CN104916746B - 具有嵌入纳米线led的led器件 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种纳米线器件和一种形成准备好拾取并转移到接收衬底的纳米线器件的方法。在实施例中，所述纳米线器件包括基底层和多根纳米线，所述多根纳米线在所述基底层的第一表面上并远离所述基底层的第一表面突出。封装材料侧向围绕所述纳米线器件中的所述多根纳米线，使得所述纳米线嵌入在所述封装材料内。

Description

具有嵌入纳米线LED的LED器件
技术领域
本发明涉及纳米线器件。更具体地讲，本发明的实施例涉及纳米线LED器件。
背景技术
发光二极管(LED)正越来越多地被视为现有光源的替代技术。例如，LED存在于标牌、交通信号灯、汽车尾灯、移动电子器件显示器和电视中。LED与传统光源相比的各种益处可包括提高效率、较长寿命、可变发射光谱以及与各种形状因数集成的能力。
常规的平面型基于半导体的LED大体上由跨越晶圆表面生长的层来图案化。更具体地讲，平面型基于半导体的LED包括一个或多个基于半导体的有源层，其夹在较厚的基于半导体的包覆层之间。最近，已经使用自下而上方法来形成纳米线LED结构，这些纳米线LED结构可向平面型LED提供若干优点，包括较低位错密度、较大光提取效率和相对于衬底表面积的较大有源区表面积。
在图1所示的一个具体实施中，块状LED衬底100包括在生长衬底102上生长的缓冲层110。接着在缓冲层110的表面上形成图案化掩模层112(例如，氮化物层，诸如氮化硅掩模层)以限定底部界面区域用于使用合适的生长技术诸如化学束外延或气相外延生长纳米线芯114。因此，每个纳米线芯114的自下而上的形成可使用基础缓冲层110的晶体取向来实现而不需要使用颗粒或催化剂，并且纳米线芯116的宽度和节距可由掩模层112的光刻图案化来限定。
可针对垂直生长方向控制纳米线芯的外延生长条件。一旦实现所确定的高度，便改变外延生长条件以形成芯-壳结构，其中有源层116和掺杂壳118围绕纳米线芯114。或者，纳米线可使用类似技术使用用于有源层和两个包覆层的垂直生长条件形成，从而产生与平面型LED相似的夹层构型而非芯-壳结构。
实施纳米线阵列的器件通常以两种方式进行封装。一种方式包括将纳米线阵列留在原始生长衬底上，诸如美国专利7,396,696和美国专利公布2011/0240959中所描述。在此类具体实施中，缓冲层充当电流输送层，底部电极形成到该电流输送层上，并且在纳米线阵列上方形成共用顶部电极。另一个具体实施包括使用焊料凸块将纳米线阵列覆晶封装到接收衬底上，接着移除生长衬底，如美国专利公布2011/0309382和2011/0254034中所描述。
发明内容
本发明描述了纳米线器件和形成准备好拾取并转移到接收衬底的纳米线器件的方法。在实施例中，纳米线器件包括基底层、多根纳米线，所述多根纳米线位于基底层的第一表面上并远离基底层的第一表面突出，其中每根纳米线包括芯、壳以及位于芯与壳之间的有源层。图案化掩模层可形成于基底层上，其中多根纳米线的芯延伸穿过图案化掩模层中的对应开口。封装材料侧向围绕所述多根纳米线，使得所述多根纳米线嵌入在封装材料中。顶部电极层形成于基底层的与第一表面相对的第二表面上并与每根纳米线的芯电接触，并且底部电极层与每根纳米线的壳电接触。
底部电极层和顶部电极层可由多种不同材料形成，这取决于应用。例如，顶部电极层可对于可见波长光谱为透明或半透明的，而底部电极层包括镜层。底部电极层可另外包括由贵金属形成的键合层，例如用于控制与稳定层的粘合或与接收衬底的键合。一个或多个底部导电触点可形成于所述多根纳米线的壳上并围绕这些壳，其中底部电极层与该一个或多个底部导电触点电接触。在实施例中，底部电极层沿着封装材料的底表面延伸。在实施例中，封装材料由热固性材料形成。封装材料可另外对可见波长为透明的。
在实施例中，纳米线器件的阵列由稳定层支撑在承载衬底上。另外，牺牲剥离层可在稳定层与纳米线器件的阵列之间延伸。在实施例中，稳定层由热固性材料形成。在实施例中，稳定层包括分段腔的阵列，并且纳米线器件的阵列位于分段腔的阵列内。在实施例中，稳定层包括稳定柱的阵列，并且纳米线器件的阵列由稳定柱的阵列支撑。纳米线器件的阵列可由稳定柱的阵列支撑在分段腔的阵列内。在每个纳米线器件包括底部电极层的情况下，底部电极层可键合到对应的稳定柱。
一种形成纳米结构的方法可包括侧向地围绕纳米线阵列并且在处理衬底上形成封装材料，使得纳米线阵列嵌入在封装材料内。穿过封装材料蚀刻台面沟槽的阵列，其中每个台面沟槽围绕多根纳米线。接着在封装材料上并且在台面沟槽的阵列内沉积牺牲剥离层。接着利用稳定层将处理衬底键合到承载衬底，其中牺牲剥离层位于纳米线阵列与稳定层之间。接着移除处理衬底。侧向地围绕纳米线阵列并在处理衬底上形成封装材料可另外包括在纳米线阵列上涂覆第一热固性材料层并且减小第一热固性材料层的厚度以暴露每根纳米线上的底部导电触点。可接着在每根纳米线的底部导电触点上沉积底部电极。利用稳定层将处理衬底键合到承载衬底可另外包括在牺牲剥离层上涂覆第二热固性材料并且固化第二热固性材料。在实施例中，牺牲剥离层可使用蒸汽或等离子体蚀刻技术进行蚀刻以从纳米线阵列与稳定层之间移除牺牲剥离层，从而得到包括准备好拾取并转移到接收衬底的纳米器件阵列的纳米结构。
