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CN103098237A - 纳米线发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents

纳米线发光二极管结构及其制造方法 Download PDF

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CN103098237A CN2011800300903A CN201180030090A CN103098237A CN 103098237 A CN103098237 A CN 103098237A CN 2011800300903 A CN2011800300903 A CN 2011800300903A CN 201180030090 A CN201180030090 A CN 201180030090A CN 103098237 A CN103098237 A CN 103098237A
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Abstract

本发明提供一种纳米线发光二极管LED结构，其包括并排布置于支撑层上的多个装置。每一装置包括第一导电型半导体纳米线核心及进行包封的第二导电型半导体外壳以用于形成pn或pin结，所述pn或pin结在操作中提供用于光产生的作用区。第一电极层在所述多个装置上方延伸且与所述装置的至少一个顶部部分电接触以连接到所述外壳。所述第一电极层至少部分地空气桥接于所述装置之间。

Description

纳米线发光二极管结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及纳米线发光二极管结构，尤其涉及纳米线发光装置阵列，且尤其涉及其接触。
背景技术
发光二极管(LED)越来越多地用于照明，但为了获得真正突破，仍存在一些技术挑战有待克服，尤其就大规模处理来说。
近年来，对纳米线技术的兴趣已不断增加。与用常规平面技术生产的LED相比，纳米线LED提供唯一性质(归因于纳米线的一维特性)、改进的材料组合的灵活性(归因于较少的晶格匹配限制)及在较大衬底上进行处理的机会。用于生长半导体纳米线的合适方法为此项技术中已知的，且一项基本工艺是通过粒子辅助式生长或所谓的VLS(气体-液体-固体)机制在半导体衬底上形成纳米线，所述工艺揭示于(例如)US 7,335,908中。可通过使用化学束外延(CBE)法、金属有机化学气相沉积(MOCVD)法、金属有机气相外延(MOVPE)法、分子束外延(MBE)法、激光烧蚀法及热蒸镀法来实现粒子辅助式生长。然而，纳米线生长不限于VLS工艺，例如，WO 2007/102781展示了半导体纳米线可生长于半导体衬底上而不将粒子用作催化剂。此领域中的一个重要突破为用于在Si衬底上生长III-V族半导体纳米线等的方法已被验证，此突破很重要，因为其提供与现存Si处理的兼容性且可由较廉价的Si衬底替换高价的III-V衬底。
底部发射纳米线LED的一个实例经展示于WO 2010/14032中。此纳米线LED包含生长于衬底的缓冲层(例如，Si衬底上的GaN缓冲层)上的半导体纳米线阵列。每一纳米线包含包封于p型外壳中的n型纳米线核心以及p电极，其中作用层形成于n型区与p型区之间，所述n型区与p型区形成pn或pin结。缓冲层具有作为用于纳米线生长的模板以及用作连接到n型纳米线核心的电流传输层的功能。此外，缓冲层为透明的，因为产生于作用区域中的光被发射穿过所述缓冲层。
尽管具有有利性质及性能，但关于纳米线LED的接触的处理与平面技术相比需要新的途径。因为纳米线LED包含大的纳米线阵列，进而形成具有高纵横比结构的三维表面，所以使用视线工艺沉积接触材料是具挑战性的操作。
发明内容
鉴于前述内容，本发明的实施例的一个目标为提供改进的纳米线LED及用于其接触的新途径。
由根据独立权利要求项的一种半导体装置及一种用于形成半导体装置的方法来实现此目标。
根据本发明的实施例的一种纳米线发光二极管(LED)结构包含并排布置的纳米线。每一纳米线包含第一导电型(例如，n型)纳米线核心及进行包封的第二导电型(例如，p型)外壳以用于形成pn或pin结，所述结在操作中提供用于光产生的作用区。尽管所述第一导电型的核心在本文中经描述为n型半导体核心且所述第二导电型的外壳在本文中经描述为p型半导体外壳，但应理解其导电型可颠倒。p电极层在多个纳米线上方延伸且与所述纳米元件的至少一个顶部部分电接触以连接到所述p型外壳。所述p电极层至少部分地空中桥接于所述纳米线之间。
传统上，平面LED包含呈夹层结构的功能层。在其最简单的形式中，平面LED包含至少三个功能层：p掺杂层、作用区及n掺杂层。功能层还可包括阱、势垒、本征及渐变层(例如，作为所述作用区的部分)。本发明的实施例中所描述的LED阵列由于所述功能层中的至少一者与阵列中的周围LED电分离而与众不同。另一显著特征为利用功能层的一个以上琢面及非平面性作为发射层。
尽管本文所描述的制造方法优选地利用纳米线核心以在所述核心上生长半导体外壳层从而形成核心-外壳纳米线，如在例如塞弗特(Seifert)等人的第7,829,443号美国专利中所描述，所述专利以引用的方式并入本文中以用于纳米线制造方法的教示，但应注意本发明不限于此。举例来说，如下文将描述，在替代性实施例中，仅核心可构成纳米结构(例如，纳米线)，而外壳可任选地具有大于典型纳米线外壳的尺寸。此外，所述装置可经成形以包括许多琢面，且可控制不同类型的琢面之间的面积比。这在图中由“金字塔”琢面及垂直侧壁琢面示范。LED可经制造以使得发射层形成于具有主要金字塔琢面或侧壁琢面的模板上。独立于所述发射层的形状，接触层同样如此。
