CN102097553A - 一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管 - Google Patents

Abstract

一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，属于半导体光电子技术领域。包括上层p型电极、蓝色发光单元、隧道结、绿色发光单元、上层n型电极和蓝宝石衬底构成的上层结构，或者由蓝绿光p-电极、蓝绿光发光单元、蓝绿光n-电极和蓝宝石衬底构成的上层结构；由下层n型电极、红色发光单元和下层p型电极构成的下层结构，其中上层结构和下层结构分别在蓝宝石衬底的两侧生长，制作工艺过程不需要芯片键合，划片后，芯片采用倒装焊方式焊接在硅或其他材料的散热基座上。此结构中蓝宝石衬底的引入增加了侧壁出光，增加了光提取效率和显色指数。本发明制作工艺简单、成本低、重复性好、适用于批量生产。

Description

一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管

技术领域

基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管(LED)，属于半导体光电子技术领域，涉及一种发光二极管。

背景技术

目前白光发光二极管的实现方法主要有：

1.由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白光。这种方法成本低、得到的白光发光二极管色稳定性好、工艺重复性好，已经成为白光发光二极管制备的主流技术。但是此类白光发光二极管旁路视角为多色，非白色；荧光粉转换造成能量损失导致发光效率低，显色指数低(CRI)，同时荧光粉的退化会影响白光发光二极管的寿命。红、绿、蓝(RGB)三种单色发光二极管或其他颜色发光二极管配合，组成多芯片白光发光二极管。可以通过施加不同的功率来改变各单色芯片的发光强度，实现不同色温的白光。但这种方法需要复杂的驱动电路、封装困难、成本高，实现的白光发光二极管分辨率也较差。

一般单芯片白光发光二极管的制作方法是在GaAs衬底上生长AlGaInP红光外延片，并与蓝绿光外延片键合，通过研磨减薄和选择性腐蚀工艺去掉吸光的GaAs衬底，后制作电极。此种方法工艺复杂，尤其是键合工艺成品率低、重复性差，且键合层透射率小、均匀性差，带来附加电压。同时，在芯片制作过程中，去除GaAs衬底会产生有毒物质，危害环境和工艺操作人员的身体健康。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、发光效率高的基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管。

本发明为一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其结构为图1所示的结构，从上至下依次为：上层p型电极1、蓝色发光单元26、隧道结9、绿色发光单元25、上层n型电极22和蓝宝石衬底15构成的上层结构，或者由蓝绿光p-电极1、蓝绿光发光单元36、蓝绿光n-电极35和蓝宝石衬底15构成的上层结构；由下层n型电极23、红色发光单元24和下层p型电极21构成的下层结构。通过给p型电极和n型电极间加电流，各单元同时发出对应颜色的光，经混合直接得到白光。

本发明采用了依次排列的欧姆接触层20，红光p-限制层19，红光有源层18，红光n-限制层17和红光缓冲层16构成的红色发光单元24。

本发明采用了依次排列的绿光缓冲层14，绿光DBR反射层13，绿光n-限制层12，绿光有源层11和绿光p-限制层10构成的绿色发光单元25。

本发明采用了依次排列的蓝光缓冲层8，蓝光DBR反射层7，蓝光n-限制层6，蓝色有源层5，蓝光p-限制层4，蓝光欧姆接触层3和蓝光电流扩展层2构成的蓝色发光单元26。

本发明采用了依次排列的蓝绿光缓冲层34，蓝绿光DBR反射层33，蓝绿光n-限制层32，蓝绿光有源层31，蓝绿光p-限制层30，蓝绿光欧姆接触层29和蓝绿光电流扩展层28构成的蓝绿色发光单元27。

本发明中红光单元可以采用分布式布拉格反射镜、或全方位反射镜、或反射电极、或金属材料反射层。

本发明中的p型电极或n型电极的形状可以是插指形、条形、圆形等其他形状。

本发明中各发光单元中的有源层的结构为PN结，或PIN结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或多有源区级联结构，或量子点发光结构。

本发明中的隧道结9为同质结，或者为异质结。

本发明中电流扩展层的材料可以是ITO、ZnO等其他透明导电材料或者电流输运特殊处理结构。且电流扩展层的上面可以引入增透膜、表面粗化层等能够对光起到增透作用的结构。

本发明中采用蓝宝石做衬底，减少了原来GaAs衬底对红光的吸收，工艺制作简单易行，蓝宝石衬底增加了侧壁出光。

与用蓝光和紫外光激发荧光粉的传统白光发光二极管相比，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，寿命长，色度逼真。

本发明的单芯片白光发光二极管是把几个相对独立的发光区结构，通过外延生长叠合在一个衬底上，并在蓝、绿发光单元之间引入一个P⁺-N⁺隧道结结构。由此，从发光二极管电极注入的一对电子、空穴在发光区中产生多个不同颜色的光子，他们混合不仅直接得到白光，而且使发光二极管量子效率大大提高，在不增大注入电流的情况下，大大增大了光输出功率和亮度。隧道结的引入又增大了电流扩展，由于单个隧道结很薄，这样就避免了对厚的电流扩展层的需求。

