阅读说明：本技术 包含三维发光二极管的光电设备 (Optoelectronic device comprising three-dimensional light emitting diodes ) 是由 皮埃尔·楚尔菲安 伯努瓦·阿姆斯塔特 菲力浦·吉莱 于 2018-12-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光电设备(10),包括：主要由第一化学元素和第二化学元素制成的三维半导体元件(20)；有源区(24),至少部分覆盖三维半导体元件(20)的侧壁,并且包括主要由第一和第二化学元素制成的至少一个第一层,和主要由第一和第二化学元素和第三化学元素制成的至少一个第二层的堆叠；第三层(26),覆盖有源区,第三层主要由第一、第二、第三化学元素以及第四化学元素制成,随着到基板(12)的距离增加,第三层的第三和第四化学元素的质量比例增加或减少；第四层(28),主要由第一和第二化学元素制成,并覆盖第三层(26)。(The invention relates to an optoelectronic device (10) comprising: a three-dimensional semiconductor element (20) mainly made of a first chemical element and a second chemical element; an active region (24) at least partially covering sidewalls of the three-dimensional semiconductor element (20) and comprising a stack of at least one first layer made mainly of the first and second chemical elements and at least one second layer made mainly of the first and second chemical elements and a third chemical element; a third layer (26) covering the active region, the third layer being mainly made of the first, second, third and fourth chemical elements, the mass ratio of the third and fourth chemical elements of the third layer increasing or decreasing with increasing distance from the substrate (12); a fourth layer (28) made primarily of the first and second chemical elements and overlying the third layer (26).)

包含三维发光二极管的光电设备

本专利申请要求法国专利申请FR17/63316的优先权，该专利申请将被视为本说明书的组成部分。

背景技术

本申请总体上涉及包括由半导体材料制成的三维发光二极管的光电设备。

相关领域的讨论

图像的像素对应于通过所述光电设备所显示的图像的单位元素。对于彩色图像的显示，所述光电设备通常包括用于图像的每个像素的显示的至少三个部件，也称为显示子像素，每个组件基本上以单色(诸如红色、绿色和蓝色)发射光辐射。通过三个显示子像素所发射的辐射的叠加为观察者提供了与显示图像的像素相对应的彩色感觉。在这种情况下，通过用于显示图像像素的三个显示子像素构成的组件称为光电设备的显示像素。

存在包括能够形成三维发光二极管(或LED)的三维半导体元件的光电设备。每个发光二极管包括覆盖三维半导体元件侧壁的有源区。有源区是发光二极管发射通过发光二极管所发射的大部分辐射的区域。有源区被电子阻挡层(EBL)覆盖。在EBL的制造过程中，一些元素的含量在EBL上可能是不均匀的。同样地，有源区可以覆盖空穴阻挡层(HBL)，并且一些元素的含量在HBL上可能是不均匀的。这可能导致供给有源区的电流分布不均匀。因此，有源区所发射的辐射强度在该有源区上可能是不均匀的，而且发光二极管的效率可能是次优的。

发明内容

因此，本实施例的目的是至少部分地克服上述光电设备的缺点。

因此，本实施例提供了一种光电设备，包含：

基板；

三维半导体元件，主要由第一化学元素和第二化学元素制成，位于基板上；

有源区，至少部分地覆盖所述三维半导体元件的侧壁，并且包括主要由第一和第二化学元素制成的至少一个第一层以及主要由第一和第二化学元素和第三化学元素制成的至少一个第二层的堆叠；

第三层，其覆盖所述有源区，所述第三层主要由第一、第二和第三化学元素以及第四化学元素制成，随着到基板的距离的增加，所述第三层的第三和第四化学元素的质量比例增加或减少；以及