顺序(例如，外壳)层的使用使得最终个别装置(例如，pn或pin装置)可具有大概在金字塔形(即，顶部或尖端较窄且基部较宽)与柱形(例如，尖端及基部宽度大约相同)之间的具有垂直于所述装置的长轴的圆形或六边形或其它多边形横截面的形状。因此，具有完成的外壳的所述个别装置可具有各种大小。举例来说，所述大小可改变，其中基部宽度的范围为从100nm到数(例如，5)μm(例如，100nm到1微米以下)，且高度的范围为从几百nm到数(例如，10)μm。
根据本发明的实施例的一种制造纳米线LED结构的方法包含以下步骤：
-提供包含第二导电型(例如，p型)区及第一导电型(例如，n型)区的半导体纳米线阵列，所述n型区延伸到所述纳米线的基部；
-沉积牺牲层，所述牺牲层完全地覆盖非作用区域中的纳米线且部分地覆盖LED区域中的纳米线，从而使所述LED区域中的所述纳米线的顶部部分暴露；
-在所述暴露的顶部部分上沉积p电极；及
-移除所述牺牲层以获得空中桥接p电极。
在现有技术的方法中，通过使用溅镀或蒸镀技术沉积基本上覆盖所述纳米线的整个表面及所述纳米线之间的中间表面的接触层来接触纳米线LED阵列。归因于高纵横比及常常较小的纳米线间隔，这些视线工艺导致非等形覆盖。明确地说，存在接触层变得不连续的风险及所述中间表面(例如，暴露于垂直纳米线之间的水平表面)上的接触层变得过薄的风险。在操作中，这将分别导致失去一些纳米线的效果及所述装置中的不良电流散布。通过使用根据本发明的实施例的空中桥接p电极，不连续性的风险得以降低或消除，且归因于所述p电极及沉积于所述p电极上的任选额外层的均一厚度，横向电流散布得以改进。
用于顶部发射纳米线LED的空中桥p触点或电极的一个优点为厚接触层可直接接触所述纳米线LED的顶部部分。对于顶部发射纳米线LED来说，使用透明p接触层。在无空中桥的情况下，必须使纳米线顶部部分处的p电极层厚得多，此情况增加吸收。
用于底部发射纳米线LED的空中桥p触点或电极的一个优点为反射性p接触层仅布置于纳米线的顶部部分而非布置于整个圆周纳米线区域。在整个圆周区域上向下延伸的反射层将由于全内反射而引起极大损耗。
因此，本发明的实施例使得可能获得就内部导电性、光产生及从纳米线LED射出的光的耦合来说有效率的纳米线LED。
本发明的实施例经定义于附属权利要求项中。当结合附图及权利要求书考虑时，本发明的其它目标、优点及新颖特征将从本发明的以下详细描述变得显而易见。
附图说明
现将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1示意性地说明根据本发明的实施例的纳米线LED的基底的侧视横截面图，
图2示意性地说明根据本发明的实施例的缓冲层上的纳米线LED结构的侧视横截面图，
图3a到3b示意性地说明根据本发明的实施例的空中桥接p电极的侧视横截面图，
图4a到4h示意性地说明根据本发明的一个实施例的方法的第一实施方案的侧视横截面图，
图4i到4s示意性地说明根据本发明的另一实施例的方法的第二实施方案的侧视横截面图，
图5展示根据本发明的实施例的空中桥接p电极的两个扫描电子显微镜图像，
图6a到6i示意性地说明根据本发明的另一实施例的方法的第三实施方案的侧视横截面图，
图7展示根据第三实施方案实例制造的纳米线LED结构的扫描电子显微镜图像，
图8示意性地说明根据本发明的替代实施例的包含轴向pn结及空中桥接p电极的纳米线LED结构阵列的侧视横截面图，
图9说明根据本发明的另一实施例的装置的侧视横截面图，
图10展示用适宜的触点安装于子底座上的图9的实施例的装置的侧视图，
图11说明根据本发明的又一实施例的装置的侧视横截面图；及
图12展示用适宜的触点安装于子底座上的图11的实施例的装置的侧视图。
具体实施方式
如本文所使用，术语“空中桥接电极”用以意指在邻近的个别装置之间延伸以在所述邻近装置之间留下空白空间的电极结构。所述空白空间优选由在侧面的所述邻近装置、在“顶部”的所述空中桥接电极及在“底部”的装置的支撑物围绕，其中术语顶部及底部是依据定位所述装置的方式相对来说的。举例来说，在每一个别装置为径向核心-外壳纳米线的一个实施例中，所述空中桥接电极覆盖纳米线尖端及所述纳米线之间的空间，使得在纳米线支撑层(例如，衬底、缓冲层、反射或透明导电层、绝缘掩模层等)与所述电极之间在所述电极下方存在空白空间。
在纳米技术中，纳米线常常被解释为具有纳米尺度或纳米尺寸的横向大小(例如，圆柱纳米线的直径或金字塔形或六边形纳米线的宽度)的纳米结构，而不约束其纵向大小。这些纳米结构通常还被称为纳米须、一维纳米元件、纳米柱、纳米管等。一般来说，具有多边形横截面的纳米线被认为具有至少两个尺寸，其每一者均不大于300nm。然而，纳米线可具有高达大约1μm的直径或宽度。纳米线的一维特性提供唯一的物理、光学及电子性质。这些性质可(例如)用以形成利用量子力学效应(例如，使用量子线)的装置，或用以形成由通常归因于大晶格失配而无法组合的组成上不同的材料组成的异质结构。如术语纳米线所暗示，一维特性常常与细长形状相关联。换句话说，“一维”指代宽度或直径小于1微米且长度大于1微米。由于纳米线可具有各种横截面形状，所以直径既定指代有效直径。有效直径意指结构的横截面的长轴与短轴的平均值。
图1示意性地说明根据本发明的实施例的纳米线LED结构的基底。原则上，单个纳米线足以形成纳米线LED，但归因于小的大小，纳米线优选并排布置于包含数千个纳米线的阵列(即，纳米装置或装置)中以形成LED结构。出于说明性目的，本文将把个别纳米线LED装置描述为由具有n型纳米线核心2及至少部分地包封所述纳米线核心2的p型外壳3及中间作用层4的纳米线1组成。然而，为了本发明的实施例起见，纳米线LED不限于此。举例来说，纳米线核心2、作用层4及p型外壳3可由许多层或区段组成。如上文所描述，在替代实施例中，仅核心2可通过具有1微米以下的宽度或直径而包含纳米结构或纳米线，而外壳3可具有1微米以上的宽度或直径。为了充当LED，每一纳米线1的n侧与p侧必须被接触。