本发明的单芯片白光发光二极管是在蓝宝石衬底的两面分别生长蓝绿光和红光外延结构，因此不需要键合工艺，避免了键合层带来的透射率小、附加电压等问题。另外，蓝宝石衬底较GaAs衬底透光性强、导热性好、无毒。

附图说明

图1：本发明红、绿、蓝三单元单芯片白光发光二极管的结构示意图；

图中：1、上层p型电极，2、蓝光电流扩展层，3、蓝光欧姆接触层，4、蓝光p-限制层，5、蓝光有源层，6、蓝光n-限制层，7、蓝光DBR反射层，8、蓝光缓冲层，9、隧道结，10、绿光p-限制层，11、绿光有源层，12、绿光n-限制层，13、绿光DBR反射层，14、绿光缓冲层，15、蓝宝石衬底，16、红光缓冲层，17、红光n-限制层，18、红光有源层，19、红光p-限制层，20、红光欧姆接触层，21、下层p型电极，22、上层n型电极，23、下层n型电极，24、红色发光单元，25、绿色发光单元，26、蓝色发光单元。

图2：本发明红、蓝绿双单元单芯片白光发光二极管的结构示意图；

图中：27、蓝绿光p-电极，28、蓝绿光电流扩展层，29、蓝绿光欧姆接触层，30、蓝绿光p-限制层，31、蓝绿光有源层，32、蓝绿光n-限制层，33、蓝绿光DBR反射层，34、蓝绿光缓冲层，35、蓝绿光n-电极，36、蓝绿光发光单元，15、蓝宝石衬底，16、红光缓冲层，17、红光n-限制层，18、红光有源层，19、红光p-限制层，20、红光欧姆接触层，21、下层p型电极，23、下层n型电极，24、红光发光单元。

图3：本发明单芯片白光发光二极管简图：

1、上层p型电极，9、隧道结，15、蓝宝石衬底，21、下层p型电极，22、上层n型电极，23、下层n型电极，24、红色发光单元，25、绿色发光单元，26、蓝色发光单元。

图4：本发明单芯片白光发光二极管倒装焊结构剖面图；

图中：1、上层p型电极，2、上层n型电极，3、下层p型反射电极，4、下层n型电极，5、下层p-电极压焊区，6、下层n-电极压焊区，7、AuSn凸点，8、上层p-电极压焊区，9、上层n-电极压焊区，10、散热基板。

图5：本发明单芯片白光发光二极管倒装焊结构俯视图；

图中：1、上层p型电极，2、上层n型电极，5、下层p-电极压焊区，6、下层n-电极压焊区，8、上层p-电极压焊区，9、上层n-电极压焊区，

具体实施方式

一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其结构为图3所示的结构，从上至下依次为：上层p型电极1、蓝色发光单元26、隧道结9、绿色发光单元25、上层n型电极22和蓝宝石衬底15构成的上层结构，或者由蓝绿光p-电极1、蓝绿光发光单元36、蓝绿光n-电极35和蓝宝石衬底15构成的上层结构；由下层n型电极23、红色发光单元24和下层p型电极21构成的下层结构。通过给p型电极和n型电极间加电流，各单元同时发出对应颜色的光，经混合直接得到白光。

实施例1：

如图1所示，其制备过程如下：

1.在蓝宝石衬底15上依次生长n-GaN绿光缓冲层14、AlInN/GaN绿光DBR反射层13、n-InGaN绿光n-限制层12、InGaN/GaN多量子阱绿光有源层11、p-AlGaN绿光p-限制层10、n⁺⁺InGaN/P⁺⁺GaN隧道结9、n-GaN蓝光缓冲层8、AlInN/GaN蓝光DBR反射层7、n-InGaN蓝光n-限制层6、InGaN/GaN多量子阱蓝光有源层5、p-AlGaN蓝光p-限制层4、P⁺⁺GaNa蓝光欧姆接触层3、ITO蓝光电流扩展层2。

2.ICP刻蚀出台面结构至n-GaN绿光缓冲层15处，刻蚀气体为氯气和氩气。蒸发或溅射上层n型电极22、上层p型电极1，减薄蓝宝石衬底，组成绿色发光单元25和蓝色发光单元26。

3.用MOVCD方法在减薄后的蓝宝石衬底的反面上依次生长GaP红光缓冲层16、n-AlGaInP红光n-限制层17、多量子阱(MQWs)红光有源层18、p-AlGaInP红光p-限制层19、n型红光欧姆接触层20，然后通过光刻和腐蚀后蒸发或溅射下层p型电极21，下层n型电极23，其中p型电极为反射电极。

