[发明专利]带有直立式纳米线结构的LED及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管LED。具体而言，本发明涉及包括纳米线的LED。

背景技术

当今发光二极管(LED)的主要类型是建立在平面技术上的。在基片上把PN结构造成多层从而给器件提供了基本水平的定向。发光复合发生在这些层的子集中。因为半导体层的折射率显著高于空气的折射率，所以生成光的很大部分会在这些层中反射并且不会对器件的有效发光有贡献。实际上这些层将作为LED的水平平面内的波导。已提出了若干措施来减轻LED光受陷于器件中的效应以及从半导体层中高效地提取光。这样的措施包括修改表面以便提供具有与水平面成不同角度的若干部分。EP1369935中提出了一种类似的方案，其中在LED器件中提供纳米大小的颗粒以对光进行散射或可选地吸收光以及生成不同波长的光。另外，平面技术在小型化和适当材料的选择方面存在约束，这将在下面进行描述。

纳米级技术的发展以及尤其是制作纳米线的能力开辟了以在平面技术中不可能的方式设计结构和组合材料的可能性。这一发展的一个基础在于纳米线的一维(1D)属性使得能够克服在用平面技术制造的器件中对不同材料之间的晶格匹配的要求。已经表明并加以利用，例如InP的纳米线能够无缺陷地生长在InAs或Si上。在Samuelson等人的US20040075464中公开了基于纳米线结构的多种器件，例如纳米线LED。这些LED具有给出量子限制效应的内部异质结构。

US20030168964教导一种多条纳米线的组件，所述多条纳米线作为成组地安装在纳米线的下端处的导电透明基片和顶端处的透明覆盖基片之间的LED，每个单独的纳米线具有P型、N型和发光层的结构。这些纳米线据称被布置成发射光透过导电透明基片。

先前已报导了其它的纳米线LED。Hiruma等人制造了垂直的GaAs纳米线pn LED。这些纳米线被嵌入在SOG中并且用Au/Ge/Ni顶接触进行覆盖，这是在Appl.Phys.Lett.60(6)1992中的Haraguchi等人的“GaAs p-n junction formed in quantum crystals”中描述的。这些器件表现室温电致发光。如在Nanoletters中的Quian等人的“Core/MultishellNanowire Heterostructure as Multicolor，High-EfficiencyLight-Emitting Diodes”中所描述的，还制造了基于GaN的纳米线LED。

发明内容

本领域已表明可以利用纳米线来构造LED。为了提供适合于工业生产方法的高效器件，还需要进一步的改进。

本发明的目标是要提供一种纳米结构化LED以及其制作方法从而克服现有技术器件和方法的缺陷。这是由权利要求1所限定的器件和权利要求29所限定的方法来实现的。

根据本发明的纳米结构化LED包括基片和从该基片突出的直立式纳米线。提供有源区以产生光的pn结在使用期间存在于该结构内。纳米线、部分纳米线或与纳米线结合的结构形成波导，以将在有源区中产生的光的至少一部分定向到由纳米线给定的方向。

纳米结构化LED还可以包括外延地连接到纳米线的体积元件(volume element)。体积元件提供高掺杂度以一般在纳米线内或靠近纳米线形成有源区而无需对纳米线本身进行掺杂。

能够以不同的方式来改进波导的导波特性。波导具有第一有效折射率n_w，而围绕至少一部分波导的材料具有第二有效折射率n_c，并且通过保证该第一有效折射率大于该第二有效折射率n_w＞n_c，给波导提供良好的导波特性。可以通过将光学活性(optically active)包层引到波导上来进一步改进导波特生。

由于本发明，可以利用所产生的光的很大一部分并且由此能够提供高效的LED。这至少部分是通过将纳米线用作波导、将所产生的光导出表面而实现的。根据本发明的纳米结构化LED非常适合于批量生产，并且所描述的方法可升级到工业使用。

纳米线作为波导的使用为将光定向明确限定的方向提供了可能性。通过使用来自光纤光学领域的概念，光束能够根据预计使用而被聚焦或分散。

纳米线技术在选择在常规体层技术中不可能的材料和材料组合方面提供了可能性。这在根据本发明的纳米结构化LED中被使用，来提供产生在常规技术不能获得的波长区内(例如紫色和UV)的光的LED。

根据本发明的设计允许在纳米线内包括异质结构以及不同掺杂的区，以便于优化电学和/光学特性。