第四层，主要由第一和第二化学元素制成，其覆盖第三层。

根据实施例，所述有源区能够发射电磁辐射，并且所述第三层是载流子阻挡层。

根据实施例，所述第三层中的第三化学元素的含量在0.1％至10％的范围内。

根据实施例，所述第三层中的第四化学元素的含量在10％至40％的范围内。

根据实施例，所述第一化学元素为III族元素。

根据实施例，所述第一化学元素是镓。

根据实施例，所述第二化学元素为V族元素。

根据实施例，所述第二化学元素是氮。

根据实施例，所述第三化学元素为III族元素。

根据实施例，所述第三化学元素是铟。

根据实施例，所述第四化学元素为III族元素。

根据实施例，所述第四化学元素是铝。

根据实施例，所述半导体元件是线形的。

根据实施例，所述半导体元件是棱锥形的。

根据实施例，所述第三层的带隙的最大变化小于不包含第三化学元素的同一层的带隙的最大变化。

根据实施例，所述第三层是电子阻挡层或空穴阻挡层。

附图说明

上述和其他特征和优点将在具体实施例的结合附图的以下非限制性描述中详细讨论，其中：

图1是包含三维发光二极管的光电设备的部分简化横截面视图；

图2示出了铝含量的变化曲线，以及图1所示的发光二极管的其中一层的带隙根据到基板的距离的变化曲线，该基板具有在其上形成的发光二极管；

图3示出了的铝和铟含量的变化曲线，以及图1所示的发光二极管的其中一层的带隙根据到基板的距离的变化曲线，该基板具有在其上形成的发光二极管；

图4示出了通过测试获得的、图1所示的发光二极管的其中一层的带隙(以eV为单位)根据到基板的距离的变化曲线，该基板具有在其上形成的发光二极管。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记来指定，而且，进一步地，不同的附图没有按比例绘制。为清晰起见，只显示和详细说明了那些对理解所述实施例有帮助的步骤和元件。具体地，用于控制下述光电设备的方法在本领域技术人员的能力范围内，并且不进行描述。

在以下描述中，当提及限定相对位置的术语(诸如术语“上部”、“下部”等)时，指的是附图中有关元件的定向。术语“大约”和“基本上”在此用于指定所讨论值的正负10％(优选地在正负5％)的公差。

本公开涉及包含具有放射状三维形状的发光二极管的光电设备，其中在具有三维形状(例如，微导线、纳米线或棱锥的形状)的半导体元件上形成发光二极管的有源区。

术语“微导线”或“纳米线”指定为：沿着优先方向的具有细长形状(诸如圆柱形、圆锥、或锥形)的三维结构，其具有至少两种尺寸，称为小尺寸，范围在5nm到2.5μm内，优选地在50nm到2.5μm内，第三种尺寸，称为大尺寸，其大于或等于最大的小尺寸的1倍，优选地大于或等于最大的小尺寸的5倍，并且更优选地还是大于或等于最大的小尺寸的10倍。在一些实施例中，小尺寸可能小于或等于约1μm，优选地在100nm到1μm的范围内，更优选地在100nm到800nm的范围内。在一些实施例中，每根微导线或纳米线的高度可以大于或等于50nm，优选地在50nm到50μm的范围内，更优选地在1μm到10μm的范围内。例如，导线的基部具有椭圆形、圆形或多边形形状，特别是三角形、矩形、正方形或六边形。

在下列描述中，术语“导线”用来表示“微导线”或“纳米线”。

在下列描述中，术语棱锥或截棱锥指定为具有棱锥形状的三维结构。棱锥结构可能被截断，即锥体缺少顶部，并且其替换为平坦的区域。棱锥的基部内接在多边形中，该多边形的边长从100nm到10μm，优选地在从1到3μm。构成棱锥基部的多边形可以是六边形。棱锥的基部和顶点或顶部平台之间的棱锥高度从100nm到25μm进行变化，优选地从1μm至10μm进行变化。

图1是能够发射电磁辐射的光电设备10的部分简化横截面视图。

设备10包括基板12，例如半导体，其包括平行表面14和16。表面14与第一偏置电极18接触。

半导体元件20(图1中示出了单个半导体元件)与基板12的表面16接触。在图1的示例中，每个半导体元件20具有从基板12延伸的导线形状。然而，半导体元件20可能具有另一种三维形状。

电绝缘层22覆盖基板12的表面16并且包围每根导线20的下部，即每根导线20最靠近基板12的部分。

每根导线20的上部的侧壁，即没有被绝缘层22包围的部分，至少部分地被有源区24覆盖，这里是被完全覆盖。

有源区24被电子阻挡层26或EBL覆盖。

EBL 26被半导体层28和形成第二电极的导电层30覆盖。

由导线20、有源区24、EBL 26和半导体层28构成的组件构成了发光二极管。当在电极18和30之间施加电压时，有源区24发出光辐射。当多个发光二极管形成于基板12上时，它们可以串联和/或并联连接并且构成发光二极管组件。特别地，层30可以覆盖多个发光二极管的半导体层28。同样地，层26和28可以覆盖多个导线20的有源区24。光电设备的发光二极管的数目可以从1个到几亿个进行变化。

