CN104094420B - 发光二极管芯片 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管芯片，包括：‑具有多个有源区(2)的半导体本体(1)，其中，‑有源区(2)中至少之一具有至少两个子区域(21···28)，‑有源区(2)具有布置在所述至少两个子区域(21····28)中的两个相邻子区域(21···28)之间的至少一个阻挡区(3)，‑至少两个子区域(21····28)在发光二极管芯片的工作期间发射颜色互不相同的光，‑在子区域(21····28)的至少之一中光的发射通过电产生，并且，‑将阻挡区(3)配置成阻碍两个相邻子区域(21····28)之间的电荷载流子的热活化再分布。

Description

发光二极管芯片
文献“On the mechanisms of spontaneous growth of III-nitridenanocolumns by plasma-assisted molecular beam epitaxy”，Journal ofCrystal Growth310,2008,第4035-4045页公开了一种制造第III族氮化物纳米柱的方法。通过引用将该文献的公开内容并入本文。
文献“N-face GaN nanorods:Continuous-flux MOVPE growth andmorphological Properties”,Journal of Crystal Growth,315,2011,第164-167页公开了一种制造N面GaN纳米棒的方法。通过引用将该文献的公开内容并入本文。
文献“Continuous-flux MOVPE growth of position-controlled N-faceGaN nanorods and embedded InGaN quantum wells”，Nanotechnology21(2010)305201(5页)公开了一种制造N面GaN纳米棒的方法。通过引用将该文献的公开内容并入本文。
一个目标为详细说明一种呈现出特别良好的热稳定性的发射电磁辐射的发光二极管芯片。
根据发光二极管芯片的一个方面，发光二极管芯片包括具有多个有源区的半导体本体。例如，大多数或所有有源区配置成在发光二极管芯片的工作期间发射电磁辐射。
在发光二极管的制造公差内，半导体本体的所有有源区可以以相同方式配置并且发射相同光谱的电磁辐射。而且，有源区中的至少一些有源区也可以在其结构和/或在发光二极管芯片的工作期间所发射的电磁辐射的光谱的方面上彼此不同。
例如，半导体本体具有大量有源区：至少一千个有源区、特别地至少一百万个有源区。
根据发光二极管芯片的一个方面，有源区中的至少一个有源区、特别地有源区中的大多数有源区，例如，所有有源区，具有至少两个相邻子区域。例如，该至少两个相邻子区域两者都在发光二极管芯片工作期间发射电磁辐射。例如，有源区的子区域定位成在有源区内彼此隔开。各个子区域均可以包括至少一个pn结和/或至少一个量子阱结构和/或至少一个多量子阱结构和/或至少一个双异质结构。通过采用这样的结构，可以特别准确地设置各个子区域发射的光的波长。作为替代方案，子区域可以不包括所述结构之一，但是电磁辐射的发射是归因于形成有源区的半导体本体的半导体材料的本征带隙。在这种情况下，有源区的制造特别容易实现。
根据发光二极管芯片的一个方面，有源区具有至少一个阻挡区，该阻挡区布置在所述至少两个子区域的两个相邻子区域之间。这意味着有源区的两个相邻子区域通过例如与两个相邻子区域具有界面的阻挡区彼此隔开。阻挡区可以直接布置在两个相邻子区域之间。阻挡区在形成阻挡区和邻接子区域的半导体材料的组成上不同于邻接阻挡区的子区域。
例如，有源区中的至少一个有源区，特别地有源区中的大多数有源区或所有的有源区，具有三个或更多个子区域，其中阻挡区布置在有源区的每一对相邻子区域之间。
根据发光二极管芯片的一个方面，至少两个子区域在发光二极管芯片的工作期间发射颜色互不相同的光。因此，子区域可以发射从紫外辐射的波长谱至红外辐射的波长谱的光。子区域中的至少两个子区域，例如，两个相邻子区域，发射颜色相互不同的光。因此例如子区域中的一个子区域可以发射蓝光而另一个子区域可以发射绿光、黄光或红光。子区域中的至少一个子区域还可以发射非纯色的混合光。在这种情况下，有源区的至少两个子区域可以发射不同组成的不同混合光。例如，在发光二极管芯片的工作期间，子区域中的一个子区域发射蓝绿光，其中另一子区域发射黄绿光。例如，在发光二极管芯片的工作期间，另外一个子区域发射红琥珀色(red-amber)的光。总体上可以产生白光。
