JP2020504449A - 発光ダイオードを備えた光電子デバイス - Google Patents

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Abstract

【解決手段】本発明は光電子デバイス(5) に関し、光電子デバイスは、ナノワイヤ、マイクロワイヤ及び／又はナノメートル範囲若しくはマイクロメートル範囲の角錐形構造に相当する半導体素子(22)と、半導体素子を少なくとも部分的に覆って放射線を放射すべく適合されたシェル(24)とを有する発光ダイオード(LED) と、発光ダイオード毎に設けられている光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) であって、単一量子井戸、多重量子井戸又はヘテロ構造を有し、シェルの少なくとも一部を覆ってシェル又は半導体素子と接し、シェルによって放射される放射線を別の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合されている光輝性被覆体とを備えている。

Description

本開示は、三次元要素、特に半導体のマイクロワイヤ又はナノワイヤによって形成された発光ダイオードを備えた光電子デバイス、特に表示画面又は画像投影デバイスに関する。
画像の画素は、光電子デバイスによって表示される画像の単位素子に相当する。光電子デバイスがカラー画像を表示する光電子デバイスである場合、光電子デバイスは一般に、画像の各画素を表示するために表示サブ画素とも称される少なくとも３つの成分を備えており、これらの成分は実質的に単一色（例えば赤、緑及び青）で光放射線を夫々放射する。３つの表示サブ画素によって放射される放射線を重ね合わせることにより、表示画像の画素に対応する色感覚が観察者に与えられる。この場合、画像の画素を表示するために使用される３つの表示サブ画素によって形成される集合体が光電子デバイスの表示画素と称される。
発光ダイオードを備えた光電子デバイスは、電気信号を電磁放射線に変換することができるデバイス、特に電磁放射線、特に光の放射のためのデバイスである。発光ダイオードを形成することができる三次元要素の例として、以降III-V 族化合物と称される少なくとも１つのIII 族元素及び１つのV 族元素を主として含む化合物（例えば窒化ガリウムGaN ）、又は以降II-VI 族化合物と称される少なくとも１つのII族元素及び１つのVI族元素を主として含む化合物（例えば酸化亜鉛ZnO ）に基づく半導体材料を有するマイクロワイヤ又はナノワイヤがある。
しかしながら、赤色の光を放射する三次元要素を有する既知の発光ダイオードは、不十分な内部量子効率を示す。
光電子デバイスは、発光ダイオードの少なくとも一部に対向する光輝性材料のブロックを有する層を備えてもよい。各光輝性ブロックは、関連付けられた発光ダイオードによって放射される放射線を所望の放射線に変換すべく適合されている。既知の光輝性ブロックは、マイクロメートル範囲の光輝性粒子、つまり量子ドットを有している。しかしながら、マイクロメートル範囲の光輝性粒子を形成するために使用される既知の材料は、不十分な内部量子効率を示す。更に、量子ドットは寿命の低下を示す。
実施形態の目的は、発光ダイオードを備えた前述した光電子デバイスの不利点の全て又は一部を克服することである。
実施形態の別の目的は、光輝性ブロックの内部量子効率を高めることである。
実施形態の別の目的は、光輝性ブロックの寿命を延ばすことである。
実施形態の別の目的は、発光ダイオードが三次元要素、特に半導体のマイクロワイヤ又はナノワイヤを有していることである。
実施形態の別の目的は、光電子デバイスの全ての発光ダイオードが高い内部量子効率を示すことである。
実施形態の別の目的は、光電子デバイスの光輝性ブロックが高い内部量子効率を示すことである。
実施形態の別の目的は、発光ダイオードを備えた光電子デバイスが工業規模且つ低コストで製造され得ることである。
従って、実施形態は、ナノワイヤ、マイクロワイヤ及び／又はナノメートル範囲若しくはマイクロメートル範囲の角錐形構造に相当する半導体素子と、前記半導体素子を少なくとも部分的に覆って放射線を放射すべく適合されたシェルとを有する発光ダイオードと、
前記発光ダイオード毎に設けられている光輝性被覆体であって、単一量子井戸、多重量子井戸又はヘテロ構造を有し、前記シェルの少なくとも一部を覆って前記シェル又は前記半導体素子と接し、前記シェルによって放射される放射線を別の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合されている前記光輝性被覆体と
を備えていることを特徴とする光電子デバイスを提供する。
実施形態によれば、前記発光ダイオードは第１の波長の第１の放射線を放射すべく適合されており、前記光輝性被覆体は、前記第１の放射線を第２の波長の第２の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第１の光輝性被覆体、前記第１の放射線を第３の波長の第３の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第２の光輝性被覆体、及び前記第１の放射線を第４の波長の第４の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第３の光輝性被覆体を有している。
実施形態によれば、前記半導体素子は側面及び頂面を有しており、前記光輝性被覆体及び前記シェルは前記半導体素子の前記側面及び前記頂面を覆っている。
実施形態によれば、前記半導体素子は側面及び頂面を有しており、前記シェルは、前記半導体素子の側面を覆って、前記半導体素子の頂面を覆っておらず、前記光輝性被覆体は、前記半導体素子の頂面を覆って、前記半導体素子の側面を覆っていない。
実施形態によれば、前記光電子デバイスは、前記発光ダイオード毎に前記シェルと接している導電層を更に備えている。
実施形態によれば、前記導電層は、前記発光ダイオード毎に反射層によって覆われている。
実施形態によれば、前記光電子デバイスは、前記基板に置かれて、少なくとも前記第２の放射線、前記第３の放射線及び前記第４の放射線のために反射材料から少なくとも部分的に形成され、前記発光ダイオードを囲む壁を更に備えている。
実施形態によれば、前記光電子デバイスは、前記光輝性被覆体を覆い、前記第１の放射線を遮断して前記第２の放射線、前記第３の放射線及び前記第４の放射線を通すべく適合されたフィルタを更に備えている。
