CN101071821A - 半导体发光元件阵列及使用它的照明器 - Google Patents

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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

本发明公开了一种半导体发光元件阵列，其包括由SiC制成并且具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的基板。该阵列还包括由基板的第一表面支撑的多个半导体发光元件。每个发光元件包括n－型半导体层、活性层和p－型半导体层。基板的第二表面充当发光表面，由发光元件产生的光从该发光表面被发射出。

Description

半导体发光元件阵列及使用它的照明器
技术领域
本发明涉及包括多个诸如LED的半导体发光元件的半导体发光元件阵列，并且还涉及使用这种阵列的照明器。
背景技术
图4显示出JP-A-2005-79202中公开的传统半导体发光元件阵列。在所示出的半导体发光元件阵列X中，基板91上设置有多个半导体发光元件Ed。每个半导体发光元件Ed均具有由n-GaN层92、活性层93和p-GaN层94组成的多层结构。从n-GaN层92注入的电子和从p-GaN层94注入的空穴在活性层93中复合，由此发出蓝光。从活性层93发出的蓝光穿过透明的p-侧电极95，然后进入荧光层96。荧光层96含有将部分蓝光转换成黄光的荧光颗粒。通过转换得到的黄光与剩余的蓝光混合而变成从荧光层96的上表面发出的带白色的光。
然而，传统的阵列在其辉度被增加时受困于以下问题。
荧光层96由混合有荧光颗粒的树脂材料制成。树脂材料的折射率与GaN(其适合于发射蓝光)的折射率大为不同。因此，当蓝光从p-GaN层94行进至荧光层96时，大部分蓝光经历全内反射。结果，发射效率，即从荧光层96发射的光的量与活性层93处产生的光的量的比例，并不能高得令人满意。
而且，当施加电流来激励半导体发光元件Ed时，n-GaN层92、活性层93和p-GaN层94均被加热。由于大部分半导体发光元件Ed被主要由树脂构成的荧光层96所覆盖，所以热量不太可能逃逸。荧光层96处的蓝光的颜色转换也产生热量。该热量被捕集在荧光层96中。当施加于半导体发光元件阵列X的电流的量增加时，会产生更多的热量。有鉴于此，需要提高阵列X的热排散，以使阵列X可以更亮。
发明内容
本发明在上述情形下提出。本发明的目的是提供一种适合于增加亮度的半导体发光元件阵列，并提供一种使用这种半导体发光元件阵列的照明器。
根据本发明的第一方面，提供了一种半导体发光元件阵列，其包括：由SiC制成并且包括第一表面和与第一表面相对的第二表面的基板；以及由基板的第一表面支撑的多个半导体发光元件，其中每个发光元件包括n-型半导体层、活性层和p-型半导体层。由发光元件产生的光从基板的第二表面被发射出。
利用上述结构，由于SiC的热导率高，所以基板的热导率也高。因此，从半导体发光元件产生的热量可以通过基板排散。而且，由于光从位于半导体发光元件的相对侧的发光表面(第二表面)发出，所以半导体发光元件不需要被由例如树脂制成的颜色转换层覆盖。因此，半导体发光元件阵列可以适当地排散发光时产生的热量，使得可以增加电流来增加亮度。而且，SiC的折射率与GaN(其是典型的半导体材料)的折射率并没有大的不同。因此，从活性层发出的光不太可能全部被基板向内反射。
在本发明的优选实施例中，基板和半导体发光元件之间设置有含有SiC的颜色转换层。利用这种结构，来自半导体发光元件的热量可以通过颜色转换层转移至基板。而且，当使用含有施主和受主的SiC时，从半导体发光元件发出的蓝光可以以很高的转换效率转换成白光。
在本发明的优选实施例中，在每个半导体发光元件中，n-型半导体层、活性层和p-型半导体层以所提及的顺序从基板侧堆叠，并且半导体发光元件中的相邻的半导体发光元件通过朝向基板延伸到n-型半导体层以外的凹槽彼此分隔。这种结构使半导体发光元件彼此电气分隔。因此，可以适当防止半导体发光元件之间产生泄漏电流，这对提高半导体发光元件阵列的电流是有利的。