根据发光二极管芯片的一个方面，在子区域中的至少一个子区域中光的发射通过电产生。换句话说，有源区的子区域通过电泵浦(pump)并且光的发射不是由于所述子区域的光泵浦。因此有源区的各个子区域可以通过电泵浦使得光的发射在有源区的各个子区域中通过电产生。有源区还可以包括电泵浦子区域和光泵浦子区域。例如，有源区包括其中光的发射通过电产生的仅一个子区域和通过在该仅一个电泵浦子区域中发射的光进行光泵浦的一个或更多个子区域。
根据发光二极管芯片的一个方面，两个相邻子区域之间的阻挡区配置成阻碍所述两个相邻子区域之间电荷载流子的热活化再分布。因此，阻挡区例如比邻接阻挡区的子区域的半导体材料具有更大的带隙。事实上阻挡区配置成“阻碍”电荷载流子的热活化再分布意味着在没有阻挡区的情况下热活化再分布比具有阻挡区的情况下可能性更大。换句话说，阻挡区减小了邻接阻挡区的两个子区域之间的电荷载流子热活化再分布的可能性。
根据发光二极管芯片的一个方面，发光二极管芯片包括具有多个有源区的半导体本体，其中，至少一个有源区具有至少两个子区域，有源区具有布置在所述至少两个子区域的两个相邻子区域之间的至少一个阻挡区，该至少两个子区域在发光二极管芯片的工作期间发射颜色相互不同的光，在子区域中的至少之一中光的发射通过电产生，并且阻挡区配置成阻碍两个相邻子区域之间电荷载流子的热活化再分布。
发射白光的发光二极管可以受发射的白光的色温和色坐标的强温度依赖性的影响。在此之上，对于通过磷光体转换或者利用不同颜色的发光二极管生成的白光，两者在增加的温度范围内都可以观察到效率的显著降低，其中特别是红色发光二极管由温度敏感的第III族磷化物制成。另外，例如InGaN基发光二极管中的所谓的“下降”由于辐射发射的亚线性增加以及由于增加的非辐射损耗例如声子辅助俄歇复合和/或热逃逸和/或载流子溢流而削弱了高电流操作。
现在对于这些问题还没有真正的解决方案，而是只有一些方法缓解了这些问题。例如，关于“下降”效应，发光二极管可以在相对低的工作电流或者在升高的电流和降低的效率下操作。关于色坐标根据发光二极管的工作温度的变化，通过承担伴随温度的升高而降低的转换效率或具有不同颜色的发光芯片的相对昂贵的解决方案，可以使用用于温度稳定的白色坐标的磷光体转换。然而，这些解决方案仍然具有随着温度的升高而效率降低的缺点。另外，在使用发射不同颜色的发光二极管芯片的解决方案中，用于不同颜色的不同材料将导致单个芯片的不同的寿命。这限制了这样构造的发光二极管的性能和寿命。
对于在此描述的发光二极管芯片，载流子的热活化再分布通过至少一个阻挡区抑制。因此，在各个子区域中生成的光子的比例保持独立于工作温度和流经有源区的电流的电流密度。因此，在通过半导体本体的有源区发射白光的情况下，白光坐标可以几乎保持不变。另外，各个有源区可以选择为足够厚以通过为光生成提供大的无缺陷体积而抑制下降的问题。特别地，如果有源区构造为纳米结构(例如纳米棒)，则可以实现特别高的结晶质量，其使得在有源区的半导体材料中具有低的非辐射损失。
根据发光二极管芯片的一个方面，这些有源区具有主延伸方向。因此，有源区为细长结构并且例如不是例如平面层的形状。例如，各个有源区沿主延伸方向上均有优选的取向。例如有源区中的至少一个有源区、特别是有源区中的大多数有源区或所有的有源区具有圆柱、圆锥或例如具有六边形底面的棱柱体的形状。有源区中的至少一些或所有的有源区沿相对于主延伸方向的处于侧向的方向上彼此隔开。例如，有源区中的大多数或所有的有源区布置在与有源区的主要延伸的方向侧向地或者甚至垂直地运动的共同平面中。有源区中的至少一些或所有的有源区还可以沿侧向方向彼此部分地接触。换句话说，相邻有源区的侧面可以是(至少在某些地方)彼此直接接触的。
根据发光二极管芯片的一个方面，有源区的子区域沿着其有源区的主延伸方向布置并且至少一个阻挡区布置在每一对相邻子区域之间。因此，有源区通过一系列交替的子区域和阻挡区给出。例如，如果有源区是圆柱或棱柱的形式，则子区域和阻挡区可以通过沿有源区的主延伸方向彼此堆叠的所述圆柱或所述棱柱的部分给出。
根据发光二极管芯片的一个方面，有源区为纳米结构并且发光二极管的有源区中的至少之一、特别是发光二极管中的大多数或所有有源区具有1000nm的最大直径和至少3的纵横比。纳米结构为纳米尺度的物体，纳米结构物体在其基底上具有1nm至1000nm、例如25nm至500nm、特别地75nm至300nm、优选地100nm至175nm的直径。术语“直径”不一定是指纳米结构的基底为圆形。最大直径指的是纳米结构沿垂直于其主延伸方向的最大延伸。例如，有源区为可以制造成具有特别高结晶质量的所谓的纳米柱。
另外，纳米结构可以为例如纳米柱和/或纳米棱锥和/或两者的混合。纳米结构具有至少3的纵横比(长度除以直径)。例如，纳米结构可以例如通过使用掩模层直接制造在半导体本体的顶部，其中掩模开口限定了纳米结构的位置。此外，纳米结构可以独立于载体材料制造并且转移到所述载体上。此外，纳米结构可以通过对半导体本体进行刻蚀而制造。
