CN101076898A - 多色led以及有关的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括位于pn结内部的第一势阱和不位于pn结内部的第二势阱的半导体器件。该势阱可以是量子阱。该半导体器件典型地为LED，可以是白光或接近白光的LED。该半导体器件可能另外包含一个不位于pn结内部的第三势阱。该半导体器件可能另外包含围绕或靠近或直接相邻第二势阱或第三量子阱的吸收层。此外，提供包括根据本发明的半导体器件的图形显示设备和照明设备。

Description

多色LED以及有关的半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体器件，包括势阱结构，典型地，包括量子阱结构，其可能是LED，包含“白色”或多色LED。
背景技术
发光二极管(LED)是当阳极和阴极之间通过电流时发光的固态半导体器件。传统的LED包含一个单独的pn结。Pn结可包括中间未掺杂区；这种pn结也可以称为PIN结。类似非发光半导体二极管，传统的LED在一个方向更容易通过电流，即在电子从n区移动到p区的方向。当电流以LED的“正”向通过时，n区的电子与p区的空穴复合，产生可见光子。由传统LED发出的光表面上是单色的；就是说，在单的窄频带波长中产生的。发出光的波长相当于与电子-空穴对复合有关的能量。最简单的例子，这个能量近似地是发生复合的半导体带隙能量。
传统LED在捕获高浓度的电子和空穴对的pn结处还可以包含一个或多个量子阱，因此加强产生光的复合。
一些研究人员尝试制造一种发射白光或对于人眼的三色知觉看起来近似白光的LED器件。
一些研究人员报导了在pn结中具有多量子阱的LED主旨设计或制造，其中多量子阱欲以不同的波长发光。下面的参考文献与这种技术有关：US专利No.5851905；US专利No.6303404；US专利No.6504171；US专利No.6734467；Damilano等人， Monolithic White Light Emitting Diodes Based on InGaN/GaN Multiple-QuantumWells，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)pp.L918-L920；Yamada等人， Phosphor Free High-Luminous-Efficiency White Light-Emitting Diodes Composed of InGaN Multi-QuantumWell，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.L246-L248；Dalmasso等人， Injection Dependence of the Electroluminescence Spectra of Phosphor Free GaN-Based White Light Emitting Diodes，phys.stat.sol.(a)192，No.1，139-143(2003)。
一些研究人员报导了在一个单独的器件中合并两个欲以不同波长独立地发光的传统LED的LED器件的主旨设计或制造。下面的参考文献与这种技术有关：US专利No.5851905；US专利No.6734467；US专利公开No.2002/0041148A1；US专利公开No.2002/0134989A1；和Luo等人， Patterned three-color ZnCdSe/ZnCdMgSe Quantum-Well structures for integrated full-color and white light emitters，App.Phys.Letters，Vol.77，no.26，pp.4259-4261(2000)。
一些研究人员报导了传统LED元件同例如为钇铝石榴石(YAG)的化学荧光体结合的LED器件的主旨设计或制造，其中该化学荧光体可吸收由LED元件发出的部分光并且再发射较长波长的光。US专利No.5998925和US专利No.6734467与这种技术有关。