附图说明
图1是包括形成于缓冲层上的纳米线阵列的块状LED衬底的横截面侧视图图示。
图2A是根据本发明实施例的形成于包括纳米线阵列的块状LED衬底上的底部导电触点阵列的横截面侧视图图示。
图2B是根据本发明实施例的形成于包括纳米线阵列的块状LED衬底上的底部导电触点阵列的横截面侧视图图示。
图3是根据本发明实施例的在纳米线阵列上涂覆封装材料层的横截面侧视图图示。
图4是根据本发明实施例的减小图3的封装材料层的厚度以暴露每根纳米线上的底部导电触点的横截面侧视图图示。
图5是根据本发明实施例的形成于纳米线阵列上的底部电极阵列的横截面侧视图图示。
图6是根据本发明实施例的穿过封装材料层形成的台面沟槽的阵列的横截面侧视图图示。
图7是根据本发明实施例的在纳米线阵列和底部电极阵列上并在台面沟槽的阵列内形成的牺牲剥离层的横截面侧视图图示。
图8是根据本发明实施例的形成于牺牲剥离层中的开口阵列的横截面侧视图图示。
图9是根据本发明实施例的利用稳定层键合到承载衬底的处理衬底的横截面侧视图图示。
图10是根据本发明实施例的在移除处理衬底之后的纳米线台面结构阵列的横截面侧视图图示。
图11是根据本发明实施例的形成于纳米线台面结构阵列上的顶部电极层的横截面侧视图图示。
图12是根据本发明实施例的形成于在纳米线台面结构阵列上形成的顶部电极层上的图案化层的横截面侧视图图示。
图13是根据本发明实施例的在部分移除顶部电极层之后保留在稳定层中的纳米线器件的阵列的横截面侧视图图示。
图14是根据本发明实施例的在移除牺牲剥离层之后位于稳定层中的分段腔的阵列内的纳米线器件的阵列的横截面侧视图图示。
图15是根据本发明实施例的在承载衬底上的纳米线器件的阵列的示意性俯视图图示。
图16A-16E是根据本发明实施例的将纳米线器件从承载衬底转移至接收衬底的静电转移头部阵列的横截面侧视图图示。
图17是根据本发明实施例的显示系统的示意性图示。
图18是根据本发明实施例的照明系统的示意性图示。
具体实施方式
本发明的实施例描述了纳米线器件。例如，纳米线阵列可在基底层上生长并且利用稳定层键合到承载衬底，其中对键合结构进行进一步处理以形成准备好拾取并转移到接收衬底的纳米线器件的阵列。每个纳米线器件包括包封层材料，其侧向围绕纳米线器件中的多根纳米线，使得多根纳米线嵌入在封装材料内。这样，封装材料可在转移和键合操作期间分配施加在纳米线器件中的各根纳米线上的负荷，并且保留各根纳米线的完整性。包封层材料可另外提供用于形成单个底部电极的表面，该底部电极与纳米线器件中的多根纳米线电连接。
尽管具体参照纳米线LED器件来描述本发明的一些实施例，但应当理解，本发明的实施例不限于此，并且某些实施例还可适用于其他基于纳米线的半导体器件，诸如场效应晶体管(FET)、二极管、太阳能电池和检测器，其中基底层用作生长纳米线的种子或可充当电流输送层。
在各种实施例中，参照附图进行描述。然而，某些实施例可在不存在这些具体细节中的一个或多个或者与其他已知方法和构型相结合的情况下实施。在以下的描述中，示出诸如特定构型、尺寸和工艺等许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。在其他情况下，未对众所周知的半导体工艺和制造技术进行特别详细地描述，以免不必要地模糊本发明。整个说明书中所提到的“一个实施例”是指，结合实施例所描述的特定特征、结构、构型或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，整个说明书中多处出现短语“在一个实施例中”不一定是指本发明的相同实施例。此外，特定特征、结构、构型或特性可以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
本文所使用的术语“跨越”、“在...上方”、“到”、“在...之间”和“在...上”可指一层相对于其他层的相对位置。一层“跨越”另一层、在另一层“上方”或“上”或者粘合“到”另一层或与另一层“接触”可为直接与另一层接触或可具有一个或多个居间层。一层在多层“之间”可为直接与该多层接触或可具有一个或多个中间层。
