本发明涉及包括一个或多个量子阱的发光二极管(称为led)的领域以及包括这样的led的显示装置的领域。本发明有利地涉及被配置用于发射绿光和/或红光的led。
背景技术
为了制造发射绿色光(其对应于介于约500nm至580nm之间或例如525nm或530nm量级的光发射)的led，已知的是，使用均被布置在两个gan势垒层之间的ingan发射层来形成量子阱。
然而，由于发射层中的铟的量增加时产生的ingan的质量退化的事实，这样的led不是非常有效(由于当发射层中的铟的比例增加时ingan和gan之间的晶格参数的差异增大)。
克服该问题的一种方式是使用包括第一部分的led，该第一部分形成被配置用于发射例如在约440nm至450nm之间的波长的蓝色光的发射结构，该第一部分耦接至第二部分，该第二部分形成用于对由发射结构发射的光进行波长转换的结构并且包括将蓝光转换为绿光的转换层。发射蓝光的这样的发射结构可以由量子阱制造，其中，发射层包含具有约16％的铟水平或浓度的ingan，并且其中，势垒层包括gan。转换层也可以包括量子阱。
在直接发射式显示装置的情况下，这种方法特别受人关注，因为直接发射式显示装置可能使得能够通过较小厚度转换蓝光。例如，在设置有以约10μm的间距制成的像素的微型屏幕的情况下，将蓝光转换为绿光通过约10μm的厚度进行。
为了制作这样的转换层，可以使用gan/ingan量子阱。然而，这样的转换层面临两个问题：
-首先，在转换结构内，对由发射结构发射的蓝光的吸收仅在ingan发射层中进行。由于这些发射层具有低的厚度，所以蓝光被弱吸收。由于由转换层接收的光的这种低吸收，为了转换由led发射并由转换层接收的入射蓝光的至少80％，有必要使用至少20个ingan量子阱，每个量子阱均具有约3nm的厚度。有了这样多的量子阱，ingan的质量会下降，就像在厚ingan层中一样。此外，这种高数量的限制能级扩大了发射波长带，并且还引起了由第一阱旁边的第二阱对由第一阱发射的光的再次吸收的问题。
-此外，为了发射波长为约525nm的绿光，转换结构的ingan发射层中的铟的水平或浓度等于约25％。使用这样的浓度，在发射层的ingan和其上制有发射层的势垒层的gan之间存在很强的晶格参数差异。因此产生的发射层质量非常差。
因此，使用这样的gan/ingan量子阱，转换层是效率低的，获得的转换效率(所吸收的光子数量与在所需波长再发射的光子数量之比)小于20％。
在制造红色led时形成类似的问题，这是由于ingan发射层中的铟浓度在这种情况下必须为约30％或者甚至40％，该红光led对应于约590nm至800nm之间的光发射，该红光led包括具有旨在将蓝光转换成红光的gan/ingan量子阱的转换层。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提出一种被配置用于发射具有良好转换效率的绿色光或红色光的发光二极管。
为此，本发明提出了一种发光二极管，其至少包括：
-用于发射至少一种第一波长λ1的光的结构，该结构包括p-n结，在p-n结中布置有有源区，该有源区包括由第一发射层形成的至少一个第一量子阱，第一发射层包含布置在两个第一势垒层之间的inx1ga1-x1n；
-转换结构，该转换结构被配置用于将要由发射结构发射的光转换为不同于第一波长λ1的至少一种第二波长λ2，该转换结构布置在发射结构上并且包括由第二inx2ga1-x2n发射层形成的至少一个第二量子阱，该第二inx2ga1-x2n发射层布置在两个第二势垒层之间，所述两个第二势垒层各自包括通过至少一个第一gan中间层彼此分开的多个第一inx3ga1-x3n吸收层；
其中，铟浓度x1、x2和x3为使得0<x1<x2并且eg(inx2ga1-x2n)<eg(inx3ga1-x3n)≤h*c/λ1，
其中：
-eg对应于带隙或禁带能隙；
-h对应于等于约6.63*10-34j·s的普朗克常数；
-c对应于等于约299,792,458m/s的光速。
