DE112018005384T5

DE112018005384T5 - Halbleiterstruktur und lichtemittierendes bauelement mit halbleiterstrukturen

Info

Publication number: DE112018005384T5
Application number: DE112018005384.9T
Authority: DE
Inventors: Bob Fitzmorris; Joseph Treadway
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-07-02
Also published as: US20190144746A1; WO2019091912A1; US10421904B2

Abstract

Eine Halbleiterstruktur und ein lichtemittierendes Bauelement aufweisend eine Leuchtdiode und eine Vielzahl von Halbleiterstrukturen werden beschrieben, wobei die Halbleiterstruktur ein längliches Keimpartikel umfassend ein erstes Halbleitermaterial umfasst, wobei das Keimpartikel ein Längenverhältnis von größer als 2,0 aufweist, wobei die Halbleiterstruktur Teil eines Quantenpunkts ist oder diesen bildet.

Description

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Halbleiterstrukturen, insbesondere Halbleiterstrukturen, die Quantenpunkte bilden, sowie lichtemittierende Bauelemente, die solche Halbleiterstrukturen umfassen.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung 15/809,941 , deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Halbleiternanopartikel, die so präpariert werden können, dass sie bei Bestrahlung mit geeignetem einfallenden Licht teilchengrößenabhängig lumineszieren, werden allgemein als Quantenpunkte bezeichnet. Normalerweise kommt es zu einer Änderung der Quantenausbeute bei der Lichtemission, wenn die Temperatur der Nanopartikel erhöht wird, und es kann auch eine Änderung der Energie und der Form des Emissionsbandes auftreten. Die Quantenausbeute kann sich auch in Abhängigkeit vom Fluss des einfallenden Lichts ändern. Insbesondere Quantenpunkte, die in heutigen Anwendungen verwendet werden, zeigen in der Regel einen ausgeprägten Wärme- und Flussverlust, d.h. eine signifikante Abnahme der Photolumineszenz-Quantenausbeute mit zunehmenden Temperaturen und mit zunehmenden einfallenden Lichtintensitäten.
Es ist auch bekannt, dass die Partikelmorphologie zu den Emissionseigenschaften beiträgt, aber bisher wurde dieser Beitrag in der Regel im Hinblick auf die relative Einfachheit und Vollständigkeit verstanden, emittierende Keimpartikel mit Halbleitern größerer Bandlücke epitaktisch zu beschichten. Beispielsweise wurde die schlechte Lumineszenzleistung tetrapodenförmiger Nanopartikel auf die Schwierigkeit zurückgeführt, eine ununterbrochene, kontinuierliche epitaktische Schicht aus anorganischem Material perfekt aufzutragen, und nicht auf eine intrinsische Eigenschaft tetrapodenförmiger Nanopartikel.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung geben eine Halbleiterstruktur an. Weitere Ausführungsformen geben ein lichtemittierendes Bauelement mit Halbleiterstrukturen an.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst eine Halbleiterstruktur ein erstes Halbleitermaterial, wobei die Halbleiterstruktur Teil eines Quantenpunktes ist oder einen Quantenpunkt bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Keimpartikel eine längliche Form auf. Mit anderen Worten kann die Halbleiterstruktur ein längliches Keimpartikel aufweisen. „Länglich“ kann insbesondere bedeuten, dass das Keimpartikel entlang einer Richtung eine maximale Ausdehnung aufweist, während das Keimpartikel in allen anderen Richtungen Ausdehnungen aufweist, die kleiner als die maximale Ausdehnung sind. Insbesondere hat das Keimpartikel eine Länge, die die Dimension des Keimpartikels entlang einer ersten Richtung mit der maximalen Ausdehnung sein kann. In einer Richtung senkrecht zur Länge kann das Keimpartikel eine Breite aufweisen. Insbesondere kann die Breite die maximale Ausdehnung des Keimpartikels entlang einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft, bezeichnen. Das Verhältnis der Länge zur Breite kann als Längenverhältnis des Keimpartikels bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Keimpartikel ein Längenverhältnis von mehr als 1,5 auf. Vorzugsweise kann das Keimpartikel ein Längenverhältnis von mindestens 2,0 oder bevorzugt von mehr als 2,0 oder noch bevorzugter von mindestens 3,0 aufweisen. Außerdem kann das Keimpartikel ein Längenverhältnis zwischen und einschließlich 2,0 und 4,0 oder ein Längenverhältnis von mehr als 2,0 und gleich oder weniger als 4,0 oder ein Längenverhältnis zwischen und einschließlich 3,0 und 4,0 aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Keimpartikel eine Länge zwischen und einschließlich 2 nm und 10 nm auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Halbleiterstruktur ferner eine Schale mit mindestens einer Schicht, die ein zweites Halbleitermaterial umfasst, wobei die Schale das Keimpartikel vollständig umschließt. Insbesondere können sich das erste und das zweite Halbleitermaterial voneinander unterscheiden. Das zweite Halbleitermaterial kann eine Bandlücke aufweisen, die größer als die Bandlücke des ersten Halbleitermaterials ist. Darüber hinaus kann die Schale eine oder mehrere Schichten umfassen, wobei im letzteren Fall zumindest zwei der mehr als einen Schichten unterschiedliche Materialien oder Mischungen aus unterschiedlichen Materialien umfassen. Darüber hinaus haben umfassen die Halbleiterstruktur eine Vielzahl von Keimpartikeln, wobei die Vielzahl der Keimpartikel von zumindest einer Schicht der Schale eingeschlossen ist. Zusätzlich kann jedes der Vielzahl der Keimpartikel individuell von einer oder mehreren Schichten der Schale umgeben sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Keimpartikel nicht zentriert innerhalb der Schale angeordnet. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das Keimpartikel eine Keimmitte und die Schale eine Schalenmitte aufweist, wobei die Keimmitte und die Schalenmitte nicht zusammenfallen und daher nicht deckungsgleich sind. Alternativ kann das Keimpartikel zentriert in der Schale angeordnet sein, was bedeutet, dass die Keimmitte und die Schalenmitte zusammenfallen. Die Mitte des Keimpartikels und/oder die Mitte der Schale kann ein geometrischer Mittelpunkt bzw. ein Schwerpunkt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schale eine Form auf, die sich von der Form des Keimpartikels unterscheidet. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass die Schale nicht länglich ist, sondern eine äußere Form aufweist, die zum Beispiel der Form einer Kugel ähnelt. Darüber hinaus kann die Schale auch länglich sein, aber ein Längenverhältnis aufweisen, das sich vom Längenverhältnis des Keimpartikels unterscheidet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Halbleiterstruktur ein längliches Keimpartikel, das ein erstes Halbleitermaterial umfasst, wobei die Halbleiterstruktur Teil eines Quantenpunktes ist oder einen Quantenpunkt bildet, wobei die Halbleiterstruktur, insbesondere das Keimpartikel, eine Photolumineszenz-Emission bei Bestrahlung mit einem Anregungslicht erzeugt, und wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von zumindest 65% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von ungefähr 10 W/cm² aufweist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Halbleiterstruktur ein längliches Keimpartikel, das ein erstes Halbleitermaterial umfasst, wobei die Halbleiterstruktur Teil eines Quantenpunktes ist oder einen Quantenpunkt bildet, wobei die Halbleiterstruktur, insbesondere das Keimpartikel, bei Bestrahlung mit Anregungslicht eine Photolumineszenz-Emission erzeugt, und wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von zumindest 60% bei einer Temperatur von 105°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von mehr als 0 W/cm² und gleich oder weniger als 150 W/cm² aufweist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Halbleiterstruktur ein längliches Keimpartikel, das ein erstes Halbleitermaterial umfasst, wobei die Halbleiterstruktur Teil eines Quantenpunktes ist oder einen Quantenpunkt bildet, wobei die Halbleiterstruktur, insbesondere das Keimpartikel, eine Photolumineszenz-Emission bei Bestrahlung mit einem Anregungslicht erzeugt, und wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von zumindest 65% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von ungefähr 10 W/cm² aufweist, und wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von zumindest 60% bei einer Temperatur von 105°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von mehr als 0 W/cm² und gleich oder weniger als 150 W/cm² aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeuteabweichung von weniger als 20% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von 10 W/cm² auf. Eine Abweichung der Photolumineszenz-Quantenausbeute von weniger als 20% bei jeder Temperatur in diesem Temperaturbereich kann insbesondere bedeuten, dass die Photolumineszenz-Quantenausbeute ein globales Maximum bei einer ersten Temperatur in diesem Temperaturbereich und ein globales Minimum bei einer zweiten Temperatur in diesem Temperaturbereich aufweist, wobei die Differenz zwischen dem globalen Maximum und dem globalen Minimum weniger als 20% beträgt. Darüber hinaus kann die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeuteabweichung von weniger als 10% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von 10 W/cm² aufweisen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform weist ein lichtemittierendes Bauelement eine Leuchtdiode und eine Vielzahl von Halbleiterstrukturen auf, wobei jede der Halbleiterstrukturen ein längliches Keimpartikel aufweist, das ein erstes Halbleitermaterial umfasst, wobei das Keimpartikel ein Längenverhältnis von mehr als 1,5 aufweist und jede der Halbleiterstrukturen Teil eines Quantenpunktes ist oder einen Quantenpunkt bildet. Alle im Zusammenhang mit der Halbleiterstruktur beschriebenen Merkmale gelten auch für das lichtemittierende Bauelement und umgekehrt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
Die 2A und 2B zeigen Quantenausbeutediagramme einer Ausführungsform von Halbleiterstrukturen und einer Vergleichsprobe.