在一个方面，本发明的实施例描述了包括远离基底层突出的纳米线的纳米线器件。例如，纳米线可包括芯-壳构型。由于纳米线的有效区域是由线的长度决定的，该线正交于其从中突出的基底层的表面，所以有效区域的量可相对于基底层的可用水平面积而增加，尤其是在多根纳米线远离基底层突出时。此外，根据本发明的实施例的纳米线器件构型可用于实现通过纳米线器件的具体有效电流密度，其中有效电流密度与从基底层突出的纳米线的数目和用于纳米线的LED结(例如，量子阱)表面积成比例。例如，最高有效电流密度可使用从基底层突出的单根纳米线实现。可通过增加纳米线器件中的纳米线数目来减小有效电流密度。根据本发明的实施例，可调整纳米线器件中的纳米线数目以实现与器件的具体效率相关的所需有效电流密度，尤其是在低于特征“效率下降”的纳米线器件的低操作电流(例如，几毫安和更低级别)和有效电流密度(例如，每平方厘米几安和更低级别)下，其中有效电流密度的逐步增大可导致纳米线器件的效率的显著增大。
在另一方面，本发明的实施例描述一种纳米线器件集成设计，其中使用静电转移头部组件从承载衬底转移纳米线器件并且将纳米线器件键合到接收衬底。根据本发明的实施例，向静电转移头部施加吸合电压以便在纳米线器件上生成夹持压力并且拾取纳米线器件。已经观测到，可能难以或不可能在器件尺寸减小到低于真空卡盘设备的特定临界尺寸诸如大约300μm或更小或更具体地讲大约100μm或更小时生成足以用真空卡盘设备拾取器件的夹持压力。此外，根据本发明的实施例的静电转移头部可用于形成与真空卡盘设备相关联的比1个大气压压力大得多的夹持压力。例如，可根据本发明的实施例使用2个大气压或更大或者甚至20个大气压或更大的夹持压力。因此，在一个方面，本发明的实施例提供转移纳米线并将其集成到应用中的能力，其中先前不能够通过使用静电转移头部组件转移并集成纳米线器件来进行集成，这些纳米线器件包括从构造有较大尺寸诸如微米尺度的基底层突出的以纳米尺度构造的纳米线。根据本发明的实施例，与纳米线从中突出的基底层的底表面相背对的基底层的顶表面可用作供静电转移头部组件的静电转移头部接触纳米线器件的接触区域。例如，每个静电转移头部可按与用于对应纳米线器件的基底层的顶表面相似的尺度来构造。
在一些实施例中，本文所使用的术语“微米”结构或尺度可以指某些器件或结构的描述尺寸，例如，宽度。在一些实施例中，“微米”结构或尺度可为1μm至大约300μm的尺度，或在许多应用中为100μm或更小的尺度。例如，纳米线器件或静电转移头部的基底层可具有以微米尺度通过最大尺寸(例如，宽度)表征的接触表面。然而，应当理解，本发明的实施例未必受此限制，并且实施例的某些方面可以适用于更大的微米结构或尺度和可能更小的尺寸尺度。在一些实施例中，本文所使用的术语“纳米”结构或尺度可以指某些器件或结构的描述尺寸，例如，长度或宽度。在一些实施例中，“纳米”结构或尺度可在小于1μm的尺度上。例如，纳米线的最大宽度可具有纳米尺度。然而，应当理解，本发明的实施例未必受此限制，并且实施例的某些方面可以适用于更大的纳米结构或尺度。
在另一方面，本发明的实施例描述用于将纳米线器件的阵列稳定在承载衬底上以使得其准备好拾取并转移到接收衬底的结构。在一些实施例中，纳米线器件的阵列粘合性地键合到稳定层中的稳定柱的阵列。根据本发明的实施例，从稳定柱拾取纳米线器件所需要的最小量拾取压力可由形成稳定层的粘合性键合材料与纳米线器件之间的粘合强度决定。在一些实施例中，这可由每个纳米线器件上的底部电极与对应稳定柱之间的接触区域决定。例如，拾取纳米线器件必须克服的粘合强度与由转移头部生成的最小拾取压力相关，如公式(1)中提供：
P1A1＝P2A2 (1)
其中P1是需要由转移头部生成的最小夹持压力，A1是转移头部接触表面与纳米线器件接触表面之间的接触区域，A2是用于纳米线器件的底部电极与稳定柱之间的接触区域，并且P2是稳定柱与底部电极的粘合强度。在实施例中，转移头部生成大于1个大气压的夹持压力。例如，每个转移头部可生成2个大气压或更大或者甚至20个大气压或更大的夹持压力而不会由于转移头部的电介质击穿发生短路。在一些实施例中，由于较小面积，在每根纳米线上的底部电极与稳定柱之间的接触区域处实现比转移头部所生成的夹持压力高的压力。根据本发明的一些实施例，纳米线器件与稳定柱之间的粘合由底部电极与稳定柱的接触区域以及用于将底部电极键合到稳定柱的材料选择控制。
图2A是根据本发明实施例的形成于包括纳米线阵列的块状LED衬底上方的底部导电触点阵列的横截面侧视图图示。如图所示，块状LED衬底200可包括处理衬底206、在处理衬底206上生长的基底层208以及纳米线220阵列，所述纳米线220阵列形成于基底层208的表面209上并且远离基底层208的表面209突出并穿过形成于在表面209上形成的掩模层212中的开口阵列。每根纳米线220包括芯214、壳218和位于芯与壳之间的有源层216。在实施例中，掩模层212可由氮化物(例如，SiNx)材料形成，并且使用光刻技术来图案化以形成供每个芯214突出穿过的开口。芯和壳可具有相反掺杂。例如，n掺杂型芯214可由p掺杂型壳218围绕，或p掺杂型芯可由n掺杂型壳围绕。有源层216可包括一个或多个层，例如，由阻挡层分开的一个或多个量子阱层。如图2A所示，在壳218上形成底部导电触点222。在实施例中，底部导电触点222可在壳218周围形成壳。例如，底部导电触点222可形成于邻近壳218的与有源层216相邻的若干部分处。这可增大沿着纳米线220的表面的发射均匀度。
