CN106415858A - 具有改进的光萃取的包括发光二极管的光电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电气器件(5)，包括：含有面(12)的半导体衬底(10)；发光二极管(DEL)，其被布置在所述面上且包括线形、圆锥形或尖椎形的半导体元件(20)；以及覆盖所述发光二极管的至少部分透明的介电层(34)，所述介电层的折射率处于1.6和1.8之间。

Description

具有改进的光萃取的包括发光二极管的光电子器件
技术领域
本发明大体涉及基于半导体材料的光电子器件且涉及用于制造该光电子器件的方法。本发明更具体地涉及包括由尤其是半导体微米线或纳米线的三维元件形成的发光二极管的光电子器件。
背景技术
术语“具有发光二极管的光电子器件”指代能够将电信号转换成电磁辐射的器件，并且尤其是专用于发出电磁辐射(尤其是光)的器件。能够形成发光二极管的三维元件的示例是包括基于化合物的半导体材料的微米线或纳米线，化合物主要包括至少一个组III元素和一个组V元素(例如氮化镓GaN)(在下文中被称为III-V化合物)。
光电子器件的萃取效率大体由从光电子器件逸出的光子的数量与由发光二极管发出的光子的数量的比率定义。期望光电子器件的萃取效率尽可能高。
现有光电子器件的缺点在于在每个发光二极管内发出的光子的一小部分未从发光二极管逸出。
现有光电子器件的另一缺点在于由每个发光二极管内发出的光的一部分被相邻的发光二极管俘获或吸收。
发明内容
因此，实施例的目的在于克服先前描述的具有发光二极管的尤其具有微米线或纳米线的光电子器件以及它们的制造方法的缺点的至少部分。
实施例的另一目的在于增大光电子器件的萃取效率。
实施例的另一目的在于减小未从每个发光二极管逸出的光的比例。
实施例的另一目的在于减小被相邻的发光二极管吸收/俘获的、由发光二极管内发出的光的比例。
实施例的另一目的在于是使具有发光二极管的光电子器件能够以工业规模并且以低成本来制造。
因此，实施例提供一种光电子器件，其包括：
包括表面的半导体衬底；
由该表面支撑的发光二极管，其包括线形、圆锥形或尖椎形的半导体元件；以及
覆盖发光二极管的至少部分透明的介电层，该介电层的折射率处于从1.6到1.8的范围中。
根据实施例，该介电层的折射率处于从1.7到1.75的范围中。
根据实施例，每个半导体元件主要由III-V化合物制成。
根据实施例，每个半导体元件主要包括氮化镓。
根据实施例，每个半导体元件的平均直径处于从200nm到1μm的范围中。
根据实施例，包封层包括由至少部分透明的第一材料制成的具有第二材料的颗粒散布在其中的基体，第二材料的折射率大于第一材料的折射率。
根据实施例，第一材料为聚硅氧烷。
根据实施例，第二材料是选自氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)以及硫化锌(ZnS)之中的介电材料。
根据实施例，包封层由选自包括环氧聚合物、具有SiOx(其中x是大于0且小于或等于2的实数)型的氧化硅、具有SiOyNz(其中y是大于0且小于或等于2的实数，并且z大于0且小于或等于0.57)型的氧化硅以及氧化铝(Al2O3)的组的材料制成。
根据实施例，发光二极管被分布在该表面的部分上，并且发光二极管在该部分上的表面密度远离该部分的边缘减小。
根据实施例，发光二极管被分布在该表面的部分上，并且针对单位表面积，该部分的周长与该部分的表面积的比率大于或等于4。
根据实施例，该部分对应于具有孔的表面。
附图说明
前述特征和优点及其他特征和优点将在下面结合附图对特定实施例的非限制性描述中详细进行讨论，在附图之中：
图1是具有微米线或纳米线的光电子器件的实施例的部分简化横截面视图；
图2到图6示出由采用微米线或纳米线的光线遵循的路径的不同配置；
图7示出由具有微米线或纳米线的发光二极管递送的光的传播模式的分布根据围绕发光二极管的材料的折射率的变化；
图8示出发光二极管的微米线或纳米线中的所俘获的导引模式的比例根据围绕发光二极管的材料的折射率的变化的曲线；
图9是包括具有微米线或纳米线的发光二极管的光电子器件的部分简化俯视图；
图10示出萃取效率根据图9的光电子器件的正面上的考虑位置的变化；并且
图11-图20是包括具有微米线或纳米线的发光二极管的光电子器件的实施例的部分简化俯视图。
具体实施方式
为清楚起见，在各个附图中利用相同的附图标记来指代相同的元件，并且另外，如在电子电路的表示中常见的，各个附图不一定是按比例绘制的。另外，仅仅示出并描述对理解本公开内容有用的那些元件。具体地，用于使光电子器件的发光二极管偏置的手段是众所周知的并且将不再进行描述。
