專利名稱：用于固態(tài)光發(fā)射器的工程結構的制作方法
技術領域：
諸如以引用的方式并入本文的于2006年7月25日授權給Hill名稱為"Doped Semiconductor Powder and Preparation Thereof'的美國專利第7,081,664號，于2006 年10月17日授權給Hill的名稱為"Solid State White Light Emitter and Display Using Same "的美國專利第7,122,842號，于2004年8月5日以Hill的名義公開的名稱為 "Broadband Optical Pump Source for Optical Amplifiers, Planar Optical Amplifiers, Planar Optical Circuits and Planar Optical Lasers Fabricated Using Group IV Semiconductor Nanocrystals"的公開的美國專利申請第2004/151461號，以Hill等的 名義于2004年10月28日公開的名稱為"Doped Semiconductor Nanocrystal Layers and Preparation Thereof，的美國公開專利申請第2004/214,362號，以Hill的名義于2004 年12月16日公開的名稱為"Light Emitting Diodes and Planar Optical Lasers Using IV Semiconductor Nanocrystals"的美國公開專利申請第2004/252,738號中所公開的現(xiàn)有 技術光發(fā)射器件，已經證實了前面所述的運用。 iv)需要通過熱退火法減少離子注入損傷同時盡量使光學激發(fā)稀土最大化之間 的平衡；
013] v)由于實際輸入能量，注入的離子不能深入薄膜，因此薄膜的厚度受到限制；
另一種用于獲得摻雜的IV族半導體納米粒子層沉積方法，包含共濺鍍IV族半 導體和稀土金屬，典型在氧等離子體中。此方法中，IV族半導體和稀土金屬被放置 在目標襯底上，襯底接著被;汰置于真空室，暴露在氬子束中。氬離子束濺4度IV族 半導體和稀土金屬，然后兩者被沉積到一個接受硅晶片上。硅晶片上新形成的薄膜 接著進行退火以生長納米粒子和光學激發(fā)稀土離子。通過此方法制作的摻雜的IV 族半導體納米粒子層有如下缺點i)這些層沒有很好的納米粒子和稀土離子的一致 性分布；ii)這些層遭受由于稀土在薄膜里的團簇而帶來的上變換效率損失；iii)稀 土薄膜在薄膜中的濃度限制在比0.1%略大的程度。圖4是4艮據(jù)

圖1的器件的替代超晶格半導體結構的橫截面圖。 具體實施例
031參考圖l,本發(fā)明的實施例提供了一種電致發(fā)光固體器件1,其包括導電的襯底 11,例如N型或P型半導體晶片。發(fā)光薄膜結構20被沉積到導電村底11的頂部。 此發(fā)光薄膜結構包括一個或者多個具有發(fā)光中心(例如寬禁帶半導體介電基質中的 半導體納米粒子或其他半導體材料)的薄的有源層。該薄膜結構20可以通過諸如等 離子體化學氣相沉積(PECVD),分子束外延生長，脈沖激光沉積，濺射以及溶膠-凝膠(sol-gel)方法的多種適合的方法中的一種沉積。上層的光透明電流注入(電 極)層21,例如、氧化錫銦(ITO),被沿著背面電接觸25安裝在薄膜結構20上， 從而使得可以將AC或DC電壓施加到其上。優(yōu)選的，透明電流注入層21的厚度從 150到500nm。優(yōu)選的，電流注入層21的厚度和化學成分使得發(fā)光結構20具有 70ohm-cm以下的阻抗率(resistivity)。