CN107078186A - 具有三维半导体元件的光电设备 - Google Patents

具有三维半导体元件的光电设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电设备(30)，包括三维半导体元件(20)，其主要由从包括化合物III‑V、化合物II‑VI和化合物IV的组中选择的第一化合物制成。每个半导体元件可选地利用部分地覆盖所述半导体元件的绝缘部分对包括相对于彼此呈一定角度的邻接面的至少一个第一表面(34)定界。光电设备包括在各面之间的缝中的至少一些处的量子点(60)。量子点主要由第一化合物和额外元素的混合物制成并且适合于发射或接收在第一波长的第一电磁辐射。

Description

具有三维半导体元件的光电设备
相关申请的交叉引用
本专利申请要求法国专利申请FR14/59275的优先权权益，将其通过引用并入本文中。
技术领域
本发明大体涉及由半导体材料制成的光电设备并且涉及制造该光电设备的方法。
术语“光电设备”被用于指代能够将电信号转换成电磁辐射或其他方式的设备，并且尤其是专用于检测、测量或发射电磁辐射的设备或专用于光伏应用的设备。
背景技术
辐射型光电设备包括三维半导体元件，并且在这里更特别地考虑形成在每个三维元件的外周处的有源区。从其发射由光电设备供应的电磁辐射中的大多数或者在其中捕获由光电设备接收的电磁辐射中的大多数的区域被称为光电设备的有源区。
三维元件的示例是包括基于主要包括至少一个组III元素和一组V元素(例如，氮化镓GaN)(在下文中被称为III-V化合物)或主要包括至少一个组II元素和一个组VI元素(例如，氧化锌ZnO)(在下文中被称为II-VI化合物)的化合物的半导体材料的微米线或纳米线。这样的设备例如被描述在法国专利申请FR 2995729和FR 2997558中。
三维元件，尤其是半导体微米线或纳米线一般被形成在衬底上并且每个三维元件至少部分地被覆盖有包括能够发射或感测电磁辐射的有源区的半导体结构。已知形成包括单个量子阱或多个量子阱的有源区。单个量子阱通过在第一半导体材料(例如III-V化合物，尤其是GaN，分别是P型掺杂的和N型掺杂的)的两层之间插设第二半导体材料(例如III-V或II-VI化合物和具有与第一掺杂材料不同的带隙的第三元素的合金(尤其是InGaN))的层。多个量子阱结构包括形成量子阱和屏蔽层的交替的半导体层的堆叠。
由光电设备发射或捕获的电磁辐射的波长尤其依赖于形成量子阱的第二材料的带隙。当第二材料是III-V或II-VI化合物和第三元素的合金(例如InGaN)时，所发射的或所捕获的辐射的波长尤其依赖于第三元素(例如铟)的合金百分数。具体地，铟的原子百分数越高，波长越长。
缺点在于当铟的原子百分数超过一定阈值时，能够在量子阱的GaN与InGaN之间观察到晶格参数差异，其可能导致在有源区中形成无辐射缺陷，例如错位，这导致光电设备的有源区的量子效率的显著下降。因此，存在由具有其包括由III-V或II-VI化合物制成的单个量子阱或多个量子阱的有源区的光电设备发射或捕获的辐射的最大波长。
然而，对由III-V或II-VI化合物制成的材料的使用是期望的，因为存在以低成本将这样的材料外延生长在较大尺寸的衬底上的方法。
发明内容
因此，实施例的目的是要克服先前描述的光电设备及其制造方法的缺点的至少部分。
实施例的另一目的是要增大能够由光电设备发射或捕获的电磁辐射的波长。
实施例的另一目的是使光电设备的有源区包括由III-V或II-VI化合物制成的半导体材料的堆叠。
实施例的另一目的是要控制能够由光电设备发射或捕获的电磁辐射的波长。
因此，实施例提供一种光电设备，其包括：主要由从包括III-V化合物、II-VI化合物和IV化合物的组中选择的第一化合物制成的三维半导体元件，每个半导体元件可选地利用部分地覆盖所述半导体元件的绝缘部分对包括相对于彼此呈一定角度的邻接面的至少一个第一表面定界，该光电设备包括在各面之间的缝中的至少一些处的量子点，量子点主要由第一化合物和额外元素的混合物制成并且能够发射或接收在第一波长的第一电磁辐射。
根据实施例，该设备还包括有源层，其包括至少单个量子阱或多个量子阱并且能够发射或接收在与第一波长不同的第二波长的第二电磁辐射。
根据实施例，该设备还包括与第一表面不同的第二表面，所述有源层覆盖第二表面。
根据实施例，有源层覆盖量子点。
根据实施例，每个量子点主要由InxAlyGa1-x-yN化合物制成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1并且1-x-y>0。
根据实施例，半导体元件是纳米线、微米线和/或纳米或微米范围金字塔结构。
根据实施例，半导体元件具有沿优选方向延长的形状，并且垂直于优选方向测量的在相邻缝的成对的两个缝之间的距离大于5nm。