电极18可以对应于在基板12的表面14上延伸的导电层。例如，形成电极18的材料是硅化镍(NiSi)、铝(Al)、硅化铝(AlSi)、钛(Ti)或硅化钛(TiSi)。

基板12可以对应于整体结构或覆盖由另一材料制成的支撑物的层。基板12优选地是半导体基板，诸如，由硅、锗、碳化硅、III-V化合物或II-VI化合物(例如ZnO)制成的基板。基板12也可以由蓝宝石或石墨烯制成。优选地，基板12是单晶硅基板。优选地，它是与在微电子中实现的制造方法兼容的半导体基板。基板12可以对应于绝缘硅(也称为SOI)的多层结构。基板12可以是重掺杂的、轻掺杂的或不掺杂的。

II族化学元素的示例包括：IIA族化学元素，特别是铍(Be)和镁(Mg)；IIB族化学元素，特别是锌(Zn)、镉(Cd)和汞(Hg)。VI族化学元素的示例包括VIA族化学元素，特别是氧(O)和碲(Te)。II-VI化合物的示例为ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe或HgTe。一般来说，II-VI化合物中的化学元素可以与不同的摩尔分数结合。

绝缘层22可以由介电材料制成或包含介电层的堆叠，例如，二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si_xN_y，其中x约等于3并且y约等于4，例如，Si₃N₄)、氧氮化硅(特别地通式为SiO_xN_y，例如，Si₂ON₂)、二氧化铪(HfO₂)、或金刚石。例如，绝缘层22的厚度范围在1nm到20μm之间，优选地在5nm到150nm之间。

每个半导体元件20都与基板12的表面16接触。作为变型，可以在基板12和半导体元件20之间***由有利于半导体元件20生长的材料制成的种子层。例如，形成种子层的材料可能是来自化学元素周期表的第IV列、第V列或第VI列的过渡金属的氮化物、碳化物或硼化物，或这些化合物的组合。作为一个示例，种子层16可以由以下之一制成：氮化铝(AlN)、氧化铝(Al₂O₃)、硼(B)、氮化硼(BN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、铪(Hf)、氮化铪(HfN)、铌(Nb)、氮化铌(NbN)、锆(Zr)、硼酸锆(ZrB₂)、氮化锆(ZrN)、碳化硅(SiC)、碳氮化钽(TaCN)、MgxNy形式的氮化镁，其中x约等于3并且y约等于2，例如Mg₃N₂形式的氮化镁。所述种子层可以掺杂与基板12相同的导电类型。例如，该种子层的厚度在1至100纳米的范围内，优选地在10至30纳米的范围内。作为变型，种子层可以由放置在基板12的表面16上的种子垫(seed pad)代替，每根导线20都放置在种子垫之一上。

半导体元件20主要由包含第一化学元素和第二化学元素的化合物形成，特别是由二元化合物形成。第一化学元素可以是III族元素。第二化学元素可以是V族元素。因此，半导体元件20可以由III-V化合物制成。

III族化学元素的示例包括镓(Ga)、铟(In)或铝(Al)。V族化学元素的示例包括氮、磷或砷。III-V化合物的示例为GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN或AlInGaN。一般地，III-V化合物中的化学元素可以与不同的摩尔分数结合。

半导体元件20也可以主要由AlGaInP型合金制成。

半导体元件20可以包括掺杂物。例如，对于III-V化合物，掺杂物可以从包括以下的族中选择：P型II族掺杂物，例如，镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)、或汞(Hg)；P型IV族掺杂物，例如，碳(C)；或N型IV族掺杂物，例如，硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、硫(S)、铽(Tb)、或锡(Sn)。

当光电设备的三维半导体元件20对应于导线时，每根导线的高度可以在50nm到50μm的范围内。每根导线20可具有沿基本上垂直于表面16的轴线D延长的半导体结构。

当光电设备10的三维半导体元件20对应于棱锥时，每个棱锥的高度可以在100nm到25μm的范围内。每个棱锥20可具有沿基本上垂直于表面16的轴线延长的半导体结构。

