用于一种固态发光器件的像素结构的制作方法

专利名称：用于一种固态发光器件的像素结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光器件，并且尤其涉及用于发光器件的像素结构，该发光器件可提 供实用的固态发光器件。
背景技术：
03制造用于照明和投射的发光系统，具备显著的优势，如能定制光源的形状，因为 光源和系统光学元件的形状提供一种对所合成光束进行精确成形的手段。所合成光束的 形状是发光系统的一个重要属性，特别是在汽车行业中固态车头灯的制造中更是如此， 如在2005年4月28日对Yatsuda等人公布的名称为"车灯(Vehicle Lamp)"的第 2005/088853号以及在2005年2月24日对Yasushi Yatsuda等人公布的名称为"光源和车 灯(Light Source and Vehicle Lamp)，，的第2005/041434号美国已公布专利申请中所披露 的。其工作原理是构造一排光源元件，光源元件被布置以形成当其与适当光学器件组合 时可产生某一光分布图案的发射形状和亮度分布。 然而，常规形状的发光器件必须由许多独立发光元件如LED构成，由于化合物 半导体加工技术所固有的局限性(如衬底与有源层之间的晶格失配)，通常不能以超过 约4 mn^的面积来构造发光元件。此外，由于需要对每个独立发光元件进行物理安装、 光耦合和电互连，各独立发光元件的相互间距通常不能小于5 mm。因此，所构造的发 射形状不能实现连续的照明区域，而且对单位面积上可获得的亮度存在固有的限制。此 外，该形状的精细度或平滑度受独立发光元件粒度限制，而且由于发光元件安装和相连 的物理约束条件，它们不能小于一定的尺寸。 所有这些效应均用于修改、在某些情况下是增强邻近有源层3的接触界面的内部 电场，这将导致发光器件1提早发生故障和破坏。
15提高SRSO有源层3内过剩硅的含量将导致两种情况发生第一，所生成薄膜的 介电常数将由于存在过剩硅而增大，即随着过剩硅体积浓度(ss产11.9与s。x= 3.9)的增 加，硅的介电常数将开始影响并最终主导整个SRSO材料的介电常数；第二，纳米颗粒 之间的距离将减小，导致所介入氧化物所形成的势垒变薄。如果此势垒厚度降至足够 小，则纳米颗粒之间的直接隧穿将出现增多。随着SRSO有源层3的过剩硅含量的提 高，纳米颗粒的密度将增加，纳米颗粒间的距离将减小，这将允许跨越该薄氧化物层势 垒的电子波函数的直接交迭增加，隧穿的可能性也会增加，即场强越小，导电性越高， 形成的电流就越大。此外，可预期由于ITO层4与N+硅衬底2之间的逸出功而导致的 电流注入不对称性也将会降低。由于这种直接隧穿的增多，支持给定电流所需的电场也 会降低。图2通过有源层在不同退火温度(如硅含量)下折射率与电场强度的关系图清 晰地示出了这一效应。通过有源层3强制施以1.5 mA/cm2的恒定电流密度，电场由厚度 决定。可以看到，以折射率增加示出的过剩硅含量的提高将导致维持恒定电流密度所需 的电场显著降低。大折射率SRSO有源层薄膜的这一特性将被用于提高光学活性SRSO 器件结构的可靠性和热电子电阻。
16本发明的一个目的是通过将富含纳米颗粒的层邻近电流注入界面布置，降低并控 制可能因热载流子及其与此器件运行间的相互作用而导致的有害影响，由此克服现有技 术的缺点。
17
当今用于制造固态发光器件的主流技术均采用各类第III-V族或第II-VI族化合物 半导体材料，如磷化铝镓铟、氮化铟镓。尽管这些材料被开发成可实现相对较高的内部
效率，与常规照明技术竟争所需的高整体能量转换效率仍然被证明是难以实现的。今天 最明显的限制是提取效率，该指标是对离开器件以实现有用辐射光的内部发光量的度 量。只有对提取问题提出可行的解决方案，固态技术方可在效率上超越常规技术，从而 获得普遍应用。因此，任何可以提高提取效率的方法对于固态照明产业都具有重要的意 义。
18在诸如LED等固态发光器中，光是在器件体内产生，或者某些情况是在一薄膜 内产生。当光离开器件向空气中辐射时，垂直于界面的光线将高效地发出；然而以超过 临界角的角度到达界面的光线则会发生全内反射，因此不能用作可用的辐射光，而是在 器件内发热浪费掉。光的浪费是限制当今固态发光器件提取效率的一个主要因素。损失 的量取决于发光材料折射率与外部介质(在实用情况下即空气)折射率之间不匹配的程 度。例如，对于折射率在2.5-4.0范围内的典型LED材料，对空气的提取效率仅为2%-4%。
