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CN114078989A - 全彩发光器件 - Google Patents

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CN114078989A CN202110907217.0A CN202110907217A CN114078989A CN 114078989 A CN114078989 A CN 114078989A CN 202110907217 A CN202110907217 A CN 202110907217A CN 114078989 A CN114078989 A CN 114078989A
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Abstract

一种全彩发光器件具有：衬底，被形成为衬底层；缓冲层，形成在衬底层上；以及N‑掺杂层，形成在缓冲层上。第一双色蓝色绿色MQW有源区、负电极及第二双色蓝色绿色MQW有源区形成在N‑掺杂层上。第一P‑掺杂层形成在第一双色蓝色绿色MQW有源区上。第二P‑掺杂层形成在第二双色蓝色绿色MQW有源区上。第一P+掺杂层形成在第一P‑掺杂层上。第二P+掺杂层形成在第二P‑掺杂层上。第一正电极形成在第一P+掺杂层上。第二正电极形成在第二P+掺杂层上。具有红色发光材料的蓝色/绿色LED发射全光谱。

Description

全彩发光器件
技术领域
本发明属于发光二极管(light-emitting diode，LED)面板显示技术领域，更具体来说是用作显示器中的全色像素或照明系统中的光组件的红绿蓝(Red-Green-Blue，RGB)LED元件。
背景技术
在现有技术中已论述用于发光图形显示器的多种不同的像素器件。举例来说，在发明人詹姆斯W.瑞林(James W.RARING)等人在2013年1月15日公布的名称为用于形成激光二极管的生长结构及方法(Growth Structures And Method For Forming Laser Diodes)的美国专利第8,355,418号中，摘要公开“一种光学器件，所述光学器件具有针对出光的一个或多个选定的波长配置的结构化有源区且形成在斜切(off-cut)的m面含镓及含氮衬底上。”
再举例来说，在发明人马尤科·福迪塔(Mayuko Fudeta)等人在2019年9月12日公布的名称为氮化物半导体发光器件及其生产方法(Nitride Semiconductor Light-Emitting Device and Method For Producing the Same)的美国公布第US9530932B2号中，摘要公开“一种具有第一导电型氮化物半导体层的氮化物半导体发光器件、设置在第一导电型氮化物半导体层上的超晶格层、设置在超晶格层上的有源层、以及设置在有源层上的第二导电型氮化物半导体层。超晶格层的平均载流子浓度高于有源层的平均载流子浓度。”
发明内容
[发明的概要]
本发明是一种红绿蓝(RGB)发光二极管(LED)元件，所述RGB LED元件具有被分成两个子部分的单片式双色(蓝色及绿色)发光器件，其中一个子部分局部地覆盖有红色发光材料。通过选择不同的输入，在第一子像素中独立地产生绿色出光及蓝色出光。通过在第二子像素中产生的绿色出光和/或蓝色出光的下变频(down-conversion)产生第二子像素中的红色出光。因此，可从此单个器件各别地获得三种原色(蓝色、绿色及红色)。单个器件具有三个端子，即一个阴极及两个阳极，所述三个端子可通过三种原色的混合色发出全色光谱。
来自此双色LED的出光是波长可调的。电流脉冲强度及脉冲强度宽度调制(pulseintensity width modulation，PIWM)提供各别的彩色像素颜色补偿(color pixel colorcompensation)。可在不关闭器件电源的条件下实行颜色合成。每一各别的彩色像素具有当前脉冲强度及脉冲宽度颜色组成。
红色发光材料可为红色量子点、红色磷光体、稀土材料或其他红色材料。红色发光材料可为颗粒、凝胶、膜或板的形式。本发明器件可以精确的比率发射三种原色，以模拟不同时间处的自然阳光。因此，可基于此种单个器件实现校正色温(corrected-color-temperature，CCT)可控的白光LED。
