单片纳米柱结构的制作方法

本专利申请涉及使用有源半导体发射器的显示技术和照明器件。

背景技术：

1、显示技术正经历快速的发展和演变。尽管困难仍然存在，但微型发光二极管(微型led)正被用于新兴的未来一代显示器。色谱仅部分覆盖cie色域，同时使用质量传递方法进行组装的吞吐量仍然是巨大的挑战。

2、显示技术领域目前使用led背光液晶快门(lcd)以形成用于人类视觉感测的图像。有机发光二极管(oled)也正在被应用于较新的产品。目前的技术正在使用微型发光二极管(微型leds)进行扩展，但仍然有重大挑战。这些挑战是有限的视觉光谱和显示器的组装的严重困难。使用微型led的显示器的组装需要一种新的技术，称为质量传递，以非常高的精度自动定位数百万个微型led以形成像素，然后形成显示器。所有这些都以非常高的速度进行，使得显示器具有成本效益。到目前为止，这还没有实现。

3、对科学杂志和专利的审阅揭示出在用纳米结构(也称为纳米线(nw)和纳米柱(nc))制造光发射器方面的一些努力。

4、nc发射器的最有前途的特征在于，已经发现发射的波长取决于nc的直径而不需要材料的改变。对于led材料，不同的颜色需要材料的改变，使得具有不同颜色的显示器需要组装来自不同衬底的元件，即，针对led的每个颜色具有一个衬底。这种组装的复杂性是个问题。利用nc技术，同一半导体衬底可以提供不同颜色的像素。nc技术还有望提供可以是单色或多色的照明源。

5、美国专利公开2003/0168964描述了具有有机有源区域的发光纳米线，填充纳米线内的空白区域并形成p型触点。该申请没有描述如何用发光纳米线形成显示器，也没有关于量子阱(qw)结构和晶轴定向的任何描述。此外，该申请示出了同一晶圆上的有限波长范围。本公开仅限于蓝光。

6、美国专利10,177,195和美国专利公开2019/0131345示出了使用纳米线制造显示器，该纳米线使用金属有机化学气相沉积(mocvd)形成。通过改变纳米线的直径，来控制由纳米线或纳米线组产生的颜色。该申请示出了不同的材料被用于有源区域，需要在不同的晶圆上制造不同的颜色组，然后将其抬起并安装在背板上。这需要一定水平的质量传递技术，但该水平尚未达到。这些申请并没有公开形成电触点。

7、美国专利10,263,149公开了使用mocvd和由催化剂辅助的外延生长的纳米线。该专利没有描述控制纳米线的直径的措施，且因此也没有描述控制由纳米线发射的光的颜色。该申请没有描述如何用纳米线形成显示器。

8、美国专利公开2017/0279017描述了纳米线的制造，但没有描述布置在同一晶圆上的不同颜色的集成单片像素。此外，该申请将磷技术与纳米线相结合，类似于蓝光led使用用于白光的磷的方式。

9、美国专利公开2018/0374988描述了一种使用ingan用于有源区域来制造纳米线的方法。所制造的纳米线的直径决定了颜色。电子束光刻技术被用于控制所制造的纳米线的直径。该申请描述了如何电驱动单个纳米线。该申请没有公开如何从纳米线形成显示器，因为其仅考虑单个纳米线。

10、美国专利10,263,149公开了使用mocvd和由催化剂辅助的外延生长的纳米线。该专利没有描述控制纳米线的直径的措施，且因此也没有描述控制由纳米线发射的光的颜色。该申请没有描述如何用纳米线形成显示器。

11、ahmed(us 2019/036306)、hugon(us 2017/0352601 a1)、lu(us 2012/0261686)和wang(us 2012/0253982)都使用mocvd以生长纳米线和用于qw的核壳结构。

12、ahmed申请示出了如何通过改变直径来改变发射器的波长。示出了两个不同的颜色，但没有提到外部量子效率(eqe)或可以覆盖的色域。

13、所有公开文件都使用mocvd以用于纳米线生长，使qw在核壳结构中生长，这意味着qw在m面上生长。

14、基于nc的显示器的效率由在观察者的方向上可以将多少电流转换成光输出来限定。当qw在nc的m面上生长时，光发射被引导至nc的侧面。即使当eqe良好时，通过nc的端部的光输出也会受到发射方向的阻碍。

15、只有zetian mi的两篇公开文件和sekiguchi在《应用物理学通讯》(appliedphysics letters)杂志231104(2010年)上的一篇论文示出了通过分子束外延(mbe)生长的纳米线，并且只有zetian mi示出了在纳米线中生长的qw和在单个工艺中在单个晶圆上的至少三个不同波长。然而，zetian mi没有公开如何能制造显示器。这些qw在c面上，并且直径较大的纳米线在半极面中。c面发射有望拥有通过nc的光输出的更好效率。

