CN1381907A - 发光设备和使用该发光设备的显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光设备和使用该发光设备的显示装置。发光设备包括:p型或n型衬底;至少一个掺杂区,其在衬底的至少一个表面上形成,而且使用预定的与衬底相反的掺杂剂来掺杂,通过掺杂区和衬底之间p－n结中的量子约束来发光;和电极,形成为使得掺杂区p－n结中发射的光穿过衬底两个表面向外发射。本发光设备具有比基于多孔硅和基于毫微晶体硅发光设备更高的发光效率,并且可以双向外部发射p－n结中产生的光。由此可以利用所有双向发射的光,使发光效率最大化。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有能够最大化发光效率的结构的发光设备，和使用该发光设备显示装置。
背景技术
可以高可靠性地将硅半导体衬底用在高度集成的逻辑器件、操作机构器件、驱动器件中。由于硅价格便宜，因此和利用化合物半导体相比，可以在硅衬底上以低成本形成高度集成的电路。正因为如此，硅已经成为用于最集成的电路的基础材料。
基于硅的优点，已经研制出制造硅基发光器件的稳定成果，以便实现可以通过用于形成集成电路的一般工艺制造的低成本的光电器件。实验证实，多孔硅和毫微硅具有发光能力。这样，有关这些的研究正在继续。
图1显示出在体单晶硅的表面中形成的多孔硅区域的截面图以及在多孔硅区域中的价带和导电带之间的能量带隙。
可以在含有例如氢氟酸(HF)溶液的电解液中、通过在体单晶硅(Si)的表面上的阳极电化学溶解而获得多孔硅。
对体硅在HF溶液中进行阳极电化学溶解的同时，具有许多孔1a的多孔硅区域1形成在体硅的表面中，如图1所示。在形成孔1a的区域中，和凸出区域1b中相比存在更多不溶解于氢氟酸的Si-H键。相对于多孔硅区域1的形状，将会相反的出现在价带(Ev)和导电带(Ec)之间的能量带隙。
由凸出区域围绕并相应于由多孔硅区域1中的孔区域1a围绕的凸出区域1b的能量带隙曲线中的凹进区域提供了量子约束效应，这样在此区域中的能量带隙增长到高于体硅。而且，在此区域中捕获空穴和电子并发光。
例如，在多孔硅区域1中，由孔区域1a围绕的凸出区域1b作为单晶硅的量子线形成以提供量子约束效应，由量子线捕获电子和空穴并使它们结合以发光。根据量子线的尺寸(宽和长)，发光的波长在从接近红外线波长到蓝波长的范围内。这里，多孔区域1a的周期例如约为5nm，多孔硅区域1具有例如3nm的最大厚度，例如图1所示。
因此，在制造多孔硅基发光器件之后，当预定电压施加于形成多孔硅区域1的发光器件时，依据多孔硅区域1的孔隙率可以发射出理想波长的光。
但是，正如上面所述，这种多孔硅基发光器件的作为发光器件还不是高度可靠的，具有低至0.1％的外部量子效率(EQE)。
图2是毫微晶体硅基发光器件的例子的截面图。参考图2，毫微晶体硅基发光器件具有层状结构，包括p-型单晶硅衬底2、形成在硅衬底2上的非晶硅层3、形成在非晶硅层3上的绝缘层5、分别形成在硅衬底2的底部和绝缘层5的顶部的下上电极6、7。在非晶硅层3中作为量子点形成毫微晶体硅4。
当非晶硅层3在氧气气氛中迅速加热到700℃以重结晶时，毫微晶体硅4以量子点的形式形成。这里，非晶硅层3的厚度为3nm，毫微晶体硅4的尺寸约为2-3nm。
在利用上述毫微晶体硅4的发光器件中，当经过上下电极7、6施加反偏电压时，在硅衬底2和毫微晶体硅4之间的非晶硅层3的端部产生强电场，这样产生了激发到高能级的电子和空穴。电子和空穴穿入毫微晶体硅4并在这里彼此耦合以发光。在毫微晶体硅基发光器件中，当毫微晶体硅量子点减少时，从那里产生的光的波长变短。
在利用上述毫微晶体硅4的发光器件中，很难控制毫微晶体硅量子点的尺寸和均一性，并且效率非常低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种发光设备和使用该发光设备的显示装置，发光设备具有比基于多孔硅和毫微晶体硅的发光设备更高的效率并具有双面发光结构来最大化发光效率。