Die 3A und 3B zeigen Quantenausbeutediagramme einer anderen Ausführungsform von Halbleiterstrukturen und einer Vergleichsprobe.
Die 4A bis 4H zeigen schematische Darstellungen von Halbleiterstrukturen gemäß weiterer Ausführungsformen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines lichtemittierenden Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In den Figuren sind Elemente der gleichen Ausgestaltung und/oder Funktion durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es versteht sich, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen illustrative Darstellungen sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Im Folgenden sind spezifische Details wie spezifische Merkmale und vorteilhafte Auswirkungen von Halbleiterstrukturen und einem lichtemittierenden Bauelement mit Halbleiterstrukturen dargelegt, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Für den Fachmann wird es offensichtlich sein, dass Ausführungsformen der Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte, verwandte Bauelemente, wie die Vielzahl von Varianten anwendbarer Leuchtdioden, nicht im Detail beschrieben, um Ausführungsformen der Erfindung nicht unnötig zu überdecken.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleiterstruktur 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Die Halbleiterstruktur 100 ist Teil eines oder bildet einen Quantenpunkt und umfasst ein Keimpartikel 1 mit einem ersten Halbleitermaterial.
Die Halbleiterstruktur 100 und insbesondere das Keimpartikel 1 können so präpariert werden, dass sie partikelgrößenabhängig lumineszieren. Um eine praktisch nutzbare Quantenausbeute der photolumineszenten Emission zu erhalten, wird bevorzugt eine Schale 2 hinzugefügt, die zumindest eine anorganische Beschichtung aus einem Material mit größerer Bandlücke und/oder eine Passivierungsschicht wie ein organisches Polymer oder Metalloxid/Halbleiter wie Siliziumoxid (SiO_x), Titanoxid (TiO_x), Zirkoniumoxid (ZrO_x), Aluminiumoxid (AlO_x), Magnesiumoxid (MgO_x) und Hafniumoxid (HfO_x) umfasst.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Halbleiterstruktur 100 ferner eine Schale 2 auf, die, wie in 1 dargestellt, zumindest eine Schicht mit einem zweiten Halbleitermaterial umfasst. Die Schale 2 umschließt bevorzugt das Keimpartikel 1 vollständig.
Das Keimpartikel 1 hat eine längliche Form mit einer Länge 11, die die maximale Ausdehnung des Keimpartikels 1 darstellt. Die Länge 11 ist entlang einer ersten Richtung orientiert, während das Keimpartikel 1 in allen anderen Richtungen, die sich von der ersten Richtung unterscheiden, Ausdehnungen aufweist, die kleiner als die Länge 11 sind. In einer Richtung senkrecht zur Länge 11 hat das Keimpartikel 1 eine Breite 12. Insbesondere kann die Breite 12 die maximale Ausdehnung des Keimpartikels 1 entlang einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft, bezeichnen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Keimpartikel 1 eine Länge 11 zwischen und einschließlich 2 nm und 10 nm.
Das Längenverhältnis des Keimpartikels 1, das das Verhältnis der Länge 11 zur Breite 12 ist, kann größer als 1,5 sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Keimpartikel 1 ein Längenverhältnis von zumindest 2,0 oder, bevorzugt, von größer als 2,0 oder, noch bevorzugter, von zumindest 3,0 auf. Es hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft sein kann, wenn das Keimpartikel 1 ein Längenverhältnis von größer als 2,0 und gleich oder kleiner als 4,0 oder sogar zwischen und einschließlich 3,0 und 4,0 aufweist. Wie weiter unten näher erläutert wird, kann die Schale praktisch jede Form und Größe haben, die sich zur Erzielung der gewünschten Emissionsparameter eignet.