本申请提供，一种全彩发光器件具有：被形成为衬底层的衬底，例如蓝宝石、Si、GaN、SiC、石墨烯等；缓冲层，形成在衬底层上；以及N-掺杂层，形成在缓冲层上。第一双色蓝色绿色多量子阱(multiple quantum well，MQW)有源区、负电极、第二双色蓝色绿色MQW有源区形成在N-掺杂层上。第一P-掺杂层形成在第一双色蓝色绿色MQW有源区上。第二P-掺杂层形成在第二双色蓝色绿色MQW有源区上。第一P+掺杂层形成在第一P-掺杂层上。第二P+掺杂层形成在第二P-掺杂层上。第一正电极形成在第一P+掺杂层上。第二正电极形成在第二P+掺杂层上。
红色发光层安装在所述第二P+掺杂层之上。第一双色蓝色绿色MQW有源区被配置成当所述第一正电极具有大的电流(例如处于360mA)时输出具有介于450nm与475nm之间的峰值波长的蓝色出光。
第一双色蓝色绿色MQW有源区被配置成当所述第一正电极具有低的电流(例如，处于40mA)时输出具有介于500nm与550nm之间的峰值波长的绿色出光。所述第一双色蓝色绿色MQW有源区是由层叠结构形成的，所述层叠结构包括形成在绿色发光层之上的P-AlGaN电子阻挡层，且所述绿色发光层形成在GaN障壁层之上。所述GaN障壁层形成在蓝色发光层之上。所述蓝色发光层形成在InGaN顺应层(compliance layer)之上。
绿色发光层包括可发射具有介于500nm到550nm的范围内的波长的绿光的多量子阱(MQW)结构。在此MQW结构中，3nm厚的In0.25Ga0.75N层用作有源层且夹置在两个GaN(9nm)障壁层之间以形成一组量子阱(quantum well，QW)。绿色发光层可包含一组到三组量子阱以形成MQW结构。
蓝色发光层包括可发射具有介于450nm到470nm的范围内的波长的蓝光的多量子阱(MQW)结构。在此MQW结构中，3nm厚的In0.15Ga0.85N层用作有源层且夹置在两个GaN(9nm)障壁层之间以形成一组量子阱(QW)。蓝色发光层可包含两组到十组量子阱以形成蓝色MQW结构。
附图说明
图1是单片式双色蓝色绿色LED的示意图。
图2是示出根据本发明示例性实施例的LED的剖视图。
图3是示出本发明的双模式操作的电路图。
图4是示出绿光发射的图表。
图5是示出蓝光发射的图表。
图6是示出LED芯片的三维布局架构的图表。
图7是单片式双色蓝色绿色LED的示意图。
[符号说明]
元件的以下调用列表可为对图式的元件编号进行参照的有用指南。
11 第一正电极
12 负电极
13 第二正电极
13A 正电极
14 红色发光层
15 红色发光材料
16 第一子像素
17 第二子像素
18 第一正电极轨条
19 第二正电极轨条
20 P+掺杂层
21 第一P+掺杂层
22 第二P+掺杂层
22A P+掺杂层
23 绿色出光和/或蓝色出光
24 红色出光
24A 红色出光
25 在40mA下进行的绿色出光
25A 绿色出光
26A 蓝色出光
26 在360mA下进行的蓝色出光
30 P-掺杂层
31 第一P-掺杂层
32 第二P-掺杂层
32A P-掺杂层
40 MQW有源区
41 第一双色蓝色绿色MQW有源区
42 第二双色蓝色绿色MQW有源区
42A 双色多量子阱有源区
43 P-AlGaN电子阻挡层
44 绿色发光层
45 GaN障壁层
46 蓝色发光层
47 InGaN顺应层
50 N-掺杂层
60 缓冲层
70 衬底
具体实施方式
[词汇表]
LED代表发光二极管
MQW代表多量子阱
P+掺杂层代表正电荷掺杂层
N-掺杂层代表负电荷掺杂层
InGaN代表氮化铟镓
GaN代表氮化镓
AlGaN代表氮化铝镓
mA代表毫安
如图1中所见，第一正电极11形成在P+掺杂层20上。P+掺杂层20形成在P-掺杂层30上。P-掺杂层30形成在多量子阱(MQW)有源区40上。多量子阱有源区形成在N-掺杂层50上。N-掺杂层50形成在缓冲层60上。负电极12形成在N-掺杂层50上。缓冲层60形成在衬底70上。
MQW有源区40位于P-掺杂层30与N-掺杂层50之间。MQW有源区40具有在绿色发光层44之上形成的P-AlGaN电子阻挡层43。绿色发光层具有带有In0.25Ga0.75N(3nm)/GaN(9nm)的多量子阱(MQW)结构。绿色发光层44可形成在子层中。
绿色发光层由3nm厚的In0.25Ga0.75N有源层及两个GaN(9nm)障壁层组成，以形成一组量子阱(QW)。绿色发光层可包含一组到三组量子阱以形成MQW结构。
绿色发光层44形成在GaN障壁层45之上，且GaN障壁层45形成在蓝色发光层46之上。蓝色发光层46具有形成有In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm)的多量子阱(MQW)结构。
蓝色发光层46优选由多量子阱(MQW)结构(尤其是In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm))制成。蓝色发光层46形成在InGaN顺应层47上。蓝色发光层由3nm厚的In0.15Ga0.85N有源层及两个GaN(9nm)障壁层组成，以形成一组量子阱(QW)。蓝色发光层可包含两组到十组量子阱以形成MQW结构。