在本发明的优选实施例中，各个发光元件的基板和n-型半导体层之间介入有附加的p-型半导体层。利用这种结构，n-层半导体层和附加的p-型半导体层之间存在有具有高阻抗的边界面。这对于抑制半导体发光元件之间的泄漏电流是有利的。
在本发明的优选实施例中，半导体发光元件阵列进一步包括用于将发光元件彼此电气连接的元件间金属配线，其中元件间配线被设置成沿基板的厚度方向观察，其覆盖每个发光元件的至少部分的活性层。利用这种结构，从活性层传播的光被元件间配线反射，并朝基板返回。这对于提高半导体发光元件阵列的亮度是有利的。
在本发明的优选实施例中，半导体发光元件阵列进一步包括位于活性层和基板之间的边界面。这种边界面可以形成在含有SiC的层和折射率与SiC不同的缓冲层之间。在该实施例中，边界面和每个发光元件的活性层之间的距离t被选择成满足以下公式：t＝a×(λ/2n)×(1±x)，其中λ为从发光元件发出的光的波长，a为整数，n为各n-型半导体层的折射率，并且0≤x≤10％(即0.1)。利用这种设置，来自活性层的光可以在活性层和边界面之间得到放大。因此，半导体发光元件阵列的亮度可以得到进一步增强。
在本发明的优选实施例中，半导体发光元件阵列进一步包括用于向半导体发光元件供电的一对终端。在该实施例中，可以将所有的发光元件分成两组，即，第一组和第二组。在每一组中，半导体发光元件被串联连接在两个终端之间。属于第一组的发光元件的正向与属于第二组的发光元件的正向相反。利用这种设置，可以通过采用AC电源使发光元件阵列(对人眼而言)连续地产生光。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括根据本发明的第一方面的半导体发光元件阵列的照明器。这种照明器可以进一步包括与发光元件阵列的基板相接触的金属支撑部件，以及连接于金属支撑部件的固定基座。固定基座可以是例如拧入式基座，并且被设置成从外部电源接收功率。接收的功率通过金属支撑部件被供应给发光元件阵列。
利用上述设置，来自半导体发光元件阵列的热量可以通过金属支撑部件得到适当排散。
根据下文中参考附图给出的详细说明，本发明的其它特征和优点将变得更为显而易见。
附图说明
图1是显示出根据本发明的半导体发光元件阵列的主要部分的截面图；
图2是显示出本发明的半导体发光元件阵列的示意性平面图；
图3是显示出包含本发明的发光元件阵列的照明器的截面图；并且
图4是示出传统的半导体发光元件阵列的截面图。
具体实施方式
以下参考附图对本发明的优选实施例进行说明。
图1和图2显示出根据本发明的半导体发光元件阵列的实例。所示出的阵列A包括基板1和设置在基板1上并配置成发光的多个半导体元件Ed。如图1所示，光从阵列A的基板1向下发出。俯视来看，阵列A可以是例如正方形，具有大约0.4至1.5 mm的边长。
由SiC制成的基板1允许诸如红光、绿光、蓝光和白光的可见光通过，同时选择性地吸收紫外线。在所示出的实例中，基板1的厚度为大约200μm。基板1的下表面充当光通过其被发出的发光表面1a。在所示出的实例中，发光表面1a是平坦、平滑的表面。可选地，可以将发光表面1a形成为适合于提高发光效率的不规则表面。在基板1上，堆叠有SiC颜色转换层11、n-SiC层12、缓冲层13和p-GaN层14。
SiC颜色转换层11用于将从发光元件Ed发出的蓝光转换成白光。SiC颜色转换层11主要由SiC构成，其中SiC中含有施主和受主。在SiC颜色转换层11中，施主起到电子提供者的作用，而受主用于提供空穴。当SiC颜色转换层11受蓝光照射时，施主和受主之间发生辐射复合，从而发出光。为了将蓝光转换成白光，优选地，颜色转换层11中的施主可以是N，并且受主可以是B或Al。施主和受主的浓度可以优选地为大约1.0×1015至1.0×1020原子/cm3。SiC颜色转换层11的厚度可以为大约20至200μm。
n-SiC层12是通过将例如N掺杂到SiC中而得到的n-型半导体层。尽管SiC颜色转换层11的晶体结构由于包含了施主和受主而倾向于劣化，但是可以通过设置晶体结构优于SiC颜色转换层11的n-SiC层12来补偿该缺陷。在所示出的实例中，n-SiC层12的厚度可以为大约2至4μm。
