相關(guān)申請案

本申請案要求2014年8月12日申請的美國臨時(shí)申請案第62/036,363號(hào)的優(yōu)先權(quán)，所述申請案的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文中。

本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及半導(dǎo)體裝置，如納米線發(fā)光二極管(led)，并且確切地說，涉及具有不均勻有源區(qū)域的納米線led。

背景技術(shù)：

作為平面led的替代物，納米線發(fā)光二極管(led)受到越來越多的關(guān)注。與通過常規(guī)平面技術(shù)制造的led相比，納米線led提供歸因于納米線的一維性質(zhì)的獨(dú)特特性、歸因于較少晶格匹配限制的材料組合中的可撓性改良和在更大的襯底上進(jìn)行加工的機(jī)會(huì)。

2012年3月20日頒布的美國專利案8,138,493(其以全文引用的方式并入本文中)指出難以在gan系統(tǒng)中使用常規(guī)平面技術(shù)建造紅外線到綠光波長區(qū)域中的發(fā)光二極管，并且這些發(fā)光二極管的功效遠(yuǎn)低于藍(lán)色發(fā)光led。這可歸因于：a)紅光和綠光波長區(qū)域中ingan材料的混溶間隙(miscibilitygap)，因?yàn)槔碚撋项A(yù)期具有約0.4<x<0.8的inxga1-xn不是穩(wěn)定材料；和b)與藍(lán)光led中使用的低in含量ingan相比，對于高in含量ingan，led結(jié)構(gòu)的平面層的高固有缺陷密度使光子重組功效降低顯著更高的程度。8,138,493專利案通過提供納米結(jié)構(gòu)led裝置解決這一問題，所述裝置包含納米線核心與納米線殼層之間的ingan量子點(diǎn)，其在改良的發(fā)射情況下提供紅外線到綠光波長區(qū)域中的發(fā)光。作為實(shí)例，一種這類納米結(jié)構(gòu)led裝置包含由gan制成的納米線核心和嵌入基于gan的殼層中的ingan量子點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供核-殼納米線裝置，其包括檐區(qū)域，所述檐區(qū)域具有從殼層上部頂端部分中的p平面到殼層下部中的m平面的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。檐區(qū)域中的銦含量比殼層的p平面和m平面部分高至少5原子百分比。

附圖說明

圖1示意性說明納米線led的基底的側(cè)截面圖。

圖2示意性說明緩沖層上納米線led結(jié)構(gòu)的側(cè)截面圖。

圖3a和3b是納米線led裝置的電子顯微圖，其中有源區(qū)域殼層形成于平滑、均勻的放射狀表面上。

圖4示意性說明納米線led裝置的側(cè)截面圖，其中有源區(qū)域殼層形成于不均勻放射狀表面上并且含有富含銦的區(qū)域。

圖5a、5b、6b、7b和8是圖4中展示的納米線led裝置的電子顯微圖。圖6a和7a是展示各別圖6b和7b中所選擇區(qū)域的組成的表格。

圖9a、9b、9c和9e是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的納米線led的電子顯微圖。圖9d是展示圖9c中所選擇區(qū)域的組成的表格。

具體實(shí)施方式

在一個(gè)實(shí)施例中，在不均勻表面上形成有源區(qū)域殼層使得有源區(qū)域殼層具有不均勻輪廓(例如非豎直的放射狀側(cè)壁和/或在水平方向上隨著在垂直方向上的高度而變化的不均勻厚度)。這種“波紋狀”表面降低或消除外部殼層中的缺陷(例如堆疊疵點(diǎn))。

在不均勻表面上形成包含一或多個(gè)in(al)gan/(al)gan量子阱的有源區(qū)域殼層引起在形成有源區(qū)域期間通過自行組裝形成富含銦的in(al)gan區(qū)域(例如具有超過10原子百分比銦，如15到35原子百分比銦的ingan或inalgan區(qū)域)。取決于所述區(qū)域的銦含量，相信這些富含銦的區(qū)域負(fù)責(zé)更長的波長頻譜區(qū)域(例如綠光到黃光495-590nm峰值發(fā)射波長區(qū)域和/或橙光到紅光591-650nm峰值發(fā)射波長區(qū)域)中的高亮度、高功效發(fā)射。

