具有間隙空位的聚結納米線結構及其制造方法
【專利摘要】本發明揭示一種半導體裝置，例如LED，其包括多個位于支撐物上的第一導電型半導體納米線核心、在所述核心之上及周圍延伸的連續第二導電型半導體層、多個位于所述第二導電型半導體層中并在所述核心之間延伸的間隙空位、及與所述第二導電型半導體層接觸的第一電極層。
【專利說明】具有間隙空位的聚結納米線結構及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于納米線的結構，特定來說，涉及納米線發光裝置的陣列。
【背景技術】
[0002]發光二極管(LED)越來越多地用于照明，但尤其對大規模處理來說仍有一些技術挑戰有待克服，以便達到真正突破。
[0003]近年來，對納米線技術的興趣已有所增加。與利用常規平面技術所生產的LED相t匕，納米線LED由于納米線的一維性質而具有獨特的性質，由于晶格匹配限制較少而在材料組合方面具有提高的靈活性，且為在較大襯底上進行處理提供了機會。用于半導體納米線生長的合適方法在所屬領域中是已知的，且一種基本方法是通過粒子輔助生長或所謂VLS (氣-液-固)機制在半導體襯底上形成納米線，所述方法揭示于(例如)US7，335，908中。粒子輔助生長可通過使用化學束外延法(CBE)、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、有機金屬氣相外延法(MOVPE)、分子束外延法(MBE)、激光剝蝕及熱蒸鍍方法而實現。然而，納米線生長并不限于VLS法，例如W02007/102781顯示，半導體納米線可在不使用粒子作為催化劑的情況下生長于半導體襯底上。此領域中一項重要突破在于，在S1-襯底上生長II1-V族半導體納米線及其它的方法已得到證實，其重要性在于其與現存Si處理兼容，并可使用較廉價的Si襯底取代昂貴的II1-V族襯底。
[0004]W02010/14032中展示底部發射納米線LED的一個實例。此納米線LED包含生長于襯底緩沖層(例如Si襯底上的GaN緩沖層)上的半導體納米線的陣列。每根納米線包含包覆在P-型外殼中的η-型納米線核心及ρ-電極，其中在形成ρη或pin結的η-型與ρ-型區域之間形成有源層。緩沖層的功能是作為納米線生長的模板，以及充當與η-型納米線核心相連的電流傳輸層。另外，緩沖層是透明的，因為有源區域所產生的光經由緩沖層發射。
[0005]雖然納米線LED具有有利性質及性能，但與平面技術相比，關于納米線LED接觸的處理需要新型途徑。由于納米線LED包含大量納米線陣列，從而形成具高寬高比結構的三維表面，所以利用視線法沉積接點材料是具有挑戰性的操作。

【發明內容】

[0006]本發明的一個實施例為半導體裝置，例如LED，包括多個位于支撐物上的第一導電型半導體納米線核心、在所述核心之上及周圍延伸的連續第二導電型半導體層、多個位于所述第二導電型半導體層中并在所述核心之間延伸的間隙空位、及與所述第二導電型半導體層接觸并延伸到所述間隙空位中的第一電極層。
[0007]本發明另一實施例為半導體裝置，例如LED，包括多個位于支撐物上的第一導電型半導體納米線核心、第二導電型半導體的在所述核心之上及周圍延伸的第一連續層、所述第二導電型半導體的在所述第一層上并包含多個位于第二導電型半導體的此第二層中的間隙空位的第二層、及與所述第二導電型半導體的所述第二層接觸且優選不延伸到所述間隙空位中的第一電極層。[0008]一種制造半導體裝置的方法包含:從支撐物的經由所述支撐物上的絕緣掩模層中的開口暴露的半導體表面部分外延生長多個第一導電型半導體納米線核心，在所述核心上形成半導體有源區外殼，生長在所述核心及所述外殼之上及周圍延伸的連續第二導電型半導體層，以便在生長步驟期間在所述第二導電型半導體層中形成多個在所述核心之間延伸的間隙空位，及形成與所述第二導電型半導體層接觸并延伸到所述間隙空位中的第一電極層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]現將參考附圖描述本發明的優選實施例，其中:
[0010]圖1A及IB分別示意性地說明現有技術納米線LED的基本結構的俯視圖及側截面視圖。
[0011]圖1C示意性地說明現有技術納米線LED結構的側截面視圖。
[0012]圖2示意性地說明另一現有技術納米線LED結構的側截面視圖。
[0013]圖3A到3B示意性地說明圖2的現有技術LED分別沿著圖3C的線A及B的側截面視圖。圖3C說明圖2的現有技術LED的俯視圖。
[0014]圖4A及4D示意性地說明現有技術LED在進行頂部電極沉積之前的俯視圖。
[0015]圖4B、4C、4E及4F示意性地說明LED在按照本發明替代性實施例進行頂部電極沉積之前的俯視圖。