16、zetian mi等人公开了在不同波长的晶圆上的发射器，该波长范围限制在460nm至635nm。这种变化幅度通过改变纳米线的直径来实现。这一公开文件并没有限定发射的光如何射出并发挥作用。公开了提供电气连接的措施。因此，eqe将受到限制。sekiguchi等人描述了发射器的类似波长范围，但没有用于增强器件的eqe的结构。没有公开电致发光(el)特性。

17、以上对现有技术的总结表明，纳米线可能具有克服当前显示器技术中的一些或所有缺点的潜力。然而，也很显而易见，现有的公开文件都没有试图示出如何使纳米线发射器适用于将其布置成亚像素/像素，并制成具有足够发射器效率和颜色质量的完整工作显示器。综合来看，这些公开文件提供了在同一晶圆上且在同一工艺中生长不同波长的基于纳米线的发射器的描述。除了zetian mi，没有公开生长条件以及如何发生波长的变化。

18、此外，现有技术都没有解决与光发射光学效率随着qw在gan晶体上生长所处的晶面变化相关的问题。

技术实现思路

1、申请人已经发现，使用源于在c面和半极性面上生长的量子阱的纳米柱结构以及双层p型触点结构，提供了增强的光发射水平和均匀性，使得利用该技术构建显示器成为可能。如本文所详细描述的，在现有技术中发现的纳米柱结构可能不适合构建显示器，因为它们通常不能产生足够的强度、光度、对比度、分辨率等。本文所描述的使用纳米柱的显示器克服了使用现有技术纳米柱的显示器的缺点。

2、氮化镓(gan)纳米柱阵列可以在极性c面或半极性面上具有量子阱以发射引导至纳米柱的端部的光，并具有间隙填充材料，该间隙填充材料被布置成使在纳米柱中发射的光从纳米柱的一端引导至出口。纳米柱的侧面可以涂覆有材料，以沿纳米柱的纵向轴线反射光线。纳米柱的p型掺杂的端部可以被金属化，并设置有反射触点以引导光通过n型掺杂的端部离开。

3、在一些实施例中，提供了一种纳米柱器件，该纳米柱器件包括：氮化镓(gan)纳米柱阵列，该氮化镓(gan)纳米柱阵列具有负型掺杂的第一端和正型掺杂的第二端，在第一端与第二端之间具有光发射区域，gan纳米柱阵列具有间隙填充材料，其中，从光发射区域发射的光在纳米柱中被引导至第一端和第二端；公共透明触点，该公共透明触点覆盖gan纳米柱阵列的第一端并为光提供出射窗；金属涂层，该金属涂层在gan纳米柱阵列的第二端上，该金属涂层的厚度足以与gan纳米柱阵列的第二端结合，同时足够薄以对从光发射区域发射的光具有低吸收；反射导电触点阵列，每个反射导电触点均覆盖代表像素或亚像素(subpixel)的若干gan纳米柱的金属涂层，以用于将光反射到出射窗，其中，金属涂层在纳米柱的正型掺杂gan与反射导电触点之间提供降低的电阻；以及驱动器半导体衬底，该驱动器半导体衬底具有连接到反射导电触点阵列的表面触点。

4、在其他实施例中，提供了一种包括氮化镓(gan)纳米柱阵列的纳米柱器件。每个gan纳米柱包括以下的竖直布置：负型掺杂的第一端部区域，该第一端部区域延伸纳米柱的全部宽度；正型掺杂的第二端部区域，该第二端部区域延伸纳米柱的全部宽度；光发射区域，该光发射区域在第一端部区域与第二端部区域之间在c面和半极面中的一个上生长；绝缘材料层，该绝缘材料层在每个gan纳米柱的全部长度上接触并覆盖侧壁表面，该全部长度在第一端、第二端和光发射区域上延伸；以及反射材料层，该反射材料层与绝缘材料层接触并覆盖绝缘材料层，以帮助将纳米柱中的光引导至出射窗。gan纳米柱阵列包括间隙填充材料，其中，从光发射区域发射的光在纳米柱中被引导至第一端部区域和第二端部区域。公共透明触点可以覆盖gan纳米柱阵列的第一端，并为光提供出射窗。金属涂层可以在gan纳米柱阵列的第二端上，该金属涂层与gan纳米柱阵列的第二端结合，并允许从光发射区域发射的光的传输。反射导电触点阵列可以均覆盖代表像素或亚像素的若干gan纳米柱的金属涂层，以用于将光反射到出射窗，其中，金属涂层在纳米柱的正型掺杂的gan与反射导电触点之间提供降低的电阻。驱动器半导体衬底可以具有连接到反射导电触点阵列的表面触点。

