CN101361199A - 用于固态光发射器的工程结构 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件工程结构，其包含了多个互相交替的有源层和缓冲材料层，这些层置于产生电场的AC或DC电极之间。这些有源层包含发光中心，例如Ⅳ族的半导体纳米晶体，发光中心位于基质中，例如宽禁带半导体或介电材料(诸如二氧化硅和氮化硅)。缓冲层则包含宽禁带半导体或介电材料，并且在所施加电场的方向上具有一定的厚度，从而使得电子在穿过时获得足够能量以在激发能量激发邻近有源层中的发光中心，从而有效的发射所需波长的光。

Description

用于固态光发射器的工程结构
相关申请的交叉引用
[01]本发明要求于2005年12月28日提交的美国专利申请第60/754,185号和于2006年3月29日提交的美国专利申请第60/786,730号的优先权。
技术领域
[02]本发明涉及固态发光器件，特别涉及包括用于固态光发射器的发光中心的半导体薄膜的工程结构。
发明背景
[03]下一代的固态发光技术寻求以下方面的进展：亮度，效率，色彩，纯度，封装，可量测性(scalability)，可靠性以及成本降低。基于现代电子工业建立的硅基材料而产生的光发射器件已成为全世界致力研究开发的课题。主要的困难是体硅的间接能隙，这将效率限制在极低的水平。但是，一种基于硅纳米粒子的特殊技术，例如通过多种技术形成的纳米晶体，可以克服这一困难。
[04]诸如以引用的方式并入本文的于2006年7月25日授权给Hill名称为“DopedSemiconductor Powder and Preparation Thereof”的美国专利第7,081,664号，于2006年10月17日授权给Hill的名称为“Solid State White Light Emitter and Display UsingSame”的美国专利第7,122,842号，于2004年8月5日以Hill的名义公开的名称为“Broadband Optical Pump Source for Optical Amplifiers，Planar Optical Amplifiers，Planar Optical Circuits and Planar Optical Lasers Fabricated Using Group IVSemiconductor Nanocrystals”的公开的美国专利申请第2004/151461号，以Hill等的名义于2004年10月28日公开的名称为“Doped Semiconductor Nanocrystal Layers andPreparation Thereof”的美国公开专利申请第2004/214,362号，以Hill的名义于2004年12月16日公开的名称为“Light Emitting Diodes and Planar Optical Lasers Using IVSemiconductor Nanocrystals”的美国公开专利申请第2004/252,738号中所公开的现有技术光发射器件，已经证实了前面所述的运用。
[05]富硅氮化硅(SRSO)，由嵌入二氧化硅(SiO2或玻璃)基质中的硅纳米粒子构成，减少了许多与体硅(bulk silicon)相关的很多问题。当掺杂铒或其他稀土材料时，由于从被激发的纳米晶体到稀土离子的能量转移过程的高有效性，可以展现出有效的室温稀土发光性。因此，SRSO提供了薄膜电致发光材料的替代品。硅纳米粒子相当于经典的染色剂原子，吸收入射光子或电子，并将能量转移给稀土离子，然后发射红外或者可见光波段的荧光，这跟直接的稀土荧光相比有一些优势。首先，硅纳米粒子的吸收截面相对于稀土离子的要大三个数量级。其次，作为通过螺旋式交互或者发生在硅纳米粒子载体与稀土离子之间的转移过程而发生的激发，入射光子不需要与稀土吸收窄带中的任意一个发生谐振。不幸的是，现有的开发这种硅纳米粒子材料的方法只成功地生产了非常低的稀土元素的浓度，这对于许多实际运用来说是不够的。