一些研究人员报导了在ZnSe衬底上生长LED的主旨设计或制造，用I，Al，Cl，Br，Ga或In进行n掺杂来在衬底中产生发荧光的中心，其可吸收由LED元件发出的部分光并且再发射较长波长的光。US专利申请No.6337536和日本专利申请公开No.2004-072047与这种技术有关。
发明内容
概括地，本发明提供一种包括位于pn结内部的第一势阱和不位于pn结内部的第二势阱的半导体器件。该势阱典型地是量子阱。该半导体器件典型地是LED。该半导体器件可能另外包含一个不位于pn结内部的第三势阱。该半导体器件可能另外包含围绕或靠近或直接相邻第二势阱的吸收层。典型地，该吸收层具有的吸收层带隙能量小于或等于该第一势阱的跃迁能并且大于该第二势阱的跃迁能。该半导体器件可能另外包含围绕或靠近或直接相邻第三势阱的另一个吸收层。典型地，该第二吸收层具有的吸收层带隙能量小于或等于该第一势阱的跃迁能并且大于该第三势阱的跃迁能。
一个实施例中，该第一势阱的跃迁能对应于绿色、蓝色或紫色波长可见光，更代表性地为蓝色或紫色，该第二势阱的跃迁能对应于黄色、绿色或蓝色波长可见光，更典型地是黄色或绿色，并且该第三势阱的跃迁能对应于红色、橙色或黄色波长可见光，更典型地是红色或橙色。在另一个实施例中，该第一势阱的跃迁能对应于紫外波长光并且该第二势阱的跃迁能对应于可见波长的光。在另一个实施例中，该第一势阱的跃迁能对应于可见光并且该第二势阱的跃迁能对应于红外波长的光。
在另一个方面，本发明提供一种包括根据本发明的半导体器件的图形显示设备。
在另一个方面，本发明提供一种包括根据本发明的半导体器件的照明设备。
在本申请中：
关于半导体器件中的叠层，“直接相邻”表示没有中间层顺次靠近，“靠近相邻”表示存在一个或几个中间层的顺次靠近，“围绕”表示顺次的前面和后面；
“势阱”表示具有比围绕层低的导带能级或比围绕层高的价带能级或两者都有的半导体器件中的半导体层；
“量子阱”表示足够薄以致量子效应可在阱中产生电子-空穴对的势阱，典型地具有100nm或小于100nm的厚度；
“跃迁能”表示电子-空穴复合能；
“晶格匹配”表示，关于两种结晶材料，例如衬底上的外延膜，隔离中采用的每种材料都有晶格常数，并且这些晶格常数基本上是相等的，典型地彼此不超过0.2％的差，更典型地彼此不超过0.1％的差，并最典型地彼此不超过0.01％的差；以及
“假晶”表示，关于给定厚度的第一结晶层和第二结晶层，例如外延膜和衬底，隔离中采用的每层都有晶格常数，并且这些晶格常数非常相似以致于给定厚度的第一层可以基本上没有位错缺陷地采用层平面中第二层的晶格间距。
应该理解，对于本发明这里描述的任何实施例，包括n掺杂和p掺杂半导体区，进一步的实施例应该被认为是在这里公开了的，其中，n掺杂同p掺杂交换，反之亦然。
应该理解，这里引入每个“势阱”、“第一势阱”、“第二势阱”和“第三势阱”的，可以提供单独的势阱或可以提供典型地具有相似属性的多个势阱。同样，应该理解，这里引入每个“量子阱”、“第一量子阱”、“第二量子阱”和“第三量子阱”的，可以提供单独的量子阱或可以提供典型地具有相似属性的多个量子阱。
本发明特定实施例的优点是提供一种能发射多色、白光或接近白光的LED器件。
附图说明
图1是根据本发明一实施例结构中的半导体导带和价带的平带图。层厚不按比例绘制。
图2是显示各种II-VI族二元化合物及其合金的晶格常数和带隙能级的曲线图。
图3是表示根据本发明一实施例的器件中发射出光的光谱的曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种包括位于pn结内部的第一势阱和不位于pn结内部的第二势阱的半导体器件。该势阱典型地是量子阱。该半导体器件典型地是LED。该LED典型地能够发出两个波长的光，一个对应于该第一势阱的跃迁能，第二个对应于该第二势阱的跃迁能。在典型操作中，第一势阱发出的光子是响应经过该pn结的电流，并且第二势阱发出的光子是对吸收第一势阱射出的一部分光子的响应。该半导体器件可能另外包含围绕或靠近或直接相邻第二势阱的吸收层。吸收层典型地具有的带隙能量小于或等于该第一势阱的跃迁能并且大于第二势阱的跃迁能。在典型操作中，该吸收层协助吸收第一势阱射出的光子。该半导体器件可能包含另外的势阱，位于该pn结的内部或不位于该pn结内部，还包括另外的吸收层。
