專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)纹砂坠舛O管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高光色品質(zhì)、高發(fā)光效率的單片集成白光發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
基于白光發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體照明光源具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代電光源進(jìn)入千家萬(wàn)戶，具有十分誘人的應(yīng)用前景。目前實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體白光源主要集中在三種方法上第一種是紅、綠、藍(lán)光LED混合封裝得到白光，必須要有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路和反饋控制系統(tǒng)；第二種是在藍(lán)光LED芯片上涂敷黃光熒光粉，藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，藍(lán)光與黃光混合得到白光；第三種是在紫外(或者紫光)LED芯片上涂敷三基色熒光粉，紫外光(或者紫光)激發(fā)熒光粉發(fā)出紅、綠、藍(lán)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熒光粉涂覆工藝，不但增加了器件成本，而且白光LED的性能會(huì)受到熒光粉性能退化的影響，尤其是在高亮度功率型的LED中，熒光粉的退化將加劇，嚴(yán)重地威脅到器件的性能穩(wěn)定性和壽命。由于上述三種實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體白光源的方法各有缺點(diǎn)，因此人們希望能夠研制出單片集成白光LED，無(wú)需熒光粉的光轉(zhuǎn)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(fā)射，其內(nèi)部必須具有對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的多個(gè)光發(fā)射區(qū)，比如藍(lán)光發(fā)射區(qū)+黃光發(fā)射區(qū)，紅光發(fā)射區(qū)+綠光發(fā)射區(qū)+藍(lán)光發(fā)射區(qū)。對(duì)于氮化物發(fā)光材料，為了獲得黃光(或者紅光)發(fā)射，必須采用高In組分的InxGa1-xN或者InxGayAl1-x-yN材料。由于InN和GaN的晶格常數(shù)以及熱化學(xué)常數(shù)的差別較大，所以高In組分的InxGa1-xN材料生長(zhǎng)較為困難(參考文獻(xiàn)I-hsiu Ho and G.B.Stringfellow，Solid phaseimmiscibility in GaInN.Applied Physics Letters.69(18)，1996，p2701)。這就導(dǎo)致外延晶體的質(zhì)量差，缺陷、位錯(cuò)多，光損耗增加，導(dǎo)致黃光或者紅光的發(fā)光效率很低。而且InxGa1-xN/GaN界面之間由于壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)而引進(jìn)的內(nèi)建電場(chǎng)也會(huì)使得黃光或者紅光的發(fā)光效率很低(參考文獻(xiàn)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(fā)光效率已經(jīng)超過(guò)25流明/瓦，而商業(yè)用途的黃色I(xiàn)nGaN(波長(zhǎng)為590nm)LED雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，但是其發(fā)光效率卻只有4流明/瓦。更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光InGaN/GaN LED則仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，其發(fā)光效率比藍(lán)光InGaN/GaN LED的要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)(參考文獻(xiàn)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.)。正是由于材料外延生長(zhǎng)困難和內(nèi)建電場(chǎng)效應(yīng)使得較長(zhǎng)波長(zhǎng)光的內(nèi)量子效率很小，所以在(藍(lán)光+黃光)的單片集成白光LED中，黃光在合成光中所占的功率比例太小，導(dǎo)致合成白光的色品質(zhì)量不好，甚至偏離白光顏色很遠(yuǎn)，這就難以獲得高品質(zhì)的白光出射。這顯然不能滿足照明的需求，因?yàn)檎彰靼坠庠幢仨毦哂休^好的色品質(zhì)量，具有較高的顯色指數(shù)，能夠更好地再現(xiàn)物體的真實(shí)顏色。