设置由例如AlGaN制成的缓冲层13，以减轻SiC和GaN的晶格缺陷(诸如晶格应变和晶格失配)。由于设置有缓冲层13，p-GaN层14、n-GaN层2、活性层3和p-GaN层4可以稳定在n-SiC层12上。在所示出的实例中，缓冲层13的厚度可以为大约20至200 nm。
(用于制成缓冲层13的)AlGaN的折射率为大约2.5，而(用于制成n-SiC层12的)SiC的折射率为大约2.6。n-SiC层12和AlGaN层13(二者具有不同的折射率)之间的边界面12a比相同材料层之间的边界面更可能反射光。边界面12a和活性层3之间的距离t被选择成满足以下公式：t＝a×(λ/2n)×(1±x)，其中λ为从活性层3发出的光的波长，a为正整数，n为n-GaN层2的折射率，并且x为0或不大于0.1的正数(≤10％)。在所示出的实例中，波长λ为大约460nm，并且距离t为大约0.92至1.84μm。
p-GaN层14由通过将例如Mg掺杂到GaN中而得到的p-型半导体制成。在所示出的实例中，p-GaN层14的厚度为大约300nm。发光元件Ed设置在p-GaN层14上。
每个发光元件Ed均由n-GaN层2、活性层3和p-GaN层4构成。可以以矩阵形式排列大约5至50个半导体发光元件Ed。
n-GaN层2由通过将例如Si掺杂到GaN中而得到的n-型半导体制成。在所示出的实例中，n-GaN层2包括厚度为大约0.6至1.34μm的较厚的部分和厚度为大约0.3至0.67μm的较薄的部分。较薄的部分设置有n-侧电极21。n-侧电极21可以通过将Ti和Al堆叠而形成。
活性层3具有包括例如InGaN的多量子阱(MQW)结构，并用于将通过电子和空穴的复合而发射的光放大。活性层3可以包括交替堆叠的多个InGaN层和多个GaN层。每个InGaN层可以含有大约17％的In并具有小于n-GaN层2的带隙的带隙。因此，InGaN层构成活性层3中的阱层。另一方面，GaN层构成活性层3中的势垒层。在所示出的实例中，InGaN层(各自的厚度为大约1.5至4.0 nm)和GaN层(各自的厚度为大约6至20 nm)被堆叠，使得活性层3的总体厚度为大约100nm。为了减轻晶格缺陷，可以在n-GaN层2和活性层3之间设置超晶格层，在该超晶格层中，InGaN和GaN就每个原子而言交替堆叠。
p-GaN层14由通过将例如Mg掺杂到GaN中而得到的p-型半导体制成。在所示出的实例中，p-GaN层4的厚度为大约50至200nm。在p-GaN层4上，设置有p-侧电极41。p-侧电极41由例如Ni制成，并覆盖p-GaN层4的上表面的右侧部分，如图所示。应当注意，活性层3和p-GaN层4之间可以设置有GaN层或者含大约0.1％的In的InGaN层。
每个半导体发光元件Ed的p-侧电极41经由元件间配线5被连接到相邻半导体发光元件Ed的n-侧电极21。元件间配线5由例如Al或Pt制成，并具有相对高的反射率。元件间配线5被形成为在形成于每个半导体发光元件Ed的上表面的右侧部分上的p-侧电极41和该半导体发光元件Ed的左侧的发光元件Ed的n-侧电极21之间桥接。因此，p-GaN层4上未覆盖有p-侧电极41的部分被元件间配线5覆盖。所示出的三个半导体发光元件Ed通过元件间配线5而彼此串联连接。
各个相邻的半导体发光元件Ed之间形成有凹槽6。凹槽6被设置用于使相邻的半导体发光元件Ed电气分隔。每个凹槽6的底部6a处在超出n-GaN层2而与基板1更靠近的位置。在所示出的实例中，每个凹槽6穿过n-GaN层2和p-GaN层14向下延伸，直至底部6a到达缓冲层13。凹槽6可以通过蚀刻形成。
在各凹槽6中，在各半导体发光元件Ed和元件间配线5之间的区域处并且在发光元件Ed的部分正表面上，设置有绝缘膜71。绝缘膜71由例如SiO2制成，并且对可见光是透明的。