为实现本发明的目的，提供一种发光设备包括：p型或n型衬底；至少一个掺杂区，其在衬底的至少一个表面上形成，而且使用预定的与衬底相反的掺杂剂来掺杂，通过掺杂区和衬底之间p-n结中的量子约束来发光；和电极，形成为使得掺杂区p-n结中发射的光穿过衬底两个表面向外发射。
优选的是掺杂区在衬底一个表面上形成，并且电极包括第一和第二电极，分别在衬底一个面和另一表面上形成，由此掺杂区p-n结中发射的光可以发射穿过衬底两个表面。在这种情况下，第一和第二电极中至少一个形成为透明电极。
优选的是掺杂区包括第一和第二掺杂区，分别在衬底一个表面和另一表面上形成，而电极包括第一和第二电极，从第一掺杂区的p-n结中发光，分别在衬底一个表面和另一表面上形成；以及第三和第四电极，从第二掺杂区的p-n结中发光，分别在衬底另一表面和一个表面上形成，在衬底一个表面上形成的第一和第四电极相互分开，而在衬底另一表面上形成的第二和第三电极相互分开。
优选的是衬底包括第一和第二衬底，掺杂区包括第一和第二掺杂区，分别在相应的第一和第二衬底外表面上形成，而电极包括分别在相应的第一和第二衬底外表面上形成的第一和第二电极，以及在第一和第二衬底之间形成的公共电极。
优选的是发光设备还包括一控制层，其在与掺杂区相同的衬底表面上形成，在形成掺杂区时作用为掩模，并限定掺杂区深度达到超浅深度。优选的是衬底由预定的包括硅的半导体材料构成，而控制层为适当厚度的氧化硅层，由此掺杂区可以形成到超浅深度。
本发明的目的也可以通过一种显示装置来实现，其具有多个发光设备并能够双向显示，多个发光设备中每个都包括：p型或n型衬底；至少一个掺杂区，其在衬底的至少一个表面上形成，而且使用预定的与衬底相反的掺杂剂来掺杂，通过掺杂区和衬底之间p-n结中的量子约束来发光；和电极，形成为使得掺杂区p-n结中发射的光穿过衬底两个表面向外发射。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明优选实施例，本发明上述目的和优点将变得更明显，其中：
图1表示在块单晶硅表面上形成的多孔硅区域的横截面和多孔硅区域中价带与导电带之间的能量带隙；
图2表示基于毫微晶体硅发光设备的实例剖视图；
图3表示本发明发光设备第一实施例的剖视图；
图4A表示当通过非平衡扩散，使掺杂层形成到超浅深度时p-n结的结构；和
图4B表示通过非平衡扩散形成于图4A的p-n结中的纵向和侧向量子阱(QW)能量带；
图5表示本发明发光设备第二实施例的剖视图；
图6表示本发明发光设备第三实施例的剖视图；
图7图解了应用本发明发光设备的双向显示装置。
具体实施方式
参考图3，本发明发光设备包括：衬底11；在衬底11至少一个表面上形成的至少一个掺杂区15，而且使用预定的与衬底11相反的掺杂剂来掺杂，由此通过邻近衬底11的p-n结14中的量子约束效应发光；和电极结构，其设计用来在掺杂区15的p-n结14中产生光和穿过衬底11两个表面向外发射产生的光。本发明发光设备还包括在形成掺杂区15的衬底11一表面上的控制层13，其在形成掺杂区15时作用为掩模和限定掺杂区15深度达到超浅深度。控制层13对于形成本发明发光设备的掺杂区15是必需的并在掺杂区15形成后可以被选择性地去除。
优选地，衬底11是由包括硅的预定半导体材料形成，例如硅、碳化硅或金刚石。优选地，衬底11用n-型掺杂剂掺杂。
掺杂区15是通过预定掺杂剂例如硼或磷由控制层13中的开口向衬底11的非均衡扩散而形成的。掺杂区15用与衬底11相反的类型例如p+型掺杂剂掺杂。
在掺杂掺杂区15中，优选掺杂区15掺杂到所希望的超浅深度，这样至少量子阱、量子点和量子线中的一种在掺杂区15和衬底11之间即在p-n结14中形成，以便提供能够进行光电转换的量子约束效应。