[06]观察已经显示，由这种技术形成的硅纳米粒子一般有相对窄的发光(photo-luminescent PL)波长或能量的分布，不管其宽大小分布，即观测到的能量从纳米晶体量子局限的角度来看不如期望的高。当这些结构被施加电压后，这种减少了的纳米粒子的激发能量影响到导电电子的能量转移，因此严重地限制了从这些薄膜产生光的有效性。
[07]一般来说，掺杂稀土元素的IV型半导体纳米粒子的生产，是通过硅离子往硅氧化物层的离子注入来实现，接着进行高温退火以生长硅纳米粒子并减少离子注入的损伤。硅离子注入后接着将稀土离子注入到退火后的硅纳米粒子氧化层。由此产生的层再一次退火，以减少粒子注入的损伤并且光学激发稀土离子。
[08]此方法有几个问题：
[09]i)由于离子注入导致层表面一致性的降低；
[010]ii)需要昂贵的离子注入步骤；
[011]iii)如果不进行多步离子注入，IV族半导体纳米粒子和稀土离子的一致性分布不能实现；
[012]iv)需要通过热退火法减少离子注入损伤同时尽量使光学激发稀土最大化之间的平衡；
[013]v)由于实际输入能量，注入的离子不能深入薄膜，因此薄膜的厚度受到限制；
[014]为了减小上述缺点，运用等离子体化学气相淀积(PECVD)制造IV族半导体纳米粒子层。所制备的层将被进行稀土离子注入步骤，还将接着进行退火周期，以形成IV族半导体纳米粒子和光学激发掺杂进纳米粒子区域的稀土离子。不幸的是，使用此方法的制备的层也将经历注入步骤，这导致表面一致性差，还导致稀土元素的非一致分布和有限的薄膜厚度。
[015]另一种用于获得掺杂的IV族半导体纳米粒子层沉积方法，包含共溅镀IV族半导体和稀土金属，典型在氧等离子体中。此方法中，IV族半导体和稀土金属被放置在目标衬底上，衬底接着被放置于真空室，暴露在氩子束中。氩离子束溅镀IV族半导体和稀土金属，然后两者被沉积到一个接受硅晶片上。硅晶片上新形成的薄膜接着进行退火以生长纳米粒子和光学激发稀土离子。通过此方法制作的掺杂的IV族半导体纳米粒子层有如下缺点：i)这些层没有很好的纳米粒子和稀土离子的一致性分布；ii)这些层遭受由于稀土在薄膜里的团簇而带来的上变换效率损失；iii)稀土薄膜在薄膜中的浓度限制在比0.1％略大的程度。
[016]一种或多种稀土元素在半导体纳米粒子层中的浓度优选尽可能的高，因为薄膜对于外来激励的响应程度，诸如用于光致发光(photoluminescence)的光学激励，与此浓度成正比。当高浓度的稀土元素出现在半导体层中时，会遇到一个问题，即当两个稀土金属靠近彼此时，发生淬火弛豫相互作用(quenching relaxation interaction)，减小了观察到的光学响应的程度。半导体薄膜内的稀土元素浓度被平衡足够高以提供最大荧光，并足够低以限制淬火作用。
[017]通过这种技术形成的硅纳米粒子通常有相对大的分布尺寸和类似的大的空间分布，即纳米粒子之间的分隔距离，这会影响到当这些结构上电以后导电电子的能量转移效率。纳米粒子间在导电方向上的平均距离必须足够大，从而电子才能从纳米粒子之间的电场获得足够的能量，以激发发光物并产生正确色彩的光子。但是，因为这种空间分布是等方向性的，那么在这些薄膜中的整个纳米粒子的密度就必须相当低(～5x1018cm-2)。不幸的是，具有这种低纳米粒子密度，以及纳米粒子尺寸和间隔的分布，从嵌入纳米粒子的这种薄膜产生光的能力的效率将受到严重的限制。
[018]如果将稀土离子引入这些薄膜，希望稀土离子置于纳米粒子的周围，以促使从受激发的纳米粒子到稀土离子之间的有效率的能量转移。但是，离子注入或原位(insitu)沉积技术引入了稀土离子的随机分布。特别是，白光的产生需要多种稀土成分被加入到薄膜中，因为每种不同的成分产生不同的颜色。不可能确保正确的稀土离子位于接近纳米粒子适合的尺寸，从而被激发的纳米粒子的能量与稀土离子的发射波长相匹配。换言之，非常可能最近的稀土离子辐射太短的波长，即，它不能被纳米粒子激发，或者波长太长，即，激发过程中能量被浪费。甚至如果使用足够高浓度的稀土以避免(至少部分避免)这种被激发纳米粒子能量和稀土离子辐射性发射波长之间的失配，损耗依然在稀土离子距离很近时稀土离子之间的交互作用而发生。
