CN101361198A - 用于一种固态发光器件的像素结构 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

用于一种固态发光器件的像素结构
对相关申请的交叉引用
[01]本发明要求于2005年12月28日提交的第60/754,185号美国专利申请的优先权，在此通过参考将其合并入本申请中。
技术领域
[02]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。
发明背景
[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。
[04]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4mm2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5mm。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。
[05]近期已经针对宽能带隙半导体材料或绝缘介电材料中形成的纳米颗粒的导电和发光性质进行了研究，旨在通过在绝缘材料内部形成纳米颗粒来提高原本呈现非常弱的导电性的宽能带隙介电半导体材料的导电性。通过施加适当的电场，可通过隧道效应过程形成电流，该效应将能量由所施加的电场高效地转移至纳米颗粒，并通过硅纳米颗粒内的碰撞电离过程激子形式保存该能量。激子可以辐射性地重新组合释放光子，该光子的能量由较宽能带隙材料内纳米颗粒的大小来决定，或者可由纳米颗粒向稀土元素掺杂剂转移能量，该掺杂剂将以某一特征波长释放光子。具有纳米颗粒的宽能带隙介电层构成了包含一定浓度的发光中心的光学有源层。可采用多种材料作为宽能带隙半导体或介电材料，包括氮化镓、氮化硅和二氧化硅。发光中心可由多种相容材料(包括硅、碳、锗及各种稀土元素)及其组合来生成。
[06]鉴于技术和经济原因，正在开发富硅氧化硅(SRSO)薄膜，旨在对硅基材料的高效率发光进行研究。SRSO薄膜由二氧化硅构成，且其中存在过剩硅，并可能在该氧化物中加入了稀土元素。过剩硅的量将决定薄膜的电学特性，特别是体电导率和介电常数。由于氧化物中存在过剩硅，该薄膜在高温下退火，使过剩硅结合成为微小的硅纳米颗粒，如散布于整个体氧化物薄膜基体的纳米晶体。硅纳米颗粒的大小和分布会受最初在沉积时所加入的过剩硅以及退火条件的影响。
[07]采用嵌入在较宽能带隙半导体或介电材料内的半导体纳米颗粒生成的光学有源层已在以下美国专利及美国已公布专利申请中进行披露，即2006年7月25日授予Hill的名称为“掺杂半导体粉末及其制备(Doped Semiconductor Powder and PreparationThereof)”的第7,081,664号和2006年10月17日授予Hill的名称为“固态白光发射器及采用该发射器的显示屏(Solid State White Light Emitter and Display Using Same)”的第7,122,842号美国专利，以及以下美国已公布专利申请：第2004/151461号，名称为“采用第IV族半导体纳米晶体制成的光放大器、平面光放大器、平面光回路以及平面激光器用宽带光泵源(Broadband Optical Pump Source for Optical Amplifiers，Planar OpticalAmplifiers，Planar Optical Circuits and Planar Optical Lasers Fabricated Using Group IVSemiconductor Nanocrystals)”，2004年8月5日以Hill名义公布；2004/214,362，名称为“掺杂半导体纳米晶体层及其制备(Doped Semiconductor Nanocrystal Layers andPreparation Thereof)”，2004年10月28日以Hill等人名义公布；以及2004/252,738，名称为“采用第IV族半导体纳米晶体的发光二极管和平面激光器(Light Emitting Diodesand Planar Optical Lasers Using IV Semiconductor Nanocrystals)”，2004年12月16日以Hill名义公布，这些在此作为参考文献引用。上述参考文献涉及活性半导体层的不同形式，以及活性半导体层的基本物理原理。因此，对于包含活性半导体层的固态发光器件的加工，在其实用解决方案的工业化或提供过程中所必需的结构要求的制定方面，并没有进行严肃的研究。
[08]参见图1，包含上述材料的一种实用发光器件1的常规实施方式会包括起始导电衬底2，如N+硅衬底，在其上将沉积厚度适当的、包含纳米颗粒的介电材料有源层3。向有源层3进行电流注入以及能够有源层3内所可能发出的任何光线将需要在有源层3上沉积透明导电电极。氧化铟锡(ITO)是目前在光电子器件中应用最广泛的透明导电氧化物，这得益于其出色的透光和导电特性。ITO是一种退化掺杂的半导体，其能带隙约为3.5eV。对ITO所测得的典型薄层电阻范围从最低10Ω/sq到远高于100Ω/sq。其导电性源于此材料中非常高的载流子浓度。ITO层4的逸出功测量值在4.5eV-4.8eV之间，具体取决于沉积条件。N+硅衬底2的逸出功为4.05eV。ITO层4与硅衬底2之间逸出功的差异将导致电子流注入的不对称，由此界面随阴极和注入电荷而发生偏置。逸出功主导着接触特性，对于任何电致发光器件的稳定和可靠工作都非常重要。
[09]随后，将进行一个金属化步骤，分别在ITO层4和衬底2上生成欧姆接触5和6，用于电流注入。正常工作将需要施加大电场，由此形成的电流将包含热能载流子，这可能破坏和改变光学有源层3及其任何界面的电子性质。
[10]作为事例，衬底2为0.001Ω-cm的n型硅衬底，其上沉积有约150nm厚的SRSO有源层3，该层掺杂有稀土元素以实现光学活性。透明导电电极4由300nm厚的ITO层生成。最后采用TiN/Al叠层来生成金属接触层5，以接触ITO 4的正面，而采用Al层6来接触硅片衬底2的背面。
[11]在SRSO有源层3内电场较小的情况下，不存在电流，该结构相当于一个电容器。在施加一个大于特征阈值电场的电场后，电子将可由N+衬底2经接触层6或由ITO电极4经接触层5注入SRSO有源层3，具体取决于其偏置情况。由于硅纳米颗粒而驻留于势阱中的电子会经历伴随场致势垒降低的热激发，穿过纳米颗粒阱的势垒，进入宿主SiO2基体的导带。一旦进入基体的导带，在所施加电场作用下，电子将在所经过的距离上被加速而获得动能。硅纳米颗粒之间的距离将决定每次跳变中电子的总能量增益。
