专利名称：纳米线发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米线(nanowire)发光器件，具体地说，涉及一种采用半导体纳米线的新型发光器件及其制造方法。
背景技术：
通常，使用如图1所示的化合物半导体外延层，将半导体发光器件构造成PN结结构。也就是说，氮化物半导体发光器件10包括按其顺序层积在基板11上的第一导电型氮化物层14、多量子阱结构的活性层(有源层)15、和第二导电型氮化物半导体层。而且，第一电极18连接至第一导电型氮化物层14，而第二电极19连接至第二导电型氮化物半导体层17。
第一导电型氮化物层14、活性层15、和第二导电型氮化物层17的这种半导体外延层受到由于晶格常数和热膨胀系数的不同而造成晶体缺陷的损害，从而大大降低了器件的发光特性。晶体缺陷在氮化物半导体中表现的更严重。尤其是当要求含有比例相对高的In时，活性层15的InGaN层趋向于，使其波长由于生长期间的相分离而变短。这严重破坏了器件的可靠性。
此外，由于传统半导体发光器件发出不同波长的光，所以活性层需要具有不同组分。这表现为难以制造单片白光发光器件。
近来，使用纳米线或纳米棒(nanostick)取代刚才描述的外延层的结器件(junction device)已经得到充分研究。纳米棒是具有100nm直径的器件，其具有不同于大型结构(bulk structure)的物理特性。图2a示出了使用这种纳米线25的发光显示器20。
如图2a所示的显示器20具有透明基板21和通过绝缘结构29连接的覆盖基板(cover substrate)26。透明基板21具有由例如形成于其上的ITO制成的下电极层23，而覆盖基板26具有形成于其下面的上电极层27。纳米线25设置在绝缘结构29之间。纳米线25特征在于同轴电缆结构，其中，p-型半导体材料25a和n-型半导体材料25b形成于生长方向上，如图2b所示。当电压作用在上电极层27和下电极层23上时，纳米线25发出特定波长的光。通过形成于透明基板21下面的荧光层28，所发出的光可转变成所需波长。
但是，使用发出特定波长光的纳米线的上述方法，为了产生白色光，需要采用单独的荧光层。而且，当纳米线直接沉积作为PN结器件时，如图2a中所示，纳米线几乎无法小型化并难以以精确方式单独设置。
如上所述，纳米线发光器件几乎无法产生所需要的光，尤其是白色光，因此，未能发展成发光器件。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，提出了本发明，因此，根据本发明的某些实施例的目的在于，提供一种具有活性层的纳米线发光器件，其中，特定组分的半导体纳米线器件不均匀地分散到活性层中。
根据本发明的某实施例的另一目的在于，提供一种制造纳米线发光器件的方法。
根据为实现上述目的的本发明的一方面，提供了一种纳米线发光器件，包括第一和第二导电型包覆层(clad layers)和设置于其间的活性层，其中，第一和第二导电型包覆层和活性层中的至少之一是半导体纳米线层，其通过准备由半导体纳米线和有机粘结剂组成的混合物层并从其中除去有机粘结剂而获得。
优选地，至少一层是活性层。这里，活性层可以具有不同波长。例如，活性层的半导体纳米线包括发出不同波长光的至少两种类型的半导体材料。具体地，在制造白光发光器件的过程中，将半导体纳米线材料的波长组合产生白色光。
半导体纳米线包括氮化物半导体，该氮化物半导体具有以AlxGayIn1-x-yN表示的组分，其中，0≤x≤1且0≤y≤1。半导体纳米线在混合物中的体积比是70-95％。
优选地，为了连接至上覆层和下覆层，半导体纳米线具有的长度，相对于第一和第二导电型包覆层和包含半导体纳米线的活性层中的任一层的厚度而言，是1.5倍或更多。
根据本发明的实施例，提供了一种纳米线发光器件，包括第一和第二导电型包覆层和设置于其间的活性层，其中，第一和第二导电型包覆层和活性层中的至少之一是半导体纳米线层，其通过准备由半导体纳米线和透明导电聚合物组成的混合物层并固化该透明导电聚合物而获得。
半导体纳米线在活性层中的体积比是30-80％。半导体纳米线具有的长度，相对于第一和第二导电型包覆层和包含半导体纳米线的活性层中的任一层厚度而言，是1.5倍或更多。