Die ersten und zweiten Halbleitermaterialien, d.h. das Keimpartikel 1 und die Schale 2 oder zumindest eine Schicht der Schale 2, sind jeweils Materialien wie, aber nicht eingeschränkt auf Gruppe II-VI-Materialien, Gruppe III-V-Materialien, Gruppe IV-VI-Materialien, Gruppe I-III-VI-Materialien oder Gruppe II-IV-VI-Materialien und in einer Ausführungsform monokristallin. Insbesondere unterscheiden sich die ersten und zweiten Halbleitermaterialien voneinander.
In einer bevorzugten Ausführungsform können das erste und das zweite Halbleitermaterial beide Gruppe II-VI-Materialien sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist das erste Halbleitermaterial beispielsweise Cadmiumselenid (CdSe), während das zweite Halbleitermaterial ein solches wie, aber nicht beschränkt auf, Cadmiumsulfid (CdS), Zinksulfid (ZnS) oder Zinkselenid (ZnSe) umfasst oder ist.
Es gibt verschiedene synthetische Ansätze zur Herstellung von Halbleiterstrukturen, zum Beispiel mit CdSe-Keimpartikeln. So wird beispielsweise in einer Ausführungsform Cadmiumoxid (CdO) unter einer inerten Atmosphäre (z.B. ultrahochreines (UHP) Argon) in Gegenwart von einem oberflächenaktiven Stoff (z.B. Octadecylphosphonsäure (ODPA)) und einem Lösungsmittel (z.B. Trioctylphosphinoxid (TOPO); Trioctylphosphin (TOP)) bei hohen Temperaturen (z.B. 350°C bis 380°C) dissoziiert. Die resultierenden Cd²⁺-Kationen werden durch schnelle Injektion solvatisierten Selen-Anionen (Se^2-) ausgesetzt, was zu einem Nukleationsereignis führt, bei dem kleine CdSe-Keime gebildet werden. Die Keime wachsen weiter und nehmen die restlichen in Lösung verfügbaren Cd²⁺ und Se^- auf, wobei die resultierenden Keimpartikel durch Oberflächenwechselwirkungen mit dem oberflächenaktiven Stoff in Lösung (ODPA) stabilisiert werden. Das Längenverhältnis der CdSe-Keimpartikel wird stark durch das Verhältnis der ODPA- zur Cd-Konzentration in Lösung sowie durch andere Faktoren wie die Reaktionstemperatur beeinflusst. Die Qualität und die Endgröße dieser Keimpartikel wird von mehreren Variablen beeinflusst, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Reaktionszeit, Temperatur, Reagenzkonzentration, Konzentration des oberflächenaktiven Stoffes, Feuchtigkeitsgehalt in der Reaktion oder Mischgeschwindigkeit.
Zum Aufwachsen einer Schale auf den CdSe-Keimpartikeln, wobei die Schale zum Beispiel Cadmiumsulfid (CdS) umfasst, wird Cadmiumoxid (CdO) unter einer inerten Atmosphäre (z.B. UHP-Argon) in Gegenwart von oberflächenaktiven Stoffen (z.B. ODPA und Hexylphosphonsäure (HPA)) und Lösungsmittel (z.B. TOPO und/oder TOP) bei hohen Temperaturen (z.B. 350°C bis 380°C) dissoziiert. Die resultierenden Cd²⁺-Kationen in Lösung werden durch schnelle Injektion solvatisierten Schwefelanionen (S^2-) und CdSe-Keimpartikeln ausgesetzt. Es kommt zu einem sofortigen Wachstum der CdS-Schale um die CdSe-Keimpartikel. Die Verwendung sowohl einer kurzkettigen als auch einer langkettigen Phosphonsäure kann beispielsweise eine erhöhte Wachstumsrate in einer Richtung entlang der Längsachse der Keimpartikel und ein langsameres Wachstum entlang der Richtungen senkrecht zur Längsachse der Keimpartikel fördern, was zu einer stabförmigen Halbleiterstruktur führt, wie sie in 1 als Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Die 2A und 2B zeigen Quantenausbeutediagramme einer Ausführungsform von Halbleiterstrukturen mit CdSe-Keimpartikeln im Vergleich zu einer konventionellen Probe von Kern-Schale-Quantenpunkten mit CdSe-Kernen. Sowohl die Halbleiterstrukturen als auch die konventionellen Quantenpunkte wiesen ähnliche Schalen auf, und beide wurden in ein entsprechendes Matrixmaterial aus einem Silikonfilm verteilt. Die Keimpartikel der Halbleiterstrukturen gemäß der Ausführungsform wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 8,09 nm und einer Breite von etwa 4,16 nm größenmäßig bestimmt, was zu einem Längenverhältnis von ca. 2 (+/- 0,3) führte (309 ausgezählte Partikel). Die Kerne der konventionellen Quantenpunkte wurden ebenfalls mittels TEM mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 5,58 nm und einer Breite von etwa 4,22 nm größenmäßig bestimmt, was zu einem Längenverhältnis von etwa 1,3 (+/-0,17) führte (2145 ausgezählte Partikel). Als Anregungslicht wurde das Licht eines blauen Lasers verwendet.