然而，與單獨(dú)形成的量子點(diǎn)(其在有源區(qū)域殼層的各部分之間單獨(dú)形成)不同，在形成有源區(qū)域殼層期間現(xiàn)場以整體方式形成富含銦的區(qū)域。因此，富含銦的區(qū)域包含有源區(qū)域量子阱殼層的整體式部分而非嵌入有源區(qū)域量子阱殼層中的離散的納米粒子或量子點(diǎn)。舉例來說，離散的納米粒子通常具有與周圍半導(dǎo)體層不同的顆粒結(jié)構(gòu)和/或定向，和納米粒子與周圍層顆粒之間的尖銳的過渡邊界或顆粒邊界，在電子顯微圖中可見。相比之下，整體式富含銦的區(qū)域未必具有與周圍有源區(qū)域殼層的周圍銦含量較低區(qū)域不同的晶體定向并且未必具有尖銳的過渡邊界或顆粒邊界。

舉例來說，含有約10原子百分比銦的ingan有源區(qū)域發(fā)出具有藍(lán)光光譜范圍中約450nm峰值波長的光，含有約20原子百分比銦的ingan有源區(qū)域發(fā)出具有綠光光譜范圍中約520nm峰值波長的光，并且含有約30原子百分比銦的ingan有源區(qū)域發(fā)出具有紅光光譜范圍中約610nm峰值波長的光。當(dāng)然，in(al)gan有源區(qū)域中的銦濃度可在5原子百分比與35原子百分比，如15到30原子百分比之間變化，以便實(shí)現(xiàn)約430nm與約650nm，如450到620nm之間的所需顏色發(fā)射(例如藍(lán)光、綠光、黃光、橙光或紅光)。

應(yīng)注意，可在不使用量子阱下的不均勻表面的情況下在有源區(qū)域量子阱中形成富含銦的in(al)gan區(qū)域，只要量子阱本身具有不均勻厚度(即，是波紋狀放射狀量子阱殼層)即可。

inn(a＝.354nm)和gan(a＝.319nm)之間的大型(約10％)晶格失配使得難以在gan晶格中并入高濃度銦而不引起所得ingan層中的結(jié)構(gòu)缺陷。然而，通過在銦含量較低(例如10原子百分比或更低，如5-10原子百分比銦)的有源區(qū)域in(al)gan量子阱(如與gan/ingan核心/放射狀殼層納米線的m平面(即，垂直面)平行的放射狀量子阱)中形成富含銦的in(al)gan區(qū)域，可減少所得ingan有源區(qū)域殼層中的結(jié)構(gòu)缺陷。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括沿m平面的一系列納米級(jí)不連續(xù)性以增強(qiáng)沿in(al)gan有源區(qū)域殼層中的納米線長度的銦沉積。這產(chǎn)生由沿m平面的納米級(jí)峰(包含富含銦的區(qū)域)和谷(包含銦含量較低的區(qū)域)組成的“波紋狀”表面，而非保持與m平面平行的豎直量子阱表面。舉例來說，在這一“波紋狀”表面中，納米級(jí)特征從與m平面平行的有源區(qū)域量子阱的垂直部分至少部分沿p平面對角線10-11投影。

在納米技術(shù)領(lǐng)域中，納米線通常解釋為具有納米級(jí)或納米尺寸的橫向大小(例如圓柱形納米線的直徑或方錐形或六角形納米線的寬度)，而縱向大小不受限制的納米結(jié)構(gòu)。這類納米結(jié)構(gòu)通常也稱為納米晶須、一維納米元件、納米棒、納米管等。納米線可具有最多約2微米的直徑或?qū)挾?。納米線的小尺寸提供獨(dú)特物理、光學(xué)和電子特性。這些特性可例如用于形成利用量子機(jī)械作用(例如使用量子線)的裝置或形成具有通常歸因于大型晶格失配而無法組合的組成上不同材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。如術(shù)語納米線暗示，一維性質(zhì)與拉長的形狀相關(guān)聯(lián)。因?yàn)榧{米線可具有多種截面形狀，直徑意指有效直徑。有效直徑意指結(jié)構(gòu)的截面的長軸和短軸的平均值。

對上部、頂部、下部、向下等的所有參考是根據(jù)將襯底視為位于底部并且納米線從襯底向上延伸來進(jìn)行。垂直是指與由襯底形成的平面垂直的方向，并且與平行于由襯底形成的平面的方向水平。僅出于易于理解的目的而引入這種命名法，并且不應(yīng)視為局限于具體組件定向等。