[019]形成在薄膜中的纳米粒子的尺寸以及分离的距离明显不同。诸如稀土离子的过剩的硅原子和掺杂剂，在整个薄膜上被均匀地注入，但是从局部来看却又不是均匀的。因此，有可能一些过剩的硅原子位于远离任何成核作用的地方，也可能未被沉淀到纳米粒子中，但是，仍然分布于二氧化硅的基质(host matrix)中。此外，一些稀土离子也可能距离纳米粒子不够近。最后，如果大量的碳含量必须被加入到纳米粒子中以提高其激发能量，碳原子需要接近纳米粒子。已经观察到，一般情况下如果没有碳加入，2nm直径的硅纳米晶体，根据量子局限效应，应该具有2.3eV级的激发能量，但是观察到它们的辐射范围在1.4-1.8eV之间。如果有掺杂物，例如过剩的硅原子、稀土离子和碳原子，仍然在氧化物基质(oxide matrix)中，它们将严重影响氧化物的物理性质，特别是在击穿电场(breakdown field)，因而影响到器件的可靠性和寿命。
[020]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多层工程结构，其中，宽禁带半导体或介电缓冲层被置于邻近非常薄的活性发光层以发射特定波长的光波。缓冲层在导电方向上提供精确的距离，从而当电子穿过缓冲层时从电场中获得足够的能量，以激发有源层中的发光中心从而通过碰撞电离或碰撞激发产生一个正确颜色的光子。
发明内容
[021]因此，本发明涉及发光结构，其包括：
[022]第一有源层，其包括发光中心，用于发射第一波长的光；
[023]第一缓冲层，其包括宽禁带或邻近第一有源层的介电材料；
[024]一组电极，其用于给第一有源层和第一介电层施加电场；
[025]其中，第一缓冲层具有厚度，从而当电子穿过第一缓冲层时从电场中获得足够的能量，从而通过碰撞电离或者碰撞激发以足够的激发能量激发第一有源层中的发光中心以发射第一波长的光。
附图说明
[026]本发明将根据代表其优选实施例的附图进行更详细的描述，其中：
[027]图1是根据本发明的电致发光固态器件的横截面图；
[028]图2是根据图1的器件的超晶格半导体结构的横截面图；
[029]图3是根据图1的器件的替代超晶格半导体结构的横截面图；以及
[030]图4是根据图1的器件的替代超晶格半导体结构的横截面图。
具体实施例
[031]参考图1，本发明的实施例提供了一种电致发光固体器件1，其包括导电的衬底11，例如N型或P型半导体晶片。发光薄膜结构20被沉积到导电衬底11的顶部。此发光薄膜结构包括一个或者多个具有发光中心(例如宽禁带半导体介电基质中的半导体纳米粒子或其他半导体材料)的薄的有源层。该薄膜结构20可以通过诸如等离子体化学气相沉积(PECVD)，分子束外延生长，脉冲激光沉积，溅射以及溶胶-凝胶(sol-gel)方法的多种适合的方法中的一种沉积。上层的光透明电流注入(电极)层21，例如、氧化锡铟(ITO)，被沿着背面电接触25安装在薄膜结构20上，从而使得可以将AC或DC电压施加到其上。优选的，透明电流注入层21的厚度从150到500nm。优选的，电流注入层21的厚度和化学成分使得发光结构20具有70ohm-cm以下的阻抗率(resistivity)。缓冲电接触22，例如TiN，被放置于透明电流注入层21和上层的电接触23(例如铝的金属)之间。缓冲层电接触22提供了在前面的透明电流注入层21和上层的电接触23之间的欧姆接触，同时上层的电接触23为引线结合接触提供了适合的表面。其他用于透明电流注入层21和缓冲电接触的适合的材料也可以作为替代而使用。背反射器24可以放置于薄膜结构20和衬底11之间以用于反射光，该反射光线在内部背朝发射表面，即透明的电流注入层21，被发射到衬底11上。
[032]形成在薄膜结构20上的衬底11被选取以能够承受高达1000℃级或更高的温度。适合的衬底的例子包括硅晶片或者多晶硅层，二者中的任一个都可以被n掺杂或p掺杂，例如具有1x1020 to 5x1021掺杂物每cm3，熔融石英，氧化锌层，石英，蓝宝石碳化硅，或金属衬底。衬底11可以选择的具有热生长氧化层，该氧化层能达到2000nm的厚度，优选1nm到20nm的厚度。衬底11可以选择的具有沉积的导电层，该导电层的厚度在50到2000nm之间，但优选100到500nm之间。衬底的厚度不关键，只要其热稳定性和机械稳定性得到保证。