実施形態によれば、前記第１の波長は360 nm〜430 nmの範囲内にあり、前記第２の波長は440 nm〜490 nmの範囲内にあり、前記第３の波長は510 nm〜570 nmの範囲内にあり、前記第４の波長は610 nm〜720 nmの範囲内にある。
実施形態によれば、前記光輝性被覆体は、前記第１の放射線を第５の波長の第５の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第４の光輝性被覆体を更に有している。
実施形態によれば、前記第５の波長は570 nm〜600 nmの範囲内にある。
別の実施形態は、既に開示した光電子デバイスを製造する方法であって、
a) 前記発光ダイオードを形成する工程、及び
b) 前記光輝性被覆体を形成する工程
を連続的に有することを特徴とする方法を提供する。
実施形態によれば、前記方法では、工程b)の前に、前記シェルを覆う導電層を形成し、前記半導体素子の最上部の前記導電層及び前記シェルを除去し、前記半導体素子の最上部に前記光輝性被覆体を形成する。
前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない特定の実施形態について以下に詳細に説明する。
発光ダイオードを備えた光電子デバイスの実施形態の直交面における部分的な断面略図である。 発光ダイオードを備えた光電子デバイスの実施形態を示す平面図である。 マイクロワイヤ又はナノワイヤを有する発光ダイオードの実施形態の図１の詳細図である。 発光ダイオードを備えた光電子デバイスの別の実施形態の直交面における部分的な断面略図である。 発光ダイオードを備えた光電子デバイスの別の実施形態を示す平面図である。 発光ダイオードを備えた光電子デバイスの他の実施形態を示す部分的な断面略図である。 発光ダイオードを備えた光電子デバイスの他の実施形態を示す部分的な断面略図である。 図１に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図１に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図１に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図１に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図１に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図６に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図６に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図６に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 図６に示されている光電子デバイスを製造する方法の実施形態の連続的な工程で得られた構造を示す部分的な断面略図である。 エレクトロルミネッセントダイオードの電極層の別の実施形態の図３と同様の図である。
明瞭化のために、同一の要素は様々な図面において同一の参照番号で示されており、更に、電子回路の表示ではよくあるように、様々な図面は正しい縮尺で示されていない。更に、本明細書の理解に有用な要素のみが示され説明されている。特に、光電子デバイスの発光ダイオードにバイアスをかけるための手段は公知であり、説明されていない。
本明細書は、三次元要素、例えばマイクロワイヤ又はナノワイヤから形成された発光ダイオードを備えた光電子デバイスに関する。以下の記載では、マイクロワイヤ又はナノワイヤから形成された発光ダイオードに関する実施形態が述べられている。しかしながら、これらの実施形態は、マイクロワイヤ又はナノワイヤ以外の三次元要素、例えば角錐状の三次元要素に関して実施されてもよい。
以下の記載では、「実質的に」、「約」及び「程度」という用語は、特に示されていない場合、「10％の範囲内」を意味する。更に「材料から主に形成されている化合物」又は「材料に基づく化合物」という用語は、化合物が前記材料の95％以上の割合を有し、この割合が好ましくは99％より大きいことを意味する。更に、発光ダイオードの「活性領域」は、発光ダイオードによる電磁放射線の大部分を放射する発光ダイオードの領域を表す。更に、第１の要素がエピタキシャル関係によって第２の要素に結合していると言うとき、これは、第１の要素が第１の層から形成され、第２の要素が第１の層上にエピタキシによって成長する第２の層から形成されているか、又はその逆を意味する。
「マイクロワイヤ」又は「ナノワイヤ」という用語は、所望の方向に細長い形状を有する三次元構造を表し、三次元構造は、10nm〜10μｍの範囲、好ましくは100 nm〜２μｍの範囲の小寸法と称される少なくとも２つの寸法と、小寸法の内の最大値以上であり、好ましくは最大値の５倍以上であり、更に好ましくは最大値の１０倍以上である大寸法と称される第３の寸法とを有する。ある実施形態では、小寸法は、約１μｍ以下であってもよく、好ましくは100 nm〜１μｍの範囲内であってもよく、更に好ましくは100 nm〜800 nmの範囲内であってもよい。ある実施形態では、夫々のマイクロワイヤ又はナノワイヤの高さは500 nm以上であってもよく、好ましくは１μｍ〜50μｍの範囲内であってもよく、最も好ましくは１μｍ〜15μｍの範囲内であってもよい。
以下の記載では、「ワイヤ」という用語は「マイクロワイヤ又はナノワイヤ」を意味すべく用いられている。ワイヤの所望の方向に垂直な面における断面の重心を通るワイヤの中線が実質的に直線であり、以下ワイヤの「軸芯」と称されることが好ましい。
ワイヤの断面形状は異なってもよく、例えば楕円形、円形又は多角形、特に三角形、矩形、正方形若しくは六角形であってもよい。ワイヤの断面又はこのワイヤ上に堆積した層の断面に関して述べられている「直径」という用語は、例えばワイヤの断面と同一の表面積を有する円盤の直径に相当する、この断面における対象の構造の表面積に関する量を表すと理解すべきである。
各ワイヤの断面は、ワイヤの軸芯に沿って実質的に同一であってもよく、又はワイヤの軸芯に沿って変わってもよい。例では、ワイヤの形状は円錐形又は円錐台形であってもよい。
以下の記載では、角錐又は角錐台という用語は、その一部が角錐形状又は細長い円錐形状を有する三次元構造を表す。角錐形構造は、先端が切り取られた形状であってもよく、すなわち、円錐形の先端がなく、平坦な領域と取り替えられている。角錐の底面は、辺寸法が100 nm〜10μｍであり、好ましくは１μｍ〜３μｍである多角形内に内接している。角錐の底面を形成する多角形は六角形であってもよい。角錐の底面と頂点又は頂部の平坦部との間の角錐の高さは100 nm〜20μｍの範囲内、好ましくは１μｍ〜10μｍの範囲内である。