19通常所使用的提高提取效率的最简单方法是使用折射率高于空气的透明材料对管 芯进行封装，这将降低由全内反射造成的损耗，因为折射率之间的不匹配程度会降低。 例如，通过采用折射率在1.5-1.6范围内的密封剂，常规LED材料的提取效率可以提高 到4%-10%的范围内，这是一定程度的改进，但仍然是非常低的效率水平。因此，仍然 需要进行大量的工作来找到其他降低全内反射损耗的方法，包括表面织构化、硅透镜化 以及边缘发射收集器。许多此类方法先前已被介绍，但它们往往都会大幅增加加工工艺 的成本和复杂度，而且通常不能提供优于2的改善因子。因此，采用先前所设想的任何 材料体系均不能在实践中实现高于20%的提取效率。
20上述昂贵且并不完善的机制试图在折射率不匹配的条件下优化提取效率。与之相 比，本发明的一个目的是实现完整或接近完整的提取，方法是采用折射率紧密匹配的材 料来制造密封剂和发光层，从而基本消除发光器与密封剂界面处的全内反射，而不需要 特别的表面处理。
21本发明的另一个目的是通过在单个半导体衬底上构造发光区来克服现有技术的缺 点，其中发光区的形状采用光刻法确定，这将使发光区连续或接近连续，也可实现任何 的尺寸，如长度和宽度从厘米到米的量级，包括构成弯曲几何形状的圆、椭圆、椭圆体 等的曲线或弓形线。因此，单位面积上的亮度可以被最大化；任何形状和形状分辨率可 以得以构建；而发光区的尺寸也可以大大紧凑，因为整个部件均采用单片方式构建。所 发出的光可以为任何颜色，包括白色。在本发明的一种变化形式中，发光区可以再细分为不同的区域，每一区域均有其自身的电连接，由此可实现改变光束形状的电子方式。 在一种进一步的变化形式中，这些不同的区域还可以发出不同颜色的光，因此还可通过 改变不同成分的相对强度来对所成光束的颜色进行电子控制。可用的调色板可以包括白 色，且包含对色温和显色指数的控制。因此，本发明涉及一种发光器件，它包括 [24衬底；
25] 被支承在衬底上的有源层结构，至少包括具备一定浓度的发光中心的第一有源 层，用于以第一波长发光；—组电极，包含上透明电极和第二底电极，用于对有源层结构施加电场；以及 [27]第一过渡层，位于上透明电极与有源层结构之间，其的导电性高于有源层结构顶 层的导电性； 从而可以减小生成所期望的、流经第一接触区的电流所需的电场，并减小与大场 强相关的有害影响。


下文将参照附图对本发明进行更为详细的介绍，附图所示为优选实施方式，其 中
31]图1示出了 一种常规的发光器件；
32图2不同富硅氧化硅有源层的折射率与电场强度关系33图3为根据本发明、带有过渡层的发光器件的侧视34图4所示为一三维仿真的结果，其中透明电极的边缘置于衬底上薄的富硅氧化硅
层和厚的场氧化物(FOX)区之上；
35]图5为根据本发明的一种发光器件的侧视36]图6-18表示了图5中器件的加工步骤；图19示出了图5中器件的有源层结构的一种实施方式； 参见图3，根据本发明的发光器件11包括一个合适的半导体衬底12,其上沉积 有有源层结构13。对在其上生成有源层结构13的衬底12进行选择以使其能够耐受 1000 。C或更高量级的高温。合适的衬底的例子包括硅片或多晶硅层(二者均可进行n 掺杂或p掺杂，采用如每立方厘米lxl(^-5xl0"个掺杂质的密度)、熔融石英、氧化锌 层、石英、蓝宝石碳化硅或金属衬底。上述某些衬底可选地具有热生长氧化层，该氧化 层厚度可达约2000 nm,优选厚度为1-20 nm。上述某些衬底可选地具有电沉积导电 层，其厚度可在50-2000 nm之间，但优选在100-500 nm之间。衬底的厚度并不重要， 只要保持热学和机械稳定性即可。