在该led中，转换结构包括量子阱，在量子阱中对由发射结构发射的光的吸收不仅通过一个或多个第二发射层来进行，而且还通过包含具有等于x3的铟组份的ingan的第二势垒层的吸收层进行。由于第一gan中间层的存在，这使得可以在不降低该半导体的质量的情况下获得良好的ingan总厚度，所以可以制造这样厚的具有相对高的铟组份的第二势垒层，因为通过外延制作第二势垒层，因此这些第一中间层对要生长的材料的晶格参数进行“重新初始化”，使得能够在不降低半导体的质量的情况下连续制作多个ingan吸收层。没有gan中间层而厚度等于位于第二发光层的一侧上的第一吸收层的厚度的ingan层将具有比这些第一吸收层的质量低得多的质量。
例如，通过在gan上生长厚度等于14nm的单层in0.14ga0.86n，所制作的ingan的质量差，这是因为在这样的铟浓度下，该厚度太高而不能获得会实现良好的光吸收的良好质量的ingan。另一方面，通过在gan上生长厚度等于7nm的第一in0.14ga0.86n层，然后在该第一in0.14ga0.86n层上制作几个原子单层的gan中间层，并且最后在gan中间层上生长厚度等于7nm的第二in0.14ga0.86n层，该第二in0.14ga0.86n层的半导体质量具有与第一in0.14ga0.86n层的质量相当的质量，由于在gan上形成七纳米的第二层的in0.14ga0.86n的这一事实，因此与厚度等于14nm的单个in0.14ga0.86n层的、形成在同一层的头七纳米上的最终七纳米不同。
此外，第一吸收层的铟浓度x3的低值是根据第一发射层中的铟浓度x1以及发射结构的一个或多个第一量子阱的厚度的。铟浓度x1越低并且发射结构的第一量子阱越薄，第一波长λ1的值越低，这使得第一吸收层中的铟浓度x3也可能低。
铟浓度x1和x3可以为使得x1<x3，这可以提高通过第一吸收层的光吸收。事实上，可能使发射能量略大于带隙eg(inx1ga1-x1n)的能量，也就是说使h*c/λ1>eg(inx1ga1-x1n)。这是由因为发射结构中的发射发生在稍大于eg(inx1ga1-x1n)的能量处而产生的量子限制所导致的。能量h*c/λ1均大于eg(inx1ga1-x1n)，发射结构中的阱较薄。
然而，由于发射结构中组份x1的阱中的量子限制的事实，可能使铟浓度x1和x3为使得x3<x1。这是有利的，以便不必生长具有太高组份x3的吸收层。例如，有利地，如果发射结构中的阱的厚度小于约2nm，则可以有利地使x1＝0.15并且x3＝0.14。
当第一波长λ1对应于蓝光的波长，例如介于约440nm至500nm之间时，铟浓度x3可能为使得0.14≤x3。
利用这样的第二势垒层，转换结构的总厚度因此可以大于或等于约40nm，而不必制作大量的量子阱，这使得转换结构能够实现对由发射结构发射的光的良好吸收，从而具有良好的转换效率。事实上，由于由吸收层进行的吸收，转换效率不受转移到转换结构的一个或多个第二量子阱的电荷的限制，而取决于用于材料性质的在以下方面的参数：间接(shockleyreadhall(srh))复合率(srh)和俄歇复合率。
转换结构的总厚度，也就是说一个或多个第二量子阱的总厚度可以大于或等于约60nm，这使得转换结构能够获得更好的光吸收。有利地，该厚度可以大于或等于约100nm，或者甚至200nm。
发射结构可以包括一个或更多个第一量子阱。
转换结构可以包括介于1至50个之间的多个第二量子阱。因此，避免了对由其他量子阱转换的光的重新吸收。
在具有条件x1<x2的情况下，这意味着被标记为eg(inx2ga1-x2n)的inx2ga1-x2n的带隙小于被标记为eg(inx1ga1-x1n)的inx1ga1-x1n的带隙。
第一波长例如介于约440nm值500nm之间(对应于蓝光的光谱)，并且第二波长例如介于约500nm至580nm之间(对应于绿光的光谱)或介于约590nm至800nm之间(对应于红光的光谱)。
每个第一势垒层可以包括gan层。