[12]为了生成波长为545nm的绿光，SRSO有源层3可采用稀土元素掺杂剂铒或铽进行掺杂。545nm光子激发的相应能量约为2.3eV。对于有源层3内硅纳米颗粒之间由弹道输运所主导的电流，纳米颗粒之间的最大间距应小于5nm。对于4nm的间距，电场的最小幅度测得约为6MV/cm，在此值下传导电子会变得非常热，因生成大块氧化物陷阱，以及在硅衬底2与有源层3之间、有源层3与ITO层4之间的界面处因生成界面态而导致对纳米颗粒之间氧化物的相当大的破坏。ITO可能对约1MV/cm的大电场所造成的破坏表现敏感，该破坏被认为可能导致In2O3和SnO2的分解。如果ITO表面处的场强足够高，铟和/或锡离子会在近表面区内转移，并在有源层界面上聚集，这会导致局部逸出功降低。该区域对铟和锡的局部逸出功将分别被降至约4.4eV和4.2eV，这将导致ITO层4的电子注入特性显著提高，并由于局部电流错乱而形成热点，可能导致器件破坏。
[13]大电场对器件结构的第二种效应是在SiO2区的能带隙内形成被俘获的电子态，在有源层/硅衬底上形成界面态。SiO2区内陷阱态的生成将减小内部电场及SRSO薄膜的电流传导，从而要求施加更大的电场以维持恒定的电流。由衬底通过空穴注入或由碰撞电离过程也可以造成正电荷俘获。对于能量大于2eV的传导电子，通过阳极上氢修饰缺陷的释放而形成陷阱。氢在所施加电场下会向阴极漂移，在此形成可以俘获电子并限制电流的界面态。
[14]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(εSi＝11.9与εox＝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1.5mA/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，与常规照明技术竞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。
[22]此外，通过采用与标准集成电路兼容的工艺，本发明将能够在发光元件所处的同一块芯片上集成复杂的电子电路。
发明内容
[23]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；
[26]一组电极，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；
[28]由此与有源层结构相关的高场强区被后移并离开有源层结构与透明电极之间的第一接触区；
[29]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。
附图说明
[30]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图；
[33]图3为根据本发明、带有过渡层的发光器件的侧视图；
[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图；
[36]图6-18表示了图5中器件的加工步骤；
[37]图19示出了图5中器件的有源层结构的一种实施方式；
[38]图20示出了图5中器件的有源层结构的另一种替代实施方式；
[39]图21示出了图5中器件的有源层结构的又一种替代实施方式。
具体实施方式
[40]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℃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1x1020-5x1021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2000nm，优选厚度为1-20nm。上述某些衬底可选地具有电沉积导电层，其厚度可在50-2000nm之间，但优选在100-500nm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、钆、铒、铥、镱、钐、镝、铽、铕、钬或镥；然而它们也可以是锕系元素，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16一起可对有源层结构13施加交流或直流电。电流注入层14的厚度优选在150-500nm之间，其化学成分和厚度要使该半导体结构的电阻率小于70Ω-cm。在正面电流注入层14与顶部电接触层15(如Al)之间设置缓冲电接触层17(如TiN)。缓冲接触层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和缓冲电接触层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。
[43]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6MV/cm的电场以使1.5mA/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6MV/cm减小到2MV/cm以下。过渡层19a和19b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19b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200nm厚的SRSO有源层结构13，过渡层19a和19b在5nm-20nm范围内，优选为8nm-12nm，最优选为10nm，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。
场氧化物区
[46]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0.05um-1.0um)的富硅氧化硅层13(SRSO)和厚(如0.5um-5um)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。
[47]因此，参见图5，根据本发明在发光器件结构20中加入厚场氧化物(FOX)区21有利于生成比简单平面器件更高效的器件。如上所述，在FOX区21和衬底23上沉积具有发光中心的单个或多个SRSO有源层结构22或其他适用有源层。衬底23可以是逸出功为4.05eV的0.001Ω-cm n型硅衬底，而任何适用的衬底材料均足以满足条件。透明电极层24沉积在有源层结构22上。透明电极层24可以是包含上述氧化铟锡(ITO)或其他透明导电氧化物(TCO)的任何适用材料。所有金属互联和接触层26均应置于厚场氧化物区21上方，如直接置于其顶部，如图3中所示。这样做就是因为以金属覆盖有源层结构22的任何区域将不能通过金属接触层26发光，因此光将以不同方向散射，大部分均被损失。其结果是在金属接触层26下方区域内注入的电流也被浪费，并会降低系统的外部效率，因为它不会导致任何有用的光输出。通过在厚场氧化物区21上金属接触层26下方布置所述区域，在金属接触层26下与之紧邻的部分就没有电流注入，因为底层厚场氧化物区21充当了电流的势垒。因此，有源层结构22的一个光学活性区将被限制在FOX区21之间的器件阱(device well)27内。在该光学活性区内，任何通过透明电极层24的电流注入都将有助于光的生成。