根据实施例，平行于优选方向测量的在两个相邻缝之间的距离短于1μm。
根据实施例，缝的密度大于108缝/cm2。
另一个实施例还提供一种制造光电设备的方法，其包括以下步骤：
形成主要由从包括III-V化合物、II-VI化合物和IV化合物的组中选择的第一化合物制成的三维半导体元件，每个半导体元件可选地利用部分地覆盖所述半导体元件的绝缘部分对包括相对于彼此呈一定角度的邻接面的至少第一表面定界；以及
在各面之间的缝中的至少一些处形成量子点，量子点主要由第一化合物和额外元素的混合物制成并且能够发射或接收在第一波长的第一电磁辐射。
根据实施例，该方法还包括形成有源层，其包括至少单个量子阱或多个量子阱并且能够发射或接收在与第一波长不同的第二波长的第二电磁辐射。
根据实施例，该方法还包括形成半导体元件并且部分地对半导体元件进行蚀刻以形成第一表面。
根据实施例，第一表面与半导体元件的生长同时地被形成。
附图说明
将在结合附图对具体实施例的以下非限制性描述中详细地讨论前述特征和优点和其他特征和优点，在附图之中：
图1是包括微米线或纳米线的光电设备的示例的部分简化横截面视图；
图2是包括微米线或纳米线的光电设备的实施例的部分简化横截面视图；
图3和图4是图示了包括量子点的有源区的实施例的部分简化放大视图；
图5至图9是包括微米线或纳米线的光电设备的实施例的部分简化横截面视图；以及
图10至图13是在对包括微米线或纳米线的光电设备的实施例的制造的中间步骤处获得的结构的部分简化横截面视图。
具体实施方式
为清楚起见，相同的元件已经在各个附图中利用相同的附图标记来指代，并且另外，如电子电路的表示中常见的，各个附图不一定是按比例的。另外，已经示出并且将描述仅仅对本说明书的理解有用的那些元件。具体地，用于控制下文中描述的光电设备的装置在本领域技术人员的能力内并且不再进行描述。在下面的描述中，除非另行指示，否则术语“实质上”、“大致”、以及“大约”意指“在10％内”。
本说明书涉及包括具有微米线、纳米线或金字塔的形状的半导体元件的光电设备。
术语“微米线”或“纳米线”指代具有至少两个尺寸(被称为小尺寸)(在5nm到2.5μm的范围内，优选在从50nm到2.5μm的范围内)、第三尺寸(被称为大尺寸)(大于或等于最大小尺寸的1倍，优选大于或等于5倍，并且更优选甚至大于或等于10倍)的沿优选方向具有细长形状(例如圆柱形、圆锥形或尖锥形)的三维结构。在某些实施例中，小尺寸可以小于或等于大致1μm，优选在从100nm到1μm的范围内，更优选在从100nm到800nm的范围内。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的范围内。
在以下描述中，术语“线”被用于意指“微米线或纳米线”。优选地，延伸通过垂直于线的优选方向的平面中的横截面的重心的线的中位线实质上是直线的并且在下文中被称为线的“轴”。线的基底例如具有椭圆形、圆形或多边形形状，尤其是三角形、矩形、方形或六边形。
在以下描述中，术语金字塔或截断的金字塔指代具有金字塔形状的三维结构。金字塔结构可以被截断，即，椎体的顶部是缺少的并且以平坦区域来替代。金字塔的基底被内切有多边形，该多边形具有从100nm到10μm(优选从1到3μm)的边尺寸。形成金字塔的基底的多边形可以为六边形。金字塔的基底与顶点或顶部坪之间的金字塔的高度从100nm到20μm变化，优选从1μm到10μm变化。
在以下描述中，将在包括发光二极管的光电设备的情况下描述实施例。然而，应当清楚，这些实施例可以涉及其他应用，尤其是专用于电磁辐射的检测或测量的设备或专用于光伏应用的设备。
图1是由诸如先前描述的并且能够发射电磁辐射的线形成的光电设备10的部分简化横截面视图。
在图1中，设备10从底部到顶部包括：
第一偏置电极12；
衬底14，例如，半导体，其包括平行表面16和18，表面16与电极12相接触；
覆盖表面18的成核层19；
半导体元件20，其在当前实施例中对应于线，轴D的单个线20被示出，每个线20能够包括与衬底19相接触的由上部分22延续的下部分21；
绝缘层23，其覆盖衬底19和每个线20的下部分21的外周；
壳25，其覆盖每个线20的上部分22的外壁24，壳25包括覆盖上部分22的有源区26和覆盖有源区26的半导体层27的至少一个堆叠；以及
第二电极层28，其覆盖每个壳25。
由线20和壳25形成的组件形成发光二极管LED。当多个发光二极管LED被形成在衬底14上时，它们可以被串联连接和/或并联连接并形成发光二极管的组件。组件可以包括从几个发光二极管LED到数千个发光二极管LED。
有源区26是从其发射由设备10提供的辐射中的大多数的区域。有源区26可以包括限制装置。作为示例，区26可以包括单个量子阱。其则包括与形成上部分22和层27的半导体材料不同的并且具有比形成上部分22和层27的材料的带隙更小的带隙的半导体材料。有源区26可以包括多个量子阱。其则包括形成量子阱和屏蔽层的交替的半导体层的堆叠。
