CN101740559A - 一种白光发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种白光发光二极管，属于半导体光电子技术领域。本发明的白光发光二极管，包括依次纵向层叠的红色发光单元，和蓝绿色发光单元，其特征在于：在红色发光单1和蓝绿色发光单元之间设有的导电透明物质。或者本发明包括依次纵向层叠的红色发光单元，绿色发光单元，和蓝色发光单元，其特征在于：在红色发光单元和绿色发光单元之间以及绿色发光单元和蓝色发光单元之间设有导电透明物质。本发明的发光二极管是一次电光转换，发光效率高，由于材料为半导体材料，比基于荧光粉的器件的可靠性高、命长、色度逼真，比其它多芯片组合方式制备工艺简单、重复性好、操作。
Description
技术领域
新型白光有机、无机发光二极管(LED)，属于光电子技术领域，涉及一种白光发光二极管。
背景技术
目前传统的白光半导体发光二极管的设计方法主要有两种，一种是将红光、蓝光和绿光三基色的三种发光二极管，在平面上组合在一起发出白光。由于三个发光二极管都有各自独立的控制电极，所以这种白光发光二极管可以通过分别调节加到每个发光二极管上的功率来改变发射的颜色，具有颜色可调性。但是这种白光发光二极管的缺点是1)一个成品的白光二极管要使用三种成品的三基色发光二极管，成本高；2)三种成品的三基色发光二极管在平面上排列，每个发光二极管发射的光都是四面八方的很难组成单一的三基色白光，近而分辨率差色度空间方向性差；3)三种成品的三基色发光二极管各自有独立的控制电极使得一个白光二极管要有三个控制电源，驱动电路复杂。
获得白光的另一种途径是采用蓝光或紫外发光二极管激发荧光粉发光后各色光混合而成。荧光物质在蓝光照射下，产生并发射橙黄色或其他颜色的光，利用蓝光和橙黄色光混合而得到白光；或紫外光激发红绿蓝三色荧光粉发出红、绿、蓝三种颜色的光混合后得到白光。此类白光发光二极管的最大缺点是1)光环效应：旁路视角为多色，非白色；2)荧光粉低吸收率导致其发射橙黄色或其他颜色的光的效率低，致使发出的混合光中荧光粉产生的光所占比例小，使得混合白光偏蓝光或紫外光，显色指数低；3)荧光粉涂敷不均匀致使的产生光的不均匀，封装困难；4)此类白光除了考虑半导体的寿命以外还存在荧光粉的寿命和可靠性的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种白色发光二极管具有以下特点：
1)全部由半导体组成是一次电光转换即排除了荧光粉不良特性的缺点；
2)按照表1和表2两基色和三基色白光LED的配色波长和功率的要求选择配色光源(S1，S2或者S3，S4，S5)，这样就得到在特定的功率下产生特定波长的光最终混合出白光，实现了两个或者三个芯片组成一个成品器件，降低了成本；
3)两个或者三个芯片纵向完全重叠有效改善了分辨率和色度空间方向性的问题；
4)此类白光由两个或者三个芯片组成的一个结构，由于经过了颜色的配比只需要一组电极控制，大大简化了驱动电路的复杂性；
本发明的主要特点：
本发明中的白光发光二极管引入了导电透明物质2，通过涂敷和键合的方法将两种或三种芯片连接在一起，比起其他通过改变外延生长结构来配色的单芯片白光其降低了生长难度，比起其它多种芯片组合的方式制备工艺简单、重复性好、易操作。
表1 两基色白光LED的配色波长和功率的要求
| S1峰值波长(nm)色坐标 | S2峰值波长(nm)色坐标 | 混合白光色度坐标 | 功率配比值n |
| 420(0.1672，0.0086) | 572(0.4456，0.5529) | (0.3328，0.3323) | 1.1759 |
| 430(0.1656，0.0101) | 572(0.4456，0.5529) | (0.3323，0.3334) | 1.2556 |
| 440(0.1615，0.0141) | 573(0.4524，0.5462) | (0.3349，0.3313) | 1.5365 |
| 450(0.1549，0.0214) | 573(0.4524，0.5462) | (0.3313，0.3327) | 1.6436 |
| 460(0.1447，0.0351) | 574(0.4591，0.5396) | (0.3313，0.3346) | 1.5741 |
| 470(0.1297，0.063) | 577(0.479，0.5198) | (0.3349，0.3313) | 1.296 |
| 475(0.1197，0.0875) | 578(0.4856，0.5133) | (0.3313，0.3338) | 1.1043 |
| 480(0.1076，0.1237) | 581(0.505，0.494) | (0.3313，0.3322) | 0.8958 |