在下面的描述中，除非另行明确指示，术语“基本上”、“大约”和“约”意味着“在10％内”。另外，“主要由材料形成的化合物”或“基于材料的化合物”意味着化合物包括大于或等于95％的所述材料的比例，该比例优选大于99％。
本说明书涉及具有三维元件的光电子器件，三维元件例如线形元件、圆锥形元件或尖椎形元件，尤其是微米线或纳米线。
术语“微米线”或“纳米线”指代具有沿着优选方向的细长形状的三维结构，其具有被称为小尺寸的在从5nm到2.5μm的范围中的优选在从50nm到2.5μm的范围中的至少两个尺寸，以及被称为大尺寸的至少等于小尺寸的1倍、优选至少5倍并且更优选最大的甚至至少10倍的第三尺寸。在某些实施例中，小尺寸可以小于或等于大约1μm，优选在100nm到1μm的范围中，更优选在从100nm到800nm的范围中。在某些实施例中，每个微米线或纳米线的高度可以大于或等于500nm，优选在从1μm到50μm的范围中。
在下面的描述中，术语“线”用于意指“微米线或纳米线”。优选地，延伸通过在垂直于线的优选方向的平面中的横截面的重心的线的平均线路基本上形成直线并且在下文中被称为线的“轴”。
图1是具有发光二极管的光电子器件5的实施例的部分简化横截面视图。
图1示出一种结构，其从底部到顶部包括：
第一电极8；
半导体衬底10，其包括下表面11和上表面12，下表面11被覆盖有第一电极8，并且上表面12优选至少在发光二极管的水平处是平面的；
种子垫(seed pad)16，其由促进线的增长的导电材料制成并被布置在表面12上；
具有高度H1的线20(六个线被示出)，每个线20与种子垫16中的一个相接触，每个线20包括具有高度H2的与种子垫16相接触的下部分22和具有高度H3的延续下部分22的上部分24；
绝缘层26，其延伸在衬底10的表面12上并且延伸在每个线20的下部分22的侧面上；
外壳28，其包括覆盖每个上部分24的半导体层的堆叠；
层30，其形成覆盖每个外壳28的第二电极并且还延伸在绝缘层26上；
导电镜像层32，其覆盖在线20之间的电极层30而不在线20上延伸；
包封层34，其覆盖整个结构并且尤其是电极30并且包括正面36。
光电子器件5还可以包括荧光粉的层(未示出)，其被设置在包封层34上或与其混杂。
由每个线20形成的组件、相关联的种子垫16和外壳28形成发光二极管DEL。二极管DEL的基极对应于种子垫16。外壳28具体地包括有源层，其是由发光二极管DEL递送的大多数电磁辐射从其发射的层。发光二极管DEL可以并联连接并且形成发光二极管的组件。该组件可以包括从几个发光二极管DEL到一千个发光二极管。
发光二极管DEL可以不被形成在整个表面12上。表面12的具有发光二极管形成在其上的部分被称为有源区。
衬底10可以对应于固体结构或对应于覆盖由另一材料制成的支撑物的层。衬底10优选为半导体衬底，其例如是由硅、锗、碳化硅、III-V化合物(例如GaN或GaAs)制成的衬底，或者ZnO衬底。优选地，衬底10是单晶硅衬底。优选地，半导体衬底实现与微电子器件中的制造方法兼容。衬底10可以对应于具有绝缘体上硅类型SOI的多层结构。
衬底可以重掺杂、轻掺杂或没有掺杂。在衬底重掺杂情况下，半导体衬底10可以被掺杂以将电阻率向下降低到接近金属的电阻率的电阻率，优选低于几mohm.cm。衬底10例如是重掺杂衬底，其具有在从5*1016原子/cm3到2*1020原子/cm3的范围中的掺杂剂浓度。在衬底轻掺杂的情况下，例如其中掺杂剂浓度小于或等于5*1016原子/cm3，优选基本上等于1015原子/cm3，可以提供比衬底掺杂更重的具有第一导电类型的掺杂区或具有与第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂区，其在衬底10中从种子垫16下的表面12延伸。在硅衬底10的情况下，P型掺杂剂的示例是硼(B)或铟(In)，并且N型掺杂剂的示例是磷(P)、砷(As)或锑(Sb)。
硅衬底10的表面12可以是(100)表面。
种子垫16(还被称为种子岛)由促进线20的增长的材料制成。可以提供处置以保护种子垫的侧面和未覆盖有种子垫的衬底部分的表面以防止线在种子垫的侧面上并且在未覆盖有种子垫的衬底部分的表面上增长。处置可以包括在种子垫的侧面上形成介电区并且延伸在衬底的顶部上和/或内部，其中在介电区上没有线的增长。作为变型，种子垫16可以用覆盖衬底10的表面12的种子层来代替。介电区可以之后被形成在种子层上面以防止线在不想要的区域中的增长。