2A zeigt die Photolumineszenz-Quantenausbeute (QY) in Abhängigkeit von der Probentemperatur (T). Die Messungen wurden bei einer Intensität von etwa 10 W/cm² durchgeführt. Die Messung mit den Halbleiterstrukturen der Ausführungsform ist durch den Graphen 211 dargestellt, während die Messung mit den konventionellen Quantenpunkten durch den Graphen 212 dargestellt ist.
Es ist sofort ersichtlich, dass sowohl die konventionellen Quantenpunkte als auch die Halbleiterstrukturen der Ausführungsform zu Kern-Schale-Nanopartikeln mit sehr ähnlichen Quantenausbeuten bei Raumtemperatur führen. Bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen über 70°C, weichen die beiden Graphen jedoch voneinander ab. Im Fall der konventionellen Quantenpunkte zeigt die Biegung in der Temperaturabhängigkeitskurve eine typische Abnahme der Quantenausbeute mit steigender Temperatur, während die relativ flache Abhängigkeit mit der Temperatur bei der Messung der Halbleiterstrukturen der Ausführungsform sowohl außergewöhnlich als auch überraschend ist. Insbesondere weisen die Halbleiterstrukturen eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von mindestens 65% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von etwa 10 W/cm² auf. Außerdem weisen die Halbleiterstrukturen eine Photolumineszenz-Quantenausbeuteabweichung von weniger als 20% und sogar weniger als 10% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von 10 W/cm² auf.
Die Festsetzung der Temperatur auf 105°C und die Messung der Photolumineszenz-Quantenausbeute als Funktion des Flusses F des Anregungslichts für die konventionelle Probe sowie für die Halbleiterstrukturen der Ausführungsform lieferten die in 2B gezeigten Ergebnisse, die durch den Graphen 221 für die Halbleiterstrukturen und durch den Graphen 222 für die konventionellen Quantenpunkte dargestellt sind. Auch hier ist der Vergleich dramatisch und konsistent. Insbesondere weisen die Halbleiterstrukturen der Ausführungsform eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von mindestens 60% bei einer Temperatur von 105°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von mehr als 0 W/cm² und gleich oder weniger als etwa 60 W/cm² auf. Außerdem ist die Quantenausbeute der Halbleiterstrukturen im Vergleich zur Quantenausbeute der konventionellen Probe relativ um 20% bis 37% höher.
Die 3A und 3B zeigen Quantenausbeutediagramme ähnlich denen der 2A und 2B, aber für eine andere Ausführungsform von Halbleiterstrukturen mit einem Längenverhältnis von etwa 3. Die Graphen 311 und 321 entsprechen den Graphen 211 und 221 wie im Zusammenhang mit den 2A und 2B erläutert, während die Graphen 312 und 322 den Graphen 212 und 222 entsprechen. Die Abweichung der Graphen 312 und 322 von den Graphen 212 und 222 liegt darin, dass für die in den 3A und 3B dargestellten Messungen eine andere Probe konventioneller Quantenpunkte mit Kernen mit einem Längenverhältnis unter 1,5 im Vergleich zu den in den 2A und 2B dargestellten Messungen verwendet wurde. Die Ergebnisse der Halbleiterstrukturen, die für die in den 3A und 3B dargestellten Messungen verwendet wurden, sind jedoch mit den in Verbindung mit den 2A und 2B erläuterten Ergebnissen vergleichbar und konsistent.