[48]如上所述，底部接触层28用于与上方金属接触层26一起生成电场。在有源层结构22与底部接触层28之间涂覆或沉积反射层29，用以将所有光反射回器件阱27。此外，过渡层31和32可以构成有源层结构22的一部分，分别为有源层结构22与衬底23和透明电极层24的界面提供阻挡层，如上文所述。
[49]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CFOX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。
[50]场氧化物区21提供针对垂向电流的势垒，并将电流限制在器件阱27内。场氧化物区21还会减小与金属接触层相关的寄生电容，最大限度降低器件总电容。
密封剂层
[51]为提高器件20的提取效率，在器件阱27上布置了密封剂层35。密封剂35由折射率与有源层结构22折射率紧密匹配的材料制成，从而可以基本上消除光发射器/密封剂界面上的全内反射，而不需要进行特别的表面处理。此类材料体系的一个例子是作为有源层22富硅氧化硅(SRSO)与作为密封剂层35的光学环氧树脂耦合。有源层结构22和密封剂层35均可采用折射率在1.4-1.7、优选1.5-1.6范围内的材料制成，因此采用适当的生产控制也可以将它们非常紧密地匹配。
[52]为了最大限度减小密封剂/空气界面上全内反射的量，密封剂35采用一个曲面或半球形上表面形成，由此其行为类似于透镜，从而可提供透镜功能。半球形状使得大部分光线可以在临界角以内射出密封剂35，从而避免了全内反射。在极限范围内，如有一个包含密封剂球体的假想器件，其精确中心处有一点光源，则光提取率将为100％，因为所有光线均以法向入射到表面，故而不论相对折射率如何，它们都不会被反射。密封剂35被制造为透镜形状的目的就是使以所需方向提取的光量最大化。
[53]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。
示例过程
[55]参见图6-18，根据本发明的制造方法从衬底23开始(图6)。在衬底23的相对两面采用干氧热氧化方式热生长衬厚约
Figure A20068005014100151
的垫氧化物层41a和41b，以在后续步骤中对衬底进行保护，如对金属接触层与衬底23进行电隔离(图7a)。采用适用的沉积技术(如LPCVD)在衬垫氧化物层41a和41b上沉积厚约
Figure A20068005014100161
的氮化物层42a和42b，如氮化硅(图7b)。
[56]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1μm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)。
[57]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1μm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1μm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。
[58]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0.05μm-1.0μm，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
Figure A20068005014100162
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。
[59]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
Figure A20068005014100171
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缓冲层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1nm-10nm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50nm-2000nm的厚度，更优选采用150nm-750nm的厚度，具体根据可用电压值确定。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59b(见图18)。
[61]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。
[62]在一个针对超晶格结构22的示例过程中，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。在沉积出适当厚度的第一过渡层59a之后，生长过程的半导体成分被调整为生成第一缓冲层52所需的值。之后半导体成分的浓度将在有源层51和缓冲层52所需值之间交替，直至有源层结构13内的所有层均得以沉积。一旦足够厚度的有源层结构13已被沉积，生长过程的半导体成分将被再次提高到最初使用的高值，并沉积出所需厚度的第二过渡层59b的。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。
[63]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。
[64]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缓冲层，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，纳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分别用缓冲层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，故缓冲层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中纳米颗粒的尺寸即层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d(单位为纳米)与激发能E(单位为电子伏)的理论关系由下式给出：