根据发光二极管芯片的一个方面，各个子区域均基于氮化物化合物半导体材料。
在本上下文中，“基于氮化物化合物半导体材料”意指子区域或其至少一部分包含氮化物化合物半导体材料或由氮化物化合物半导体材料组成，所述氮化物化合物半导体材料例如GaN、AlnGa1-nN,InnGa1-nN或者AlnGamIn1-m-nN,其中，0≤n≤1,0≤m≤1并且n+m≤1。在这种情况下，这种材料不一定需要具有根据上面的公式的数学上精确的组分。而是，其可以包括例如一种或更多种掺杂剂和附加成分。然而，为了简便起见，上述公式仅包括晶格的基本成分(Al、Ga、In、N)，即使这些可以由少量另外物质部分地替代和/或补充也是如此。然而，氮化物化合物半导体材料总包含氮或氮化合物。
根据发光二极管芯片的至少一个方面，各个子区域均基于含铟氮化物化合物半导体材料。这种含铟氮化物化合物半导体材料为一种在通过这种材料发射或再发射的期望的波长下具有良好热稳定性的材料。然而，在常规薄膜结构中、特别地在更厚的膜(例如，厚度大于20nm)中难于实现高的铟浓度。然而，已经发现在没有将晶体缺陷引入发光结构(即半导体本体)的情况下在实施为纳米结构的有源区中铟含量可以非常高。
特别地，各个子区域均可以包含铟，特别地基于(Al,In,Ga)N或InGaN半导体材料。
根据发光二极管芯片的一个方面，各个阻挡区均至少部分地基于比邻接阻挡区的子区域具有更大的带隙的氮化物化合物半导体材料。势垒本身可以由具有不同组成的半导体层堆叠体组成并且因此半导体层堆叠体的带隙中的某些可以在子区域带隙范围内或着甚至小于子区域带隙。
例如，如果子区域由基于InGaN半导体材料形成，则阻挡区可以基于具有比邻接子区域具有更少的铟的GaN或AlInGaN或InGaN。
例如，阻挡区比与其邻接的子区域更薄。例如，子区域沿其有源区的主延伸方向具有至少20nm、特别地至少100nm的厚度，其中阻挡区沿主延伸方向具有小于1000nm、特别地小于100nm的厚度。
例如，各个有源区均包括基于在不同的子区域中具有不同铟浓度的InGaN的两个或更多个子区域。子区域通过布置在每一对相邻子区域之间、与两个相邻子区域直接接触的阻挡区分隔。阻挡区沿主延伸方向(也是有源区的生长方向)是薄的。例如，阻挡区具有至多30nm、典型地至多4nm、优选地至多3nm的厚度。子区域的典型厚度为至少10nm、特别优选为至少20nm。由于有源区例如纳米棒的无缺陷生长，这些子区域均可以垂直于生长轴方向延伸100nm或更大。优选地有源区的各个子区域均比子区域的各个阻挡区更厚。
多个子区域可以在铟浓度和/或厚度上不同并且各个有源区选择为产生单一的白光或具有期望的相关色坐标的色域内的任何其他光。这可以通过各自InGaN子区域的合适的厚度和/或量实现。
(Al,In,Ga)N阻挡区的材料组成以在相邻子区域之间提供几乎相等的势垒高度的方式进行选择。这使得有源区中载流子分布更加均匀。对于例如具有蓝色(例如，约460nm的发射波长)子区域、绿色(例如，约530nm的发射波长)子区域、黄色(例如，约570nm的发射波长)子区域和红色(例如，约615nm的发射波长)子区域的基于InGaN的有源区，有利的是，选择一个蓝光发射子区域，三个绿光发射子区域，一个黄光发射子区域和三个红光发射子区域以补偿随着铟浓度的增加而减少的效率并且使发射的光的色坐标满足高CRI和高效率的要求。
为了避免随着发射波长的增加而增加势垒高度，在绿光发射区和蓝光发射区之间的阻挡区应为具有蓝紫色(等于约420nm的发射波长)带隙的InGaN或GaN，在绿光发射区之间的阻挡区应为具有蓝绿色(等于约480nm的发射波长)带隙的InGaN或GaN，以及在绿光发射区和黄光发射区之间的阻挡区应为具有有些汽油蓝(petrol)(等于约500nm的发射波长)的带隙的InGaN或GaN，黄光发射区和红光发射区之间的阻挡区应为具有绿色(等于约520-540nm的发射波长)带隙的InGaN或GaN，以及在红光发射区之间的阻挡区应为具有黄/琥珀色(等于约560-590nm的发射波长)带隙的InGaN或GaN。与具有更小的带隙的子区域中不可避免的再吸收相比，阻挡区中的再吸收是可忽略的。然而，阻挡区的小厚度支持减少的吸收损失。假设有源区中具有高结晶质量，也就是InGaN子区域中的非辐射损失非常少，所以其内部量子效率可以非常高。因此，几乎只有斯托克斯损失将对再吸收过程的损失有贡献。
例如，不同的颜色的铟浓度如下：蓝色15％-20％，绿色25％-30％，红色约40％。
对于基于InGaN的有源区例如InGaN纳米棒，可以通过沿着生长轴变化的铟浓度来在单一有源区内产生白光。这使得白色发光二极管的直径缩减因而例如微米或纳米的像素尺寸显示为低于50nm，最终达约20nm至30nm。这样的纳米棒的阵列可以用作白光LED的有源区。
