CN116759502B - 一种ii型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，包括：至少一个芯片单元；所述芯片单元包括：依次排布的第一N型导电层、红光II型超晶格层、第一P型导电层、绿光II型超晶格层、第二N型导电层、蓝光II型超晶格层和第二P型导电层，所述第一N型导电层在最底层，所述二P型导电层在最上层；所述红光II型超晶格层、绿光II型超晶格层和蓝光II型超晶格层由第一半导体材料和第二半导体材料周期排列构成。本发明解决了II型异质结作为发光二极管有源区时电子空穴复合效率较低的问题，扩充了全彩微型发光二极管显示芯片的材料选择范围。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别是涉及一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片。
背景技术
微型发光二极管显示技术具有能耗低、寿命长和显色性好等优点，在大屏显示器、消费电子、车载显示器、虚拟现实/增强现实和可穿戴显示等领域有着广阔的应用前景。
目前用于全彩显示的蓝光和绿光微型发光二极管使用的是氮化物材料，而红光微型发光二极管使用的是磷化物材料，材料体系的不匹配增加了全彩芯片集成的难度。而氮化物红光微型发光二极管的发光效率低、发光峰半宽大，还不能满足全彩微型显示的要求。
发光二极管的发光有源区通常是由I型异质结构成的超晶格，其发光波长取决于超晶格中窄禁带半导体材料的禁带宽度。特定禁带宽度的高质量半导体材料的可选择范围有限，因此限制了全彩微型发光二极管显示技术的发展。而II型异质结的发光波长取决于其中两种半导体材料的带阶，II型异质结具有丰富的带阶，扩充了用于全彩显示的发光二极管的材料选择范围。然而，由于II型异质结的电子和空穴在空间上分离的特点，使得其作为发光二极管有源区时电子空穴复合效率较低，需要通过结构设计来提高发光二极管的发光效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，本发明解决了现有技术中II型异质结作为发光二极管有源区时电子空穴复合效率较低的问题，扩充了用于全彩显示的发光二极管的材料选择范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，包括：
至少一个芯片单元；
所述芯片单元包括：
依次排布的第一N型导电层、红光II型超晶格层、第一P型导电层、绿光II型超晶格层、第二N型导电层、蓝光II型超晶格层和第二P型导电层，所述第一N型导电层在最底层，所述第二P型导电层在最上层；
所述红光II型超晶格层、绿光II型超晶格层和蓝光II型超晶格层由第一半导体材料和第二半导体材料周期排列构成，周期数范围为2-100。
优选地，所述第一半导体材料为直接带隙半导体，所述第一半导体材料的薄层厚度范围为0.1-10nm。
优选地，所述第二半导体材料为直接半导体或间接半导体中的一种，所述第二半导体材料的薄层厚度范围为0.1-10nm。
优选地，第一半导体材料和第二半导体材料的一种能带对准方式是：第二半导体材料的价带顶位于第一半导体材料的禁带中，第二半导体材料的导带底位于第一半导体材料的导带中。
优选地，第一半导体材料和第二半导体材料的另一种能带对准方式是：第二半导体材料的导带底位于第一半导体材料的禁带中，第二半导体材料的价带顶位于所述第一半导体材料的价带中。
优选地，红光II型超晶格层、绿光II型超晶格层和蓝光II型超晶格层中第一半导体材料和第二半导体材料的厚度逐渐减小，超晶格的导带和价带的子带能级间距逐渐增大，发光波长逐渐变短。
优选地，所述第一半导体材料和第二半导体材料的组合为：GaN/SiC、GaN/ZnO、InP/ZnO、ZnO/SiC、ZnO/NiO、ZnO/CuO、ZnO/ZnSe、ZnO/ZnS、ZnO/MoS2中的一种。
优选地，N型导电层和P型导电层均为第一半导体材料或所述第二半导体材料中的一种或N型导电层和P型导电层分别为第一半导体材料或所述第二半导体材料中的一种。
优选地，第一N型导电层、红光II型超晶格层、第一P型导电层、绿光II型超晶格层、第二N型导电层、蓝光II型超晶格层、第二P型导电层呈共轴的环形柱状分布。
优选地，若所述芯片单元数量不为1，则多个芯片单元构成芯片阵列。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，本发明通过对二极管的结构设计，扩充了用于全彩显示的发光二极管的材料选择范围，增加了II型异质结中电子-空穴波函数耦合度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片单元的截面图；
图2为本发明实施例提供的II型ZnO/SiC超晶格层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的II型ZnO/SiC超晶格层的能带图；
图4为本发明实施例提供的II型ZnO/SiC超晶格层中电子-空穴波函数分布情况示意图。
附图标记说明：