每根纳米线220可由多种化合物半导体形成，这些化合物半导体具有与光谱中的特定区相对应的带隙。例如，图2A所示的纳米线可被设计用于发射红光(例如，620至750nm波长)、绿光(例如，495至570nm波长)、蓝光(例如，450至495nm波长)或其他波长诸如黄光、橙光或红外光。在以下描述中，描述用于基于GaN材料形成具有芯-壳构型的纳米线LED器件阵列的示例性处理序列。尽管针对具体材料描述主要处理序列，但应当理解，这些示例性处理序列可用于构造具有不同发射光谱的纳米线，并且预期某些修改，尤其是在处理不同材料时。例如，预期芯214和壳218可包括基于II-VI族材料(例如，ZnSe)或包括III-V族氮化物材料(例如，GaN、AlN、InN、InGaN及它们的合金)和III-V族磷化物材料(例如，GaP、AlGaInP及它们的合金)的III-V族材料的一个或多个层。处理衬底206可包括由任何合适材料诸如但不限于硅、SiC、GaAs、GaN和蓝宝石形成的生长衬底。
参考图2A-2B，在实施例中，块状LED衬底200包括处理衬底206，其包括由蓝宝石形成的生长衬底202，并且可为大约200μm厚。在生长衬底202上使由GaN形成的缓冲层204生长到大约0.5μm至5μm的厚度。在形成缓冲层204之后，使基底层208在缓冲层204上生长。在实施例中，基底层208与芯214相似地掺杂以在芯214的生长期间减少缺陷，并且提供电连接。例如，基底层208和芯214可为n掺杂型GaN材料。在实施例中，基底层208为大约1μm厚，并且芯214为大约1μm至5μm高并具有最多1μm诸如0.2μm至1μm的宽度。在实施例中，使芯214沿着基础GaN基底层208的c平面生长在垂直方向上选择性地生长。
在实施例中，相邻芯106之间的从中心到中心的节距足以分配足够空间来执行光刻图案化技术诸如光致抗蚀剂提离技术以用于形成底部导电触点222或形成台面沟槽。在实施例中，节距为大约1μm或更多，例如，大约2.5μm。在形成芯214之后，修改生长条件以除了继续垂直生长之外实现侧向生长，诸如m平面生长，以形成有源层216和壳层218。有源层216可包括一个或多个量子阱和阻挡层。壳层218可具有与芯214相反的掺杂。例如，在芯214为n掺杂型的情况下，壳层218是p掺杂型。在实施例中，壳层218的厚度为0.1μm至0.5μm。在实施例中，两者均由GaN形成。在实施例中，在从上方观看时，每根纳米线220可与六边形构型相符，其对应于m平面生长。
多种构型能够用于底部导电触点222。在图2A所示的实施例中，底部导电触点222形成于每根纳米线220上方。在这种实施例中，底部导电触点222还可部分地形成于掩模层212上并且仅部分地在相邻纳米线220之间延伸。在图2B所示的实施例中，多根纳米线220可共享单个底部导电触点222。在此类实施例中，底部导电触点222还可形成于掩模层212上并且完全地在相邻纳米线220之间延伸。
底部导电触点222可使用多种沉积方法诸如蒸镀或溅射形成。底部导电触点222的图案化可通过毯覆式沉积然后以光刻和蚀刻来形成，或底部导电触点222可使用光致抗蚀剂提离技术来形成。在实施例中，维持相邻纳米线220之间的中心到中心间距以便实现足以针对光致抗蚀剂提离技术对光致抗蚀剂进行图案化的空间。
底部导电触点222可由包括金属、导电氧化物和导电聚合物在内的多种导电材料形成。在实施例中，底部导电触点222由透明导电氧化物诸如ITO形成。在形成底部导电触点222之后，对结构进行退火以在底部导电触点222与壳218之间形成欧姆接触。
现在参考图3，根据本发明实施例在纳米线阵列上方涂覆封装材料层234。如图所示，封装材料层234侧向围绕多根纳米线，使得纳米线嵌入在封装材料内。封装材料层234可由能够向纳米线提供结构稳定性的多种材料形成。在一些实施例中，封装材料层234由对可见光谱透明的材料形成，并且允许从各根纳米线220发射的光透射。在实施例中，封装材料层234由热固性材料形成，例如，与固化期间的10％或更少体积收缩率或更具体地讲固化期间的约6％或更少体积收缩率相关联的热固性材料，以免剥离或在纳米线上引起过多应力。示例性热固化材料包括苯并环丁烯(BCB)和环氧树脂。在实施例中，封装材料层234被旋涂或喷涂在纳米线阵列上方。在施加封装材料层234之后，其被部分固化，随后如图4所示进行回蚀以针对待形成的每个纳米线器件暴露多个纳米线220上的一个或多个底部导电触点222。例如，可在部分固化封装材料层234之后使用干式蚀刻技术执行回蚀。在图示的特定实施例中，底部导电触点222由多根纳米线共享。在其他实施例中，单独底部导电触点222形成于每根纳米线上方。回蚀可至少部分地腐蚀暴露的底部导电触点222。在实施例中，在回蚀期间未完全蚀穿底部导电触点222以便保留围绕纳米线220的欧姆接触壳。