线20的外壁24一般对应于实质上平滑晶体平面。具有单层或多层结构的有源区26一般在外延沉积的一个或多个步骤中被形成在外壁24上。
图1中描述的设备10恰当地进行操作但是具有各种缺点。实际上，由有源区26发射的辐射的波长依赖于用于形成单个量子阱或多个量子阱的材料。例如，在有源区26包括InGaN型合金的情况下，所发射的辐射的波长尤其依赖于铟的比例。然而，有源区26的内部量子效率当铟的原子比例超过16％(其对应于460-nm发射波长)时下降。
发明人已经示出，当线20的外壁24，不是平滑的，而是包括相对于彼此成一定角度的面时，量子点可以被形成在各面之间的缝的水平处。量子点是纳米范围尺寸的半导体结构。其表现为将三维空间中的电子和空穴限定在具有大约电子波长的大小的区域(即，半导体中的几十纳米)中的电势阱。因此其是与量子阱不同的结构，其将电子和空穴限定在单个方向上。发明人已经示出，量子点可以使得能够在不同波长发射辐射，并且尤其在比由量子阱发射的辐射的波长更高的波长发射辐射。
图2是光电设备30的实施例的部分简化横截面视图。光电设备30包括与图1中示出的光电设备10相同的元件，其差别在于上部分22用具有外侧壁34(其是不平坦的或粗糙的，即，具有表面微凸体)的线部分32替代。每个线20的下部分21还可以进一步用具有外侧壁(其可选地为粗糙的)的部分36替代。将HT称为线20的总高度，HB为具有粗糙外壁34的线部分32的高度，并且HF为下部分36的高度。设备10的有源区26进一步用被形成在粗糙壁34上的有源区40替代。有源区40包括量子点。
半导体元件20至少部分地由至少一种半导体材料制成。半导体材料选自包括III-V化合物、II-VI化合物或组IV半导体或化合物的组。
半导体元件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)的半导体材料制成。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。其他组V元素还可以被使用，例如磷或砷。一般地，III-V化合物中的元素可以以不同的摩尔分数来组合。
半导体元件20可以至少部分地由主要包括II-VI化合物的半导体材料制成。组II元素的示例包括组IIA元素，尤其是铍(Be)和镁(Mg)，以及组IIB元素，尤其是锌(Zn)、镉(Cd)和汞(Hg)。组VI元素的示例包括组VIA元素，尤其是氧(O)和碲(Te)。II-VI化合物的示例是ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe或HgTe。一般地，II-VI化合物中的元素可以以不同的摩尔分数来组合。
半导体元件20可以至少部分地由主要包括至少一个组IV化合物的半导体材料制成。组IV半导体材料的示例是硅(Si)、碳(C)、锗(Ge)、碳化硅合金(SiC)、锗化硅合金(SiGe)或碳化锗合金(GeC)。
半导体元件20可以包括掺杂剂。作为示例，对于III-V化合物，掺杂剂可以从包括以下的组中选择：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)，或者组IV N型掺杂剂，例如硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、硫(S)、铽(Tb)或锡(Sn)。
当光电设备的三维半导体元件20对应于线时，高度HT可以处于从250nm到50μm的范围内。每个线20可以具有沿实质上垂直于表面18的轴延长的半导体结构。每个线20可以具有含有椭圆形、圆形或多边形基底(尤其是三角形、矩形、方形或六边形)的大体圆柱形形状。两个相邻线20的轴可以相距从0.5μm到10μm并且优选从1.5μm到5μm。作为示例，线20可以被规则地分布在尤其是六边形网络中。
根据实施例，每个线的下部分36主要由III-N化合物制成，III-N化合物例如为掺杂有第一导电类型(例如N型掺杂)的氮化铝。N型掺杂剂可以是硅。下部分21的高度HF可以处于从500nm到25μm的范围内。
根据实施例，每个线的部分32例如至少部分地由III-N化合物(例如氮化镓)制成。部分32可以被掺杂有第一导电类型，例如类型N，或者不是有意地被掺杂。上部分32的高度HB可以处于从500nm到25μm的范围内。
作为变型，对于每个线20，绝缘层23可以延伸在部分32的部分上，而不是延伸在整个下部分36上，或者延伸在有源区40的部分上。
当光电设备10的三维半导体元件20对应于金字塔时，每个金字塔的高度可以处于从100nm到25μm的范围内。每个金字塔可以具有沿实质上垂直于表面18的轴延长的半导体结构。每个金字塔的基底可以具有椭圆形、圆形或多边形类型的大体形状(尤其是三角形、矩形、方形或六边形)。两个相邻金字塔的中心可以相距从0.25μm到10μm并且优选从1.5μm到5μm。作为示例，金字塔可以被规则地分布在尤其是六边形网络中。
