向注入所述纳米线或每一条纳米线的半导体区，也就是，与支撑体相接触的芯层末端。
[0042]在此，“轴向注入”意味着电子主要沿着纳米线生长方向注入到有源区。例如，电子从纳米线的底端(base)注入。在此，“径向注入”意味着空穴主要经过纳米线的侧面(lateral surface)注入到有源区。例如，空穴注入区沿着有源区的高度至少部分包围有源区。
[0043]换句话说，提供电子轴向注入能够释放纳米线芯层用于有源区，从而使得有源区占据大部分的纳米线容量(bulk)。事实上，由于电子具有非常高的流动性，尽管注入表面面积很小，电子会占据有源区的全部空间。
[0044]然后，由于该装置是基于纳米线的，通过选择适当的纳米线高度，有可能获得良好的电荷载流子(charge carrier)限制,而同时限制电荷载流子的浓度，电荷载流子会引起“量子效率下降(efficiency droop)”,下面将会进一步详细解释。
[0045]然后，由于纳米线对网格匹配不敏感，纳米线高度的选择与形成有源区的半导体的组分选择相关，例如，基于GaN装置情况下的铟组分，尤其是想要获得适当的电流密度而量子效率不下降时。因此，发射波长具有更广泛的选择。因此，有可能制备基于在可视范围内发射的纳米线的LEDs，尤其是制备基于GaN LED情况下从蓝光到红光范围内发射的纳米线的LEDs，或者甚至是在纳米线芯层外延过程中，通过改变铟组分而形成发白光的LED。
[0046]而且，因为有源区占据了大部分纳米线容量，所以即使具有强注入电流密度，依据本发明的装置依然具有改良的内量子效率。
[0047]根据本实施例，连接纳米线包括第一型半导体芯层，所述芯层至少在分别形成连接纳米线第一域和第二域的第一部分和第二部分没有包层。尤其是，没有包层的连接纳米线芯层的第一部分包括与支撑体相反的纳米线末端。
[0048]换句话说，根据芯层/包层结构，连接纳米线本来是发光纳米线，其在与支撑体相反的末端被剥去了包层。因此，在由第一型半导体和第二型半导体相互交替，例如n-p-n-p交替形成的不同纳米线之间获得了电路径(electric path)。因此,能够在确定电流在纳米线间良好流动的同时制备纳米线。
[0049]根据一个实施例，连接纳米线是由导电材料制备的，因此提供低电阻率的电连接。
[0050]根据一个实施例，支撑体(support)包括电绝缘的平面化层(electrically-1nsulating planar layer),所述平面化层具有形成第二导电区的平面导电接触体(contact),所述接触体具有连接纳米线和形成在连接纳米线上的第二纳米线。
[0051]根据一个实施例，纳米线被嵌入到平面化电绝缘层，与支撑体相反的纳米线末端从所述平面化电绝缘层稍微突出，所述平面化电绝缘层具有形成第一导电区的导电接触体，所述导电接触体包围住第一纳米线和形成在第一纳米线上面的连接纳米线的突出末端。因此能够采用平面生产工艺。
[0052]根据一个实施例，该装置包括通过串联电连接而形成的发光纳米线串联网络。
[0053]根据一个实施例，该装置包括由至少两组(140，142)并联电连接的发光纳米线组成的发光纳米线网络，至少一组纳米线与其他组的纳米线通过串联电连接串联。[0054]本发明的目的还在于提供一种光电装置的制备方法，该光电装置至少包括形成在支撑体上的第一和第二发光纳米线，还包括其末端形成在支撑体(形成空穴注入区或电子注入区)上面的半导体芯层，以及至少包围住所述芯层上端部分的半导体包层，且所述半导体包层形成空穴注入区和电子注入区之间的其他区，所述方法包括以下步骤:
[0055]1.形成包含电绝缘层的支撑体，所述电绝缘层上面具有下端导电层；
[0056]2.在支撑体上形成三个相同的发光纳米线，每一个发光纳米线均包含第一型半导体芯层和第二型半导体包层，所述包层至少包围住所述芯层的上端部分，其中两个纳米线在电接触体上形成；
[0057]3.在支撑体上放置平面化电绝缘层，以包围纳米线，同时让纳米线的自由末端从所述平面化电绝缘层稍微突出；
[0058]4.去掉在下端导电层上面形成的两个纳米线之一的自由末端的部分包层，以露出它的芯层；以及