现在参考图5，在纳米线220阵列上方形成底部电极223阵列。如图所示，底部电极223沿着封装材料层234的底表面延伸，并且与一个或多个底部导电触点222电接触。底部电极223可由多种导电材料形成，包括金属、导电氧化物和导电聚合物。底部电极223可由单个层或层堆叠形成。底部电极223对于可见波长光谱可为透明的。底部电极223可包括对由纳米线220发射的波长具有反射性的镜层。
在实施例中，底部电极223由透明导电氧化物诸如ITO形成。在实施例中，底部电极223由金属材料诸如钯或NiAu形成。在实施例中，底部电极223包括镜层以反射从纳米线发射的波长。例如，金、铝或银镜层可适用于反射红光波长光谱，而银或铝镜层可适用于反射蓝光或绿光波长光谱。在实施例中，底部电极包括键合层以控制与稳定层的粘合强度。例如，在稳定层由苯并环丁烯(BCB)形成的情况下，可使用贵金属诸如金。多种构型是可能的。因此，根据本发明实施例，底部电极可为单个层或层堆叠。
穿过封装材料层234形成台面沟槽235阵列，使得每个台面沟槽侧向围绕多根纳米线，如图6所示。如图6所示，台面沟槽235延伸穿过掩模层212并且进入基底层208中以在处理衬底206上方形成由台面沟槽235阵列分离的台面结构230阵列。在实施例中，在形成台面沟槽235之后，可对衬底堆叠进行退火以固化封装材料层234。
台面沟槽235至少部分地延伸到基底层208中以限定台面结构230。例如，在实施例中，台面沟槽235部分地延伸到n掺杂型GaN基底层208中，但不延伸到基础GaN缓冲层204中。在另一个示例性实施例中，台面沟槽235完全延伸穿过n掺杂型GaN基底层208并且部分或完全延伸穿过基础GaN缓冲层204。
根据本发明实施例，用于每个台面结构230的基底层208和待形成的对应纳米线器件250可按微米尺度形成。例如，参考图15所示的纳米线器件，每个基底层208可具有通过300μm或更小或更具体地讲100μm或更小的最大长度或宽度表征的顶表面207。在实施例中，每个基底层208具有通过1至20μm的最大长度或宽度来表征的顶表面207。
对台面沟槽235的蚀刻可采取湿法或干法，具体取决于台面沟槽235侧壁的期望角度。在实施例中，可以使用干法蚀刻技术，诸如反应离子蚀刻(RIE)、电子回旋共振(ECR)、感应耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)和化学辅助的离子束蚀刻(CAIBE)。蚀刻化学物质可以为卤素类，包含诸如Cl2、BCl3或SiCl4的物质。
随后可以在台面结构230阵列的上方形成牺牲剥离层232，如图7所示。在实施例中，牺牲剥离层232由可易于和选择性地用蒸气(例如蒸气HF)或等离子体蚀刻去除的材料形成。在实施例中，牺牲剥离层由氧化物(例如SiO2)或氮化物(例如SiNx)形成，其具有0.2μm至2μm的厚度。在实施例中，使用相对低质量的成膜技术，诸如溅射、低温等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、或电子束蒸发来形成牺牲剥离层。在实施例中，掩模层212由氮化物(例如SiNx)形成，并且牺牲剥离层232由氧化物(例如SiO2)形成。
如图8所示，穿过牺牲剥离层232蚀刻出开口233阵列以暴露每个台面结构230的底部电极223。如将在以下描述中变得更加明显的是，开口233的宽度和牺牲剥离层232的厚度可全部贡献于稳定层形成之后稳定柱的尺寸。
现在参考图9，在实施例中，稳定层236在牺牲剥离层232上方形成并且键合到承载衬底240。根据本发明的实施例，稳定层236可由粘合性键合材料形成。在实施例中，粘合性键合材料为热固性材料，诸如苯并环丁烯(BCB)或环氧树脂。
在实施例中，稳定层236旋涂或喷涂在牺牲剥离层232上方，不过也可以使用其他涂覆技术。在涂覆稳定层236后，可对该稳定层进行预烘烤以去除溶剂。在预烘烤稳定层236后，处理衬底206键合到具有稳定层236的承载衬底240。在实施例中，键合包括将稳定层236固化。在稳定层236由BCB形成的情况下，固化温度应不超过大约350℃，该温度表示BCB开始降解时的温度。根据本发明的实施例，不需要实现稳定层100％的完全固化。在实施例中，稳定层236被固化到某个足够的百分比(例如对于BCB为70％或更大)，这时稳定层236将不再回流。此外，已经观察到，部分固化的BCB可具有足够的与承载衬底240和牺牲剥离层232的粘合强度。在实施例中，稳定层可被充分固化以在牺牲剥离层的剥离操作期间充分抵抗蚀刻。
如图所示，稳定层236填充台面沟槽235以形成分段腔侧壁272，并且填充牺牲剥离层232内的开口233以形成稳定柱252。稳定柱252可具有小于对应纳米线器件250基底层208的最大宽度的最大宽度。例如，包括10μm×10μm宽基底层的示例性纳米线器件250可由1μm×1μm宽的稳定柱或2μm×2μm宽的稳定柱支撑。然而，应当理解，这些尺寸是示例性的，并且可以有许多构型。