図１及び図２は、例えば表示画面又は画像投影デバイスに対応する、発光ダイオードを備えた光電子デバイス5 の実施形態を示す。
図１は、下から上に、
下面12、及び少なくとも発光ダイオードのレベルで好ましくは平坦な上面14を有する半導体基板10と、
ワイヤの成長を有利にする導電性材料から形成され、上面14に配置されたシード層16と、
シード層16を覆ってシード層16の一部を露出させる開口部20を有する絶縁層18と、
開口部20の内の１つを通ってシード層16と夫々接するワイヤ22（図１には３つのワイヤが示されている）と、
ワイヤ22毎にワイヤ22を覆う半導体層の積層体を有するシェル24と、
ワイヤ22毎に、シェル24の下方部分の側面及び絶縁層18上に延びている導電層26と、
ワイヤ22毎に、シェル24の上方部分を覆う半導体層の積層体を有する光輝性被覆体28R, 28G, 28B と、
構造全体を覆う封止層30と、
封止層30に置かれているフィルタ32と
を有する構造を示す。
光電子デバイス5 は、基板10と下面12又は上面14で接する不図示の電極を備えている。
各ワイヤ22及び関連付けられたシェル24によって形成された集合体が発光ダイオードLED を形成する。各シェル24は特に活性層を有し、活性層は、発光ダイオードLED による電磁放射線の大部分が放射される層である。集合体は、数個の発光ダイオードLED から数千個の発光ダイオードを有してもよい。
実施形態では、全ての発光ダイオードLED が第１の波長の電磁放射線を放射する。実施形態では、光電子デバイス5 は、少なくとも３つのタイプの光輝性被覆体28R, 28G, 28B を備えている。画像の各画素を表示するために、光電子デバイス5 は、３つのタイプの光輝性被覆体28R, 28G, 28B を有するサブ画素を備えている。第１のタイプの光輝性被覆体28B は、第１の波長の放射線を第２の波長の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合されている。第２のタイプの光輝性被覆体28G は、第１の波長の放射線を第３の波長の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合されている。第３のタイプの光輝性被覆体28R は、第１の波長の放射線を第４の波長の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合されている。実施形態では、第１の波長、第２の波長、第３の波長及び第４の波長は異なっている。実施形態では、第１の波長は紫外線に対応し、360 nm〜430 nmの範囲内にある。実施形態では、第２の波長は青色の光に対応し、440 nm〜490 nmの範囲内にある。実施形態では、第３の波長は緑色の光に対応し、510 nm〜570 nmの範囲内にある。実施形態では、第４の波長は赤色の光に対応し、610 nm〜720 nmの範囲内にある。
サブ画素Pix は、１つの発光ダイオードLED 及び関連付けられた光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって形成されている。画像の各画素を表示するために、光電子デバイス5 は、３つのタイプの光輝性被覆体を有するサブ画素を備えている。例では、ベイヤーフィルタのモザイクのように配置された９つのサブ画素Pix が図２に示されている。
実施形態では、光電子デバイス5 は、図示されていない第４のタイプの光輝性被覆体を備えている。第４のタイプの光輝性被覆体は、第１の波長の放射線を第５の波長の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合されている。実施形態では、第５の波長は黄色の光に対応し、570 nm〜600 nmの範囲内にある。実施形態では、第１の波長、第２の波長、第３の波長、第４の波長及び第５の波長は異なっている。画像の各画素を表示するために、光電子デバイス5 は、４つのタイプの光輝性被覆体を有するサブ画素を備えている。
基板10はモノブロック構造に相当してもよく、又は別の材料から形成された支持体を覆う、ワイヤが成長する層に相当してもよい。基板10は、半導体基板、例えば、シリコン、ゲルマニウム、炭化シリコン、サファイア、GaN 若しくはGaAsのようなIII-V 族化合物から形成された基板、又はZnO 基板であることが好ましい。基板10は単結晶シリコン基板であることが好ましい。基板は、マイクロエレクトロニクスで実施される製造方法と適合する半導体基板であることが好ましい。基板10は、SOI とも称されるシリコン・オン・インシュレータタイプの多層構造に相当してもよい。基板10が別の材料から形成された支持体を覆う層を含む場合、層は、III-V 族化合物、例えばIII-N 化合物から形成されてもよい。III 族元素の例として、ガリウム(Ga)、インジウム(In)又はアルミニウム(Al)が挙げられる。III-N 化合物の例として、GaN 、AlN 、InN 、InGaN 、AlGaN 又はAlInGaN が挙げられる。他のV 族元素、例えばリン又はヒ素が使用されてもよい。前記層によって覆われた支持体は、シリコン、ゲルマニウム、炭化シリコン、サファイア、GaN 若しくはGaAsのようなIII-V 族化合物から形成されてもよく、又はZnO 基板であってもよい。
基板10は高濃度にドープされてもよく、低濃度にドープされてもよく、又はドープされなくてもよい。基板が高濃度にドープされる場合、半導体基板10をドープして、電気抵抗率を金属の抵抗率に近い抵抗率まで、好ましくは数メガオームセンチメートルより小さく下げてもよい。基板10は、例えば５×1016atoms/cm3〜２×1020atoms/cm3の範囲内のドーパント濃度を有する高濃度にドープされた基板である。基板が、例えば５×1016atoms/cm3 以下、好ましくは実質的に1015atoms/cm3 のドーパント濃度で低濃度にドープされる場合、基板より更に高濃度にドープされる第１の導電型又は第１の導電型の反対の第２の導電型のドープ領域が、シード層16の下で下面12から基板10に延びてもよい。シリコン基板10の場合、Ｐ型のドーパントの例としてホウ素(B) 又はインジウム(In)があり、Ｎ型のドーパントの例としてリン(P) 、ヒ素(As)又はアンチモン(Sb)がある。シリコン基板10の上面14は(100) 表面又は(111) 表面であってもよい。