一般而言，pn结为沿轴线方向，在有源区InGaN子区域的沉积之后生长p侧。
这样结构中的问题为色坐标随着温度变化的有限的稳定性：由于增加的载流子迁移率和随后的对于浅定域中心的不敏感性，更多的载流子将转移到最低能态并因此导致朝着更长波长移动的发射光谱。为了克服这个问题，如上所述在有源区的垂直相邻子区域之间引入阻挡区证明是有利的。
有源区也可以基于第II-VI族化合物半导体材料。例如，子区域因此基于比阻挡区具有更小的带隙的第II-VI族的化合物半导体材料，所述阻挡区也可以基于第II-VI族化合物半导体材料。第II-VI族化合物半导体材料包括来自第二主族的至少一种元素，例如Be、Mg、Ca、Sr、Zn、Cd、Hg，以及来自第六主族的一种元素，例如O、S、Se、Te。特别地，第II-VI族化合物半导体材料包含包括来自第二主族的至少一种元素和来自第六主族的至少一种元素的二元、三元或四元化合物。此外这样的二元、三元或四元化合物可以包括例如一种或更多种掺杂剂和附加成分。第II-VI族化合物半导体材料例如包括：ZnO、ZnMgO、CdS、ZnCdS、MgBeO、ZnCdSe、ZnSSe。
特别地对于基于第II-VI族化合物半导体材料的有源区，可以是光泵浦子区域或有源区。这意味着：特别是在这种情况下，子区域中的一个或更多个或有源区中的一个或更多个可以通过光泵浦。
此外发光二极管可以包括电泵浦的基于第III族-N化合物半导体材料的有源区和通过所述第III族-N区光泵浦的基于第II-VI族化合物半导体材料的有源区。
根据发光二极管的一个方面，在相同有源区中的至少两个子区域中，光的发射通过电产生。例如，在这种情况下，有源区的所有子区域通过电泵浦。在这种情况下，各个分区(subsection)中的光主要通过载流子注入生成。
在这种情况下，在两个电驱动子区域之间可以布置有隧道结。因此，阻挡区本身可以作为两个电驱动子区域之间的隧道结。例如，有源区的电接触在多个有源区的顶部处和底部处。在有源区中通过载流子注入产生光子。
隧道结可以例如由两层组成：第一层为p+掺杂层，例如铟含量≥5％的p+InGaN；第二层为n+层，例如铟含量≥3％的n+InGaN。
在第一层和第二层之间可以布置有间隔物(spacer)并且引入间隔物以防止载流子的补偿。间隔物可以由(Al,In,Ga)N组成。间隔物和/或两个层可以由短周期超晶格组成。
特别地，有源层的带隙设计(内部或外部电场，各个子区域中渐变的铟浓度或离散的铟浓度)使得能够将AlInGaN势垒具体调节为具有最佳势垒高度和厚度以避免载流子溢流并提供阻挡区的所需光的和电的透明度。根据一个方面，势垒由带隙大于周围子区域的组合物的AlInGaN组成、特别是带隙大于周围子区域的InGaN。势垒层的厚度小于100nm、特别地小于20nm、尤其小于5nm。
阻挡区用作隧道结使得载流子更加有效和可控地注入相邻子区域内。隧道结随着铟浓度的增加和带隙的各自缩减而变得更加有效。这也使得掺杂浓度(n型和p型两者)增加。隧道结(也就是相邻子区域之间的阻挡区)的性能的明显益处通过调节至各个子区域的发射波长的增加的铟浓度产生。为了更加精确和陡峭的掺杂分布，可以在隧道结的p+层和n+层之间引入名义上未掺杂的间隔物。该间隔物由一个或更多个(Al,In,Ga)N层组成。合适的隧道结为例如在通过引用并入的文献US2011/0012088中所描述的。间隔物的厚度为例如至多5nm、典型地小于2nm。优选地，这样的隧道结(也就是阻挡区)的整体厚度为至少10nm并且至多30nm。
根据发光二极管的一个方面，在至少一个有源区的至少一个第一子区域中，光的发射通过电产生，并且在相同有源区中的至少一个第二子区域中，光的发射归因于通过第一子区域的光进行的光泵浦。例如，为了将pn结定位在有源区的蓝光发射或紫外辐射发射分区中，阻挡区是n掺杂的。在该子区域中，光通过电产生并且用于对沿主延伸方向跟随的随后子区域进行光泵浦。例如在下面的子区域中，产生光泵浦的绿光、黄光、琥珀色光和/或红光。因此，有源区可以形成光导装置，其可以将至少一个第一子区域中的光沿着主延伸方向引导至至少一个第二子区域。换句话说，泵浦光沿着有源区的纵轴引导，减少了泵浦光的损失。
因此，在只有一个子区域通过电泵浦或并非所有的子区域都通过电泵浦的情况下，也提供了单片多色发光二极管或白光的发光二极管。在这种特定变型中，光泵浦的InGaN子区域生长在p型或n型子区域的顶部上并且通过在相同或邻近有源区的一部分中通过电泵浦产生的短波长的光激发。在这种情况下，光泵浦子区域的厚度选择为大于20nm，典型地为100nm以上以支持短波长光的吸收并且增加光生成的体积。