在将处理衬底206键合到承载衬底240后，移除处理衬底206，如图10所示。可通过多种方法来实现处理衬底206的移除，这些方法包括激光剥离(LLO)、磨削、以及蚀刻，具体取决于生长衬底202以及可选的蚀刻停止层205或缓冲层204的材料选择。在移除处理衬底206时，牺牲剥离层232的若干部分可在每个台面结构230的基底层208的暴露顶表面上方突出。或者，可在移除处理衬底之后将基底层208减薄，使牺牲剥离层232的若干部分在减薄的基底层208的暴露顶表面上方突出。
在处理衬底206包括由蓝宝石形成的生长衬底202的实施例中，可使用LLO来实现移除，其中利用紫外激光器诸如Nd-YAG激光器或KrF准分子激光器来辐照202/204界面。GaN缓冲层204在与透明生长衬底202的界面处的吸收导致局部加热该界面，从而导致在界面GaN处发生到液体Ga金属和氮气的分解。一旦辐照了期望区域，就可以通过在电炉上重新熔融Ga来移除透明蓝宝石生长衬底202。在移除生长衬底后，可移除GaN缓冲层204，从而得到基底层208的期望厚度。可使用上述关于台面沟槽235所述的任何合适的干法蚀刻技术、以及CMP或这两者的组合来执行缓冲层204的移除。
现在参考图11，在移除处理衬底206后，可在基底层208的顶表面207上方形成顶部电极层242。在一些实施例中，在形成顶部电极层242之前，可任选地形成欧姆接触层243以与基底层208形成欧姆接触。在实施例中，欧姆接触层243可以为金属层。在实施例中，欧姆接触层243为用于GaAs或AlGaInP系统的薄GeAu层。在实施例中，欧姆接触层243为用于GaN系统的薄NiAu或NiAl层。例如，欧姆接触层243的厚度可以为50埃。在图示的特定实施例中，欧姆接触层243不是直接形成于纳米线220之上。例如，金属欧姆接触层可潜在地减少光发射。简单地参考图15的俯视示意图图示，在实施例中，欧姆接触层243在纳米线220周围形成环，或以其他方式形成侧向围绕纳米线220的栅格。
顶部电极层242可以由多种导电材料形成，所述导电材料包括金属、导电氧化物和导电聚合物。在实施例中，使用合适的技术诸如蒸镀或溅射来形成电极层242。在实施例中，电极层242由透明电极材料形成。电极层242还可以为透明导电氧化物(TCO)，诸如铟锡氧化物(ITO)。电极层242还可以为一个或多个金属层与导电氧化物的组合。在实施例中，电极层242为大约600埃厚的ITO。在实施例中，在形成电极层242之后，使衬底堆叠退火以在台面结构230阵列的电极层与顶表面207之间形成欧姆接触。在封装材料层234和稳定层236由BCB形成的情况下，退火温度可以低于大约350℃，在该温度点BCB降解。在实施例中，在200℃与350℃之间，或更具体地讲，在大约320℃退火大约10分钟。
现在参考图12，在实施例中，在顶部电极层242上方施加图案化层诸如光刻胶。在实施例中，旋涂光刻胶层244使得光刻胶层244的顶表面完全覆盖电极层242在填充的台面沟槽235位置处的凸起部分。现在参考图13，在实施例中，使用合适的湿溶剂或等离子体灰化技术剥离光刻胶层244直至移除填充的台面沟槽235位置上方的电极层242，从而使牺牲剥离层232暴露在台面结构之间，从而导致形成顶部电极246阵列。然后可以完全剥离任何残余的光刻胶层244，从而形成嵌入牺牲剥离层232并由稳定柱252阵列支撑的侧向分离的纳米线器件250阵列。此时，所得的结构对于制备衬底以用于后续牺牲剥离层移除和静电拾取的处理和清洁操作仍是牢固的。
仍然参考图13，每个纳米线器件250上的顶部电极246基本上覆盖每个纳米线器件250的每个基底层208的整个顶表面207。在这种构型中，顶部电极246基本上覆盖最大有效表面积以提供大的平坦表面以用于与静电转移头部接触，如图16A-16E中更详细地描述。这可以允许静电转移头部组件的一些对准公差。
在形成分立且侧向分离的纳米线器件250之后，可以移除牺牲剥离层232。图14是根据本发明实施例的在移除牺牲剥离层之后位于稳定层中的纳米线器件250阵列的横截面侧视图图示。合适的蚀刻化学物质诸如HF蒸汽、或CF4或SF6等离子体可用于蚀刻SiO2或SiNx牺牲剥离层232。在图示实施例中，牺牲剥离层232是完整地，从而导致各个纳米线器件250通过稳定柱252支撑在分段腔270内。在这种实施例中，纳米线器件和稳定柱242之间的粘合可以由底部电极223与稳定柱252的接触区域，以及用于键合底部电极和稳定层的材料选择控制。例如，键合层诸如底部电极223层堆叠中的金可以与稳定柱252直接接触。这样，底部电极223与稳定柱252接触的表面区域的表面积和轮廓是造成将纳米线器件250保持在稳定层中的适当位置的部分原因，并且还有助于必须克服以从承载衬底拾取纳米线器件250的附着力。分段腔侧壁272可另外有助于将纳米线器件250阵列保持在适当的位置，应破坏任何纳米线器件250与稳定柱252之间的粘合剂键合。
