CN111834504B - 一种具有低驱动电压的纳米三极发光管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，包括衬底和设置于所述衬底上的半导体纳米结构；所述半导体纳米结构包括沿平行衬底方向依次堆叠的第一半导体、第二半导体、第三型半导体、发光体和第四半导体；所述半导体纳米结构还包括从第一半导体引出的第一电极、从第二半导体引出的第二电极、从第四半导体引出的第三电极。本发明可以对输入可变信号进行放大，从而实现用低电压驱动纳米半导体发光，有效降低基于半导体发光显示装置特别是微半导体发光显示装置的驱动电路设计复杂度，提高显示装置的集成度。

Description

一种具有低驱动电压的纳米三极发光管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，具体涉及一种具有低驱动电压的纳米三极发光管及其制作方法。
背景技术
基于半导体发光的微发光二极管（micro-LED）作为第四代光源具有寿命长、体积小、低功耗、高亮度、响应速度快等诸多优点，在微显示、通讯、生物医疗、光加工等方面的优势，是发光与显示领域的一大研究热点。随着应用领域的不断拓展， LED尺寸需要不断缩小。因此通过纳米材料、纳米结构构件纳米LED具有广泛的应用前景。
目前半导体发光器件基本都是两电极驱动，即只存在两接触电极作用于器件两端。而这种驱动方式虽然较为通用，但是信号控制芯片输出的小功率信号往往不能直接驱动该发光器件，因此需要在驱动芯片和发光器件之间连接功率放大元件以实现对驱动信号的功率放大，或者需要专门驱动芯片，从而点亮半导体发光器件。这些功率放大电路将显著提高驱动电路的设计复杂度。特别是对于微纳米尺度的发光器件，复杂的驱动电路不利于高集成度系统的构建。为了解决以上问题，提升半导体发光器件的产业效率，开发、设计新型的纳米半导体发光器件成为迫切的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有低驱动电压的纳米三极发光管及其制作方法，除了具有电致发光功能，还具有类似双极性晶体光的特性，可以对输入可变信号进行放大，从而实现用低电压驱动纳米半导体发光，可以有效降低基于半导体发光显示装置特别是微半导体发光显示装置的驱动电路设计复杂度，提高显示装置的集成度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，包括衬底和设置于所述衬底上的半导体纳米结构；所述半导体纳米结构包括沿平行衬底方向依次堆叠的第一半导体、第二半导体、第三型半导体、发光体和第四半导体；所述半导体纳米结构还包括从第一半导体引出的第一电极、从第二半导体引出的第二电极、从第四半导体引出的第三电极。
进一步的，所述第一半导体为N型半导体、第二半导体为P型半导体、第三型半导体为N型半导体、第四半导体为P型半导体；或者所述第一半导体为P型半导体、第二半导体为N型半导体、第三型半导体为P型半导体、第四半导体为N型半导体。
进一步的，所述半导体纳米结构的横截面形状包括但不限于圆形、矩形、多边形。
进一步的，所述第一半导体掺杂浓度比所述第二半导体的掺杂浓度高1至5个数量级。
进一步的，所述第二半导体的长度为0. 5μm至2μm，所述第一半导体的长度为0.5μm至5μm，所述第三半导体的长度为0.5μm至5μm，所述第四半导体的长度为0.5μm至5μm。
进一步，所述半导体纳米结构沿着导体堆叠方向的横截面的尺寸10nm至100μm。
进一步，所述第一电极、第二电极、第三电极分别和第一半导体、第二半导体、第四半导体形成欧姆接触。
进一步的，当第一半导体为N型半导体、第二半导体为P型半导体、第三型半导体为N型半导体、第四半导体为P型半导体时，施加在第一电极和第二电极之间的电压信号为正极性，即第二电极的电位高于第一电极的电位；施加在第一电极和第三电极之间的电压信号为正极性，即第三电极的电位高于第一电极的电位；施加在第一电极和第二电极之间的电压幅值小于施加在第一电极和第三电极之间的电压幅值；
当第一半导体为P型半导体、第二半导体为N型半导体、第三型半导体为P型半导体、第四半导体为N型半导体时，施加在第一电极和第二电极之间的电压为负极性，即第二电极的电位低于第一电极的电位；施加在第一电极和第三电极之间的电压为负极性，即第三电极的电位低于第一电极的电位；施加在第一电极和第二电极之间的电压幅值小于施加在第一电极和第三电极之间的电压幅值。
进一步的，所述第一、第三、第四半导体采用的主体材料包括但不限于GaAs、InP、GaP、GaN、ZnSe、SiC、Si、ZnSe材料；所述发光体采用的主体材料包括但不限于多量子阱有源层及用以提高载流子复合效率的功能层。
进一步的，所述第一半导体、第二半导体、第三型半导体、发光体、第四半导体采用的结构为具有相同掺杂浓度的单半导体结构或具有渐变或缓变掺杂浓度的多层半导体结构；所述缓冲层、第一半导体层、第二半导体层、第三型半导体层、发光层、第四半导体层结构可以相同，也可以不相同。
进一步的，在第一电极和第二电极之间施加一个小功率可变电压，同时在所述第一电极和第三电极之间施加一个固定电压，使得所述发光三极管芯片发光。