[0016]圖5A及5B示意性地說明圖4B的LED在分別沿著圖5C的線A及B進行頂部電極沉積之后的側截面視圖。圖5C說明圖4B的LED在進行頂部電極沉積之后的俯視圖。
[0017]圖6A及6B示意性地說明圖4B的LED在分別沿著圖6C的線A及B進行頂部電極沉積之后的側截面視圖。圖6C說明圖4B的LED在按照本發明另一實施例進行頂部電極沉積之后的俯視圖。
[0018]圖7A及7B示意性地說明具有部分空中橋接頂部電極的圖4B的LED在分別沿著圖5C的線A及B進行頂部電極沉積之后的側截面視圖。
[0019]圖8A及8B示意性地說明具有間隙空位的LED的側截面視圖。
[0020]圖9A及9B示意性地說明具有間隙空位的LED的側截面視圖。
【具體實施方式】
[0021]在納米技術的領域中，通常將納米線理解為具有納米級或納米尺寸的橫向尺寸(例如，圓柱納米線的直徑或錐形或六邊形納米線的寬度)的納米結構，而其縱向尺寸并無限制。通常也將此類納米結構稱為納米須、一維納米元件、納米棒、納米管等等。一般來說，認為具有多邊形橫截面的納米線具有至少兩個尺寸，其中每一者不大于300nm。然而，納米線可具有高達約5 μ m、例如高達I μ m的直徑或寬度。納米線的一維性質可提供獨特物理、光學及電子性質。這些性質可(例如)用以形成利用量子力學效應(例如，利用量子線)的裝置或形成由因晶格極度失配而通常無法組合的由組成上不同的物質組成的異質結構。如術語納米線所暗示，一維性質通常與細長形狀相關聯。換句話說，“一維的”是指寬度或直徑小于5微米(例如小于I微米)，而長度大于5微米(例如大于I微米)。由于納米線可具有各種橫截面形狀，所以直徑意在指代有效直徑。所謂有效直徑，意思是指結構橫截面的長軸與短軸的平均值。
[0022]圖1A及IB分別為示意性地說明納米線LED結構的基本結構的俯視圖及側截面視圖。原則上，單根納米線足以形成納米線LED，但因其尺寸小，所以納米線優選以包含數千根并排納米線的陣列布置(即，納米-裝置或裝置)，以形成LED結構。個別納米線LED裝置由納米線I組成，納米線I具有η-型納米線核心2及至少部分包覆納米線核心2的獨立P-型外殼體積元件3及包含半導體有源層或一或多個量子阱的中間有源區4 (顯示于圖1C中)。當體積元件3與本征有源區4直接物理接觸時，此形成發光p-1-n結，或者如果有源區4為P或η型摻雜，那么此形成發光p-n結。然而，納米線LED裝置并不受此配置限制。例如，納米線核心2、有源區4及P-型外殼體積元件3可由大量層或段組成。如上所述，在替代性實施例中，當體積元件3與核心2直接物理接觸時，僅有核心2及體積元件3可形成發光P-n結。在此情況中可略去有源區4。為充當LED，每根納米線I的η-側及P-側必須接觸。因此，如本文所用，核心可包含任何寬度或直徑小于5微米(例如小于I微米)且長度大于5微米(例如大于I微米)的合適納米元件，且可包含單個結構或多組件結構。例如，核心可包含一種導電型的半導體納米線，或其可包含被一或多個相同導電型的半導體外殼包圍的一種導電型半導體納米線，且所述核心具有柱形或錐形。為簡單起見，下文將描述單組件納米線柱形核心，并在下圖中說明。
[0023]如圖1C中所示，通過將納米線I生長于生長襯底5上，任選地利用生長掩模6 (例如，氮化物層，例如氮化硅介電掩模層)來界定納米線I的位置，并測定納米線I的底部界面面積，襯底5至少在處理期間充當從襯底5突出的納米線I的載體。納米線的底部界面面積包含掩模層6中每個開口內部的核心2的面積。襯底5可包含不同材料，例如，II1-V族或I1-VI族半導體，S1、Ge、Al2O3 (例如，藍寶石)、SiC、石英、玻璃等等，如瑞典專利申請案SE1050700-2(授予GLO AB)中所論述，所述申請案的全文以引用的方式并入本文中。在一個實施例中，納米線I直接生長于生長襯底5上。
[0024]優選地，襯底5還適于充當與每根納米線I的η-側相連的電流傳輸層。此可通過擁有包含布置于面向納米線I的襯底5表面上的緩沖層7的襯底5而實現，如圖2所示。緩沖層可為在Si襯底5上的III族氮化物層，例如GaN及/或AlGaN緩沖層7。緩沖層7通常與所需納米線材料類型相匹配，并且因此在制造過程中充當生長模板。就η-型核心2來說，緩沖層7優選也為η-型摻雜。緩沖層7可包含單層(例如，GaN)、若干子層(例如，GaN及AlGaN)或遞變層(從高Al含量AlGaN遞變到較低Al含量AlGaN或GaN)。納米線可包含任何半導體材料，但就納米線LED來說，II1-V族半導體(例如，III族氮化物半導體(例如，GaN, AlInGaN, AlGaN及InGaN等等))或其它半導體(例如，InP、GaAs)通常是優選的。應注意，納米線I可包含若干不同材料(例如，GaN核心、InGaN有源層或量子阱及具有不同于有源區的In對Ga比率的InGaN外殼)。一般來說，本文將襯底5及/或緩沖層7稱為納米線的支撐物或支撐層。或者，導電層(例如，鏡面或透明觸點)可用作替代襯底5及/或緩沖層7或除襯底5及/或緩沖層7之外的支撐物。因此，術語“支撐層”或“支撐物”可包含這些元件中的任一或多者。