图15是根据本发明实施例的承载在承载衬底240上的纳米线器件250阵列的示意性俯视图图示。在图示的示例性实施例中，每个纳米线器件包括位于基底层208上的多根纳米线220。分段腔侧壁272可以侧向围绕各个纳米线器件250的基底层208以及一根或多根纳米线220。一个或多个稳定柱252支撑各个纳米线器件250。在实施例中，每个纳米线器件包括可以具有通过300μm或更小，或更具体地讲100μm或更小的最大长度或宽度来表征的顶表面207的基底层208。在实施例中，每个基底层208具有通过1至20μm的最大长度或宽度来表征的顶表面207。如图所示，基底层的顶表面207近似为纳米线器件250的最大宽度。
图16A-16E是根据本发明实施例的将纳米线器件250从承载衬底240转移至接收衬底300的静电转移头部304阵列的横截面侧视图图示，所述纳米线器件可以为纳米线LED器件。图16A是微型器件转移头部304阵列的横截面侧视图图示，所述微型器件转移头部由衬底300支撑并定位在稳定位于承载衬底240上的纳米线器件250阵列的上方。然后，使纳米线器件250阵列与转移头部304阵列接触，如图16B所示。如图所示，转移头部304阵列的节距为纳米线器件250阵列的节距的整数倍。将电压施加于转移头部304阵列。电压可从与转移头部贯通孔307阵列电连接的转移头部组件306内的工作电路施加。然后，利用转移头部304阵列拾取纳米线器件250阵列，如图16C所示。然后，将纳米线器件250阵列设置为与接收衬底400上的接触垫402(例如，金、铟、锡等)接触，如图16D所示。然后，将纳米线器件250阵列释放到接收衬底400上的接触垫402上，如图16E所示。例如，接收衬底可为但不限于显示衬底、照明衬底、具有诸如晶体管或IC的功能器件的衬底、或者具有金属配电线路的衬底。
根据本发明的实施例，在拾取、转移和键合操作期间可以对承载衬底、转移头部组件或接收衬底施加热。例如，可以在拾取和转移操作期间通过转移头部组件施加热，在该操作期间热可以使纳米线器件键合层液化或不使其液化。转移头部组件可以在键合操作期间另外施加热于接收衬底上，其可以使纳米线器件上的键合层或接收衬底中的一者液化或不使其液化，从而在键合层之间扩散。
可以不同的次序执行施加电压以在纳米线器件的阵列上产生握持力的操作。例如，可以在纳米线器件的阵列与转移头部阵列接触之前，在纳米线器件与转移头部阵列接触时，或者在纳米线器件与转移头部阵列接触之后施加电压。还可以在向键合层施加热之前、同时或之后施加电压。
在转移头部304包括双极性电极的情况下，可在每个转移头部304中的电极对两端施加交流电压使得当在负电压施加于一个电极，正电压施加于该对电极中的另一电极(并且反之亦然)的特定时间点创建拾取压力。从转移头部304释放纳米线器件的阵列可借助各种方法实现，包括关闭电压源，降低电极对两端的电压，改变交流电压的波形以及将电压源接地。
图17示出了根据实施例的显示系统1700。显示系统包括处理器1710、数据接收器1720、显示器1730以及一个或多个可以扫描驱动器IC和数据驱动器IC的显示驱动器IC1740。数据接收器1720可被配置为无线地或有线地接收数据。可以多个无线标准或协议中的任一个实现无线接收，所述无线标准或协议包括但不限于Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、其衍生物以及被称为3G、4G、5G等等的任何其他无线协议。一个或多个显示驱动器IC 1740可以物理或电耦合至显示器1730。
在一些实施例中，显示器1730包括一个或多个根据本发明上述实施例制备的纳米线器件250。根据其应用，显示系统1700可以包括其他部件。这些其他部件包括但不限于存储器、触摸屏控制器和电池。在各种具体实施中，显示系统1700可以为电视、平板电脑、电话、膝上型电脑、计算机监视器、信息亭、数码相机、手持式游戏机、媒体显示器、电子书显示器或大面积标牌显示器。
图18示出了根据实施例的照明系统1800。照明系统包括电源1810，其可以包括用于接收功率的接收接口1820，以及用于控制待供应给光源1840的功率的功率控制单元1830。可以从照明系统1800外部或从任选地包括在照明系统1800中的电池供应功率。在一些实施例中，光源1840包括一个或多个根据本发明上述实施例制备的纳米线器件250。在各种具体实施中，照明系统1800可以为室内或室外照明应用，诸如广告牌照明、建筑照明、街道照明、电灯泡和灯具。
在利用本发明的各个方面时，对本领域的技术人员将显而易见的是，可以采用以上实施例的组合或变型来制造和转移纳米线器件。尽管以结构特征和/或方法行为特定的语言描述了本发明，但应当理解，所附权利要求书中所限定的本发明不必限于所述的特定特征或行为。本发明所公开的特定特征和行为被理解为受权利要求书保护的本发明的特定适当实施以用于对本发明进行例示。