41有源层结构13可以由一个或多个包含发光中心的有源层组成，每一层均具备独 立选择的成分(composition)和厚度，如宽能带隙半导体(第IV族，如Si、 Ge、 Sn和 Pb)纳米颗粒或介电材料，如掺杂或不掺杂稀土元素及掺杂或不掺杂碳的第IV族(如 Si、 Ge、 Sn和Pb)氧化物或氮化物基体，下文将对其进行介绍。特别的例子包括采用 二氧化硅基体(SRSO)的硅纳米颗粒和采用氮化硅基体的硅纳米颗粒。作为替代选 择，有源层可以由稀土氧化物构成。通过采用具备不同成分的有源层，可以制备出多颜 色结构。例如，将铒、铥和铕掺杂的半导体纳米颗粒层组合在同一结构中，将可实现以 绿色(铽)、蓝色(铈)和红色(铕)或上述颜色组合发光的结构。有源层可以叠层布 置，也可以并排构造为可独立控制的电路元件。有源层结构13可以采用多种适用方法 之一进行沉积，如等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)、分子束外延、脉冲激光沉 积、溅射和溶胶-凝胶工艺等。稀土元素优选采用镧系元素，如铈、镨、钕、钷、钇、 铒、铥、镱、钐、镝、铽、铕、钬或镥；然而它们也可以是邻T系元素，如钍。 [42] 在有源层结构13装有顶部透明电流注入(电极)层14,如透明导电氧化物 (TCO),例如氧化铟锡(ITO),该层与底部电极16 —起可对有源层结构13施加交 流或直流电。电流注入层14的厚度优选在150-500 nm之间，其化学成分和厚度要使该 半导体结构的电阻率小于70 Q-cm。在正面电流注入层14与顶部电接触层15 (如Al) 之间设置緩冲电接触层17 (如TiN)。緩冲接触层17可在正面电流注入层14与顶部电 接触层15之间提供欧姆接触点，而顶部电接触层15则为引线接合接触提供了合适的表 面。对透明电极14和緩冲电接触层17也可以选用其他合适的材料。在有源层结构13 与衬底12之间可以提供后反射器18,以此将内部发出的射向衬底12的光反射回发光表 面，即TCO电流注入层14。 在常规发光器件中，光学活性SRSO层通常存在过剩硅含量，导致所测得的折射 率为1.5-1.6。接触界面上约需要6 MV/cm的电场以使1.5 mA/cm2的电子流流入该 SRSO层。通过在有源层结构13与衬底12和电流注入层14的界面上分别添加薄的阻挡 或过渡层19a和19b,特别是当有源层结构12包括由导电性相对较低的某种形式的宽能 带隙或介电材料构成的上、下层时，可使相同的电流流经光学有源层结构13，但注入界 面处如TCO 14与有源层结构13之间以及有源层结构13与衬底12之间的电场此时将由 6 MV/cm减小到2MV/cm以下。过渡层19a和1%在其生长过程中优选采用与有源层结 构13相同或类似的材料生成，但要具有更高的导电性，即有更高的材料含量和更高的 折射率，如折射率在1.9-2.3范围内的SRSO。然而，可以在过渡层19a和1%中置入其 他导电性材料，如金属等。过渡层19a和19b将显著提高电子由接触电极15和16向有 源层结构13中的注入效率，并减小由接触界面经直接隧穿造成的逸出功不对称度，这 可由电流所需电场的降低得出。过渡层19a和19b对与界面相关的热电子效应呈现更高 的电阻，还为电流注入层14和硅衬底12界面提供了防止局部电荷累积导致电场增强电 流注入的屏蔽。此外，它们还作为阻挡层，使与光学活性区相关的高场强区后移并且远 离接触界面。因此，添加过渡层19a和19b可以显著地提高器件11的可靠性和寿命。44对于200 nm厚的SRSO有源层结构13,过渡层19a和19b在5 nm-20 nm范围 内，优选为8 nm-12 nm,最优选为10 nm，即优选为有源层结构13厚度的2.5%-10%， 更优选为4%-6%,最优选为5%,此范围值将足以显著减小界面处的电场场强。过渡层 19a和19b应使如上所述的高场强陷阱和界面生成问题得以降低，从而形成更为健壮且 效率更高的光学活性器件结构。
45在示例工艺中，生长过程的半导体(如硅)成分在沉积开始时被初始设置为一个 高值。该值根据所需的折射率确定，因此即由所需的过剩半导体(如硅)含量确定。在 沉积出第一过渡层19a的厚度之后，生长过程的半导体成分被调整为在有源层结构13 中生成一个或多个层所需的一个或多个值。 一旦有源层结构13沉积到足够的厚度，生 长过程的半导体成分将被再次提高到最初使用的高值，并沉积出所需的第二过渡层19b 的厚度。 一旦完成之后，生长过程就终止，对薄膜进行适当的退火，以便在有源层和过 渡层中形成半导体纳米颗粒，如硅纳米晶体。