为了提供良好的p接触，电泵浦子区域和光泵浦子区域之间的阻挡区的厚度大于10nm，典型地大于100nm以在各个高度上提供用于与有源区的径向侧面上的金属或TCO材料进行电接触的足够大的面积。通过增加p型或n型接触中的铟浓度，肖特基势垒和/或过渡电阻上的降低可以通过降低工作电压来实现。例如，有源区或各个有源区包括通过电泵浦的一个或更多个蓝光发射InGaN子区域。随后的p型InGaN阻挡区比上述阻挡区更厚并且具有至少100nm的厚度，例如约150nm。阻挡区后接至少一个光泵浦InGaN子区域。例如，厚的阻挡区后接三个绿光发射子区域、两个黄光发射子区域和三个红光发射子区域。与上述阻挡区类似，各个光泵浦的子区域之间还引入薄阻挡区。对于p型子区域，Mg可以用作掺杂剂。使用外壳面积(即该子区域的侧壁)建立电接触。
有利地，通过有源区发射的光的色坐标和色温可以通过子区域的数量和/或总体积调节。例如，通过调节各个子区域中的铟浓度，可以设置各个子区域中产生的光的颜色。各个子区域中的铟含量可以经由参数例如有源区制造期间的生长温度、子区域生长期间物质流动和/或生长速度确定。各个子区域的体积可以通过例如邻接子区域的阻挡区的距离而变化以获得由有源区发射的光的期望光谱分布。
根据发光二极管芯片的至少一个方面，有源区中的至少之一配置成发射白光。例如，白光是由有源区的子区域中产生的光组合成的混合光。例如，有源区包括在发光二极管芯片的工作期间发射蓝光的子区域、发射红光的子区域以及发射绿光的子区域。
根据发光二极管芯片的一个方面，有源区中的至少一个有源区、例如有源区中的大多数有源区或所有的有源区具有配置成发射白光的子区域。例如，该子区域中的铟浓度以如下方式沿着子区域的主延伸方向变化：子区域本身发射混合光例如白光。
还详述了用于制造此处描述的发光二极管芯片的方法。通过该方法可以制造此处描述的发光二极管芯片。因此，公开发光二极管芯片的所有特征以用于该方法。
下面，就发光二极管芯片的实施方案详细说明此处描述的发光二极管芯片。
图1示出此处描述的发光二极管芯片的实施方案的示意图。
结合图2A、图2B、图2C、图3A、图3B、图4、图5、图6更详细地说明此处描述的发光二极管芯片的实施方案的有源区。
在示例性实施方案和附图中，类似或起类似作用的构成部分拥有相同的附图标记。图中示出的元件及相互之间的尺寸关系不应该被看作是按真实比例的。相反，为了更好的表示和/或更好的理解，单个元件可以用放大的尺寸表示。
图1示出此处描述的发光二极管芯片的示意图。发光二极管芯片包括半导体本体1。半导体本体1具有第一接触层4。例如第一接触层4通过基于氮化物化合物半导体材料的半导体材料形成。在第一接触层4的一个表面上布置有多个有源区2。有源区2为具有主延伸方向R并且沿侧向方向L彼此隔开的纳米结构，其可以和彼此接触的纳米结构一样小。例如，有源区2外延生长在第一接触层4的顶表面上。
还可以去除生长衬底并且通过载体和/或镜面层给出层4。例如，镜面层由例如Ag含量≤100％的含Ag合金形成。在这种情况下，发光二极管芯片可以是薄膜设计。
例如，有源区2为外延生长在半导体本体的顶表面上的纳米结构。例如，纳米结构通过MOVPE(金属有机物气相外延)生长的方法来生长。此外，可以通过MBE(分子束外延)生长来生长纳米结构。
纳米结构的生长可以以自组织的方式来进行。还可以使用用于生长纳米结构的掩模层。例如，在半导体本体的顶表面上形成由SiNx、SiO2、Ti和/或Ni组成的掩模层。在这种情况下，用于各个纳米结构的籽晶可以形成在直接在顶表面上的掩模层的开口中。然后在各个籽晶的区域中生长纳米结构。掩模层的使用使得能够在可预选的位置处形成纳米结构。这使得可以精确设置纳米结构的密度。例如，纳米结构的密度可以通过掩模层中开口的数量和位置有效地控制，掩模层可以例如通过将图案转移到附加抗蚀剂层并且经由随后的刻蚀步骤的光刻或纳米压印光刻而图案化成掩模层和/或掩模层的开口的延伸。掩模层的使用允许规则排列的纳米结构的制造和例如位置受控的纳米棒的生长。
还可以通过MBE生长的方法生长纳米结构并且通过MOVPE生长的方法生长半导体本体。特别地，然后通过自组织MBE生长来生长纳米结构。这得到了具有高纵横比和例如所有纳米结构的平均直径小于或等于70nm、例如小于或等于50nm的小直径的结构。因此，通过采用纳米结构的MBE生长可以实现纳米结构的高密度。此外，纳米结构的MBE生长提供了第III族氮化物中的铟浓度的极好的控制并且可以实现高达100％的铟浓度。因此，当需要特别高的铟浓度时，可以采用纳米结构的MBE生长。
在图1的实施方案中，各个有源区2示为具有圆柱形状的所谓的纳米棒。各个有源区2包括也是圆柱形状的子区域21、22、23、24，其中阻挡区3布置在相邻子区域之间。因此，应该注意的是，子区域21、22、23、24和阻挡区3可以呈现为任何形状。无需使邻近子区域和势垒具有相同的形状。然而，为了简便起见，所有附图包括具有盘状或圆柱形状的区域。