除了光色質(zhì)量不好之外，在單片集成白光LED中，較短波長(zhǎng)的光子還將面臨被較長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)域再吸收而導(dǎo)致的發(fā)光效率減小問(wèn)題。比如在(藍(lán)光+黃光)的單片集成白光LED中，波長(zhǎng)較短的藍(lán)光光子一旦進(jìn)入到波長(zhǎng)較長(zhǎng)的黃光發(fā)光區(qū)中，就會(huì)遭遇強(qiáng)烈的本征吸收，從而降低發(fā)光效率。雖然可以采取短波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)在上(靠近出光面)、長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)在下(遠(yuǎn)離出光面)的方案來(lái)減小這種危害，但是由于LED中以自發(fā)發(fā)射為主，各個(gè)方向發(fā)射光子的幾率相同，所以仍然有相當(dāng)數(shù)量向下發(fā)射的短波長(zhǎng)光子被下面的長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)吸收掉了，從而降低了發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種單片集成白光二極管，它不僅能夠消除長(zhǎng)波長(zhǎng)光功率太小對(duì)白光顏色的不利影響，還能夠解決短波長(zhǎng)光子被長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)所吸收的問(wèn)題，具有好的白光品質(zhì)、高顯色指數(shù)和大發(fā)光效率。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是其表面設(shè)有P型電極和N型電極；其內(nèi)部由下往上依次有分布式布拉格反射器、襯底、緩沖層、第一下包層、第一有源區(qū)、第一上包層、光子晶體層、第二下包層、第二有源區(qū)、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(gòu)成第一光學(xué)反饋腔，由光子晶體層和單片集成白光LED上表面構(gòu)成第二光學(xué)反饋腔。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要優(yōu)點(diǎn)1.具有發(fā)光顏色互為補(bǔ)色的兩個(gè)有源區(qū)(比如第一有源區(qū)為黃光，第二有源區(qū)為藍(lán)光)，因此不再需要涂覆熒光粉，兩個(gè)有源區(qū)發(fā)出的光混合之后可以直接得到白光。
2.兩個(gè)光學(xué)反饋腔為較短波長(zhǎng)的光和較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光提供了光學(xué)反饋放大作用，大幅提高這兩種光的發(fā)光效率和發(fā)光功率，從而提高整個(gè)器件的發(fā)光效率和發(fā)光功率。
3.兩個(gè)光學(xué)反饋腔是相互獨(dú)立的，可以讓較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光獲得更強(qiáng)的光反饋?zhàn)饔?，提高其發(fā)光效率和發(fā)光功率，從而提高較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光在合成白光中的功率比例，提高合成白光的色品質(zhì)量和顯色指數(shù)。
4.光子晶體層可以有效地阻止較短波長(zhǎng)的光進(jìn)入到較長(zhǎng)波長(zhǎng)光的發(fā)光區(qū)域中，有效地解決單片集成白光LED中存在的短波長(zhǎng)光子被長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)再吸收的問(wèn)題，從而提高發(fā)光效率。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
本發(fā)明提供的單片集成白光LED，設(shè)有光子晶體層6和兩個(gè)光學(xué)反饋腔。
單片集成白光LED的具體結(jié)構(gòu)如圖所示其表面設(shè)有P型電極12和N型電極13，其內(nèi)部由下往上依次有分布式布拉格反射器14、襯底1、緩沖層2、第一下包層3、第一有源區(qū)4、第一上包層5、光子晶體層6、第二下包層7、第二有源區(qū)8、第二上包層9、P型包層10、P型歐姆接觸層11。兩個(gè)光學(xué)反饋腔中，第一光學(xué)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(gòu)成，第一有源區(qū)發(fā)出的光在此反饋腔中得到光學(xué)反饋加強(qiáng)作用；第二光學(xué)反饋腔16由光子晶體層6和單片集成白光LED上表面構(gòu)成，第二有源區(qū)發(fā)出的光在此反饋腔中得到光學(xué)反饋加強(qiáng)作用。
所述第一有源區(qū)4遠(yuǎn)離出光面(圖中自光15的那一面為出光面)，其發(fā)射光譜的主波長(zhǎng)較長(zhǎng)(例如黃光)；第二有源區(qū)8靠近出光面，其發(fā)射光譜的主波長(zhǎng)較短(例如藍(lán)光)。兩個(gè)有源區(qū)發(fā)出的光為互補(bǔ)色，混合后呈白光15；例如藍(lán)光和黃光為互補(bǔ)色，其混合后呈白光。這兩個(gè)有源區(qū)可由多量子阱、體材料、量子點(diǎn)、量子線中的一種制成，或者由量子點(diǎn)與量子阱的混合體制成，或者由量子點(diǎn)與量子線的混合體制成。
由多量子阱制成的第一有源區(qū)4和第二有源區(qū)8，其結(jié)構(gòu)是以InGaN為阱，AlInGaN為壘；或者以InGaN為阱，GaN為壘；或者依據(jù)實(shí)際需要，可選用其它材料制備阱、壘。任意兩種互為補(bǔ)色的第一和第二有源區(qū)，其發(fā)出的兩種顏色的光混合之后可以得到白光。
所述襯底1可由藍(lán)寶石、氮化鉀(GaN)、碳化硅、氧化鋅、尖晶石、硅等材料中的一種制成。
