用于固态光发射器的工程结构制造技术

一种发光器件工程结构，其包含了多个互相交替的有源层和缓冲材料层，这些层置于产生电场的ＡＣ或ＤＣ电极之间。这些有源层包含发光中心，例如Ⅳ族的半导体纳米晶体，发光中心位于基质中，例如宽禁带半导体或介电材料（诸如二氧化硅和氮化硅）。缓冲层则包含宽禁带半导体或介电材料，并且在所施加电场的方向上具有一定的厚度，从而使得电子在穿过时获得足够能量以在激发能量激发邻近有源层中的发光中心，从而有效的发射所需波长的光。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
诸如以引用的方式并入本文的于2006年7月25日授权给Hill名称为Doped Semiconductor Powder and Preparation Thereof'的美国专利第7,081,664号，于2006 年10月17日授权给Hill的名称为Solid State White Light Emitter and Display Using Same 的美国专利第7,122,842号，于2004年8月5日以Hill的名义公开的名称为 Broadband Optical Pump Source for Optical Amplifiers, Planar Optical Amplifiers, Planar Optical Circuits and Planar Optical Lasers Fabricated Using Group IV Semiconductor Nanocrystals的公开的美国专利申请第2004/151461号，以Hill等的 名义于2004年10月28日公开的名称为Doped Semiconductor Nanocrystal Layers and Preparation Thereof，的美国公开专利申请第2004/214,362号，以Hill的名义于2004 年12月16日公开的名称为Light Emitting Diodes and Planar Optical Lasers Using IV Semiconductor Nanocrystals的美国公开专利申请第2004/252,738号中所公开的现有 技术光发射器件，已经证实了前面所述的运用。 iv)需要通过热退火法减少离子注入损伤同时尽量使光学激发稀土最大化之间 的平衡；013] v)由于实际输入能量，注入的离子不能深入薄膜，因此薄膜的厚度受到限制； 另一种用于获得掺杂的IV族半导体纳米粒子层沉积方法，包含共溅镀IV族半 导体和稀土金属，典型在氧等离子体中。此方法中，IV族半导体和稀土金属被放置 在目标衬底上，衬底接着被;汰置于真空室，暴露在氩子束中。氩离子束溅4度IV族 半导体和稀土金属，然后两者被沉积到一个接受硅晶片上。硅晶片上新形成的薄膜 接着进行退火以生长纳米粒子和光学激发稀土离子。通过此方法制作的掺杂的IV 族半导体纳米粒子层有如下缺点i)这些层没有很好的纳米粒子和稀土离子的一致 性分布；ii)这些层遭受由于稀土在薄膜里的团簇而带来的上变换效率损失；iii)稀 土薄膜在薄膜中的浓度限制在比0.1%略大的程度。图4是4艮据附图说明图1的器件的替代超晶格半导体结构的横截面图。 具体实施例031参考图l,本专利技术的实施例提供了一种电致发光固体器件1,其包括导电的衬底 11,例如N型或P型半导体晶片。发光薄膜结构20被沉积到导电村底11的顶部。 此发光薄膜结构包括一个或者多个具有发光中心(例如宽禁带半导体介电基质中的 半导体纳米粒子或其他半导体材料)的薄的有源层。该薄膜结构20可以通过诸如等 离子体化学气相沉积(PECVD),分子束外延生长，脉冲激光沉积，溅射以及溶胶-凝胶(sol-gel)方法的多种适合的方法中的一种沉积。上层的光透明电流注入(电 极)层21,例如、氧化锡铟(ITO),被沿着背面电接触25安装在薄膜结构20上， 从而使得可以将AC或DC电压施加到其上。优选的，透明电流注入层21的厚度从 150到500nm。优选的，电流注入层21的厚度和化学成分使得发光结构20具有 70ohm-cm以下的阻抗率(resistivity)。