有源区2具有<1000nm的最大直径d和最大直径至少3倍的长度l。各个有源区2均包括产生颜色互不相同的光的子区域。子区域21、22、23、24之间的面积区3阻碍两相邻子区域之间电荷载流子的热活化再分布。例如各个有源层中的所有子区域都可以通过电驱动。在这种情况下，隧道结6布置在相邻子区域之间。由于结6，各个子区域发射通过各个子区域中的载流子注入而产生的光。这使得能够确定通过子区域、子区域的铟含量和子区域的体积以及各个子区域的外量子效率来限定每种颜色的光子的数量。
另一方面，可以仅最靠近接触层中之一(例如第一接触层4)的子区域21通过电驱动并且在随后的子区域22、23、24中辐射的产生是由于利用来自第一子区域21的光对这些子区域进行的光泵浦。由于例如InGaN基子区域的最高效率在蓝色光谱范围内实现，所以这是非常有效的解决方案。由于有源区2的几何形状，第一子区域21中产生的泵浦光沿着主延伸方向R引导并且能够实现用于将蓝光有效地转换为不同颜色的更厚区域。因此，实现了良好的光耦合并且在InGaN基材料中可以生成待转换的所有颜色，由于相邻子区域之间的折射率的良好匹配，所以InGaN基材料另外地减小了不同颜色的子区域之间的界面损失。在这种情况下，为了尽可能减少较长波长子区域中的再吸收损失，将发射最长波长(例如红光)的子区域放置为最靠近电驱动的泵浦区并且将发射最短波长(例如绿光)的子区域放置为离电驱动泵浦区最远是更有效的。
根据图1的发光二极管芯片还包括第二接触5。例如，第二接触5可以是例如可以由对于子区域中生成的光是透明或半透明的材料形成的层。例如，第二接触5由透明导电氧化物例如ITO或ZnO制成。第二接触5还可以为导电石墨烯(conducting grapheme)的薄层。而且接触5可以为其他形状。
图2A示出具有三个子区域21、22、23的单个有源区2。例如，在发光二极管芯片的工作期间，将第一子区域配置成发射蓝光，将第二子区域配置成发射绿光并且将第三子区域配置成发射红光。图2B示出类似的有源区2，其中比子区域周围的半导体材料具有更大带隙的阻挡区3布置在两个相邻的子区域之间。各个有源区均具有例如与阻挡区3相同的材料的第一区20。例如，第一区20基于GaN并且为n掺杂。在这种情况下，第一子区域20例如由n-GaN组成。例如，子区域21、22、23基于InGaN半导体材料，其中阻挡区3基于GaN或AlInGaN或InGaN。
各个有源区均可以具有例如基于GaN并且为p掺杂的最终区30(在各个图中未示出)。最终区30布置在有源区的背向第一区20的一侧。
图2C示出对于图2A的没有势垒的有源区2和图2B的具有势垒的有源区2的光致发光光谱之间的比较。根据该比较明显的是，与没有阻挡区3的有源区相比，具有阻挡区3的有源层产生的光更明亮而且光谱更宽。
在图3A中有源区2示出为在长度为约500nm的有源区内具有三个GaN阻挡区3。有源区2具有四个子区域21、22、23、24，各个子区域均具有用于提供蓝光发射、绿光发射、黄光发射和红光发射的不同的但不连续的铟浓度。因此，子区域24的体积可以大于子区域23的体积，子区域23的体积可以大于子区域22的体积并且子区域22的体积可以大于子区域21的体积。考虑到各自的量子效率，单独子区域的体积可以用于调节对应波长在总光谱中的分数。因此，各个子区域体积的大小补偿到达子区域的泵浦光的不同的量和子区域的InGaN基材料中产生的不同颜色的光的不同的量子效率。
图3B示出为了设置发射的混合光的特定的色坐标和色温而具有甚至更多的子区域的类似的有源区2。例如，有源区包括：用于产生蓝光的两个子区域21、22；用于产生绿光的两个子区域23、24；用于产生黄光的一个子区域25以及用于产生红光的三个子区域26、27、28。
图4示出具有四个子区域21、22、23、24的有源区2，各个子区域均发射混合光。例如，第一子区域21发射蓝绿光，第二子区域22发射黄绿光，第三子区域23发射橙色光并且第四子区域24发射红光。例如，不同的颜色通过铟浓度的渐变产生，其中，各个分区均具有如下铟渐变：该铟渐变使得前一分区以与接下来的分区开始的铟浓度相同的铟浓度结束。
图5示出具有两个阻挡区3的有源区2，有源区2中具有例如800nm的长度l，其中，各个子区域21、22、23沿主延伸方向R均具有渐变的铟浓度。例如，各个子区域配置成发射白光并且势垒为隧道结。
因此，此处描述的发光二极管芯片可以具有全部以相同的方式配置的多个有源区2。此外，一个发光二极管芯片可以包括不同成分的有源区使得有源区中的至少两个有源区在其组成方面彼此不同。