緩沖電接觸22,例如TiN,被放置于透明電 流注入層21和上層的電接觸23 (例如鋁的金屬)之間。緩沖層電接觸22提供了在 前面的透明電流注入層21和上層的電接觸23之間的歐姆接觸，同時上層的電接觸 23為引線結合接觸提供了適合的表面。其他用于透明電流注入層21和緩沖電接觸 的適合的材料也可以作為替代而使用。背反射器24可以放置于薄膜結構20和村底 ll之間以用于反射光，該反射光線在內部背朝發(fā)射表面，即透明的電流注入層21, 被發(fā)射到襯底11上。
032形成在薄膜結構20上的襯底11被選取以能夠承受高達1000 。C級或更高的溫 度。適合的襯底的例子包括硅晶片或者多晶硅層，二者中的任一個都可以被n摻雜 或p摻雜，例如具有l(wèi)xl02Qto 5xl0"摻雜物每cm3,熔融石英，氧化鋅層，石英， 藍寶石碳化硅，或金屬襯底。襯底11可以選擇的具有熱生長氧化層，該氧化層能達 到2000nm的厚度，優(yōu)選lnm到20nm的厚度。襯底11可以選擇的具有沉積的導電 層，該導電層的厚度在50到2000nm之間，但優(yōu)選100到500nm之間。襯底的厚 度不關鍵，只要其熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性得到保證。薄膜結構20包括一個或者多個有源層，每一層具有獨立選取的成分和厚度，例 如半導體納米粒子，諸如寬禁帶半導體或介電基質中的IV族半導體(例如Si， Ge， Sn和PB),諸如IV族半導體(例如Si, Ge, Sn和PB )的氧化物或氮化物基 質，其具有或不具有稀土摻雜元素并且具有或不具有碳摻雜，這將在下文中描述。
作為替代，這些有源層可以包括稀土氧化物，或者其他具有被碰撞電離或者碰撞 激發(fā)的發(fā)光中心的半導體材料。通過使用具有不同成分的有源層，可以制備多顏色 的結構。例如，在一個單一結構中結合摻雜鉺，銩和銪的半導體納米粒子層提供了 可以發(fā)綠色(鋱)熒光，藍色(鈰)熒光，紅色(銪)熒光或其色彩組合(例如白 色)熒光結構。這些層可以作為分立的可控電路元件或者堆疊或者并排構造。對于由AC電壓驅動的工程薄膜結構31， 一對電極52和53被置于從35到40 的堆疊層的相對的側面。緩沖層38和40分別緊接著電極44和45，因為當電壓振 蕩時，電流將沿著兩個方向流動。理想情況下，電極中有一個，例如電極52,是透 明的，例如ITO，并且反射層或涂覆層50被增加在兩個電極之一 (例如電極53 ) 和剩下的從35到40的層堆疊之間，以通過透明的電極52將任何光反射回。
1040例如納米晶體的納米粒子的尺寸，幾乎接近有源層35, 36, 37 (或上述的12, 14)的相等厚度，其中，它們占10% 在每一個有源層35， 36和37中的納米粒 子的尺寸，即有源層35, 36， 37的厚度，根據(jù)特定能量激發(fā)而設定，以產生需要的 色彩的光發(fā)射。對于摻雜了稀土的氧化硅基質寄主(matrix host)中的硅納米粒子， 納米粒子直徑d (單位為納米)和激發(fā)能量E (單位為電子伏)之間的理論關系由 下式給出1.143 + 5.845/(f+1.274^+0.905) —6.234/(^ + 3.391^+ 1.412); E = E0+C/d2因此，發(fā)射紅光的層的厚度，即位于具有硅氮化物基質中的硅納米粒子的有源層 中的納米粒子的直徑，是4nm。對于發(fā)射綠光的層是3.25nm，發(fā)射藍光的層為2.6nm。 [047沒有納米粒子的有源層的厚度一般被經驗性地確定，這是基于光亮度和能量要求