Wie aus den 2A bis 3B ersichtlich ist, bietet die Verwendung von länglichen Keim-Nanopartikeln, wie hier beschrieben, mit Längenverhältnissen von mehr als 1,5 und bevorzugt von zumindest 2,0 oder sogar von zumindest 3,0 ein überlegenes temperaturabhängiges Emissionsverhalten im Vergleich zu vergleichbaren Quantenpunkten mit eher sphäroidischen Kernen, selbst wenn auf beide Keimtypen vergleichbare epitaktische Schalenschichten aufgebracht wurden. Somit ist es nach den hier beschriebenen Ausführungsformen möglich, insbesondere bei steigenden Temperaturen effizienter emittierende Partikel herzustellen. Dieser Ansatz kann zu Halbleiterstrukturen führen, die selbst bei sehr hohen optischen Flüssen in Kombination mit hohen Temperaturen eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegenüber Lumineszenzquenchen aufweisen - Bedingungen, wie sie in abwärts konvertierenden Quantenpunkt-Leuchtdioden-Konfigurationen auftreten.
Die 4A bis 4H zeigen weitere verschiedene Ausführungsbeispiele der Halbleiterstruktur 100, die die zuvor beschriebenen Vorteile aufweisen.
Jede der in den 4A bis 4F dargestellten Halbleiterstrukturen 100 umfasst ein Keimpartikel 1 entsprechend einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und eine Schale 2 mit einer inneren Schicht 21 und einer äußeren Schicht 22, wobei die innere Schicht 21 das Keimpartikel 1 vollständig umgibt und einschließt und die äußere Schicht 22 die innere Schicht 21 teilweise oder vollständig umgibt und einschließt. Das Keimpartikel 1 umfasst ein erstes Halbleitermaterial. Die innere Schicht 21 der Schale 2 umfasst ein zweites Halbleitermaterial, und die äußere Schicht 22 der Schale 2 umfasst ein drittes Halbleitermaterial. Wie bereits zuvor beschrieben, können das erste und das zweite Halbleitermaterial z.B. beide Gruppe II-VI-Materialien sein und sich bevorzugt voneinander unterscheiden. Das erste Halbleitermaterial umfasst oder ist beispielsweise Cadmiumselenid (CdSe) und das zweite Halbleitermaterial umfasst oder ist ein solches wie, aber nicht beschränkt auf, Cadmiumsulfid (CdS), Zinksulfid (ZnS) oder Zinkselenid (ZnSe). Das dritte Halbleitermaterial kann ein Material sein, wie es für das zweite Halbleitermaterial beschrieben ist, und kann sich bevorzugt von dem ersten und zweiten Halbleitermaterial unterscheiden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist das erste Halbleitermaterial Cadmiumselenid (CdSe), das zweite Halbleitermaterial umfasst oder ist Cadmiumsulfid (CdS) und das dritte Halbleitermaterial umfasst oder ist Zinksulfid (ZnS) .
Wie in 4A sowie zuvor in 1 dargestellt, kann das Keimpartikel 1 nicht zentriert innerhalb der Schale 2 angeordnet sein, was bedeutet, dass die Keimmitte und die Schalenmitte nicht zusammenfallen. Die Mitte des Keimpartikels 1 und die Mitte der Schale 2 können geometrische Mittelpunkte oder Schwerpunkte sein. Alternativ kann, wie in 4B gezeigt, das Keimpartikel 1 zentriert in der Schale 2 angeordnet werden, was bedeutet, dass die Keimmitte und die Schalenmitte zusammenfallen.
Außerdem kann die Schale 2 eine Form aufweisen, die sich von der Form des Keimpartikels 1 unterscheidet. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass die Schale 2 einer anderen äußeren Form als der äußeren Form des Keimpartikels 1 ähnelt, während sowohl das Keimpartikel 1 als auch die Schale 2 länglich sein können, wie beispielsweise in den 1, 4A, 4B und 4D bis 4F dargestellt. Insbesondere kann die Schale 2 auch länglich sein, aber ein Längenverhältnis aufweisen, das sich vom Längenverhältnis des Keimpartikels 1 unterscheidet. Alternativ kann die Schale 2 nicht länglich sein, sondern eine äußere Form haben, die beispielsweise der Form einer Kugel ähnelt, wie in 4C dargestellt.
Außerdem kann die Schale von symmetrischer Form sein, wie in den 1, 4A, 4B und 4C dargestellt, oder eine asymmetrische Form in Bezug auf zumindest eine Symmetrieebene aufweisen, wie in den 4D, 4E und 4F dargestellt. In diesen Fällen kann das Keimpartikel 1 nicht zentriert sein, wie in den 4D und 4E gezeigt, oder es kann eine Keimmitte aufweisen, die mit der Schalenmitte zusammenfällt, wie in 4F gezeigt.