[0025]雖然本文所述制造方法優選利用生長于掩模層6中開口中所暴露的緩沖層7上的納米線核心2,如(例如)賽菲特(Seifert)等人的美國專利第7，829，443號中所述,其教授納米線制造方法以引用的方式并入本文中，但請注意，本發明并不因此而受限。可使用利用具催化劑晶種微粒的VLS法或利用其它方法所生長的納米線核心2替代。
[0026]在圖1A到IC所示的現有技術納米線LEDl中，每根納米線I的p_側3的接觸典型地通過沉積包含包覆每根納米線I的P-型外殼3并延伸到襯底5或緩沖層7上的絕緣層6的導電層的ρ-電極8而完成。ρ-電極8的導電層在此絕緣層6上延伸到相鄰納米線
I。然而，因納米線LED的納米線緊密間隔(納米線I之間的間隔由圖1A中的W線表示)，且寬高比高，所以為獲得高發光性，P-電極沉積為具挑戰性的操作。典型地使用視線法(例如濺鍍或蒸鍍)來進行電極沉積。歸因于側線沉積，觀察到在納米線頂端上的優先生長及遮蔽效應，此導致P-電極8隨厚度向納米線I基底降低而逐漸變窄，如圖1B所示。因此，為獲得有效的橫向電流散布，P-電極8的厚度在納米線頂端將變得不必要的厚，而于納米線中間不夠厚。遮蔽效應還可能過于嚴重，以致于P-電極出現不連續。因此，納米線I側壁及底表面(例如，層6)上的ρ-電極8厚度將與納米線的長度以及其之間的距離極其相關。層6表面的底部部分上的ρ-電極8部分將為電路徑，且將為寬度取決于納米線之間的距離的格柵，如圖1A中箭頭所示。如果接觸的厚度或寬度太薄，那么此接觸層中的電流散布可能極差，如圖1B所示。
[0027]為克服電流散布差的問題，可通過生長連續ρ-層3使結構平坦化，以使納米線體積元件聚結為連續層。此舉將產生平面狀表面，其中可輕易地部署常規的接觸。連續P-層3可通過與美國專利第7，829，443號所述的獨立p_外殼相同的方法(例如，M0CVD)生長，不同之處在于生長時間增加以形成連續層而非獨立外殼。通過形成連續實質上平坦的體積元件3(因下層納米線及納米線間隙空間構形的彎曲之故，其上表面可能并非完全地平坦)，將接觸從外殼體積元件的側壁轉移到僅在連續體積元件的頂部上，如圖2所示，其由“可見顏色可調的發光二極管(Visible-Color-Tunable Light-Emitting Diodes)”一文復制而來，所述文章由洪陽軍(Young Joon Hong)等人于2011年6月3日發表在《先進材料(Advanced Materials)》在線版。然而,此配置因穿過厚電阻性p_GaN體積元件的傳導路徑較長而導致串聯電阻相對較高，以及因厚P-GaN材料導電性差而導致結構不同部位發光。
[0028]圖3C說明洪(Hong)等人的納米線核心布局上的聚結ρ-體積元件的示意性俯視圖。圖3Α及3Β分別為沿著圖3C中線A及B (沿著納米線尖峰及側面)的示意性側截面視圖。如圖3C所示，當俯視時，納米線核心2及有源區4的橫截面為六邊形。具有連續體積元件3的裝置I形成圖3C所示嵌合或拼接平面。此意味著連續P-型層或體積元件3填充納米線核心2與有源區4之間所有空間而無任何重疊或縫隙。具體來說，六邊形裝置I形成全等規則六邊形或“蜂窩瓦”的規則嵌合結構，其中每一頂點匯聚三個六邊形。換句話說，嵌合結構中六邊形的每一頂點或“角”與兩個其它六邊形的角接觸。如圖3Α及3Β所示，ρ-電極8到所述裝置底部的電流路徑由線C表示，線C沿著所述裝置高度延伸穿過大部分體積元件3高度。此配置因穿過厚電阻性P-GaN體積元件3的傳導路徑較長而導致串聯電阻相對較高。
[0029]本發明人發現，有一種方法可得到聚結、相連、實質上平坦的ρ-GaN層或體積元件3，且可使較短傳導路徑降到納米線I側壁，以降低圖2及3所示裝置的高串聯電阻。具體來說，連續P-GaN層或體積元件3經生長以使其接觸多個相應納米線核心2上的多個有源區4，且使體積元件3在相應納米線核心2上的有源區4之間含有開口或間隙空位。P-型電極8位于連續、實質上平坦的P-型層3上，以得到較低接觸電阻，且P-型電極8還向下延伸到間隙空位中，以提供較短傳導路徑及較低串聯電阻。
[0030]間隙空位可利用任何合適方法形成。例如，空位可根據核心2是如何相對于彼此放置而形成，其取決于絕緣層6中的開口中所暴露的緩沖層7或襯底5的晶格幾何結構。例如，如圖4A所示，在(0001)n-GaN緩沖層7或(lll)n-Si襯底5上生長納米線核心2產生在俯視時具有六邊形橫截面形狀的核心2。六邊形橫截面形狀優選為實質上規則的六邊形，也就是說六邊形的每個內角為約120度(由于可能的生長不規則性而±0-10度)。