场處化參^" 二维仿真的结果如图4所示，其中透明电极14 (如氧化铟锡(ITO))的边缘被 置于衬底12上薄(如0.05 um-l.O um)的富硅氧化硅层13 ( SRSO )和厚(如0.5 um-5 um)的场氧化物(FOX)区之上。ITO电极14的内缘将导致电场在薄SRSO氧化物层 13上的浓度增强。相反地，处于厚的场氧化物区(FOX)上方的ITO电极14的外缘则 呈现更为分散的潜在轮廓，提示ITO电极14的外缘上电场降低。这种扩散是由于场氧 化物FOX区的厚度增大所致。因此，当ITO电极14在SRSO层13上直接终止时，边 缘处的场强非常高，但当ITO电极14在FOX区上方终止时，边缘处的场强就要低得 多。仿真显示出了场氧化物对ITO边缘电场的影响。ITO电极被偏置为100V, E场强^ 10MV/cm。 当采用交流偏置时，由于与器件电容相关的位移电流，器件总电容可能使实时隧 穿电流难以测量。为减少此效应，在场氧化物层21上放置金属接触层26将减小与此区
域相关的寄生电容。由于场氧化物层21相对非常厚，如2-10倍、优选4-6倍于光学活
性(如SRSO)层23,单位面积的场氧化物电容Crox显著小于CSRSO。因此，总电容就
是Cfox和Csrso的串联组合，这将导致器件总电容和测得位移电流的幅值减小。在实践中，密封剂35将是一种专门为制造发光器件20而生产的透明环氧树脂， 其化学及其他特性应符合二者之间折射率条件下的应用。但从理论上讲，可以采用任何 透明材料，除理所当然的透明度因素之外，唯一与本发明相关的工作特性就是折射率。 它可以是一团透明的凝胶，或者是任何实际可用的材料，只要它为透明且折射率合适。 [54为了获得实际可用的总体效率，有源层结构22的构造必须确保它可以以实用的 效率水平发光，由此在无后反射器条件下，可以设计出总效率在30%-40%范围内的器 件，其理论最大值为50%,有后反射器时则为100%,这至少是先前可用材料体系可实 现效率的2倍。 ^W雄 在图8中，在顶部氮化物层42a的相对两侧对其进行加工，采用等离子体蚀刻法 向下蚀刻至衬垫氧化物层41a，仅保留其中心带。在衬垫氧化物层41a中心带两侧上的 开放区域中生长场氧化物区21。优选情况下，采用高热蒸汽炉生长构成场氧化物区21 的1 pm的热氧化物(图9)。采用短暂的湿法蚀刻去除氮化物层42a中心带上的任何被 氧化的氮化物，而后将采用短暂的等离子蚀刻去除氮化物层42a中心带上的任何残留氮 化物。之后采用湿法蚀刻将剩余的衬垫氧化物层41a从中心带上去除，以准备沉积有源 层结构22 (图10)。 图11示出了有源层结构22在场氧化物区21上以及向器件阱27内的沉积，此沉 积形成了自然倾斜的场氧化物过渡，即场氧化物区21的内缘(与器件阱27相邻处)基 本上与倾斜的上表面渐缩为一点。自然倾斜的FOX过渡起2个作用。首先，它们可以 实现良好的台阶覆盖(step coverage)。如果器件阱27上FOX区21的边缘为垂直台 阶，如lpm高，则后续任何薄膜层，如光学有源层结构22的一个底层，将必须至少有 lpm厚，方可在垂直台阶上加工出来。这样厚的膜将需要非常高的工作电压。通过采用 倾斜过渡，可以沉积出厚度小得多的薄膜，且薄膜的连续性在台阶上得以保持。第二， 由于从器件阱27底部向上到场氧化物区21上的过程中氧化物逐渐变厚，TCO 24与衬 底23之间的垂向电场将逐渐减弱。其结果是，不存在可能导致有源层结构22内击穿的 场集边(crowding)情况。 如上文参见图3和5和下文参见图19-21的规定，有源层结构22通常厚度为0.05 pm-1.0nm,并可包含一个或多个有源层，在其任何一侧有过渡层31和32。采用适当的 沉积方法(如PECVD )在有源层结构22上沉积厚约300 A的氮化物覆盖层43 (如氮化 硅)，用于在高温退火中保护有源层结构22的半导体纳米颗粒免遭意外氧化。在高温 退火之后，去除氮化物覆盖层43和原底部氮化物层42b (图12)。在有源层结构22上 方包括在场氧化物区21和器件阱27上方，沉积透明电极层24 (图13)。透明电极层 24优选经过一个退火步骤，如在空气中，这将获得较高的电阻率均匀度且电阻率下降较 多。此外，该退火步骤还可提供适用于下一步骤的更为一致的蚀刻性能以及更为平滑的 蚀刻型面。 从透明电极层24的相对的边缘上去除(即被蚀刻掉) 一个窄条，从而形成肩部 44 (图14),并实现器件的横向隔离。接下来，在透明电极层24上沉积另一层氮化物