通过在生长衬底5上生长纳米线1，同时任选地使用生长掩模6(例如，氮化物层，例如氮化硅电介质掩蔽层)以界定纳米线1的位置且确定纳米线1的底部界面面积，衬底5至少在处理期间充当从所述衬底5突出的纳米线1的载体。纳米线的底部界面面积包含在掩蔽层6中的每一开口内的核心2的面积。衬底5可包含不同材料，例如III-V或II-VI半导体、Si、Ge、Al2O3、SiC、石英、玻璃等，如在瑞典专利申请案SE 1050700-2(转让给GLO AB)中论述，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。在一个实施例中，直接在生长衬底5上生长纳米线1。
优选地，衬底5还适于充当连接到每一纳米线1的n侧的电流传输层。这可通过具有衬底5来实现，所述衬底5包含布置于衬底5的面向纳米线1的表面上的缓冲层7(如图2中所展示)，例如，Si衬底5上的III族氮化物层，例如GaN及/或AlGaN缓冲层7。缓冲层7通常匹配于所要纳米线材料，且因此在制造过程中充当生长模板。对于n型核心2来说，缓冲层7优选还为掺杂n型。缓冲层7可包含单一层(例如，GaN)、若干子层(例如，GaN及AlGaN)或从高Al含量的AlGaN渐变到较低Al含量的AlGaN或GaN的渐变层。纳米线可包含任何半导体材料，但对于纳米线LED来说，III-V半导体(例如III族氮化物半导体(例如，GaN、AlInGaN、AlGaN及InGaN等)或其它半导体(例如，InP、GaAs))通常为优选的。应注意，纳米线1可包含若干不同材料(例如，GaN核心、InGaN作用层及具有与作用层不同的In对Ga比率的InGaN外壳)。一般来说，衬底5及/或缓冲层7在本文中称为纳米线的支撑物或支撑层。如将关于图9到12更详细描述的，替代衬底5及/或缓冲层7或除衬底5及/或缓冲层7以外，还可使用导电层(例如，镜或透明触点)作为支撑物。因此，术语“支撑层”或“支撑物”可包括这些元件中的任何一者或一者以上。
因此，缓冲层7提供用于接触纳米线1的n侧的构件。在现有技术的纳米线LED中，每一纳米线1的p侧的接触通常是通过沉积包含导电层(其包封每一纳米线1的p型外壳3且延伸到衬底或缓冲层上的绝缘层)的p电极来实现。导电层在此绝缘层上延伸到邻近纳米线。然而，由于纳米线LED的纳米线为密集间隔的且具有高纵横比以便获得高发光，所以p电极沉积为具挑战性的操作。通常，将视线工艺(例如，溅镀或蒸镀)用于电极沉积。归因于侧线沉积，观测到在纳米线的尖端上的优先生长及荫蔽效应，其导致p电极的渐细，其中向着纳米线1的底部，p电极厚度减小。因此，为了获得有效率的横向电流散布，p电极的厚度在纳米线的尖端将变得不必要地厚而在纳米线之间不够厚。荫蔽效应还可严重到使得p电极中存在不连续性。
根据本发明的实施例的p电极8至少部分地空中桥接于邻近纳米线1之间。图3a示意性地说明覆盖一群组纳米线1的p电极8。如上文所说明，如果纳米线1的外壳3为n型，则电极8将为n电极。然而，为了易于描述，本文中将电极8称为p电极。p电极8自由悬挂于邻近纳米线1之间且仅由纳米线1支撑。p电极8包封每一纳米线1的顶部部分且进而接触纳米线LED结构的p侧。p电极可沿周边纳米线的侧面向下延伸，(例如)以便提供到布置于衬底5上的衬垫的连接(如将在下文中更详细描述且如图3a的右及左边缘上所展示)。
不同额外层可沉积于p电极上。举例来说，改进电导率或出自/进入纳米线的光的耦合的层可沉积于纳米线上。
本发明的实施例的纳米线LED结构适于用于顶部发射(即，经由p电极的光发射)或适于用于底部发射(即，经由支撑层的光发射(即，经由导电层及/或缓冲层及/或衬底))。对于这两种情况来说，对p电极的要求不同。如本文中所使用，术语光发射包括可见光(例如，蓝色或紫色光)以及UV或IR辐射。
对于顶部发射装置来说，p电极需要为透明的(即，其应透射由LED发射的大多数光)。氧化铟锡(ITO)为用于p电极的合适材料，尤其适用于顶部发射纳米线LED。ITO优选具有150到900nm的厚度，更优选为250到650nm，最优选为大约500nm。ITO还已广泛地用于平面组件，其中LED装置是通过逐层技术形成。在这些组件中，ITO层的厚度优选为大约150nm，因为此厚度足以获得可接受的电流散布。增加厚度的一个缺点为ITO具有比较高的光吸收。因此，保持ITO的厚度尽可能低。保持ITO厚度较低的另一原因是ITO在太厚(即，大于150nm)的情况下不能容易地被湿式蚀刻。意外的是，根据本发明的实施例的p电极的最佳ITO厚度为高的。这可用以下事实来解释：纳米线LED的效率是由在良好光耦合(即，比较厚的ITO)与低吸收(即，比较薄的ITO)之间的取舍来确定的。ITO还可与其它材料的层组合以获得特定性质。举例来说，可通过具有覆盖有氧化硅层的150nm ITO来获得与具有500nm ITO时类似的性质。厚p电极(优选厚度均一)还将有助于有效率的热耗散。
用于顶部发射装置上的p电极的其它合适材料为ZnO、掺杂ZnO及其它透明导电氧化物(TCO)。此材料的重要参数为良好透明度、电导率及产生到外壳的低电阻接触的能力。还需要高热导率，以及匹配的折射率(取决于配置)。
在顶部发射纳米结构LED的一个实施例中，衬底具备反射构件(例如，镜)，所述反射构件优选在纳米线LED下的平面中延伸。
对于底部发射LED来说，p电极优选为反射性的。如在以下实例中所展示，p电极可包含沉积于p电极上的一个或一个以上额外层以用于改进反射及/或导电性质。