[0031]當六邊形核心2定位于由三個核心組成的單位晶格中，位于假想等邊三角形“T”的頂點上，每個核心的頂點指向相鄰核心的兩個其它頂點時，則在核心2上形成有源區4及體積元件3之后，得到沒有間隙空位的嵌合蜂窩結構，如圖4A所示。對比之下，當核心相對于彼此而使頂點指向相鄰核心的少于兩個其它頂點時，則在核心2上形成有源區4及體積元件3之后，形成間隙空位9，如圖4B及4C所示。
[0032]例如，如圖4B所示，當核心2相對于圖4A所示核心2旋轉約30度，使得六邊形的每個頂點指向一個相鄰六邊形的一個頂點而非兩個時，則在核心2上形成有源區4及體積元件3之后，連續體積元件3中形成大三角形間隙空位9。在另一實例中，如圖4C所示，當核心2旋轉小于90度而大于60度，使得六邊形的每個頂點不指向相鄰六邊形的頂點時，核心2上形成有源區4及體積元件3之后，在連續體積元件3中形成小三角形間隙空位9。
[0033]基于六邊形III族氮化物的納米線(例如，GaN納米線)總是基于所述下伏層材料(例如Si (111)或GaN(OOOl))的晶體定向在同一刻面方向上生長。因此，六邊形核心2的特定刻面將總是相對于下伏層Si (001)襯底或GaN(0001)緩沖層的晶片平面以相同的角度定向。相對于圖4A的三角形T旋轉圖4B及4C的三角形T導致圖4B及4C的納米線核心2刻面相對于圖4A的納米線核心2刻面旋轉。核心刻面旋轉導致體積元件3在所述刻面形成圖4A的蜂窩圖案時聚結，或者在圖4B及4C中所述刻面不形成蜂窩圖案時具有空位
9。換句話說，與六邊形核心2每個頂點垂直的線在一點處橫切兩條垂直于兩個相鄰核心2的兩個最靠近的相應頂點的線，則形成圖4A的蜂窩圖案。對比之下，與六邊形核心2每個頂點垂直的線未在一點處橫切在兩條垂直于兩個相鄰核心2的兩個最靠近的相應頂點的線，則在圖4B及4C中不形成蜂窩圖案。因此，取決于三角形T相對于下伏材料的晶體定向的定向，體積元件將如圖4A所示聚結或如圖4B或4C所示含有空位9。
[0034]在替代性實施例中，空位9還可利用體積元件3生長后處理形成。在此實施例中，在聚結體積元件3上形成含有通過光刻術(例如光學光刻技術、電子束光刻技術、納米壓印光刻術等等)所形成開口的掩模(例如，光致抗蝕劑及/或硬掩模)。接著利用各向異性蝕刻來蝕刻體積元件3的暴露于掩模開口中的部分，以在體積元件中形成深孔(例如,空位
9)。體積元件3的蝕刻可在經沉積使得不含有空位9的體積元件(例如，如圖4A所示)上進行。或者，蝕刻可在經沉積具有狹窄空位9的體積元件3(例如，如圖4C所示)上進行，以拓寬空位9的寬度。在此情況中，掩模中的開口在蝕刻前先與空位9對準。掩模(例如，光致抗蝕劑)優選在蝕刻步驟后移除。
[0035]或者，通過以其它晶體定向在襯底上生長核心，核心2可具有如圖4D所示的正方形橫截面形狀(當俯視時)。有源區4 (例如，層或量子阱)將具有與下伏層核心2實質上相同的橫截面形狀(當俯視時)。當正方形核心2定位于四個核心的單位晶格中，位于假想正方形“S”的頂點上且每個核心的頂點指向三個相鄰核心的三個其它頂點時，則在核心2上形成有源區4及體積元件3之后，得到不具有間隙空位的嵌合正方形結構，如圖4D所示。對比之下，當所述核心相對于彼此旋轉，使得每個頂點指向少于3個相鄰頂點(包括指向非相鄰頂點)時，則在核心2上形成有源區4及體積元件3之后，形成間隙空位9，如圖4E及4F所示。
[0036]例如，如圖4E所示，當核心2旋轉約45度，使得正方形的每個頂點指向一個相鄰正方形的一個頂點時，則在核心2上形成有源區4及體積元件3之后，連續體積元件3中形成大的正方形間隙空位9。在另一實例中，如圖4F所示，當核心2旋轉，使得正方形的每個頂點不指向相鄰正方形的頂點時，則在核心2上形成有源區4及體積元件3之后，連續體積元件3中形成小的長方形間隙空位9。
[0037]圖5C說明在體積元件3上形成P-電極8之后，圖4B的納米線核心上聚結p_體積元件的示意性俯視圖。圖5A及5B分別為沿著納米線峰及側面，沿著圖5C中的線A及B的示意性側截面視圖。如圖5C所示，當俯視時，納米線核心2及有源區4具有六邊形橫截面形狀。具有連續體積元件3的裝置I形成圖5C所示的非嵌合或非拼接平面配置。此意味著連續P-型層或體積元件3并不填充納米線核心2與有源區4之間的所有空間，并形成朝向絕緣掩模層6的三角形間隙空位9。
[0038]具體來說，六邊形裝置I并不形成由全等規則六邊形或“蜂窩瓦”組成的規則嵌合結構，其中每一頂點匯聚三個六邊形。換句話說，六邊形的每一頂點或“角”并不與嵌合結構中兩個其它六邊形的角相接觸。如圖5A所示，當沿著六邊形核心2的尖峰，沿著線A觀看橫截面時，體積元件3填充核心2/有源區4到層6之間的全部空間。因此，體積元件(即，P-GaN層)3在多個核心2/有源區4之間是連續的。