所述緩沖層2可由N型GaN、N型AlN、N型InGaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一種制成。所述分布式布拉格反射器14可由光學(xué)鍍膜工藝制成，比如，采用由TiO2/SiO2或者HfO2/SiO2等介質(zhì)材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，或者依據(jù)實(shí)際需要采用其它兩種或者多種具有不同折射率的介質(zhì)材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)；或者采用由金屬(比如Ag、Al)和介質(zhì)材料構(gòu)成的混合結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中，P型電極12和N型電極13都是制作在LED的同一面(出光面)。也可以依據(jù)實(shí)際需要將它們制作在LED的不同面，比如，P型電極12位于LED的出光面、N型電極13位于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(gòu)成的一維光子晶體層，或者由AlGaN和InGaN所構(gòu)成的一維光子晶體層；還可以是一種由上述材料所構(gòu)成的二維或者三維的光子晶體構(gòu)成?；蛘咭罁?jù)實(shí)際需要采用其它半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的一維、二維或者三維的光子晶體構(gòu)成。
光子晶體層6具有雙重功能第一，它具有“阻止藍(lán)光通過(guò)、透黃光”的功能，對(duì)藍(lán)光提供的較高反射率(高達(dá)90％以上)可以有效地阻止藍(lán)光有源區(qū)(第二有源區(qū)8)產(chǎn)生的藍(lán)光進(jìn)入下面的黃光有源區(qū)(第一有源區(qū)4)，而對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的黃光提供高達(dá)90％以上的透過(guò)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(zhǎng)光子被長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)再吸收的問(wèn)題；第二，光子晶體層6作為下反饋腔面構(gòu)建了藍(lán)光反饋腔(第二光學(xué)反饋腔16)，藍(lán)光反饋腔的上反饋腔面在器件的出光面，因?yàn)榘雽?dǎo)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(lán)光反饋腔(第二光學(xué)反饋腔16)對(duì)自發(fā)發(fā)射的藍(lán)光光子提供一定的光反饋放大作用，有利于提高藍(lán)光的發(fā)光效率。
在拋光減薄的藍(lán)寶石襯底1上，通過(guò)光學(xué)鍍膜工藝形成的分布式布拉格反射器14對(duì)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(gòu)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(duì)黃光提供的光反饋放大作用有利于提高黃光的發(fā)光效率；另一方面，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使它對(duì)黃光提供更強(qiáng)的光反饋?zhàn)饔?，以加?qiáng)黃光在合成白光功率中所占的比例，解決由于黃光內(nèi)量子效率較小的對(duì)白光顏色的造成的不利影響，從而獲得高顯色指數(shù)的白光。
另外，本發(fā)明中其它部件可以采用常規(guī)技術(shù)，例如所述的第一下包層3、第二下包層7可以采用N型GaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一種構(gòu)成，也可以是不進(jìn)行任何摻雜的GaN、AlGaN或者AlInGaN中的一種所構(gòu)成；或者依據(jù)實(shí)際需要采用其他材料所構(gòu)成。
所述的第一上包層5、第二上包層9可以采用P型GaN、P型AlGaN、P型AlInGaN中的一種構(gòu)成，也可以是不進(jìn)行任何摻雜的GaN、AlGaN或者AlInGaN中的一種所構(gòu)成；或者依據(jù)實(shí)際需要采用其他材料所構(gòu)成。
所述的P型包層10可以是P型GaN、或者依據(jù)實(shí)際需要采用其它不同的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，比如由P型GaN、P型AlGaN所構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)。
所述的P型歐姆接觸層11是由P型GaN層構(gòu)成，或者依據(jù)實(shí)際需要采用其它不同半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。
所述的P型電極12由Ni/Ag合金、或者Cr/Au合金、或者依據(jù)實(shí)際需要采用其它不同材料所構(gòu)成。
所述的N型電極13由Ti/Al合金、或者Cr/Au合金、或者依據(jù)實(shí)際需要采用其它不同材料所構(gòu)成。
綜上所述，由于本發(fā)明采用了兩個(gè)發(fā)光顏色互補(bǔ)的有源區(qū)，并且引入光子晶體層構(gòu)建了兩個(gè)光學(xué)反饋腔對(duì)兩種顏色光提供不同的光反饋?zhàn)饔?，所以該單片集成的白光LED無(wú)需熒光粉的光轉(zhuǎn)換作用就能直接出射白光，它不僅能夠消除長(zhǎng)波長(zhǎng)光功率太小對(duì)白光顏色的不利影響，還能夠解決短波長(zhǎng)光子被長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光區(qū)所吸收的問(wèn)題，具有好的白光品質(zhì)，高顯色指數(shù)和大發(fā)光效率的優(yōu)點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明的工作過(guò)程(1)當(dāng)該二極管通過(guò)P型電極12和N型電極13注入電流后，在第一有源區(qū)4中的電子與空穴輻射復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)較長(zhǎng)的黃光光子；而在第二有源區(qū)8中的電子與空穴輻射復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)較短的藍(lán)光光子。