一种具有低驱动电压的纳米三极发光管的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1:将设置有种子层的衬底放置在反应室中，采用转移或原位生长的方法在衬底上依次生长缓冲层、第一半导体、第二半导体、第三半导体、多量子阱发光体和第四半导体;
步骤S2:通过剥离工艺剥离纳米线阵列，并转移至剥离衬底上;
步骤S3:在第一半导体、第二半导体和第四半导体层上分别制备第一电极，第二电极和第三电极。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明与寻常LED相比多出一个驱动电极，可当做控制端，对所述输入信号的功率放大作用，实现用小功率输入信号驱动半导体发光器件，有效降低半导体显示装置特别是半导体微显示装置的驱动电路设计复杂度，提高显示装置的集成度，增强市场竞争力。
附图说明
图1为本发明一实施例中具有低驱动电压的纳米三极发光管（nLET）三维结构示意图。
图2为本发明一实施例中具有低驱动电压的纳米三极发光管（nLET）工作原理示意图。
图3为本发明一实施例中具有低驱动电压的纳米三极发光管（nLET）的等效电路图。
图4为本发明一实施例中具有低驱动电压的纳米三极发光管（nLET）制备过程示意图。
图中， 101-第一半导体，102-第一电极，201-第二半导体，202-第二电极，301-第三半导体，401-发光体，501-第四半导体，502-第三电极，601-衬底。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种具有低驱动电压的纳米三极发光管（nLET），包括：衬底601、设置于所述衬底601上的半导体纳米结构，所述半导体纳米结构包括沿平行衬底方向依次堆叠的第一半导体101、第二半导体201、第三型半导体301、发光体401、第四半导体501，还包括从第一半导体引出的第一电极102、从第二半导体引出的第二电极202、从第四半导体引出的第三电极502；所述纳米三极发光管工作时，在所述第一电极101和第二电极201之间施加一个小功率可变输入信号，在所述第一电极101和第三电极501之间施加一个固定大电压，使得所述纳米三极发光管发光。
参考图2和3，本实施例中，设定第一半导体101为N型半导体、第二半导体201为P型半导体、第三半导体301为N型半导体、第四半导体501为P型半导体。在这种情况下，施加在第一电极102和第二电极202之间的电压信号为正极性，即第二电极202的电位高于第一电极102的电位；施加在第一电极102和第三电极502之间的电压为正极性，即第三电极502的电位高于第一电极102的电位。在讨论工作原理过程中，为了简化，只考虑电子的输运。在电压作用下，第一半导体101注入电子至第二半导体201（电流为I 注入），注入电流在第二半导体201中分成两部分，一部分渡越过第二半导体201进入第三半导体层301，这一部分电流对后续的发光有贡献，定义为（I 发光）。另一部分电流在第二半导体层201中和第二电极202注入的空穴复合，定义为I 损失，这一部分电流对后续的发光没有贡献。
电流的输运系数α近似为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
三极发光管的电流增益系数β近似为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
很显然，由于第二半导体很短，当I 损失远远小于I 注入，三极发光管的电流和功率放大系数高。因此可以实现用小信号控制纳米三极发光管的点亮与否。
实施例1：
参考图4，在本实施例中，一种具有低驱动电压的纳米三极发光管（nLET）包括：衬底601、设置于所述衬底601上的半导体纳米结构，所述半导体纳米结构包括沿平行衬底方向依次堆叠的第一半导体101、第二半导体201、第三型半导体301、发光体401、第四半导体501，还包括从第一半导体引出的第一电极102、从第二半导体引出的第二电极202、从第四半导体引出的第三电极502；所述纳米三极发光管工作时，在所述第一电极101和第二电极201之间施加一个小功率可变输入信号，在所述第一电极101和第三电极501之间施加一个固定大电压，使得所述纳米三极发光管发光。
在本实施例中，第一半导体101为N-GaN层, 第二半导体201为P-GaN层，第三半导体301为N-GaN层，所述发光体401为3个周期的InaGa1-aN量子阱有源层和AlbGa1-bN组成的空穴阻挡层或者电子阻挡层构成，第四半导体501为P-GaN。
优选的，在本实施例中，第一半导体101、第三半导体301为Si掺杂N-GaN，第二半导体201、第四半导体501为Mg掺杂P-GaN。
优选的，在本实施例中，第一半导体101中Si掺杂浓度为1×1021cm-3，第二半导体201中Mg掺杂浓度为5×1018cm-3，第三半导体301中Si掺杂浓度为1×1019cm-3，第四半导体501中Mg掺杂浓度为5×1018cm-3。
在本实施例中，还提供一种具有低驱动电压的纳米三极发光管的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1:将设置有种子层的蓝宝石衬底放置在MOCVD反应室中，制备GaN基纳米线。具体的：温度设定为800℃~1200℃，通入三甲基铝、氨气，利用氢气为载体在蓝宝石衬底上生长缓冲层;