[0059]5.在所述平面化绝缘层上放置上部电接触体，以包围住不是在下端导电层上形成的纳米线的自由末端，且所述纳米线的自由末端已经被去掉了部分包层。
【专利附图】
【附图说明】
[0060]通过以下与附图相关的实施例的详细描述能够更好地理解本发明，在附图中相同的附图标记代表相同或相近的元件，其中:
[0061]图1是现有技术中具有轴向多量子阱的纳米LED的简化横截面图，如【背景技术】部分所述；
[0062]图2是现有技术中具有径向多量子阱的纳米LED的简化横截面图，如【背景技术】部分所述；
[0063]图3是并联电连接的形成LED的纳米线阵列的简化俯视图，如【背景技术】部分所述；
[0064]图4是图3中的阵列沿平面A-A的剖面图，如【背景技术】部分所述；
[0065]图5是两个芯层/包层型纳米LEDs (发光纳米线)串联电连接的简化横截面图；
[0066]图6a、6b、6c是由图2所示的纳米LED形成的连接纳米线的简化横截面图；
[0067]图7是具有有源芯层的纳米LED的简化横截面图，图8是从图7的纳米LED中获得的连接纳米线的简化横截面图；
[0068]图9是图7中的LED没有溢出(overflow)时最大电流密度表；
[0069]图10是一个实施例的简化横截面图，其中电力供应接触是在纳米LED装置的相同表面形成的；
[0070]图11是一个实施例的简化横截面图，其中纳米线形成在支撑体上，该支撑体包括常规的导电层；
[0071]图12是一个实施例的简化横截面图，其中纳米线形成在支撑体上，该支撑体包括常规的导电层，纳米线直接形成在该导电层上；
[0072]图13是一个实施例的简化横截面图，其中串联连接的上端接触体在纳米线很大一部分高度上形成；
[0073]图14是一个实施例的简化横截面图，其中串联连接的上端接触体没有覆盖纳米线的上端水平部分(upper horizontal portion)；
[0074]图15是一个实施例的简化横截面图，其中串联连接的上端接触体没有覆盖纳米线的上端水平部分，且芯层/包层型纳米LEDs的包层的水平部分(horizontal portion)被去掉了 ；
[0075]图16-22是根据本发明用于制备串联连接的第一种方法的简化横截面图；
[0076]图23是图1所示的纳米LEDs之间的串联连接简化横截面图；
[0077]图24和图25分别是一个串联连接纳米LEDs阵列的下端和上端接触体的简化俯视图；以及
[0078]图26和图27分别是两个串联连接纳米LEDs阵列的下端和上端接触体的简化俯视图。
【具体实施方式】
[0079]图5描述了用于电连接第一和第二纳米线的本发明电串联连接，所述第一和第二纳米线形成芯层/包层型纳米LEDs60、62，所述纳LEDs60、62在支撑体58上面串联。
[0080]如图所示，纳米LEDs60、62均包括:
[0081]芯层64、66，空穴和电子至少部分辐射复合的有源区位于芯层中；
[0082]第一型电荷载流子注入到有源复合区，例如空穴注入区的区68、70，所述区68、70形成至少沿着芯层64、66的部分高度包围住芯层64、66的包层；
[0083]第二型电荷载流子注入到有源复合区，例如电子注入区的区72、74，所述区72、74至少包括纳米LED的底部(foot)，也就是纳米LED靠在支撑体58上的末端；
[0084]在该描述的实施例中，电绝缘平面化层76形成在支撑体58上，纳米LEDs被嵌入到该电绝缘平面化层76中，但是它们与支撑体58相反的末端78、80 (以下称为“头部”)从层76中突出。
[0085]纳米LEDs60、62之间的串联电连接具有在第一纳米LED60的空穴注入区68和第二纳米LED62的电子注入区74之间建立电路径的功能，为了实现该功能，包括:
[0086]连接纳米线82，连接纳米线82形成在支撑体58上面，且除了头部84之外均嵌入层76 ；
[0087]形成在层76上的第一接触体86，电连接第一纳米LED60的头部78到连接纳米线82的头部84，且与第二纳米LED62电绝缘；以及