Die 4G und 4H zeigen Halbleiterstrukturen 100 mit einem Keimpartikel 1 und den Schalenschichten 21, 22, die beispielhaft wie das Keimpartikel 1 und die Schalenschichten 21, 22 der in 4A gezeigten Ausführung verkörpert sind. Die Halbleiterstrukturen 100 der 4G und 4H haben jedoch eine Schale 2 mit einer weiteren äußeren Schicht 23, die die Schicht 22 teilweise oder vollständig umgibt und einschließt. Die äußere Schicht 23 kann bevorzugt ein isolierendes Material wie ein isolierendes Metalloxid, zum Beispiel Siliziumoxid oder Aluminiumoxid oder ein anderes Oxid, wie oben in Verbindung mit 1 aufgeführt, umfassen oder daraus gebildet werden.
Wie in 4H dargestellt, kann die Halbleiterstruktur 100 eine Vielzahl von Keimpartikeln 1 aufweisen, wobei jedes der Keimpartikel 1 individuell von einer oder mehreren Schalenschichten 21, 22 umgeben sein kann und wobei alle Keimpartikel 1 zusammen von mindestens einer oder mehreren Schalenschichten wie der beispielhaft dargestellten Schalenschicht 23 umgeben sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 4H nur eines der mehreren Keimpartikel mit einzelnen Schalenschichten durch Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Daten in den 2A, 2B, 3A und 3B wurden unter Verwendung solcher Strukturen gewonnen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die 4A bis 4H mehrere, aber nicht alle Beispiele typischer Keimschalenkonfigurationen für die Halbleiterstruktur gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen zeigen. Wie bereits zuvor erwähnt, sind zwar zwei oder drei Schalenschichten dargestellt, die Schale kann aber auch eine bis mehrere Schichten haben. Die 4A bis 4H veranschaulichen insbesondere, dass für jede der Schalenschichten eine beispielhafte Vielfalt an morphologischen Unterschieden möglich ist und dass innerhalb einer gegebenen Vielzahl von Halbleiterstrukturen nicht jede Schicht gleich sein muss. Zusätzlich kann die Anzahl und/oder die Position des Keimpartikels innerhalb der gesamten Halbleiterstruktur variieren.
In einer Ausführungsform ist die hier beschriebene Halbleiterstruktur Teil eines oder bildet einen Quantenpunkt, der ein abwärts konvertierender Quantenpunkt ist. In einer alternativen Ausführungsform ist der Quantenpunkt jedoch ein aufwärts verschiebender Quantenpunkt. In beiden Fällen kann ein lichtemittierendes Bauelement eine Leuchtdiode und eine Vielzahl von Halbleiterstrukturen, wie die oben beschriebenen, enthalten. Die Halbleiterstrukturen können nahe der Leuchtdiode aufgebracht werden und eine Abwärtskonvertierung oder Aufwärtsverschiebung des von der Leuchtdiode emittierten Lichts ermöglichen. Somit können erfindungsgemäße Halbleiterstrukturen vorteilhaft in der Festkörperbeleuchtung eingesetzt werden. Das sichtbare Spektrum umfasst Licht verschiedener Farben mit Wellenlängen zwischen etwa 380 nm und etwa 780 nm, die für das menschliche Auge sichtbar sind. Eine Leuchtdiode kann UV- oder blaues Licht emittieren, das durch die hier beschriebenen Halbleiterstrukturen abwärts konvertiert oder aufwärts verschoben wird. Jedes geeignete Verhältnis von farbigen Halbleiterstrukturen kann in erfindungsgemäßen Bauelementen verwendet werden. Lichtemittierende Bauelemente gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können eine ausreichende Menge der hier beschriebenen Halbleiterstrukturen enthalten, die in der Lage sind, jedes verfügbare blaue Licht in rot, grün, gelb, orange, blau oder eine andere Farbe abwärts zu konvertieren.
5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines lichtemittierenden Bauelements 1000, das eine Leuchtdiode 200 und eine Wellenlängenkonversionsschicht 300 mit einem Matrixmaterial mit einer Dispersion aus einer Vielzahl von Halbleiterstrukturen 100 darin umfasst, wobei jede der Halbleiterstrukturen 100 ein längliches Keimpartikel wie oben beschrieben aufweist. Die Leuchtdiode 200 kann zum Beispiel eine blau emittierende Diode wie ein Leuchtdioden-Chip basierend auf AlInGaN sein. Das Matrixmaterial kann jedes organische oder anorganische Material umfassen, das sich für eine Wellenlängenkonversionsschicht eignet und das als Matrix für die Halbleiterstrukturen 100 verwendet werden kann. Das Matrixmaterial kann zum Beispiel ein Silikon oder ein anderes transparentes Kunststoffmaterial oder ein niedrig schmelzendes Glas umfassen. Die Halbleiterstrukturen 100 können abhängig von ihrer Größe und tatsächlichen Konfiguration Quantenpunkte bilden, die Licht in einem roten bis grünen Wellenlängenbereich emittieren.