量子阱主要地形成在p-n结14中，但量子点或量子线可以形成在p-n结14中。量子阱、量子点和量子线的至少两种可以在p-n结14中一起形成。此后，为了方便起见，将以量子阱形成在p-n结14中的情况描述本发明。虽然以下描述的本发明是在量子阱形成在p-n结14中的情况，但是很显然量子阱可以认为是量子阱、量子点和量子线中的至少一种。
图4A显示了当掺杂层15通过非均衡扩散以超浅的深度形成时p-n结14的结构。图4B显示了通过非均衡扩散在图4A的p-n结中形成的纵向和横向量子阱(QW)的能量带。在图4B中，Ec代表导电带能级，Ev代表价带能级、Ef代表费米能级。这些能级在半导体技术领域是众所周知的，因此在此省略了它们的描述。
如图4A和4B所示，在p-n结14附近，交替地形成不同掺杂剂类型的掺杂层以提供量子阱结构。量子阱和下层势垒分别具有约2nm和3nm的深度。
通过将控制层13的厚度和扩散工艺条件控制到最佳状态，可以实现在p-n结14形成量子阱的超浅深度掺杂。
通过适当的扩散温度和在衬底11表面上的变形电压，在扩散工艺期间可以将扩散轮廓的厚度调节到例如10-20nm。结果，形成在这种超浅扩散轮廓中的量子阱系统。衬底11的表面通过最初控制层的厚度和预表面处理变形，且当加工时变形变得严重。
当衬底11由包括硅的预定半导体材料形成时，控制层13优选由合适厚度的氧化硅(SiO2)层形成，这样掺杂层15可以掺杂到超浅深度。作为例子，为了形成控制层13，在衬底11的一个表面上形成氧化硅层，通过光刻法刻蚀氧化硅层以除去用于扩散的开口部分，由此构成具有掩模结构的控制层13。
正如在扩散技术领域所知，如果氧化硅层的厚度超过适当厚度(数千埃)或者如果扩散温度低，通过空位影响扩散并导致深扩散轮廓。相反地，如果氧化硅层的厚度低于适当厚度，或者如果扩散温度高，通过硅的自填隙影响扩散并导致深扩散轮廓。因此，通过将氧化硅层形成为适当的厚度，在此厚度硅的自填隙和空位以相同的比率产生并且彼此耦合，这样不会出现掺杂剂的扩散，可以实现超浅掺杂。在扩散技术领域中与空位和自填隙有关的物理性质是众所周知的，因此在此不在详细描述。
本发明发光设备的第一实施例具有一种结构，其中掺杂区15只形成于衬底11的一个表面。在第一实施例中，衬底11可以用p型掺杂而掺杂区15可以用n+型掺杂。
在本发明第一实施例中，电极结构包括：第一电极17，其形成在掺杂区15的衬底一个表面上；和第二电极19，其位于衬底另一个表面上，由此从掺杂区15的p-n结14中发射的光可以穿过衬底11的两个表面向外部发射。
第一电极17作为非透明金属电极在衬底11一个表面上形成，以电连接到掺杂区15。当第一电极17由非透明金属形成时，除了光输出窗口区，第一电极17在控制层13的孔中形成，控制层13用来形成掺杂区15。在掺杂区15形成后第一电极17形成。另一种方案是，使用透明电极材料例如铟锡氧化物(ITO)，第一电极17可以形成来覆盖整个掺杂区15。
使用例如ITO，第二电极19在衬底11另一表面的整个表面上形成为透明电极。另一种方案是，第二电极19可以由非透明金属形成。在这种情况下，形成第二电极19来暴露光输出窗口(未表示)，如图3中所示的第一电极17。
当电源(电流)施加在具有上述结构的本发明发光设备的第一电极17和第二电极19上时，由于量子阱中的量子约束效应，喷射的电子和电洞产生光。产生的光向外发射穿过衬底11的两个表面，也就是，穿过第一电极17和第二透明电极19包围的光输出窗口。这里，发射光的强度和波长由施加的电流来确定。
参考图5，本发明发光设备可以具有超浅的第一和第二掺杂区25和35，分别在衬底11相对的表面上形成；和电极结构，其中光可以从掺杂区25和35各自的p-n结24和34中产生并穿过衬底11的两个表面向外发光。在图5中，与图3中相同的附图标记表示具有与图3中相同功能的部件。
例如，用于本发明发光设备第二实施例的电极结构，如图5中所示，可以包括：第一和第二电极27和29，从第一掺杂区25的p-n结24中发光，分别形成在衬底11一表面和另一表面上；和第三和第四电极37和39，从第二掺杂区35的p-n结34中发光，分别在衬底11另一表面和一个表面上。