シード層16は、ワイヤ22の成長を有利にする材料から形成されている。例として、シード層16を形成する材料は、元素の周期表のIV列、V 列又はVI列の遷移金属の窒化物、炭化物又はホウ化物、或いはこれらの化合物の組合せであってもよい。例として、シード層16は、窒化アルミニウム(AlN) 、ホウ素(B) 、窒化ホウ素(BN)、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN) 、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN) 、ハフニウム(Hf)、窒化ハフニウム(HfN) 、ニオブ(Nb)、窒化ニオブ(NbN) 、ジルコニウム(Zr)、ホウ化ジルコニウム(ZrB2)、窒化ジルコニウム(ZrN) 、炭化シリコン(SiC) 、炭窒化タンタル(TaCN)、MgxNyの形態の窒化マグネシウム（ここでｘは約３であり、ｙは約２であり、例えばMg3N2 の形態の窒化マグネシウム）、窒化マグネシウムガリウム(MgGaN) 、タングステン(W) 、窒化タングステン(WN)、又はこれらの組合せから形成されてもよい。シード層16は、基板10の導電型と同一の導電型でドープされてもよい。シード層16は単層構造を有してもよく、又は２若しくは３以上の層の積層体に相当してもよい。シード層16はシードアイランドとも称されるシードパッドと取り替えられてもよく、各ワイヤ22はシードパッドの内の１つに置かれる。
絶縁層18は、誘電体材料、例えば酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン（SixNy、ここでｘは約３に等しく、ｙは約４に等しく、例えばSi3N4 ）、（特に一般的な式SiOxNyの）酸窒化シリコン（例えばSi2ON2）、酸化アルミニウム(Al2O3) 、酸化ハフニウム(HfO2)又はダイヤモンドから形成されてもよい。
ワイヤ22は、少なくとも１つの半導体材料から少なくとも部分的に形成されている。半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、炭化シリコン、III-V 族化合物、II-VI 族化合物、又はこれらの化合物の少なくとも２つの組み合わせであってもよい。
ワイヤ22は、III-V 族化合物、例えばIII-N 化合物を主に含む半導体材料から少なくとも部分的に形成されてもよい。III 族元素の例として、ガリウム(Ga)、インジウム(In)又はアルミニウム(Al)が挙げられる。III-N 化合物の例として、GaN 、AlN 、InN 、InGaN 、AlGaN 又はAlInGaN が挙げられる。他のV 族元素、例えばリン又はヒ素が使用されてもよい。一般に、III-V 族化合物内の元素は異なるモル分率で組み合わせられてもよい。
ワイヤ22は、II-VI 族化合物を主に含む半導体材料から少なくとも部分的に形成されてもよい。II族元素の例として、IIA 族元素、特にベリリウム(Be)及びマグネシウム(Mg)、並びにIIB 族元素、特に亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)及び水銀(Hg)が挙げられる。VI族元素の例として、VIA 族元素、特に酸素(O) 及びテルル(Te)が挙げられる。II-VI 族化合物の例として、ZnO 、ZnMgO 、CdZnO 、CdZnMgO 、CdHgTe、CdTe又はHgTeが挙げられる。一般に、II-VI 族化合物内の元素は異なるモル分率で組み合わせられてもよい。
ワイヤ22はドーパントを含んでもよい。例として、III-V 族化合物に関して、ドーパントは、例えばマグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)若しくは水銀(Hg)であるＰ型II族ドーパント、例えば炭素(C) であるＰ型IV族ドーパント、又は例えばシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、硫黄(S) 、テルビウム(Tb)若しくはスズ(Sn)であるＮ型IV族ドーパントを含む群から選択されてもよい。ドーパントの濃度はワイヤ22内で均一でなくてもよい。例では、各ワイヤ22の下方部分はワイヤ22の上方部分より高濃度にドープされてもよい。
２つの隣り合うワイヤ22の軸芯は、0.5 μｍ〜10μｍ、好ましくは1.5 μｍ〜４μｍ離れてもよい。
導電層26は、導電性材料、例えばアルミニウム、銀、銅又は亜鉛のような金属から形成されている。導電層26は、グラフェン又は透明導電性酸化物(TCO) のような第１の波長、第２の波長、第３の波長、第４の波長及び場合によっては第５の波長で透過する導電性材料、例えば、酸化インジウムスズ(ITO) 、酸化アルミニウム亜鉛(AZO) 又は酸化ガリウム亜鉛(GZO) から形成されてもよい。例として、導電層26の厚さは５ｎｍ〜５μｍの範囲内であり、好ましくは500 nm〜５μｍの範囲内である。
封止層30は、第１の波長、第２の波長、第３の波長、第４の波長及び第５の波長の放射線を少なくとも部分的に通す絶縁材料、例えばシリコーン又は酸化物から形成されている。封止層30が発光ダイオードLED の最上部を完全に覆うように、封止層30の最大の厚さは250 nm〜50μｍの範囲内である。
フィルタ32は、発光ダイオードLED から放射されて光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって変換されていない放射線を遮断すべく適合されている。フィルタ32は、光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって放射される放射線を通すように適合されている。フィルタ32は多層構造を有してもよい。実施形態では、360 nm〜430 nmの範囲内の第１の波長の放射線を放射する発光ダイオードLED のために、フィルタ32はバンドパスフィルタ特性を有してもよく、それにより、440 nm〜720 nmの波長の放射線のみが通過することが可能である。
変形例として、ワイヤ22間の導電層26及び絶縁層18を覆うがワイヤ22上には延びていない不図示のミラー導電層が設けられてもよい。ミラー導電層は、例えばアルミニウム、銀、銅又は亜鉛から形成された金属層であってもよい。
