CN1381908A - 发光器件和使用该器件的发光设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光器件和使用该设备的发光设备。所述发光器件包括n型或p型衬底;掺杂区,其在衬底一个表面上用预定掺杂剂形成并达到超浅深度,其中所述预定掺杂剂是与衬底掺杂剂相反的类型,由此通过量子约束效应从掺杂区和衬底之间的p－n结中发光;共振器,其提高从p－n结中发射光波长的选择性;和第一和第二电极,分别在衬底一个表面和另一表面上形成,用于喷射电子空穴和电子。该发光器件包括超浅掺杂区,由此它可以利用p－n结中量子约束效应来发光。增加一种只用于共振特定波长范围光的共振器结构,由此光波长的选择性得到明显提高并具有良好效率。通过共振器结构光发射强度得到增强,并且发射光的方向性与传统的发光设备相比得到进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效发光器件和使用该器件的发光设备。
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器件和使用该器件的发光设备，所述发光器件具有比使用多孔硅和毫微晶体硅形成的发光器件高的效率并提高发射光波长的选择性。
为实现本发明的目的，提供一种发光器件包括：n型或p型衬底；掺杂区，其在衬底一个表面上用预定掺杂剂形成并达到超浅深度，其中预定掺杂剂是与衬底掺杂剂相反的类型，由此通过量子约束效应从掺杂区和衬底之间的p-n结中发光；共振器，其提高从p-n结中发射光波长的选择性；和第一和第二电极，分别在衬底一个表面和另一表面上形成，用于喷射电子空穴和电子。
优选地，共振器包括：第一反射层，其在衬底另一表面上形成；第二反射层，其在掺杂区上形成，与第一反射层一起构成共振器来提高发射光波长的选择性；第一和第二反射层中的一个形成为具有比另一个低的反射率，由此光穿过具有较低反射率的第一或第二反射层向外发射。优选地，第二反射层是分散的布拉格反射镜(DBR)，其由具有不同折射率的交替材料层形成。优选地，第一反射层在衬底另一表面上形成，而第一电极环绕第一反射层在衬底另一表面上形成。作为选择，第一电极在衬底另一表面和第一反射层之间由透明电极形成。
优选的是还包括在衬底一个表面上的控制层，其在形成掺杂区时作用为掩模并限定掺杂区深度达到超浅。
优选的是衬底由预定的包括硅的半导体材料构成，并且控制层由适当厚度氧化硅层组成，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发光设备来实现，其包括至少一个发光器件并应用到照明系统或显示系统，至少一个发光器件包括：n型或p型衬底；掺杂区，其在衬底一个表面上用预定掺杂剂形成并达到超浅深度，其中预定掺杂剂是与衬底掺杂剂相反的类型，由此通过量子约束效应从掺杂区和衬底之间的p-n结中发光；共振器，其提高从p-n结中发射光波长的选择性；和第一和第二电极，分别在衬底一个表面和另一表面上形成，用于喷射电子空穴和电子。
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表示在体单晶硅表面上形成的多孔硅区域的横截面和多孔硅区中价带和导带之间发能带隙；
图2表示基于毫微晶体硅发光器件的一实例剖视图；
图3表示本发明发光器件第一实施例的剖视图；
图4表示本发明发光器件第二实施例的剖视图；
图5A表示当通过非平衡使扩散掺杂区15形成到超浅深度时p-n结的结构；和
图5B表示通过非平衡扩散形成图5A的p-n结中的纵向和横向量子阱能带。
具体实施方式
图3和4分别是本发明发光器件第一和第二实施例的剖视图。
参考图3和4，发光器件的第一和第二实施例都包括：衬底11；在衬底11一个表面上形成的掺杂区15；共振器，其用于提高发射光波长的选择性；以及第一和第二电极17和19，分别在衬底11另一表面和一个表面上形成，用于喷射电子空穴和电子。优选地，本发明发光器件还包括在衬底11一个表面上的控制层13，其在形成掺杂区15时作用为掩模和使得掺杂区15的形成达到理想的超浅深度。控制层13对于形成本发明发光器件的掺杂区15是必需的并在掺杂区15形成后可以选择性地去除。