本發(fā)明的方法中可使用所屬領(lǐng)域中已知的任何適合的納米線led結(jié)構(gòu)。納米線led通常基于一或多個(gè)pn或p-i-n接合點(diǎn)。pn接合點(diǎn)與p-i-n接合點(diǎn)之間的差異在于后者具有更寬的有源區(qū)域。更寬的有源區(qū)域使得在i區(qū)域中重組的機(jī)率更高。每條納米線包含第一導(dǎo)電類型(例如n型)納米線核心和圍封的第二導(dǎo)電類型(例如p型)殼層以用于形成pn或pin接合點(diǎn)，所述接合點(diǎn)在操作中為光產(chǎn)生提供有源區(qū)域。盡管第一導(dǎo)電類型的核心在本文中描述為n型半導(dǎo)體核心并且第二導(dǎo)電類型殼層在本文中描述為p型半導(dǎo)體殼層，但應(yīng)理解，其導(dǎo)電類型可顛倒。

圖1示意性說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例改良的納米線led結(jié)構(gòu)的基底。原則上，單條納米線足以用于形成納米線led，但歸因于小尺寸，納米線優(yōu)選以包含數(shù)百、數(shù)千、數(shù)萬或更多條并列納米線的陣列形式配置以形成led結(jié)構(gòu)。出于說明性目的，本文中將描述由納米線led1組成的個(gè)別納米線led裝置，所述裝置具有n型納米線核心2和至少部分包裹納米線核心2的p型殼層3以及中間有源區(qū)域4，所述中間有源區(qū)域可包含單一內(nèi)源性或被輕摻雜(例如摻雜程度低于10¹⁶cm^-3)的半導(dǎo)體層或一或多個(gè)量子阱，如包含具有不同帶隙的多個(gè)半導(dǎo)體層的3-10個(gè)量子阱。然而，在本發(fā)明的實(shí)施例中，納米線led不限于這種形式。舉例來說，納米線核心2、有源區(qū)域4和p型殼層3可由多個(gè)層或區(qū)段組成。在替代實(shí)施例中，僅核心2可包含寬度或直徑小于2微米的納米結(jié)構(gòu)或納米線，而殼層3的寬度或直徑可以超過一微米。

iii-v半導(dǎo)體由于其特性有助于高速和低功率電子裝置和光電裝置(如激光器和led)而尤其受關(guān)注。納米線可包含任何半導(dǎo)體材料，并且適用于納米線的材料包括(但不限于)：gaas(p)、inas、ge、zno、inn、gainn、ganalgainn、bn、inp、inasp、gainp、ingap:si、ingap:zn、gainas、alinp、gaalinp、gaalinasp、gainsb、insb、si。用于例如gap的可能的供體摻雜劑是si、sn、te、se、s等，并且用于相同材料的受體摻雜劑是zn、fe、mg、be、cd等。應(yīng)注意，納米線技術(shù)使得有可能使用氮化物，如gan、inn和aln，其有助于制造可發(fā)射不易于通過常規(guī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的波長區(qū)域中的光的led。尤其受市場關(guān)注的其它組合包括(但不限于)gaas、gainp、gaaiinp、gap系統(tǒng)。典型摻雜程度在10¹⁸到10²⁰cm^-3范圍內(nèi)。但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉這些和其它材料并且認(rèn)識(shí)到可使用其它材料和材料組合。

用于納米線led的優(yōu)選材料是iii-v半導(dǎo)體，如iii-氮化物半導(dǎo)體(例如gan、alingan、algan和ingan等)或其它半導(dǎo)體(例如inp、gaas)。為了發(fā)揮led功能，每個(gè)納米線led1的n側(cè)和p側(cè)必須接觸，并且本發(fā)明提供與使led結(jié)構(gòu)中納米線的n側(cè)和p側(cè)接觸的方法和組合物。

盡管本文中所描述的例示性制造方法優(yōu)選使用納米線核心以在核心上生長半導(dǎo)體殼層，從而形成核-殼納米線，如例如頒予塞弗特(seifert)等人的美國專利案7,829,443(關(guān)于納米線制造方法的教示以引用的方式并入本文中)中所描述，但應(yīng)注意，本發(fā)明不限于此。

舉例來說，在替代實(shí)施例中，僅核心可組成納米結(jié)構(gòu)(例如納米線)，而殼層可任選地具有大于典型納米線殼層的尺寸。此外，裝置可成形以包括多個(gè)面，并且可控制不同類型的面之間的面積比。這可由“角錐形”面和垂直側(cè)壁面例示?？蓸?gòu)造led使得在模板上形成具有主要角錐形面或側(cè)壁面的發(fā)射層。對于接觸層也可如此，與發(fā)射層的形狀無關(guān)。