動作中、電圧が導電層26と基板10との間に印加されるため、サブ画素Pix 毎に、発光ダイオードLED の活性領域はサブ画素Pix に関連付けられた導電層26と基板10との間に印加される電圧に応じた強度で光を放射する。光輝性被覆体28R, 28G, 28B は、関連付けられた発光ダイオードLED によって放射される放射線の少なくとも一部を所望の放射線に光ポンピングによって変換する。実施形態では、全ての発光ダイオードLED が同一の第１の波長で放射する。光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって変換されなかった発光ダイオードLED からの放射線を遮断すべく適合されているフィルタ32は、有利には光電子デバイス5 全体を覆っている。
図１及び図２に示されている実施形態では、基板10は実質的に同一の電位にあり、異なる電位が導電層26に与えられてもよい。或いは、導電層26は互いに接続されており、電気絶縁性のトレンチが、少なくとも１つのワイヤ22、好ましくは１つのワイヤ22のみに夫々電気的に結合している基板10の部分を画定するために基板10に設けられている。導電層26が互いに接続され、基板10の絶縁部分が形成されている場合、接続されている導電層26は同一の電位にあってもよく、異なる電位が基板10の部分に与えられてもよい。
図３は、シェル24及び光輝性被覆体28R 、光輝性被覆体28G 又は光輝性被覆体28B の実施形態の図１の詳細図である。
シェル24は、
− ワイヤ22の上方部分を覆う活性層34、
− ワイヤ22の導電型と反対の導電型を有して活性層34を覆う中間層36、及び
− 下方部分が導電層26によって覆われて、上方部分が光輝性被覆体28R 、光輝性被覆体28G 又は光輝性被覆体28B によって覆われ、中間層36を覆う接合層38
を特に含む複数の層の積層体を有してもよい。
活性層34は、発光ダイオードLED による放射線の大部分を放射する層である。実施例によれば、活性層34は閉込め手段を有してもよい。活性領域34は単一量子井戸を有してもよい。そのため、活性領域は、ワイヤ22及び中間層36を形成する半導体材料とは異なり、中間層36のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する半導体材料を含んでもよい。活性領域34は多重量子井戸を有してもよい。そのため、活性領域は、量子井戸40及び障壁層42が交互に形成された半導体層の積層体を有している。活性領域34の層はエピタキシャル関係によってワイヤ22に結合していることが好ましい。
実施形態では、360 nm〜430 nmの範囲内の第１の紫外線波長の放射線を放射する発光ダイオードLED は、厚さが３nm〜20nm（例えば６nm）のGaN 層及び厚さが１nm〜30nm（例えば2.5 nm）のInGaN 層が交互に形成された積層体から形成されてもよく、InGaN 層のInの割合は０％〜15％である。
例えばＰ型にドープされた中間層36は、半導体層又は半導体層の積層体に相当してもよく、P-N 接合又はP-I-N 接合を可能にし、活性層34は、P-N 接合又はP-I-N 接合のＰ型の中間層36及びＮ型のワイヤ22間に配置されている。
接合層38は、半導体層又は半導体層の積層体に相当してもよく、中間層36及び導電層26間のオーミック接触を可能にする。例として、接合層38は、半導体層を変性させるためにワイヤ22の下方部分の型と反対の型で非常に高濃度にドープされてもよく、例えば1019atoms/cm3 以上の濃度でＰ型にドープされてもよい。
シェル24を形成する半導体層の積層体は、活性層34内の電気担体の十分な分散を保証するために、三元合金、例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN) 、窒化アルミニウムインジウムガリウム(AlInGaN) 又は窒化アルミニウムインジウム(AlInN) から形成されて活性層34及び中間層36に接する電子障壁層を含んでもよい。
光輝性被覆体28R, 28G, 28B は半導体層の積層体によって形成されている。光輝性被覆体28R, 28G, 28B は閉込め手段を有してもよい。光輝性被覆体28R, 28G, 28B は単一量子井戸、多重量子井戸又はダブルヘテロ構造を有してもよい。そのため、光輝性被覆体28R, 28G, 28B は、第１の半導体層と第２の半導体層との間に挟持されている活性半導体層を有してもよい。活性半導体層は、第１の半導体層及び第２の半導体層を形成する半導体材料とは異なり、第１の半導体層及び第２の半導体層のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する半導体材料から形成されている。光輝性被覆体28R, 28G, 28B は、図３に示されているように多重量子井戸を有してもよい。そのため、光輝性被覆体28R, 28G, 28B は、量子井戸44及び障壁層46が交互に形成された半導体層の積層体を有している。光輝性被覆体28R, 28G, 28B の層の材料は、光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって放射される放射線の所望の波長、及び光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって受ける放射線の波長に応じて決められる。内部量子効率が50％より高い光輝性被覆体を得てもよい。更に、寿命が長い光輝性被覆体28R, 28G, 28B を得てもよい。
電流漏れを防ぐために、例えばドーパント無しでワイヤ22の材料と同一の材料から形成されて１nm〜５μｍの範囲内の厚さを有する不図示の中間層がシェル24と光輝性被覆体28R, 28G, 28B との間に設けられてもよい。
実施形態では、360 nm〜430 nmの第１の波長の放射線を放射する発光ダイオードLED のために、450 nmの第２の波長の放射線を放射する光輝性被覆体28B は、厚さが３nm〜20nm（例えば６nm）のGaN 層及び厚さが１nm〜30nm（例えば2.5 nm）のInGaN 層が交互に形成された積層体から形成されてもよく、InGaN 層のInの割合は17％±５％である。
実施形態では、360 nm〜430 nmの第１の波長の放射線を放射する発光ダイオードLED のために、530 nmの第３の波長の放射線を放射する光輝性被覆体28G は、厚さが３nm〜20nm（例えば６nm）のGaN 層及び厚さが１nm〜30nm（例えば2.5 nm）のInGaN 層が交互に形成された積層体から形成されてもよく、InGaN 層のInの割合は28％±５％である。