在线20主要由GaN制成的情况下，线的晶体结构可以是纤锌矿型的，线沿结晶方向C延伸。
对于每个半导体元件20，有源区40包括主要包括具有额外元素并入在其中的III-V化合物、II-VI化合物或IV化合物的材料的量子点。
图3是制造有源区40的方法的实施例的第一步骤处的线的部分32的粗糙侧壁34的实施例的部分简化放大视图。壁34包括通过对应于角落或边缘42的缝被连接到彼此的邻近面41的连续。角落或边缘42可以被“上凸”或“下凹”。作为示例，“上凸”角落可以对应于表面微凸体44的顶部，并且“上凸”边缘42可以对应于上凸坪46的边缘。“下凹”角落42可以对应于凹处48的底部。“下凹”边缘42可以对应于下凹坪50的边缘。
根据另一实施例，绝缘部分部分地覆盖线20的部分32并暴露线20的部分32的区域。粗糙壁34之后由线20的被覆盖有绝缘部分的部分32形成。各面之后属于线20的部分32或者绝缘部分，并且缝尤其对应于线20的部分32的暴露区域的边缘。
发明人已经示出，当壁34的粗糙度具有特定属性并且当在存在粗糙壁34的情况下实现与设备10的有源区26的量子阱的外延生长条件相同的外延生长条件时，量子点60首先在下凹的边缘或角落42的水平处形成，并且可能在上凸的边缘或角落42的水平处形成。边缘或角落42之后形成量子点60的生长的位点。
解释将在于当原子在外延生长期间被沉积在壁34上时，它们倾向于在缝42的水平处累积以形成量子点60。量子点60的形成机制与所谓的Stranski-Krastanov方法不同，其被实现在平滑壁上。缝42形成量子点生长位点。
根据实施例，缝42的长度优选处于从1个单层(例如对于GaN为大约0.259nm)到20个单层(例如大约5nm)的范围内。
根据实施例，垂直于轴D测量的在两个相邻缝42之间的距离D1大于5nm。这使得能够避免已经到达缝42的原子从其逃离。实际上，不平行于轴D的面41上的原子的扩散的速度大体大于平行于轴D的面41上的原子的扩散的速度。
根据实施例，平行于轴D测量的在两个相邻缝42之间的距离D2短于1μm。这使得已经到达平行于轴D的面41的原子一直扩散到缝42。
边缘或角落42的数量依赖于量子点60的期望分布。根据实施例，如果期望量子点60的实质上均匀分布，则缝42可以被实质上均匀地分布。在操作中，每个量子点60可以发射或接收电磁辐射。在发射光线的情况下，为了获得由观察者以实质上连续且均匀的方式感知到的光发射，缝42的密度大于108缝/cm2。
图4示出了在已经维持了与在第一步骤处已经引起量子点60的形成的外延生长条件相同的外延生长条件之后制造有源区40的方法的实施例的第二步骤处获得的结构。实质上连续层62可以形成量子点60并将其连接。层62可以具有与包括单个量子阱的有源区26实质上相同的组成和相同的属性。
根据实施例，可以在第一步骤之后中断制造有源区40的方法。有源区40则仅仅实质上包括量子点60。有源区40可以被覆盖有半导体层27，其可以与量子点60并且与线20的部分32相接触。根据另一实施例，制造有源区40的方法包括第一先前描述的步骤和第二先前描述的步骤。有源区40则包括量子点60和有源层62。可以覆盖有源区40的半导体层27则不是与线20的部分32直接接触。
在相同的生长条件中，量子点60的组成与量子阱的组成不同。由此，由量子点60发射或捕获的辐射的波长与由在相同条件下形成的量子阱发射的辐射的波长不同。
作为示例，在InGaN的情况下，并入在量子点60中的铟的比例可以大于能够被并入在相同条件下形成的量子阱中的铟的比例。由此，由量子点60发射的辐射的波长与由在相同条件下形成的量子阱发射的辐射的波长不同。作为示例，由具有16％的铟的原子比例的单个InGaN量子阱发射的辐射的波长大致为460nm，并且由在相同条件下形成的InGaN量子点发射的辐射的波长大致为475nm。
根据实施例，光电设备30包括量子点60，其中额外元素相对于III-V或II-VI化合物的原子比例大于在相同条件下形成的量子阱中的该元素的比例。作为示例，在InGaN量子点的情况下，铟的原子比例大于15％，优选大于20％，更优选大于25％。作为示例，在InGaAs量子点的情况下，铟的原子比例大于40％，优选大于45％，更优选大于50％。
衬底14可以对应于单块结构或对应于覆盖由另一材料制成的支撑体的层。衬底14优选为半导体衬底，例如由硅、锗、碳化硅、诸如GaN或GaAs的III-V化合物制成的衬底，或者ZnO衬底。优选地，衬底14是单晶体硅衬底。优选地，其是可与在微电子器件中实现的制造方法兼容的半导体衬底。衬底14可以对应于硅晶绝缘体类型的多层结构，还被称为SOI。