| 485(0.0936，0.1756) | 586(0.5362，0.463) | (0.3334，0.3313) | 0.7075 |
| 490(0.0785，0.2446) | 595(0.5872，0.4122) | (0.3357，0.3303) | 0.5434 |
| 492(0.0726，0.2806) | 599(0.6072，0.3923) | (0.3303，0.3344) | 0.4814 |
| 495(0.0645，0.3369) | 612(0.6589，0.3408) | (0.3253，0.3386) | 0.4363 |
| 496(0.0621，0.3569) | 629(0.6986，0.3013) | (0.3273，0.3337) | 0.5745 |
表2 三基色白光LED的配色波长和功率的要求
| 序号 | S3峰值波长nm) | S4峰值波长(nm) | S5峰值波长(nm) | 混合白光色度坐标 | 功率配比值m |
| 1 | 430 | 510 | 590 | (0.3293，0.3305) | 1.0512 |
| 2 | 430 | 515 | 595 | (0.3293，0.3304) | 0.9471 |
| 序号 | S3峰值波长nm) | S4峰值波长(nm) | S5峰值波长(nm) | 混合白光色度坐标 | 功率配比值m |
| 3 | 430 | 520 | 601 | (0.3293，0.331) | 0.8692 |
| 4 | 430 | 525 | 607 | (0.3293，0.3336) | 0.8252 |
| 5 | 430 | 530 | 615 | (0.3293，0.3347) | 0.819 |
| 6 | 440 | 515 | 589 | (0.3293，0.3295) | 1.2558 |
| 7 | 440 | 520 | 592 | (0.3293，0.3305) | 1.1602 |
| 8 | 440 | 525 | 595 | (0.3293，0.3312) | 1.1047 |
| 9 | 440 | 530 | 598 | (0.3293，0.3310) | 0.9945 |
| 10 | 440 | 535 | 601 | (0.3293，0.3297) | 0.9166 |
| 11 | 440 | 540 | 599 | (0.3293，0.3355) | 0.8708 |
| 12 | 440 | 545 | 599 | (0.3293，0.3348) | 0.7947 |
| 13 | 450 | 515 | 588 | (0.3293，0.3308) | 1.3892 |
| 14 | 450 | 520 | 591 | (0.3293，0.33) | 1.2788 |
| 15 | 450 | 525 | 594 | (0.3294，0.3293) | 1.1825 |
| 16 | 450 | 530 | 596 | (0.3293，0.3305) | 1.1072 |
| 17 | 450 | 535 | 598 | (0.3293，0.3299) | 1.0282 |
| 18 | 450 | 540 | 599 | (0.3293，0.3295) | 0.9536 |
| 19 | 450 | 545 | 598 | (0.3293，0.3307) | 0.8875 |
| 20 | 460 | 515 | 591 | (0.3306，0.3293) | 1.3221 |
| 21 | 460 | 520 | 594 | (0.3293，0.3302) | 1.2191 |
| 22 | 460 | 525 | 598 | (0.3317，0.3293) | 1.1503 |
| 序号 | S3峰值波长nm) | S4峰值波长(nm) | S5峰值波长(nm) | 混合白光色度坐标 | 功率配比值m |
| 23 | 460 | 530 | 601 | (0.3293，0.3294) | 1.0582 |
| 24 | 460 | 535 | 601 | (0.3293，0.3342) | 1.0096 |
| 25 | 460 | 540 | 602 | (0.3293，0.3346) | 0.9408 |
| 26 | 460 | 545 | 602 | (0.3293，0.3343) | 0.8667 |
| 27 | 460 | 550 | 601 | (0.3293，0.3331) | 0.7864 |
| 28 | 470 | 520 | 602 | (0.3293，0.3355) | 1.0549 |
| 29 | 470 | 525 | 608 | (0.3293，0.3364) | 1.014 |