圖2說明可提供納米線的負(fù)載物的例示性結(jié)構(gòu)。通過在生長襯底5上生長納米線(任選地使用生長掩膜或介電質(zhì)掩膜層6(例如氮化物層，如氮化硅介電質(zhì)掩膜層))以定義位置和測定納米線的底部界面區(qū)域，至少在加工期間，襯底5發(fā)揮作為從襯底5突出的納米線的載體的功能。納米線的底部界面區(qū)域包含介電質(zhì)掩膜層6中每個(gè)開口內(nèi)核心2的根部區(qū)域。襯底5可包含不同材料，如iii-v或ii-vi半導(dǎo)體、si、ge、al2o3、sic、石英、玻璃等，如瑞典專利申請案se1050700-2(讓渡給gloab)中所討論，其以全文引用的方式并入本文中。用于襯底的其它適合的材料包括(但不限于)：gaas、gap、gap:zn、gaas、inas、inp、gan、gasb、zno、insb、soi(絕緣體上硅)、cds、znse、cdte。在一個(gè)實(shí)施例中，納米線核心2直接在生長襯底5上生長。

優(yōu)選地，襯底5還被適配成充當(dāng)連接到每個(gè)納米線led1的n側(cè)的電流傳輸層。這可通過具有包含配置在襯底5的表面上的面向納米線led1的半導(dǎo)體緩沖層7的襯底5來實(shí)現(xiàn)，如圖2中所示，例如si襯底5上的iii-氮化物層，例如gan和/或algan緩沖層7。緩沖層7通常與所需納米線材料匹配，并且因此充當(dāng)制造過程中的生長模板。對于n型核心2，緩沖層7優(yōu)選還摻雜n型。緩沖層7可包含單層(例如gan)、若干個(gè)子層(例如gan和algan)或遞變層，所述遞變層從高al含量algan遞變成較低al含量algan或gan。

7,829,443專利案中描述的方法包括在負(fù)載物上(例如緩沖層7上)提供生長掩膜6。接著在生長掩膜6中形成開口以暴露緩沖層。開口優(yōu)選在其直徑和其相對定位方面受到良好控制。所屬領(lǐng)域中已知的若干技術(shù)可用于程序中，包括(但不限于)電子束光刻(ebl)、納米印刷光刻、光學(xué)光刻和反應(yīng)性離子蝕刻(rie)或濕式化學(xué)蝕刻方法。開口的直徑優(yōu)選是約75-125nm，如約100nm，并且相距0.5-5μm相隔。開口定義待制造的納米線核心2的位置和直徑。

接著，通過基于cvd的過程生長納米線核心2，其中前驅(qū)體來源流是連續(xù)的。調(diào)節(jié)前驅(qū)體來源流動(dòng)速率以在生長區(qū)域中實(shí)現(xiàn)低過飽和。v/iii比率應(yīng)是100或更低，如在1-100范圍內(nèi)，優(yōu)選在1-50范圍內(nèi)并且甚至更優(yōu)選在5-50范圍內(nèi)。應(yīng)注意，這一v/iii比率顯著低于用于主體薄膜生長的比率。換句話說，納米線核心2在相對低溫度(例如低于800℃)下以低v/iii比率生長。

接著，通過使溫度升高到超過800℃，如900-1200℃，并且使v/iii比率增加到比用于核心生長更高的量(例如v/iii比率高于100，如200-1000)來在核心2上生長圖1和2中展示的一或多個(gè)殼層3、4。舉例來說，n-gan納米線核心2可使用氨和tmg(三甲基鎵)氣體來源和任選的摻雜源氣體(例如含有mg的源氣體)通過mocvd生長。nh3流動(dòng)速率在核心2生長期間可以是0.2到3.0sccm并且在殼層3、4生長期間是50-100sccm。tmg(三甲基鎵)流動(dòng)速率可在0.12與1.2μmol/min之間。

如果需要，可在形成有源區(qū)域殼層4之前在n-gan核心2上形成中間n-gan殼層8?？稍诟邷?超過800℃，如900-1200℃)和高于100的高v/iii比率(如200-1000)下形成n-gan殼層8。這一殼層8展示于圖3a和3b中并且具有平滑(即，豎直)外側(cè)壁(即，m-平面放射狀側(cè)壁)。

在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)在中間n-gan殼層8的光滑放射狀表面上形成量子阱有源區(qū)域殼層4時(shí)，圍繞有源區(qū)域殼層4的外部殼層3(例如p型gan和/或algan殼層)中形成許多缺陷，相信其是水平堆疊疵點(diǎn)9，如圖3a和3b中所示。