衬底14可以是重掺杂的、轻掺杂的或无掺杂的。在衬底是重掺杂的情况下，半导体衬底14可以被掺杂以便将电阻率向下降低到与金属的电阻率接近的电阻率，优选低于几mohm.cm。衬底14例如为具有在从5*1016原子/cm3到2*1020原子/cm3的范围内的掺杂剂浓度的重掺杂衬底。在衬底为轻掺杂的情况下，例如，在掺杂剂浓度小于或等于5*1016原子/cm3(优选实质上等于1015原子/cm3)的情况下，可以提供第一导电类型的掺杂区域或与第一类型相反的第二导电类型的掺杂区域，其比衬底更重掺杂，从表面18延伸到衬底14中。在硅衬底14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18可以为(100)表面。
电极12可以对应于导电层，其在衬底14的表面16上延伸。形成电极12的材料例如为镍硅化物(NiSi)、铝(Al)、铝硅化物(AlSi)、钛(Ti)或钛硅化物(Ti Si)。
种子层19由支持半导体元件20的生长的材料制成。作为示例，形成种子层19的材料可以为来自周期元素表的栏IV、V或VI的过渡金属的氮化物、碳化物、或硼化物或这些化合物的组合。作为示例，种子层19可以由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、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)、锆化硼(ZrB2)、氮化锆(ZrN)、碳化硅(SiC)、碳氮化钽(TaCN)、以MgxNy形式(其中x大致等于3，并且y大致等于2，例如以Mg3N2形式的氮化镁)的氮化镁制成。种子层19可以被掺杂有与衬底14相同的导电类型。种子层19例如具有在从1纳米到100纳米的范围内的厚度，优选具有在从10纳米到30纳米的范围内的厚度。
作为变型，种子层19可以用依靠在衬底14的表面18上的种子垫来替代，每个线20依靠在种子垫之一上。
当种子层19由氮化铝制成时，其可以被实质上纹理化并且具有优选极性。种子层19的纹理化可以通过在沉积种子层之后执行额外的处置来获得。其例如为在氨流(NH3)下的退火。在线20主要由GaN制成的情况下，种子层19可以支持具有N极性的GaN的生长。
绝缘层23可以由介电材料制成，例如由氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy，其中，x大致等于3，并且y大致等于4，例如Si3N4)、氧氮化硅(尤其是大体形式为SiOxNy，例如Si2ON2)、二氧化铪(HfO2)或金刚石制成。作为示例，绝缘层23的厚度处于从5nm到100nm的范围内，并且例如等于大致30nm。绝缘层23可以具有单层结构或者可以对应于两层的堆叠或多于两层的堆叠。
半导体层27可以包括多个层的堆叠，其尤其包括：
-中间层，其具有与下部分36的导电类型相反的导电类型并且覆盖有源区40；以及
-覆盖中间层并被覆盖有电极28的结合层。
中间层(例如P型掺杂的)可以对应于半导体层或者对应于半导体层的堆叠，并且使得能够形成P-N或P-I-N结，有源区40被定位在P-N或P-I-N结的线20的中间P型层与N型部分32之间。
结合层可以对应于半导体层或者对应于半导体层的堆叠，并且使得能够形成在中间层与电极28之间的欧姆接触。作为示例，结合层可以是非常重的掺杂有与下部分36的掺杂类型相反的掺杂类型，直到例如以大于或等于1020原子/cm3的浓度P型掺杂的(一个或多个)半导体层的退化。
半导体层的堆叠可以包括与有源层和中间层相接触的由三元合金(例如，铝氮化镓(AlGaN)或铝氮化铟(AlInN))形成的电子屏蔽层以提供有源区中的电载体的良好分布。
电极28能够将覆盖每个半导体元件20的有源区40偏置并且能够允许通过由发光二极管LED发射的电磁辐射。形成电极28的材料可以是透明的且导电材料，例如氧化铟锡(ITO)、掺杂有或没有铝或镓的氧化锌、或者石墨烯。作为示例，电极层28具有在从5nm到200nm的范围内的厚度，优选具有在从20nm到50nm的范围内的厚度。
当电压被施加在电极12与28之间时，光线由有源区40发射。当有源区40具有图3中示出的结构并且仅仅包括量子点60时，所发射的辐射实质上是单色的。当有源区40具有图4中示出的结构并且包括量子点60和有源层62时，由量子点60发射的辐射的波长与由有源层62发射的辐射不同，并且光电设备30的发光二极管LED可以发射具有两个不同波长的辐射。
可以因此获得具有宽带发射或接收属性的设备。具体地，所获得的发射或接收谱可以以白光为特征。
图5是光电设备70的另一实施例的横截面视图。设备70包括图2中示出的光电设备30的所有元件，其差别在于具有粗糙侧壁34的线部分32由具有平滑侧壁74的线部分72延续，具有平滑侧壁74的线部分72可以具有与图1中示出的光电设备10的部分22相同的结构。部分72具有在从10nm到10μm的范围内的高度HW。部分72被覆盖有有源层76，有源层76可以具有与图1中示出的光电设备10的有源区26相同的结构和相同的组成。