根据本发明的半导体器件可以包括任何合适的半导体，包括IV族元素例如Si或Ge(除了在发光层中)，III-V化合物例如InAs、AlAs、GaAs、InP、AlP、GaP、InSb、AlSb、GaSb和它们的合金，II-VI化合物例如ZnSe、CdSe、BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS、MgS和它们的合金，或上面任何物质的合金。适当地，半导体可以由任意适当的方法或通过引入任意适当的掺杂剂做成n掺杂或p掺杂。
根据本发明的该半导体器件可能包含衬底。任何适当的衬底可以用于本发明的实践中。典型的衬底材料包含Si，Ge，GaAs，InP，蓝宝石，SiC，ZnSe，CdSe，ZnTe，GaSb以及InAs。最典型地，该衬底是InP。该衬底可能n掺杂、p掺杂或半绝缘的，其可以通过任何适当的方法或通过引入任意适当的掺杂剂来实现。另一方面地，根据本发明的该半导体器件可以无衬底。在一个实施例中，根据本发明的半导体器件可以形成在一衬底上然后与该衬底分离。
在本发明的一实施例中，半导体元件的不同层的成分按照下面的考虑选择。典型地，每层在那层给定的厚度处对于衬底是假晶的或对于衬底是晶格匹配的。另一方面，每层对于直接相邻的层是假晶的或晶格匹配的。典型地，势阱层材料和厚度被选择为提供期望的跃迁能，它对应于由量子阱发射的光的波长。例如，图2中标记460nm、540nm和630nm的点表示具有对应于460nm(蓝光)、540nm(绿光)和630nm(红光)波长的带隙能级并且具有接近InP衬底(5.8687埃或0.58687nm)晶格常数的Cd(Mg)ZnSe合金。势阱层足够薄以至于在阱中的带隙能级群上量子化产生跃迁能，势阱可看作量子阱。每个量子阱层的厚度决定量子阱中量子化能量的量，将其施加到带隙能级群来决定量子阱中的跃迁能。因此，与每个量子阱有关的波长可以通过调节量子阱层的厚度来调整。典型地，量子阱层的厚度在1nm和100nm之间，更典型地在2nm和35nm之间。相对于只基于带隙能量而期望的情况，典型地，该量子化能量转化为20到50nm的波长减少。在该发光层中的张力也可能改变用于势阱和量子阱的跃迁能，包括源于该假晶层之间不完全的匹配的晶胞常数的应变。该半导体器件的材料包含另外的n掺杂、p掺杂或无掺杂的(本征的)层，不包含势阱或吸收层，包括组成该pn结的层，典型地选择上述的材料，以对LED产生的光是透明的层。这些附加层的厚度典型地远大于用于该势阱的厚度，典型地至少50nm并一直到100um。
用于计算应变或未应变的势阱或量子阱的跃迁能的技术是本领域中已知的，例如在Herbert Kroemer， Quantum Mechanics for Engineering， Materials Science and Applied Physics(Prentice Hall，Englewood Cliffs，New Jersey，1994)pp.54-63；以及Zory，ed.. Quantum Well Lasers(Academic Press，San Diego，California，1993)pp.72-79。
可以选择任一适当的发射波长，包括那些在红外、可见光和紫外波段的波长。在本发明的一个实施例中，选择该发射波长以便通过该器件发出光的输出组合造成任意颜色的出现，该些颜色是可以通过两个、三个或更多的单色光源的组合产生的颜色，包括白光或接近白光的颜色、彩色、紫红、青色、等等。在另一个实施例中，根据本发明的该半导体器件发出不可见的红外线或紫外线波长光并且有一个可见光波长表明该器件在运转中。典型地，第一势阱与最高的跃迁能相关联(最短的波长)，以便从第一势阱射出的光子具有充分的能量来驱动其他的势阱。
图1是根据本发明一实施例结构中的半导体导带和价带的带图。层厚不按比例绘制。表1指出在该实施例中层1-14的构成以及用于该构成的带隙能量(Eg)。
表1
  层   构成   带隙能量(Eg)
  1   InP衬底   1.35eV
  2   n掺杂Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se   2.9eV
  3   Cd0.35Mg0.27Zn0.38Se   2.6eV
  4   Cd0.70Zn0.30Se   1.9eV
  5   Cd0.35Mg0.27Zn0.38Se   2.6eV
  6   n掺杂Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se   2.9eV