因此，在圖4中說明的一個(gè)實(shí)施例中，在不均勻(例如“波紋狀”)表面上形成有源區(qū)域殼層，使得有源區(qū)域殼層4具有不均勻輪廓和局部富含銦的in(al)gan區(qū)域21?！安y狀”表面可在有源區(qū)域量子阱殼層4下的底層8中起始(例如徑向朝內(nèi))，如在中間殼層中或有源區(qū)域量子阱殼層4下方的障壁層中。這形成應(yīng)變改性表面有源區(qū)域殼層4。優(yōu)選地，底層8與有源區(qū)域量子阱4相比具有較低銦含量(即，底層8與有源區(qū)域量子阱4相比具有更寬的帶隙)以避免吸收量子阱發(fā)射。舉例來說，底層8可不具有銦(例如由gan或algan)組成或其可包含具有小于10原子百分比銦(如1-5原子百分比銦)的ingan或inalgan底層。

通過控制底層8的高低不平，可接著在不引入缺陷的情況下生長更均勻的高銦含量有源量子阱層4?？赏ㄟ^生長條件(如溫度、mocvd壓力、mocvd反應(yīng)物流動(dòng)速率和/或底層的in/ga比率)來控制底層8的高低不平程度。舉例來說，高低不平程度隨銦含量增加和生長溫度降低而增加。

底層8的高低不平和生長條件可控制量子阱有源區(qū)域4的組成使其均勻，以便產(chǎn)生嵌入具有較低銦含量的in(al)gan量子阱中的精密的富含銦的區(qū)域。量子阱的厚度將類似于或小于下文所描述的峰-谷高度。

盡管圖4中展示單個(gè)量子阱有源區(qū)域4，但也可以形成多量子阱有源區(qū)域4。分離波紋狀量子阱4與波紋狀gan或in含量較低的ingan或inalgan障壁層使得在納米線的外部殼層8上生長多量子阱有源區(qū)域4，所述多量子阱有源區(qū)域具有降低的缺陷量并且其中每個(gè)量子阱具有局部富含銦的區(qū)域21。

舉例來說，底層8和/或有源區(qū)域殼層4中的不均勻表面或輪廓中峰12與相鄰谷13的間隔可以是10到30nm，并且峰12到相鄰谷13的深度(即，厚度變化)可以是3到5nm。優(yōu)選地，有效層區(qū)域殼層4具有大于5nm的厚度以避免產(chǎn)生堆疊疵點(diǎn)。如果底層8具有超過15％銦，那么其還優(yōu)選具有大于5nm的厚度以避免產(chǎn)生堆疊疵點(diǎn)。

如本文中所使用，不均勻表面意指非豎直或非光滑(即，波紋狀或粗糙)表面，其中在放射狀(即，m平面)表面中，至少3個(gè)峰(例如凸起)12從至少一個(gè)谷(例如凹槽)13沿水平方向延伸至少2，如3到5nm。不均勻輪廓意指有源區(qū)域殼層中的量子阱具有非豎直放射狀表面(即，側(cè)壁)和/或隨垂直方向上的高度變化的沿放射(即，水平)方向上的不均勻厚度。不均勻厚度意指有源區(qū)域殼層(例如量子阱)4的放射(即，水平)厚度在殼層4中的不同垂直位置變化至少15％，如20-40％，并且具有大致非平行的放射狀側(cè)壁。

使含有in的波紋狀層(例如有源區(qū)域殼層)的薄膜厚度增加超過5nm將使得與谷13相比在峰12上不成比例地沉積銦，并且在底層8中峰12上的有源區(qū)域殼層4中形成局部富含銦的in(al)gan區(qū)域21。如圖4中所示，有源區(qū)域殼層4中的富含銦的區(qū)域21對應(yīng)于有源區(qū)域殼層4中的峰22，并且富含銦的區(qū)域21由對應(yīng)于有源區(qū)域殼層4中的谷23的銦含量較低的區(qū)域24間隔開。優(yōu)選地，殼層4中富含銦的區(qū)域與銦含量較低的區(qū)域之間的銦含量差異是至少5原子百分比，如10到25原子百分比。

這產(chǎn)生不均勻有效層4，其可在電接觸直接安放在納米線的m平面14上時(shí)產(chǎn)生多個(gè)發(fā)射峰。如圖4中所示，優(yōu)選在殼層3的頂端處，在傾斜的p平面15上制造對p型gan殼層3的p側(cè)電接觸16，而通過n型gan或algan襯底7制造對n型gan納米線核心2的c平面的n側(cè)電接觸17。因此，在el譜圖中看不見來自m平面14的較低發(fā)射峰。因此，可增加可發(fā)射更長波長的綠光、黃光、橙光或紅光的高in含量材料(即，區(qū)域21)的體積而不引入有害堆疊故障缺陷。