在图5中示出的实施例中，由覆盖线20的部分72的有源层76发射的光辐射源自于电致发光现象。由覆盖线20的部分32的有源区40发射的光辐射源自于通过转换由相邻线20的有源层76发射的光辐射的部分的光致发光的现象。根据实施例，有源区40可以是不连续的，即，不完全覆盖粗糙侧壁34。
光电设备70的每个发光二极管LED可以因此在两个不同的波长发射。
图6示出了包括设备70的所有元件的光电设备80的另一实施例，其差别在于线20的具有平滑侧壁74的部分72被定位在线20的下部分36与具有粗糙侧壁34的部分32之间。
图7示出了包括图6中示出的设备80的所有元件的光电设备90的另一实施例，其差别在于半导体层27和电极层28覆盖线20的具有平滑壁74的部分72和线20的具有粗糙壁34的部分32。
图8示出了包括图6中示出的设备80的所有元件的光电设备100的另一实施例，其差别在于半导体层27和电极层28仅仅覆盖线20的具有粗糙壁34的部分32而不覆盖线20的具有平滑壁74的部分72。
图9示出了包括图5中示出的设备70的所有元件的光电设备110的另一实施例，其差别在于半导体层27和电极层28仅仅覆盖线20的具有粗糙壁34的部分32而不覆盖线20的具有平滑壁74的部分72。
图5和图6中示出的实施例具有含有较少泄漏的更高效的电流注射的优点。解释将在于有源层更均匀并且转换由有源层发射的光的部分的量子点在较高的波长发射。根据被施加到发光二极管的电压，所发射的谱则是较宽的并且更稳定。
根据实施例，粗糙壁34在通过对线20的侧的化学蚀刻对每个线20的生长之后形成。线20的具有应当保持平滑的侧壁的可能部分，例如，图5中的部分72则例如通过被覆盖有在蚀刻步骤之后被移除的保护层而被保护不受蚀刻。
线生长方法可以是诸如化学气相沉积(CVD)或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)(还被称为金属有机物气相外延(MOVPE))的方法。然而，可以使用诸如以下的方法：分子束外延(MBE)、气体源MBE(GSMBE)、金属有机物MBE(MOMBE)、等离子体辅助的MBE(PAMBE)、原子层外延(ALE)或氢化物气相外延(HVPE)。然而，可以使用电化学过程，例如化学浴法(CBD)、热液过程、液体气溶胶高温分解法或电沉积。
作为示例，该方法可以包括将组III元素的前体和组V元素的前体注射到反应器中。组III元素的前体的示例是三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(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)、叔丁基磷(TBP)、胂(AsH3)或偏二甲肼(UDMH)。将III/V称为组III元素的前体的气体流与组V元素的前体的气体流的比率。
根据本发明的实施例，在III-V化合物的线的生长的阶段中，除了III-V化合物的前体之外，添加额外元素的前体。额外元素的前体的存在导致将额外元素并入到III-V化合物中以掺杂该III-V化合物，而且还并入到主要由额外元素和组V元素制成的介电材料的层在III-V化合物的生长晶体的横向侧上的形成中。额外元素可以是硅(Si)。硅的前体的示例是硅烷(SiH4)。这使得能够掺杂N型线。这还可以引起可能以化学式Si3N4的氮化硅SiN的介电层在线的侧壁上的形成。以μmol/min表示的硅烷流与三甲基镓流的比率大体处于从8*10-5到2*10-3的范围内，例如大致为4.10-4。所获得的Si3N4介电层的厚度则大体小于10nm。
作为示例，在上部分36由重掺杂N型GaN制成的情况下，MOCVD型方法可以通过将镓前体气体(例如三甲基镓(TMGa))和氮前体气体(例如氨(NH3))注射到喷头式MOCVD反应器中来实现。作为示例，可以使用由AIXTRON销售的喷头式3x2"MOCVD反应器。在5-200范围内，优选在10-100范围内的三甲基镓与氨之间的分子流比率使得能够支持线的生长。作为示例，确保金属有机物元素一直扩散到反应器中的载体气体变得装载有TMGa起泡器中的金属有机物元素。后者根据标准操作条件来调节。例如针对TMGa选择60sccm(每分钟标准立方厘米)的流，而300-sccm流用于NH3(标准NH3瓶)。使用大致800mbar(800hPa)的压力。气体混合物还包括被注射到MOCVD反应器(其材料是硅的前体)中的硅烷。硅烷可以以1,000ppm的氢来稀释并且提供20-sccm流。反应器中的温度例如处于从950℃到1,100℃的范围内，优选从990℃到1,060℃的范围内。为了将样品从起泡器的出口运输到两个反应器室，使用被分布在两个室之间的2,000-sccm流的载体气体，例如N2。先前指示的气体流被给出为指示，并且应当根据反应器的大小和特异性来适配。