作为示例，形成种子垫16的材料可以是来自元素周期表的列IV、V或VI的过渡金属的氮化物、碳化物或硼化物或者这些化合物的组合。作为示例，种子垫16可以由氮化铝(AlN)、硼(B)、氮化硼(BN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铪(Hf)、氮化铪(HfN)、铌(Nb)、氮化铌(NbN)、锆(Zr)、锆硼酸(ZrB2)、硼化锆(ZrN)、碳化硅(SiC)、碳氮化钽(TaCN)、以MgxNy形式的氮化镁(其中x大约等于3，并且y大约等于2，例如以Mg3N2形式的氮化镁)、或镁氮化镓(MgGaN)、钨(W)、氮化钨(WN)、或它们的组合制成。
种子垫16可以掺杂有与衬底10相同的导电类型。
绝缘层26可以由介电材料制成，例如由氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy，其中x大约等于3，并且y大约等于4，例如，Si3N4)、氮氧化硅(尤其具有一般公式SiOxNy，例如，Si2ON2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化铪(HfO2)、或者金刚石制成。作为示例，绝缘层26的厚度处于从5nm到500nm的范围中，例如等于大约30nm。
线20至少部分地由至少一种半导体材料形成。线20可以至少部分地由主要包括III-V化合物(例如III-N化合物)的半导体材料形成。组III元素的示例包括镓(Ga)、铟(In)或铝(Al)。III-N化合物的示例是GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN或AlInGaN。还可以使用其他组V元素，例如磷或砷。一般地，III-V化合物中的元素可以与不同的摩尔分数进行组合。
线20可以包括掺杂剂。作为示例，针对III-V化合物，掺杂剂可以选自包括组II P型掺杂剂(例如镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)、或汞(Hg))、组IV P型掺杂剂(例如碳(C))或组IV N型掺杂剂(例如硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、硫(S)、铽(Tb)、或锡(Sn))的组。
线20的横截面可以具有不同的形状，例如可以为椭圆形的、圆形的或多边形，尤其是三角形、矩形、方形或六边形的形状。因此应当理解关于线或被沉积在该线上的层的横截面提到的术语“直径”指代与该横截面中的靶向结构的表面积相关联的量，对应于例如具有与向横截面相同的表面积的盘的直径。每个线20的高度可以H1可以在从250nm到50μm的范围中。每个线20可以具有沿着基本上垂直于表面12的轴的细长半导体结构。每个线20可以具有大体圆柱形形状。两个线20的轴可以相距从0.5μm到10μm，并且优选从1.5μm到6μm。作为示例，线20可以有规则地被分布尤其在六边形网络中。
作为示例，每个线20的下部分22主要由III-N化合物(例如氮化镓)制成，具有与区14相同的掺杂类型，例如类型N，例如硅掺杂的。下部分22沿着可以在从100nm到25μm的范围中的高度H2延伸。
作为示例，每个线20的上部分24至少部分地由III-N化合物(例如GaN)制成。上部分24可以是N型掺杂的，可能不及下部分22掺杂重，或者没有被有意掺杂。上部分24沿着可以在从100nm到25μm的范围中的高度H3延伸。
外壳28可以包括多个层的堆叠，尤其包括：
-有源层，其覆盖相关联的线20的上部分24；
-中间层，其具有与覆盖有源层的下部分22的导电类型相反的导电类型；以及
-结合层，其覆盖中间层并且被覆盖有电极30。
有源层是由发光二极管DEL递送的大多数辐射从其发射的层。根据示例，有源层可以包括约束装置，例如多个量子阱。其例如由GaN层和InGaN层的交替形成，GaN层和InGaN层具有从5nm到20nm(例如，8nm)和从1nm到10nm(例如，2.5nm)的相应厚度。GaN层可以是例如类型N或P掺杂的。根据另一示例，有源层可以包括单个InGaN层，例如具有大于10nm的厚度。
中间层(例如P型掺杂的)可以对应于半导体层或半导体层的堆叠并且允许形成P-N结或P-I-N结，有源层被包括在P-N结或P-I-N结的P型中间层和N型上部分24之间。
结合层可以对应于半导体层或半导体层的堆叠并且使得能够在中间层与电极30之间形成欧姆接触。作为示例，结合层可以是重掺杂的，具有与每个线20的下部分22的类型相反的类型，直到(一个或多个)半导体层的退化，例如以大于或等于1020原子/cm3的浓度的P型掺杂。