优选地，透明导电聚合物包括从聚吡咯、聚苯胺、聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)(poly(3，4-ethylenedioxythiophene))、聚乙炔、聚苯、聚噻吩、聚(对-亚苯基乙烯)(poly(p-phenylenevinylene))、和聚(亚噻吩基乙烯)(poly(thienylen vinylene))组成的组中所选择的一种。
根据为实现上述目的的本发明的另一方面，提供了一种制造纳米线发光器件的方法，该纳米线发光器件包括第一和第二导电型包覆层和设置于其间的活性层，其中，第一和第二导电型包覆层和活性层中的至少之一通过以下步骤形成准备由半导体纳米线和有机粘结剂组成的混合物层；以及对混合物加热/加压，以从其中除去有机粘结剂，从而形成半导体纳米线层。
混合物还包括用于均匀分散半导体纳米线的分散剂。涂覆步骤，通过包括选自由旋转涂覆、喷涂、丝网印刷、和喷墨印刷组成的组中的一种过程，得以实施，该涂覆步骤包括但不限于这些步骤。
根据本发明的另一实施例，提供了一种制造纳米线发光器件的方法，该纳米线发光器件包括第一和第二导电型包覆层和设置于其间的活性层，其中，第一和第二导电型包覆层和活性层中的至少之一通过以下步骤形成准备其中分散有半导体纳米线的透明导电聚合物；以及固化该透明导电聚合物。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更容易理解，附图中图1是示出了传统氮化物发光器件的横截面视图；图2a是示出了传统纳米线发光器件的横截面视图；图2b是示出了传统半导体纳米线的横截面视图；图3是示出了根据本发明实施例的纳米线发光器件的横截面视图；图4是示出了根据本发明另一实施例的纳米线发光器件的横截面视图；图5a和图5b是用于解释制造本发明中使用的纳米线的例示性过程的横截面视图；图6a至图6c是用于解释制造根据本发明的纳米线发光器件的例示性过程的横截面视图。
具体实施例方式
现在参照附图对本发明优选实施例进行详细描述。
图3是示出了根据本发明实施例的纳米线发光器件30的横截面视图。
如图3所示的纳米线发光器件30包括活性层35，插入到第一和第二导电型包覆层31和37之间；第一电极，连接至第一导电型包覆层31；以及第二电极，连接至第二导电型包覆层37。在该实施例中，第一和第二导电型包覆层31和37可以是通过传统沉积工艺获得的半导体外延层。但活性层35包含半导体纳米线35a。半导体纳米线35a没有构造成如图2b所示的PN结结构，但是由特定导电型材料或不掺杂质的半导体材料组成。在该实施例中，活性层35的半导体纳米线35a可以是能够发出特定波长光的半导体材料。例如，半导体纳米线是氮化物半导体，该氮化物半导体具有以AlxGayIn1-x-yN表示的组分，其中，0≤x≤1且0≤y≤1。
当然，本发明的半导体纳米线35a并不限于刚才所描述的材料，但可选地，可以包括其它GaAs-基或GaP-基半导体材料。
本发明可以采用由具有不同组分的半导体材料组成的两种类型的半导体纳米线，以形成单一类型的活性层35。活性层35从纳米线产生至少两种波长的光。而且，两种不同类型纳米线的量可以调整，从而易于设定对应波长的比例。
因此，这种活性层结构有利地适用于制造单片白光发光器件。例如，发出红色光、绿色光和蓝色光的半导体纳米线以适当的比例混合，以产生白色光。然后，如图3所示，形成单一活性层35，以制造所需的单片白光发光器件。
为了形成本发明中使用的半导体纳米线35a，将半导体纳米线和有机粘结剂的混合物涂覆到第一导电型包覆层31上，然后对混合物加热和/或加压，以从其中除去有机粘结剂。这里，优选地，使用分散剂来将半导体纳米线35a均匀分散到有机粘结剂中。有机粘结剂的除去使得仅剩下半导体纳米线作为一层。因此，优选地，以占混合物70-95％的体积比添加纳米线。由于除去有机粘结剂之后的孔隙比例增加，少于70％体积比的半导体纳米线造成结构不稳定。优选地，纳米线不超过95％的体积比，以获得足够的结合力。