[033]薄膜结构20包括一个或者多个有源层，每一层具有独立选取的成分和厚度，例如：半导体纳米粒子，诸如宽禁带半导体或介电基质中的IV族半导体(例如Si，Ge，Sn和PB)，诸如IV族半导体(例如Si，Ge，Sn和PB)的氧化物或氮化物基质，其具有或不具有稀土掺杂元素并且具有或不具有碳掺杂，这将在下文中描述。作为替代，这些有源层可以包括：稀土氧化物，或者其他具有被碰撞电离或者碰撞激发的发光中心的半导体材料。通过使用具有不同成分的有源层，可以制备多颜色的结构。例如，在一个单一结构中结合掺杂铒，铥和铕的半导体纳米粒子层提供了可以发绿色(铽)荧光，蓝色(铈)荧光，红色(铕)荧光或其色彩组合(例如白色)荧光结构。这些层可以作为分立的可控电路元件或者堆叠或者并排构造。
[034]本发明的实施例中提供的优选多层结构20是一种超晶格结构，在图2的例子所示，该结构包含了在衬底11上具有宽禁带半导体或介电缓冲层13的多有源层12和14，例如具有13的半导体纳米粒子。有源层12和14的每一个具有从1nm到10nm的厚度，并且被沉积在衬底11上。有源层12和14的每一个包含相同或不同材料，例如稀土掺杂元件，用于产生相同或不同波长的光，例如所有的有源层12发出一种波长而所有的有源层14发出第二波长。由两组有源层12和14产生的两种波长的光被混合在一起或用附加的层(未被显示)来产生需要的颜色(比如白色)。有源层12和14被诸如氧化硅层的缓冲层13隔开。透明的电流注入层21被沉积在超晶格结构的多层结构20的顶部。对于超晶格结构没有最大的厚度，尽管根据获得的电压优选50nm到2000nm的厚度并且150nm到750nm的厚度为更优选。
[035]图2以及其后的图所示的结构显示了相邻层相互接触而没有干预层(interveninglayer)；但是，只要没有干扰到上述层，可以使用附加层。因此，术语涂覆和接触并没有排除使用附加的但没有干扰的中间层的可能性。
[036]通过向半导体氮化物基质中嵌入小的半导体纳米粒子，例如IV族半导体，诸如硅，IV族半导体中的纳米粒子，诸如硅，氮化物基质，半导体纳米粒子激发的辐射寿命能接近纳秒和/或亚纳秒，原因是氮原子导致的纳米粒子的表面钝化效应，和电子之间强烈的耦合效应以及激发的空穴波函数。但是，均匀沉积的SiNx薄膜，其中半导体纳米粒子形成于其中，一般具有相对宽的尺寸范围和随机的空间分布，特别是纳米粒子之间的分隔距离。此外，在半导体氮化物薄膜中形成的半导体纳米粒子会在遭受高温时生成连接的小团簇，这将影响到光发射的效率。因此，在薄膜沉积后严重限制器件工艺的灵活性。纳米粒子尺寸和分隔距离的不同的结合会严重影响到在这种薄膜中形成的半导体纳米粒子结构的电致发光效率。
[037]在半导体纳米粒子被嵌入到半导体氮化物基质的薄膜中，薄膜中的电流导通性可能被半导体氮化物寄主(host)的高陷阱密度严重影响，因此对注入的电荷载体从电场中获取能量，从而在半导体纳米粒子中产生激发的效率施加有害的影响。但是，根据本发明的工程结构消除了上述所有的问题，通过在半导体氮化物有源层之间提供缓冲层，从而确保了纳米粒子间适合的距离。此外，提供了薄的有源层，也就是纳米粒子、尺寸，纳米粒子的尺寸能被进一步地控制。
[038]特别参照图3，根据本发明的另一个实施例，工程薄膜结构31被多个不同有组织的层的堆叠32，33，34所形成，其中，有源层35，36和37分别被由纯的宽禁带半导体或介电材料构成缓冲层38，39，和40分离。
[039]对于由AC电压驱动的工程薄膜结构31，一对电极52和53被置于从35到40的堆叠层的相对的侧面。缓冲层38和40分别紧接着电极44和45，因为当电压振荡时，电流将沿着两个方向流动。理想情况下，电极中有一个，例如电极52，是透明的，例如ITO，并且反射层或涂覆层50被增加在两个电极之一(例如电极53)和剩下的从35到40的层堆叠之间，以通过透明的电极52将任何光反射回。
