專利名稱：直接出射白光的高亮度功率型led芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高亮度發(fā)光二極管領(lǐng)域，特別是一種直接出射白光的高亮度功率型LED芯片。
背景技術(shù)：
由于發(fā)光二極管(LED)具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長、反應(yīng)速度快、環(huán)保、可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，因此，高亮度LED以及基于LED的半導(dǎo)體光源是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一，它們可以廣泛應(yīng)用在大、中、小屏幕顯示器，以及汽車用燈、背光源、交通信號燈、景觀照明、室內(nèi)外裝飾和白光照明等方面。特別是基于LED的半導(dǎo)體白光源具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，在全球能源資源相當(dāng)有限和保護(hù)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的雙重背景下，將在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場劃時(shí)代的照明革命，成為繼白熾燈、熒光燈之后的新一代電光源，而進(jìn)入千家萬戶。
目前主要采用以下三種方法來實(shí)現(xiàn)白光第一種方法是將發(fā)不同顏色光的發(fā)光二極管(LED)混合在一起產(chǎn)生白光，比如紅、綠、藍(lán)色LED的組合，盡管這種方法的光轉(zhuǎn)換效率較高，顯色指數(shù)很好，但是必須要有復(fù)雜的驅(qū)動電路以及外加的探測器和反饋控制系統(tǒng)。第二種方法是用LED去激發(fā)具有波長變換功能的熒光粉，比如用藍(lán)光LED激發(fā)可發(fā)出黃色光的熒光粉，一部分藍(lán)色光透過熒光粉，另外的藍(lán)色光被熒光粉吸收，發(fā)出黃色光，藍(lán)光與黃色光混合在一起就形成白光，這是一種最普遍使用的屬于光轉(zhuǎn)換型的方法，其缺陷是只有單一顏色的熒光粉，缺少紅色，顯色指數(shù)不是很高。第三種方法也屬于光轉(zhuǎn)換型，其用紫外LED來泵浦紅、綠和藍(lán)色三種顏色熒光粉而產(chǎn)生白光，它可以解決顯色指數(shù)低的問題，但是它的光轉(zhuǎn)換效率低，而且紫外光對封裝的有機(jī)材料會造成損害，所以目前還不成熟。以上三種方法都會給LED中下游生產(chǎn)的封裝和應(yīng)用帶來額外的制作工序和成本代價(jià)，此外，第二種和第三種方法在LED的封裝過程中都必須要額外加一道熒光粉的涂覆工序，從而增加成本；并且，熒光粉的涂覆工藝不易控制，容易出現(xiàn)發(fā)光顏色不正，顏色不均勻的現(xiàn)象；而且，由于受到LED芯片發(fā)熱的影響，熒光粉會出現(xiàn)性能退化，致使白光LED的發(fā)光效率、光色質(zhì)量和顯色指數(shù)都會下降。
亮度指標(biāo)一直是制約LED廣泛應(yīng)用的瓶頸。雖然目前商品化的白色LED器件發(fā)光效率已達(dá)到白熾燈的水平，實(shí)驗(yàn)室的發(fā)光效率達(dá)到了120流明/瓦，但是一般來說，每顆LED的發(fā)光通量僅在0.5～2流明之間(而一支普通蠟燭的發(fā)光通量可達(dá)到十幾流明)，因而必須發(fā)展功率型的LED才能滿足半導(dǎo)體照明市場的要求。目前的半導(dǎo)體白光源大多是以氮化鎵(GaN)藍(lán)、綠光LED為基礎(chǔ)。參見圖1，它是現(xiàn)有GaN藍(lán)、綠光LED的一種具有代表性的結(jié)構(gòu)示意圖。它以絕緣的藍(lán)寶石1為襯底，其P型接觸電極7和N型接觸電極8都是做在外延表面的同一側(cè)，在襯底1上依次外延生長GaN或氮化鋁(AlN)緩沖層2、N型GaN層3、有源層4、P型GaN層5。