單片集成白光二極體的製作方法
2023-04-29 17:19:11 1
專利名稱：單片集成白光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高光色品質、高發光效率的單片集成白光發光二極體。
背景技術：
基於白光發光二極體(LED)的半導體照明光源具有高效節能、綠色環保的優點，有望成為新一代電光源進入千家萬戶，具有十分誘人的應用前景。目前實現半導體白光源主要集中在三種方法上第一種是紅、綠、藍光LED混合封裝得到白光，必須要有複雜的驅動電路和反饋控制系統；第二種是在藍光LED晶片上塗敷黃光螢光粉，藍光激發螢光粉發出黃光，藍光與黃光混合得到白光；第三種是在紫外(或者紫光)LED晶片上塗敷三基色螢光粉，紫外光(或者紫光)激發螢光粉發出紅、綠、藍光，三者混合得到白光。第二和第三種方法都要求在LED封裝工序中增加一道螢光粉塗覆工藝，不但增加了器件成本，而且白光LED的性能會受到螢光粉性能退化的影響，尤其是在高亮度功率型的LED中，螢光粉的退化將加劇，嚴重地威脅到器件的性能穩定性和壽命。由於上述三種實現半導體白光源的方法各有缺點，因此人們希望能夠研製出單片集成白光LED，無需螢光粉的光轉換作用就能直接得到白光。
為了在單片集成LED中獲得白光發射，其內部必須具有對應不同波長的多個光發射區，比如藍光發射區+黃光發射區，紅光發射區+綠光發射區+藍光發射區。對於氮化物發光材料，為了獲得黃光(或者紅光)發射，必須採用高In組分的InxGa1-xN或者InxGayAl1-x-yN材料。由於InN和GaN的晶格常數以及熱化學常數的差別較大，所以高In組分的InxGa1-xN材料生長較為困難(參考文獻I-hsiu Ho and G.B.Stringfellow，Solid phaseimmiscibility in GaInN.Applied Physics Letters.69(18)，1996，p2701)。這就導致外延晶體的質量差，缺陷、位錯多，光損耗增加，導致黃光或者紅光的發光效率很低。而且InxGa1-xN/GaN界面之間由於壓電極化和自發極化效應而引進的內建電場也會使得黃光或者紅光的發光效率很低(參考文獻D.Xiao，K.W.Kim，et al..Design of white light-emittingdiodes using InGaN/AlInGaN quantum-well structures.Applied Physics Letters.84(52)，2004，p672.)。比如，目前550nm的綠光LED發光效率已經超過25流明/瓦，而商業用途的黃色InGaN(波長為590nm)LED雖然已經開發出來，但是其發光效率卻只有4流明/瓦。更長波長的紅光InGaN/GaN LED則仍然處於實驗室階段，其發光效率比藍光InGaN/GaN LED的要低兩個數量級(參考文獻B.Damilano，et al.InGaN/GaN quantum wellsgrown by molecular beam epitaxy emitting at 300K in the whole visible spectrum.MaterialsScience and Engineering B82(2001)224-226.)。正是由於材料外延生長困難和內建電場效應使得較長波長光的內量子效率很小，所以在(藍光+黃光)的單片集成白光LED中，黃光在合成光中所佔的功率比例太小，導致合成白光的色品質量不好，甚至偏離白光顏色很遠，這就難以獲得高品質的白光出射。這顯然不能滿足照明的需求，因為照明白光源必須具有較好的色品質量，具有較高的顯色指數，能夠更好地再現物體的真實顏色。