  7   Cd0.35Mg0.27Zn0.38Se   2.6eV
  8   Cd0.33Zn0.67Se   2.3eV
  9   Cd0.35Mg0.27Zn0.38Se   2.6eV
  10   n掺杂Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se   2.9eV
  11   无掺杂Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se   2.9eV
  12   Cd0.31Mg0.32Zn0.37Se   2.7eV
  13   无掺杂Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se   2.9eV
  14   p掺杂Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se   2.9eV
层10，11，12，13和14表示pn结，或者更准确地说，PIN结，因为中间的无掺杂的(“本征的”掺杂)层11，12和13被插入在n掺杂层10和p掺杂层14之间。层12表示该pn结内部的单个势阱，其为一个具有大约10nm厚度的量子阱。另一方面，该器件在该pn结内部可能包含多势阱或者量子阱。层4和8表示不在pn结内部的第二和第三势阱，每个都是具有大约10nm厚度的量子阱。另一方面，该器件可能包含不在该pn结内部的额外的势阱或者量子阱。进一步可选地，该器件可能包含不在该pn结内部的单个势阱或者量子阱。层3、5、7和9表示吸收层，每个具有大约1000nm的厚度。未示出的电接点提供用于供给该pn结的电流通路。电接点导电并典型地由导电的金属组成。该正向电接点，直接地，或者通过中间结构间接地，电连接到层14。该负向电接点，直接地，或者通过中间结构间接地，电连接到一个或多个层1，2，3，4，5，6，7，8，9或者10。
不希望限定于理论，相信本发明的实施例起作用是根据以下原理：当电流通过层14到层10，在该pn结中的量子阱(12)射出蓝色波长光子。光子以层14的方向移动可以离开该器件。在相反方向移动的光子可被吸收并作为绿色波长光子从第二量子阱(8)再射出或者作为红色波长光子从该第三量子阱(4)再射出。该蓝色波长光子的吸收产生了一电子空穴对，其可能在第二或者第三量子阱中重新结合，伴随着光子的发射。以层14的方向移动的绿色或者红色波长的光子可以离开该器件。从该器件发出的蓝色、绿色和红色波长光的多色组合可以出现白光或者接近白光的颜色。从该器件发出的蓝色、绿色和红色波长光的强度可以用任一适当的方式实现平衡，包括控制每个类型的势阱数目和通过利用过滤器或者反射层。图3是表示从根据本发明的一器件实施例中发射出的光的光谱。
再一次比照图1所示的实施例，吸收层3，5，7和9可能尤其适于吸收第一量子阱(12)射出的光子，因为它们具有在第一量子阱(12)的跃迁能与第二和第三量子阱(8和4)的跃迁能之间的带隙能量。典型地，在该吸收层3、5、7和9中吸收光子产生的电子空穴对在伴随光子发射的重新结合之前被第二或者第三量子阱8和4俘获。吸收层可以随意地掺杂，典型地例如围绕层，其在这个实施例可能为n掺杂。吸收层在其所有厚度或者厚度的一部分上的构成中可以随意地具有梯度，以便把电子和/或空穴漏向或者导向势阱。
根据本发明的该半导体器件可以包含导电、半导体的或者不导电材料的附加层。可以增加电接点层提供用于供给该LED的pn结的电流的通路。可以设置电接点层，由此电流提供给该pn结，同时通过不在pn结内的势阱，或者由此电流未经过不在该pn结内的势阱。可能增加光过滤层以改变或者修正通过该器件发出的光的光波长的平衡。为提高亮度和效率，包括镜面或者反射镜的层可能被增加在该LED元件的后面，例如，在衬底和LED元件之间，在衬底和LED元件后，在衬底内部或者包含衬底，或者在去除了衬底的LED之后。
在一个实施例中，根据本发明的该半导体器件是白光或者接近白光的LED，其发出蓝光、绿光、黄光和红光谱区四个主要波长。在一个实施例中，根据本发明的该半导体器件是白光或者接近白光的LED，其发出蓝光和黄光谱区两个主要波长。