缓冲电接触22,例如TiN,被放置于透明电 流注入层21和上层的电接触23 (例如铝的金属)之间。緩冲层电接触22提供了在 前面的透明电流注入层21和上层的电接触23之间的欧姆接触，同时上层的电接触 23为引线结合接触提供了适合的表面。其他用于透明电流注入层21和緩冲电接触 的适合的材料也可以作为替代而使用。背反射器24可以放置于薄膜结构20和村底 ll之间以用于反射光，该反射光线在内部背朝发射表面，即透明的电流注入层21, 被发射到衬底11上。032形成在薄膜结构20上的衬底11被选取以能够承受高达1000 。C级或更高的温 度。适合的衬底的例子包括硅晶片或者多晶硅层，二者中的任一个都可以被n掺杂 或p掺杂，例如具有lxl02Qto 5xl0掺杂物每cm3,熔融石英，氧化锌层，石英， 蓝宝石碳化硅，或金属衬底。衬底11可以选择的具有热生长氧化层，该氧化层能达 到2000nm的厚度，优选lnm到20nm的厚度。衬底11可以选择的具有沉积的导电 层，该导电层的厚度在50到2000nm之间，但优选100到500nm之间。衬底的厚 度不关键，只要其热稳定性和机械稳定性得到保证。薄膜结构20包括一个或者多个有源层，每一层具有独立选取的成分和厚度，例 如半导体纳米粒子，诸如宽禁带半导体或介电基质中的IV族半导体(例如Si， Ge， Sn和PB),诸如IV族半导体(例如Si, Ge, Sn和PB )的氧化物或氮化物基 质，其具有或不具有稀土掺杂元素并且具有或不具有碳掺杂，这将在下文中描述。作为替代，这些有源层可以包括稀土氧化物，或者其他具有被碰撞电离或者碰撞 激发的发光中心的半导体材料。通过使用具有不同成分的有源层，可以制备多颜色 的结构。例如，在一个单一结构中结合掺杂铒，铥和铕的半导体纳米粒子层提供了 可以发绿色(铽)荧光，蓝色(铈)荧光，红色(铕)荧光或其色彩组合(例如白 色)荧光结构。这些层可以作为分立的可控电路元件或者堆叠或者并排构造。对于由AC电压驱动的工程薄膜结构31， 一对电极52和53被置于从35到40 的堆叠层的相对的侧面。緩冲层38和40分别紧接着电极44和45，因为当电压振 荡时，电流将沿着两个方向流动。理想情况下，电极中有一个，例如电极52,是透 明的，例如ITO，并且反射层或涂覆层50被增加在两个电极之一 (例如电极53 ) 和剩下的从35到40的层堆叠之间，以通过透明的电极52将任何光反射回。1040例如纳米晶体的纳米粒子的尺寸，几乎接近有源层35, 36, 37 (或上述的12, 14)的相等厚度，其中，它们占10% 在每一个有源层35， 36和37中的纳米粒 子的尺寸，即有源层35, 36， 37的厚度，根据特定能量激发而设定，以产生需要的 色彩的光发射。对于掺杂了稀土的氧化硅基质寄主(matrix host)中的硅纳米粒子， 纳米粒子直径d (单位为纳米)和激发能量E (单位为电子伏)之间的理论关系由 下式给出1.143 + 5.845/(f+1.274^+0.905) —6.234/(^ + 3.391^+ 1.412); E = E0+C/d2因此，发射红光的层的厚度，即位于具有硅氮化物基质中的硅纳米粒子的有源层 中的纳米粒子的直径，是4nm。对于发射绿光的层是3.25nm，发射蓝光的层为2.6nm。 [047没有纳米粒子的有源层的厚度一般被经验性地确定，这是基于光亮度和能量要求间的折中。 一方面，如果有源层无限制地薄，那么整个层的能量就可以精确地得到， 并因此可以优化能量的匹配；但是，如果有源层无限制的薄，就不会有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光结构，其包括：　第一有源层，其包括一定浓度的发光中心，用于发射第一波长的光；　第一介电层，其邻近所述第一有源层；以及　一组电极，其用于将电场施加于所述第一有源层和第一介电层；　其中，所述第一介电层具有厚度，因而当电子穿过所述第一介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第一有源层中的所述发光中心，从而发射所述第一波长的光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-12-28 60/754,185;US 2006-3-29 60/786,7301.