步骤S2:利用氢气为载体设置环境温度为1000℃~1200℃，在缓冲层上生长第一半导体N-GaN层101，厚度为1000nm
步骤S3:利用氢气为载体设置环境温度为900℃~1200℃，在第一半导体101上生长第二半导体201P-GaN层，厚度为500 nm;
步骤S4:利用氢气为载体设置环境温度为1000℃~1200℃，在第二半导体201上生长第三半导体301N-GaN层，厚度为1000nm;
步骤S5:设置氮气环境温度为900℃~1200℃，在第三半导体301上生长多量子阱发光体401;
步骤S6:利用氢气为载体设置环境温度为900℃~1200℃，在发光体401上生长第四半导体501P-GaN层，厚度为1000nm;
步骤S4:通过激光剥离工艺剥离纳米线阵列，并转移至剥离衬底上。
步骤S5:通过电子束曝光结合真空镀膜在第一半导体101、第二半导体201和第四半导体层501上分别制备第一接触102，第二电极202，第三电极502。
在第一电极102和第二电极202之间施加一个小功率可变正电压V1，同时在所述第一电极102和第三电极502之间施加一个固定正电压V2，可以使得所述发光三极管芯片发光，完成对所述输入小功率信号的放大作用，实现用小功率输入信号驱动LED。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，其特征在于：包括衬底和设置于所述衬底上的半导体纳米结构；所述半导体纳米结构包括沿平行衬底方向依次堆叠的第一半导体、第二半导体、第三型半导体、发光体和第四半导体；所述半导体纳米结构还包括从第一半导体引出的第一电极、从第二半导体引出的第二电极、从第四半导体引出的第三电极；
所述第一半导体为N型半导体、第二半导体为P型半导体、第三型半导体为N型半导体、第四半导体为P型半导体；或者所述第一半导体为P型半导体、第二半导体为N型半导体、第三型半导体为P型半导体、第四半导体为N型半导体；
当第一半导体为N型半导体、第二半导体为P型半导体、第三型半导体为N型半导体、第四半导体为P型半导体时，施加在第一电极和第二电极之间的电压信号为正极性，即第二电极的电位高于第一电极的电位；施加在第一电极和第三电极之间的电压信号为正极性，即第三电极的电位高于第一电极的电位；施加在第一电极和第二电极之间的电压幅值小于施加在第一电极和第三电极之间的电压幅值；
当第一半导体为P型半导体、第二半导体为N型半导体、第三型半导体为P型半导体、第四半导体为N型半导体时，施加在第一电极和第二电极之间的电压为负极性，即第二电极的电位低于第一电极的电位；施加在第一电极和第三电极之间的电压为负极性，即第三电极的电位低于第一电极的电位；施加在第一电极和第二电极之间的电压幅值小于施加在第一电极和第三电极之间的电压幅值。
2.根据权利要求1所述的一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，其特征在于：所述半导体纳米结构的横截面形状包括但不限于圆形、矩形、多边形。
3.根据权利要求1所述的一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，其特征在于：所述第一半导体掺杂浓度比所述第二半导体的掺杂浓度高1至5个数量级。
4.根据权利要求1所述的一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，其特征在于：所述第二半导体的长度为0. 5μm至2μm，所述第一半导体的长度为0.5μm至5μm，所述第三半导体的长度为0.5μm至5μm，所述第四半导体的长度为0.5μm至5μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，其特征在于：所述第一、第三、第四半导体采用的主体材料包括但不限于GaAs、InP、GaP、GaN、ZnSe、SiC、Si、ZnSe材料；所述发光体采用的主体材料包括但不限于多量子阱有源层及用以提高载流子复合效率的功能层。
6.根据权利要求1所述的一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，其特征在于：所述第一半导体、第二半导体、第三型半导体、发光体、第四半导体采用的结构为具有相同掺杂浓度的单半导体结构或具有渐变或缓变掺杂浓度的多层半导体结构。
7.根据权利要求1所述的一种具有低驱动电压的纳米三极发光管，其特征在于：在第一电极和第二电极之间施加一个小功率可变电压，同时在所述第一电极和第三电极之间施加一个固定电压，使得所述发光三极管芯片发光。
8.一种具有低驱动电压的纳米三极发光管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:将设置有种子层的衬底放置在反应室中，采用转移或原位生长的方法在衬底上依次生长缓冲层、第一半导体、第二半导体、第三半导体、多量子阱发光体和第四半导体;
步骤S2:通过剥离工艺剥离纳米线阵列，并转移至剥离衬底上;
步骤S3:在第一半导体、第二半导体和第四半导体层上分别制备第一电极，第二电极和第三电极。
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