[0088]形成在支撑体58上的第二接触体88，电连接连接纳米线82的底部90到第二纳米LED62的底部74，且与第一纳米LED60电绝缘。
[0089]纳米LEDs60、62的性能可能改变很大，尤其当涉及到材料的性能以及空穴注入区68、70和电子注入区72、74的结构时。因此，按照功能来分，连接纳米线82至少可以被分成3个区:
[0090]包含纳米线82的头部84的第一区，其和第一纳米LED60的空穴注入区68 “电兼容，，(electrically compatible)；
[0091]包含纳米线82的底部84的第二区，其和第二纳米LED62的电子注入区74 “电兼容”；
[0092]位于连接纳米线82的头部84和底部90之间的第三中间区，使得电流从第一区84和第二区90中间流过。
[0093]在本发明中，电兼容性尤其意味着所涉及的不同区之间的电串联连接对电流的流动没有阻碍。尤其是，纳米LEDs60、62包括能够形成PN结的不同型半导体区。类似的，连接纳米线82也包括一种或多种半导体材料，下面将会有详细说明。因此，例如，纳米LEDs的电串联连接包括非串联连接的PN结和NP结，在这种情况下，存在与电流流动方向相反的串联连接首-尾(head-to-tail) 二极管。
[0094]之前对连接纳米线82进行了简单和功能性的描述。尤其是，其纳米线区可能是由不同的材料制备的，或者两个区甚至三个区是由相同的材料制备的。类似的，连接纳米线的3个区的轴向分布已经被描述过了。但是，一个或几个区在结构上可能至少部分径向分布。
[0095]图5也显示了下端和上端接触体94和96，接触体94和96分别与用于纳米LEDs的电力供应的第一纳米LED60的底部72和第二纳米LED62的头部80接触。如图所示，下端接触体94的一部分是自由的，使得它能够与电力供应连接。因为仅仅只显示了两个纳米LEDs60、62，该纳米LEDs在该实施例中也作为电串联连接的输入和输出终端。当然，根据上述方案，可以有多于两个的纳米LEDs进行串联连接。那么下端和上端接触体94和96分别与该串联连接最末端的两个纳米LEDs相连。下端接触体94优选但不是必须与第二接触体88具有相同的性能，第二接触体88将第二纳米LED62连接到连接纳米线82。类似的，上端接触体96优选但不是必须与第一接触体86具有相同的性能，第一接触体86将第一纳米LED60连接到连接纳米线82。
[0096]层76具有提供绝缘表面的功能，纳米线头部之间的电连接接触体形成在绝缘表面上。当然，任何能够具有该功能的装置均适用本发明。
[0097]现在详细描述本发明的几个实施例，需要理解的是，在某一个实施例中描述的连接纳米线相关的特征可能与另一个实施例中支撑体的特征相结合。类似的，在某一个实施例中描述的电力供应接触体的特征可能替换另一个实施例中电力供应接触体的特征。
[0098]依据第一个实施例，连接纳米线82是由导电材料制备的。例如，连接纳米线82是金属，其既能够获得高质量的连接，也能够与任一类型的纳米LED完美兼容，不管空穴注入区和电子注入区的结构和材料是什么样的。
[0099]但是该实施例具有使纳米LEDs阵列的制备工艺变得复杂的缺陷，因为必须提供两种类型的制备工艺，一种用于制备纳米LEDs，另一种用于制备连接纳米线。
[0100]根据第二个实施例，连接纳米线即是纳米LED，纳米LED已被改装成能够用作连接纳米线。这使得能够在一个相同的生长过程中制备所有的纳米线、纳米LEDs以及连接纳米线。
[0101]图6a、6b和6c描述了将第二个实施例应用于图2所示的芯层/包层型纳米LEDs。
[0102]因此，纳米LED30经过了以下改装:从包层42的头部84去掉一部分包层42，尤其是至少去掉覆盖了纳米LED的芯层34的上表面100的包层42。因此露出芯层34，芯层34和形成纳米LEDs60、62的空穴注入区的包层42电兼容，芯层34被串联连接的第一区86，例如金属接触体86覆盖。
[0103]在图6a所示的实施例中，纳米LED30的顶部被去掉了以露出芯层34，而同时留下有源区36以及区域42、44与导电区86接触。
[0104]在图6b所示的实施例中，纳米LED30、区域42、区域44的顶部被沿着纳米LED30的部分高度去掉了，而留下有源区36与导电区86接触。