[040]例如纳米晶体的纳米粒子的尺寸，几乎接近有源层35，36，37(或上述的12，14)的相等厚度，其中，它们占10％在每一个有源层35，36和37中的纳米粒子的尺寸，即有源层35，36，37的厚度，根据特定能量激发而设定，以产生需要的色彩的光发射。对于掺杂了稀土的氧化硅基质寄主(matrix host)中的硅纳米粒子，纳米粒子直径d(单位为纳米)和激发能量E(单位为电子伏)之间的理论关系由下式给出：
[041]E＝1.143+5.845/(d2+1.274d+0.905)-6.234/(d2+3.391d+1.412)；
[042]例如，红色光子为～1.9eV(d＝2.9nm)，绿色光子为～2.3eV(d＝2.1nm)，或蓝色光子～2.8eV(d＝1.6nm)。放置于纳米粒子层中或与其相邻的稀土离子种类被选取以辐射与层中纳米粒子的激发能量相匹配的波长(反之亦然)。
[043]对于IV族元素，例如硅，IV族元素(例如硅)不含稀土掺杂的氮化物基质寄主中的纳米粒子，或对于IV族元素，例如硅，不含稀土掺杂的二氧化硅中的纳米粒子，激发能量方程(用于产生特定的激发能量从而从纳米粒子中产生需要的颜色的光)可以用下式表示：
[044]E＝E0+C/d2
[045]这里E0＝1.16eV and C＝11.8eV-nm2
[046]因此，发射红光的层的厚度，即位于具有硅氮化物基质中的硅纳米粒子的有源层中的纳米粒子的直径，是4nm。对于发射绿光的层是3.25nm，发射蓝光的层为2.6nm。
[047]没有纳米粒子的有源层的厚度一般被经验性地确定，这是基于光亮度和能量要求间的折中。一方面，如果有源层无限制地薄，那么整个层的能量就可以精确地得到，并因此可以优化能量的匹配；但是，如果有源层无限制的薄，就不会有发光中心也不会有光。有源层越厚，该层就可以越亮，因为每平方毫米(per sq mm)会有更多的发光中心；但是，能量不会在整个厚度上取得最优值，因此会有效率的损失。
[048]缓冲层38，39，和40(或上述13)的厚度非常接近的匹配于邻近纳米粒子有源层35，36，和37(或上述12和14)中的纳米粒子的尺寸。对于垂直施加于层35到40平面的电场来说，电子必须从电场中获得足够大的能量去激发纳米粒子，并使之获得正确的能量——从缓冲层38，39和40获得的能量(用单位eV测量)等于电场乘以缓冲层38，39或40的厚度。例如，施加的电场强度为5MV/cm，缓冲层的厚度必须为3.8nm或更厚才能将纳米粒子激发至1.9eV(1.9eV/0.5eV/nm＝3.8nm)，4.6nm或更厚能将纳米粒子激发至2.3eV，或5.6nm或更厚将纳米粒子激发至2.8eV。对于施加了AC电源的工程薄膜结构，其中，邻近的纳米粒子层，例如35和36，发射不同的波长)，干预缓冲层(intervening buffer layer)，例如38，必须足够厚才能激发较高能量层中的纳米粒子。
[049]工程薄膜结构31在以下方面取得了极大的改进：光通量(光输出功率)，效率(内部能量转移效率和外部光效能)，显色指数(CRI)，器件可靠性和寿命，以及基于二氧化硅基质中的硅纳米粒子并掺杂了稀土离子和其他掺杂物(例如碳)的固态发光器件的可制造性/成本/成品率。
[050]稀土离子可以被加入有源层35，36和37，可以被加入缓冲层38，39和40，或二者都加入。优选的结构只在有源层35，36和37中加入稀土，具有的浓度使得从纳米粒子到稀土离子的能量转移效率可以最大化，并且被激发的稀土离子的辐射发射效率最大化。由于涉及到复杂的物理过程，优化通常是经验过程。被置于纳米粒子有源层中或与其邻近的稀土粒子种类需要被选取，从而使得辐射的波长与有源层中的纳米粒子的激发能量相匹配(反之亦然)。稀土元素优选镧系元素，例如铈、镨(praeseodymium)、钕(neodynium)、钷、钆、铒、铥、镱、钐、镝、铽、铕或镥。但是，也可以选取锕类元素，例如钍。
[051]如果需要，其他掺杂物一般只被加入到纳米粒子有源层35，36或37中，虽然他们也可以被置于结构31内的任意地方。例如，因为观察已经确定测量到的纳米粒子的激发能量不如理论预期的高，碳原子可以被用于提升转移到宽禁带半导体或介电(例如氧化硅)基质中的稀土离子的纳米粒子的激发能量。
[052]缓冲层38，39和40应当具有最高品质，即：致密，很少缺陷，用这种材料可以实现，用特定的工艺技术可以生产，因此器件在施加高电场下其寿命和可靠性能够得到最大化。