铟浓度x1可以介于约0.09至0.18之间，并且例如等于约0.15，和/或铟浓度x2可以为使得x2≥0.22，和/或铟浓度x3可以为使得0.08≤x3≤0.22或有利地0.14≤x3≤0.18。有利的是，为了获得到绿光的转换，铟浓度x2可以在约0.22至0.25之间，以及例如等于约0.25以获得到约530nm的第二波长的转换。为了获得到红光的转换，铟浓度x2可以介于约0.3至0.4之间，以及例如等于约0.35以获得到约620nm的第二波长的转换。
未靠第二发射层布置的每个第一吸收层可以具有小于9nm的厚度，和/或第二发射层和靠第二发射层布置的两个第一吸收层的总厚度可以小于9nm。因此，在转换结构内，不以连续的方式将ingan制成大于9nm的厚度，这可以避免所述ingan的任何退化。
每个第一gan中间层可以具有1至4个原子单层之间并且有利地介于1至2个原子单层之间的厚度。
每个第二势垒层可以包括两个第一吸收层和第一中间层。
转换结构可以包括由第三inx4ga1-x4n发射层形成的至少一个第三量子阱，该第三inx4ga1-x4n发射层布置在两个第三势垒层之间，该两个第三势垒层各自包括通过至少一个第二gan中间层彼此分开的多个第二inx5ga1-x5n吸收层，其中，铟浓度x4和x5为使得x1<x4并且eg(inx4ga1-x4n)<eg(inx5ga1-x5n)≤h*c/λ1，其中，x2的值与x4的值不同。这样的转换结构因此可以是多色的，也就是说被配置用于将由发射结构发射的光转换成至少两个不同的波长或两个不同的波长范围。
铟浓度x2可以介于0.22至0.25之间，并且铟浓度x4可以介于0.3至0.4之间。
本发明还涉及用于制造至少一个发光二极管的方法，其至少包括：
-制造用于发射至少一种第一波长λ1的光的结构，该结构包括p-n结，在p-n结中布置有有源区，该有源区包括由第一发射层形成的至少一个第一量子阱，第一发射层包含布置在两个第一势垒层之间的inx1ga1-x1n；
-制造转换结构，该转换结构被配置用于将要由发射结构发射的光转换为不同于第一波长λ1的至少一种第二波长λ2，该转换结构布置在发射结构上并且包括由第二inx2ga1-x2n发射层形成的至少一个第二量子阱，该第二inx2ga1-x2n发射层布置在两个第二势垒层之间，该两个第二势垒层各自包括通过至少一个第一gan中间层彼此分开的多个第一inx3ga1-x3n吸收层；
其中，铟浓度x1、x2和x3为使得0<x1<x2并且eg(inx2ga1-x2n)<eg(inx3ga1-x3n)≤h*c/λ1，
其中：
-eg对应于带隙或禁带能隙；
-h对应于等于约6.63*10-34j·s的普朗克常数；
-c对应于等于约299,792,458m/s的光速。
发射结构和转换结构的层可以通过外延来制作。
附图说明
因此，通过参照附图并且通过阅读对以纯粹指示性目的并且绝不限制的给出的示例性实施方式的描述，本发明将被更好地理解，在附图中：
-图1示出了根据一个特定实施方式的发光二极管；
-图2和图3示出了发光二极管的转换结构的示例性实施方式。
下文所述的不同附图中的相同、相似或等同部分具有相同的附图标记，以便从一个图形到下一个图形更容易。
图中示出的不同部分不一定根据统一的比例以使图更易读。
不同的可能性(替选例和实施方式)应该被理解为不是相互排斥的而是可以被组合在一起。
具体实施方式
首先参照图1，图1示出了根据一个特定实施方式的发光二极管或led100。
在本文中使用的符号inxga1-xn中，x表示半导体材料的铟组份或铟浓度，也就是说，铟相对于inxga1-xn中的铟和镓的总量的比例。此外，特征eg(inxga1-xn)对应于inxga1-xn半导体的带隙或禁带间隙。
led100由两部分形成：形成发射结构102的第一部分，该发射结构102被配置用于发射包括至少一个第一波长λ1或第一波长范围的光；以及形成转换结构104的第二部分，该转换结构104布置在发射结构102上并被配置用于将由发射结构102发射的光转换为包括不同于第一波长的至少一个第二波长λ2或不同于第一波长范围的第二波长范围的光。