実施形態では、360 nm〜430 nmの第１の波長の放射線を放射する発光ダイオードLED のために、630 nmの第３の波長の放射線を放射する光輝性被覆体28R は、厚さが３nm〜20nm（例えば６nm）のGaN 層及び厚さが１nm〜30nm（例えば2.5 nm）のInGaN 層が交互に形成された積層体から形成されてもよく、InGaN 層のInの割合は45％±10％である。
実施形態では、360 nm〜430 nmの第１の波長の放射線を放射する発光ダイオードLED のために、580 nmの第４の波長の放射線を放射する光輝性被覆体は、厚さが３nm〜20nm（例えば６nm）のGaN 層及び厚さが１nm〜30nm（例えば2.5 nm）のInGaN 層が交互に形成された積層体から形成されてもよく、InGaN 層のInの割合は35％±５％である。
図１及び図２に開示されている実施形態では、発光ダイオードLED 毎に、導電層26がシェル24の下方部分を覆っており、光輝性被覆体28R, 28G, 28B がシェル24の上方部分を覆っている。従って、導電層26は、発光ダイオードLED から放射される放射線を遮断してもよい。或いは、導電層26は網目状のパターンを有してもよく、シェル24全体に亘って延びており、光輝性被覆体28R, 28G, 28B は導電層26の孔内のシェル24と導電層26とに亘って延びている。このような構造は、自己集合マスクを形成すべく薄いNi層をアニールするような自己集合マスキング技術により、又はTiO2若しくはSiO2のナノスフェアを使用して形成され得る。別の実施形態では、導電層26は、発光ダイオードLED によって放射される放射線を通す材料から形成されており、導電層26はシェル24全体を覆って、光輝性被覆体28R, 28G, 28B は導電層26を覆っている。
図４は、発光ダイオードを備えた光電子デバイス50の別の実施形態の直交面における部分的な断面略図であり、図５は、発光ダイオードを備えた光電子デバイス50の別の実施形態を示す平面図である。光電子デバイス50は、図１に示されている光電子デバイス5 と同一の要素を備えており、絶縁層18から封止層30に延びている壁52を更に備えている。壁52は、封止層30に部分54を画定している。実施形態では、各部分54は少なくとも１つの発光ダイオードLED 、好ましくは１つの発光ダイオードLED のみを含んでいる。実施形態によれば、壁52は格子を形成しており、部分54は行及び列に配置されている。図５では部分54の形状は正方形である。しかしながら、部分54の形状は異なってもよい。
壁52は、隣り合うサブ画素Pix 間のクロストークを低減する。実施形態によれば、壁52は、光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって放射される放射線の波長のために反射材料から形成されてもよく、又は反射被覆体によって覆われてもよい。壁52は、導電性材料、例えばアルミニウム、銀、シリコン又は亜鉛のような金属から形成されてもよい。上面14と直交する方向に測定された壁52の高さは１μｍ〜200 μｍの範囲内であり、好ましくは５μｍ〜30μｍの範囲内である。上面14と平行な方向に測定された壁52の厚さは100 nm〜50μｍの範囲内であり、好ましくは１μｍ〜10μｍの範囲内である。図５を参照すると、各部分54の面積は、辺が１μｍ〜100 μｍ、好ましくは３μｍ〜15μｍの範囲内である正方形の面積に相当する。
図６は、発光ダイオードを備えた光電子デバイス55の別の実施形態を示す部分的な断面略図である。光電子デバイス55は、発光ダイオードLED 毎にシェル24がワイヤ22の頂面に設けられておらず、光輝性被覆体28R, 28G, 28B がワイヤ22の上面のみを覆っており、導電層26がシェル24の側面をシェル24の底部から最上部まで完全に覆っている点を除いて、図１に示されている光電子デバイス5 の要素と同一の要素を備えている。光輝性被覆体28R, 28G, 28B は半導体層の積層体に相当してもよく、積層体の構成は、光輝性被覆体28R, 28G, 28B の層がワイヤ22の軸芯に実質的に直交してワイヤ22の上面全体のみに延びており、積層方向がワイヤ22の軸芯に沿っている点を除いて、例えば特に図３に既に開示されている構成と同一である。
電流漏れを防ぐために、例えば意図的なドーパント無しでワイヤ22の材料と同一の材料から形成された１nm〜５μｍの範囲内の厚さを有する不図示の中間層がシェル24と光輝性被覆体28R, 28G, 28B との間に設けられてもよい。発光ダイオードLED によって放射される放射線に関して導波管の機能を果たすために、導電層26の厚さは、有利には500 nm〜５μｍの範囲内である。
図７は、発光ダイオードを備えた光電子デバイス60の別の実施形態を示す部分的な断面略図である。光電子デバイス60は図６に示されている光電子デバイス55と同一の要素を備えており、光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって放射される放射線の波長のために反射性を有し導電層26を覆う被覆体62を発光ダイオードLED 毎に更に備えている。被覆体62は、導電性材料、例えばアルミニウム、銀、銅又は亜鉛のような金属から形成されてもよい。被覆体62の厚さは100 nm〜50μｍの範囲内であり、好ましくは１μｍ〜10μｍの範囲内である。被覆体62は、隣り合うサブ画素Pix 間のクロストークを低減する。被覆体62が設けられているため、隣り合うワイヤ22間の距離を縮めることが可能になる。
実施形態では、不図示の誘電体層、例えば酸化シリコン層が、発光ダイオードLED 毎に導電層26と被覆体62との間に設けられてもよい。中間の誘電体層は、光輝性被覆体28R, 28G, 28B によって放射される放射線の反射を高めて損失を減らす。
図１に示されている光電子デバイス5 を製造する方法の実施形態を図8A〜図8Eに関連して述べる。
図8Aは、以下の工程を実行した後に得られた構造を示す。
(1) 基板10の上面14にシード層16を形成する工程
化学蒸着法(CVD) 又は有機金属気相エピタキシ法(MOVPE) としても知られている有機金属化学蒸着法(MOCVD) の方法によってシード層16を堆積させてもよい。しかしながら、分子線エピタキシ法(MBE) 、ガスソースMBE 法(GSMBE) 、有機金属MBE 法(MOMBE) 、プラズマ支援MBE 法(PAMBE) 、原子層エピタキシ法(ALE) 、ハイドライド気相エピタキシ法(HVPE)、又は原子層堆積法(ALD) のような方法を使用してもよい。更に、蒸着法又は反応性カソードスパッタリング法のような方法を使用してもよい。