101-第一N型导电层，102-红光II型超晶格层，103-第一P型导电层，104-绿光II型超晶格层，105-第二N型导电层，106-蓝光II型超晶格层，107-第二P型导电层，108-N型电极层，109-P型电极层，201-四层SiC层，202-三层ZnO层，301-超晶格层导带底，302-超晶格层价带顶，303-ZnO超晶格层导带中的子带能级，304-SiC超晶格层价带中的子带能级，401-SiC超晶格层，402-ZnO超晶格层，403-电子波函数，404-空穴波函数。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，本发明解决了现有技术中II型异质结作为发光二极管有源区时电子空穴复合效率较低的问题，扩充了用于全彩显示的发光二极管的材料选择范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，包括：
至少一个芯片单元；
所述芯片单元包括：
依次排布的第一N型导电层101、红光II型超晶格层102、第一P型导电层103、绿光II型超晶格层104、第二N型导电层105、蓝光II型超晶格层106和第二P型导电层107，所述第一N型导电层101在最底层，所述第二P型导电层在最上层；
具体的，红光II型超晶格层102，位于第一N型导电层101之上；第一P型导电层103，位于红光II型超晶格层102之上；绿光II型超晶格层104，位于第一P型导电层103之上；第二N型导电层105，位于绿光II型超晶格层104之上；蓝光II型超晶格层106，位于第二N型导电层105之上;第二P型导电层107，位于蓝光II型超晶格之上。
所述红光II型超晶格层102、绿光II型超晶格层104和蓝光II型超晶格层106由第一半导体材料和第二半导体材料周期排列构成，周期数范围为2-100。
进一步的，所述第一半导体材料为直接带隙半导体，所述第一半导体材料的薄层厚度范围为0.1-10nm， II型超晶格中的第一半导体材料的禁带宽度为Eg1。
进一步的，所述第二半导体材料为直接半导体或间接半导体中的一种，所述第二半导体材料的薄层厚度范围为0.1-10nm， II型超晶格中的第二半导体材料的禁带宽度为Eg2。
第一半导体材料和第二半导体材料的价带带阶为ΔEv；第二半导体材料与第一半导体材料的导带、价带相对位置分为两种情况：
1：所述第二半导体材料的价带顶位于第一半导体材料的禁带中，第二半导体材料的导带底位于第一半导体材料的导带中，调节两种半导体薄层的厚度，利用超晶格中量子化的子带能级，则II型超晶格中电子和空穴复合的发光波长在Eg1-ΔEv~Eg2+ΔEv之间可调。
2：第二半导体材料的导带底位于第一半导体材料的禁带中，第二半导体材料的价带顶位于所述第一半导体材料的价带中，调节两种半导体薄层的厚度，利用超晶格中量子化的子带能级，则II型超晶格中电子和空穴复合的发光波长在Eg2-ΔEv~Eg1+ΔEv之间可调。
进一步的，所述第一半导体材料和第二半导体材料的组合为：GaN/SiC、GaN/ZnO、InP/ZnO、ZnO/SiC、ZnO/NiO、ZnO/CuO、ZnO/ZnSe、ZnO/ZnS、ZnO/MoS2中的一种；红光II型超晶格层、绿光II型超晶格层和蓝光II型超晶格层中第一半导体材料和第二半导体材料的厚度逐渐减小，超晶格的导带和价带的子带能级间距逐渐增大，发光波长逐渐变短。选择带阶和禁带宽度合适的半导体材料组合，可以实现发光波长从红光到蓝光波段的覆盖，实现全彩微型发光二极管显示。
进一步的，N型导电层和P型导电层均为第一半导体材料或所述第二半导体材料中的一种或N型导电层和P型导电层分别为第一半导体材料或所述第二半导体材料中的一种。
进一步的，第一N型导电层101、红光II型超晶格层102、第一P型导电层103、绿光II型超晶格层104、第二N型导电层105、蓝光II型超晶格层106、第二P型导电层107呈共轴的环形柱状分布。
进一步的，第一N型导电层101的尺寸范围为0.5~500μm，第二P型导电层107的尺寸范围为0.1~100 μm；第一P型导电层103与红光II型超晶格层102的面积相同，第二N型导电层105与绿光II型超晶格层104面积相同，第二P型导电层107与蓝光II型超晶格层106面积相同，第一N型导电层101面积大于所述第一P型导电层103的面积，所述第一P型导电层103的面积大于所述第二N型导电层105的面积，所述第二N型导电层105的面积大于第二P型导电层107的面积。
第一N型导电层101之上、环绕红光II型超晶格层102具有N型电极层108；第一P型导电层103之上、环绕绿光II型超晶格层104具有P型电极层109；第二N型导电层105之上、环绕蓝光II型超晶格层106具有N型电极层108；第二P型导电层107之上具有P型电极层109。
进一步的，若所述芯片单元数量不为1，则多个芯片单元构成芯片阵列。
具体的实施例如下：
其中第一N型导电层101为300μm的N型SiC；红光II型超晶格层102是3个周期的II型ZnO/SiC超晶格；第一P型导电层103为1μm的P型SiC；绿光II型超晶格层104是3个周期的II型ZnO/SiC超晶格；第二N型导电层105为1 μm的N型SiC；蓝光II型超晶格层106是3个周期的II型ZnO/SiC超晶格；第二P型导电层107为1 μm的P型SiC。