半导体层的堆叠可以包括由三元合金形成的(例如由铝氮化镓(AlGaN)或铝氮化铟(AlInN)制成的)电子屏蔽层，其与有源层和中间层相接触以提供有源层中的电屏蔽的良好分布。
电极30能够使每个线20的有源层偏置并且能够让由发光二极管DEL发射的电磁辐射通过。形成电极30的材料可以是透明的且导电的材料，例如氧化铟锡(ITO)、掺杂铝的氧化锌或石墨烯。作为示例，电极层30具有在从5nm到200nm的范围中的厚度，优选从20nm到50nm的范围中的厚度。
导电镜像层32优选对应于金属层，例如由铝、银、铜或锌制成。作为示例，导电镜像层32具有在从20nm到300nm的范围中的厚度，优选从100nm到200nm的范围中的厚度。
包封层34由至少部分透明的绝缘材料制成。包封层34的最大厚度大于线20的高度H1。包封层34延伸在线20之间并覆盖每个线20。在线20之间的间隔完全地填充有包封层34。包封层34的最大厚度处于从250nm到50μm的范围中，使得包封层34完全覆盖在发光二极管DEL的顶部的电极30。
每个发光二极管DEL的外壳28的有源层在所有方向上发出光。
图2到图6示出由光线R针对不同发光配置行进的路径。在图2到图6中，未示出层30、32和34。将θ称为由光线R相对于垂直于线20的侧壁的方向D形成的角，并将θC称为包括线20和外壳28的有源层的组件的关键总反射角。
根据发射角θ，由外壳28的有源层发出的光可以耦合到被称为RL的辐照模式，如图2所示，或者耦合到被称为GL的导引模式，如图3所示。导引模式GL具有大于关键总反射角θC的发射角θ并且沿线20以z字形传播。相反，辐照模式RL具有小于关键总反射角θC的发射角θ并且完全在包封层34中传输。
关键总反射角θC由斯涅尔定律根据下面的关系式(1)来提供：
θC＝asin(nencap/nwire) (1)
其中，nencap是包封层34的光学折射率的实数部分，并且nwire是线20和其外壳28的光学折射率的实数部分，nwire大于nencap。
光学折射率是无量纲的数，其表征介质的光学性质，尤其是吸收和扩散。折射率等于复数光学指数的实数部分。折射率可以例如由椭圆测量法来确定。
在入射角θ下，导引模式GL分解成在衬底SGL中丢失的模式(图4)、反射模式RGL(图5)和透射模式TGL(图6)。模式SGL被导引到线20的基底并丢失在衬底10中。模式TGL具有在线20的上面处的入射角，其小于关键总反射角并且因此被透射在包封层34中。模式RGL在上面处处于完全反射状况并且在没有被萃取的情况下被向线20的基底发回。
在导引模式GL之中，仅仅透射的导引模式TGL参与由观察者感知的光。向衬底导引的模式SGL直接丢失，并且反射模式RGL保持被俘获在线20的内部，直到它们在衬底10中被吸收或丢失。
图7示出根据包封层34的折射率nencap的模式RL、GL、SGL、RGL以及TGL的比例。从发光二极管萃取的光的比例是RL和TGL的比例之和。
图8示出根据包封层34的折射率nencap的与导引模式RGL相对于导引模式GL的总数量的比例对应的变化曲线CRGL。在具有800nm平均直径的六边形横截面的GaN线和具有275nm厚度的外壳的情况下获得图7和图8的曲线。
随着包封层34的折射率增大，辐照模式RL的比例增大而导引模式GL的比例减小。另外，对于等于大约1.73的包封层34的折射率，所俘获的导引光RGL的比例下降为零。
通过模拟，发明人已经示出：一旦线20的平均直径大于200nm，模式RL、GL、SGL、RGL和TGL的比例的变化的曲线的形状就是基本上相同的、与线20的平均直径无关。具体地，一旦线20的平均直径大于200nm，传播模式RGL抵消的折射率就基本上与线20的平均直径无关。
为了在观察者注视光电子器件5时被观察者感知到，光应当通过正面36离开包封层。表面36可以对应于自由表面，即与空气相接触的表面。在包封层34的折射率与空气的折射率之间的差异越大，则相对于垂直于表面36的方向测量的关键总反射角越小，即，源自发光二极管DEL的光越倾向于在表面36上进行反射。因此不期望包封层34的折射率太高。
当形成线和有源层的材料为III-V化合物时，发明人已经通过模拟示出：能够在如下情况下获得最佳折中：包封层34的折射率处于从1.7到1.75的范围中，优选处于从1.72到1.74的范围中，更优选为大约1.73。
优选地，线20的平均直径处于从200nm到1μm的范围中，优选从300nm到800nm的范围中。