图3b示意性地说明根据本发明的实施例的纳米线LED结构的一个实施例。原则上，其与图3a中所展示的结构相同，但p电极包含包封p型外壳3的比较薄的导电层8′及经布置于所述薄导电层8′上的比较厚的空中桥接导电层8″。薄导电层8响着纳米线1的基部向下延伸，比厚导电层8″长。可(例如)在p型外壳上使用原子层沉积来沉积薄导电层8′或作为外延层来生长薄导电层8′。层8′在邻近纳米线之间可为不连续的且可仅覆盖纳米线而不覆盖所述纳米线之间的掩蔽层6或缓冲层7。通过此布置，薄导电层8′可用以获得到p型外壳3的最佳界面，且厚导电层8″可针对电流散布及/或光耦合及/或反射进行优化。因此，仅层8″可用以形成空中桥。
在替代实施例中，除了掩模层6以外，纳米线之间的空间还可用电介质(即，绝缘)材料(例如，氧化硅)完全或部分地填充。对于部分填充的空间，空中桥下方的气隙大小减小。对于完全填充的空间，不再存在空中桥。因此，对于下文关于纳米线的接触方案所描述的实施例来说，应理解可在空中桥接配置中或在非空中桥接配置中接触纳米线。
在下文中，参看图4a到4h描述用于形成顶部发射纳米线LED结构的方法的第一实施方案。在此实施例中，同一导电层经图案化以形成p电极层及n电极层两者。在此实施方案中，用于连接到装置的n侧及p侧的衬垫形成于邻近形成纳米线LED的纳米线的衬垫区域中。然而，本发明不限于此配置。
图4a展示从缓冲层7经由生长掩蔽层6生长的纳米线1的阵列。纳米线优选包含n型纳米线核心2，其与用于光产生的中间作用层4一起包封于p型外壳层3中，如图1中所展示。生长掩模6可通过光刻来图案化以界定用于纳米线生长的开口，如(例如)第7,829,443号美国专利中所描述。在此实施方案中，纳米线分组于n衬垫区域、非作用区域、LED区域(即，发光的区域)及p衬垫区域中。然而，本发明的实施例不限于此。举例来说，p衬垫区域可经布置于形成纳米线LED结构的发光部分的纳米线的顶部上，借此p衬垫区域与LED区域重合，如在2010年2月4日公开的孔瑟科(Konsek)等人的第WO 2010/014032号PCT国际申请公开案中所描述，所述公开案的全部内容以引用的方式并入本文中。
参看图4b，在下一步骤中，至少在纳米线将形成LED的LED区域中沉积保护层9以保护纳米线免受随后处理的影响。否则，来自光致抗蚀剂的残余物及来自溅镀及反应性离子蚀刻(RIE)的反应性离子可造成缺陷及/或污染。用原子层沉积(ALD)沉积的ZnO可用作保护层。用ALD作为沉积技术的一个优点为其完美的步阶覆盖。还可使用以ALD或其它沉积技术沉积的其它材料，例如其它金属或硅氧化物，例如Al2O3或SiO2。此层可在其将被遗留于的区域上担当作为绝缘体的额外角色。
在保护层9沉积之后为经由光刻及蚀刻穿过n衬垫区域11中的保护层及生长掩模开通到缓冲层7。换句话说，如图4b中所展示，将光致抗蚀剂或另一掩蔽层(经展示为虚线12)形成于整个装置上方且接着通过光刻在n衬垫区域11中将其移除。通过可在缓冲层上停止的任何合适的蚀刻方法(例如，可相对于III族氮化物半导体缓冲层选择性地蚀刻金属氧化物或硅氧化物的任何湿式或干式蚀刻方法)蚀刻纳米线1之间的暴露保护层9及暴露掩蔽层6。目的是接达缓冲层7以在其上布置电极，以便提供经由缓冲层7到纳米线1的n侧的电连接(即，经由n型层7到n型纳米线核心2的电连接)。
参看图4c，下一步骤为形成两个不同厚度在非作用区域及p衬垫区域上方延伸的牺牲层10，例如光致抗蚀剂或另一合适的牺牲材料层。光致抗蚀剂层应完全覆盖非作用区域13中的纳米线，而其应部分覆盖LED区域14中的纳米线1，使LED区域14中的每一纳米线1的顶部部分暴露。如果将在n及p电极(应作为接触衬垫来接达的区域，即，n衬垫区域11及p衬垫区域15)中使用相同接触材料，则n衬垫区域11优选未由光致抗蚀剂覆盖。在图4c的左部分中清楚地见到此情况。如所属领域的技术人员所了解，可(例如)通过沉积光致抗蚀剂且使用两个掩模及两个曝光且接着显影或对于正性光致抗蚀剂在区域14中使用比在区域13中更大振幅的曝光(或对于负性光致抗蚀剂，反之亦然)来形成此光致抗蚀剂层。而且，光致抗蚀剂可包含多个层(例如，在区域13及14中形成、曝光且显影第一抗蚀剂且接着仅在区域13中在所述第一抗蚀剂上方形成、曝光且显影第二抗蚀剂)。如果需要，则光致抗蚀剂10可包含图4b中所使用的光致抗蚀剂层12的一部分以图案化层9及6。在此情况下，使用上文所描述的方法在区域14及15中但不在区域13中再次曝光光致抗蚀剂层12(或对于负性光致抗蚀剂，反之亦然)，且接着在区域15中完全显影(即，移除)光致抗蚀剂层12且在区域14中部分显影光致抗蚀剂层12。
参看图4d，下一步骤为移除LED区域14中的纳米线的暴露于光致抗蚀剂图案10外部的至少暴露的顶部部分上的保护层9。可通过选择性蚀刻来进行此步骤，所述选择性蚀刻选择性地蚀刻氧化物保护层9但不蚀刻掩蔽层6(例如，氮化硅)或半导体缓冲层7或半导体纳米线1。如果需要，则可将层9留在其不干扰半导体材料与相应电极之间的接触的区域中以在掩蔽层6的顶部上提供额外电绝缘。举例来说，铝氧化物层可结合氮化硅掩蔽层6用作此永久保护层9。
随后，沉积p电极层16。因为p电极变得升高且不必向下延伸到纳米线1之间的狭窄空间深处，所以可使用例如溅镀或蒸镀等视线工艺。当然，由于n衬垫区域11被暴露，所以同时形成n电极层。应注意，p电极16不在p衬垫区域15中接触n型缓冲层7，因为缓冲层7在p衬垫区域中由掩蔽层6覆盖。因此，避免了p电极与n缓冲层/n纳米线核心之间的短路。然而，如果将层16的左侧部分用以形成n电极，则层16的此部分接触n衬垫区域11中的纳米线之间的暴露缓冲层7。应注意，层16不在由光致抗蚀剂13覆盖的非作用区域13中接触纳米线1。
参看图4e，下一步骤为进行另一光刻步骤而在p衬垫区域15、LED区域14及n衬垫区域11中留下另一光致抗蚀剂图案17。此步骤可通过在图4d所展示的装置上方(包括在非作用区域13中的金属电极16覆盖的抗蚀剂图案10上方)形成另一光致抗蚀剂层且接着曝光并显影所述光致抗蚀剂以在金属电极16覆盖的抗蚀剂图案10的两侧上留下光致抗蚀剂图案17来进行。