根据实施例，粗糙壁34通过在线20的生长之后将额外的氢气(H2)引入到反应器中来获得。尽管氢气在传统上被用作反应器中的载体气体，但是发明人已经示出额外的氢气可以导致线的侧壁的蚀刻和这些壁的粗糙度的增大。
根据实施例，在线生长之后，反应器被放置在H2压力(例如在0.8-bar(80kPa)压力)下5分钟。获得在线20的暴露于蚀刻的壁上的表面微凸体的形成。
根据实施例，粗糙壁34通过对覆盖线20并且在线20的生长期间形成的介电层的部分蚀刻以部分地暴露线20来获得。蚀刻可以通过在线20的生长之后将额外的氢气(H2)引入到反应器中来执行。线的暴露的区域形成量子点生长位点。根据实施例，对于N型掺杂GaN线，在线生长之后，在硅烷流被单独地维持例如5分钟的同时，三甲基镓流被中断。反应器之后被放置在H2压力(例如在0.8-bar(80kPa)压力)下5分钟。
根据实施例，对于N型掺杂GaN线，硅烷流与三甲基镓流的比率被增大。实际上，发明人已经示出，当硅烷强烈过度时氮化硅层的生长机制被修改，这导致获得暴露GaN线的区域的不平坦的Si3N4层，由此形成针对量子点的成核区域。GaN线的暴露的区域形成量子点生长位点。作为示例，以μmol/min表示的硅烷流与三甲基镓流的比率大于10-3。
根据另一实施例，对于N型掺杂GaN线，硅烷流被减小使得形成在线上的Si3N4层不是连续的并且包括暴露线20的区域的开口，暴露的区域形成量子点生长位点。为了这个目的，以μmol/min表示的硅烷流与三甲基镓流的比率可以小于5*10-4。
根据另一实施例，沿每个线20的生长形成粗糙壁34。
图10示出了在形成线20的步骤之后并且在形成有源区40的步骤之前的光电设备120的另一实施例。部分32包括具有实质上恒定的横截面和不同直径的部分122、124、126的连续，每个部分通过阶梯(step)128被连接到下一个，即通过实质上垂直于线20的轴D的表面被连接到下一个。在阶梯128与部分122、124、126之间的缝处的边缘形成量子点生长位点。作为变型，阶梯128可以相对于轴D被倾斜。
根据制造设备120的方法的实施例，线20的生长参数在不同直径的两个部分122、124、126之间以步进方式来改变。作为示例，III/V比率在具有不同直径的两个部分122、124、126之间以步进的方式从初始常数值传递到最终常数值。
图11示出了在形成线20的步骤之后并且在形成有源区40的步骤之前的光电设备130的另一实施例。部分32包括包围有包括具有由阶梯138连接的倾斜壁的部分134、135、136、137的连续的实质上非掺杂壳133的掺杂核芯132。在阶梯138与部分134、135、136、137之间的缝处的边缘形成量子点生长位点。
根据制造设备130的方法的实施例，对于N型掺杂的GaN线，在形成掺杂核芯132之后，硅烷流被中断并且镓和氮的前体的流被维持。温度例如在连续的阶段中从1,000℃被减小到750℃。这导致以连续的阶梯138从线的顶部形成壳133。壳133的直径从线20的顶部下降。
图12示出了在形成线20的步骤之后并且在形成有源区40的步骤之前的光电设备140的另一实施例。线20的部分32由例如由N型掺杂的GaN制成的掺杂部分142和例如由GaN制成的非掺杂部分144的交替形成。非掺杂部分144具有比掺杂部分142更大的直径。在非掺杂部分144与掺杂部分142之间的交接处的边缘形成量子点生长位点。
各种方法可以用于形成具有与掺杂的GaN部分142的直径不同的直径的GaN部分144。为了这个目的，如果掺杂的GaN的部分142在生长反应器的给定操作参数被形成的情况下被形成，则反应器的操作参数被修改用于形成GaN部分144。根据实施例，压力被修改和/或组III元素的前体和组V元素的前体的相对组成被修改。更具体地，反应器在形成GaN部分144上的压力相对于用于形成潜在的掺杂的GaN部分142的压力的减小引起GaN部分144相对于潜在的掺杂的GaN部分142的直径的增加。另外，V/III比率相对于用于形成潜在的掺杂的GaN部分142的V/III比率的增加引起GaN部分144相对于潜在的部分142的直径的增加。
应当指出，如果参数变化是骤然的，则存在骤然直径变化。然而，如果该参数变化是渐进的，则可以存在不同直径的微米线或纳米线的部分之间的中间圆锥区。中间区由半极化平面形成。
图13示出了在形成线20的步骤之后并且在形成有源区40的步骤之前的光电设备150的另一实施例。在该实施例中，每个半导体元件对应于金字塔152。发明人已经示出对于金字塔152的生长的某些条件，金字塔的某些侧比其他侧更粗糙。作为示例，图13示出了较不粗糙侧154和较粗糙侧156。较粗糙侧156的表面微凸体能够形成量子点生长位点而包括量子点的有源层可以被形成在较不粗糙侧154上。