每根导线或每个棱锥20的横截面一般可以是椭圆形、圆形或多边形，特别地是三角形、矩形、正方形或六边形。相邻两根导线20或棱锥的中心可能相距0.25μm至10μm，优选地相距1.5μm至5μm。例如，导线20或棱锥可能有规律地分布，特别是在六边形的网状物中。

有源区24可以包括单个量子阱。因此，有源区24可以包括主要由三元III-V化合物制成的层。优选地，有源区24包括以下层：主要包含上面关于半导体元件20描述的第一和第二化学元素以及与第一化学元素同族的除了第一化学元素的第三化学元素。

有源层24可以包括多个量子阱。然后它包括形成量子阱和阻挡层交替的半导体层的堆叠。它可以由主要由二元III-V化合物制成的层和主要由三元III-V化合物制成的层交替形成。优选地，有源区包括主要包含第一和第二化学元素的层以及主要包含第一、第二和第三化学元素的层的交替。

半导体层28可以由与半导体元件20相同的元素制成。半导体层例如主要包括第一元素和第二元素。例如，半导体层28掺杂了与半导体元件20的掺杂类型相反的掺杂类型。

电极30能够使覆盖每个半导体元件20的有源区24偏置，并让位于(giving wayto)发光二极管发出的电磁辐射。形成电极30的材料可以是透明的导电材料，诸如铟锡氧化物(ITO)、氧化锌，掺杂或不掺杂铝、镓或石墨烯。例如，电极层30的厚度在5nm至200nm的范围内，优选地在20nm至50nm的范围内。

按照已知的方式，EBL 26主要由三元合金制成，其包括第一化学元素、第二化学元素以及来自与第一化学元素相同的族但是除了第一或第三化学元素的第四化学元素。如果导线20由GaN制成，并且量子阱包括InyGa(1-y)N层，其中y为In的比例，并且通常指定为InGaN，则已知EBL主要由铝氮化镓AlxGa(1-x)N制成，其中x是铝的比例，并且通常指定为AlGaN，并与有源区24接触，在有源区24中提供良好分布的载流子。例如，层26的厚度范围可以在5nm至60nm之间，铝的比例x可以在5％到60％之间变化，优选地在15％到25％之间变化。比例是指不含氮的原子比例。例如，在Al0、2Ga0、8N成分的情况下，20％的非氮原子是铝，并且80％的非氮原子是镓。

使每个半导体元件20、有源区24、EBL 26和半导体层28生长的方法可以是诸如：化学气相沉积(CVD)或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，其也称为金属有机物气相外延(MOVPE)。但是，也可以使用方法诸如分子束外延(MBE)、气源MBE(GSMBE)、金属有机物MBE(MOMBE)、等离子体辅助MBE(PAMBE)、原子层外延(ALE)或氢化物气相外延(HVPE)。

例如，该方法可包括将第一化学元素的前体和第二化学元素的前体以及可选地第三化学元素的前体和/或第四化学元素的前体注入反应器中。

在下列描述中，可以认为第一化学元素是镓(Ga)，第二化学元素是氮化物(N)，第三化学元素是铟(In)，并且第四化学元素是铝(Al)。然而，所描述的不同现象可以扩展到其他化学元素，诸如之前所描述的那些元素。

图2示出了在图1所示的发光二极管的主要由AlGaN制成的EBL 26中的铝含量x(百分比)的变化曲线40，以及EBL 26的带隙(电子伏)根据到基板12的距离的变化曲线42。

在形成EBL 26的过程中，发明人已经说明第四化学元素(这里是AlGaN化合物的铝)的含量在层26上可能是非恒定的。实际上，当基板12与层26的参考点之间的距离增加时，层26中的铝含量可能增加或减少。在曲线40所示的示例中，导线20的下部(“底部”)和导线20的上部(“顶部”)之间的铝含量增加。

这种含量变化与EBL 26(主要由AlGaN制成)的带隙的曲线42所示的变化类似。带隙变化可以如现有技术中已知的来确定，特别是正如Sakalauskas等人发表的题为“Dielectric function and optical properties of quaternary AlInGaN alloys”(Journal of Applied Physics 110,013102(2011))(《四元AlInGaN合金的介电函数和光学性质》(应用物理学报110,013102(2011)))中所描述的那样。在导线20的顶部水平处的带隙高于导线20的下部水平处的带隙。因此，流过有源区24的电流的分布，以及有源区24发射的辐射强度，都是不均匀的。因此，发光二极管的效率是次优的。