舉例來說，如圖5a和5b中所示，可通過在低溫(例如800℃或更低)下形成中間殼層8，同時(shí)保持高v/iii比率來獲得不均勻表面。這引起中間殼層8的外部放射狀表面10變得不均勻。接著在中間殼層8上形成有源區(qū)域殼層4和外部p型殼層3。如圖5a和5b中可見，不均勻表面上的這種生長可產(chǎn)生具有不均勻輪廓的有源區(qū)域殼層4并且減少或消除外部殼層3中的缺陷(例如堆疊疵點(diǎn))9。

如圖5a和5b中所示，有源區(qū)域殼層4具有不均勻厚度。舉例來說，含有量子阱的殼層4具有在5號(hào)位置處的7.6nm到3號(hào)位置處的12.2nm范圍內(nèi)的厚度。因此，殼層4放射厚度沿垂直方向變化超過30％(即，30-38％)并且超過4nm。

在不均勻表面10上形成具有不均勻輪廓的包含一或多個(gè)ingan/gan量子阱的有源區(qū)域殼層4引起在形成有源區(qū)域殼層期間通過自行組裝形成局部富含銦的ingan區(qū)域21。具體地說，相信在有源區(qū)域殼層4中更厚(即，凸出)的區(qū)域中形成區(qū)域21。圖6a和7a說明表格，其展示各別圖6b和7b中展示的納米線led的各種位置中的al、ga和in含量(原子百分比)。如圖6a和6b中所示，ingan/gan量子阱有源區(qū)域4中的1、2、3和7號(hào)區(qū)域含有超過15原子百分比銦，如17.5到23.9原子百分比銦(即，分別是20.5、17.5、19.9和23.9)。因此，2號(hào)與7號(hào)區(qū)域之間的銦濃度變化超過5原子百分比(例如5到6.4原子百分比)。4-6號(hào)區(qū)域位于algan外部殼層中并且不具有銦和可變濃度的鋁。

如圖7a和7b中所示，ingan/gan量子阱有源區(qū)域4中的1、2和3號(hào)區(qū)域含有超過14原子百分比銦，如14.1到18.3原子百分比銦(即，分別是18.0、18.3和14.1)。因此，2號(hào)與3號(hào)區(qū)域之間的銦濃度變化超過4原子百分比。4-7號(hào)區(qū)域位于algan外部殼層中并且不具有銦和可變濃度的鋁。

相信這些富含銦的區(qū)域21負(fù)責(zé)綠光到黃光波長頻譜區(qū)域中的高亮度、高功效發(fā)射。

此外，相信在不均勻表面10上形成有源區(qū)域殼層4引起放射狀表面(即，非極性{10-10}m平面)上有源區(qū)域4的厚度顯著大于中間殼層8的方錐形、傾斜上表面(即，半極性{1-101}p平面)的厚度。中間殼層8的m平面上有源區(qū)域殼層4的放射厚度比裝置頂部中間殼層8的p平面10-11的厚度厚至少3倍，如3-10倍。與相同量子阱的來自p平面10-11部分的發(fā)射相比，這由于來自ingan量子阱的m平面部分的改良的發(fā)射而改良led裝置效能。因此，量子阱的m平面厚度與其p平面10-11厚度相比增加意指與現(xiàn)有技術(shù)裝置中具有量子阱的更厚的p平面10-11部分相比，由m平面部分發(fā)出的輻射率高于量子阱的p平面10-11部分。

圖8說明本發(fā)明的替代性實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，裝置含有三個(gè)中間殼層8a、8b和8c。in內(nèi)部中間殼層8a包含n-gan殼層。中間殼層8b包含具有不均勻表面的n-ingan殼層并且外部殼層8c包含具有不均勻表面的n-gan殼層。可在高v/iii物流比率和低溫(例如低于800℃)下形成殼層8b和8c，以便形成用于在外部中間殼層8上生長有源區(qū)域殼層4的不均勻表面。

如圖8中所示，有源區(qū)域殼層4具有不均勻厚度。舉例來說，含有量子阱的殼層4具有在4號(hào)位置處的6.8nm到3號(hào)位置處的12.5nm范圍內(nèi)的厚度。因此，殼層4放射厚度變化超過40％(即，40-45.6％)并且超過5nm(例如5到5.7nm)。

在圖9a、9b、9c和9e中說明的另一實(shí)施例中，核-殼納米線裝置，如led裝置包括檐區(qū)域31。換句話說，納米線殼層4中m平面部分34與p平面部分32接合的角稱為“檐”或檐區(qū)域31。區(qū)域31包括從殼層4的上部頂端部分中的p平面部分32到殼層4的下部中的m平面部分34的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。檐區(qū)域中的銦含量比殼層4的p平面32和m平面34部分高至少5原子百分比。優(yōu)選地，檐區(qū)域31是in(al)gan有源區(qū)域量子阱殼層4中富含銦的in(al)gan區(qū)域。