[0105]在图6c所示的实施例中，纳米LED30、有源区36以及区域42、区域44的顶部被沿着纳米LED30的部分高度去掉了，而避免有源区36与导电区86接触。
[0106]例如，支撑体58包括常见的绝缘基片102，串联连接的第二接触体88由导电层，尤其是金属层或与芯层34同样类型的重掺杂半导体层组成，第二接触体88位于绝缘基片102上面。
[0107]作为一种改进，第二接触体88包括了位于绝缘基片102上面的第一导电金属层或重掺杂半导体层104以及第二半导体层32，例如，类似于现有技术中使得纳米LEDs在其上形成的半导体层。最后，绝缘平面化层76，例如，是采用和绝缘层46相同的材料制备的。
[0108]优选地，所有的纳米LEDs是在这种类型的支撑体58上形成的。
[0109]为了提高发光率和降低基片102的吸收率，形成第二接触体88的金属层优选为由反射发射波长的金属制备，例如铝或者银。类似地，接触体88的金属层优选为基本覆盖常用基片102的整个表面，例如，金属层被整体放置在基片102上面，然后被蚀刻以分离第一纳米LED60的连接纳米线82。反过来，例如，如果为了满足应用的需要或者由于生产限制，而选择由能够吸收纳米LEDs发射的波长的金属来制备金属层，那么第二接触体88的表面应该选择尽可能的低。
[0110]图8描述了将第二个实施例应用于图7所示的芯层/包层型纳米LEDs。需要注意的是，图7所示的纳米LEDs可以并联，例如按照图3和图4所示的方式连接。
[0111]关于图7，纳米LEDl 10形成在支撑体58上，支撑体58包括通用的绝缘基片102，绝缘基片102上面有导电层111，例如金属或掺杂半导体层。作为改进，层111包括位于基片102上的第一导电层112，第一导电层112上面具有η型GaN层114。支撑体58的一部分，例如，是由上图6描述的金属或掺杂半导体制备的。
[0112]纳米LEDllO包括由II1-V或I1-VI家族，优选为ΙΙΙ-Ν家族半导体材料制备的芯层116。至少芯层116的上部被包层118包围住，包层118由与芯层116相同材料家族的ρ掺杂半导体材料制备而成，但是具有更大的能隙(energy gap)以使得空穴从包层118注入至IJ芯层116。包层118优选为与支撑体58相隔离，以避免上端电子接触体120和底部导电层111之间的任何短路。例如，包层118在支撑体58上方就截止了。最后，纳米LEDllO除了头部之外被嵌入到绝缘平面化层76以及形成在层76上面的电接触体120，例如电连接的区域86。
[0113]纳米LEDl 10按照以下方式操作。电子通过支撑体58上面的导电层111注入芯层116，空穴通过接触体120注入包层118。然后，注入的电子-空穴对在形成有源层的芯层116内至少部分辐射复合。
[0114]需要注意的是，电子注入是轴向的，在该实施例中，电子是通过纳米线底部注入，由于电子的流动性高，在电注入方面，电子注入没有限制。进一步，芯层116的任何一点，也就是有源区的任何一点在短于或等于芯层半径的距离上。因此，空穴注入表面面积非常大且非常靠近有源区的每一点。
[0115]在层111包括半导体层的情况下，该层优选为具有低电阻率，尤其是近似于
0.001 ohm/cm的电阻率，以减缓电子注入到芯层116，例如，该层是由厚度为400纳米的η+掺杂的GaN制备的。这样的层在另一方面可以支撑GaN纳米线外延。[0116]进一步,任何能够进行能量调节(energy-modulated)和能够通过纳米线形式外延生长的半导体材料都可以形成芯层116和包层118。例如，纳米LEDllO是由GaN制备的，芯层116是由非故意掺杂的InGaN制备的,包括低于IO16电子/cm3的低η型掺杂(residualn doping)，其具有根据纳米LEDllO发射的波长选择的铟组分。包层118是由铟组分低于芯层116的镁ρ型掺杂的GaN或者镁ρ型掺杂的InGaN组成的，包层118的材料的ρ型载流子(P carrier)的浓度近似于IO18空穴/cm3。