参看图4f，下一步骤为移除电极材料未由来自先前步骤的抗蚀剂图案17覆盖的区域(即，在非作用区域13中)上的电极材料16，此步骤可通过不移除光致抗蚀剂图案10及17的选择性干式或湿式蚀刻来进行。这致使电极层16变得不连续，使得在n衬垫区域11与作用及p衬垫区域14、15之间的非作用区域13中将其移除。
参看图4g，下一步骤为所有剩余光致抗蚀剂10、17的移除，此步骤可通过溶解及/或等离子蚀刻来进行。此步骤留下p电极层16自由悬挂于LED区域14中的纳米线1之间。此形成空中桥，在电极16、纳米线1及掩蔽层6之间具有空白空间18。
参看图4h，最终移除可能仍存在的在非作用区域13上的保护层9的残余物。因此，层16形成接触纳米线1p外壳3的尖端且接触p衬垫区域中的掩蔽层6的p电极16a，以及接触n衬垫区域11中的n缓冲层7的n电极16b。图5展示根据本发明的此实施例的空中桥接p电极的两个扫描电子显微镜图像。非作用区域与具有空中桥接p电极的LED区域之间的交叉可见于左侧。
由于在非作用区域13中层16被移除，所以同一层16可用以形成p电极及n电极两者。因此，在由图4a到4h说明的上述工艺序列中，在同一步骤中沉积p电极及n电极。n电极层16b在缓冲层7的第一部分上包含n衬垫区域11。p电极层16a在LED作用区域14中的纳米线上或在邻近于LED作用区域中的纳米线的缓冲层7上的电介质掩蔽层6上包含p衬垫区域15。n衬垫区域及p衬垫区域由包含不接触p电极的虚设纳米线1(即，这些纳米线不发光)的非作用区域13分离。
然而，在替代性第二实施例中，在第一步骤中提供p电极，且在稍后阶段处由不同材料形成n电极。在图4i到4s中揭示此工艺，且将在下文中加以简要描述。下文将为了简洁而不重复描述来自图4a到4h的相同元件及步骤。
所述第二实施例方法中的前两个步骤与所述第一实施例方法相同，即，图4a及4b表示与图4i及4j相同的步骤。然而，图4j未如图4b中一般在n衬垫区域11中将保护层9及掩蔽层6移除。
在下一步骤中，沉积两个不同厚度的牺牲(例如，抗蚀剂)层10a，使得在n衬垫区域11中没有如第一实施例中的未加覆盖的纳米线。因此，在图4k的左手侧中，可看到，正如非作用区13中的中央纳米线，区域11中的纳米线被完全覆盖，这与图4c中的n衬垫区域11中的最左纳米线完全未加覆盖的情形相反。在光致抗蚀剂10a中，LED区域14中的纳米线在顶部上部分暴露。p衬垫区域15完全暴露于光致抗蚀剂图案10a中。
图41展示至少部分地从LED区域13中的暴露纳米线尖端移除保护层9以便在区域13中的纳米线的p外壳3与p电极之间提供接触。
接着如图4m中所展示沉积p电极层16。层16覆盖整个结构。非作用区域13及n接触区域11现由光致抗蚀剂10a覆盖，且层16形成于光致抗蚀剂10a的顶部上。层16接触LED区域14中的纳米线的暴露p外壳3及p衬垫区域15中的掩蔽层6。
如图4n中所展示，第二光致抗蚀剂图案17a现经提供于LED区域14及p衬垫区域15中的p电极层16上方。在区域13及11中移除光致抗蚀剂图案17a。因此，在区域11及13中暴露层16。
接着通过选择性蚀刻来从区域11及13移除暴露的p电极层16，如图4o中所展示。
如图4p中所展示，移除所有光致抗蚀剂10a、17a，使得p电极层16形成在LED区域14中的纳米线之间的具有下伏空白空间18的空中桥，且在区域15中形成p接触衬垫。
接下来，施加新的光致抗蚀剂图案19以覆盖区域13、14及15，但不覆盖n衬垫区域11，如可在图4q中见到。从暴露区域11移除保护层9及掩蔽层6。
接着将n电极层20沉积于整个结构上方，如图4r中所展示。层20可包含Ti及A1子层或任何其它合适金属。层20在区域11中接触暴露的缓冲层7及“虚设”短接纳米线。在区域13、14及15中，层20停置在光致抗蚀剂19上。
图4s展示提离步骤，其中移除光致抗蚀剂图案19以提离区域13、14及15中的层20，使得区域11中的剩余层20形成n电极。在非作用区域13中不存在电极层16、20。此情况防止层16及20的短接。虚设纳米线位于非作用区域13中。
图4h及4s分别展示在形成到p电极16a、16及n电极16b、20的接触(例如，引线或凸块电极)之前的工艺中装置。然而，应理解，分别进行关于图6、10或12描述的到p衬垫区域15中的p电极及n衬垫区域11的接触。此外，如上文所提到，p衬垫区域15可在纳米线的顶部上(例如，组合区域14及15)而非在纳米线之间，如图4h及4s中所展示。
参看图6a到6h描述用于形成底部发射纳米线LED结构的方法的以下第三实施方案。在此实施方案中，用于连接到n侧及p侧的衬垫再次分别形成于n衬垫区域及p衬垫区域中邻近于形成纳米线LED的纳米线。然而，本发明不限于此。下文将为了简洁而不再次描述上文所描述的相同元件。
图6a展示类似于图4a的结构。如先前关于图4a所描述，具有两个厚度的光致抗蚀剂层或图案10b完全覆盖非作用区域13中的纳米线，且部分包封LED区域14中的纳米线，使顶部纳米线部分暴露。n衬垫区域11及p衬垫区域15为开放的且未由光致抗蚀剂图案10b覆盖。
参看图6b，在下一步骤中，选择性地移除LED区域14中的纳米线的暴露顶部部分上的保护层9。接着，通过(例如)溅镀或蒸镀将p电极层16c、电流散布层16d及一个或一个以上反射器层16e沉积于整个装置上方。可省略这些层中的一者或一者以上(例如，如果将使用独立镜，则可省略反射器层16d)，只要形成至少一个导电层。