结合图6给出对于此处描述的有源区2的其他实施例。例如有源区2可以具有如下构造：
构造A
20：n-GaN第一区
21：电泵浦的发蓝光InGaN子区域
31：形成有源区的p型电接触的p-GaN第一阻挡区
22：光泵浦的发红光InGaN子区域
32：第二阻挡区
23：光泵浦的发黄光InGaN子区域
33：第三阻挡区
24：光泵浦的发绿光InGaN子区域
30：GaN最终区
在构造A中，电流仅流经电泵浦的发蓝光InGaN子区域21。第一阻挡区31为p掺杂的并且形成有源区的p接触。在该实施例中，在第一子区域21和第二子区域22之间布置有厚阻挡区31，其中厚阻挡区31具有至少100nm的厚度。厚阻挡区31基于比邻接厚阻挡区的第一子区域21和第二子区域22具有更大带隙的半导体材料，并且将导电材料310施加到厚阻挡区31的侧面，其中，第一子区域21经由导电材料310进行电接触。其余的阻挡区为具有至多30nm厚度的薄阻挡区。例如导电材料310由金属或TCO材料给出。
构造B
20：n-GaN第一区
24：电泵浦的发蓝光InGaN子区域
31：n掺杂的第一阻挡区
23：光泵浦的发红光(n)-InGaN子区域
32：n掺杂的第二阻挡区
22：光泵浦的发黄光(n)-InGaN子区域
33：n掺杂的第三阻挡区
21：光泵浦的发绿光(n)-InGaN子区域
30：p-GaN最终区
在构造B中，电流流经所有子区域。然而，只有发蓝光InGaN子区域24通过电泵浦。将导电材料310施加到p-GaN区30。
构造C
20：n-GaN第一区
21：发蓝光InGaN子区域
31：能隙为至少3.4eV的GaN或InGaN阻挡区
22：发绿光InGaN子区域
32：能隙为至少2.8eV的InGaN阻挡区
23：发黄光InGaN子区域
33：能隙为至少2.4eV的InGaN阻挡区
24：发红光InGaN子区域
30：p-GaN最终区
在构造C中电流流经所有子区域。然而，只有发蓝光InGaN子区域21通过电泵浦。
本发明不限于基于示例性实施方案描述的示例性实施方案。更准确地说，本发明包括任何新的特征并且也包括任何特征的组合，特别地包括权利要求中的特征的任意组合以及示例性实施方案中的特征的任意组合，即使该特征或该组合本身未在权利要求或示例性实施方案中明确地说明也是如此。

Claims (11)

1.一种发光二极管芯片，包括：
-具有多个有源区(2)的半导体本体(1)，其中，
-所述有源区(2)中至少之一具有至少两个子区域(21···28)，
-所述至少两个子区域(21···28)在所述发光二极管芯片的工作期间发射颜色互不相同的光，
-在所述子区域(21···28)的至少之一中所述光的发射通过电产生，
-所述有源区(2)具有主延伸方向(R)，
-将所述子区域(21···28)沿着所述子区域(21···28)的所述有源区(2)的所述主延伸方向(R)布置并且在每对相邻子区域(21···28)之间仅布置一个阻挡区(3)，
-所述阻挡区(3)配置成阻碍所述两个相邻子区域(21···28)之间的电荷载流子的热活化再分布，
-所述有源区(2)中的至少一些在相对于所述主延伸方向(R)处于侧向的方向(L)上彼此隔开，或者所述有源区(2)中的至少一些在所述侧向方向上彼此部分地接触，
-所述有源区(2)为纳米结构并且所述有源区(2)中至少之一的最大直径为1000nm并且纵横比为至少3，
-各个子区域(21···28)均基于包含铟的氮化物化合物半导体材料，该包含铟的氮化物化合物半导体材料基于(Al,In,Ga)N的半导体材料，
-各个阻挡区(3)均基于与邻接所述阻挡区(3)的所述子区域(21···28)相比具有更大带隙的至少一种氮化物化合物半导体材料，
-各个阻挡区(3)均基于GaN或AlInGaN或InGaN，以及
-各个阻挡区(3)在所述有源区的所述主延伸方向上比各个子区域(21···28)更薄。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其中，
-各个子区域(21···28)均基于InGaN半导体材料。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其中，
-在所述至少一个有源区(2)的至少两个子区域(21···28)中所述光的发射通过电产生，以及
-在两个电驱动子区域(21···28)之间布置隧道结(6)。
4.根据权利要求3所述的发光二极管芯片，其中，
-将所述两个电驱动子区域(21···28)之间的所述阻挡区(3)用作所述隧道结(6)。
5.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其中，