為了改善電流注入的均勻性，在P型GaN層5的上面還有電流擴(kuò)展層6。光主要從上表面出射，序號9和10代表光出射方向。這種結(jié)構(gòu)有以下缺點(diǎn)(1)由于P型接觸電極7和鍵合引線對光有吸收和遮擋作用，而且接觸電極7的尺寸一般占芯片總尺寸的30-40％，這使得上表面出射光有相當(dāng)大的一部分被浪費(fèi)了。(2)電流擴(kuò)展層6對光的吸收作用也降低了取光效率。由于P型GaN層5的電導(dǎo)率較低，為滿足電流擴(kuò)展的要求，一般在外延層表面再覆蓋一層電流擴(kuò)展層6。為了使光吸收最小，其厚度必須盡量小。但是從滿足電流擴(kuò)展的要求來看，其厚度又應(yīng)該大一些，否則不利于LED的電學(xué)甚至熱學(xué)性能。這樣在透光率和擴(kuò)展電阻率二者之間必須折衷考慮，折衷的結(jié)果必定使光電轉(zhuǎn)換效率的提高受到限制。(3)LED由于是自發(fā)發(fā)射，而且內(nèi)部無光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對光子進(jìn)行導(dǎo)引和限制作用，使得光子向各個(gè)方向都有出射，常規(guī)LED的上表面出光為主型使得從襯底1方向出射的光子被白白浪費(fèi)掉了。(4)光子是在有源區(qū)4中產(chǎn)生的，它必須通過摻雜的P型GaN層5才能從上表面出射，而摻雜的GaN層5也對光子具有吸收作用。上述種種因素使得LED的發(fā)光效率低下，所以一般單個(gè)LED的發(fā)光通量只有幾個(gè)流明甚至更低，光功率才幾個(gè)毫瓦，還不能滿足半導(dǎo)體照明市場的要求。
總之，上述白光LED在結(jié)構(gòu)、封裝方面存在的缺陷，使得其亮度不夠高，發(fā)光效率和發(fā)光功率小，制作工藝復(fù)雜，從而影響其在照明市場的廣泛應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，該芯片不僅可以直接出射白光，還具有高亮度大功率的特點(diǎn)，更加符合半導(dǎo)體照明市場的應(yīng)用要求。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是設(shè)有至少兩個(gè)發(fā)射不同主波長光的有源區(qū)，每一個(gè)有源區(qū)具有各自的光波導(dǎo)限制層；兩種或者多種主波長不同的光譜混合在一起產(chǎn)生白光；其兩側(cè)的解理腔面都鍍有反射膜，形成光子諧振腔；光出射方向?yàn)槿珎?cè)面出光，上述結(jié)構(gòu)適合GaN基或ZeSe基的LED，或者其它材料的LED；其襯底是藍(lán)寶石襯底，或SiC襯底，或者別的襯底材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要優(yōu)點(diǎn)其一可以給LED下游封裝和應(yīng)用領(lǐng)域簡化工序和成本，也不再存在熒光粉涂覆不好或者熒光粉性能退化所造成的問題，是產(chǎn)生白光LED的一種最直接方法。
其二.將傳統(tǒng)的上表面出光為主型改變?yōu)槿珎?cè)面出光型，同時(shí)在器件內(nèi)部引進(jìn)光波導(dǎo)和光放大機(jī)制，不僅極大地減少了光損耗，有利于電流擴(kuò)展、降低串聯(lián)電阻，而且光波導(dǎo)和光放大機(jī)構(gòu)的引入可以大幅提高發(fā)光效率和發(fā)光通量，光子再吸收問題也得以解決。
其三.解決了一般的GaN LED在大芯片大電流和高發(fā)光效率兩項(xiàng)指標(biāo)上，所面臨的兩者不可兼得的境況，可以在實(shí)現(xiàn)大芯片大電流工作的時(shí)候，同時(shí)具備高發(fā)光效率，從而滿足半導(dǎo)體照明市場的要求。
其四.結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，利于推廣應(yīng)用。