如图2中所见，第一子像素16及第二子像素17彼此邻近地形成在单个衬底70上。第一正电极11邻近第二正电极13形成，负电极12位于第一正电极11与第二正电极13之间。
第一正电极形成在第一P+掺杂层21上。第一P+掺杂层21形成在第一P-掺杂层31上，第一P-掺杂层31形成在第一双色(蓝色/绿色)MQW有源区41上。功率控制器可向正电极或负电极输出功率。在制造工艺期间，对红色、绿色及蓝色输出进行感测的光传感器可向功率控制器提供反馈控制，功率控制器会控制到第一正电极11或第二正电极13的输出。因此，可相应地实现期望的光色(蓝色、绿色、红色、或其混合色)及强度。
红色发光层14安装在第二P+掺杂层22上方，第二P+掺杂层22形成在第二P-掺杂层32上。第二P-掺杂层32形成在第二双色蓝色绿色MQW有源区42上。负电极12、第一双色蓝色绿色MQW有源区41及第二双色蓝色绿色MQW有源区42形成在N-掺杂层50上，N-掺杂层50继而形成在缓冲层60上，缓冲层60继而形成在衬底70上。
如图3中所见，第一正电极11与第二正电极13连接到不同的发光二极管。第一正电极11连接到第一子像素16，且第二正电极13连接到第二子像素17。第一子像素16及第二子像素17二者为发光二极管。第一子像素16可根据电压或电流而输出绿色出光或蓝色出光23。第二子像素17输出穿过红色发光材料15的光，红色发光材料15形成红色出光24。当红色出光24与绿色出光或蓝色出光23混合时，此对发光二极管提供全光谱发光二极管。第一子像素16是连接在第一正电极11与负电极12之间的发光二极管。第二子像素17是连接在第二正电极13与负电极12之间的红色发光二极管。
如图4中所见，第一子像素16可具有带有介于500nm与550nm之间的峰值且在～40mA的电流下输出的绿色出光25。如图5中所见，第一子像素16可具有带有介于450nm与475nm之间的峰值且在～360mA下输出的蓝色出光。因此，使第一子像素16上的电流发生变化会改变光输出的波长。
器件可在红色模式、绿色模式及蓝色模式下进行操作。举例来说，在绿色模式下，第一正电极接收40mA以从第一子像素16输出绿光出光25。在蓝色模式下，第一正电极接收360mA以从第一子像素16输出蓝光出光26。在红色模式下，正电极接收对经过滤波变成红光的光进行输出的电流。
LED芯片总体上被配置成可在单一个芯片内独立地及选择性地发射三种原色及所述三种原色的混合色的器件，并且其中芯片的大小范围可小到一平方微米至大到100平方毫米面积。
如图6中所见，第一正电极11可形成在第一正电极轨条18上，且第二正电极13可形成在第二正电极轨条19上。第一正电极轨条18及第二正电极轨条19安装在第一子像素16及第二子像素17之上。轨条结构可由细长的导电物质(例如能够携带电子流的金属)制成。负电极12也可被形成为轨条且安装在衬底70之上。衬底70可由例如N-GaN等氮化镓制成。
如图7中所见，全彩发光二极管可以由双色(蓝色和绿色)单片发光二极管覆盖红色发光材料15制成。具体地，正电极13A形成在P+掺杂层22A上。P+掺杂层22A形成在P-掺杂层32A上。P-掺杂层32A形成在双色(例如蓝色绿色)多量子阱有源区42A上。双色多量子阱有源区42A形成在N-掺杂层50上。N-掺杂层50形成在缓冲层60上。负电极12形成在N-掺杂层50上。缓冲层60形成在衬底70上。关于正电极13A、P+掺杂层22A、P-掺杂层32A、双色多量子阱有源区42A的内容可参照上述第一正电极11、P+掺杂层20、P-掺杂层30、多量子阱(MQW)有源区40的描述，于此不再重述。红色发光层15安装在第二P+掺杂层22上方。在此实施例中，图7的红色发光材料15较图3的红色发光材料15薄或较低浓度，以便蓝色出光26(或绿色出光25)不会被红色发光材料15完全吸收。
可根据电压或电流而输出绿色出光25或蓝色出光26。绿色出光25的一部分(如绿色出光25A)或蓝色出光26的一部分(如蓝色出光26A)穿过红色发光材料15，且绿色出光25或蓝色出光26的另一部分被红色发光材料15转换成红色出光24A。因此，LED芯片总体上被配置成可在单一个芯片内独立地及选择性地发射三种原色及所述三种原色的混合色的器件，其中调整每一原色的光强度的调整方式可包括：(a)控制输入电流强度和持续时间及/或(b)控制红色发光材料15的厚度/浓度。如此，可以实现具有预定强度的三原色，例如，三种原色的强度皆相同。

Claims (27)

1.一种全彩发光器件，包括：
a.衬底，其中所述衬底被形成为衬底层；
b.缓冲层，其中所述缓冲层形成在所述衬底层上；