优选地，在衬底11一个表面上的第一和第四电极27和39相互分开使得能够分别连接到电源的正极和负极端。类似地，在衬底11另一个表面上的第二和第三电极29和37相互分开使得能够分别连接到电源的正极和负极端。优选的是第一电极27在第四电极39内侧形成使得能够电连接到第一掺杂区25，而第三电极37在第二电极29内侧形成使得能够电连接到第二掺杂区35。优选的是一控制层23在衬底11一个表面上的第一和第四电极27和29之间形成，其限定第一掺杂区25的掺杂达到一超浅深度，并且一控制层33在衬底11另一表面上的第二和第三电极29和37之间形成，其限定第二掺杂区35的掺杂达到一超浅深度。
第一和第三电极27和37可以分别在衬底11一个表面和另一表面上由非透明金属组成，以暴露各自光输出窗口，由此从第一和第二掺杂区25和35的p-n结24和34中产生的光穿过各自光输出窗口向外输出。另一种方案是，使用例如ITO，第一和第三电极27和37形成为透明电极，不具有单独的光输出窗口。
在具有上述结构的本发明第二实施例中，形成第一和第二掺杂区25和35的方法、第一和第二掺杂区25的物理性质、控制层23和33的材料以及控制层23和33的的物理功能与本发明第一实施例中描述的掺杂区15和控制层13的相同，因此这里将不重复其说明。
参考图6，本发明发光设备的第三实施例具有一种结构，其中各自在衬底一个表面上具有掺杂区15的一对基本的发光设备，组合在一起，即各自衬底11的另一表面相互面对，在衬底11之间有公共电极49。在本发明第三实施例中，公共电极49可以由透明电极形成，使用例如ITO。本发明发光设备的第三实施例可以通过把本发明第一实施例的一对发光设备组合成第二电极19相互面对来制造。在第三实施例中，公共电极49可以由非透明金属来形成。
上述本发明实施例的发光设备具有一种结构，其能够双向发射从p-n结产生的光。因此，可以利用所有双向发射的光，由此使发光效率最大化。
上述的本发明发光设备可以应用为显示装置的发光设备。如图7所示，使用本发明发光设备作为发光设备10的显示装置可以执行双向显示。在这种情况下，发光设备10包括多个本发明发光设备。该显示装置还包括至少一个反射镜70，其改变穿过发光设备背面发射光的路径，使其朝向理想的方向。使用一种半导体材料通过应用到半导体设备制造的工艺，本发明发光设备可以制造成更小尺寸。因此，可以领会通过使用多个本发明发光设备的一种二维发光设备阵列，可以实现一种双向平面固态显示装置。
本发明发光设备可以应用到照明系统。在这种情况下，所述照明系统包括至少一个本发明发光设备来满足照明系统的使用和其照明需求。
如上所述，本发明发光设备具有超浅掺杂区，其能够通过p-n结中量子约束发光，由此它具有比基于多孔硅和基于毫微晶体硅发光设备更高的发光效率。另外，本发明发光设备可以双向发射从p-n结中产生的光。可以利用所有双向发射的光，由此使发光效率最大化。
Claims (16)
1、一种发光设备，包括：
p型或n型衬底；
至少一个掺杂区，其在所述衬底的至少一个表面上形成，而且使用预定的与所述衬底相反的掺杂剂来掺杂，通过所述掺杂区和衬底之间p-n结中的量子约束来发光；和
电极，形成为使得掺杂区p-n结中发射的光穿过所述衬底两个表面向外发射。
2、根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于，所述掺杂区在所述衬底一个表面上形成，并且所述电极包括第一和第二电极，分别在所述衬底一个面和另一表面上形成，由此掺杂区p-n结中发射的光可以发射穿过所述衬底两个表面。
3、根据权利要求2所述的发光设备，其特征在于，所述第一和第二电极中至少一个形成为透明电极。