圖1是現(xiàn)有GaN藍(lán)、綠光LED的一種具有代表性的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的白光LED的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明是一種直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其有至少兩個(gè)發(fā)射不同主波長光的有源區(qū)，每一個(gè)有源區(qū)具有各自的光波導(dǎo)限制層；兩種或者多種主波長不同的光譜混合在一起產(chǎn)生白光；其兩側(cè)的解理腔面都鍍有反射膜，形成光子諧振腔；光出射方向?yàn)槿珎?cè)面出光。此種結(jié)構(gòu)適合氮化鎵(GaN)基或硒化鋅(ZeSe)基的LED，或者其它材料的LED；其襯底是藍(lán)寶石襯底，或碳化硅(SiC)襯底，或者別的襯底材料。
具體實(shí)例結(jié)構(gòu)如圖2所示自下往上依次是N型接觸電極23、襯底11、緩沖層12、N型包層13、第一個(gè)下限制波導(dǎo)層14、第一個(gè)有源區(qū)15、第一個(gè)上限制波導(dǎo)層16、第二個(gè)下限制波導(dǎo)層17、第二個(gè)有源區(qū)18、第二個(gè)上限制波導(dǎo)層19、P型包層20、電流擴(kuò)展層21和P型接觸電極22；在其左右解理腔面上分別鍍有反射膜24、反射膜25，它們形成光子的諧振腔。
所述有源區(qū)可以是體材料結(jié)構(gòu)，或量子阱結(jié)構(gòu)。當(dāng)有源區(qū)為兩個(gè)時(shí)，其發(fā)射光譜的主波長是兩個(gè)互為補(bǔ)色的波長；當(dāng)有源區(qū)為兩個(gè)以上時(shí)，其發(fā)射光譜的主波長是兩個(gè)以上的波長，它們混合成為白光。光出射方向可以從一個(gè)解理腔面出射，或從兩個(gè)解理腔面出射。反射膜24具有高反射率的增反膜，也可以是反射率較低的反射膜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可以結(jié)合圖2來進(jìn)一步說明(一)有效地減少了光吸收。兩對光波導(dǎo)層(14和16，17和19)對光子具有限制和導(dǎo)引作用，將光子分別有效地限制在有源區(qū)15和18中，光子不再進(jìn)入對光有較大吸收作用的P型和N型包層20和13中；光出射為全側(cè)面出光型，電流擴(kuò)展層21和接觸電極層22以及鍵合引線對光子的吸收問題將不復(fù)存在，解決了電流擴(kuò)展層21在電學(xué)和光學(xué)特性上所面臨的折衷問題。也不再存在前面所述的襯底出光被白白浪費(fèi)的問題了。
(二)光波導(dǎo)和光放大機(jī)構(gòu)的引入可以大幅提高發(fā)光效率和發(fā)光通量。反射膜24和25的作用是形成諧振腔，具有光放大的作用，量子效率和光功率將因此大幅提高。其中24是具有高反射率的增反膜，而反射膜25是具有低反射率的反射膜。合理設(shè)計(jì)兩端面的反射率，可以使得光子絕大多數(shù)從圖2所示中的右邊解理腔面出射。如果反射膜24的反射率也較低，則光出射方向從兩個(gè)解理腔面出射。光波導(dǎo)和光放大機(jī)構(gòu)的引入解決了一般的GaN LED在大芯片大電流和高發(fā)光效率兩項(xiàng)指標(biāo)上，所面臨的兩者不可兼得的境況，可以在實(shí)現(xiàn)大芯片大電流工作的時(shí)候、同時(shí)具備高發(fā)光效率。
(三)可以直接出射白光。在本發(fā)明中，芯片具有兩個(gè)發(fā)射不同波長的有源區(qū)15和18以及各自的光波導(dǎo)限制層14和16，17和19。有源區(qū)15發(fā)射光譜的主波長為λ1，有源區(qū)18發(fā)射光譜的主波長為λ2。λ1和λ2分別為430nm和540nm左右。兩種主波長不同的光譜混合在一起產(chǎn)生白光。由于兩有源區(qū)產(chǎn)生的光子被各自的波導(dǎo)層很好地限制住了，光子不會跑到別的材料中，而只是在各自的有源區(qū)中被放大，出射之后再疊加混合形成白光。因而不會出現(xiàn)光子再吸收問題。光子再吸收是指高能量(即短波長)的光子在低能隙的半導(dǎo)體材料中被吸收的效應(yīng)，它會降低整個(gè)LED的效率，影響光色質(zhì)量。直接出射白光的LED，可以給LED下游封裝和應(yīng)用領(lǐng)域簡化工序和成本，不再存在熒光粉涂覆不好或者熒光粉性能退化所造成的問題，是產(chǎn)生白光LED的一種最直接方法，結(jié)構(gòu)和工藝簡單，光子再吸收問題得以解決。