层46,如氮化硅，其厚度可达1500 A,以填充肩部44 (图15)。场氧化物区21上方 的氮化物层46窄条被去除，如被蚀刻掉，以提供金属接触层26的开口 (图16)。图 17示出了在氮化物层46内条带上沉积TiH或镍胶/势垒层47,以固定其金属接触层 26。在底部金属接触层28 (如铝接触层)固定之前去除底部衬垫氧化物层41b。反射涂 层29可以在其安装之前置于衬底23的底部或底部金属接触层28上。 [60超晶格结构是由本发明的一种实施方式实现的一类优选有源层结构22，，它以图 19示例示出，其结构包含多个有源层51,如半导体纳米颗粒，以宽能带隙半导体或介 电材料緩冲层52如二氧化硅隔离，即与之交叉布置，并支承在衬底23上。每个有源层 51的厚度均在1 nm-10 nm之间。有源层结构22，可以构成设计用以发射不同波长光的有 源层51,由此各波长的组合将产生所需的输出光，如白光。发射不同波长光的各层(如 因掺杂有不同稀土元素)可以相互交替散置，也可以将多个发射相同波长光的层51堆 叠在一起置于另一组多个发射另一波长光的层51上。对超晶格结构的最大厚度没有限 制，但优选采用50 nm-2000 nm的厚度，更优选采用150 nm-750 nm的厚度，具体#4居 可用电压值确定。鉴于上文所述的原因，在衬底23与底部介电层52以及顶部介电层52 与透明电极之间可以分别添加过渡层59a和5% (见图18 )。 图19所示结构相互接触但没有介入层的相邻各层；然而，可以在不干涉所述层 的情况下得以利用附加层。因此，术语"涂层"和"接触，，并不排除附加介入层但非干涉层 的可能性。 通过在氮化硅基体中嵌入小的硅纳米颗粒，由于氮原子对纳米颗粒的表面钝化效 应，以及激子的电子与空穴波函数的强耦合效应，硅纳米颗粒的辐射寿命可以接近纳秒 和/或次纳秒量级。 在氮化硅基体内生成硅纳米颗粒的均匀沉积的SiNx薄膜中，该薄膜通常具有相 对较宽的尺寸范围，以及随机的空间分布，特别是在纳米颗粒之间的间距。此外，SiNx 薄膜内生成的硅纳米颗粒在承受较高温度时可能形成连接的小簇，这会影响发光效率。 此外这还会严重限制薄膜沉积之后的器件加工灵活性。纳米颗粒尺寸和间距的变化组合 可能对此类薄膜中形成的硅纳米颗粒结构的电致发光效率造成显著影响。65在硅纳米颗粒嵌入在氮化硅基体内的薄膜中，薄膜的导电性可能受到氮化硅基体 的高陷阱密度的显著影响，因此会对所注入的载荷子从电场获取能量而在硅纳米颗粒中 生成激子过程的有效性产生有害影响。然而，根据本发明所设计的结构则消除了上述所 有问题，它是在半导体氮化物的各有源层之间提供緩冲层，从而确保了纳米颗粒之间的 适当间距。此外，提供较薄的有源层即纳米颗粒尺寸，納米颗粒的尺寸也可以得到更精 确的控制。
66] 具体参见图20，根据本发明的另一种实施方式，有源层结构22，，包含设计的薄膜 结构，该结构由若干组织层的多种不同组合62、 63和64形成，其中有源层65、 66和 67分别用緩沖层68、 69和70隔开，由纯宽能带隙半导体或介电材料制成。对于所设计 出的由交流电压驱动的薄膜有源层结构22"，由于电流将随电压的交变而双向流动，故 緩冲层68和70分别置于有源层65和67与电极26和28之间。
67纳米颗粒如纳米晶体的尺寸约等于其所处的有源层65、 66和67的厚度。每一有 源层65、 66和67中納米颗粒的尺寸即层65、 66和67的厚度按照特定的激发能设计， 以产生所需颜色的光。对于掺杂有稀土元素的二氧化硅基体内的硅纳米晶体，纳米颗粒 直径t/(单位为纳米)与激发能￡ (单位为电子伏)的理论关系由下式给出 [68