图2是显示出阵列A的示意图。如图所示，阵列A的发光元件Ed被分成两组Ge1和Ge2。在每一组Ge1和Ge2中，发光元件Ed通过上述的元件间配线5彼此串联连接。发光元件的每个组Ge1、Ge2被连接到设置在基板1上的一对终端15。终端15用于将例如AC电源P连接到阵列A。Ge1组的发光元件Ed被连接成使其正向为从图中左侧的终端15到右侧的终端15。另一方面，Ge2组的发光元件Ed被连接成使其正向为从图中右侧的终端15到左侧的终端15。利用这种设置，当从AC电源P施加AC电压时，Ge1组的发光元件Ed和Ge2组的发光元件Ed被交替开启。
图3显示出使用上述阵列A的照明器的实例。所示出的电灯B包括拧入式基座81、玻璃灯泡82、金属部件83和半导体发光元件阵列A。
基座81用于向阵列A供电，并且用于将电灯B连接到例如插座。基座81为大致圆柱状，并形成有螺旋状凸出。基座81可以是符合日本工业标准(JIS)E17或E26的类型。
玻璃灯泡82由玻璃制成，并允许从阵列A发出的光通过。根据需要，玻璃灯泡82可以是着色的，以用于调节来自阵列A的光的色调。
设置金属部件83以用于将阵列A固定到基座81上。金属部件83由例如Cu制成，并被接合到阵列A的基板1。金属部件83使阵列A与基座81彼此电气连接。金属部件83通过例如导线(未示出)而被连接到图2所示的成对的终端15。
在电灯B中，基板1的发光表面1a朝向玻璃灯泡82的顶部。因此，从表面1a发出的光在其扩散开时穿过玻璃灯泡82的球状部分。
以下将对阵列A和电灯B的功能和有利特征进行说明。
根据本发明，从发光元件Ed发出的光在与基板1相接触的SiC颜色转换层11处经历颜色转换(见图1)。颜色转换时产生的热量很容易传输至由具有相对高的热导率的SiC制成的基板1。而且，与图4所示的传统结构不同，发光元件Ed未覆盖有厚的荧光树脂层。因此，来自发光元件Ed的热量不会被过度地捕集，这使得可以向阵列A施加强电流以提高亮度。而且，在电灯B中，金属部件83被接合到基板1，由此可以将阵列A处产生的热量从基板1传输至金属部件83。这确保即使对灯施加强电流，电灯B的寿命也能得以延长。
通过使用含有施主和受主的SiC颜色转换层11进行的颜色转换，从发光元件Ed发出的蓝光可以转换成白光或带白色的光。该方法的转换效率显著高于使用荧光材料的传统颜色转换。因此，阵列A可以发出强的白光。而且，形成基板1的SiC吸收紫外线。准确地说，基板1吸收从元件Ed发出的紫外光，同时允许诸如可见光的其它光通过。(换句话说，基板1选择性地吸收紫外光。)以这种方式，阵列A可以抑制紫外线对人体的影响，并因此适合于电灯B。
发光元件Ed通过凹槽6彼此分隔。每个凹槽6的底部6a位于超出n-GaN层2而更靠近基板1的位置。利用这种结构，发光元件Ed的各个n-GaN层2被完全彼此分隔。而且，通过在n-GaN层2的下面设置p-GaN层14，在n-GaN层2和p-GaN层14之间形成了具有高阻抗的边界面。利用这种结构，发光元件Ed没有被彼此电气连接，使得可以适当防止产生泄漏电流。这对于增加用于阵列A的电流是有利的。
从活性层3沿图中的向上方向传播的光，穿过透明绝缘膜71，并被元件间配线5向下反射。由于元件间配线5具有相对高的折射率，所以可以防止由于反射而造成的光的衰减。这对于增加阵列A的亮度是有利的。由例如Ni制成的p-侧电极41确保了与p-GaN层4的良好的欧姆接触，但是其与p-GaN层4的接触表面倾向于变暗。然而，在所示出的实例中，p-侧电极41仅在p-GaN层4的有限部分上形成。因此，可以抑制变暗的接触表面对光的吸收。
通过将活性层3和边界面12a之间的距离t设置成满足上述等式的值，可以通过在具有距离t的该区域中的反复反射来放大从活性层3发出的波长为λ的光。这种光放大效果是相对于基板1的厚度方向获得的，而在基板1的面内方向传播的光不会被放大。因此，沿基板1的厚度方向传播的光占优势，并且与厚度方向的光相比，沿基板1的面内方向传播的光的辉度小到可以忽略不计。因此，在增加从发光表面1a发出的光的亮度时，可以抑制光从发光表面1a以外的部分泄漏。通过将距离t设置在λ×1/2n的整数倍的±10％或0.1以内，可以适当地发挥光放大效果。