c.N-掺杂层，其中所述N-掺杂层形成在所述缓冲层上；
d.第一双色蓝色绿色多量子阱有源区，形成在所述N-掺杂层上；
e.第二双色蓝色绿色多量子阱有源区，形成在所述N-掺杂层上；
f.负电极，其中所述负电极形成在所述N-掺杂层上；
g.第一P-掺杂层，其中所述第一P-掺杂层形成在所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区上；
h.第二P-掺杂层，其中所述第二P-掺杂层形成在所述第二双色蓝色绿色多量子阱有源区上；
i.第一P+掺杂层，其中所述第一P+掺杂层形成在所述第一P-掺杂层上；
j.第二P+掺杂层，其中所述第二P+掺杂层形成在所述第二P-掺杂层上；
k.第一正电极，其中所述第一正电极形成在所述第一P+掺杂层上；
l.第二正电极，其中所述第二正电极形成在所述第二P+掺杂层上；以及
m.红色发光层，其中所述红色发光层安装在所述第二P+掺杂层之上。
2.根据权利要求1所述的全彩发光器件，其中所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区被配置成当所述第一正电极具有～360mA的电流时，输出具有介于450nm与475nm之间的峰值波长的蓝色出光。
3.根据权利要求1所述的全彩发光器件，其中所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区被配置成当所述第一正电极具有40mA的电流时，输出具有介于500nm与550nm之间的峰值波长的绿色出光。
4.根据权利要求1所述的全彩发光器件，其中所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区是由层叠结构形成的，所述层叠结构包括形成在绿色发光层之上的P-AlGaN电子阻挡层，其中所述绿色发光层形成在GaN障壁层之上，其中所述GaN障壁层形成在蓝色发光层之上，其中所述蓝色发光层形成在InGaN顺应层之上。
5.根据权利要求4所述的全彩发光器件，其中所述绿色发光层包括具有In0.25Ga0.75N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述绿色发光层具有绿色发光子层。
6.根据权利要求4所述的全彩发光器件，其中所述蓝色发光层包括具有In0.15Ga0.85N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述蓝色发光层具有蓝色发光子层。
7.根据权利要求4所述的全彩发光器件，其中所述全彩发光器件被配置成在单一个芯片内独立地且选择性地发射三种原色及所述三种原色的混合色，且其中所述芯片的大小介于1平方微米至100平方毫米的范围内。
8.根据权利要求7所述的全彩发光器件，其中所述绿色发光层包括具有In0.25Ga0.75N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述绿色发光层具有绿色发光子层。
9.根据权利要求7所述的全彩发光器件，其中所述蓝色发光层包括具有In0.15Ga0.85N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述蓝色发光层具有蓝色发光子层。
10.一种全彩发光器件，包括：
a.衬底，其中所述衬底被形成为衬底层；
b.缓冲层，其中所述缓冲层形成在所述衬底层上；
c.N-掺杂层，其中所述N-掺杂层形成在所述缓冲层上；
d.第一双色蓝色绿色多量子阱有源区，形成在所述N-掺杂层上；
e.第二多量子阱有源区，形成在所述N-掺杂层上；
f.负电极，其中所述负电极形成在所述N-掺杂层上；
g.第一P-掺杂层，其中所述第一P-掺杂层形成在所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区上；
h.第二P-掺杂层，其中所述第二P-掺杂层形成在所述第二多量子阱有源区上；
i.第一P+掺杂层，其中所述第一P+掺杂层形成在所述第一P-掺杂层上；
j.第二P+掺杂层，其中所述第二P+掺杂层形成在所述第二P-掺杂层上；
k.第一正电极，其中所述第一正电极形成在所述第一P+掺杂层上；
l.第二正电极，其中所述第二正电极形成在所述第二P+掺杂层上；以及
m.红色发光层，其中所述红色发光层安装在所述第二P+掺杂层之上。
11.根据权利要求10所述的全彩发光器件，其中所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区被配置成当所述第一正电极具有～360mA的电流时，输出具有介于450nm与475nm之间的峰值波长的蓝色出光。