1.143 + 5.845/(^+1.274^/+0.905)-6.234/(/ + 3.39W+ 1.412);对于第IV族元素(如硅)，无稀土元素掺杂的氮化硅基体内的纳米晶体，或对 于第IV族元素(如硅)，无稀土元素掺杂的二氧化硅基体内的纳米晶体，生成特定激 发能以使纳米晶体发出所需颜色光的激发能公式为 [71]E = E0+C/d2其中E0= 1.16 eV, C= 11.8 eV隱nm2 緩冲层68、 69和70的厚度与相邻纳米颗粒有源层65、 66和67内纳米颗粒的尺 寸紧密匹配。对于垂直于层65-70平面所施加的电场，电子必须从所施加的电场获得足 够的能量以^^将纳米颗粒激发至正确的能量-在緩冲层68、 69和70内获得的能量(以 eV为单位测得)等于电场场强乘以緩沖层68、 69或70的厚度。例如，对于所施加的5 MV/cm的电场，緩冲层的厚度必须等于或大于3.8 nm方可将纳米颗粒激发至1.9 eV (1.9eV/0.5eV/nm = 3.8nm)，等于或大于4.6 nm方可将纳米颗粒激发至2.3 eV,或者 等于或大于5.6 nm以将纳米颗粒激发至2.8 eV。对于所设计的由交流电驱动的薄膜有源 层结构22，其中相邻纳米颗粒层(如65和66)以不同波长发光，介入緩冲层(如68) 必须足够厚方可在车交高能量的层中激发纳米颗粒。
75对于二氧化硅基体内基于硅纳米颗粒且掺杂有稀土离子及其他杂质(如碳)的固 态发光器件，所设计的薄膜有源层结构22"在光通量(光输出功率)、效率(内部功率 转换效率和外部光视效能)、显色指数(CRI)、器件可靠性和寿命以及器件工艺性/成 本/成品率方面实现了巨大的进步。 稀土离子可以加入有源层65、 66和67或緩冲层68、 69和70,或者两者中都加 入。优选的结构仅在有源层65、 66和67内加入稀土元素，其浓度要使从纳米颗粒到稀 土离子的能量转移效率以及被激发稀土离子的辐射效率达到最大。鉴于所涉及的物理过 程的复杂性，通常根据经验优化。对置于纳米颗粒层内或紧邻其布置的稀土离子的种类 进行选择以使所辐射的光波长与层内纳米颗粒的激发能相匹配(反之亦然)。 [77] 如果需要其他杂质，则通常将仅被加入到纳米颗粒层65、 66或67内，尽管它们 可被置于有源层结构22，，内的任何地方。例如，由于在观察中已经确定，测得的纳米颗 粒激发能并不能达到理论预期水平，在宽能带隙半导体或介电材料(如氧化硅基体)中 可能需要碳原子来提高转移至稀土离子的纳米颗粒激发能。 任何层内纳米颗粒的密度均可通过在沉积过程中改变所述层内过剩硅含量以及改 变退火条件(如退火温度和时间)的方式加以改变。纳米颗粒层65、 66和67内的纳米 颗粒密度优选尽可能高，以提高所发光的强度，同时仍要保持在可能导致纳米晶体间相 互作用或纳米颗粒结块的密度以下。
81有源层结构22，，内重复层65-70的总数由将要施加到整个薄膜上的电压以及高效 和可靠工作所需的电场来决定。在一个简单的近似中，在纳米颗粒层65、 66和67上仅 有非常小的电压降，因此所需的层数将等于所施加电压除以电场场强再除以緩冲层68、 69和70的厚度。例如，如果所施加电压为110 V,则介电层69内所需的电场场强为5 MV/cm (即0.5 V/nm),而所需的激发能为2.3 eV,由此纳米颗粒层66厚度为2.1 nm,緩沖层厚度为4.6nm,故重复层对66/69的总数为 [82] (110 V) / (0.5 V/nm) / (4.6 nm) = 48层或对。
83] 通过重复相同的有源层和緩沖层对，所设计的薄膜有源层结构22，，可以发出单色 光。混合色(如白色)可以由所设计的有源层结构22，，发出，因为整个薄膜将针对每一 成分色包含若干层对。例如，组合在一起的N对活性/介电层可能包含k对针对蓝光的 65/68 、 m对针对绿光的66/69以及n对针对琥珀色/红色/橙色光的67/70,其中k + m + n =N。每一颜色层对(如65/68、 66/69和67/70)的数量可以有区别，以实现任何所需的 显色指数(CRI)。例如，暖白色需要红色对比蓝色对65/68多，而冷白色的要求则相 反。
84]对于白色或其他多色发光情形，以及后反射器29包括在结构内的器件20,优选 将最低能量(波长最长，如红光)发光层紧邻反射器29布置，最高能量(波长最短， 如蓝光)层紧邻发光表面布置。发射中间波长光(如绿光)的各层置于发射最长和最短 波长的层之间。
85
图21示出了一种由直流电即阳极62和阴极63所驱动的设计薄膜有源层结构 22，"。有源层65、 66和67以及緩冲层68、 69和70中的大多数均与所设计薄膜结构 22"中相同；然而，由于电子仅以一个方向运动，不同类型的有源层之间的介入援沖层 必须具备正确的厚度，以便将纳米颗粒层内的纳米颗粒激发到更接近阳极处。因此，所 设计的薄膜结构22"，优选由阴极处的緩沖层68和阳极处的纳米颗粒层67来终止。