此外，为了在活性层35中有效，半导体纳米线35a必须与第一和第二导电型包覆层31和37相接触。这种接触可以通过半导体纳米线的足够长度来确保。也就是说，具有的长度大于活性层厚度的纳米线35a可以在第一和第二导电型包覆层31和37之间相接触。优选地，半导体纳米线具有的长度，相对于包含纳米线的活性层35而言，是1.5倍或更多。
如刚才所述，使用有机粘结剂，使得半导体纳米线35a形成到活性层35中，但可选地，半导体纳米线35a可以形成到第一或第二导电型包覆层31或37中。
而且，本发明的包含微型结构纳米线35a的活性层35增加了传统大型结构上面的总活性面积。由此，该实施例的发光器件，对比同尺寸的传统器件，有利地呈现出更高的发光效率。
根据本发明的该实施例，活性层35包括半导体纳米线35a。可替换地，第一或第二导电型包覆层31或37可以类似于活性层35而形成。而且，该实施例提供了形成纳米结构活性层的方法，即涂覆有机粘结剂和半导体纳米线的混合物，并从其中除去有机粘结剂。在本发明的可替换方法中，每一层可以由其中分散有半导体纳米线的透明导电聚合物形成。图4示出了这样的实施例。
图4是示出了根据本发明另一实施例的纳米线发光器件的横截面视图。
如图4所示，纳米线发光器件40包括基板41、以及按其顺序层积在基板41上的第一导电型包覆层44、活性层45、和第二导电型包覆层47。
在该实施例中，只有第一导电型包覆层44可以是通过传统沉积工艺形成在基板上的半导体外延层。另一方面，活性层45和第二导电型包覆层47分别由半导体纳米线粉45a和47a以及导电聚合物45b和47b的混合物制成。这里，活性层45的半导体纳米线粉45a由不掺杂质的半导体组成，而第二导电型包覆层47的半导体纳米线粉47a由第二导电型半导体组成。
而且，活性层45的导电聚合物45b必须是透明的，但根据光出射(exiting)方向，第二导电型包覆层47的导电聚合物47b可以是具有低透光系数的聚合物。例如，当光朝向基板41出射时，导电聚合物47b不必是透明的。
在该实施例中，活性层可以形成为类似于图3的微型纳米线结构。本发明的发光器件比同尺寸传统结构呈现出更大的发光面积。活性层45的半导体纳米线45a与具有不同波长的至少两种类型的纳米线以适当比例混合，从而容易获得白光发光器件。
本方面某些实施例中使用的半导体纳米线没有构造成PN结结构，而是由发出特定波长光的单一组分半导体制成。例如，当用于活性层时，纳米线由能够发出特定波长光的单一不掺杂质半导体材料组成。同时，当用于特定导电型包覆层时，纳米线由具有对应导电类型的单一半导体材料组成。通过应用已知的制造技术，可以很容易获得这种半导体纳米线。
图5a和图5b是用于解释制造本发明中使用的半导体纳米线的例示性过程的横截面视图。
首先，如图5a所示，纳米尺寸的催化剂金属图案52形成在基板51上。催化剂金属图案52由诸如镍和铬的过渡金属制成，将过渡金属涂覆到基板51上并加热，以浓缩成纳米尺寸。
然后，如图5b所示，通过适当的沉积过程，半导体生长在催化剂金属图案52的每一区域上。半导体可以在催化剂金属图案52的每一区域上生长成纳米线53，该纳米线53的直径等于催化剂金属图案52的区域的宽度。将如刚才描述所生长的纳米线53进行收集，然后与导电聚合物和溶剂混合，以形成所需要的活性层或包覆层。
图6a至图6c是用于解释制造根据本发明的纳米线发光器件的例示性过程的横截面视图。不像图3和图4所示的发光器件，该实施例示出了一实例，其中，通过将导电聚合物与纳米线混合，形成第一和第二导电型包覆层以及活性层。
首先，如图6a所示，在基板61上涂覆将第一导电型半导体纳米线64a和导电聚合物64b混合在其中的糊状物。然后，进行热处理，以将糊状物固化到第一导电型包覆层64中。所采用的涂覆过程选自，由旋转涂覆、喷涂、丝网印刷、和喷墨印刷组成的组。不像图4，基板的目的不在于生长诸如氮化物半导体层的特定外延层，因此，可以利用传统的玻璃基板。
然后，如图6b所示，活性层65以类似方式形成在第一导电型包覆层64上。也就是说，在第一导电型包覆层64上涂覆具有图5a和图5b中制造的半导体纳米线65a和透明导电聚合物65b的糊状混合物。然后，进行热处理，以将混合物固化到活性层65中。
此后，如图6c所示，在活性层65上涂覆其中混合有第二导电型半导体纳米线67a和导电聚合物67b的糊状物。然后，进行热处理，以将糊状物固化到第二导电型包覆层64中。因此，根据本发明的该实施例，传统涂覆过程可以用于，方便地形成发光器件所必需的所有的层结构。