[0117]作为一种改进，纳米LEDllO是基于ZnO，芯层116是由ZnO制备的，P型掺杂包层118是由ZnMgO制备的，或者芯层116是由ZnCdO制备的，而包层118是ZnO制备的。
[0118]作为一种改进，纳米LEDllO是基于GaAlAs，芯层116是由GaAs制备的，P型掺杂包层118是由GaAlAs制备的，或者心层116是由InGaAs制备的，而包层118是GaAs制备的。
[0119]根据另外一种改进，纳米LEDllO是基于AlInGaP,芯层116是由AlGaInP制备的，包层118是由同样的材料制备的，但是具有更高的铝浓度。
[0120]上端接触体120对于纳米LED的发射波长是半透明的，可以由不同的层(stacks )形成，比如由Ni薄层和Au薄层形成或者由铟锡氧化物(indium-tin oxide, ITO)薄层形成。上端接触体120可能局部被厚堆层(comb)覆盖，例如厚一些的Ni层和Au层，以降低它的串联电阻。
[0121]由于上端接触体120对网格参数几乎没有影响，因此选择任何一种半导体材料均可以实现它的纳米线结构，在LED发射的波长方面有广泛的选择。
[0122]需要注意的是,纳米LEDllO具有双异质结构型(double heterostructure type)结构，因为它包括了由芯层116以及支撑体58的导电或半导体表面形成的第一异质结构，以及由芯层116和包层118形成的第二异质结构。
[0123]通过使用可以作为连接纳米线82的改装纳米LEDl 10，纳米LEDsl 10可以串联电连接，如图8所示。纳米LEDsIIO经过以下改装:从包层118的头部84去掉一部分包层118，尤其是至少去掉包层118覆盖住了纳米LED芯层116的上部表面121的部分。因此，露出芯层116，芯层116和形成纳米LEDsllO的空穴注入的包层118电兼容。串联连接的第一和第二域86、88分别是图7所示的域120和110。
[0124]与常规的纳米LEDs，例如图1和图2所示的纳米LEDs相比，纳米LEDsllO不需要EBL区。该区通常是必须的，以限制载流子与如图1和图2所示的多量子阱的结构一致(instructures with)。目前在形态、组分、厚度方面以及EBL区(AlGaN)的三元II1-N半导体掺杂(ternary II1-N semiconductors)方面进行完美地控制是必不可少的，以避免阻塞注入的空穴，从而制备出高效的纳米LED。进一步，与具有多量子阱的纳米LEDs相比，纳米LEDllO相对于纳米线的总容量(bulk)具有更大的有源复合区，这意味着内量子效率的提高。然后，因为纳米LEDllO没有量子阱，在纳米LED的效率大幅下降(量子效率下降现象)之前，可应用于纳米LED的电流密度更高。
[0125]例如，在串联连接的纳米LEDsllO阵列的情况下，且假设纳米LEDs是圆柱形的，填充系数(filling factor) F等于纳米LEDsllO底部总面积与支撑体面积的比率,可以依据以下关系式计算:
【权利要求】
1.一种光电装置，至少包括: 形成在支撑体(58)上的第一和第二发光纳米线(60，62)，所述第一和第二发光纳米线(60, 62)中的每个均包括用于空穴注入的第一型半导体区(68，70)和用于电子注入的第二型半导体区(72，74)； 所述第一和第二发光纳米线(60，62)的串联电连接包括: 形成在支撑体(58)上的连接纳米线(82)，所述连接纳米线(82)包括: (a)第一域(84)，所述第一域(84)能够与所述第一纳米线(60)的空穴注入区(68)—起形成电路径，所述电路径能够使电流流过； (b)第二域(90)，所述第二域(90)能够与所述第二纳米线(62)的电子注入区(74)—起形成电路径，所述电路径能够使电流流过；以及 (c)与所述第一域(84)和第二域(90)接触的第三域(92)，第三域(92)能够使电流从所述第一域和所述第二域中间流过； 连接所述第一纳米线(60)的空穴注入区(68)和所述连接纳米线(82)的第一域(84)的第一导电区(86)，所述第一导电区(86)与所述第二纳米线(62)电绝缘；以及 连接所述连接纳米线(82)的第二域(90)和所述第二纳米线(62)的电子注入区(74)的第二导电区(88)，所述第二导电区(88)与所述第一纳米线(60)电绝缘。
