[发明专利]用于发光装置光谱红移的应变诱导纳米结构

说明书

本发明涉及一种构建于半导体发光装置上的纳米结构，该纳米结构在有源区中诱导应变。有源装置包含至少一个量子异质结构，其中应变改变了量子约束斯托克效应的程度，并且由此改变了发光波长。通过混合应变驰豫和应变诱导效应使发光的光谱得以拓宽，从而提供了多色发光。

发明领域

本发明涉及构建于半导体装置上的纳米结构，更具体地，涉及包含至少一个用于发光的量子异质结构的纳米结构。

发明背景

基于氮化物的发光二极管(LED)已成为全球照明市场的重要参与者。LED具有更高的能量效率和更长的使用寿命，已逐渐取代传统的白炽灯泡和紧凑型荧光灯(CFL)作为一般照明的光源以及显示器的背光。目前最常用的白光LED是基于涂有荧光体(phosphor)以将一些蓝光转换为黄光的蓝色LED。因此可通过混合蓝光和黄光来产生白光。然而，除了因使用荧光体材料引起的使用寿命较短和可靠性较低之外，这种颜色转换过程还会因斯托克斯位移而导致效率损失。

为避免白光LED的效率损失，另一种方法是将发出不同颜色的单独LED混合在单个封装中而无需外部颜色转换。尽管如此，目前基于铟合金的绿色LED不如蓝色和红色LED成熟。特别是，随着铟含量增加以将发射波长从蓝光调节到绿光时，绿色LED的内部量子效率(IQE)急剧下降。这种在绿色光谱区缺乏有效LED的情况被称为“绿光缺失(green gap)”。这是目前LED发展的关键挑战之一。

纳米结构化是调整从已确立的LED发出的光的颜色的一种方法。量子阱中的应变源自材料的生长温度与晶体结构的错配。通过构建允许应变驰豫的纳米结构，可减少LED有源区(active region)(即多量子阱(MQW))中的量子约束斯塔克效应(QCSE)，由此将发射波长偏移到较短波长，即，蓝移。在先前的专利，即美国专利9,401,453B2中提到了这一想法。根据该专利，通过将LED上的纳米结构的直径在150nm至7μm直径范围内变化，可得到不同的颜色并且可实现白光LED。由于已经历了应变驰豫，发射波长发生蓝移(发射的较长波长被缩短)。然而，由于仅允许蓝移，为利用这些纳米结构来调节发光颜色，必须在长波铟合金基的LED(即，绿色LED)上构建纳米结构，因此该方法对于改善绿色LED的效率几乎无能为力。

发明内容

本发明的实施方式提供了如下的纳米结构设计：当所述纳米结构被构建为靠近在应变结构中包含至少一个量子异质结构的发光有源区时，其可用于通过在该有源区中诱导应变而改变半导体发光体的发光波长。本发明还提供了制造这种LED的方法。当有源区包含多于一个量子异质结构时，这种类型的纳米结构能够在光谱上将发射的光移动到较长波长，和/或拓宽发射光谱。

经由自上而下技术(top-down technique)构建纳米结构。通过构建向下蚀刻到接近但未完全穿透多量子阱(MQW)层的纳米结构，可抑制因应变驰豫机制引发的蓝移效应并且通过残余应变引发光谱红移。

在一个实施方式中，半导体发光二极管可包含发光有源区。发光区位于用于光谱红移的纳米结构的底部。

在另一个实施方式中，半导体发光二极管可包含发光有源区。在构建纳米结构后，该有源区部分地位于所述纳米结构内。纳米结构内的有源区因应变驰豫引起光谱蓝移，而纳米结构下方的其他部分因应变诱导引起光谱红移。由此拓宽了光的发射光谱。

在一个实施方式中，可使用纳米球光刻产生纳米图案以构建如本文所述的应变诱导的纳米结构。可通过混合多种纳米球胶体溶液并随后将该溶液涂布到晶片(wafer)表面来制备纳米球涂层，所述纳米球涂层可用作用于图案转移的光刻掩模以形成纳米柱。

附图简述

当结合以下详细描述和附图考虑时，本发明的前述和其他目的和优点将变得更加明显，其中相同的标号在不同视图中表示相同的元件，并且其中：