在对应于主要由GaN制成的金字塔152的半导体元件的情况下，种子层19可以支持具有Ga极性的GaN的生长。根据制造设备150的方法的实施例，比率V/III是低的，例如小于50。这引起包括平滑侧和粗糙侧的金字塔的形成。为了增大粗糙侧的粗糙度，在金字塔的生长之后，V和III元素的前体的流可以被中断并且生长反应器可以被放置在氢气压力(例如在0.8bar)之下10分钟。这引起侧156相对于侧154的粗糙度的较强增加。
已经描述了具体实施例。本领域技术人员将想到各种更改和修改。具体地，尽管附图示出其中覆盖有第一电极的线被形成在支撑体的第一表面上而第二电极被形成在支撑体的与第一表面相对的第二表面上的实施例，但是应当清楚，第二电极可以被提供在第一表面的一侧上。另外，尽管更详细的先前描述的实施例涉及III-V化合物，但是已经描述的内容还可以被实现以制造II-VI化合物。
上文已经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将这些各个实施例和变型的各个元件进行组合而不示出任何创造性步骤。具体地，具有图10至图12的粗糙壁的部分32的具体形状可以利用关于图5至图9描述的光电设备70、80、90、100和110的实施例中的一些来实现。

Claims (13)

1.一种光电设备(30)，包括：三维半导体元件(20；152)，其主要由从包括III-V化合物、II-VI化合物和IV化合物的组中选择的第一化合物制成，每个半导体元件可选地利用部分地覆盖所述半导体元件的绝缘部分对包括相对于彼此呈一定角度的邻接面的至少第一表面(34)定界，所述光电设备包括在各面之间的缝(42)中的至少一些处的量子点(60)，所述量子点主要由所述第一化合物和额外元素的混合物制成并且能够发射或接收在第一波长的第一电磁辐射。
2.根据权利要求1所述的光电设备(30)，还包括有源层(62；76)，其包括至少单个量子阱或多个量子阱并且能够发射或接收在与所述第一波长不同的第二波长的第二电磁辐射。
3.根据权利要求1或2所述的光电设备(30)，包括与所述第一表面(34)不同的第二表面(74)，所述有源层(76)覆盖所述第二表面。
4.根据权利要求1或2所述的光电设备(30)，其中，所述有源层(62)覆盖所述量子点(60)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光电设备，其中，每个量子点(60)主要由InxAlyGa1-x-yN化合物制成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1并且1-x-y>0。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光电设备，其中，所述半导体元件(20)是纳米线、微米线和/或纳米或微米范围金字塔结构。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的光电设备，其中，所述半导体元件具有沿优选方向延长的形状，并且其中，垂直于所述优选方向测量的在相邻缝的成对的两个缝(42)之间的距离大于5nm。
8.根据权利要求7所述的光电设备，其中，平行于所述优选方向测量的在两个相邻缝(42)之间的距离小于1μm。
9.根据权利要求7所述的光电设备，其中，所述缝(42)的密度大于108缝/cm2。
10.一种制造光电设备(30)的方法，包括以下步骤：
形成主要由从包括III-V化合物、II-VI化合物和IV化合物的组中选择的第一化合物制成的三维半导体元件(20；152)，每个半导体元件可选地利用部分地覆盖所述半导体元件的绝缘部分对包括相对于彼此呈一定角度的邻接面的至少第一表面(34)定界；以及
在各面之间的缝(42)中的至少一些处形成量子点(60)，所述量子点主要由所述第一化合物和额外元素的混合物制成并且能够发射或接收在第一波长的第一电磁辐射。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括形成有源层(62；76)，所述有源层(62；76)包括至少单个量子阱或多个量子阱并且能够发射或接收在与所述第一波长不同的第二波长的第二电磁辐射。
12.根据权利要求10或11所述的方法，包括形成半导体元件(20)并且部分地对所述半导体元件进行蚀刻以形成所述第一表面(34)。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述第一表面与所述半导体元件(20)的生长同时地被形成。
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