根据本发明的该半导体器件可以包含额外的半导体元件，包括有源的或者无源的部件，例如电阻器、二极管、齐纳二极管、传统的LED、电容器、晶体管、双极晶体管、FET晶体管、MOSFET晶体管、绝缘栅双极晶体管、光敏晶体管、光检测器、SCR、闸流晶体管、三端双向可控硅开关、调压器、及其他电路元件。根据本发明的该半导体器件可以包含集成电路。根据本发明的该半导体器件可以包含显示面板或者照明面板。
根据本发明的多层结构可能通过任一适当的方法制造，其可以包括分子束外延(MBE)，化学气相淀积，液相外延和汽相外延。
根据本发明的该半导体器件可以是图形显示设备的一个元件或者关键部件，图形显示设备例如包括大的或小的屏幕视频监视器、电脑监视器或显示器、电视、电话机装置或电话机装置显示器、个人数字助理或个人数字助理显示器、传呼机或传呼机显示器、计算器或计算器显示器、游戏机或游戏机显示器、玩具或玩具显示器、大或小的器具或大或小的器具显示器、汽车的仪表板或汽车的仪表板显示器、汽车的内部或汽车的内部显示器、船舶仪表板或船舶仪表板显示器、船舶内部或船舶内部显示器、航空器仪表板或航空器仪表板显示器、航空器内部或航空器内部显示器、交通控制装置或交通控制装置显示器、广告显示器、广告牌、等等。
根据本发明的该半导体器件可能是一液晶显示器(LCD)或类似的显示器的一个元件或关键部件，如背光显示器。在一个实施例中，通过将根据本发明的该半导体器件发出的颜色匹配到该LCD显示器的彩色滤光镜，根据本发明的该半导体器件特别地被改造，以用于液晶显示器的背光。
根据本发明的半导体器件可能是照明设备的一个元件或关键部件，照明设备例如包括不需依靠支撑物的或嵌入式照明设备或灯、景观或建筑的照明设备、手持或装在车上的灯、汽车的前灯或尾灯、汽车的室内照明设备、汽车的或非汽车的信号设备、道路照明设备、交通控制信号设备、船舶灯或信号设备或室内照明设备、航空灯或信号设备或室内照明设备、大或小的器具或大或小的器具灯、等等；或用作红外线、可见光或紫外线的光源的任一设备或元件。
对本领域技术人员来讲，不脱离本发明的范围和原理，对本发明的各种各样的修改和变化都是显而易见的，并且可以理解的是，本发明不局限于上文中说明性的实施例。

Claims (53)

1.一种半导体器件，包括位于pn结内部的第一势阱和不位于pn结内部的第二势阱。
2.根据权利要求1的半导体器件，还包括靠近相邻所述第二势阱的吸收层。
3.根据权利要求1的半导体器件，还包括直接相邻所述第二势阱的吸收层。
4.根据权利要求2的半导体器件，其中所述第一势阱具有第一跃迁能，其中所述第二势阱具有第二跃迁能，并且其中所述吸收层具有的吸收层带隙能量小于或等于所述第一跃迁能并且大于所述第二跃迁能。
5.根据权利要求3的半导体器件，其中所述第一势阱具有第一跃迁能，其中所述第二势阱具有第二跃迁能，并且其中所述吸收层具有的吸收层带隙能量小于或等于所述第一跃迁能并且大于所述第二跃迁能。
6.根据权利要求1的半导体器件，还包括不位于pn结内部的第三势阱。
7.根据权利要求6的半导体器件，还包括直接相邻所述第二势阱的第一吸收层以及直接相邻所述第三势阱的第二吸收层。
8.根据权利要求7的半导体器件，其中所述第一势阱具有第一跃迁能，其中所述第二势阱具有第二跃迁能，其中所述第三势阱具有第三跃迁能，其中所述第一吸收层具有的第一吸收层带隙能量小于或等于所述第一跃迁能并且大于所述第二跃迁能，以及其中所述第二吸收层具有的第二吸收层带隙能量小于或等于所述第一跃迁能并且大于所述第三跃迁能。
9.根据权利要求1的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱。
10.根据权利要求2的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱。
11.根据权利要求3的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱。
12.根据权利要求4的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱。
13.根据权利要求5的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱。
14.根据权利要求6的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱，并且其中所述第三势阱是量子阱。
