CN102104093B - 发光器件,发光器件封装以及照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开发光器件，发光器件封装以及照明系统。发光器件包括氧化镓衬底上的包括镓铝的氧化物、包括镓铝的氧化物上的包括镓铝的氮化物、以及包括镓铝的氮化物上的发光结构。

Description

发光器件,发光器件封装以及照明系统
技术领域
实施例涉及发光器件、发光器件封装、以及照明系统。
背景技术
发光器件(LED)包括具有将电能转换为光能的特性的p-n结。通过组合元素周期表的III和V族元素能够形成p-n结二极管。通过调节化合物半导体的组成比，LED能够表现出各种颜色。
当正向电压被施加给LED时，n层的电子与p层的空穴结合，使得可以产生与导带和价带之间的能隙相对应的能量。此能量主要被实现为热或者光，并且LED以光的形式发射能量。
氮化物半导体表现出优秀的热稳定性和宽带隙能，因此氮化物半导体已经在光学器件和高功率电子器件的领域受到高度关注。特别地，已经开发并且广泛地使用采用氮化物半导体的蓝、绿、以及UV光发射器件。
同时，根据电极层的位置将包括氮化物半导体的发光器件分类为水平型发光器件和垂直型发光器件。
然而，垂直型发光器件在制造工艺中存在困难，因为在氮化物半导体已经形成在诸如蓝宝石衬底的非导电衬底上之后，非导电衬底必须被隔开。因此，在制造垂直型发光器件时，对于通过使用导电衬底而不要求隔开衬底的的氮化物发光器件，已经积极地进行探索和研究。
例如，根据现有技术，氮化物半导体层可以形成在氧化镓衬底上。
然而，根据现有技术，氧化镓衬底可能与氮化物半导体层分离。
例如，在高温氢气气氛容易蚀刻氧化镓，但是在氨气和氢气混合的高温气氛生长氮化物半导体层。因此，当生长氮化物半导体层时，在高温利用氢气不规则地蚀刻氧化镓衬底和氮化物半导体层之间界面的一部分。界面不规则的蚀刻降低界面的附着强度，从而引起氮化物半导体层和氧化镓衬底之间的分离。
另外，氧化镓衬底具有不同于氮化物半导体层的热膨胀系数。因此，当在已经生长氮化物半导体层之后冷却氮化物半导体层时，或者当为了制造发光器件执行热处理工艺时，由于氧化镓衬底和氮化物半导体层之间的热膨胀系数中的差引起的压力，在氧化镓衬底和氮化物半导体层之间的界面处可能引起分离。
发明内容
实施例提供能够通过实现氧化镓衬底上的高质量氮化物半导体层来表现出高性能的氮化物半导体发光器件、发光器件封装、以及照明系统。
根据实施例，一种发光器件包括氧化镓衬底上的包括镓铝的氧化物、包括镓铝的氧化物上的包括镓铝的氮化物、以及包括镓铝的氮化物上的发光结构。
根据实施例，一种发光器件封装包括：封装主体、安装在封装主体上的第三和第四电极层、以及电气地连接到第三和第四电极层的发光器件。
根据实施例，一种照明系统包括基板和发光模块，该发光模块包括安装在基板上的发光器件封装。该发光器件封装包括：封装主体、 安装在封装主体上的第三和第四电极层、以及电气地连接到第三和第四电极层的发光器件，所述发光器件包括氧化镓衬底上的包括镓铝的氧化物、包括镓铝的氧化物上的包括镓铝的氮化物、以及包括镓铝的氮化物上的发光结构。
附图说明
图1是示出根据实施例的发光器件的截面图；
图2至图6是示出根据实施例的制造发光器件的方法的截面图；
图7是示出根据实施例的发光器件封装的截面图；
图8是示出根据实施例的照明单元的透视图；以及
图9是示出根据实施例的背光单元的分解透视图。
具体实施方式
在下文中，将会参考附图描述根据实施例的发光器件、发光器件封装、以及照明系统。
在实施例的描述中，将会理解的是，当层(或膜)被称为在另一层或基板“上”时，它能够直接地在另一层或者基板上，或者也可以存在中间层。此外，将会理解的是，当层被称为在另一层“下”时，它能够直接地在另一层下，并且也可以存在一个或者多个中间层。另外，还将会理解的是，当层被称为在两个层“之间”时，它能够是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或者多个中间层。
实施例
图1是示出根据实施例的发光器件100的截面图。
发光器件100包括氧化镓衬底105上的镓铝氧化物110、镓铝氧化物110上的镓铝氮化物120、以及镓铝氮化物120上的发光结构130。
镓铝氧化物110可以包括GaxAlyOz(0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1)， 但是实施例不限于此。
镓铝氮化物120可以包括GaxAlyNz(0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1)，但是实施例不限于此。
发光结构130可以包括镓铝氮化物120上的第二导电半导体层132、第二导电半导体层132上的有源层134、以及有源层134上的第一导电半导体层136，但是实施例不限于此。
根据实施例，镓(Ga)和氧(O)之间结合强度大于铝(Al)和氧(O)之间的结合强度，并且镓(Ga)和氮(N)之间的结合强度大于铝(Al)和氮(N)之间的结合强度。