根据实施例，将第三元素添加到EBL 26的组合物中。因此，EBL 26主要由包含第一、第二、第三和第四化学元素的四元化合物制成。在关于图3和图4描述的实施例中，EBL26不是由AlGaN制成，而是由AlxInzGa(1-x-z)N制成，其中x为铝含量，z为铟含量，其通常指定为AlInGaN。

图3示出了图1所示的发光二极管的EBL 26(这里主要由AlInGaN制成)中铝和铟的含量(百分比)变化曲线43和44。图3还显示了AlGaN和AlInGaN制成的层的带隙(以电子伏为单位)根据到基板12的距离的变化曲线46以及作为比较所绘制的曲线42。

曲线43所示的EBL 26中铝含量的变化与主要由AlGaN制成的EBL 26的铝含量的变化相似。此外，曲线44所示的主要由AlInGaN制成的EBL 26中铟(In)含量的变化也是非恒定的，在此，在导线20的下部和上部之间增加。

发明人已经说明了，与曲线42示出的主要由AlGaN制成的EBL 26相比，图3中基本恒定的曲线46示意性说明的主要由AlInGaN制成的EBL 26的带隙变化减小。因此，流过有源区24的电流在发光二极管上的分布更加均匀，因此有源区24发出的辐射强度也更加均匀。从而提高了发光二极管的效率。

主要由第一、第二、第三和第四化学元素的化合物制成的EBL 26的第四化学元素的含量例如在10至40％的范围内，例如在15至35％的范围内。主要由第一、第二、第三和第四化学元素的化合物制成的EBL 26的第三化学元素的含量例如在0.5至10％的范围内，例如在1至5％的范围内。

图4示出了通过测试获得的、图1所示的发光二极管的EBL 26的带隙根据到基板的距离的变化曲线，基板具有在其上形成的发光二极管。曲线48与图3的曲线42一样，对应于主要由AlGaN制成的EBL 26；并且曲线50与图3的曲线46一样，对应于主要由AlInGaN制成的EBL 26。

在测试中，EBL 26在例如在75至500托范围内的压力和在800至1000℃范围内的温度下形成的。使用的前体例如是：镓的流量为82.75sccm(standard cubic centimetersper minute，每分钟标准立方厘米)的三甲基镓，氮的流量为50l/min的氨、铟的流量为900sccm的三甲基铟、以及铝的流量为570sccm的三甲基铝。

如关于图3描述的，可以观察到对应于AlInGaN的曲线50的变化明显小于与AlGaN相关联的曲线48，特别是在导线的上部。而且，曲线50的带隙值小于曲线48的带隙值。

更具体地说，根据在上述条件下进行的测试，在EBL主要由AlGaN制成的导线的下部(B)，铝含量基本上等于15％，而且带隙基本上等于3.75eV。在导线的中部(M)，铝含量基本上等于25％，而且带隙基本上等于3.96eV。在导线的上部(T)，铝含量基本上等于30％，而且带隙基本上等于4.1eV。

根据上述测试，在EBL主要由AlInGaN制成的导线的下部(B)，铝含量基本上等于15％，铟含量基本上等于1％，而且带隙基本上等于3.7eV。在导线中部(M)，铝含量基本上等于25％，铟含量基本上等于2％，而且带隙基本上等于3.88eV。在导线的上部(T)，铝含量基本上等于30％，铟含量基本上等于5％，而且带隙基本上等于3.9eV。

优势是添加到EBL的组合物中的第三元素已经存在于发光二极管的其他层的组合物中，特别是在有源区中。因此，已经提供了第三元素前体的注入。从而减少了对已有方法的修改。

具体实施例已被描述。本领域的技术人员将会想到各种各样的变更和修改。特别是，三维元件的形状不限于本公开中所述的示例。

在本公开中，认为所述光电设备包括发光二极管。然而，这里描述的实施例也可以在光电二极管的情况下实现。在这种情况下，有源区能够捕获电磁辐射，并将捕获的光子转换为载流子。

此外，上述实施例也可以应用于HBL。此外，可以将EBL或HBL***到有源区和三维半导体元件之间。

具有不同变型的各种实施例已在上面描述。应当指出的是，本领域的技术人员可以在不示出任何创造性的情况下组合这些实施例和变型的各种要素。