发射结构102对应于常规的led结构，并且发射结构102包括：由第一层106形成的p-n结，该第一层106包括其中施主浓度例如等于约1019个施主/cm3的n掺杂的gan(n-gan)；第二层108，该第二层108包括其中受体浓度例如等于约1019个受体/cm3的p掺杂gan(p-gan)。这两个层106和108各自具有例如介于约20nm至10μm之间的厚度(沿着图1中所示的z轴的尺寸)。一般而言，第一层106可以具有介于约1017至1020个施主/cm3之间的施主浓度，并且第二层108可以具有介于约1015至1020个受体/cm3之间的受体浓度。
或者，第一层106可能包含n-ingan，其中，铟浓度例如介于0至约20％之间。此外，当第一层106的ingan中的铟浓度不为零时，第二层108可以包括p-ingan。在这种情况下，第二层108的ingan中的铟浓度有利地小于第一层106的ingan中的铟浓度，并且例如介于约0％至15％之间。
发射结构102在层106和108之间包括由本征半导体形成的有源区110，其包括由布置在两个第一势垒层114之间的第一发射层112形成的至少一个第一量子阱。在这里描述的特定实施方式中，发射结构102包括被标记为112.1、112.2和112.3的三个第一发射层112。一般而言，发射结构102可以包括n个第一发射层112，其中，n为使得n≥1并且有利地使得3≤n≤6的整数。此外，第一发射层112包含inx1ga1-x1n。第一发射层112的半导体不是有意掺杂的(残余施主浓度，例如nnid＝1017个施主/cm3)。最后，第一发射层112中的每个第一发射层具有例如等于约3nm或介于1nm至5nm之间的厚度。
第一发射层112的ingan的铟水平可以逐层不同，发射结构102在这种情况下被配置为从一个第一发射层112到下一个第一发射层112根据不同波长来发射。但是，有利地，第一发射层112的ingan中的铟浓度从一个第一发射层到下一个第一发射层是相似的，发射结构102在这种情况下被配置用于发射单色光。在所有情况下，一个或多个第一发射层112内的铟浓度的值根据意图要发射的一种或多种波长来选择。
在这里描述的具体实施方式中，第一发射层112包括in0.16ga0.84n(也就是说，对于84％的镓包括16％的铟的比例)，或者更一般地，具有介于约0.09至0.18之间的x1的inx1ga1-x1n。这样的第一发射层112使得发射结构102能够发射蓝色光。
发射结构102的有源区110还包括：第一势垒层114(在图1所示的发射结构102中数量为4个，并且被标记为114.1、114.2、114.3和114.4)，该第一势垒层114包括厚度例如等于约8nm的例如非有意掺杂的gan(残余施主浓度为例如使得nnid＝1017个施主/cm3)。四个第一势垒层114中的两个第一势垒层114各自插入在两个连续的第一发射层112之间，并且另外两个第一势垒层114各自插入在第一发射层112中之一和层106和108中之一之间。因此，第一势垒层114.1布置在第一层106和第一发射层112.1之间。第一势垒层114.2布置在第一发射层112.1和112.2之间。第一势垒层114.3布置在第一发射层112.2和112.3之间。第一势垒层114.4布置在第一发射层112.3和第二层108之间。每个第一发射层112和在其间定位该第一发射层112的两个第一势垒层114形成第一量子阱。
或者，第一势垒层114可能不会包含gan而是包含ingan。在这种情况下，第一势垒层114的半导体的铟浓度的值小于第一发射层112的半导体的铟浓度的值，并且因此例如介于约0.01至0.1之间。
一般而言，包括n个第一发射层112(其中n是大于或等于1的整数)的发射结构102因此包括n+1个第一势垒层114。有源区110由n个第一发射层层112和n+1个第一势垒层114形成。层112和114可以具有介于约1016至1020个施主/cm3之间的残余施主浓度。