2.如权利要求1所述的光电装置，其中，所述第一和第二发光纳米线(60，62)均包括半导体芯层(64，66)，所述半导体芯层(64，66)的末端(72，74)形成在支撑体(58)上，形成空穴注入区或电子注入区；所述第一和第二发光纳米线(60，62)还包括半导体包层出8，70)，所述半导体包层(68，70)至少包围住所述半导体芯层(64,66)的上端部分，且所述半导体包层(68，70)形成空穴注入区和`电子注入区中间的另一区。
3.如权利要求2所述的光电装置，其中: 所述第一和第二发光纳米线(60，62)的芯层(116)是由第一导电型半导体材料制备的； 所述第一和第二发光纳米线(60，62)的包层(118)由与第一导电型相反的第二导电型半导体材料制备的；以及 所述连接纳米线(82)包括由第一导电型材料制备的至少一个芯层。
4.如权利要求2或3任一所述的光电装置，其中，所述连接纳米线(82)包括第一型半导体芯层，所述第一型半导体芯层至少在第一部分和第二部分上没有包层，所述第一部分和第二部分分别形成所述连接纳米线的第一域和第二域。
5.如权利要求4所述的光电装置，其中所述的没有包层的连接纳米线的芯层的第一部分包括与支撑体相反的纳米线末端。
6.如权利要求1~3任一所述的光电装置，其中，所述连接纳米线是导电材料制备的。
7.如上述任一权利要求所述的光电装置，其中所述支撑体(58)包括平面化电绝缘层(102)，所述电绝缘层(102)具有形成所述第二导电区的平面导电接触体(88)，所述导电接触体(88)形成在所述电绝缘层(102)上，所述接触体具有形成在所述接触体上面的所述连接纳米线(82)和所述第二发光纳米线(60)。
8.如上述任一权利要求所述的光电装置，其中所述纳米线(60，62，82)被嵌入到电绝缘平面化层(76)，与所述支撑体(58)相反的所述纳米线的末端(78，80，84)从所述层(76)稍微突出，所述层(76)具有形成所述第一导电区的导电接触体(86)，且所述导电接触体(86)包围住形成在所述支撑体上面的第一纳米线(60)和连接纳米线(82)的突出末端(78，84)。
9.如上述任一权利要求所述的光电装置，包括通过串联电连接的串联连接的发光纳米线网络。
10.如上述任一权利要求所述的光电装置，包括由至少两组(140，142)并联电连接的发光纳米线组成的发光纳米线网络，至少一组纳米线与另一组的纳米线通过串联电连接串联。
11.一种制备光电装置的方法，所述光电装置至少包括形成在支撑体上的第一和第二发光纳米线；所述光电装置还包括半导体芯层，所述半导体芯层的末端形成在支撑体上，形成空穴注入区或电子注入区；所述光电装置还包括半导体包层，所述半导体包层至少包围住所述半导体芯层的上端部分，且所述半导体包层形成空穴注入区和电子注入区中间的另一区，所述方法包括: 形成包括电绝缘层的支撑体，所述电绝缘层具有形成在所述支撑体上面的下端导电层； 在所述支撑体上形成3个相同的发光纳米线，所述的发光纳米线均包括第一型半导体芯层和第二型半导体包层，所述包层至少包围住所述芯层的上端部分，所述纳米线中的两个形成在所述电接触体上； 在所述支撑体上设置平面化电绝缘层，以覆盖住所述纳米线，同时让所述纳米线的自由末端从所述层中稍微突出； 去掉形成在所述下端导电层上面的所述两个纳米线中的一个的所述自由末端的一部分包层，以露出其芯层；以及 在所述平面化电绝缘层上设置上端电接触体，以覆盖住不是形成在所述下端导电层上面的所述纳米线的自由末端，且所述纳米线自由末端已经被去掉了一部分包层。
【文档编号】H01L33/06GK103620784SQ201280020829
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年5月10日 优先权日:2011年5月18日
【发明者】安妮-劳伦·巴维恩科吾, 菲利普·吉勒特, 皮埃尔·莫勒 申请人:原子能与可替代能源委员会