間的折中。 一方面，如果有源層無限制地薄，那么整個層的能量就可以精確地得到， 并因此可以優(yōu)化能量的匹配；但是，如果有源層無限制的薄，就不會有發(fā)光中心也 不會有光。有源層越厚，該層就可以越亮，因為每平方毫米(persqmm)會有更多 的發(fā)光中心；但是，能量不會在整個厚度上取得最優(yōu)值，因此會有效率的損失。稀土離子可以被加入有源層35, 36和37，可以被加入緩沖層38， 39和40,或 二者都加入。優(yōu)選的結構只在有源層35, 36和37中加入稀土，具有的濃度使得從 納米粒子到稀土離子的能量轉移效率可以最大化，并且被激發(fā)的稀土離子的輻射發(fā) 射效率最大化。由于涉及到復雜的物理過程，優(yōu)化通常是經驗過程。被置于納米粒 子有源層中或與其鄰近的稀土粒子種類需要被選取，從而使得輻射的波長與有源層 中的納米粒子的激發(fā)能量相匹配(反之亦然)。稀土元素優(yōu)選鑭系元素，例如鈰、鐠 (praeseodymium )、《女(neodynium)、 4叵、4斗、鎮(zhèn)、鎮(zhèn)、衫、銅、4戈、鋪或錯。 但是，也可以選取辨類元素，例如釷。如果需要，其他摻雜物一般只被加入到納米粒子有源層35， 36或37中，雖然他 們也可以被置于結構31內的任意地方。例如，因為觀察已經確定測量到的納米粒子 的激發(fā)能量不如理論預期的高，碳原子可以被用于提升轉移到寬禁帶半導體或介電 (例如氧化硅)基質中的稀土離子的納米粒子的激發(fā)能量。本說明書中的所有出版物，專利和專利申請通過引用的方式并入本文中，正如每 個單獨的出版物、專利和專利申請?zhí)貏e并單獨的表明以引用的方式并入。任何引用 的出版物的公開先于申請日，并不能被理解為允許本發(fā)明不具有先于現(xiàn)有發(fā)明優(yōu)點 的公開的資格。
權利要求
1.一種發(fā)光結構，其包括第一有源層，其包括一定濃度的發(fā)光中心，用于發(fā)射第一波長的光；第一介電層，其鄰近所述第一有源層；以及一組電極，其用于將電場施加于所述第一有源層和第一介電層；其中，所述第一介電層具有厚度，因而當電子穿過所述第一介電層時從所述電場中獲得足夠的能量，而通過碰撞電離或碰撞激發(fā)以激發(fā)能激發(fā)在所述第一有源層中的所述發(fā)光中心，從而發(fā)射所述第一波長的光。
2. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光結構，還包含多個附加的第一有源層；以及多個附加的第一介電層，第一個介電層與第一有源層在所述電極組之間交替而形成 了第一堆疊。
3. 根據(jù)權利要求2所述的發(fā)光結構，其中，所述電極組由交流電流源供電；以及其中， 所述第 一介電層中的 一個被置于所述第 一堆疊的每一端，以確保當所述電場改變方向 時，在所有所述第 一有源層中的所述發(fā)光中心被激發(fā)。
4. 根據(jù)權利要求2所述的發(fā)光結構，還包含多個第二有源層，其每一個包含用于發(fā)出不同于所述第一波長的第二波長的光的一 定濃度的發(fā)光中心；以及多個第二介電層，所述多個第二介電層的每一個與所述多個第二有源層中的一個相 鄰，而形成第二堆疊；其中，所述第二介電層具有厚度，因此當電子穿過所述第二介電層時從所述電場中 獲得足夠的能量，而通過碰撞電離或碰撞激發(fā)以激發(fā)能激發(fā)在所述第二有源層中的所述 發(fā)光中心，從而發(fā)射所述第二波長的光。