有源区110的各层通过在形成生长衬底的厚gan层116上进行外延(例如mocvd)来制作。
或者，层116可以包含ingan。在这种情况下，发射结构102可以有利地对应于完全由ingan形成的结构，也就是说，其中层116、106、112、114和108包括ingan。
或者，可以在层108和有源区110之间插入p掺杂algan层。该algan层可以包括等于约1019个受体/cm3的浓度，介于约5％至25％的铝浓度以及介于5nm至100nm之间的厚度。这样的algan层使得可以阻挡从有源区泄漏到结的p侧(也就是说第二层108)的电子电流。
图2中示意性地示出了led100的转换结构104的第一示例性实施方式。
转换结构104包括一个或更多个第二量子阱，其旨在将由发射结构102发射的光的一种或多种第一波长转换成包括不同于第一波长或波长范围的第二波长或第二波长范围的光。每个第二量子阱由布置在两个第二势垒层120之间的第二发射层118形成。在这里描述的第一特定示例性实施方式中，转换结构104包括被标记为118.1和118.2的两个第二发射层118，均被布置在被标记为120.1、120.2和120.3的两个第二势垒层120之间，从而形成两个第二量子阱。一般而言，转换结构104可以包括m个第二发射层118，其中m为使得m≥1并且有利地使得1≤m≤5的整数。
第二势垒层120.1布置在发射结构102和第二发射层118.1之间。第二势垒层120.2布置在第二发射层118.1和118.2之间。第二势垒层120.3布置在第二发射层118.2上并且形成要由led100通过其发射已经被转换的波长的光的面。
第二发射层118包含inx2ga1-x2n。在这里描述的第一示例性实施方式中，第二发射层118的ingan的铟浓度x2大于约22％，这里等于约25％。因此，由发射结构102发射的光被转换成绿光。
第二发射层118的半导体不是有意掺杂的(残余施主浓度例如使得nnid＝1017个施主/cm3)。最后，第二发射层118中的每个第二发射层具有例如介于约1nm至5nm之间的厚度。
与分别由单层材料形成的第一势垒层114不同，第二势垒层120中的每个第二势垒层由多层不同材料的堆叠形成。第二势垒层120中的每个第二势垒层包括通过至少一个gan中间层124彼此分开的多个inx3ga1-x3n吸收层122。在图2的示例性实施方式中，第二势垒层120中的每个第二势垒层包括通过两个中间层124彼此分开的三个吸收层122。吸收层122的ingan的铟浓度x3使得eg(inx2ga1-x2n)<eg(inx3ga1-x3n)≤h*c/λ1。在发射蓝光的发射结构102的情况下，吸收层122的ingan的铟浓度x3可以为使得0.14≤x3<x2。
与gan势垒层例如在发射结构102中使用的gan势垒层不同，第二势垒层120包含铟浓度低于第二发射层118的ingan的铟浓度的ingan。第二势垒层120的ingan还是形成吸收层122的材料。因此，对由发射结构102发射的光的吸收不仅被第二发射层118吸收，而且被第二势垒层120中存在的吸收层122吸收。
此外，第二量子阱的总厚度，也就是说转换结构104的总厚度(平行于图2的z轴的尺寸)在这里大于或等于约40nm，这使得转换结构104能够实现对发射结构102发射的光的良好吸收，以便对该光中存在的一种或多种波长进行转换。在这里描述的特定实施方式中，给定之前提到的铟浓度x1和x2，由于由转换结构104将由发射结构104发射的蓝光转换成绿光，led100被配置为发射绿光。
有利地，转换结构104的厚度大于或等于约60nm，或者大于或等于约100nm，或者甚至大于或等于约200nm，由于这样的厚度意味着存在吸收由发射结构102发射的光的较大厚度的材料，这进一步增加了由转换结构104实现的相对于由发射结构102发射的光的吸收。
由于gan中间层124的存在，转换结构104的这种大厚度是可能的，其在通过外延制作第二势垒层120期间产生晶格参数的弛豫并且使得所获得的ingan的总厚度比在不存在所述gan中间层的情况下可能实现的总厚度要大得多。