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5A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5B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5B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5A和5B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。
作为选择，衬底11可以用p型掺杂，而掺杂区15可以用n+型掺杂。
共振器包括第一反射层21，其在衬底11另一表面形成；和第二反射层25，其在掺杂区15形成，以提高发射光波长的选择性。
为了在理想的方向使产生的和向外发射的光效率最大化，第一反射层21形成为具有高反射率，优选为几乎100％。优选地，靠近掺杂区15的第二反射层25形成为具有比第一反射层21低的反射率，由此从p-n结14中产生的光穿过第二反射层25向外发射。在共振器备选的结构中，第一反射层21形成为具有比第二反射层25低的反射率，由此产生的光穿过第一反射层21外部发射。
第一反射层21可以用普通的反射层或分散的布拉格反射镜(DBR)来实现。优选地，第二反射层25用DBR形成来减少发射光谱带宽。除了用于第二电极19的区域，第二反射层25在控制层13的孔部中形成。这里，DBR使用交替材料层组成，例如具有所需不同的反射率的复合半导体材料层。当想要的共振器具有第一和第二DBR反射层21和25并穿过第二反射层25向外发射产生的光时，第二反射层25通过堆积比第一反射层21少的材料来形成，由此第二反射层25具有比第一反射层21低的反射率，如上所述。
当使用具有上述结构的共振器时，只有与共振器的共振条件一致的特定波长区域的光可以得到增强和发射，由此发射光波长的选择性得到明显提高。共振器具有用于理想发射光波长区域的共振条件。
第一电极17在衬底11另一表面形成，而第二电极19在衬底11一个表面形成，其环绕第二反射层25。
如图3中所示，其图解本发明发光器件的第一实施例，第一电极17可以插在衬底11另一表面和第一反射层21之间。在这种情况下，优选的是第一电极17形成为透明电极，使用例如铟锡氧化物(ITO)，由此光传输通过第一电极17。
如图4中所示，其图解本发明发光器件的第二实施例，第一反射层21可以只在衬底11另一表面上的一区域中形成，并具有最强的发射效果，并且第一电极17在衬底11另一表面上形成，其环绕第一反射层21。
根据本发明一种具有上述结构的发光器件可以发射光，如上所述，因为它在掺杂区域15和衬底11之间的p-n结14中具有量子阱，电子空穴对在此处湮没。在光发射后，只有与共振器的共振条件一致的理想波长区域的光得到增强并穿过第二反射层25向外发射，共振器包括第一和第二反射层21和25。可以领会发射光的强度和波长取决于提供的电流量。
本发明发光器件如下发光。例如，在第一电极17和第二电极19上施加功率(电压或电流)穿过，由于量子阱中的次带能级，载体例如电子和电子空穴喷射进p-n结14中的量子阱和进行重组(湮没)。此时，根据载体组合的情形，预定波长的电发光EL发生。发射光的强度根据通过第一电极17和第二电极19施加功率(电压或电流)的变化而改变。
从本发明发光器件中发射的光波长主要通过微空腔来确定，其来源于衬底11表面中(事实上是在掺杂区15表面上)微缺陷。通过在制造发光器件中调节微空腔尺寸，可以得到发射理想波长范围光的发光器件。
如果电发光波长与微空腔共振频率相匹配，可以增强电发光强度，所述微空腔源于衬底11表面中微缺陷。
由于掺杂区域15上的微缺陷产生的变形电势，微空腔出现。在变形电势的控制下，可以使量子阱变形，由此确定微空腔大小。通过这种方式调节微空腔大小，可以发射理想波长范围的光。
如上所述，由于在掺杂区域15下p-n结14中电荷分布电势的局部变化，本发明发光器件提供量子约束效应。也由于量子阱中次能级，本发明发光器件具有高量子效率。
根据包括第一和第二反射层21和25的共振器的共振条件，本发明发光器件只增强从p-n结14中发射光的波长带中理想的窄波长带的光。
上述的本发明发光器件可以应用于显示系统或照明系统的发光设备中，与应用传统的发光器件相比，具有提高的彩色清晰度。所述发光设备包括至少一个本发明发光器件。
当使用本发明发光器件的发光设备用于显示系统时，所述发光设备由多个本发明发光器件构成，其以二维方式来布置。使用一种半导体材料通过应用到半导体设备制造的工艺，本发明的发光器件可以制造成更小尺寸。因此，本发明发光器件可以应用到显示系统，尤其是平面固态显示器是显而易见的。本发明发光器件具有大大增加的波长选择性。因此，如果用于本发明发光设备的每个发光器件具有用于理想显示系统的各自颜色像素共振条件并随后装配起来构成显示系统，R、G、B颜色可以实现而不用单独的颜色过滤器。可以领会附加的颜色过滤器可以安装在本发明的发光设备中来提高显示器颜色清晰度。