[0039]然而，如圖5B所示，當沿著位于核心2的尖峰與邊緣之間的線B觀看橫截面時，體積元件3并不填充核心2/有源區4之間的全部空間。這樣沿著體積元件3中線B形成到層6的間隙空位9。間隙空位9由P-電極8所部分填充。與圖5A中沿著線A的p-電極8與核心2之間的電流路徑Cl相比，沿著線B的P-電極8與核心2之間的電流路徑C2更短。
[0040]因此，ρ-GaN層3具有圖5A所示的第一部分3A，其填充核心2之間的間隙空間。P-GaN層還具有圖5B所示的第二部分3B，其形成間隙空位9的側壁。p-電極8與圖5A中P-GaN層3的頂部接觸(而非未經暴露的第一部分3A)，并在空位9中與ρ-GaN層3的第二部分3B接觸。
[0041]在陣列中沿著某些橫截面線在體積元件3的側壁上具有接觸而其它橫截面線則無將縮短通過導電性差的P-GaN體積元件8的電阻傳導路徑，且將使得裝置可更均勻地將載流子注入位于核心側壁上的有源區4，并降低串聯電阻，此使LED性能更佳。P-電極8將在每一核心2/有源區4處與每一體積元件3的所有六個側壁接觸，這是因為存在六個與每一六邊形相鄰的空位9 (每一六邊形邊存在一個空位)，如圖5C所示。
[0042]在替代性實施例中，P-電極8填充每一全部間隙空位9。除P-電極8填充全部間隙空位9外，圖6A-6C與圖5A-5C相同，如圖6B所示。電極8的電流散布由圖6B的箭頭顯示。此在所述裝置的頂部形成完全連接的平坦P-電極8。通過沉積足夠厚的電極8，空位9被完全填充，形成完全連接的平坦接觸或電極層8，以改善電流散布。此如圖6B所示完全填充空位9的電極8層可通過非定向沉積法來沉積(例如，通過原子層沉積所沉積的ZnO)，而如圖5B所示不完全填充空位9的電極8層可通過定向沉積法來沉積(例如，通過濺鍍所沉積的ITO或Ag)。如果需要，那么電極8可通過非定向及定向沉積法的組合來沉積(例如，以使電極8含有通過定向沉積法所沉積的第一子層及通過非定向沉積法所沉積的第二子層)。
[0043]在另一實施例中，可如圖7A及7B所示在空位9中形成呈空中橋接配置的電極8。如本文所用，術語“空中橋接電極”是指在相鄰個別裝置之間延伸以在相鄰裝置之間留出空白空間的電極結構。空白空間優選被相鄰裝置(例如，與多個有源區4接觸的連續體積元件3)從側面包圍，空中橋接電極8處于“頂部”，而裝置的支撐物處于“底部”，其中術語頂部及底部取決于裝置的定位方式而是相對的。空中橋接電極覆蓋體積元件8頂端及空位9，從而在電極8下方、納米線支撐層(例如，襯底5、緩沖層7、絕緣掩模層6等等)與電極8之間形成空白空間10。空中橋接電極可通過提供填充空位9底部的犧牲材料，在空位9頂部形成電極8，然后移除犧牲材料以在空位9底部留出空白空間10來形成，如6/17/2011所申請并以全文引用的方式并入本文中的美國申請案序號13/163，280所教授。
[0044]個別裝置之間的空位9不僅可獲得經改善的電接觸，而且可提供增加光提取的光子晶體效應。光子晶體配置包括(但不限于)向橫向發射提供能帶隙或減少橫向發射的二維六邊形、三角形、蜂窩形或正方形。通過計算納米線核心2間距的1/2可得到光子晶格常數。能帶隙對應波長通常處在晶格間距數量級或比其低，其在可見光范圍中是有利的。
[0045]雖然圖5A到5C及6A到6C說明圖4B結構中電極8的形成，但應了解，在圖4C、4E及4F結構中通過形成電極8將形成類似結構。雖然本文將核心的第一導電型描述為n-型半導體核心，且本文將第二導電型體積元件描述為ρ-型半導體層，但應了解，可顛倒其導電型。P-型半導體層3可包含除p-GaN之外的半導體材料，例如ρ-型InGaN、AlGaN,AlInGaN 等等。
[0046]在本發明的另一方面，通過使所述結構平坦化，所述裝置適于克服電流散布差的問題并提升光提取效率，平坦化可通過生長連續P-型層，使得納米線體積元件的頂部表面聚結成連續層，此連續層形成的同時，在所述連續層中包括插入納米線體積元件的空位或孔。這樣產生平面狀表面，其中可沉積常規的接觸，且同時半導體裝置內的折射率將產生光散射變化，從而增加由所述半導體裝置所提取光的量。如本文所用，平面狀表面在有源LED區的兩根納米線之間具有高度差異，最低點與最高點差異為50%或更少，例如0-25%，例如5-10%。包含空位的連續ρ-型層可如納米線體積元件一樣通過合適方法(例如，M0CVD)形成。
[0047]在一個實施例中，在η-型核心周圍形成多個P-型層，所述P-型層中的至少一者聚結，且在此聚結層中形成空位。接著在聚結P-型層頂部形成電極層，且所述電極優選不進入所述空位中。