權(quán)利要求
1.一種直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于設(shè)有至少兩個(gè)發(fā)射不同主波長光的有源區(qū)，每一個(gè)有源區(qū)具有各自的光波導(dǎo)限制層；兩種或者多種主波長不同的光譜混合在一起產(chǎn)生白光；其兩側(cè)的解理腔面都鍍有反射膜，形成光子諧振腔；光出射方向?yàn)槿珎?cè)面出光，上述結(jié)構(gòu)適合氮化鎵(GaN)基或硒化鋅(ZeSe)基的LED，或者其它材料的LED；其襯底是藍(lán)寶石襯底，或碳化硅(SiC)襯底，或者別的襯底材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于有源區(qū)為兩個(gè)時(shí)，其發(fā)射光譜的主波長是兩個(gè)互為補(bǔ)色的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于有源區(qū)為兩個(gè)以上時(shí)，其發(fā)射光譜的主波長是兩個(gè)以上的波長，它們混合成為白光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于自下往上依次是N型接觸電極(23)、襯底(11)、緩沖層(12)、N型包層(13)、第一個(gè)下限制波導(dǎo)層(14)、第一個(gè)有源區(qū)(15)、第一個(gè)上限制波導(dǎo)層(16)、第二個(gè)下限制波導(dǎo)層(17)、第二個(gè)有源區(qū)(18)、第二個(gè)上限制波導(dǎo)層(19)、P型包層(20)、電流擴(kuò)展層(21)和P型接觸電極(22)；在其左右解理腔面上分別鍍有反射膜(24)、反射膜(25)，它們形成光子的諧振腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于有源區(qū)(15)、(18)是體材料結(jié)構(gòu)，或量子阱結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于反射膜(24)是具有高反射率的增反膜，或具有反射率較低的反射膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其特征在于從一個(gè)解理腔面出射光，或從兩個(gè)解理腔面出射光。
全文摘要
本發(fā)明是一種直接出射白光的高亮度功率型LED芯片，其結(jié)構(gòu)是設(shè)有至少兩個(gè)發(fā)射不同主波長光的有源區(qū)，每一個(gè)有源區(qū)具有各自的光波導(dǎo)限制層；兩種或者多種主波長不同的光譜混合在一起產(chǎn)生白光；其兩側(cè)的解理腔面都鍍有反射膜，形成光子諧振腔；光出射方向?yàn)槿珎?cè)面出光，此種結(jié)構(gòu)適合GaN基或ZeSe基的LED，或者其它材料的LED；其襯底是藍(lán)寶石襯底，或SiC襯底，或者別的襯底材料。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的白光LED在結(jié)構(gòu)、封裝方面，以及亮度不夠高、發(fā)光效率和發(fā)光功率小、制作工藝復(fù)雜等方面存在的缺陷，更適合在照明市場的廣泛應(yīng)用。
文檔編號H01L33/00GK1588656SQ200410060708
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者劉德明, 黃黎蓉, 劉陳, 黃德修 申請人:華中科技大學(xué)