| 30 | 470 | 530 | 616 | (0.3293，0.3361) | 1.0245 |
本发明的白光发光二极管如图1和图2所示，包括有如图1所示的依次纵向层叠的红色发光单元1，和蓝绿色发光单元3，或者如图2所示的依次纵向层叠的红色发光单元1，绿色发光单元4，和蓝色发光单元5，其特征在于：在如图1所示的红色发光单元1和蓝绿色发光单元3之间设有的导电透明物质或者导电透明物质和铟锡氧化物6，和如图2所示的红色发光单元1和绿色发光单元4之间以及绿色发光单元4和蓝色发光单元5之间设有导电透明物质2或者导电透明物质和铟锡氧化物。
铟锡氧化物的主要作用事为了导电透明物质能够涂敷得光滑平整，也能起到一定程度防止原子扩散的作用，是优化方案。
本发明涉及的透明导电物质2为3，4---乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)(购买于德国拜尔公司)，或者铟锡氧化物(ITO)，或者是透明导电油墨，或者是导电树脂，或者是透明导电胶。
本发明各个发光单元涉及的材料是半导体发光材料，或者是有机发光材料。
本发明中红色发光单元1的材料如AlGaInP/GaAs材料，或者AlGaAs/GaAs材料，或者Cu(I)-配合物，或者以Alq3为主体材料掺杂，或者Zn(BTZ)2为主体材料掺杂，或者以BAlq为主体材料掺杂。
本发明中蓝绿色发光单元3、绿色发光单元4和蓝色发光单元5的材料如InGaN/GaN材料，或者ZnO材料，或者2，3-二甲基-8-羟基喹啉铝，或者2，3-二甲基-8-羟基喹啉锂(LMi Mq)。
附图说明
图1：本发明红、蓝绿双色白光发光二极管的结构示意图；
图中：1、红色发光单元，2、透明导电层，3、蓝绿色发光单元；6、ITO
图2：本发明红、绿、蓝三色白光发光二极管的结构示意图；
图中：1、红色发光单元，2、透明导电层，4、绿色发光单元，5、蓝色发光单元；6、ITO
图3：本发明实例1和2采用的红光结构示意图；
图中：1、红色发光单元，7、GaAs衬底，8、AlAs腐蚀停层，9、GaAs基N型电流阻挡层，10、红光发光区，11、GaAs基P型电流阻挡层，12、AuSn键合层，13、Si衬底
图4：本发明实例1采用的蓝绿光结构示意图；
图中：3、蓝绿色发光单元，14、蓝宝石衬底，15、GaN基N型电流阻挡层，16、蓝绿光发光区，17、GaN基P型电流阻挡层
图5：本发明实施例1的结构示意图；
图6：本发明实例2采用的蓝光结构示意图；
图中：5、蓝色发光单元，14、蓝宝石衬底，15、GaN基N型电流阻挡层，17、GaN基P型电流阻挡层，20、蓝光发光区
图7：本发明实例2采用的绿光结构示意图；
图中：4、绿色发光单元，14、蓝宝石衬底，15、GaN基N型电流阻挡层，17、GaN基P型电流阻挡层，21、绿光发光区
图8：本发明实施例2的结构示意图。
图9：单芯片红、蓝绿双色白光发光二极管测试光谱图
图10：单芯片红、绿、蓝三色白光发光二极管测试光谱图
具体实施例：
实施例1：
如图5所示，两基色白光发光二极管由以下部分组成：红色发光单元1，蓝绿色发光单元3，ITO 6，PEDOT:PSS 2，AuSn键合层12，Si衬底13，上电极19，下电极18；其制备过程和方法如下：
1、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在GaAs衬底7上依次外延生长AlAs腐蚀停层8、GaAs基N型电流阻挡层9、红光发光区10、GaAs基P型电流阻挡层11，如图3所示；
2、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底14上依次外延生长GaN基N型电流阻挡层15、蓝绿光发光区16、GaN基P型电流阻挡层17，如图4所示；
3、采用蒸发、溅射或者电镀的方法，分别在GaAs基P型电流阻挡层11和Si衬底13表面上淀积1μm厚的金属Au/Sn(80∶20)合金20，通过键合的方法，将Si衬底13与GaAs基红光连接起来；
4、采用湿法腐蚀的方法，分别腐蚀掉GaAs衬底7和AlAs腐蚀停层8，暴露出GaAs基N型电流阻挡层9；
5、平整光滑的GaAs基N型电流阻挡层9表面上生长
的铟锡氧化物(ITO)后，再经氧等离子轰击后亲水，随后涂敷透明导电PEDOT:PSS 2(浓度为1.4％的水溶液)1～2μm，并与GaN基P型电流阻挡层17在一定压力下面对面相贴，200度以下烘干，将红色发光单元1和蓝绿色发光单元3粘在一起。
6、采用激光剥离的方法，将蓝宝石衬底14剥离掉，露出GaN基N型电流阻挡层15；
7、在GaN基N型电流阻挡层15表面上蒸发或溅射金属层Ti/Al/Ti/Au
并光刻出电极19，将衬底13减薄至约100μm，然后在减薄的这一面溅射一层Ti/Au
形成下电极18；
8、合金；