12.根据权利要求10所述的全彩发光器件，其中所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区被配置成当所述第一正电极具有40mA的电流时，输出具有介于500nm与550nm之间的峰值波长的绿色出光。
13.根据权利要求10所述的全彩发光器件，其中所述第一双色蓝色绿色多量子阱有源区是由层叠结构形成的，所述层叠结构包括形成在绿色发光层之上的P-AlGaN电子阻挡层，其中所述绿色发光层形成在GaN障壁层之上，其中所述GaN障壁层形成在蓝色发光层之上，其中所述蓝色发光层形成在InGaN顺应层之上。
14.根据权利要求13所述的全彩发光器件，其中所述绿色发光层包括具有In0.25Ga0.75N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述绿色发光层具有绿色发光子层。
15.根据权利要求13所述的全彩发光器件，其中所述蓝色发光层包括具有In0.15Ga0.85N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述蓝色发光层具有蓝色发光子层。
16.根据权利要求13所述的全彩发光器件，其中所述彩发光器件被配置成在单一个芯片内独立地且选择性地发射三种原色及所述三种原色的混合色，且其中所述芯片的大小介于1平方微米至100平方毫米的范围内。
17.根据权利要求16所述的全彩发光器件，其中所述绿色发光层包括具有In0.25Ga0.75N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述绿色发光层具有绿色发光子层。
18.根据权利要求16所述的全彩发光器件，其中所述蓝色发光层包括具有In0.15Ga0.85N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述蓝色发光层具有蓝色发光子层。
19.一种全彩发光器件，包括：
a.衬底，其中所述衬底被形成为衬底层；
b.缓冲层，其中所述缓冲层形成在所述衬底层上；
c.N-掺杂层，其中所述N-掺杂层形成在所述缓冲层上；
d.双色蓝色绿色多量子阱有源区，形成在所述N-掺杂层上；
e.负电极，其中所述负电极形成在所述N-掺杂层上；
f.P-掺杂层，其中所述P-掺杂层形成在所述双色蓝色绿色多量子阱有源区上；
g.P+掺杂层，其中所述P+掺杂层形成在所述P-掺杂层上；
h.正电极，其中所述正电极形成在所述P+掺杂层上；以及
i.红色发光层，其中所述红色发光层安装在所述P+掺杂层之上。
20.根据权利要求19所述的全彩发光器件，其中所述双色蓝色绿色多量子阱有源区被配置成当所述正电极具有～360mA的电流时，输出具有介于450nm与475nm之间的峰值波长的蓝色出光。
21.根据权利要求19所述的全彩发光器件，其中所述双色蓝色绿色多量子阱有源区被配置成当所述正电极具有40mA的电流时，输出具有介于500nm与550nm之间的峰值波长的绿色出光。
22.根据权利要求19所述的全彩发光器件，其中所述双色蓝色绿色多量子阱有源区是由层叠结构形成的，所述层叠结构包括形成在绿色发光层之上的P-AlGaN电子阻挡层，其中所述绿色发光层形成在GaN障壁层之上，其中所述GaN障壁层形成在蓝色发光层之上，其中所述蓝色发光层形成在InGaN顺应层之上。
23.根据权利要求22所述的全彩发光器件，其中所述绿色发光层包括具有In0.25Ga0.75N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述绿色发光层具有绿色发光子层。
24.根据权利要求22所述的全彩发光器件，其中所述蓝色发光层包括具有In0.15Ga0.85N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述蓝色发光层具有蓝色发光子层。
25.根据权利要求22所述的全彩发光器件，其中所述全彩发光器件被配置成在单一个芯片内独立地且选择性地发射三种原色及所述三种原色的混合色，且其中所述芯片的大小介于1平方微米至100平方毫米的范围内。
26.根据权利要求25所述的全彩发光器件，其中所述绿色发光层包括具有In0.25Ga0.75N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述绿色发光层具有绿色发光子层。
27.根据权利要求25所述的全彩发光器件，其中所述蓝色发光层包括具有In0.15Ga0.85N/GaN结构的多量子阱结构，其中所述蓝色发光层具有蓝色发光子层。
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