[053]用于有源层35，36和37，具有或不具有碳和稀土掺杂的富硅氧化硅，和用于缓冲层38，39和40的二氧化硅是工程薄膜结构的优选材料。其他材料系统，例如用于有源层35，36和37的具有或不具有稀土掺杂的富硅氮化硅，以及用于缓冲层38，39和40的氮化硅，也可被用于这种工程结构。也包含发光中心的稀土氧化物，也可以被用于有源层35，36和37中。
[054]任意层中的纳米粒子的密度都可以通过在沉积过程中改变所述层中剩余的硅含量和改变退火条件(比如，退火温度和时间)来改变。在纳米粒子层35，36和37中的纳米粒子的密度优选尽可能的高，以增加发射光的强度，同时仍保持低于导致纳米粒子之间互相作用或纳米粒子凝聚的密度。
[055]结构31中重复的层35到40层的整个数目由将施加于整个薄膜的电压来确定，也由为了有效率的、可靠的操作所需的电场强度来确定。一个简单的近似，纳米粒子有源层35、36和37上的压降是很小的，所以所需要的层数等于施加的电压除以电场强度，并除以缓冲层38，39和40的厚度。例如，如果施加的电压是110V，在一个介电层39中的所需的电场便是5MV/cm(即0.5V/nm)，所需的激发能量是2.3eV。因此纳米粒子有源层36为2.1nm厚，介电层为4.6nm厚，那么重复的层对36/39的整个数目为：
[056](110V)/(0.5V/nm)/(4.6nm)＝48层或层对。
[057]通过重复同一对有源和介电层，例如具有同一有源层12和14的多层结构20，单个颜色可以由工程薄膜结构来发射，。混合的颜色，例如白色，可以由工程结构31发射，因为整个薄膜由多个层对构成，每个层对对应每个颜色成分。例如，总共N个有源层/介电层的层对，可能含有k个层对用于蓝色35/38，m个层对用于绿色36/39，以及n个层对用于琥珀色/红色/桔色37/40，这里k+m+n＝N。每个颜色对的数量，例如35/38，36/39和37/40，是可以改变的，从而任意想要的显色指数(CRI)都可以实现。例如，温暖的白色需要更多的红色层对而不是蓝色35/38，而冷的白色则相反。
[058]对于发射白色或其它多色光，以及对于在结构中包含了背反射器50的器件31，优选将最低能量(最长波长，例如红光)发射层放置在距离反射器50最近的地方，最高能量(最短波长，例如蓝光)层放置在距离发射表面最近的地方。发射中间波长(例如绿光)的层，放置在发射最长波长和最短波长的层的中间位置。
[059]图4示意了一种由DC电源供电的工程薄膜结构61，即正极62和负极63。有源层35，36和37以及大多数缓冲层38，39和40与位于工程薄膜结构31中的相同；但是，因为电子只在一个方向上运动，所以两个不同类型的有源层之间的干预缓冲层必须具备正确的厚度，以激发离正极62更接近的纳米粒子有源层中的纳米粒子。因此，工程薄膜结构61优选终止于于负极63处的第一缓冲层38和正极62处的纳米粒子层37。而且，因为电极只在一个方向上运动，即从负极到正极，第二缓冲层39中的一个位于第一堆叠32和第二堆叠33之间，以及第三缓冲层40中的一个位于第二堆叠33和第三堆叠34之间。
工艺细节
[060]任何用于沉积多层薄膜结构20，31，或60的工艺技术都必须能够在大约1nm的规模上改变薄膜的成分。优选的沉积技术是等离子体化学气相沉积(PECVD)，优选下列技术进行提升：电子回旋加速器谐振源(ECR-PECVD)或电感耦合等离子体(ICP-PECVD)，可替代的，金属有机气相沉积(MOCVD)。其他具有所要求能力的沉积技术是分子束外延生长(MBE)；化学束外延(CBE)；原子层外延(ALE)；和脉冲激光沉积(PLD)，也叫做脉冲激光外延(PLE)。还有许多其他基于上述技术的变体的薄膜生长的工艺。这些技术的任一个可能也适用于前文所述的薄膜结构的沉积。
[061]在我们原始的均匀的结构中，纳米粒子的尺寸被如下的因素影响：剩余的硅浓度，退火温度和时间，即增加任意这些因素会增加纳米粒子的尺寸，另外可能还有薄膜的其他成分，例如碳。对于具有富硅有源层工程结构，在垂直于平面的方向上的尺寸为富硅层的厚度所限制并且尺寸会接近于此厚度，除非剩余硅的含量很低。退火也有影响，但此影响会被缩减，只要纳米粒子的尺寸粗略等于所沉积的层的厚度，即它只会沿着平面平行生长并且非常缓慢。杂质的含量也会对其有影响。