Claims (20)

1.一种纳米线器件，包括：
基底层，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第二表面具有1至100μm的最大侧向尺寸；
多根纳米线，所述多根纳米线位于所述基底层的所述第一表面上并远离所述基底层的第一表面地突出；其中每根纳米线包括芯、壳、以及位于所述芯和所述壳之间的有源层；
封装材料，所述封装材料侧向地围绕所述多根纳米线，使得所述多根纳米线嵌入在所述封装材料中；
顶部电极层，所述顶部电极层位于所述基底层的与所述第一表面相对的所述第二表面上并且与每根纳米线的所述芯电接触；和
底部电极层，所述底部电极层与每根纳米线的所述壳电接触。
2.根据权利要求1所述的纳米线器件，其中所述顶部电极层对于可见波长光谱为透明的或半透明的。
3.根据权利要求1所述的纳米线器件，其中所述底部电极层包括镜层。
4.根据权利要求1所述的纳米线器件，其中所述底部电极层包括由贵金属形成的键合层。
5.根据权利要求1所述的纳米线器件，还包括位于所述多根纳米线的所述壳上并围绕所述多根纳米线的一个或多个底部导电触点，其中所述底部电极层与所述一个或多个底部导电触点电接触，以及所述底部电极层横跨所述封装材料的底表面。
6.根据权利要求1所述的纳米线器件，其中所述第二表面具有1至20μm的最大侧向尺寸。
7.根据权利要求1所述的纳米线器件，还包括位于所述基底层上的图案化掩模层，其中所述多根纳米线的所述芯延伸穿过位于所述图案化掩模层中的对应开口。
8.根据权利要求1所述的纳米线器件，其中所述封装材料包括热固性材料。
9.根据权利要求7所述的纳米线器件，其中所述封装材料对于可见波长光谱为透明的。
10.一种半导体结构，包括：
承载衬底；
位于所述承载衬底上的稳定层；
位于所述稳定层上的纳米线器件的阵列；
其中每个纳米线器件包括：
基底层，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第二表面具有1至100μm的最大侧向尺寸；
多根纳米线，所述多根纳米线位于所述基底层的所述第一表面上并远离所述基底层的第一表面地突出；其中每根纳米线包括芯、壳、以及位于所述芯和所述壳之间的有源层；
封装材料，所述封装材料侧向地围绕所述多根纳米线，使得所述多根纳米线嵌入在所述封装材料中；
顶部电极层，所述顶部电极层位于所述基底层的与所述第一表面相对的所述第二表面上并且与每根纳米线的所述芯电接触；和
底部电极层，所述底部电极层与每根纳米线的所述壳电接触。
11.根据权利要求10所述的半导体结构，还包括横跨在所述稳定层和所述纳米线器件的阵列之间的牺牲剥离层。
12.根据权利要求11所述的半导体结构，其中所述稳定层包含热固性材料。
13.根据权利要求11所述的半导体结构，其中所述稳定层包括分段腔的阵列，并且所述纳米线器件的阵列位于所述分段腔的阵列内。
14.根据权利要求11所述的半导体结构，其中所述稳定层包括稳定柱的阵列，并且所述纳米线器件的阵列由所述稳定柱的阵列支撑。
15.根据权利要求14所述的半导体结构，其中每个纳米线器件的所述底部电极层键合至对应的稳定柱。
16.一种形成纳米结构的方法，包括：
形成侧向地围绕纳米线阵列并在处理衬底上的封装材料，使得所述纳米线阵列嵌入在所述封装材料中，其中所述纳米线阵列在所述处理衬底上的基底层上并且所述纳米线阵列从所述处理衬底上的基底层远离突出；
穿过所述封装材料和所述基底层蚀刻台面沟槽的阵列以形成台面结构的阵列，其中每个台面沟槽围绕多根纳米线，以及每个台面结构具有1至100μm的最大侧向尺寸；
在所述封装材料上并在所述台面沟槽的阵列内沉积牺牲剥离层；
利用稳定层将所述处理衬底键合至承载衬底，其中所述牺牲剥离层位于所述纳米线阵列和所述稳定层之间；以及
移除所述处理衬底。
17.根据权利要求16所述的方法，其中形成侧向地围绕纳米线阵列并在所述处理衬底上的所述封装材料包括：在所述纳米线的阵列上涂覆第一热固性材料层并减小所述第一热固性材料层的厚度以暴露位于所述纳米线中的每根纳米线上的底部导电触点。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述纳米线中的每根纳米线的底部导电触点上沉积底部电极。
19.根据权利要求16所述的方法，其中利用所述稳定层将所述处理衬底键合至所述承载衬底包括：
在所述牺牲剥离层上涂覆第二热固性材料；以及
固化所述第二热固性材料。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括使用蒸汽或等离子蚀刻技术来蚀刻所述牺牲剥离层，以从所述纳米线阵列和所述稳定层之间移除所述牺牲剥离层。
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