除了光色質量不好之外，在單片集成白光LED中，較短波長的光子還將面臨被較長波長發光區域再吸收而導致的發光效率減小問題。比如在(藍光+黃光)的單片集成白光LED中，波長較短的藍光光子一旦進入到波長較長的黃光發光區中，就會遭遇強烈的本徵吸收，從而降低發光效率。雖然可以採取短波長發光區在上(靠近出光面)、長波長發光區在下(遠離出光面)的方案來減小這種危害，但是由於LED中以自發發射為主，各個方向發射光子的機率相同，所以仍然有相當數量向下發射的短波長光子被下面的長波長發光區吸收掉了，從而降低了發光效率。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種單片集成白光二極體，它不僅能夠消除長波長光功率太小對白光顏色的不利影響，還能夠解決短波長光子被長波長發光區所吸收的問題，具有好的白光品質、高顯色指數和大發光效率。
本發明解決其技術問題採用的技術方案是其表面設有P型電極和N型電極；其內部由下往上依次有分布式布拉格反射器、襯底、緩衝層、第一下包層、第一有源區、第一上包層、光子晶體層、第二下包層、第二有源區、第二上包層、P型包層和P型歐姆接觸層，其中，由分布式布拉格反射器和單片集成白光LED上表面構成第一光學反饋腔，由光子晶體層和單片集成白光LED上表面構成第二光學反饋腔。
本發明與現有技術相比具有以下主要優點1.具有發光顏色互為補色的兩個有源區(比如第一有源區為黃光，第二有源區為藍光)，因此不再需要塗覆螢光粉，兩個有源區發出的光混合之後可以直接得到白光。
2.兩個光學反饋腔為較短波長的光和較長波長的光提供了光學反饋放大作用，大幅提高這兩種光的發光效率和發光功率，從而提高整個器件的發光效率和發光功率。
3.兩個光學反饋腔是相互獨立的，可以讓較長波長的光獲得更強的光反饋作用，提高其發光效率和發光功率，從而提高較長波長的光在合成白光中的功率比例，提高合成白光的色品質量和顯色指數。
4.光子晶體層可以有效地阻止較短波長的光進入到較長波長光的發光區域中，有效地解決單片集成白光LED中存在的短波長光子被長波長發光區再吸收的問題，從而提高發光效率。
圖1為本發明一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。
本發明提供的單片集成白光LED，設有光子晶體層6和兩個光學反饋腔。
單片集成白光LED的具體結構如圖所示其表面設有P型電極12和N型電極13，其內部由下往上依次有分布式布拉格反射器14、襯底1、緩衝層2、第一下包層3、第一有源區4、第一上包層5、光子晶體層6、第二下包層7、第二有源區8、第二上包層9、P型包層10、P型歐姆接觸層11。兩個光學反饋腔中，第一光學反饋腔17由分布式布拉格反射器14和單片集成白光LED上表面構成，第一有源區發出的光在此反饋腔中得到光學反饋加強作用；第二光學反饋腔16由光子晶體層6和單片集成白光LED上表面構成，第二有源區發出的光在此反饋腔中得到光學反饋加強作用。
所述第一有源區4遠離出光面(圖中自光15的那一面為出光面)，其發射光譜的主波長較長(例如黃光)；第二有源區8靠近出光面，其發射光譜的主波長較短(例如藍光)。兩個有源區發出的光為互補色，混合後呈白光15；例如藍光和黃光為互補色，其混合後呈白光。這兩個有源區可由多量子阱、體材料、量子點、量子線中的一種製成，或者由量子點與量子阱的混合體製成，或者由量子點與量子線的混合體製成。
由多量子阱製成的第一有源區4和第二有源區8，其結構是以InGaN為阱，AlInGaN為壘；或者以InGaN為阱，GaN為壘；或者依據實際需要，可選用其它材料製備阱、壘。任意兩種互為補色的第一和第二有源區，其發出的兩種顏色的光混合之後可以得到白光。
所述襯底1可由藍寶石、氮化鉀(GaN)、碳化矽、氧化鋅、尖晶石、矽等材料中的一種製成。