Als Beispiel ist die Wellenlängenkonversionsschicht 300 als sogenannte Chip-Level-Konversionsschicht dargestellt, die direkt auf die Leuchtdiode 200 aufgebracht ist. Alternativ kann die Wellenlängenkonversionsschicht 300 auch entfernt von der Leuchtdiode 200 oder als Guss- oder Formmaterial, das die Leuchtdiode 200 zumindest teilweise bedeckt, ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich zu den im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Merkmalen können die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen weitere, im allgemeinen Teil der Beschreibung beschriebene Merkmale enthalten. Darüber hinaus können Merkmale und Ausführungsformen der Figuren miteinander kombiniert werden, auch wenn eine solche Kombination nicht explizit beschrieben ist.
Die Erfindung wird durch die Beschreibung auf Grundlage der Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, die insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen umfasst, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Keimpartikel
2: Schale
11: Länge
12: Breite
21, 22, 23: Schicht
100: Halbleiterstruktur
200: lichtemittierende Diode
211, 212: Graph
221, 222: Graph
311, 312: Graph
321, 322: Graph
300: Matrixmaterial
1000: lichtemittierendes Bauelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15809941 [0002]

Claims

Halbleiterstruktur umfassend ein längliches Keimpartikel umfassend ein erstes Halbleitermaterial, wobei das Keimpartikel ein Längenverhältnis von größer als 2,0 aufweist, wobei die Halbleiterstruktur Teil eines Quantenpunkts ist oder diesen bildet.
Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 1, wobei das Keimpartikel ein Längenverhältnis von mindestens 3,0 aufweist.
Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 2, wobei das Keimpartikel ein Längenverhältnis zwischen und einschließlich 3,0 und 4,0 aufweist.
Halbleiterstruktur gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Schale umfassend zumindest eine Schicht, die ein zweites Halbleitermaterial aufweist, wobei die Schale das Keimpartikel vollständig umschließt.
Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 4, wobei das erste und das zweite Halbleitermaterial sich voneinander unterscheiden.
Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Schale eine innere und eine äußere Schicht aufweist, die innere Schicht das zweite Halbleitermaterial umfasst und die äußere Schicht ein drittes Halbleitermaterial umfasst, das sich von dem ersten und dem zweiten Halbleitermaterial unterscheidet.
Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Keimpartikel nicht zentriert innerhalb der Schale angeordnet ist.
Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Schale eine Form aufweist, die sich von der Form des Keimpartikels unterscheidet.
Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Schale zumindest eine Schicht umfasst, die ein isolierendes Material aufweist.
Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei eine Vielzahl an Keimpartikeln von zumindest einer Schicht, die ein isolierendes Material aufweist, umschlossen ist.
Halbleiterstruktur gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Keimpartikel eine Länge zwischen einschließlich 2 nm und 10 nm aufweist.
Halbleiterstruktur umfassend ein längliches Keimpartikel umfassend ein erstes Halbleitermaterial, wobei die Halbleiterstruktur Teil eines Quantenpunkts ist oder diesen bildet, wobei die Halbleiterstruktur, insbesondere das Keimpartikel, bei Bestrahlung mit Anregungslicht eine Photolumineszenz-Emission erzeugt, wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von zumindest 65% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von ungefähr 10 W/cm² aufweist, und/oder wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von zumindest 60% bei einer Temperatur von 105°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von mehr als 0 W/cm² und gleich oder weniger als 150 W/cm² aufweist.
Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 12, wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von zumindest 75% bei einer Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von ungefähr 10 W/cm² aufweist.
Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeutenabweichung von weniger als 20% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von 10 W/cm² aufweist.
Halbleiterstruktur gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Halbleiterstruktur eine Photolumineszenz-Quantenausbeutenabweichung von weniger als 10% bei jeder Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen und einschließlich 20°C und 150°C und bei einem Anregungslicht mit einem Fluss von 10 W/cm² aufweist.
Lichtemittierendes Bauelement ausweisend eine lichtemittierende Diode und eine Vielzahl an Halbleiterstrukturen gemäß einem der vorherigen Ansprüche.