シード層16が窒化アルミニウムから形成されている場合、シード層16に実質的にテクスチャリングが施されてもよく、シード層16は好ましい極性を有してもよい。シード層16のテクスチャリングは、シード層16の堆積後に行われる追加の処理によって施されてもよい。このような処理は、例えばアンモニア(NH3) の流れを用いたアニールである。
(2) 例えば共形堆積、特にCVD により絶縁層18を堆積する工程
(3) 絶縁層18に開口部20を形成する工程
この工程は、異方性エッチング、例えば反応性イオンエッチング(RIE) 又は誘導結合プラズマ(ICP) エッチングであってもよい。
図8Bは、以下の工程の後に得られた構造を示す。
(4) 各開口部20にワイヤ22を成長させる工程
ワイヤ22を成長させる方法は、CVD 、MOCVD 、MBE 、GSMBE 、PAMBE 、ALE 、HVPE又はALD のタイプの方法であってもよい。更に、電気化学方法を使用してもよく、例えば化学浴析出法(CBD) 、水熱法、液体供給フレーム溶射の熱分解又は電着を使用してもよい。
例として、ワイヤ22を成長させる方法では、III 族元素の前駆体及びV 族元素の前駆体を反応器に注入してもよい。
図8Cは、以下の工程を実行した後に得られた構造を示す。
(5) ワイヤ22毎に、シェル24を形成する層をエピタキシにより形成する工程
シェル24を形成する層の堆積を、開口部20及び絶縁層18の外側のワイヤ22の部分のみに行う。
シェルによって覆われたワイヤを備えた発光ダイオードLED を製造するための方法の一例が米国特許出願公開第2015／0280053 号明細書に開示されている。
図8Dは、以下の工程を実行した後に得られた構造を示す。
(6) 光輝性被覆体28R, 28G, 28B をシェル24の上方部分に形成する工程
光輝性被覆体28R, 28G, 28B を成長させる方法は、CVD 、MOCVD 、MBE 、GSMBE 、PAMBE 、ALE 、HVPE又はALD のタイプの方法であってもよい。更に、電気化学方法を使用してもよく、例えば化学浴析出法(CBD) 、水熱法、液体供給フレーム溶射の熱分解又は電着を使用してもよい。
実施形態では、光輝性被覆体28R, 28G, 28B を形成する際に、マスク層を構造全体に堆積し、マスク層をエッチングしてシェル24の上方部分を露出させ、光輝性被覆体28R, 28G, 28B をマスク層の露出部分上に形成し、マスク層を除去してもよい。
図8Eは、以下の工程を実行した後に得られた構造を示す。
(7) 発光ダイオードLED 毎に導電層26を、例えば共形堆積によって形成し、光輝性被覆体28R, 28G, 28B を覆う導電層の部分をエッチングする工程
図8E及び図8Dの工程を入れ替えることができることに注目すべきである。従って、まず導電層を形成して、その後、光輝性被覆体を形成することもできる。
別の実施形態では、工程(7) を工程(6) の前に行ってもよい。
光電子デバイス5 を製造する方法のその後の工程は以下の通りである。
(8) 封止層30を形成する工程
封止層30がシリコーンから形成される場合、封止層30をスピンコート法、インクジェット印刷法又はシルクスクリーン法によって堆積させてもよい。封止層30が酸化物である場合、封止層をCVD によって堆積させてもよい。
(9) フィルタ32を形成する工程
図６に示されている光電子デバイス55を製造する方法の実施形態を図9A〜図9Dに関連して述べる。
図9Aは、前述した工程(1) 、工程(2) 、工程(3) 、工程(4) 及び工程(5) を実行した後に得られた構造を示す。
図9Bは、以下の工程を実行した後に得られた構造を示す。
(6') 発光ダイオードLED 毎に、シェル24の全体及びシェル24の周りの絶縁層18上に、例えば共形堆積によって導電層26を形成する工程
図9Cは、以下の工程を実行した後に得られた構造を示す。
(7') 発光ダイオードLED 毎に、ワイヤ22の最上部の導電層26及びシェル24を除去し、ワイヤ22の上面を露出させる工程
この工程を、ICP エッチング又は化学機械平坦化(CMP) によって行ってもよい。
図9Dは、以下の工程を実行した後に得られた構造を示す。
(8') 光輝性被覆体28R, 28G, 28B をワイヤ22の最上部に形成して、積層方向をワイヤ22の軸芯に沿わせる工程
光輝性被覆体28R, 28G, 28B を成長させる方法は、CVD 、MOCVD 、MBE 、GSMBE 、PAMBE 、ALE 、HVPE又はALD のタイプの方法であってもよい。更に、電気化学方法を使用してもよく、例えば化学浴析出法(CBD) 、水熱法、液体供給フレーム溶射の熱分解又は電着を使用してもよい。
光電子デバイス55を製造する方法のその後の工程は、前述した工程(8) 及び工程(9) を有する。
図10は、発光ダイオードの導電層26の別の実施形態の図３と同様の図であり、導電層26は、少なくとも第１の導電型、例えばＰ型に非常に高濃度にドープされた半導体層64、及び第１の導電型と反対の第２の導電型、例えばＮ型に非常に高濃度にドープされた半導体層66の積層体を含むトンネル接合構造を有する。半導体層64はシェル24と接しており、シェル24の外層と同一のタイプのドーパントを含む。半導体層64のドーパント濃度は1019atoms/cm3、好ましくは1020atoms/cm3より高くてもよい。半導体層64の厚さは10nm〜100 nmの範囲内であってもよい。半導体層66のドーパント濃度は1019atoms/cm3、好ましくは1020atoms/cm3より高くてもよい。半導体層66の厚さは10nmより大きくてもよく、例えば10nm〜100 nmの範囲内であってもよい。従って、半導体層64と半導体層66との間にトンネル接合が得られる。電荷が半導体層64とシェル24との間にトンネル効果によって流れることができる。一実施形態によれば、シェル24の外層が前述した接合層38に相当する場合、接合層38及び半導体層64をまとめてもよい。
特定の実施形態が述べられている。様々な変更及び調整が当業者に想起される。特に、前述した実施形態では、壁52は上面14に実質的に直交する側面を有するが、壁52の側面は上面14に対して直交しなくてもよく、例えば傾いてもよい。
更に、様々な変更を有する複数の実施形態が記載されている。これらの実施形態及び変更の一部の要素を組み合わせることができる。例として、図６に関連して前述した光電子デバイス55は、図４に関連して前述した壁52を備えてもよい。
本特許出願は、本明細書の不可欠な部分とみなされる仏国特許出願第16／63507 号明細書の優先権を主張している。