因此，如圖9a-9c和9e中所示，納米線裝置，如led裝置，包括iii-氮化物半導(dǎo)體納米線核心2和徑向位于半導(dǎo)體納米線核心2周圍的含有銦的iii-氮化物半導(dǎo)體殼層(例如有源區(qū)域量子阱殼層4)，所述iii-氮化物半導(dǎo)體納米線核心具有上部頂端部分和下部，所述上部頂端部分具有傾斜p平面?zhèn)缺诓⑶宜鱿虏烤哂写篌w上垂直m平面?zhèn)缺?。殼?包含上部頂端部分和下部，所述上部頂端部分具有位于納米線核心的上部頂端部分上的傾斜p平面?zhèn)缺?2并且所述下部具有位于納米線核心2的下部上的大體上垂直m平面?zhèn)缺?4。殼層4還含有檐區(qū)域31，其包括從殼層4的上部頂端部分32中的p平面到殼層4的下部34中的m平面的結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。裝置還可含有其它上述殼層，如殼層3、8、8a、8b、8c和/或9。

殼層4的上部頂端部分32包含環(huán)形區(qū)域，其圍繞納米線核心2的上部頂端部分的整個(gè)邊緣。殼層4的下部34包含環(huán)形區(qū)域，其圍繞納米線核心2的下部的整個(gè)邊緣。檐區(qū)域31包含環(huán)形區(qū)域，其圍繞納米線核心2的上部頂端部分與下部之間的納米線核心的中間部分的整個(gè)邊緣。因此，優(yōu)選地，檐區(qū)域31在納米線的周邊(例如有源區(qū)域殼層4中的周邊)延伸以形成與殼層4的p平面32和m平面34部分相比具有大體上恒定、升高的銦組成的環(huán)。因?yàn)閕ii-氮化物納米線通常在水平方向上具有六角形截面形狀，當(dāng)從上方觀測時(shí)，環(huán)將具有大體上六角形截面形狀。可優(yōu)選在檐區(qū)域31中沉積較高銦組成合金(例如in(al)gan)以實(shí)現(xiàn)用于綠光(520nm)和紅光(600nm)led的更長波長裝置。

檐區(qū)域31的銦含量比殼層4中具有傾斜p平面?zhèn)缺?2的上部頂端部分和具有大體上垂直m平面?zhèn)缺?4的殼層下部高至少5原子百分比，如至少10原子百分比，例如10到30原子百分比。舉例來說，檐區(qū)域31可含有15-30原子百分比銦，并且殼層4的上部頂端部分32和殼層的下部34可含有15原子百分比或更少的銦，如1到9原子百分比銦。

含有富含in的檐區(qū)域31的led裝置可具有紅光、橙光、黃光或綠光峰值發(fā)射波長，如495到590nm峰值發(fā)射波長或591到650nm峰值發(fā)射波長。峰值發(fā)射波長區(qū)域越長，檐區(qū)域31的銦含量越高。舉例來說，銦含量在具有495到590nm峰值發(fā)射波長范圍的led中可以是15-22原子百分比并且在具有591到650nm峰值發(fā)射波長范圍的led中可以是23-30原子百分比。舉例來說，當(dāng)led具有約520nm峰值發(fā)射波長時(shí)，檐區(qū)域31可含有約20原子百分比銦并且當(dāng)led具有約610nm峰值發(fā)射波長時(shí)，檐區(qū)域31可含有約30原子百分比銦。

不希望受特定理論束縛，本發(fā)明人相信在殼層4的p平面與m平面部分之間的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處形成富含銦的in(al)gan檐區(qū)域31。不連續(xù)性產(chǎn)生用于in-n鍵弛豫的低能量表面并且以比m平面部分34更高的機(jī)率并入銦。已證實(shí)當(dāng)存在可用的自由表面時(shí)，在gan中更易于并入in-n鍵。因此，富含銦的檐區(qū)域31是通過在形成有源區(qū)域殼層4期間的自行組件來形成。

如果在不均勻表面10上形成有源區(qū)域殼層4，如先前實(shí)施例中所描述，那么除m平面部分34中局部富含銦的in(al)gan區(qū)域21以外，殼層4可包括富含銦的檐區(qū)域31?；蛘撸绻诰鶆虮砻嫔闲纬蓺?，那么殼層4可僅包括富含銦的檐區(qū)域31而不包括富含銦的區(qū)域21。