所述緩衝層2可由N型GaN、N型AlN、N型InGaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一種製成。所述分布式布拉格反射器14可由光學鍍膜工藝製成，比如，採用由TiO2/SiO2或者HfO2/SiO2等介質材料構成的結構，或者依據實際需要採用其它兩種或者多種具有不同折射率的介質材料構成的結構；或者採用由金屬(比如Ag、Al)和介質材料構成的混合結構。
在本實施例中，P型電極12和N型電極13都是製作在LED的同一面(出光面)。也可以依據實際需要將它們製作在LED的不同面，比如，P型電極12位於LED的出光面、N型電極13位於分布式布拉格反射器14的下面。
所述的光子晶體層6是一種由InGaN和GaN所構成的一維光子晶體層，或者由AlGaN和InGaN所構成的一維光子晶體層；還可以是一種由上述材料所構成的二維或者三維的光子晶體構成。或者依據實際需要採用其它半導體材料所構成的一維、二維或者三維的光子晶體構成。
光子晶體層6具有雙重功能第一，它具有「阻止藍光通過、透黃光」的功能，對藍光提供的較高反射率(高達90％以上)可以有效地阻止藍光有源區(第二有源區8)產生的藍光進入下面的黃光有源區(第一有源區4)，而對波長較長的黃光提供高達90％以上的透過率，從而有效地解決了通常單片集成白光LED所存在的短波長光子被長波長發光區再吸收的問題；第二，光子晶體層6作為下反饋腔面構建了藍光反饋腔(第二光學反饋腔16)，藍光反饋腔的上反饋腔面在器件的出光面，因為半導體器件與外部空氣的折射率差別可以提供大約20％左右的反射率。藍光反饋腔(第二光學反饋腔16)對自發發射的藍光光子提供一定的光反饋放大作用，有利於提高藍光的發光效率。
在拋光減薄的藍寶石襯底1上，通過光學鍍膜工藝形成的分布式布拉格反射器14對黃光具有較高的反射率(90％以上)，它作為下反饋腔面，與出光面(上反饋腔面)一起構成了黃光的反饋腔17。黃光反饋腔17具有雙重功效一方面，它對黃光提供的光反饋放大作用有利於提高黃光的發光效率；另一方面，通過優化設計使它對黃光提供更強的光反饋作用，以加強黃光在合成白光功率中所佔的比例，解決由於黃光內量子效率較小的對白光顏色的造成的不利影響，從而獲得高顯色指數的白光。
另外，本發明中其它部件可以採用常規技術，例如所述的第一下包層3、第二下包層7可以採用N型GaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一種構成，也可以是不進行任何摻雜的GaN、AlGaN或者AlInGaN中的一種所構成；或者依據實際需要採用其他材料所構成。
所述的第一上包層5、第二上包層9可以採用P型GaN、P型AlGaN、P型AlInGaN中的一種構成，也可以是不進行任何摻雜的GaN、AlGaN或者AlInGaN中的一種所構成；或者依據實際需要採用其他材料所構成。
所述的P型包層10可以是P型GaN、或者依據實際需要採用其它不同的半導體材料結構所構成，比如由P型GaN、P型AlGaN所構成的超晶格結構。
所述的P型歐姆接觸層11是由P型GaN層構成，或者依據實際需要採用其它不同半導體材料所構成。
所述的P型電極12由Ni/Ag合金、或者Cr/Au合金、或者依據實際需要採用其它不同材料所構成。
所述的N型電極13由Ti/Al合金、或者Cr/Au合金、或者依據實際需要採用其它不同材料所構成。
綜上所述，由於本發明採用了兩個發光顏色互補的有源區，並且引入光子晶體層構建了兩個光學反饋腔對兩種顏色光提供不同的光反饋作用，所以該單片集成的白光LED無需螢光粉的光轉換作用就能直接出射白光，它不僅能夠消除長波長光功率太小對白光顏色的不利影響，還能夠解決短波長光子被長波長發光區所吸收的問題，具有好的白光品質，高顯色指數和大發光效率的優點。
下面結合附圖簡述本發明的工作過程(1)當該二極體通過P型電極12和N型電極13注入電流後，在第一有源區4中的電子與空穴輻射複合，產生波長較長的黃光光子；而在第二有源區8中的電子與空穴輻射複合，產生波長較短的藍光光子。