15.根据权利要求7的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱，并且其中所述第三势阱是量子阱。
16.根据权利要求8的半导体器件，其中所述第一势阱是量子阱，其中所述第二势阱是量子阱，并且其中所述第三势阱是量子阱。
17.根据权利要求1的半导体器件是LED。
18.根据权利要求2的半导体器件是LED。
19.根据权利要求3的半导体器件是LED。
20.根据权利要求4的半导体器件是LED。
21.根据权利要求5的半导体器件是LED。
22.根据权利要求6的半导体器件是LED。
23.根据权利要求7的半导体器件是LED。
24.根据权利要求8的半导体器件是LED。
25.根据权利要求9的半导体器件是LED。
26.根据权利要求10的半导体器件是LED。
27.根据权利要求11的半导体器件是LED。
28.根据权利要求12的半导体器件是LED。
29.根据权利要求13的半导体器件是LED。
30.根据权利要求14的半导体器件是LED。
31.根据权利要求15的半导体器件是LED。
32.根据权利要求16的半导体器件是LED。
33.根据权利要求24的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于绿色、蓝色或紫色波长的可见光，其中所述第二跃迁能对应于黄色、绿色或蓝色波长的可见光，其中所述第三跃迁能对应于红色、橙色或黄色波长的可见光。
34.根据权利要求24的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于蓝色或紫色波长的可见光，其中所述第二跃迁能对应于黄色或绿色波长的可见光，其中所述第三跃迁能对应于红色或橙色波长的可见光。
35.根据权利要求21的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于紫外线波长的光并且其中所述第二跃迁能对应于可见光波长的光。
36.根据权利要求21的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于可见光波长的光并且其中所述第二跃迁能对应于红外波长的光。
37.根据权利要求32的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于绿色、蓝色或紫色波长的可见光，其中所述第二跃迁能对应于黄色、绿色或蓝色波长的可见光，其中所述第三跃迁能对应于红色、橙色或黄色波长的可见光。
38.根据权利要求32的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于蓝色或紫色波长的可见光，其中所述第二跃迁能对应于黄色或绿色波长的可见光，其中所述第三跃迁能对应于红色或橙色波长的可见光。
39.根据权利要求29的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于紫外线波长的光并且其中所述第二跃迁能对应于可见光波长的光。
40.根据权利要求29的半导体器件，其中所述第一跃迁能对应于可见光波长的光并且其中所述第二跃迁能对应于红外波长的光。
41.一种图形显示设备，包括根据权利要求1的半导体器件。
42.一种照明设备，包括根据权利要求1的半导体器件。
43.一种图形显示设备，包括根据权利要求21的半导体器件。
44.一种照明设备，包括根据权利要求21的半导体器件。
45.一种图形显示设备，包括根据权利要求24的半导体器件。
46.一种照明设备，包括根据权利要求24的半导体器件。
47.一种图形显示设备，包括根据权利要求29的半导体器件。
48.一种照明设备，包括根据权利要求29的半导体器件。
49.一种图形显示设备，包括根据权利要求32的半导体器件。
50.一种照明设备，包括根据权利要求32的半导体器件。
51.根据权利要求1半导体器件是紫红色发光LED。
52.根据权利要求1半导体器件是青色发光LED。
53.一种液晶显示器，包括根据权利要求1的半导体器件。
54.一种液晶显示器，包括根据权利要求33的半导体器件，其中所述第一、第二和第三跃迁能与该液晶显示器的多个颜色滤光镜相匹配。
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