[0048]圖8及9說明納米線半導體裝置的實施例的兩個示意性橫截面圖，所述裝置包含插入納米線體積元件的空位。在圖8中，用以形成第二導電型半導體的第二層的處理條件經選擇以使得半導體材料在靠近最遠離支撐物的納米線末端的生長速率最快。在圖8a中，說明在第二導電型半導體的第二層的沉積處理進行到一部分時的兩根納米線的橫截面。在此實施例中，如圖8a所描繪，所述裝置包含納米線核心及有源區12、第二導電型半導體的第一連續層14及第二導電型半導體的第二層16。在圖Sb中，說明在制造過程后期，沉積處理已提供足夠材料，使得半導體裝置的頂部表面(例如，層16的頂部)連續，且多個空位9插入納米線體積元件之后的兩根納米線的橫截面。
[0049]在圖9所描繪的另一實施例中，處理條件經選擇以使得第二導電型半導體材料在最遠離及最靠近支撐物的納米線末端的生長速率快于靠近納米線中部。在圖9a中，說明在第二導電層的沉積處理進行到一部分時的兩根納米線的橫截面。在此實施例中，如圖9b所描繪，所述裝置包含納米線核心及有源區12、第二導電型半導體的第一連續層14及第二導電型半導體的第二層16。在圖9b中，說明在制造過程后期，沉積處理已提供足夠材料，使得半導體裝置的頂部表面(例如，層16的頂部)連續，且多個空位9插入納米線體積元件之后的兩根納米線的橫截面。
[0050]如圖8b及9b所示，第二導電型的第二連續層16的外延生長完全包覆間隙空位9，使得空位9的頂部及側面完全被層16包覆。在圖8b中，空位9延伸到空位9底部上的下伏層(例如，掩模層6或另一層)。因此，在圖Sb中，空位9的底部被此下伏層所包覆。對比之下,在圖9b中，空位9的頂部、底部及側面完全由層16所包覆。因此，如圖8b及％所示，當電極層8沉積于P-型半導體層16上時，電極層8并不延伸到被完全包覆的間隙空位9中。
[0051 ] 在優選實施例中，納米線核心12包含η-型GaN，第二導電型半導體的連續層14包含P-型AlGaN，且第二導電型半導體的第二層16 ( 即，具有空位9的層)包含p-型GaN。
[0052]在一個實施例中，用于形成圖8及9所示裝置的方法包含，當使用MOCVD作為生長方法時，在優選條件下形成第二導電型的第二層16，且半導體材料為GaN。在現有技術中，其中沒有空位或孔插入納米線體積元件，第二導電型半導體的層典型地在包含H2的周圍氣體中，在900°C或更高的溫度下形成。在本發明的此實施例中，包含空位或孔的第二導電型的第二層優選在包含H2或H2及N2或隊的周圍氣體下，在900°C或更低的較低溫度下形成。就其它半導體材料(例如InGaN或AlGaN)來說，空位可通過其它合適生長條件形成。在又另一實施例中，層16為經摻雜半導體層，且第二層的摻雜劑(例如在GaN的情況中的Mg)可用以形成空位或孔。
[0053]本發明實施例的納米線LED結構適于頂部發射，即經由P-電極發光，或底部發射，即經由支撐層發光(也就是說經由導電層及/或緩沖層及/或襯底)。電極接觸可如6/17/2011所申請并以全文引用的方式并入本文中的美國申請案序號13/163，280所述一樣形成。如本文所用，術語發光包括可見光(例如，藍光或紫光)以及UV或IR輻射。
[0054]就頂部發射裝置來說，P-電極8需為透明的(也就是說其應傳遞由LED所發射的大部分光)。氧化錫銦(Ι--)為P-電極、尤其頂部發射納米線LED的合適材料。ITO優選具有150-900nm的厚度，更優選250_650nm，最優選約500nm。頂部發射裝置上p_電極的其它合適材料為ZnO、經摻雜的ZnO及其它透明導電氧化物(TCO)。此材料的重要參數為透明度佳、導電性佳，且可與體積元件形成低電阻接觸。還需高熱導性，以及匹配折射率(取決于配置)。在頂部發射納米結構LED的一個實施例中，襯底具有反射構件(例如，反射鏡)，其優選在納米線LED下平面延伸。η-電極可形成于圖1C所示n-Si襯底5的底部上。
[0055]就底部發射LED來說，P-電極8優選具反射性，且包含Ag、Al等等。p-電極可包含一或多個沉積于P-電極上的額外層，以改善反射及/或傳導性質(例如，電極8可包括具有上覆反射鏡面層(例如Ag層)的透明金屬氧化物，例如ZnO或ΙΤ0)。形成取決于LED裝置的定向而與η-襯底5或η-緩沖層7接觸的獨立η-電極層，例如Ti及/或Al。此配置的附加優勢在于，與側壁接觸相比，電極柱所引起的吸收有所降低。
[0056]雖然本發明針對納米線LED的接觸加以描述，但應了解，其它基于納米線的半導體裝置(例如場效晶體管、二極管及尤其涉及光吸收或發光的裝置，例如光檢測器、太陽能電池、激光器等)可以相同方式接觸，且特定來說，可對任何納米線結構實施橋接布置。
[0057]關于頂部、底部、基底、側面等的所有引述僅為便于理解，而不應視為限于特定定向。此外，圖中結構的尺寸未必按比例繪制。
[0058]雖然本發明已結合目前被認為是最實用及優選的實施例而描述，但應了解，本發明并不限于所揭示實施例，相反地，其希望涵蓋所附權利要求書范圍內的各種修改及等效布置。
【權利要求】