Claims (14)

  1. ナノワイヤ、マイクロワイヤ及び／又はナノメートル範囲若しくはマイクロメートル範囲の角錐形構造に相当する半導体素子(22)と、前記半導体素子を少なくとも部分的に覆って放射線を放射すべく適合されたシェル(24)とを有する発光ダイオード(LED) と、
    前記発光ダイオード毎に設けられている光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) であって、単一量子井戸、多重量子井戸(44)又はヘテロ構造を有し、前記シェルの少なくとも一部を覆って前記シェル又は前記半導体素子と接し、前記シェルによって放射される放射線を別の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合されている前記光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) と
    を備えていることを特徴とする光電子デバイス(5; 55; 60) 。
  2. 前記発光ダイオード(LED) は第１の波長の第１の放射線を放射すべく適合されており、
    前記光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) は、前記第１の放射線を第２の波長の第２の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第１の光輝性被覆体(28B) 、前記第１の放射線を第３の波長の第３の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第２の光輝性被覆体(28G) 、及び前記第１の放射線を第４の波長の第４の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第３の光輝性被覆体(28R) を有していることを特徴とする請求項１に記載の光電子デバイス。
  3. 前記半導体素子(22)は側面及び頂面を有しており、前記光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) 及び前記シェル(24)は前記半導体素子の前記側面及び前記頂面を覆っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電子デバイス。
  4. 前記半導体素子(22)は側面及び頂面を有しており、前記シェル(24)は、前記半導体素子の側面を覆って、前記半導体素子の頂面を覆っておらず、前記光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) は、前記半導体素子の頂面を覆って、前記半導体素子の側面を覆っていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電子デバイス。
  5. 前記発光ダイオード(LED) 毎に前記シェル(24)と接している導電層(26)を更に備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  6. 前記導電層(26)は、前記発光ダイオード(LED) 毎に反射層(62)によって覆われていることを特徴とする請求項５に記載の光電子デバイス。
  7. 前記導電層(26)はトンネル接合構造を有していることを特徴とする請求項５又は６に記載の光電子デバイス。
  8. 基板(10)に置かれて、少なくとも前記第２の放射線、前記第３の放射線及び前記第４の放射線のために反射材料から少なくとも部分的に形成され、前記発光ダイオード(LED) を囲む壁(52)を更に備えていることを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜７のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  9. 前記光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) を覆い、前記第１の放射線を遮断して前記第２の放射線、前記第３の放射線及び前記第４の放射線を通すべく適合されたフィルタ(32)を更に備えていることを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜８のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  10. 前記第１の波長は360 nm〜430 nmの範囲内にあり、前記第２の波長は440 nm〜490 nmの範囲内にあり、前記第３の波長は510 nm〜570 nmの範囲内にあり、前記第４の波長は610 nm〜720 nmの範囲内にあることを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜９のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  11. 前記光輝性被覆体は、前記第１の放射線を第５の波長の第５の放射線に光ポンピングによって変換すべく適合された第４の光輝性被覆体を更に有していることを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜１０のいずれか１つに記載の光電子デバイス。
  12. 前記第５の波長は570 nm〜600 nmの範囲内にあることを特徴とする請求項１１に記載の光電子デバイス。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載の光電子デバイス(5; 55; 60) を製造する方法であって、
    a) 前記発光ダイオード(LED) を形成する工程、及び
    b) 前記光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) を形成する工程
    を連続的に有することを特徴とする方法。
  14. 工程b)の前に、前記シェル(24)を覆う導電層(26)を形成し、前記半導体素子(22)の最上部の前記導電層及び前記シェル(24)を除去し、前記半導体素子の最上部に前記光輝性被覆体(28R, 28G, 28B) を形成することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
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