[发明专利]光电子半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及在诸如发光二极管和光电器件的光电子半导体器件中自组装的量子点(并且特别是Stranski Krastanow点)的使用。

背景技术

自组装的量子点，或Stranski Krastanow点(下文中可互换地被称为SK点或简单地称为量子点)被用作半导体器件中的高效一维量子阱。这些量子点已在大量半导体材料系统中被实现，诸如InAs/GaAs、InAs/InP、InP/GaAs、InGaN/GaN、InN/GaN、GaN/AlGaN等，在平面表面上或沿边缘生长。

可以在与半导体层晶格失配的基片上外延生长半导体层期间形成半导体量子点。在该生长过程中，通过将与结晶应变相关联的能量最小化来促进点形成。形成的点的尺寸由基础参数决定，诸如点面的表面能量、所述点和所述基片之间的界面以及适应的结晶应变。在大多数应用中，均匀尺寸分布是重要的，因为尺寸的微小变化将改变原子价和传导带的能量状态的相对位置。在若干生长技术中，点的尺寸可以在有限的范围内改变，同时通过控制生长条件而保持相当均匀的尺寸分布。然而，对于许多应用，点尺寸变化过大。

量子点的效应可以在例如发光二极管(LED)、晶体管、太阳能电池等中被利用。例如，所述量子点可以被用于调整从LED器件发射的光的颜色。通常，较大的量子点产生较红的光(较长的波长)，并且较小的量子点产生较蓝的光(较短的波长)。轻度应变(strained)的量子点产生较红的光并且更高应变的量子点产生较蓝的光。因此，如果存在产生高应变等级的大的晶格失配，则难于获取所述发射的光的特定波长。此外，可以通过点的组分的变化而改变波长。因此，所述量子点的效应取决于点尺寸、点组分和应变。

特别地，在诸如GaN的基于氮化物的Ⅲ-Ⅴ材料(其对于LED应用具有特殊重要性)中生长Ⅲ-Nitride(Ⅲ-N)半导体量子点并同时保持足够的均匀尺寸分布已被表明是难于实现的。在使用不同载流子气体混合以便操控柱三材料(column three material)扩散长度和吸收条件中的研究已经表明不足以制造均匀尺寸的量子点。这表明是基片表面质量引起用于所述量子点的局部生长条件的变化。这例如是由于低质量基片的高缺陷密度和表面粗糙度，其阻碍了所述基片表面上的源材料的均匀动力条件。这样的局部变化不仅会降低尺寸均匀性并且会降低三元和四元量子点的组分的均匀性，并且由于尺寸和单个点的组分的变化，单个点的应变条件将改变。

由于缺少相适的基片，诸如GaN的基于氮化物的Ⅲ-Ⅴ材料(其对于LED应用具有特殊重要性)具有高缺陷密度。对于基于GaN的器件，SiC、AL₂O₃和Si是最常用的。这些材料关于GaN是晶格失配的，这会引起所述GaN中的高缺陷密度。同样地，这些材料也遭受关于GaN的高热扩张失配。而且，SiC和AL₂O₃是昂贵的并且大晶圆尺寸仍然是商业上不可得的。

发明内容

鉴于前述，本发明的一个目的在于提供半导体材料中具有均匀空间分布的均匀大小的点。本发明的该目的通过根据随附的权利要求的光电子半导体器件而被实现。

所述光电子半导体器件包括至少一个半导体纳米线，所述纳米线包括至少纳米线核心以及围绕所述纳米线核心的至少一部分而被布置的壳层。优选地，所述纳米线从基片中伸出。所述纳米线核心和所述壳层形成pn结或pin结，其在操作中为载流子产生或载流子复合提供有源区。在对应于所述有源区的所述纳米线的区域中布置量子点，以便当作载流子复合中心或载流子产生中心。通过将所述纳米线核心用作用于形成量子点和壳层的模板，可以获得均匀尺寸和一致分布的量子点。

根据本发明的第一方面，所述光电子半导体器件是发光二极管(LED)，其中所述有源区包括适用于作为载流子复合中心的量子点，用于产生光。优选地，所述LED的纳米线包括基于氮化物的Ⅲ-Ⅴ半导体材料。

根据本发明的第二方面，所述光电子半导体器件是光电器件，其中所述有源区包括适用于通过光吸收作为载流子产生中心的量子点。

所述量子点可以被嵌入在纳米线核心和/或中间壳层和/或壳层中。进一步量子点的多个同轴层是可能的，可选地在不同层具有不同的尺寸和/或组分。