4、根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于，所述掺杂区包括第一和第二掺杂区，分别在所述衬底一个表面和另一表面上形成，而所述电极包括第一和第二电极，从第一掺杂区的p-n结中发光，分别在所述衬底一个表面和另一表面上形成；以及第三和第四电极，从第二掺杂区的p-n结中发光，分别在所述衬底另一表面和一个表面上形成，在所述衬底一个表面上形成的所述第一和第四电极相互分开，而在所述衬底另一表面上形成的所述第二和第三电极相互分开。
5、根据权利要求4所述的发光设备，其特征在于，所述第一电极在所述第四电极内侧形成，而所述第三电极在所述第二电极内侧形成。
6、根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于，所述衬底包括第一和第二衬底，所述掺杂区包括第一和第二掺杂区，分别在相应的第一和第二衬底外表面上形成，而所述电极包括分别在相应的第一和第二衬底外表面上形成的第一和第二电极，以及在所述第一和第二衬底之间形成的公共电极。
7、根据权利要求1至6中任何一项所述的发光设备，其特征在于，还包括一控制层，其在与掺杂区相同的衬底表面上形成，在形成掺杂区时作用为掩模，并限定掺杂区深度达到超浅深度。
8、根据权利要求7所述的发光设备，其特征在于，所述衬底由预定的包括硅的半导体材料构成，而所述控制层为适当厚度的氧化硅层，由此所述掺杂区可以形成到超浅深度。
9、一种显示装置，其具有多个发光设备并能够双向显示，多个发光设备中每个都包括：
p型或n型衬底；
至少一个掺杂区，其在所述衬底的至少一个表面上形成，而且使用预定的与所述衬底相反的掺杂剂来掺杂，通过所述掺杂区和衬底之间p-n结中的量子约束来发光；和
电极，形成为使得掺杂区p-n结中发射的光穿过所述衬底两个表面向外发射。
10、根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述掺杂区在所述衬底一个表面上形成，并且所述电极包括第一和第二电极，分别在所述衬底一个面和另一表面上形成，由此掺杂区p-n结中发射的光可以发射穿过所述衬底两个表面。
11、根据权利要求10所述的显示装置，其特征在于，所述第一和第二电极中至少一个形成为透明电极。
12、根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述掺杂区包括第一和第二掺杂区，分别在所述衬底一个表面和另一表面上形成，而所述电极包括第一和第二电极，从第一掺杂区的p-n结中发光，分别在所述衬底一个表面和另一表面上形成；以及第三和第四电极，从第二掺杂区的p-n结中发光，分别在所述衬底另一表面和一个表面上形成，在所述衬底一个表面上形成的所述第一和第四电极相互分开，而在所述衬底另一表面上形成的所述第二和第三电极相互分开。
13、根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，所述第一电极在所述第四电极内侧形成，而所述第三电极在所述第二电极内侧形成。
14、根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述衬底包括第一和第二衬底，所述掺杂区包括第一和第二掺杂区，分别在相应的第一和第二衬底外表面上形成，而所述电极包括分别在相应的第一和第二衬底外表面上形成的第一和第二电极，以及在所述第一和第二衬底之间形成的公共电极。
15、根据权利要求9至14中任何一项所述的显示装置，其特征在于，还包括一控制层，其在与掺杂区相同的衬底表面上形成，在形成掺杂区时作用为掩模，并限定掺杂区深度达到超浅深度。
16、根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述衬底由预定的包括硅的半导体材料构成，而所述控制层为适当厚度的氧化硅层，由此所述掺杂区可以形成到超浅深度。
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