包封层34可以包括由至少部分透明的无机材料制成的可能具有介电材料的颗粒散布在其中的基体。形成颗粒的介电材料的折射率大于形成基体的材料的折射率。根据示例，包封层34包括由硅(还被称为聚硅氧烷)制成的基体并且还包括散布在基体中的介电材料的颗粒。这些颗粒由提供具有适配的折射率的相对球形的纳米范围颗粒的任何类型的材料制成。作为示例，颗粒可以由氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、硫化锌(ZnS)、硫化铅(PbS)或非晶硅(Si)制成。平均直径a被定义为具有相同体积的球的直径。介电材料的颗粒的平均直径处于从2nm到250nm的范围中。颗粒相对于包封层34的总重量的体积浓度处于从1％到50％的范围中。
根据另一示例，无机材料选自包括环氧聚合物、具有SiOx(其中x是大于0且小于或等于2的实数)型的氧化硅、具有SiOyNz(其中y是大于0且小于或等于2的实数，并且z大于0且小于或等于0.57)型的氧化硅以及氧化铝(Al2O3)的组。
包封层34可以由至少部分透明的有机材料制成。根据示例，包封层34由聚酰亚胺制成。根据另一示例，包封层34由环氧聚合物制成，其还包括在基体中分布的介电材料的颗粒。这些颗粒可以由氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、硫化锌(ZnS)、硫化铅(PbS)或非晶硅(Si)制成。
为了改进光电子器件5的萃取效率，被称为纹理化的表面处置可以被施加到包封层34的表面36以在表面36上形成凸起区。对于由无机材料制成的包封层34，对表面36进行纹理化的方法可以包括化学蚀刻的步骤或机械磨蚀的步骤，可能在存在被处置以促进在表面处形成样式的表面36的掩膜保护部分的情况下。对于由有机材料制成的层34，对表面36进行纹理化的方法可以包括压印、模制等的步骤。
为了改进光电子器件5的萃取效率，包封层34可以被覆盖有至少部分透明的额外层。额外层的折射率则在包封层34的折射率与空气的折射率之间。作为变型，至少两个层的堆叠可以覆盖包封层34。该堆叠中的层的折射率从该堆叠与包封层34相接触的第一层到该堆叠与空气相接触的最后一层减小，第一层的折射率小于包封层34的折射率，并且最后一层的折射率大于空气的折射率。
根据先前描述的实施例的光电子器件使得能够有利地增大光电子器件的总体萃取效率，即在整个表面36上测量的效率。
可以局部地，即，针对表面36的部分测量萃取效率。萃取效率则与通过所考虑的部分从光电子器件逸出的光的量与由该部分的发光二极管递送的光的量的比率对应。期望在整个表面36上的局部萃取效率的变化尽可能低以避免观察者在注视光电子器件5时感知到亮度差异。
图9是光电子器件50的示例的俯视图，光电子器件50包括图1中示出的光电子器件5的所有元件并且在方形有源区51上具有规则分布在其中(例如按行和按列)的发光二极管DEL。有源区51的侧边缘用附图标记52来指代，并且有源区51的拐角用附图标记54来指代。每个发光二极管被示意性地示出为点。作为示例，除了沿边缘52定位的二极管，每个发光二极管DEL被定位在方形的中心，包括在每个尖端处的发光二极管和在每个边缘的中间的发光二极管。
在图9中示出的示例中，每表面积单位的发光二极管的密度基本上在整个有源区51上是恒定的。作为示例，发光二极管的表面密度基本上是恒定的并且处于从4*106/cm2到3*107/cm2的范围中。
图10示出在有源区51的四分之一上的图9的光电子器件50的局部萃取效率的变化。在如下情况下获得图10的曲线：GaN纳米线的阵列具有六边形横截面，在两个纳米线的轴之间的距离为外壳28的平均半径的3倍，并且包封层34的材料的折射率等于1.75。
沿边缘52的局部萃取效率大于在有源区51的中心的局部萃取效率。另外，有源区51的尖端54处的局部萃取效率大于沿边缘52的局部萃取效率。对这种现象的解释如下：发光二极管的紧密邻居的数量越大，由该发光二极管发出的光线撞击相邻发光二极管中的一个并要被所述邻居吸收或俘获的概率越高。
通过模拟，发明人已经示出一旦在两个相邻发光二极管的轴之间的距离小于外壳28的平均半径的15倍，萃取效率就降低。
针对在相邻发光二极管的轴之间的小于外壳28的平均半径的15倍的距离，已经观察到当行数和列数大于约50时，有源区51的中心的萃取效率达到最小值，与行数和列数无关。
图11是类似于光电子器件60的实施例的图9的视图。光电子器件60包括光电子器件50的所有元件，其中差别在于每表面积单位的发光二极管的密度从设备的中心一直到边缘52逐渐增大。更具体地，在有源区51的中心的发光二极管的表面密度小于沿边缘52的发光二极管的表面密度。另外，沿边缘52的发光二极管的表面密度小于在有源区51的尖端54处的发光二极管的表面密度。