[062]本说明书中的所有出版物，专利和专利申请通过引用的方式并入本文中，正如每个单独的出版物、专利和专利申请特别并单独的表明以引用的方式并入。任何引用的出版物的公开先于申请日，并不能被理解为允许本发明不具有先于现有发明优点的公开的资格。

Claims (23)

1.一种发光结构，其包括：
第一有源层，其包括一定浓度的发光中心，用于发射第一波长的光；
第一介电层，其邻近所述第一有源层；以及
一组电极，其用于将电场施加于所述第一有源层和第一介电层；
其中，所述第一介电层具有厚度，因而当电子穿过所述第一介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第一有源层中的所述发光中心，从而发射所述第一波长的光。
2.根据权利要求1所述的发光结构，还包含：
多个附加的第一有源层；以及
多个附加的第一介电层，第一个介电层与第一有源层在所述电极组之间交替而形成了第一堆叠。
3.根据权利要求2所述的发光结构，其中，所述电极组由交流电流源供电；以及其中，所述第一介电层中的一个被置于所述第一堆叠的每一端，以确保当所述电场改变方向时，在所有所述第一有源层中的所述发光中心被激发。
4.根据权利要求2所述的发光结构，还包含：
多个第二有源层，其每一个包含用于发出不同于所述第一波长的第二波长的光的一定浓度的发光中心；以及
多个第二介电层，所述多个第二介电层的每一个与所述多个第二有源层中的一个相邻，而形成第二堆叠；
其中，所述第二介电层具有厚度，因此当电子穿过所述第二介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第二有源层中的所述发光中心，从而发射所述第二波长的光。
5.根据权利要求4所述的发光结构，其中，所述电极组由交流电源供电；以及其中，所述第一介电层中的一个被置于所述第一堆叠的外端，所述第二介电层中的一个被置于所述第二堆叠的外端，所述第一和第二介电层中较大的一个被置于所述第一和第二堆叠之间，以确保当电场改变方向时，所有第一和第二有源层中的所述发光中心被激发。
6.根据权利要求1所述的发光结构，还包含：
第二有源层，其包括一定浓度的发光中心，用于发射第二波长的光；以及
第二介电层，其邻近所述第二有源层；
其中，所述第二介电层具有厚度，因此当电子穿过所述第二介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第二有源层中的所述发光中心，从而发射所述第二波长的光。
7.根据权利要求4、5、或6所述的发光结构，其中，具有或不具有附加波长的情况下，所述第一和第二波长被结合以形成白光。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的发光结构，其中，所述第一有源层包括分散在半导体基质内的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第一有源层的所述厚度。
9.根据权利要求8所述的发光结构，其中，所述半导体纳米粒子的所述直径相应于与所述第一波长相应的所述半导体纳米粒子的所述激发能量。
10.根据权利要求9所述的发光结构，还包含了第二有源层，其包括分散在半导体基质中的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第二有源层的厚度；以及
第二介电层，其相邻于所述第二有源层，其中，所述第二介电层具有厚度，因而当电子穿过所述第二介电层时从所述电场中获得足够的能量，而通过碰撞电离或碰撞激发以激发能激发在所述第二有源层中的所述发光中心，从而发射与所述第一波长不同的第二波长的光；
其中，所述第二有源层中的半导体纳米粒子的所述直径相应于与所述第二波长相应的所述第二有源层中的所述半导体纳米粒子的所述激发能量。
11.根据权利要求10所述的发光结构，还包含：
多个附加第一有源层；