1.一種半導體裝置，其包含: 多個位于支撐物上的第一導電型半導體納米線核心； 在所述核心之上及周圍延伸的連續第二導電型半導體層； 多個位于所述第二導電型半導體層中并在所述核心之間延伸的間隙空位；及 與所述第二導電型半導體層接觸的第一電極層。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一電極延伸到所述間隙空位中。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中所述裝置包含發光二極管LED裝置。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中所述第二導電型半導體層與所述核心直接物理接觸，以在每一核心處形成發光p-n結。
5.根據權利要求4所述的裝置，其進一步包含在每一納米線核心周圍的有源區外殼。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述有源區外殼包含至少一個量子阱，且所述第二導電型半導體層與所述至少一個量子阱直接物理接觸，以在每一由所述至少一個量子阱外殼所包圍的納米線核心處形成發光p-1-n結。
7.根據權利要 求6所述的裝置，其中所述第一導電型包含η-型，所述第二導電型包含P-型，且所述第一電極層包含P-電極層。
8.根據權利要求6所述的裝置，其進一步包含與所述η-型納米線核心電連接的第二電極層。
9.根據權利要求7所述的裝置，其中所述支撐物包含襯底上的η-型半導體緩沖層。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中所述襯底包含n-Si或藍寶石襯底，所述緩沖層包含n-GaN或n_AlGaN層，所述核心包含從所述緩沖層的經由所述緩沖層上的絕緣掩模層中的開口暴露的表面部分外延延伸的n-GaN納米線，所述至少一個量子阱包含InGaN量子阱，且所述第二導電型半導體層包含P-GaN層。
11.根據權利要求3所述的裝置，其中所述支撐物包含半導體襯底。
12.根據權利要求3所述的裝置，其中所述第一電極層是透明的。
13.根據權利要求3所述的裝置，其中所述核心包含從所述支撐物的經由位于所述支撐物上的絕緣掩模層中的開口暴露的半導體表面部分外延延伸的半導體納米線。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述核心經定位使得當所述第二導電型半導體層在所述核心周圍延伸時提供非嵌合配置，以形成所述間隙空位。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中所述核心具有實質上六邊形橫截面形狀，且所述六邊形橫截面形狀的每個頂點指向相鄰核心的少于兩個頂點，以在所述第二導電型半導體層中形成三角形間隙空位。
16.根據權利要求14所述的裝置，其中所述核心具有實質上正方形橫截面形狀，且所述正方形橫截面形狀的每個頂點指向相鄰核心的少于三個頂點，以在所述第二導電型半導體層中形成正方形或長方形間隙空位。
17.根據權利要求14所述的裝置，其中所述第二導電型半導體層是實質上平面的。
18.根據權利要求14所述的裝置，其進一步包含至少一個有源量子阱外殼，所述有源量子阱外殼位于所述核心周圍，并由所述第二導電型半導體層的填充所述核心間的間隙空間的第一部分所包圍，或者由所述第二導電型半導體層的形成所述間隙空位的側壁的第二部分所包圍。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中所述第一電極層部分或完全填充所述間隙空位，以與所述第二導電型半導體層的所述第二部分接觸。
20.根據權利要求19所述的裝置，其中所述第一電極層部分填充所述間隙空位，以便形成空中橋接電極配置。
21.根據權利要求1所述的裝置，其中: 所述連續第二導電型半導體層包含所述第二導電型半導體的第二連續層； 所述第二導電型半導體的第一連續層在所述核心之上及周圍延伸； 所述第二導電型半導體的所述第二連續層在第二導電型半導體的所述第一連續層之上及周圍延伸，且第二導電型半導體的所述第二連續層包含所述多個插入所述核心的間隙空位；且 與所述第二導電型半導體的所述第二連續層接觸的所述第一電極層并不延伸到所述間隙空位內。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中所述裝置包含發光二極管LED裝置。
23.根據權利要求22所述的裝置，其中所述第二導電型半導體的所述第一連續層與所述核心接觸，以在所述核心處形成發光p-n結。
24.根據權利要求22所述的裝置，其進一步包含在每一納米線核心周圍的有源區外殼。
25.根據權利要求24所述的裝置，其中所述有源區外殼包含至少一個量子阱，且第二導電型半導體的所述第一連續層與所述至少一個量子阱接觸，以在每一由所述至少一個量子阱外殼所包圍的納米線核心處形成發光P-n結。