-在所述至少一个有源区(2)的第一子区域(21···28)中所述光的发射通过电产生并且在同一有源区(2)的相邻所述第一子区域的第二子区域(21···28)中所述光的发射是由于通过所述第一子区域(21···28)的光进行的光泵浦。
6.根据权利要求5所述的发光二极管芯片，其中，
-所述有源区(2)形成将所述第一子区域(21···28)的光沿着所述主延伸方向(R)导向所述第二子区域的光导装置。
7.根据权利要求6所述的发光二极管芯片，其中，
所述第一子区域(21…28)和所述第二子区域(21…28)之间布置有厚阻挡区(31)，其中，
-所述厚阻挡区(31)的厚度为至少100nm，
-所述厚阻挡区(31)基于与邻接所述厚阻挡区的所述第一和所述第二子区域(21…28)相比具有更大带隙的半导体材料，并且
-所述厚阻挡区(31)的侧面施加有导电材料(310)，其中所述第一子区域(21…28)经由所述导电材料(310)被电接触。
8.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其中，
-将所述有源区(2)中至少之一配置成发射白光。
9.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其中，
-所述有源区(2)中至少之一具有配置成发射白光的子区域(21···28)。
10.一种用于生产发光二极管芯片的方法，包括以下步骤：
-外延生长具有多个有源区(2)的半导体本体(1)，其中，
-所述有源区(2)中至少之一具有至少两个子区域(21···28)，
-所述有源区(2)具有布置在所述至少两个子区域(21···28)的两个相邻子区域(21···28)之间的至少一个阻挡区(3)，
-所述至少两个子区域(21···28)在发光二极管芯片的工作期间发射颜色互不相同的光，
-在所述子区域(21···28)的至少之一中所述光的发射通过电产生，
-将所述阻挡区(3)配置成阻碍所述两个相邻子区域(21···28)之间的电荷载流子的热活化再分布，
-所述有源区(2)具有主延伸方向(R)，
-所述有源区(2)在相对于所述主延伸方向(R)处于侧向的方向(L)上彼此隔开，
-将所述子区域(21···28)沿所述子区域(21···28)的所述有源区(2)的所述主延伸方向(R)布置并且在每对相邻子区域(21···28)之间布置至少一个阻挡区(3)，
-所述有源区(2)为纳米结构并且所述有源区(2)中至少之一的最大直径为1000nm并且纵横比为至少3，
-各个子区域(21···28)均基于包含铟的氮化物化合物半导体材料，
-各个阻挡区(3)均基于与邻接所述阻挡区(3)的所述子区域(21···28)相比具有更大带隙的至少一种氮化物化合物半导体材料，
-在所述至少一个有源区(2)的至少一个第一子区域(21···28)中所述光的发射通过电产生并且在同一有源区(2)的至少一个第二子区域(21···28)中所述光发射是由于通过所述第一子区域(21···28)的光进行的光泵浦，
-所述有源区(2)形成将所述至少一个第一子区域(21···28)的光沿着所述主延伸方向(R)导向所述至少一个第二子区域的光导装置，
-将所述有源区(2)中至少之一配置成发射白光，以及
-所述有源区(2)中至少之一具有配置成发射白光的子区域(21···28)。
11.一种发光二极管芯片，包括：
-具有多个有源区(2)的半导体本体(1)，其中，
-所述有源区(2)中至少之一具有至少两个子区域(21···28)，
-所述有源区(2)具有布置在所述至少两个子区域(21···28)中的两个相邻子区域(21···28)之间的至少一个阻挡区(3)，
-所述至少两个子区域(21···28)在所述发光二极管芯片的工作期间发射颜色互不相同的光，
-在所述子区域(21···28)的至少之一中所述光的发射通过电产生，
-将所述阻挡区(3)配置成阻碍所述两个相邻子区域(21···28)之间的电荷载流子的热活化再分布，
-在所述至少一个有源区(2)的第一子区域(21···28)中所述光的发射通过电产生并且在同一有源区(2)的相邻所述第一子区域的第二子区域(21···28)中所述光的发射是由于通过所述第一子区域(21···28)的光进行的光泵浦，
-所述第一子区域(21…28)和所述第二子区域(21…28)之间布置有厚阻挡区(31)，其中，
-所述厚阻挡区(31)的厚度为至少100nm，
-所述厚阻挡区(31)基于与邻接所述厚阻挡区的所述第一和所述第二子区域(21…28)相比具有更大带隙的半导体材料，并且
-所述厚阻挡区(31)的侧面施加有导电材料(310)，其中，所述第一子区域(21…28)经由所述导电材料(310)被电接触。
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