权利要求
1.一种发光器件，其包含衬底；被支承在所述衬底上的有源层结构，所述有源层结构至少包括具有一定浓度的发光中心的第一有源层，所述第一有源层用于以第一波长发光；一组电极，其包含上透明电极和第二底电极，所述电极组用于对所述有源层结构施加电场；以及第一过渡层，其位于所述上透明电极与所述有源层结构之间，所述第一过渡层的导电性高于所述有源层结构的顶层的导电性；由此，与所述有源层结构相关的高场强区被后移并离开所述有源层结构与所述透明电极之间的第一接触区；从而可以减小生成所期望的、流经所述第一接触区的电流所需的电场，并减小与大场强相关的有害影响。
2. 如权利要求1所述的器件，还包含第二过渡层，位于所述衬底与所述有源层结 构之间，所述第二过渡层的导电性高于所述有源层结构的底层的导电性；由此与所述有源层结构相关的高场强区被后移并离开所述有源层结构与所述衬底之 间的第二接触区；从而可以减小生成所期望的、流经所述第二接触区的电流所需的电场，并减小与大 场强相关的有害影响。
3. 如权利要求1或2所述的器件，其中所述第一过渡层的厚度为所述有源层结构厚 度的2.5%-10%,以使从所述有源层结构产生的高能电子进行足够的冷却。
4. 如权利要求3所述的器件，其中所述第一过渡层的厚度为所述有源层结构厚度的 4%-6%。
5. 如权利要求1-4中的任何一项所述的器件，其中所述有源层结构包含第一緩冲 层，所述第一緩沖层包含与所述第一有源层相邻的宽能带隙半导体或介电材料；其中所 述第一緩冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第一緩冲层时从所述电场获得足够的能 量，以便通过碰撞电离或碰撞激发以足够的激发能激发所述第一有源层内的所述发光中 心以所述第一波长发光。
6. 如权利要求5所述的器件，其中所述有源层结构还包含与多个第一緩冲层交叉布 置的多个第一有源层。
7. 如权利要求6所述的器件，其中所述有源层结构还包含多个第二有源层，其包括一定浓度的发光中心，所述多个第二有源层用于以第二波长发光；和多个第二緩沖层，其包括与所述多个第二有源层交叉布置的宽能带隙半导体或介电 材料；其中所述第二緩冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第二緩沖层时从所述电场获 得足够的能量，以便通过碰撞电离或碰撞激发以足够的激发能激发所述第二有源层内的 所述发光中心以所述第二波长发光；其中所述第 一和第二波长组合起来形成所需颜色的光。
8. 如权利要求7所述的器件，其中所述电极组以交流电源驱动；且其中所述第一介 电层之一被布置于所述有源层结构的一端，所述第二介电层之一被布置于所述有源层结 构的另 一端，以确保所有所述第一和第二有源层内的所述发光中心在所述电场改变方向 时均被激发。
9. 如权利要求1-8中的任何一项所述的器件，其中所述第一有源层包含在其中嵌入 有半导体纳米颗粒的宽能带隙半导体或介电材料。
10. 如权利要求9所述的器件，其中所述过渡层包括半导体材料浓度高于所述第一 緩沖层的宽能带隙半导体或介电材料。
11. 如权利要求1-10中的任何一项所述的器件，还包含电连接至所述透明电极的金属电接触层，所迷金属电接触层用于向其施加所述电 场；和位于所述电接触层下方的场氧化物区，以将所述电接触层下方的电流注入减至最 小，从而使与所述金属电接触层相邻的有源层结构内的电流达到最大。
12. 如权利要求11所述的器件，其中所述场氧化物区具有倾斜的边缘，使得所述上 透明电极与所述衬底之间的垂向电场逐渐减小。
13. 如权利要求11所述的器件，其中所述场氧化物区的厚度为所述有源层结构厚度 的2-10倍。
14. 如权利要求1-13中的任何一项所述的器件，还包含位于所述透明电极上方的密 封剂层，其折射率与所述有源层结构的折射率紧密匹配，以减小它们之间的全内反射。
15. 如权利要求14所述的器件，其中所述密封剂层具有弯曲上表面，以对所发射的 光提供透镜效应，从而使被提取的光量达到最大。
16. 如权利要求1-15中的任何一项所述的器件，还包含位于所述底电极与所述有源 层结构之间的反射层，所述反射层用于经所述上透明电极将光反射回去。