多个附加的第一介电层，第一有源层在所述电极组之间与第一介电层交替而形成第一堆叠；
多个附加的第二有源层；
多个附加的第二介电层，第二有源层在所述电极组之间与第二介电层交替而形成第二堆叠。
12.根据权利要求11所述的发光结构，还包含：
多个第三有源层，所述第三有源层中的每一个具有在基质中以第三厚度限定的半导体纳米粒子，在所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子的每一个的直径相应于所述半导体纳米粒子的所述激发能量，其与不同于所述第一和第二所需波长的第三波长相对应；以及
多个第三介电缓冲层，其与所述多个第三有源层互相分离，所述第三介电缓冲层的每一个具有厚度，因而当电子穿过所述第三介电层时从所述电场中获得足够的能量，而以激发能激发在所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子，从而发射所述第三波长的光。
13.根据权利要求8所述的发光结构，其中，所述第一有源层掺杂了选取的第一稀土材料，以辐射与所述第一有源层中的纳米粒子的激发能量相匹配的波长，因此能量被转移到发射所述第一波长的光的第一稀土材料中。
14.根据权利要求13所述的发光结构，还包含第二有源层，其包含了分散在半导体基质中的半导体纳米粒子，每一个纳米粒子的直径基本等于所述第二有源层的厚度，
其中，所述第二有源层被掺杂了与所述第一稀土材料不同的第二稀土材料，其被选取从而辐射与所述第二有源层中的所述纳米粒子的所述激发能量相匹配的波长，因此能量被转移到发射所述第二波长光的所述第二稀土材料。
15.根据权利要求14所述的发光结构，还包含：
多个附加第一有源层；
多个附加第一介电层，其与所述第一有源层交替而形成了所述第一堆叠；
多个附加的第二有源层；
多个附加的第二介电层，其与所述第二有源层交替从而形成了第二堆叠。
16.根据权利要求15所述的发光结构，还包含：
多个第三有源层，每一个所述第三有源层具有在基质中以第三厚度限定的半导体纳米粒子，所述第三有源层中的每一个所述半导体纳米粒子的直径基本等于所述第三厚度，所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子的所述直径对应于所述半导体纳米粒子的所述激发能量，所述半导体纳米粒子的所述激发能量对应于与所述第一和第二所需波长不同的第三波长；以及
多个第三介电缓冲层，其将所述多个第三有源层相互分开，每一个所述第三介电缓冲层具有厚度，因此，当电子从电场穿过时从所述电场中获得足够的能量，而以激发能激发在所述第三有源层中的所述半导体纳米粒子，从而发射所述第三波长的光。
17.根据权利要求12或16所述的发光结构，其中，所述第一所需波长在红光波长的范围内；
其中，所述第二所需波长在绿光波长的范围内；
其中，所述第三所需波长在蓝光波长的范围内；
因此，由所述第一、第二和第三所需波长的组合发射出大致的白光。
18.根据权利要求17所述的发光结构，其中，所述电极组包含第一透明电极和第二基电极；其中，所述发光结构还包含位于所述第二基电极和所述第一透明电极之间的反射层，以通过所述第一透明电极将光反射回去。
19.根据权利要求18所述的发光结构，其中，发射最长波长光的所述多个有源层被置于在距离所述反射层最近处，以及发射最短波长光的所述有源层被沉积在距离所述第一透明电极的最近处。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的发光结构中，其中，所述第一有源层包含位于二氧化硅基质寄主中的IV族纳米粒子。
21.根据权利要求1到19中任一项所述的发光结构，其中，所述第一有源层包含位于氮化硅基质寄主中的IV族纳米粒子。
24.根据权利要求1到7中任一项所述的发光结构，其中，所述第一有源层包含稀土氧化物。
25.根据权利要求1到7中任一项所述的发光结构，其中，所述电极组包含第一透明电极和第二基电极；其中，所述发光结构还包含位于所述第二基电极和第一透明电极之间的反射层，以通过所述第一透明电极将光反射回去。
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