此外，为了使吸收层122和第二发射层118的ingan质量良好，位于两个连续中间层124之间的ingan的厚度(也就是说，吸收层122中的一个吸收层的厚度，或者第二发射层118和两个相邻的吸收层122的厚度)优选地小于约9nm。此外，每个gan中间层124的厚度例如在1至4个原子单层之间，并且优选在1至2个原子单层之间。
利用图2中示出的具有80nm的总厚度并且包括两个第二in0.25ga0.75n发射层118、gan中间层124(每个第二发射层118的每侧上两个)以及在其间布置中间层124的in0.14ga0.86n吸收层122的转换结构114，这可以吸收100w/cm2的入射通量的约80％。通过制作如下的转换结构104，所制成的结构可吸收100w/cm2的入射通量的约97％：该转换结构104具有140nm的总厚度并且包括两个第二in0.25ga0.75n发射层118、gan中间层124(每个第二发射层118的每侧上四个)以及其间布置有中间层124的in0.14ga0.86n吸收层122。
所获得的转换效率例如在根据入射通量的约76％和80％之间。
图3示出了转换结构104的第二示例性实施方式。在该第二示例性实施方式中，每个第二势垒层120包括单个gan中间层124。对于与根据第一示例性实施方式的转换结构104的总厚度相同的总厚度，根据该第二示例性实施方式的转换结构104包括更多数量的量子阱，这里是五个。先前关于第一示例性实施方式描述的不同替选也可适用于该第二示例性实施方式。
根据替选实施方式，转换结构104可以是多色的。除了被配置用于将由发射结构102发射的光(包括第一波长或第一波长范围)转换为包括第二波长或第二范围的光例如绿色光的一个或多个第二量子阱之外，这样的结构还包括一个或更多个第三量子阱，所述一个或更多个第三量子阱被配置用于将由发射结构102发射的光转换成包括不同于第二波长或第二波长范围的第三波长或第三波长范围的光。量子阱之间的这种转换差异是通过用包含不同铟浓度的ingan制作这些阱的发射层而获得的。
这样的多色转换结构104例如对应于与图2所示的结构相似的结构，其中，发射层118.1的ingan的铟浓度不同于发射层118.2的ingan的铟浓度。因此，发射层118.1和势垒层120.1和120.2可以形成量子阱，其中发射层118.1的inx2ga1-x2n为使得x2＝0.25，以便该量子阱进行到约530nm的波长(绿光)的转换，并且发射层118.2和势垒层120.2和120.3可以形成量子阱，其中发射层118.2的inx4ga1-x4n使得x4＝0.35，以便该量子阱进行到约620的nm的波长(红光)的转换。
以类似的方式，图3所示的转换结构104可以对应于多色转换结构，其中，在这种情况下，该结构的量子阱中的一个或更多个量子阱进行到某种波长的转换，并且一个或多个另一量子阱进行到另一波长的转换。
当所述结构包括多于两个量子阱时，转换结构也可以根据多于两种波长或多于两种波长范围进行多色光的转换。
在上述示例性实施方式和替选例中，不同层的ingan中的铟组份在该层或这些层中的每一层内基本恒定。或者，转换结构104和/或发射结构102的层中的一个或多个层的铟组份沿着堆叠led100的不同层方向(也就是说平行于z轴)在两个值之间变化。然而，这些变化使得前面提到的铟浓度x1、x2和x3的条件总是被证实，也就是说，0<x1<x2并且eg(inx2ga1-x2n)<eg(inx3ga1-x3n)≤h*c/λ1。
从如图1所示的led100的结构，接下来制作电极，使得它们电连接到第一层106和第二层108。
之前描述的led100可以以平面二极管的形式制作，也就是说以例如通过在衬底上外延形成的层的堆叠的形式来制作，如图1所示，不同层的主面平行于衬底的平面(平行于平面(x，y))布置。在替选例中，led100还可以以例如文献wo2014/154690a1中所描述的轴向或径向的纳米线的形式制作。