9、将做好的外延片解离成400μm×400μm的管芯，压焊在管座上，红、蓝绿双色白光发光二极管制备完成，器件结构剖面图如图7所示。
10、测试
根据配色计算的结果，选择匹配的蓝绿光和红光外延片，进行透明导电PEDOT:PSS 2的涂敷和键合，得到如图9所示的双基色单芯片白光LED的光谱图。具体基色外延片特性是：蓝绿光主波长492nm，半宽40nm；红光主波长623nm，半宽17nm，蓝绿光功率∶红光功率为1.4∶1，得到色度坐标为(0.3221，0.3281)的白光LED，其功率达到6.63mW，光效为7.781m/W。
利用此种方法键合，在20mA时，白光LED的电压为5.3V，而两基色LED的电压分别为3.4V和2.05V，白光LED的电压几乎为两基色LED的电压之和，键合界面电压低于0.1V。其色度坐标在工作时波动很小，变化量在0.004之内。
实施例2：
如图8所示，三基色白光发光二极管由以下部分组成：红色发光单元1，绿色发光单元4，蓝色发光单元5，ITO 6，PEDOT:PSS 2，AuSn键合层12，Si衬底13，蓝宝石衬底14，上电极19，下电极18；其制备过程和方法如下：
1、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在GaAs衬底7上依次外延生长AlAs腐蚀停层8、GaAs基N型电流阻挡层9、红光发光区10、GaAs基P型电流阻挡层11，如图3所示；
2、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底14上依次外延生长GaN基N型电流阻挡层15、蓝光发光区20、GaN基P型电流阻挡层17，如图6所示；
3、用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底14上依次外延生长GaN基P型电流阻挡层17、绿光发光区21、GaN基N型电流阻挡层15，如图7所示；
4、采用蒸发、溅射或者电镀的方法，分别在GaAs基P型电流阻挡层11和Si衬底13表面上淀积1μm厚的金属Au/Sn(80∶20)合金20，通过键合的方法，将Si衬底13与GaAs基红光连接起来；
5、采用湿法腐蚀的方法，分别腐蚀掉GaAs衬底7和AlAs腐蚀停层8，暴露出GaAs基N型电流阻挡层9；
6、在图7所示的GaN基N型电流阻挡层15的平整光滑表面上生长
的铟锡氧化物(ITO)后，经氧等离子轰击亲水后涂敷透明导电PEDOT:PSS 2(浓度为1.4％的水溶液)1～2μm，并与图6所示的GaN基P型电流阻挡层17在一定压力下面对面相贴，200度以下烘干，将蓝色发光单元5和绿色发光单元4粘在一起；
7、采用激光剥离的方法，将绿色发光单元4下层的蓝宝石衬底14剥离掉，露出GaN基P型电流阻挡层17；
8、在图3所示的GaAs基N型电流阻挡层9的平整光滑表面上生长
的铟锡氧化物(ITO)后，经氧等离子轰击亲水后涂敷透明导电PEDOT:PSS 2(浓度为1.4％的水溶液)1～2μm，并与图7所示的GaN基P型电流阻挡层17在一定压力下面对面相贴，200度以下烘干，将红色发光单元1、蓝色发光单元5和绿色发光单元4粘在一起；
9、光刻图形，接着采用湿法腐蚀方法腐蚀未被光刻胶保护的GaAs材料至露出GaN材料，然后采用干法刻蚀将GaN材料刻蚀至蓝色发光单元5的GaN基N型电流阻挡层15，去胶、清洗；
10、二次光刻，获得上、下欧姆接触电极的形状；
11、蒸发或溅射Ti/Al/Ti/Au
然后剥离，同时制备出了上、下欧姆接触电极18和19；
12、合金；
13、将做好的外延片解离成400μm×400μm的管芯，压焊在管座上，红、绿、蓝三色白光发光二极管制备完成，器件结构剖面图如图8所示。
14、测试，如图10所示的三基色单芯片白光LED的光谱图，可得到三基色白光LED和两基色白光LED相比，显色指数有明显提高，显色指数为35.5。其它的效果和实施例1类似。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本发明的保护的范围内。
Claims (2)
1.一种白光发光二极管，包括依次纵向层叠的红色发光单元，和蓝绿色发光单元，其特征在于：在红色发光单元和蓝绿色发光单元之间设有导电透明物质或者导电透明物质和铟锡氧化物。
2.一种白光发光二极管，包括依次纵向层叠的红色发光单元，绿色发光单元，和蓝色发光单元，其特征在于：在红色发光单元和绿色发光单元之间设有导电透明物质或者导电透明物质和铟锡氧化物，以及绿色发光单元和蓝色发光单元之间设有导电透明物质或者导电透明物质和铟锡氧化物。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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