26.根據權利要求25所述的裝置，其中所述第一導電型包含η-型，所述第二導電型包含P-型，且所述第一電極層包含P-電極層。
27.根據權利要求26所述的裝置，其進一步包含與所述η-型納米線核心電連接的第二電極層。
28.根據權利要求26所述的裝置，其中所述支撐物包含襯底上的η-型半導體緩沖層。
29.根據權利要求28所述的裝置，其中所述襯底包含n-Si或藍寶石襯底，所述緩沖層包含n-GaN或n_AlGaN層，所述核心包含從所述緩沖層的經由所述緩沖層上的絕緣掩模層中的開口暴露的表面部分外延延伸的n-GaN納米線，所述至少一個量子阱包含InGaN量子阱，且第二導電型半導體的所述第二連續層包含P-GaN層。
30.根據權利要求22所述的裝置，其中所述支撐物包含半導體襯底。
31.根據權利要求22所述的裝置，其中所述第一電極層是透明的。
32.根據權利要求22所述的裝置，其中所述核心包含從所述支撐物的經由位于所述支撐物上的絕緣掩模層中的開口暴露的半導體表面部分外延延伸的半導體納米線。
33.根據權利要求22所述的裝置，其中所述第二導電型半導體的所述第二層的頂部是實質上平面的。
34.根據權利要求22所述的裝置，其中所述間隙空位由所述第二導電型的所述第二連續層在頂部及側面且由下伏層在底部完全封閉。
35.根據權利要求22所述的裝置，其中所述間隙空位由所述所述第二導電型的第二連續層在頂部、底部及側面完全封閉。
36.一種制造半導體裝置的方法，其包含: 從支撐物的經由所述支撐物上的絕緣掩模層中的開口暴露的半導體表面部分外延生長多個第一導電型半導體納米線核心； 在所述核心上形成半導體有源區外殼； 生長在所述核心及所述外殼之上及周圍延伸的連續第二導電型半導體層，以便在生長步驟期間在所述第二導電型半導體層中形成多個在所述核心之間延伸的間隙空位；及 形成與所述第二導電型半導體層接觸并延伸到所述間隙空位中的第一電極層。
37.根據權利要求36所述的方法，其中所述裝置包含發光二極管LED裝置，所述第一導電型包含η-型，所述第二導電型包含P-型，且所述第一電極層包含P-電極層。
38.根據權利要求37所述的方法,其進一步包含與所述η-型納米線核心電連接的第二電極層。
39.根據權利要求37所述的方法，其中所述支撐物包含襯底上的η-型半導體緩沖層，所述襯底包含n-Si或藍寶石襯底,所述緩沖層包含n-GaN或n_AlGaN層，所述核心包含n-GaN納米線，所述至少一個量子阱包含InGaN量子阱，且所述第二導電型半導體層包含P-GaN 層。
40.根據權利要求37所述的方法，其中所述核心經定位使得當生長所述第二導電型半導體層時提供非嵌合配置，以在生長期間形成所述間隙空位。
41.一種制造半導體裝置的方法，其包含: 從支撐物的經由所述支撐物上的絕緣掩模層中的開口暴露的半導體表面部分外延生長多個第一導電型半導體納米線核心； 在所述核心上形成半導體有源區外殼； 外延生長第二導電型半導體的在所述核心及所述外殼之上及周圍延伸的第一連續層； 外延生長所述第二導電型半導體的第二連續層，其中所述第二導電型半導體的所述第二連續層在第二導電型半導體的所述第一連續層上生長，且包含多個插入所述核心的空位；及 形成與所述第二導電型的所述第二層接觸的第一電極層。
42.根據權利要求41所述的方法，其中所述裝置包含發光二極管LED裝置，所述第一導電型包含η-型，所述第二導電型包含P-型，且所述第一電極層包含P-電極層。
43.根據權利要求42所述的方法，其進一步包含與所述η-型納米線核心電連接的第二電極層。
44.根據權利要求42所述的方法，其中所述支撐物包含襯底上的η-型半導體緩沖層，所述襯底包含n-Si或藍寶石襯底,所述緩沖層包含n-GaN或n_AlGaN層，所述核心包含n-GaN納米線，所述至少一個 量子阱包含InGaN量子阱，且所述第二導電型半導體層包含P-GaN 層。
45.根據權利要求41所述的方法，其中: 外延生長所述第二導電型的所述第二連續層完全封閉所述間隙空位，使得所述空位由所述第二導電型的所述第二連續層在頂部及側面且由所述第二導電型的所述第二連續層或下伏層在底部完全封閉；且形成所述第一電極層包含將所述第一電極層沉積在所述第二導電型的所述第二連續層上，使得所述第一電極層并不延伸到所述經完全封閉的間隙空位內。
46.根據權 利要求41所述的方法，其中所述第二導電型半導體的所述第二連續層在比所述第二導電型半導體的所述第一連續層更低的溫度下外延生長。
【文檔編號】H01L33/22GK103931004SQ201280055624
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2011年9月26日
【發明者】帕特里克·斯文森, 琳達·羅馬諾, 李圣秀, 歐嘉·克萊里奧克, 張英蘭 申請人:Glo公司