5. 才艮據(jù)權利要求4所述的發(fā)光結構，其中，所述電極組由交流電源供電；以及其中，所 述第一介電層中的一個被置于所述第一堆疊的外端，所述第二介電層中的一個被置于 所述第二堆疊的外端，所述第一和第二介電層中較大的一個被置于所述第一和第二堆 疊之間，以確保當電場改變方向時，所有第一和第二有源層中的所述發(fā)光中心被激發(fā)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光結構，還包含第二有源層，其包括一定濃度的發(fā)光中心，用于發(fā)射第二波長的光；以及 第二介電層，其鄰近所述第二有源層；其中，所述第二介電層具有厚度，因此當電子穿過所述第二介電層時從所述電場中 獲得足夠的能量，而通過碰撞電離或碰撞激發(fā)以激發(fā)能激發(fā)在所述第二有源層中的所述 發(fā)光中心，從而發(fā)射所述第二波長的光。
7. 根據(jù)權利要求4、 5、或6所述的發(fā)光結構，其中，具有或不具有附加波長的情況下， 所述第 一和第二波長被結合以形成白光。
8. 根據(jù)權利要求1到7中任一項所述的發(fā)光結構，其中，所述第一有源層包括分散在半 導體基質內的半導體納米粒子，每一個納米粒子的直徑基本等于所述第 一有源層的所述 厚度。
9. 根據(jù)權利要求8所述的發(fā)光結構，其中，所述半導體納米粒子的所述直徑相應于與所 述第一波長相應的所述半導體納米粒子的所述激發(fā)能量。
10. 根據(jù)權利要求9所述的發(fā)光結構，還包含了第二有源層，其包括分散在半導體基質 中的半導體納米粒子，每一個納米粒子的直徑基本等于所述第二有源層的厚度；以及第二介電層，其相鄰于所述第二有源層，其中，所述第二介電層具有厚度，因而當 電子穿過所述第二介電層時從所述電場中獲得足夠的能量，而通過碰撞電離或碰撞激發(fā) 以激發(fā)能激發(fā)在所述第二有源層中的所述發(fā)光中心，從而發(fā)射與所述第一波長不同的第 二波長的光；其中，所述第二有源層中的半導體納米粒子的所述直徑相應于與所述第二波長相應 的所述第二有源層中的所述半導體納米粒子的所述激發(fā)能量。
11. 根據(jù)權利要求IO所述的發(fā)光結構，還包含 多個附加第一有源層；多個附加的第 一介電層，第 一有源層在所述電極組之間與第 一介電層交替而形成第 一堆疊；多個附加的第二有源層；多個附加的第二介電層，第二有源層在所述電極組之間與第二介電層交替而形成第 二堆疊。
12. 根據(jù)權利要求11所述的發(fā)光結構，還包含多個第三有源層，所述第三有源層中的每一個具有在基質中以第三厚度限定的半導 體納米粒子，在所述第三有源層中的所述半導體納米粒子的每一個的直徑相應于所述半 導體納米粒子的所述激發(fā)能量，其與不同于所述第 一和第二所需波長的第三波長相對應； 以及多個第三介電緩沖層，其與所述多個第三有源層互相分離，所述第三介電緩沖層的 每一個具有厚度，因而當電子穿過所述第三介電層時從所述電場中獲得足夠的能量，而 以激發(fā)能激發(fā)在所述第三有源層中的所述半導體納米粒子，從而發(fā)射所述第三波長的光。
13. 根據(jù)權利要求8所述的發(fā)光結構，其中，所述第一有源層摻雜了選取的第一稀土材 料，以輻射與所述第一有源層中的納米粒子的激發(fā)能量相匹配的波長，因此能量被轉移 到發(fā)射所述第一波長的光的第一稀土材料中。
14. 根據(jù)權利要求13所述的發(fā)光結構，還包含第二有源層，其包含了分散在半導體基質 中的半導體納米粒子，每一個納米粒子的直徑基本等于所述第二有源層的厚度，其中，所述第二有源層被摻雜了與所述第一稀土材料不同的第二稀土材料，其被選取從 而輻射與所述第二有源層中的所述納米粒子的所述激發(fā)能量相匹配的波長，因此能量被 轉移到發(fā)射所述第二波長光的所述第二稀土材料。