因此，镓铝氧化物110和镓铝氮化物120之间的界面附着力大于氧化镓衬底和包括氮化物半导体层的发光结构130之间的界面附着力。因此，能够防止发光结构130与氧化镓衬底105分离。镓铝氧化物110和镓铝氮化物120之间的界面附着力大于氧化镓/氮化镓和氮化物半导体层之间的界面附着力，使得能够防止分离。
根据依据实施例的发光器件及其制造方法，随着氧化镓衬底和氮化物半导体层之间的界面附着力增强，能够实现具有高质量的氮化物半导体层，使得能够实现具有优秀的可靠性和性能的发光器件。
在下文中，将会参考图2至图6描述根据实施例的制造发光器件100的方法。
如图2中所示，制备氧化镓衬底105。氧化镓衬底105可以包括导电衬底。氧化镓衬底105可以包括Ga2O3衬底，但是实施例不限于此。
通过掺杂杂质，氧化镓衬底105可以具有优秀的导电性。
对氧化镓衬底105执行湿法清洗工艺，以从氧化镓衬底105去除有机和无机材料。
如图3中所示，镓铝氧化物110形成在氧化镓衬底105上。镓铝氧化物110可以包括GaxAlyOz(0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1)，但是实施例不限于此。
由于在镓铝氧化物110中强烈地表现出原子之间的结合强度，所以表现出大的能隙。因此，由于镓铝氧化物110具有小于氧化镓衬底105的导电性，所以可以形成1μm或者以下厚度的镓铝氧化物110，但是实施例不限于此。
为了形成镓铝氧化物110，可以通过使用薄膜沉积装置对氧化镓衬底105的顶表面执行沉积工艺。例如，通过液相外延、气相外延、分子束外延、或者溅射可以形成镓铝氧化物110。
为了形成镓铝氧化物110，铝层(未示出)形成在氧化镓衬底105上。其后，在氧气气氛对合成结构执行热处理，使得铝层的Al原子扩散到氧化镓衬底105中，从而形成镓铝氧化物110。
例如，在Al薄膜层已经形成在氧化镓衬底105上之后，氧气或者主要包含氧气的混合气体被注入室内，并且在大约500℃至1200℃的温度对氧化镓衬底105执行热处理，从而形成镓铝氧化物110。然而，实施例不限于此。
其后，如图4中所示，镓铝氮化物120形成在镓铝氧化物110上。
镓铝氮化物120可以包括GaxAlyNz(0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1)， 但是实施例不限于此。
通过使用薄膜沉积装置，镓铝氮化物120可以形成在镓铝氧化物110上。例如，通过液相外延、气相外延、分子束外延、或者溅射可以形成镓铝氮化物120，但是实施例不限于此。
通过氮化镓铝氧化物110的一部分，可以形成镓铝氮化物120。
例如，铝层(未示出)形成在氧化镓衬底105上。之后，在氧气气氛对合成结构执行热处理，使得铝层的Al原子扩散到氧化镓衬底105中，从而形成镓铝氧化物110。接下来，在高温并且在氨气气氛，镓铝氧化物110被氮化，使得能够形成镓铝氮化物120。
通过将氨气、氨气和氧气的混合、或者氨气和氮气的混合注入到室内，能够执行高温氮化。
在这样的情况下，掺杂气体被注入到室内，使得能够提高镓铝氮化物120的导电性。
根据实施例，镓(Ga)和氧(O)之间的结合强度大于铝(Al)和氧(O)之间的结合强度，并且镓(Ga)和氮(N)之间的结合强度大于铝(Al)和氮(N)之间的结合强度。
因此，镓铝氧化物110和镓铝氮化物120之间的界面附着力大于氧化镓衬底105和包括氮化物半导体层的发光结构130之间的界面附着力。因此，能够防止氧化镓衬底105和发光结构130之间的分离。
根据依据实施例的发光器件及其制造方法，随着氧化镓衬底和氮化物半导体层之间的界面附着力增强，能够实现具有高质量的氮化物半导体层，使得能够实现具有优秀的可靠性和性能的发光器件。
然后，如图5中所示，发光结构130可以形成在镓铝氮化物120上。图6是示出发光结构130的一部分的放大图。
发光结构130可以包括形成在镓铝氮化物120上的第二导电半导体层132、形成在第二导电半导体层132上的有源层134、以及形成在有源层134上的第一导电半导体层136，但是实施例不限于此。
第一导电半导体层136可以包括掺杂有第一导电掺杂物的III-V族化合物半导体。当第一导电半导体层136是N型半导体层时，第一导电掺杂物可以包括作为N型掺杂物的Si、Ge、Sn、Se、或者Te，但是实施例不限于此。
第一导电半导体层136可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。
第一导电半导体层136可以包括从由InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、InGaAs、AlInGaAs、GaP、AlGaP、InGaP、AlInGaP、以及InP组成的组中选择的至少一个。