第一N型导电层101、红光II型超晶格层102、第一P型导电层103、绿光II型超晶格层104、第二N型导电层105、蓝光II型超晶格层106、第二P型导电层107呈共轴的环形柱状分布；第二P型导电层107与蓝光II型超晶格层106的尺寸为5μm，第二N型导电与绿光II型超晶格层104的尺寸为10μm，第一P型导电层103与红光II型超晶格层102的尺寸为20μm，第一N型导电层101的尺寸为40μm。
第一N型导电层101之上、环绕红光II型超晶格层102具有N型电极层108；第一P型导电层103之上、环绕绿光II型超晶格层104具有P型电极层109；第二N型导电层105之上、环绕蓝光II型超晶格层106具有N型电极层108；第二P型导电层107之上具有P型电极层109。N型电极层为Ni金属层，P型电极层为Ni/Ti/Al金属叠层。
图2是II型ZnO/SiC超晶格层的结构示意图；II型ZnO/SiC超晶格层由四层SiC层201和三层ZnO层202交叠而成；红光II型超晶格层102中ZnO层的厚度为2nm，SiC层的厚度为2nm；绿光II型超晶格层104中ZnO层的厚度为1nm，SiC层的厚度为1nm；蓝光II型超晶格层106中ZnO层的厚度为0.25nm，SiC层的厚度为1nm。
图3是II型ZnO/SiC超晶格层的能带图；ZnO超晶格层的导带底低于SiC超晶格层，于是在ZnO中形成电子的势阱；同理，SiC超晶格层的价带顶高于ZnO超晶格层，于是在SiC中形成空穴的势阱；ZnO超晶格层导带中的子带能级303上的电子与相邻SiC超晶格层价带中的子带能级304上的空穴复合发光；随着超晶格中ZnO和SiC的厚度逐渐减小，ZnO超晶格层的导带中的子带能级303和SiC超晶格层价带中的子带能级304别远离导带底和价带顶，因此发光波长逐渐变短。
图4是II型ZnO/SiC超晶格层中电子-空穴波函数分布情况；从图4中可以看出，SiC超晶格层401与ZnO超晶格层402中的电子波函数403和空穴波函数404出现交叠。
本发明的有益效果如下：
1）使用超晶格作为发光有源区，增加了II型异质结中电子-空穴波函数耦合度；
2）使用两种二元合金材料、通过调节超晶格厚度即可实现波长调控，简化了外延结构；
3）II型超晶格的两种半导体材料可以选择晶体质量好、热导率高、易于实现N型和P型掺杂的二元合金，易于实现垂直结构的全彩微型发光二极管芯片。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，其特征在于，包括：
至少一个芯片单元；
所述芯片单元包括：
依次排布的第一N型导电层、红光II型超晶格层、第一P型导电层、绿光II型超晶格层、第二N型导电层、蓝光II型超晶格层和第二P型导电层，所述第一N型导电层在最底层，所述第二P型导电层在最上层；
所述红光II型超晶格层、绿光II型超晶格层和蓝光II型超晶格层由第一半导体材料和第二半导体材料周期排列构成，周期数范围为2-100;
所述第一半导体材料为直接带隙半导体，所述第一半导体材料的薄层厚度范围为0.1-10nm;
所述第二半导体材料为直接半导体或间接半导体中的一种，所述第二半导体材料的薄层厚度范围为0.1-10nm;
调节两种半导体薄层的厚度，利用超晶格中量子化的子带能级，则II型超晶格中电子和空穴复合的发光波长在Eg2/Eg1-ΔEv~Eg1/Eg2+ΔEv之间可调；
红光II型超晶格层、绿光II型超晶格层和蓝光II型超晶格层中第一半导体材料和第二半导体材料的厚度逐渐减小，超晶格的导带和价带的子带能级间距逐渐增大，发光波长逐渐变短;
所述第一半导体材料和第二半导体材料的组合为：GaN/SiC、GaN/ZnO、InP/ZnO、ZnO/SiC、ZnO/NiO、ZnO/CuO、ZnO/ZnSe、ZnO/ZnS、ZnO/MoS2中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，其特征在于，第一半导体材料和第二半导体材料的一种能带对准方式是：第二半导体材料的价带顶位于第一半导体材料的禁带中，第二半导体材料的导带底位于第一半导体材料的导带中。
3.根据权利要求1所述的一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，其特征在于，第一半导体材料和第二半导体材料的另一种能带对准方式是：第二半导体材料的导带底位于第一半导体材料的禁带中，第二半导体材料的价带顶位于所述第一半导体材料的价带中。
4.根据权利要求1所述的一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，其特征在于，N型导电层和P型导电层均为第一半导体材料或所述第二半导体材料中的一种或N型导电层和P型导电层分别为第一半导体材料或所述第二半导体材料中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，其特征在于，第一N型导电层、红光II型超晶格层、第一P型导电层、绿光II型超晶格层、第二N型导电层、蓝光II型超晶格层、第二P型导电层呈共轴的环形柱状分布。
6.根据权利要求1所述的一种II型超晶格全彩微型发光二极管显示芯片，其特征在于，若所述芯片单元数量不为1，则多个芯片单元构成芯片阵列。
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