实施例2：

如图2所示，其制备过程如下：

1.在蓝宝石衬底15上依次生长n-GaN蓝绿光缓冲层34、AlInN/GaN蓝绿光DBR反射层33、n-In_0.1Ga_0.9N蓝绿光n-限制层32、In_0.2Ga_0.8N/GaN多量子阱蓝绿光有源层31、p-AlGaN蓝绿光p-限制层30、P⁺⁺GaN蓝绿光欧姆接触层29、ITO蓝绿光电流扩展层28。

2.ICP刻蚀出台面结构至n-GaN蓝绿光缓冲层34处，蒸发或溅射蓝绿光n-电极35、蓝绿光p-电极27，减薄蓝宝石衬底，组成蓝绿色发光单元36。

3.用MOVCD方法在减薄后的蓝宝石衬底的反面上依次生长GaP红光缓冲层16、n-AlGaInP红光n-限制层17、多量子阱(MQWs)红光有源层18、p-AlGaInP红光p-限制层19、n型GaP红光欧姆接触层20，然后通过光刻和腐蚀后蒸发或溅射下层p型电极21，下层n型电极23，其中p型电极为反射电极。

实施例3：

本发明单芯片白光发光二极管的倒装焊结构如图4，其制造过程如下：

LED芯片结构生长完毕后，使用硅片或其他散热性能好的半导体材料作为散热基板10，随后在散热基板10上利用热蒸发、溅射或电镀的方式沉积Al/Ti/Ag等多层金属膜，该金属膜经光刻、腐蚀后形成上层p-电极压焊区8、上层n-电极压焊区9、下层p-电极压焊区5、下层n-电极压焊区6。在电极压焊区制作AuSn凸点7，最后用倒装焊法将LED的下层n型电极4、下层p型电极3和散热基板上的下层n-电极压焊区6、下层p-上层n型电极2、上层p型电极1与散热基板10上的上层n-电极压焊区9、上层p-电极压焊区8压焊在一起。由此，构成一个倒装焊结构的单芯片白光发光二极管。

图5为倒装焊结构的俯视图，在下层n-电极压焊区6和下层p-电极压焊区5之间加驱动可以调节红光单元的光参数，在上层n-电极压焊区9和上层p-电极压焊区8之间加驱动可以调节蓝绿光单元的光参数，实现全彩输出。若将是实例3的上层电极和下层电极并联，可统一控制各个单元的发光参数，从而实现白光输出，较之原有的GaAs衬底的单芯片白光发光二极管。

以上3个实施例子光效和显色指数都有所提高，其中光效可以提高20％-25％左右，其中显色指数可以提高20％-30％左右。

Claims (9)

1.一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，其结构从上至下依次包括由上层p型电极(1)、蓝色发光单元(26)、隧道结(9)、绿色发光单元(25)、上层n型电极(22)和蓝宝石衬底(15)构成的上层结构，或者由蓝绿光p-电极(27)、蓝绿光发光单元(36)、蓝绿光n-电极(35)和蓝宝石衬底(15)构成的上层结构；由下层n型电极(23)、红色发光单元(24)和下层p型电极(21)构成的下层结构，用外延方法在同一蓝宝石衬底的两面分别生长上述的上层结构和下层结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，采用了依次排列的红光欧姆接触层(20)，红光p-限制层(19)，红光有源层(18)，红光n-限制层(17)和红光缓冲层(16)构成的红色发光单元(24)。

3.根据权利要求1所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，采用了依次排列的绿光缓冲层(14)，绿光DBR反射层(13)，绿光n-限制层(12)，绿光有源层(11)和绿光p-限制层(10)构成的绿色发光单元(25)。

4.根据权利要求1所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，采用了依次排列的蓝光缓冲层(8)，蓝光DBR反射层(7)，蓝光n-限制层(6)，蓝色有源层(5)，蓝光p-限制层(4)，蓝光欧姆接触层(3)和蓝光电流扩展层(2)构成的蓝色发光单元(26)。

5.根据权利要求1中所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，采用了依次排列的蓝绿光缓冲层(34)，蓝绿光DBR反射层(33)，蓝绿光n-限制层(32)，蓝绿光有源层(31)，蓝绿光p-限制层(30)，蓝绿光欧姆接触层(29)和蓝绿光电流扩展层(28)构成的蓝绿色发光单元(27)。

6.根据权利要求1中所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于所述的p型电极或n型电极的形状为插指形、或条形、或圆形。

7.根据权利要求4或5所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述的电流扩展层材料是ITO或ZnO。

8.根据权利要求4或5所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，在电流扩展层的上引入增透膜、表面粗化层或光子晶体。

9.根据权利要求2或3所述的一种基于蓝宝石衬底的单芯片白光发光二极管，其特征在于，所述的各发光单元中的有源层的结构为PN结，或PIN结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或多有源区级联结构，或量子点发光结构。

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