15. 根據(jù)權利要求14所述的發(fā)光結構，還包含 多個附加第一有源層；多個附加第 一介電層，其與所述第 一有源層交替而形成了所述第 一堆疊； 多個附加的第二有源層；多個附加的第二介電層，其與所述第二有源層交替從而形成了第二堆疊。
16. 根據(jù)權利要求15所述的發(fā)光結構，還包含多個第三有源層，每一個所述第三有源層具有在基質中以第三厚度限定的半導體納 米粒子，所述第三有源層中的每一個所述半導體納米粒子的直徑基本等于所迷第三厚度， 所述第三有源層中的所述半導體納米粒子的所述直徑對應于所述半導體納米粒子的所述 激發(fā)能量，所述半導體納米粒子的所述激發(fā)能量對應于與所述第一和第二所需波長不同 的第三波長；以及多個第三介電緩沖層，其將所述多個第三有源層相互分開，每一個所述第三介電緩 沖層具有厚度，因此，當電子從電場穿過時從所述電場中獲得足夠的能量，而以激發(fā)能 激發(fā)在所述第三有源層中的所述半導體納米粒子，從而發(fā)射所述第三波長的光。
17. 根據(jù)權利要求12或16所述的發(fā)光結構，其中，所述第一所需波長在紅光波長的范 圍內；其中，所述第二所需波長在綠光波長的范圍內； 其中，所述第三所需波長在藍光波長的范圍內； 因此，由所述第一、第二和第三所需波長的組合發(fā)射出大致的白光。
18. 根據(jù)權利要求17所述的發(fā)光結構，其中，所述電極組包含第一透明電極和第二基電極；其中，所述發(fā)光結構還包含位于所述第二基電極和所述第一透明電極之間的反射層， 以通過所述第一透明電極將光反射回去。
19. 根據(jù)權利要求18所述的發(fā)光結構，其中，發(fā)射最長波長光的所述多個有源層被置于 在距離所述反射層最近處，以及發(fā)射最短波長光的所述有源層被沉積在距離所述第一透 明電極的最近處。
20. 根據(jù)權利要求1至19中任一項所述的發(fā)光結構中，其中，所述第一有源層包含位于 二氧化硅基質寄主中的IV族納米粒子。
21. 根據(jù)權利要求1到19中任一項所述的發(fā)光結構，其中，所述第一有源層包含位于氮 化硅基質寄主中的IV族納米粒子。
22.
23.
24. 根據(jù)權利要求1到7中任一項所述的發(fā)光結構，其中，所述第一有源層包含稀土氧 化物。
25. 根據(jù)權利要求1到7中任一項所述的發(fā)光結構，其中，所述電極組包含第一透明電 極和第二基電極；其中，所述發(fā)光結構還包含位于所述第二基電極和第一透明電極之間 的反射層，以通過所述第一透明電極將光反射回去。
全文摘要
一種發(fā)光器件工程結構，其包含了多個互相交替的有源層和緩沖材料層，這些層置于產生電場的AC或DC電極之間。這些有源層包含發(fā)光中心，例如Ⅳ族的半導體納米晶體，發(fā)光中心位于基質中，例如寬禁帶半導體或介電材料(諸如二氧化硅和氮化硅)。緩沖層則包含寬禁帶半導體或介電材料，并且在所施加電場的方向上具有一定的厚度，從而使得電子在穿過時獲得足夠能量以在激發(fā)能量激發(fā)鄰近有源層中的發(fā)光中心，從而有效的發(fā)射所需波長的光。
文檔編號H01L29/12GK101361199SQ200680050151
公開日2009年2月4日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權日2005年12月28日
發(fā)明者E·史蒂文·希爾, 喬治·奇克, 伊恩·考爾德, 托馬斯·馬克埃爾維 申請人:第四族半導體有限公司