参看图6c，在下一步骤中，移除光致抗蚀剂10b以提离层16c、16d及16e，且任选地继之以热处理以调谐各层的性质。此步骤在区域11、14及15中留下层16c到16e。在区域14中形成具有上文所描述的空白空间18的空中桥。此将层16c到16e分离成p电极22及n电极23，如图6d中所展示。
参看图6d，在下一步骤中，如果需要，则移除在非作用区域13上的保护层9的残余物。
参看图6e，在下一步骤中，将焊料球凸块(SBB)(例如，p凸块21a及n凸块21b)分别附接到p衬垫区域15及n衬垫区域11。在p衬垫区域15中，p电极22通过掩蔽层6而与n缓冲层7隔离。p电极22在区域14中的p凸块21a与p外壳3之间提供电接触。n电极23在n凸块21b与n缓冲层7及n核心2之间提供接触。因此，缓冲层由n电极/n凸块接达，且外壳由p电极/p凸块接达以将外部电连接提供到LED。
参看图6f，在下一步骤中，将芯片(即，LED结构)翻转且浸渍于保持在凸块21a、21b上的导电粘合剂23中。除了提供导电性以外，导电粘合剂还可改进热耗散性质。
参看图6g，在下一步骤中，将芯片安装于预处理有p电极25及n电极26的载体24上。尽管根据SBB布置加以描述，但所属领域的技术人员应了解存在其它接触替代方案，例如引线或引线框连接。
参看图6h，在下一步骤中，芯片与载体之间的空间由(例如)环氧树脂材料27底部填充。所述底部填充提供结构刚性且还可有助于改进热耗散。
参看图6i，在下一步骤中，通过(例如)湿式或干式蚀刻将Si衬底5完全或部分地移除以形成暴露缓冲层7的开口28。如果需要，则还可经由开口28移除缓冲层7以暴露纳米线1基部。
图7展示通过所述方法的此实施方案所获得的纳米线结构，其具有布置于纳米线上的焊料凸块。使用p触点29及n触点30经由载体晶片接达p及n电极。此形成从LED区域14经由缓冲层7发光的底部发射LED装置。
如上文所提及，纳米线可包含由组成上不同的材料、导电型及/或掺杂组成的异质结构，例如上文示范的形成pn或pin结的径向异质结构。另外，还可形成纳米线核心内的轴向异质结构。这些轴向异质结构可形成可用于纳米线LED中的光产生的pn或p-i-n结。图8示意性地说明多个纳米线，其中轴向pn结(例如，在轴向上p部分3位于n部分2上方)通过空中桥电极8布置而在p侧3上被接触。
尽管根据纳米线LED的接触描述本发明，但应了解，可以相同方式接触其它基于纳米线的半导体装置(例如，场效应晶体管、二极管)及尤其是涉及光吸收或光产生的装置(例如，光电检测器、太阳能电池、激光等)，且尤其应了解，空中桥布置可实施于任何纳米线结构上。
对顶部、底部、基部、横向等的所有参考仅为了易于理解而引入，且不应被认为是限制于特定定向。此外，各图中的结构的尺寸未必按比例绘制。
本发明的其它实施例提供用于封装如上文所揭示的顶部发射LED的工艺，且将在下文中参看图9到12描述这些工艺。
首先参看图9，其展示背面上提供有镜91的顶部发射纳米线LED结构90。因此，如已经提及的，对于顶部发射LED来说，p触点92(6)为透明的，优选由TCO、导电聚合物或薄金属制成，且为了引导所发射的光穿过顶部，优选在下方提供镜。
为了附接镜，可使用不同方法。在一个实施例中，在已提供p触点92之后，将n触点93(20)提供于在纳米线的尖端上及纳米线之间的LED阵列上的选定n接触区域11上与所述选定区域11中的缓冲层96接触以提供用于稍后的线结合的基部。沉积由Ti/Al或其它导体(例如，透明替代物，例如TCO)适当地制成的n触点以便覆盖整个纳米线94(1)且向下穿过掩蔽层95(6)以便接触缓冲层96(7)，借此之后合适的线结合可施加到LED阵列。可通过任何沉积技术执行n触点的沉积，例如溅镀、热或电子束蒸镀及电镀。为了接触Ti/Al，通过蚀刻(例如，湿式蚀刻或通过干式蚀刻(RIE))在掩蔽层95中制作开口。
为了在阵列的进一步处理期间使得能够进行处置，将临时载体C结合到p触点侧。以幻影线示意性地展示载体。此载体适当地为硅晶片、陶瓷衬底，或者玻璃或金属板。存在用于实现载体的结合的若干方法，例如可从布鲁尔科技(Brewer Science)获得的被称为“临时晶片结合”或接触结合的产品。其它替代方案为使用光致抗蚀剂、BCB或某种其它聚合物临时粘合剂材料。将粘合剂涂布于待结合的组件上，且施加压力(及任选地，加热)。当附接载体时，使上面生长有纳米线的原始生长衬底5经历蚀刻程序以提供凹部97(例如开口)，即生长衬底的凹陷或完全移除直到GaN/AlGaN缓冲层(即，在阵列的背面上)。由托架指示凹部的宽度。适当地通过干式蚀刻进行蚀刻，例如所属领域的技术人员众所周知的所谓的博施(Bosch)工艺。还可能使用湿式化学方法或研磨与蚀刻的组合。
可在此点处任选地进行移除(部分地或完全地)GaN/AlGaN缓冲层且用导电层(例如，91)替代所述GaN/AlGaN缓冲层的另一步骤。在顶部发射应用中，此层可优选包含镜，但对于底部发射应用来说此层应为透明的。
如果仅部分地移除生长衬底，则为了保护所述衬底的不应形成凹陷的区域，依据所使用的蚀刻方法而施加合适的掩模(例如，光致抗蚀剂)。
对于顶部发射LED，在凹部97中提供镜91。如果需要，则多个镜可形成于衬底中的多个凹部中。可以若干不同方式执行镜的提供。优选方法为通过将Ag溅镀到凹部97中到大约1μm的厚度。较厚的层改进热导率但通常不显著改进反射率。替代地，可使用例如热或电子束蒸镀或电镀等方法。在此镜在阵列中并非电学有源的意义上，此镜可为无源的。所述镜仅仅将出自阵列的光反射到纳米线的顶部。其还可为有源的，但如果缓冲器以例如AlGaN等材料结束，则接着应进行额外的步骤，例如使电阻层变薄。
在已提供镜之后，用优选具有高机械强度的填充剂材料98(例如，环氧树脂或其它合适的热传导材料)填满凹部97，以便提供结构刚性。其它适宜材料的例子为(但不限于)TiN、石墨烯及其它多晶或非晶碳薄膜。这些材料可最适合于完全移除生长衬底的情况，因为当在深凹部结构中使用时沉积时间可为约束因素。接着，从临时载体C剥离整个结构以获得图9中所展示的结构。