一种发光结构，其包括第一有源层，其包括一定浓度的发光中心，用于发射第一波长的光；第一介电层，其邻近所述第一有源层；以及一组电极，其用于将电场施加于所述第一有源层和第一介电层；其中，所述第一介电层具有厚度，因而当电子穿过所述第一介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第一有源层中的所述发光中心，从而发射所述第一波长的光。2. 根据权利要求1所述的发光结构，还包含多个附加的第一有源层；以及多个附加的第一介电层，第一个介电层与第一有源层在所述电极组之间交替而形成 了第一堆叠。3. 根据权利要求2所述的发光结构，其中，所述电极组由交流电流源供电；以及其中， 所述第 一介电层中的 一个被置于所述第 一堆叠的每一端，以确保当所述电场改变方向 时，在所有所述第 一有源层中的所述发光中心被激发。4. 根据权利要求2所述的发光结构，还包含多个第二有源层，其每一个包含用于发出不同于所述第一波长的第二波长的光的一 定浓度的发光中心；以及多个第二介电层，所述多个第二介电层的每一个与所述多个第二有源层中的一个相 邻，而形成第二堆叠；其中，所述第二介电层具有厚度，因此当电子穿过所述第二介电层时从所述电场中 获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第二有源层中的所述 发光中心，从而发射所述第二波长的光。5. 才艮据权利要求4所述的发光结构，其中，所述电极组由交流电源供电；以及其中，所 述第一介电层中的一个被置于所述第一堆叠的外端，所述第二介电层中的一个被置于 所述第二堆叠的外端，所述第一和第二介电层中较大的一个被置于所述第一和第二堆 叠之间，以确保当电场改变方向时，所有第一和第二有源层中的所述发光中心被激发。6. 根据权利要求1所述的发光结构，还包含第二有源层，其包括一定浓度的发光中心，用于发射第二波长的光；以及 第二介电层，其邻近所述第二有源层；其中，所述第二介电层具有厚度，因此当电子穿过所述第二介电层时从所述电场中 获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第二有源层中的所述 发光中心，从而发射所述第二波长的光。7. 根据权利要求4、 5、或6所述的发光结构，其中，具有或不具有附加波长的情况下， 所述第 一和第二波长被结合以形成白光。8. 根据权利要求1到7中任一项所述的发光结构，其中，所述第一有源层包括分散在半 导体基质内的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第 一有源层的所述 厚度。9. 根据权利要求8所述的发光结构，其中，所述半导体纳米粒子的所述直径相应于与所 述第一波长相应的所述半导体纳米粒子的所述激发能量。10. 根据权利要求9所述的发光结构，还包含了第二有源层，其包括分散在半导体基质 中的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第二有源层的厚度；以及第二介电层，其相邻于所述第二有源层，其中，所述第二介电层具有厚度，因而当 电子穿过所述第二介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发 以激发能激发在所述第二有源层中的所述发光中心，从而发射与所述第一波长不同的第 二波长的光；其中，所述第二有源层中的半导体纳米粒子的所述直径相应于与所述第二波长相应 的所述第二有源层中的所述半导体纳米粒子的所述激发能量。11. 根据权利要求IO所述的发光结构，还包含 多个附加第一有源层；多个附加的第 一介电层，第 一有源层在所述电极组之间与第 一介电层交替而形成第 一堆叠；多个附加的第二有源层；多个附...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治奇克，托马斯马克埃尔维，伊恩考尔德，E史蒂文希尔，
申请(专利权)人：第四族半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]