作为示例，发光二极管的表面密度的变化可以对应于如图10中示出的萃取效率的变化的倒数。作为示例，在光电子器件的有源区的中心的发光二极管的表面密度可以处于从2*106/cm2到6*106/cm2的范围中，而沿光电子器件的有源区的边缘的发光二极管的表面密度可以处于从7*106/cm2到2*107/cm2的范围中。
根据另一实施例，发明人已经示出萃取效率的均匀性能够通过增大有源区的周长与有源区的表面积的比率来改进。优选地，针对单位有源表面积，有源区的周长与表面的比率P/A大于4，优选大于或等于4.5，更优选大于或等于5，并且尤其优选大于或等于6。
图12到图20示出光电子器件的实施例的简化俯视图，针对其中的每个仅仅示出了有源区的轮廓。针对这些示例中的每个，有源区的周长与有源区的表面积的比率大于针对方形的相同表面积获得的比率。
在图12中，有源区70具有包括方形外边缘72和方形内边缘74的环形形状。在图13中，有源区76包括一个或多于一个的矩形区78，示出了两个矩形区。在图14中，有源区80包括一个或多于一个的具有波状边缘的条带82，示出了两个条带82。在图15中，有源区84具有三角形形状。在图16中，有源区86是星形的。在图17中，有源区88包括星形外边缘90和星形内边缘91。有利地，有源区的外周长以及可能内周长遵循接近于分形曲线的曲线。在图18、图19和图20中，有源区94、96和98在两次迭代、三次迭代或四次迭代之后分别具有科赫曲线的形状。针对有源区的单位表面积的比率P/A分别针对有源区94、96和98为6.4、8.5和11.4。图12和图17示出对应于具有孔的表面的有源区的示例。
一种提供光电子器件5的制造方法的实施例包括以下步骤：
(1)在衬底10的表面12上形成种子垫16。
种子垫16可以通过在表面12上沉积种子层并且通过将种子层的部分一直蚀刻到衬底10的表面12以对种子垫进行界定来获得。种子层可以通过诸如化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)(还称为金属有机气相外延(MOVPE))的方法来沉积。然而，可以使用诸如分子束外延(MBE)、气源MBE(GSMBE)、金属有机MBE(MOMBE)、等离子体辅助MBE(PAMBE)、原子层外延(ALE)、氢化物气相外延(HVPE)的方法以及原子层沉积(ALD)。另外，可以使用诸如蒸发或活性阴极溅射的方法。
当种子垫16由氮化铝制成时，它们可以基本上具有特定纹理并且具有优选极性。垫16的纹理化可以通过在种子层的沉积之后执行的额外处置来获得。例如其是氨流(NH3)下的退火。
(2)保护衬底10的表面12的没有覆盖有种子垫16的部分以避免线在这些部分上的随后增长。这可以通过渗氮步骤来获得，渗氮步骤引起在衬底10的表面处、在种子垫16之间形成氮化硅区(例如，SiN或Si3N4)。这还可以通过在种子垫16之间掩蔽衬底10，包括沉积例如SiO2或SiN或Si3N4电介质的层，并且在光刻步骤之后将该层蚀刻在种子垫16的外部的步骤来获得。在这种情况下，掩蔽层可以在种子垫16上延伸。当保护步骤(2)通过掩蔽衬底10的步骤来执行，可以避免种子层蚀刻步骤。种子垫16之后由使其表面在与线交叉处自由离开的均匀连续层形成。
(3)使每个线20的下部分22沿着高度H2增长。每个线20从下面的种子垫16的顶部增长。
线20可以通过CVD、MOCVD、MBE、GSMBE、PAMBE、ALE、HVPE、ALD类型的过程来增长。另外，可以使用电化学过程，例如化学浴沉积(CBD)、热液过程、液体喷雾热解或电沉积。
作为示例，线增长方法可以包括将组III元素的前体和组V元素的前体注入到反应器中。组III元素的前体的示例是三甲基镓(TMGa)、三乙基化镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)或三甲基铝(TMAl)。组V元素的前体的示例是氨(NH3)、磷酸三丁酯(TBP)、砷化氢(AsH3)或偏二甲肼(UDMH)。
根据本发明的实施例，在III-V化合物的线的增长的第一阶段中，除了III-V化合物的前体之外，过量地添加额外元素的前体。额外元素可以是硅(Si)。硅的前体的示例是硅烷(SiH4)。
在前体气体之中硅烷的存在引起硅在GaN化合物内的并入。由此获得N型掺杂下部分22。这进一步转化为对氮化硅层(未示出)的形成，其覆盖高度H2的部分22的外周，除了顶部，因为部分22增长。