当使用本发明发光器件的发光设备用于照明系统时，所述发光设备由至少一个本发明发光器件构成来满足照明系统的使用和其照明需求。用于发光设备的发光器件包括一共振器，其得到优化来满足颜色要求。
上述使用本发明发光器件的发光设备足以推断所述发光设备的整个结构，因此将省略其说明。
如上所述，在本发明发光器件和使用发光器件的发光设备中，形成一超浅掺杂区，由此它可以使用p-n结中量子约束效应来发光。增加一种只用于共振特定波长范围光的共振器结构，由此光波长的选择性得到明显提高并具有良好效率。通过共振器结构光发射强度得到增强，而且发射光的方向性与传统的发光设备相比得到进一步提高。
Claims (14)
1、一种发光器件，包括：
n型或p型衬底；
掺杂区，其在衬底一个表面上用预定掺杂剂形成并达到超浅深度，其中所述预定掺杂剂是与衬底掺杂剂相反的类型，由此通过量子约束效应从掺杂区和衬底之间的p-n结中发光；
共振器，其提高从p-n结中发射光波长的选择性；和
第一和第二电极，分别在衬底一个表面和另一表面上形成，用于喷射电子空穴和电子。
2、根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述共振器包括：
第一反射层，其在所述衬底另一表面上形成；
第二反射层，其在掺杂区上形成，与所述第一反射层一起构成共振器来提高发射光波长的选择性；
所述第一和第二反射层中的一个形成为具有比另一个低的反射率，由此光穿过具有较低反射率的第一或第二反射层向外发射。
3、根据权利要求2所述的发光器件，其特征在于，所述第二反射层是分散的布拉格反射镜(DBR)，其由具有不同折射率的交替材料层形成。
4、根据权利要求2或3所述的发光器件，其特征在于，所述第一反射层在所述衬底另一表面上形成，而所述第一电极环绕所述第一反射层在所述衬底另一表面上形成。
5、根据权利要求2或3所述的发光器件，其特征在于，所述第一电极在所述衬底另一表面和所述第一反射层之间由透明电极形成。
6、根据权利要求1或2所述的发光器件，其特征在于，还包括在所述衬底一个表面上的控制层，其在形成所述掺杂区时作用为掩模并限定所述掺杂区深度达到超浅。
7、根据权利要求6所述的发光器件，其特征在于，所述衬底由预定的包括硅的半导体材料构成，并且所述控制层由适当厚度氧化硅层组成，由此所述掺杂区可以形成到超浅深度。
8、一种发光设备，其包括至少一个发光器件并应用到照明系统或显示系统，所述至少一个发光器件包括：
n型或p型衬底；
掺杂区，其在衬底一个表面上用预定掺杂剂形成并达到超浅深度，其中所述预定掺杂剂是与衬底掺杂剂相反的类型，由此通过量子约束效应从掺杂区和衬底之间的p-n结中发光；
共振器，其提高从p-n结中发射光波长的选择性；和
第一和第二电极，分别在衬底一个表面和另一表面上形成，用于喷射电子空穴和电子。
9、根据权利要求8所述的发光设备，其特征在于，所述共振器包括：
第一反射层，其在所述衬底另一表面上形成；
第二反射层，其在掺杂区上形成，与所述第一反射层一起构成共振器来提高发射光波长的选择性；
所述第一和第二反射层中的一个形成为具有比另一个低的反射率，由此光穿过具有较低反射率的第一或第二反射层向外发射。
10、根据权利要求9所述的发光设备，其特征在于，所述第二反射层是分散的布拉格反射镜(DBR)，其由具有不同折射率的交替材料层形成。
11、根据权利要求9或10所述的发光设备，其特征在于，所述第一反射层在所述衬底另一表面上形成，而所述第一电极环绕所述第一反射层在所述衬底另一表面上形成。
12、根据权利要求9或10所述的发光设备，其特征在于，所述第一电极在所述衬底另一表面和所述第一反射层之间由透明电极形成。
13、根据权利要求8或9所述的发光设备，其特征在于，还包括在所述衬底一个表面上的控制层，其在形成所述掺杂区时作用为掩模并限定所述掺杂区深度达到超浅。
14、根据权利要求13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，并且所述控制层由适当厚度氧化硅层组成，由此所述掺杂区可以形成到超浅深度。
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