如上所述，根据本发明的优选实施例，半导体纳米线与导电聚合物适当地混合，以形成活性层或其它特定导电型包覆层，从而易于制造所需要的发光器件。本发明不需要生长外延层，从而克服了诸如晶体缺陷等的缺点。
尤其是，活性层的纳米线可以由发出不同波长光的两种不同类型的半导体材料组成，从而易于制造单片白光发光器件。
虽然结合优选实施例已经示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员来说很显然，在不背离所附权利要求限定的本发明精神和范围的前提下，本发明可以有各种更改和替换。
权利要求
1.一种纳米线发光器件，包括第一和第二导电型包覆层和设置于其间的活性层，其中，所述第一和第二导电型包覆层和所述活性层中的至少之一是半导体纳米线层，所述半导体纳米线层通过准备由半导体纳米线和有机粘结剂组成的混合物层并从其中除去所述有机粘结剂而获得。
2.根据权利要求1所述的纳米线发光器件，其中，所述至少一层是所述活性层。
3.根据权利要求2所述的纳米线发光器件，其中，所述活性层的所述半导体纳米线包括发出不同波长光的至少两种类型的半导体材料。
4.根据权利要求3所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线材料的波长被组合，以产生白色光。
5.根据权利要求1所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线包括氮化物半导体，该氮化物半导体具有以AlxGayIn1-x-yN表示的组分，这里，0≤x≤1且0≤y≤1。
6.根据权利要求1所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线在所述混合物中的体积比是70-95％。
7.根据权利要求1所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线具有的长度，相对于所述第一和第二导电型包覆层和包含所述半导体纳米线的所述活性层中的任一层的厚度而言，是1.5倍或更多。
8.一种纳米线发光器件，包括第一和第二导电型包覆层和设置于其间的活性层，其中，所述第一和第二导电型包覆层和所述活性层中的至少之一是半导体纳米线层，所述半导体纳米线层通过准备由半导体纳米线和透明导电聚合物的混合物所组成的混合物层并固化所述透明导电聚合物而获得。
9.根据权利要求8所述的纳米线发光器件，其中，所述至少一层是所述活性层。
10.根据权利要求9所述的纳米线发光器件，其中，所述活性层的所述半导体纳米线包括发出不同波长光的至少两种类型的半导体材料。
11.根据权利要求10所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线材料的波长被组合，以产生白色光。
12.根据权利要求8所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线包括氮化物半导体，该氮化物半导体具有以AlxGayIn1-x-yN表示的组分，这里，0≤x≤1且0≤y≤1。
13.根据权利要求8所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线在所述活性层中的体积比是30-80％。
14.根据权利要求8所述的纳米线发光器件，其中，所述半导体纳米线具有的长度，相对于所述第一和第二导电型包覆层和包含所述半导体纳米线的所述活性层中的任一层的厚度而言，是1.5倍或更多。
15.根据权利要求8所述的纳米线发光器件，其中，所述透明导电聚合物包括从聚吡咯、聚苯胺、聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)、聚乙炔、聚苯、聚噻吩、聚(对-亚苯基乙烯)、和聚(亚噻吩基乙烯)组成的组中所选择的一种。