5、公共透明触点可以具有覆盖gan纳米柱阵列的第一端的负型掺杂的gan层。gan纳米柱阵列可以涂覆有绝缘材料，并且绝缘材料可以涂覆有反射材料，以帮助将纳米柱中的光引导至出射窗。间隙填充材料可以包括光吸收材料。

6、gan纳米柱阵列可以包括具有不同宽度尺寸并发射不同颜色的光的亚像素组。纳米柱的光发射区域可以处于极性c面或半极性面中，以发射引导至第一端和第二端的光。

7、金属涂层可以包括镍和金，镍和金经热处理以与gan纳米柱阵列的第二端结合。金属涂层可以约为6nm厚，并且可以包含约等量的镍和金。

8、反射导电触点的阵列可以布置成像素阵列，并且驱动器半导体衬底可以被配置成提供图像显示器件。氮化镓(gan)纳米柱阵列可以被布置在亚像素组中，以用于提供彩色图像显示器件。亚像素组的数量可以是四个或更多个。

9、反射导电触点的阵列可以被布置成驱动氮化镓(gan)纳米柱阵列的组，以提供不同的颜色，并且驱动器半导体衬底可以被配置成向该组提供不同的电压，以用于提供可变颜色的照明器件。

10、在一些实施例中，提供了一种制造单片纳米柱光发射器件的方法，该方法包括：在氮化镓(gan)纳米柱阵列的p型掺杂的端部上施加金属涂层，该金属涂层的厚度足以与gan纳米柱阵列的p型掺杂的端部结合，同时足够薄以对从gan纳米柱的光发射区域发射的光具有低吸收；以及施加反射导电触点阵列，每个反射导电触点均覆盖代表像素或亚像素的若干gan纳米柱的金属涂层，以用于将光反射到出射窗，其中，金属涂层在纳米柱的p型掺杂的gan与反射导电触点之间提供降低的电阻。

11、在其他实施例中，提供了一种制造单片纳米柱光发射器件的方法，该方法包括：

12、使氮化镓(gan)纳米柱阵列的每个纳米柱的n型掺杂的第一端部区域在n型掺杂的gan的缓冲层上竖直生长，该缓冲层能够提供公共触点(common contact)和出射窗；

13、使光发射区域在gan纳米柱阵列的每个纳米柱的第一端部区域上竖直生长，其中，光发射区域的宽度与每个gan纳米柱的第一端部区域的宽度相等；

14、使p型掺杂的第二端部区域在gan纳米柱阵列的每个纳米柱的光发射区域上竖直生长，其中，第二端部区域的宽度与每个纳米柱的第一端部区域和光发射区域的宽度相等；

15、在gan纳米柱阵列的每个纳米柱之间旋涂间隙填充材料；

16、对gan纳米柱阵列的p型掺杂的第二端部区域进行抛光；

17、在gan纳米柱阵列的p型掺杂的第二端部区域上施加金属涂层，该金属涂层的厚度足以与gan纳米柱阵列的p型掺杂的第二端部区域结合，同时足够薄以对从gan纳米柱阵列的每个纳米柱的光发射区域发射的光具有低吸收；以及

18、施加反射导电触点阵列，每个反射导电触点均覆盖代表像素或亚像素的若干gan纳米柱的金属涂层，以用于将光反射到出射窗，其中，金属涂层在gan纳米柱阵列的p型掺杂的第二端部区域与反射导电触点之间提供降低的电阻。

19、此外，具有表面触点的驱动器半导体衬底可以连接到反射导电触点阵列。gan纳米柱阵列可以在n型掺杂的gan的缓冲层上生长，该缓冲层能够提供公共触点和出射窗。具有表面触点的驱动器半导体衬底可以连接到反射导电触点阵列。

20、gan纳米柱阵列可以涂覆有绝缘材料，并且绝缘材料可以涂覆有反射材料以帮助将纳米柱中的光引导至出射窗。

21、gan纳米柱阵列可以涂覆有介电反射材料。

22、gan纳米柱阵列之间的间隙空间可以填充有间隙填充材料，该间隙填充材料可以是光吸收材料。

23、gan纳米柱阵列可以包括具有不同宽度尺寸并发射不同颜色的光的亚像素组。

24、纳米柱的光发射区域可以处于极性c面或半极性面中，以发射引导至第一端和第二端的光。

25、金属涂层可以包括镍和金，镍首先被沉积，金被沉积在镍上并经热处理以结合到gan纳米柱阵列的p型掺杂的端部。金属涂层可以约为6nm厚，并且可以包含约等量的镍和金。