(4)使每个线20的高度H3的上部分24在下部分22的顶部上增长。针对上部分24的增长，作为示例，如果没有反应器中的硅烷流被减小例如大于或等于10的因子，则MOCVD反应器的先前描述的运行条件被维持，或者被停止。即使在硅烷流被停止时，由于在源自于相邻钝化部分的掺杂剂的该活动部分中的扩散或由于GaN的残余掺杂，上部分24可以是N型掺杂的。
(5)例如通过在步骤(4)处获得的整个结构上共形地沉积绝缘层来形成绝缘层26并且对该层进行蚀刻以暴露每个线20的上部分24。
(6)针对每个线20通过外延来形成构成外壳28的层。给定覆盖下部分22的外围的绝缘层26的存在，则构成外壳28的层的沉积仅仅发生在线20的没有被覆盖有绝缘层26的上部分24上；
(7)例如通过保形沉积形成电极30；
(8)例如通过在步骤(7)处获得的整个结构上进行物理气相沉积(PVD)或者例如通过蒸发或通过对该层的阴极溅射和蚀刻以暴露每个线20来形成导电镜像层32；
(9)形成包封层34。当包封层34由硅树脂制成时，包封层34可以通过旋转涂层沉积方法、通过喷绘印刷方法或者通过丝印方法来沉积。当包封层34是氧化物时，其可以由CVD沉积；并且
(10)锯开衬底10以使光电子器件分开。
在先前描述的实施例中，绝缘层26覆盖每个线20的下部分22的整个周长。作为变型，能够使下部分22的一部分不被覆盖有绝缘层26。在这种情况下，绝缘层26覆盖线20高达小于H2的高度，并且外壳28覆盖线20高达大于H3的高度。能够使层26不覆盖每个线20的下部分22。在这种情况下，外壳28可以覆盖每个线20高达高度H1。
在先前描述的实施例中，绝缘层26不覆盖每个线20的上部分24的周长。作为变型，绝缘层26可以覆盖每个线20的上部分24的一部分。在这种情况下，绝缘层26覆盖线20高达大于H2的高度，并且外壳28覆盖线20高达小于H3的高度。
根据另一变型，绝缘层26可以针对每个线20部分地覆盖外壳30的下部分。
根据先前描述的制造方法的变型，形成外壳28的层可以在绝缘层26被形成在整个线20上或仅仅线20的部分(例如上部分24)上之前被形成。
已经描述了本发明的特定实施例。本领域技术人员将进行各种更改和修改。另外，尽管在先前描述的实施例中，每个线20在线与种子垫16中的一个相接触的基底处包括钝化部分22，但是钝化部分22可以不存在。
另外，尽管已经针对对于其外壳28覆盖相关联的线20的顶部和线20的侧边的一部分的光电子器件描述了实施例，但是能够仅仅将外壳提供在线20的顶部处。
已经在上文中描述了具有不同变型的各种实施例。应当指出，本领域技术人员可以在不示出任何创造性步骤的情况下将这些各种实施例和变型的各种元件进行组合。具体地，包括具有在从1.7到1.75的范围中的折射率的包封层的光电子器件还可以包括发光二极管的表面密度，该表面密度是可变的，如例如图11中示出的。另外，包括具有在从1.7到1.75的范围中的折射率的包封层的光电子器件还可以具有大于针对方形有源区获得的比率的有源区的周长与表面积的比率，例如如先前关于图12到图20所描述的。另外，具有大于针对方形有源区获得的比率的有源区的周长与表面积的比率的光电子器件还可以包括发光二极管的可变表面密度。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种光电子器件(5)，包括：
具有表面(12)的半导体衬底(10)；
由所述表面支撑的发光二极管(DEL)，其包括线形、圆锥形或尖椎形的半导体元件(20)；以及
覆盖所述发光二极管的至少部分透明的介电层(34)，所述介电层的折射率处于从1.6到1.8的范围中，所述介电层(34)的最大厚度处于从250nm到50μm的范围中。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述介电层(34)的折射率处于从1.7到1.75的范围中。
3.根据权利要求1或2所述的光电子器件，其中，每个半导体元件(20)主要由III-V化合物制成。
4.根据权利要求3所述的光电子器件，其中，每个半导体元件(20)主要包括氮化镓。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光电子器件，其中，每个半导体元件(20)的平均直径处于从200nm到1μm的范围中。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光电子器件，其中，其中，介电层(34)包括由至少部分透明的第一材料制成的具有第二材料的颗粒散布在其中的基体，所述第二材料的折射率大于所述第一材料的折射率。