将由此获得的结构安装到合适的底座结构或载体100，如图10中所展示。底座结构表面可包含用以增强粘着或改进装置的热性质的层，例如金属、TiN、石墨烯及其它多晶或非晶碳薄膜。优选为金或其它导电材料的接触衬垫101沉积于n接触区域上以为线结合提供结合垫。接着将线102(例如，金或其它线)附接于底座100与衬垫101之间。焊料凸块或结合可用以将线102固定于适当位置。还在p电极上提供至少一个p接触衬垫103，且还进行从底座100到此触点的线104结合。最后，在暴露的LED上方提供保护性“泡”或封装105(适当地由硅酮材料制成)。
现在，参看图11，展示用于无源镜的提供的变型。如上文关于图9所描述分别提供p及n触点92、93，且还以相同方式附接临时载体C。然而，在已提供临时载体之后，适当地通过蚀刻来移除原始衬底5，但也可使用例如抛光或研磨等方法。
在移除衬底以便暴露缓冲层(例如，AlGaN)7之后，在缓冲层7上提供镜111。适当地，通过溅镀提供Ag镜。接着，将组合件胶合到新的衬底112，优选将硅酮、环氧树脂、BCB或其它类型的聚合物113中的任一者用作粘合剂。最后，移除载体C。
将与先前实施例中的工艺步骤相同的工艺步骤用以制作触点、线结合及保护性“泡”105，如图12中所展示。
在刚结合图11及12描述的工艺的变型中，除了替代将镜施加/附接到缓冲层而改为将镜111施加到新的衬底112以外，使用相同工艺。接着，通过胶合将新衬底及镜的组合件附接到LED阵列结构的缓冲层。这当然要求粘合剂为实际上完全透明的，以便不会发生不当损耗。此情况中的粘合剂113位于镜111与缓冲层7之间。在这些实施例中，作为衬底5及/或缓冲层7的补充及/或代替衬底5及/或缓冲层7，将镜91、111用作纳米线1的支撑件。
尽管已结合当前视为最实用且最优选实施例的内容描述了本发明，但应理解，本发明不限于所揭示的实施例，相反，本发明既定涵盖所附权利要求书的范围内的各种修改及等效布置。

Claims (46)

1.一种发光二极管LED结构，其包含：
多个装置，所述多个装置并排布置于支撑层上，其中每一装置包含第一导电型半导体纳米线核心及进行包封的第二导电型半导体外壳以用于形成pn或pin结，所述pn或pin结在操作中提供用于光产生的作用区，及
第一电极层，其在所述多个装置上方延伸且与所述装置的至少一个顶部部分电接触以连接到所述外壳，其中所述第一电极层至少部分地空中桥接于所述装置之间。
2.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述第一导电型包含n型，所述第二导电型包含p型，且所述第一电极层包含p电极层。
3.根据权利要求2所述的发光二极管LED结构，其进一步包含第二n电极层，所述第二n电极层电连接到所述n型纳米线核心。
4.根据权利要求3所述的发光二极管LED结构，其中所述支撑层包含在衬底上的n型半导体缓冲层，所述缓冲层用作n触点，且所述n电极层接触所述缓冲层。
5.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述支撑层为反射性的。
6.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述支撑层为透明的。
7.根据权利要求2所述的发光二极管LED阵列，其中所述空中桥接p电极层的厚度为150nm到900nm。
8.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述p电极为至少部分反射性的。
9.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述p电极为透明的。
10.根据权利要求9所述的发光二极管LED结构，其中至少一个其它透明层布置于所述p电极上。
11.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述LED以倒装芯片的形式结合到载体上的接触电极上。
12.根据权利要求4所述的发光二极管LED结构，其进一步包含提供于所述纳米线核心下方的镜。
13.根据权利要求12所述的发光二极管LED结构，其中所述镜提供于形成于所述衬底中的凹部中，所述凹部延伸到所述缓冲层。
14.根据权利要求13所述的发光二极管LED结构，其进一步包含位于多个凹部中的多个镜。
15.根据权利要求13所述的发光二极管LED结构，其中所述镜包含部分地填充所述凹部的反射性材料，且其中所述凹部的剩余部分是用提供结构刚性及高热导率的填充剂材料来填充。
16.根据权利要求12所述的发光二极管LED结构，其中所述镜经胶合到所述缓冲层及所述衬底中的一者，且物理上结合到所述缓冲层及所述衬底中的另一者。
17.根据权利要求5所述的发光二极管LED结构，其中所述支撑层包含镜，且其中所述镜经提供以代替经移除的n型半导体缓冲层及经完全移除的衬底。
18.根据权利要求2所述的发光二极管LED结构，其中每一装置包含含有所述核心、所述外壳及在所述核心与所述外壳之间的作用层的纳米结构。
19.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述纳米结构包含核心-外壳纳米线。
20.根据权利要求1所述的发光二极管LED结构，其中所述支撑层包含半导体衬底。
21.根据权利要求3所述的发光二极管LED结构，其中：
所述n电极层包含在所述缓冲层的第一部分上的n衬垫区域；
所述p电极层包含在LED作用区域中的所述纳米线上或在邻近于所述LED作用区域中的所述纳米线的在所述缓冲层上的电介质掩蔽层上的p衬垫区域；且
所述n衬垫区域及所述p衬垫区域是由包含不接触所述p电极的虚设纳米线的非作用区域分离。