17. —种用于生成发光器件的方法，其包括以下步骤a) 提供衬底；b) 在所述村底的上表面上沉积有源层结构，所述有源层结构包括具有一定浓度的 发光中心的有源层；c) 在所述有源层结构上沉积透明电极；d) 将金属接触层连接到所述透明电极上；以及e) 将底电极连接到所述衬底的下表面上；其中步骤b)包括在所述有源层结构与所述透明电极之间沉积第一过渡层，所述第 一过渡层的导电性高于所述有源层结构的顶层的导电性，由此与所述第 一 有源层相关的 高场强区被后移并远离所述有源层结构与所述衬底之间的第一接触界面；从而减小生成所期望、在所述衬底与所述第 一有源层之间流动的电流所需的电场， 从而减小与大场强相关的有害影响。
18. 如权利要求17所述的方法，还包括在所述金属接触层下方沉积场氧化物区，以 将所述电接触层下方的电流注入减至最小，从而使与所述金属电接触层相邻的所述有源 层结构内的电流达到最大。
19. 如权利要求17或18所述的方法，还包括在所述透明电极上方沉积密封剂层， 其折射率与所述有源层结构的折射率紧密匹配，以减小它们之间的全内反射；其中所述密封剂层具有弯曲上表面，对所发射的光提供透镜效应，以使被提取的光量最大化。
20. 如权利要求17、 18或19所述的方法，其中步骤b)包括沉积包含宽能带隙半导 体或介电材料、且与所述第一有源层相邻的第一緩冲层；其中所述第一緩冲层具有厚 度，从而使电子在通过所述第一緩冲层时从所述电场获得足够的能量，以便通过碰撞电 离或碰撞激发以足够的激发能激发所述第一有源层内的所述发光中心以所述第一波长发 光。
21. 如权利要求20所述的方法，其中步骤b)还包含沉积与多个附加第一緩沖层交 叉布置的多个附加第一有源层。
22. 如权利要求21所述的方法，其中步骤b)还包含沉积具有一定浓度的发光中心 的多个第二有源层，所述多个第二有源层用于以不同于所述第一波长的第二波长发光；和沉积包含宽能带隙半导体或介电材料、而与所述多个第二有源层交叉布置的多个第二緩冲层；其中所述第二緩冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第二緩冲层时从所述电场获 得足够的能量，以便通过碰撞电离或碰撞激发以足够的激发能激发所述第二有源层内的 所述发光中心以所述第二波长发光；其中所述第一和第二波长组合起来形成所需颜色的光。
23.如权利要求17所述的方法，其中步骤b)包括i) 在所述衬底上沉积具有过剩半导体材料的宽能带隙半导体或介电材料，以生成 所述第一有源层；ii) 沉积包含宽能带隙半导体或介电材料、且与所述第一有源层相邻的第一緩冲 层；其中所述第一緩冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第一緩冲层时从所述电场获 得足够的能量，以便通过碰撞电离或碰撞激发以足够的激发能激发所述第一有源层内的 所述发光中心以所述第 一波长发光；iii) 在所述第一緩冲层上沉积具有过剩半导体材料的宽能带隙半导体或介电材料， 以生成所述第一过渡层；并对所述有源层、所述过渡层和所述緩冲层进行退火，以便在所述第一有源层和所述 过渡层内生成半导体纳米颗粒；其中所述宽能带隙半导体或介电材料是与所述第一有源层、所述过渡层及所述第一 緩冲层相同的材料；且其中在沉积步骤i) 、 ii)和iii)之间对半导体材料的浓度进行调整，以区分出所述 第一有源层、所述第一緩冲层和所述第一过渡层。
全文摘要
本发明公开了一种发光器件，其包括沉积在衬底上的有源层结构，该结构具有一个或多个包含发光中心的有源层，如具有半导体纳米颗粒的宽能带隙材料。为实现从有源层结构的实用的光提取，在有源层结构上沉积透明电极，在衬底下方安置底电极。在上透明电极与有源层结构之间以及有源层结构与衬底之间的接触区上形成导电性高于有源层结构顶层的过渡层。因此与有源层结构相关的高场强区被后移并离开接触区，从而可以减小生成所期望的在透明电极、有源层结构与衬底之间流动的电流所需的电场，并减小与大场强相关的有害影响。
文档编号H01L33/00GK101361198SQ200680050141
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
发明者乔治·奇克, 伊恩·考尔德, 史蒂文·E·希尔, 托马斯·马克埃尔维 申请人:第四族半导体有限公司