7.根据权利要求6所述的光电子器件，其中，所述第一材料为聚硅氧烷。
8.根据权利要求6或7所述的光电子器件，其中，所述第二材料是选自氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)以及硫化锌(ZnS)之中的介电材料。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的光电子器件，其中，介电层(34)由选自包括环氧聚合物、SiOx型的氧化硅、SiOyNz型的氧化硅以及氧化铝(Al2O3)的组的材料制成，其中x是大于0且小于或等于2的实数，其中y是大于0且小于或等于2的实数，并且z大于0且小于或等于0.57。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的光电子器件，其中，所述发光二极管(DEL)被分布在所述表面(12)的部分(51)上，并且发光二极管(DEL)在所述部分上的表面密度远离所述部分的边缘(52)减小。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的光电子器件，其中，所述发光二极管(DEL)被分布在所述表面(12)的部分(70；76；80；84；86；88；94；96；98)上，并且针对单位表面积，所述部分的周长与所述部分的表面积的比率大于或等于4。
12.根据权利要求11所述的光电子器件，其中，所述部分(70；90)对应于具有孔的表面。

Claims (12)

1.一种光电子器件(5)，包括：
具有表面(12)的半导体衬底(10)；
由所述表面支撑的发光二极管(DEL)，其包括线形、圆锥形或尖椎形的半导体元件(20)；以及
覆盖所述发光二极管的至少部分透明的介电层(34)，所述介电层的折射率处于从1.6到1.8的范围中，所述介电层(34)的最大厚度处于从250nm到50μm的范围中。
2.根据权利要求1所述的光电子器件，其中，所述介电层(34)的折射率处于从1.7到1.75的范围中。
3.根据权利要求1或2所述的光电子器件，其中，每个半导体元件(20)主要由III-V化合物制成。
4.根据权利要求3所述的光电子器件，其中，每个半导体元件(20)主要包括氮化镓。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光电子器件，其中，每个半导体元件(20)的平均直径处于从200nm到1μm的范围中。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光电子器件，其中，其中，包封层(34)包括由至少部分透明的第一材料制成的具有第二材料的颗粒散布在其中的基体，所述第二材料的折射率大于所述第一材料的折射率。
7.根据权利要求6所述的光电子器件，其中，所述第一材料为聚硅氧烷。
8.根据权利要求6或7所述的光电子器件，其中，所述第二材料是选自氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)以及硫化锌(ZnS)之中的介电材料。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的光电子器件，其中，包封层(34)由选自包括环氧聚合物、SiOx型的氧化硅、SiOyNz型的氧化硅以及氧化铝(Al2O3)的组的材料制成，其中x是大于0且小于或等于2的实数，其中y是大于0且小于或等于2的实数，并且z大于0且小于或等于0.57。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的光电子器件，其中，所述发光二极管(DEL)被分布在所述表面(12)的部分(51)上，并且发光二极管(DEL)在所述部分上的表面密度远离所述部分的边缘(52)减小。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的光电子器件，其中，所述发光二极管(DEL)被分布在所述表面(12)的部分(70；76；80；84；86；88；94；96；98)上，并且针对单位表面积，所述部分的周长与所述部分的表面积的比率大于或等于4。
12.根据权利要求11所述的光电子器件，其中，所述部分(70；90)对应于具有孔的表面。
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