22.一种制造纳米线发光二极管LED结构的方法，其包含：
提供支撑层；
提供多个装置，所述多个装置并排布置于所述支撑层上，其中每一装置包含第一导电型半导体纳米线核心及进行包封的第二导电型半导体外壳以用于形成pn或pin结，所述pn或pin结在操作中提供用于光产生的作用区；
沉积牺牲层，所述牺牲层完全地覆盖在非作用区域中的所述装置且部分地覆盖在LED区域中的所述装置，从而使所述LED区域中的所述装置的顶部部分暴露；及在所述装置的所述暴露顶部部分上及所述装置之间的所述支撑层上方沉积第一电极层。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一导电型包含n型，所述第二导电型包含p型，且所述第一电极层包含p电极层。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包含沉积第二n电极层，所述第二n电极层电连接到所述n型纳米线核心。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述支撑层包含在衬底上的n型半导体缓冲层，所述缓冲层用作n触点，且所述n电极层接触所述缓冲层。
26.根据权利要求24所述的纳米线方法，其中所述支撑层包含透明层、反射层或半导体衬底中的至少一者。
27.根据权利要求25所述的方法，其中每一装置包含含有所述核心、所述外壳及在所述核心与所述外壳之间的作用层的核心-外壳纳米线。
28.根据权利要求27所述的方法，其进一步包含在所述支撑层上的电介质掩蔽层，使得所述核心经由所述掩蔽层中的开口从所述缓冲层突出，且所述外壳位于所述掩蔽层上。
29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包含移除所述牺牲层，使得移除所述第一电极层的位于所述非作用区域中的所述牺牲层上的第一部分，且所述第一电极层的位于所述纳米线外壳的顶部上的第二部分形成空中桥接p电极。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述牺牲层包含光致抗蚀剂。
31.根据权利要求25所述的方法，其中所述缓冲层包含氮化镓或氮化铝镓中的至少一者。
32.根据权利要求23所述的方法，其中所述p电极包含透明导电氧化物层。
33.根据权利要求29所述的方法，其进一步包含将载体暂时结合到所述结构的包含所述纳米线的侧面的步骤。
34.根据权利要求33所述的方法，其进一步包含在所述衬底中蚀刻一个或一个以上凹部直到所述缓冲层的步骤。
35.根据权利要求34所述的方法，其进一步包含在所述至少一个凹部中在所述缓冲层上形成镜以使所述LED结构顶部发射。
36.根据权利要求35所述的方法，其进一步包含在所述镜上方用填充剂材料填充所述至少一个凹部且从所述载体移除所述结构。
37.根据权利要求33所述的方法，其进一步包含从所述结构移除所述衬底从而使所述缓冲层暴露，且将镜施加到所述缓冲层以使所述LED结构顶部发射。
38.根据权利要求37所述的方法，其进一步包含将载体附接到所述镜。
39.根据权利要求29所述的方法，其进一步包含将载体附接到所述结构，所述载体在面向所述缓冲层的一个表面上具有镜。
40.一种顶部发射发光二极管LED结构，其包含：
多个装置，其位于支撑层的第一表面上，所述装置包含第一导电型的半导体纳米线核心及第二导电型的半导体外壳；
第一透明电极，其电连接到所述装置的所述外壳；
第二电极，其经定位以与所述支撑层的所述第一表面电接触且经由所述支撑层电连接到所述装置的所述核心；
载体，其附接到所述装置；
第一触点，其将所述载体电连接到所述第一电极的第一衬垫区域；
第二触点，其将所述载体电连接到所述第二电极的第二衬垫区域；及
反射层，其位于所述装置的所述核心下方，其中所述载体衬底位于所述反射层下方。
41.根据权利要求40所述的发光二极管LED结构，其中：
所述纳米线具有基部端及尖端；
所述基部端附接到包含生长衬底或缓冲层的所述支撑层；且
所述第一电极从所述纳米线的所述尖端向下延伸到所述纳米线之间。
42.根据权利要求41所述的发光二极管LED结构，其中所述装置包含在所述第一电极与所述支撑层之间的在所述纳米线之间的空间中的气隙。
43.根据权利要求40所述的发光二极管LED结构，其中所述第一导电型为n型，所述第二导电型为p型，且所述半导体核心及所述半导体外壳包含III族氮化物半导体材料纳米线。
44.根据权利要求40所述的发光二极管LED结构，其进一步包含位于所述支撑层的所述第一表面上的具有开口的电介质掩蔽层，使得所述核心经由所述开口电接触所述支撑层的所述第一表面，且所述外壳通过所述掩蔽层而与所述支撑层的所述第一表面电隔离。
45.根据权利要求44所述的发光二极管LED结构，其中：
所述第一电极衬垫区域位于所述掩蔽层上的所述纳米线之间；且
所述第二电极衬垫区域位于所述支撑层的所述第一表面上在所述掩蔽层中的开口中的所述纳米线之间。
46.一种制作顶部发射发光LED结构的方法，其包含：
形成多个装置，所述多个装置位于支撑层的第一表面上，所述装置包含第一导电型的半导体纳米线核心及第二导电型的半导体外壳；
形成第一透明电极，所述第一透明电极电连接到所述装置的所述外壳；
形成第二电极，所述第二电极经定位以与所述支撑层的所述第一表面电接触且经由所述支撑层电连接到所述装置的所述核心；
提供在所述装置的所述核心下方的反射层及在所述反射层下方附接到所述结构的载体；
形成第一触点，所述第一触点将所述载体电连接到所述第一电极的第一衬垫区域；及
形成第二触点，所述第二触点将所述载体电连接到所述第二电极的第二衬垫区域。
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