(2)由於光子晶體層具有「阻止藍光通過、透黃光」的功能，它對藍光提供的較高反射率(高達90％以上)可以有效地阻止藍光有源區(第二有源區8)產生的藍光進入下面的黃光有源區(第一有源區4)，從而有效地解決解決短波長光子被長波長有源區所吸收的問題。而且，由光子晶體層和LED上表面構成的藍光反饋腔(第二光學反饋腔16)對自發發射的藍光光子提供了一定的光反饋放大作用，提高了藍光的發光效率和發光功率。由於光子晶體層6對藍光具有較高的反射率(90％以上)，最後，得到放大的藍光從LED上表面出射。
(3)由於光子晶體層具有「阻止藍光通過、透黃光」的功能，它對黃光提供的較高透射率(高達90％以上)可以高效地讓黃光有源區(第一有源區4)產生的黃光通過，在由分布式布拉格反射器和單片集成白光LED上表面構成的黃光反饋腔(第一光學反饋腔17)中得到光學反饋加強作用。由於分布式布拉格反射器14對黃光具有較高的反射率(90％以上)，最後，得到放大的黃光將絕大部分從LED的上表面出射。
(4)從LED的上表面出射的藍光和黃光混合，形成白光。
權利要求
1.一種單片集成白光二極體，其表面設有P型電極(12)和N型電極(13)，其內部由下往上依次有分布式布拉格反射器(14)、襯底(1)、緩衝層(2)、第一下包層(3)、第一有源區(4)、第一上包層(5)、第二下包層(7)、第二有源區(8)、第二上包層(9)、P型包層(10)、P型歐姆接觸層(11)，其特徵在於設有光子晶體層(6)和兩個光學反饋腔，光子晶體層位於第一上包層和第二下包層之間，第一光學反饋腔(17)由分布式布拉格反射器和單片集成白光二極體上表面構成，第二光學反饋腔(16)由光子晶體層和單片集成白光二極體上表面構成。
2.根據權利要求1所述的單片集成白光二極體，其特徵在於第一有源區(4)發射光譜的主波長較長，第二有源區(8)發射光譜的主波長較短；兩個有源區發出的光為互補色，混合後呈白光。
3.根據權利要求2所述的單片集成白光二極體，其特徵在於第一有源區(4)和第二有源區(8)由多量子阱、體材料、量子點、量子線中的一種製成，或者由量子點與量子阱的混合體製成，或者由量子點與量子線的混合體製成。
4.根據權利要求1所述的單片集成白光二極體，其特徵在於光子晶體層(6)由一維、二維或者三維的光子晶體構成。
5.根據權利要求1所述的單片集成白光二極體，其特徵在於所述襯底(1)由藍寶石、氮化鉀、碳化矽、氧化鋅、尖晶石、矽中的一種製成。
6.根據權利要求1所述的單片集成白光二極體，其特徵在於所述緩衝層(2)由N型GaN、N型AlN、N型InGaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一種製成。
7.根據權利要求1所述的單片集成白光二極體，其特徵在於分布式布拉格反射器(14)由光學鍍膜工藝製成，其採用不同折射率的兩種或者多種介質材料構成，或者採用由金屬和介質材料構成的混合結構。
全文摘要
本發明是一種單片集成白光二極體，其表面設有P型電極(12)和N型電極(13)，其內部由下往上依次有分布式布拉格反射器(14)、襯底(1)、緩衝層(2)、第一下包層(3)、第一有源區(4)、第一上包層(5)、光子晶體層(6)、第二下包層(7)、第二有源區(8)、第二上包層(9)、P型包層(10)、P型歐姆接觸層(11)；其中，第一光學反饋腔(17)由分布式布拉格反射器和單片集成白光二極體上表面構成，第二光學反饋腔(16)由光子晶體層和單片集成白光二極體上表面構成。本發明兩個有源區發出的光互為補色，因此無需螢光粉的光轉換作用就能直接出射白光，具有好的白光品質，高顯色指數和大發光效率的優點。
文檔編號H01L33/00GK1933198SQ200610124730
公開日2007年3月21日 申請日期2006年10月10日 優先權日2006年10月10日
發明者黃黎蓉, 劉德明, 文鋒, 陸奎, 馬磊 申請人:華中科技大學