可通過生長溫度、在通過mocvd沉積殼層4期間的tmin/tmga流動(dòng)速率和/或在通過mocvd沉積殼層4期間的氨流來控制殼層4的檐區(qū)域31與m平面部分34之間的銦組合物差異。降低溫度是使檐區(qū)域31的銦含量相對于m平面部分34增加的最直接方式。溫度作用在較低生長率下增強(qiáng)，其中生長率是通過殼層4的mocvd期間的tmin+tmga/nh3比率控制。由于檐的高表面能，生長率可使檐區(qū)域31厚度(t1)相對于m平面部分34厚度(t2)增加。舉例來說，t1可比t2大1.1到1.5倍。增加ingan殼層4厚度還使檐區(qū)域31中的銦含量增加1.5到5倍。

舉例來說，檐區(qū)域31可比殼層4的m平面部分34厚至少10％，如厚至少20％，包括厚20到35％。p平面部分32通常比檐區(qū)域31和m平面部分34更薄。相信來自高銦含量檐區(qū)域31的發(fā)射由施加到led的電流主導(dǎo)。舉例來說，檐區(qū)域31的厚度可以是12到20nm，而殼層4的m平面部分34的厚度可以是7到11nm。殼層4的p平面部分32的厚度可以是0.4到2nm。

圖9a和9b說明含有有源區(qū)域殼層4中的富含銦的檐區(qū)域31的例示性led裝置。圖9a中的裝置含有一個(gè)中間n-gan殼層8，而圖9b的裝置含有三個(gè)中間殼層8a、8b和8c。

如圖9a中所示，檐區(qū)域31厚度t1是約13nm，而殼層4的m平面部分34的厚度是約10nm。檐區(qū)域31含有約10原子百分比銦，而m平面部分34含有約3原子百分比銦。

類似地，如圖9b中所示，檐區(qū)域31厚度t1是約15nm，而殼層4的m平面部分34的厚度在7與11nm之間的范圍內(nèi)。檐區(qū)域31含有約25原子百分比銦，而m平面部分34含有約15原子百分比銦。因此，檐區(qū)域31厚度比圖9a和9b的裝置中的m平面部分34厚度大約30％。

圖9c說明另一個(gè)例示性led裝置，其含有有源區(qū)域殼層4中的富含銦的檐區(qū)域31。圖9c的ingan檐區(qū)域31(圖9d中的表格中的標(biāo)記譜圖1)含有20.9原子百分比銦，而inganm平面部分34(圖9d中的表格中的標(biāo)記譜圖2和3)含有7.5與9.5原子百分比之間的銦。中間ingan殼層8含有1.7與1.8原子百分比之間的銦(圖9d中的表格中的譜圖4和5)。在外部algan殼層9中獲取譜圖6-9。p平面部分32中量子阱殼層4的厚度小于0.5nm并且在m平面部分34中是約8nm。

可通過增加檐區(qū)域的有源區(qū)域體積來獲得具有更長波長(例如綠光和更長的峰值波長)的高功效裝置。這可通過借助于降低納米線間距而增加襯底上的納米線直徑和/或納米線密度來進(jìn)行。

增加檐區(qū)域31的數(shù)目還可以通過在納米線中生長多量子阱有源區(qū)域4來實(shí)現(xiàn)。舉例來說，如圖9e中所示，led裝置包括兩個(gè)量子阱有源區(qū)域殼層4a、4b，其中每一個(gè)含有各別檐區(qū)域31a、31b。殼4a、4b由中間殼層33間隔開，所述中間殼層可以是與殼層4a、4b相比具有較低銦含量的p型algan或gan殼層或in(al)gan殼層。

盡管根據(jù)納米線led描述本發(fā)明，但應(yīng)了解，可在任何納米線結(jié)構(gòu)上實(shí)施其它基于納米線的半導(dǎo)體裝置，如場效應(yīng)晶體管、二極管以及具體來說，涉及光吸收或光產(chǎn)生的裝置，如光電檢測器、太陽能電池、激光器等。

本說明書中所引用的所有公開案和專利案都以引用的方式并入本文中，就如同特定地且單獨(dú)地指示每一個(gè)別公開案或?qū)＠砸玫姆绞讲⑷胍话?，且以引用的方式并入本文中以結(jié)合所引用的公開案來披露和描述方法和/或材料。對任何公開案的引用是關(guān)于其在申請日之前的披露內(nèi)容，且不應(yīng)理解為承認(rèn)本發(fā)明未被授權(quán)憑借先前發(fā)明將這類公開案的日期提前。此外，所提供的公開日期可以不同于可能需要獨(dú)立確認(rèn)的實(shí)際公開日期。