[68]E＝1.143+5.845/(d2+1.274d+0.905)-6.234/(d2+3.391d+1.412)；
[69]例如，对红光子(d＝2.9nm)为约1.9eV，对绿光子(d＝2.1nm)为约2.3eV，对蓝光子(d＝1.6nm)则为约2.8eV。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晶体的激发能相匹配(反之亦然)。
[70]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
[72]其中E0＝1.16eV，C＝11.8eV-nm2
[73]因此，红光发光层的厚度，即在氮化硅基体内有硅纳米晶体的有源层中纳米晶体的直径，为4nm，绿光层为3.25nm，而蓝光层则为2.6nm。
[74]缓冲层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便将纳米颗粒激发至正确的能量-在缓冲层68、69和70内获得的能量(以eV为单位测得)等于电场场强乘以缓冲层68、69或70的厚度。例如，对于所施加的5MV/cm的电场，缓冲层的厚度必须等于或大于3.8nm方可将纳米颗粒激发至1.9eV(1.9eV/0.5eV/nm＝3.8nm)，等于或大于4.6nm方可将纳米颗粒激发至2.3eV，或者等于或大于5.6nm以将纳米颗粒激发至2.8eV。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，介入缓冲层(如68)必须足够厚方可在较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。
[76]稀土离子可以加入有源层65、66和67或缓冲层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。
[78]缓冲层68、69和70应为最高质量，即高密度少缺陷，可采用此类材料实现，并可采用特定加工技术加工，由此可使器件寿命和可靠性在所施加的大电场下得以最大幅度提高。
[79]对于有源层65、66和67以及缓冲层68、69和70，有或无碳和稀土掺杂的富硅氧化硅以及二氧化硅分别是所设计的薄膜结构中的优选材料。其他材料体系，如用于有源层65、66和67的有或无稀土掺杂的富硅氮化硅以及用于缓冲层68、69和70的氮化硅，也可以在此设计结构中使用。同样包含发光中心的稀土氧化物也可以在有源层65、66和67中使用。
[80]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缓冲层68、69和70的厚度。例如，如果所施加电压为110V，则介电层69内所需的电场场强为5MV/cm(即0.5V/nm)，而所需的激发能为2.3eV，由此纳米颗粒层66厚度为2.1nm，缓冲层厚度为4.6nm，故重复层对66/69的总数为：
[82](110V)/(0.5V/nm)/(4.6nm)＝48层或对。
[83]通过重复相同的有源层和缓冲层对，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以及缓冲层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缓冲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”’优选由阴极处的缓冲层68和阳极处的纳米颗粒层67来终止。

Claims (23)

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缓冲层，所述第一缓冲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；其中所述第一缓冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第一缓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缓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
多个第二缓冲层，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；
其中所述第二缓冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第二缓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。
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缓冲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，所述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。
17.一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)在所述衬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缓冲层；其中所述第一缓冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第一缓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缓冲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缓冲层；
其中所述第二缓冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第二缓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缓冲层；其中所述第一缓冲层具有厚度，从而使电子在通过所述第一缓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)在所述第一缓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、所述过渡层和所述缓冲层进行退火，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缓冲层相同的材料；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、所述第一缓冲层和所述第一过渡层。
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