通过将发光元件Ed分成各自的正向彼此相反的两组Ge1和Ge2，Ge1组的发光元件Ed和Ge2组的发光元件Ed可以由来自AC电源P的交流电流交替开启。对肉眼来说，当AC电源P的频率为例如50 Hz或60 Hz时，Ge1组的发光元件Ed和Ge2组的发光元件Ed看起来是被同时开启的。因此，阵列A可以通过利用家用电源的电力供应，来均匀地照亮相对广阔的区域。而且，电灯8设置有符合JIS E17和E26的基座81。因此，电灯8可以广泛地用作诸如白炽灯的传统灯的代替品。
本发明的半导体发光元件阵列和照明器并不限于上述实施例。半导体发光元件阵列和照明器的各部件的具体结构可以以各种方式加以变化。
本发明的n-型半导体层、活性层、p-型半导体层和附加的p-型半导体层并不限于主要由GaN构成的那些，并且可以由能够通过电子和空穴的复合而适当地发光的其它材料制成。含有SiC的颜色转换层适合于以很高的转换效率将光转换成白光并吸收紫外线。然而，在根据本发明的半导体发光元件阵列中，可以使用不同种类的颜色转换层，或者可以使来自活性层的光直接发出而不使用颜色转换层。尽管通过将发光元件分成具有不同的正向的两组可以实现采用AC电源进行发光，但本发明并不局限于此。发光元件可以不分成多组，并且可以采用DC电源进行发光。
根据本发明的照明器并不局限于上述的电灯。照明器的结构可以适合于用作普通的棒状荧光灯的代替品。例如，可以通过适当地改变连接部的形状，来提供这样的结构。而且，根据本发明的照明器并不局限于可用作传统的标准化照明器的代替品的照明器。可以将根据本发明的照明器构建为包括具有能够覆盖照明器的整个表面的尺寸的半导体发光元件阵列的专用照明器。

Claims (8)

1.一种半导体发光元件阵列，包括：
基板，其由SiC制成并且包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；以及
多个半导体发光元件，其由所述基板的所述第一表面支撑，每个所述发光元件包括n-型半导体层、活性层和p-型半导体层；
其中，由所述发光元件产生的光从所述基板的所述第二表面被发射出。
2.如权利要求1所述的阵列，进一步包括含有SiC的颜色转换层，其中，所述颜色转换层被设置在所述基板和所述半导体发光元件之间。
3.如权利要求1所述的阵列，其中，在从所述基板观察时，每个发光元件的所述n-型半导体层、所述活性层和所述p-型半导体层以该顺序被堆叠，并且其中，所述半导体发光元件中的相邻的半导体发光元件通过朝向所述基板延伸到所述n-型半导体层以外的凹槽而被彼此分隔。
4.如权利要求3所述的阵列，进一步包括设置在所述发光元件的所述基板和所述n-型半导体层之间的附加的p-型半导体层。
5.如权利要求1所述的阵列，进一步包括用于将所述半导体发光元件彼此电气连接的元件间金属配线，其中，在沿所述基板的厚度方向观察时，所述元件间配线覆盖每个发光元件的至少部分的所述活性层。
6.如权利要求1所述的阵列，进一步包括含有SiC的层和折射率与SiC不同的缓冲层，其中，所述含有SiC的层和所述缓冲层之间的边界面被设置在每个发光元件的所述活性层与所述基板之间，并且其中，所述边界面和每个发光元件的所述活性层之间的距离t被选择成满足公式t＝a×(λ/2n)×(1±x)，其中λ为从每个发光元件发出的光的波长，a为整数，n为各n-型半导体层的折射率，并且0≤x≤0.1。
7.如权利要求1所述的阵列，进一步包括用于向所述半导体发光元件供电的成对的终端，其中，所述半导体发光元件被分成第一组和第二组，每一组中的所述发光元件被串联连接在所述成对的终端之间，并且其中，所述第一组的发光元件的正向与所述第二组的发光元件的正向相反。
8.一种照明器，包括：如权利要求1所述的半导体发光元件阵列；
金属支撑部件，其与所述阵列的基板相接触并支撑所述阵列；以及
固定基座，其被连接到所述金属支撑部件并从外部电源接收功率。
CNB2007101022898A 2006-05-10 2007-05-10 半导体发光元件阵列及使用它的照明器 Expired - Fee Related CN100524791C (zh)

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