(2)由于光子晶體層具有“阻止藍(lán)光通過(guò)、透黃光”的功能，它對(duì)藍(lán)光提供的較高反射率(高達(dá)90％以上)可以有效地阻止藍(lán)光有源區(qū)(第二有源區(qū)8)產(chǎn)生的藍(lán)光進(jìn)入下面的黃光有源區(qū)(第一有源區(qū)4)，從而有效地解決解決短波長(zhǎng)光子被長(zhǎng)波長(zhǎng)有源區(qū)所吸收的問(wèn)題。而且，由光子晶體層和LED上表面構(gòu)成的藍(lán)光反饋腔(第二光學(xué)反饋腔16)對(duì)自發(fā)發(fā)射的藍(lán)光光子提供了一定的光反饋放大作用，提高了藍(lán)光的發(fā)光效率和發(fā)光功率。由于光子晶體層6對(duì)藍(lán)光具有較高的反射率(90％以上)，最后，得到放大的藍(lán)光從LED上表面出射。
(3)由于光子晶體層具有“阻止藍(lán)光通過(guò)、透黃光”的功能，它對(duì)黃光提供的較高透射率(高達(dá)90％以上)可以高效地讓黃光有源區(qū)(第一有源區(qū)4)產(chǎn)生的黃光通過(guò)，在由分布式布拉格反射器和單片集成白光LED上表面構(gòu)成的黃光反饋腔(第一光學(xué)反饋腔17)中得到光學(xué)反饋加強(qiáng)作用。由于分布式布拉格反射器14對(duì)黃光具有較高的反射率(90％以上)，最后，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(lán)光和黃光混合，形成白光。
權(quán)利要求
1.一種單片集成白光二極管，其表面設(shè)有P型電極(12)和N型電極(13)，其內(nèi)部由下往上依次有分布式布拉格反射器(14)、襯底(1)、緩沖層(2)、第一下包層(3)、第一有源區(qū)(4)、第一上包層(5)、第二下包層(7)、第二有源區(qū)(8)、第二上包層(9)、P型包層(10)、P型歐姆接觸層(11)，其特征在于設(shè)有光子晶體層(6)和兩個(gè)光學(xué)反饋腔，光子晶體層位于第一上包層和第二下包層之間，第一光學(xué)反饋腔(17)由分布式布拉格反射器和單片集成白光二極管上表面構(gòu)成，第二光學(xué)反饋腔(16)由光子晶體層和單片集成白光二極管上表面構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成白光二極管，其特征在于第一有源區(qū)(4)發(fā)射光譜的主波長(zhǎng)較長(zhǎng)，第二有源區(qū)(8)發(fā)射光譜的主波長(zhǎng)較短；兩個(gè)有源區(qū)發(fā)出的光為互補(bǔ)色，混合后呈白光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單片集成白光二極管，其特征在于第一有源區(qū)(4)和第二有源區(qū)(8)由多量子阱、體材料、量子點(diǎn)、量子線中的一種制成，或者由量子點(diǎn)與量子阱的混合體制成，或者由量子點(diǎn)與量子線的混合體制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成白光二極管，其特征在于光子晶體層(6)由一維、二維或者三維的光子晶體構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成白光二極管，其特征在于所述襯底(1)由藍(lán)寶石、氮化鉀、碳化硅、氧化鋅、尖晶石、硅中的一種制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成白光二極管，其特征在于所述緩沖層(2)由N型GaN、N型AlN、N型InGaN、N型AlGaN、N型AlInGaN中的一種制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片集成白光二極管，其特征在于分布式布拉格反射器(14)由光學(xué)鍍膜工藝制成，其采用不同折射率的兩種或者多種介質(zhì)材料構(gòu)成，或者采用由金屬和介質(zhì)材料構(gòu)成的混合結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明是一種單片集成白光二極管，其表面設(shè)有P型電極(12)和N型電極(13)，其內(nèi)部由下往上依次有分布式布拉格反射器(14)、襯底(1)、緩沖層(2)、第一下包層(3)、第一有源區(qū)(4)、第一上包層(5)、光子晶體層(6)、第二下包層(7)、第二有源區(qū)(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(xué)反饋腔(17)由分布式布拉格反射器和單片集成白光二極管上表面構(gòu)成，第二光學(xué)反饋腔(16)由光子晶體層和單片集成白光二極管上表面構(gòu)成。本發(fā)明兩個(gè)有源區(qū)發(fā)出的光互為補(bǔ)色，因此無(wú)需熒光粉的光轉(zhuǎn)換作用就能直接出射白光，具有好的白光品質(zhì)，高顯色指數(shù)和大發(fā)光效率的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1933198SQ200610124730
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月10日
發(fā)明者黃黎蓉, 劉德明, 文鋒, 陸奎, 馬磊 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)