16.一种制造纳米线发光器件的方法，所述纳米线发光器件包括第一和第二导电型包覆层和设置于其间的活性层，其中，所述第一和第二导电型包覆层和所述活性层中的至少之一通过以下步骤形成准备由半导体纳米线和有机粘结剂组成的混合物层，以及对所述混合物加热/加压，以从其中除去所述有机粘结剂，从而形成半导体纳米线层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一层是所述活性层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述活性层的所述半导体纳米线包括发出不同波长光的至少两种类型的半导体材料。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述半导体纳米线材料的波长被组合，以产生白色光。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述半导体纳米线包括氮化物半导体，该氮化物半导体具有以AlxGayIn1-x-yN表示的组分，这里，0≤x≤1且0≤y≤1。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述半导体纳米线在所述混合物中的体积比是70-95％。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述半导体纳米线具有的长度，相对于所述第一和第二导电型包覆层和包含所述半导体纳米线的所述活性层中的任一层的厚度而言，是1.5倍或更多。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，所述混合物还包括用于均匀分散所述半导体纳米线的分散剂。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述涂覆步骤，通过选自由旋转涂覆、喷涂、丝网印刷、和喷墨印刷组成的组中的一种过程，进行实施。
25.一种制造纳米线发光器件的方法，所述纳米线发光器件包括第一和第二导电型包覆层和设置于其间的活性层，其中，所述第一和第二导电型包覆层和所述活性层中的至少之一通过以下步骤形成准备其中分散有半导体纳米线的透明导电聚合物层，以及固化所述透明导电聚合物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述至少一层是所述活性层。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述活性层的所述半导体纳米线包括发出不同波长光的至少两种类型的半导体材料。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述半导体纳米线材料的波长被组合，以产生白色光。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述半导体纳米线包括氮化物半导体，该氮化物半导体具有以AlxGayIn1-x-yN表示的组分，这里，0≤x≤1且0≤y≤1。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述半导体纳米线，以占所述活性层30-80％的体积比，分散到所述透明导电聚合物中。
31.根据权利要求25所述的方法，其中，所述半导体纳米线具有的长度，相对于所述第一和第二导电型包覆层和包含所述半导体纳米线的所述活性层中的任一层的厚度而言，是1.5倍或更多。
32.根据权利要求25所述的方法，其中，所述透明导电聚合物包括从聚吡咯、聚苯胺、聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)、聚乙炔、聚苯、聚噻吩、聚(对-亚苯基乙烯)、和聚(亚噻吩基乙烯)组成的组中所选择的一种。
全文摘要
本发明提供了一种纳米线发光器件及其制造方法。在该发光器件中，形成有第一和第二导电型包覆层，活性层设置于其间。第一和第二导电型包覆层和活性层中的至少之一是半导体纳米线层，半导体纳米线层通过准备由半导体纳米线和有机粘结剂所组成的混合物层并从其中除去有机粘结剂而获得。
文档编号H01L51/56GK1921160SQ20061011201
公开日2007年2月28日 申请日期2006年8月25日 优先权日2005年8月25日
发明者文元河, 金东云, 洪钟波 申请人:三星电机株式会社