通过CVD(化学气相沉积)、MBE(分子束外延)、溅射、或者HVPE(氢化物气相外延)，第一导电半导体层136可以包括N型GaN层。另外，通过将三甲基镓(TMGa)气体、氨气(NH3)、氮气(N2)或者包括诸如Si的n型杂质的硅烷(SiH4)气体注入室内，能够形成第一导电半导体层136。
通过经由第一导电半导体层136注入的电子和经由第二导电半导体层132注入的空穴的复合，有源层134发射具有由构成有源层(发光层)的材料的本征能带确定的能量的光。
有源层134可以具有SQW(单量子阱结构)、MQW(多量子阱)结构、量子线结构或者量子点结构中的一个。例如，通过注入TMGa气体、NH3气体、N2气体以及TMIn气体，有源层114可以具有MQW结构，但是实施例不限于此。
有源层134可以具有包括InGaN/GaN、InGaN/InGaN、GaN/AlGaN、InAlGaN/GaN、GaAs(InGaAs)/AlGaAs以及GaP(InGaP)/AlGaP中的至少一个的阱/阻挡层，但是实施例不限于此。阱层可以包括具有低于阻挡层的带隙能的材料。
导电包覆层(未示出)能够形成在有源层134上和/或下。导电包覆层可以包括具有高于有源层134的带隙能的AlGaN基半导体。 
第二导电半导体层132可以包括掺杂有第二导电掺杂物的III-V族化合物半导体。例如，第二导电半导体层132可以包括具有InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的组成式的半导体材料。详细地，第二导电半导体层132可以包括从由GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP以及AlGaInP组成的组中选择的一个。如果第二导电半导体层132是P型半导体层，那么第二导电掺杂物包括诸如Mg、Zn、Ca、Sr、或者Ba的P型掺杂物。第二导电半导体层132能够被制备为单层或者多层，但是实施例不限于此。
第二导电半导体层132可以包括p型GaN层，该p型GaN层能够通过将TMGa气体、NH3气体、N2气体，以及包括p型杂质(例如，Mg)的(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}气体、注入室内来形成，但是实施例不限于此。
根据实施例，第一导电半导体层136可以包括N型半导体层并且第二导电半导体层132可以包括P型半导体层。第一导电半导体层136 可以包括P型半导体层并且第二导电半导体层132可以包括N型半导体层。
另外，诸如具有与第二导电半导体层132相反的极性的N型半导体层(未示出)的半导体层能够形成在第二导电半导体层132上。因此，发光结构130可以包括N-P结结构、P-N结结构、N-P-N结结构、以及P-N-P结结构中的一个。
之后，第二电极层(未示出)可以形成在氧化镓衬底105上，并且第一电极(未示出)可以形成在第一导电半导体层136上。
第二电极层可以包括欧姆层(未示出)、反射层(未示出)、或者导电支撑基板(未示出)。
例如，第二电极层可以包括欧姆层，并且可以具有单金属、金属合金、或者金属氧化物的多堆叠结构，使得能够有效地执行空穴注入。
例如，欧姆层可以包括从由ITO(铟锡氧化物)、IZO(铟锌氧化物)、IZTO(铟锌锡氧化物)、IAZO(铟铝锌氧化物)、IGZO(铟镓锌氧化物)、IGTO(铟镓锡氧化物)、AZO(铝锌氧化物)、ATO(锑锡氧化物)、GZO(镓锌氧化物)、IZON(IZO氮化物)、AGZO(Al-Ga ZnO)、IGZO(In-Ga ZnO)、ZnO、IrOx、RuOx、NiO、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、Ni/IrOx/Au/ITO、Ag、Ni、Cr、Ti、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、以及Hf组成的组中选择的至少一个，但是实施例不限于此。
例如，反射层可以包括金属或者金属合金，该金属或者金属合金包括从由Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、以及Hf组成的组中选择的至少一个。另外，通过使用上面的金属或者金属合金、以及诸如IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO、或者ATO的 透射导电材料，能够将反射层制备为多层。例如，反射层可以具有包括IZO/Ni、AZO/Ag、IZO/Ag/Ni、或者AZO/Ag/Ni的堆叠结构。
另外，导电支撑基板可以包括从由铜(Cu)、Cu合金、金(Au)、镍(Ni)、钼(Mo)、铜钨(Cu-W)、以及载具晶圆(例如，Si、Ge、GaAs、GaN、ZnO、SiGe、或者SiC晶圆)组成的组中选择的至少一个。
根据实施例的发光器件，随着氧化镓衬底和氮化物半导体层之间的界面附着力增强，能够实现具有高质量的氮化物半导体层，使得能够实现具有优秀的可靠性和性能的发光器件。
图7是示出根据实施例的包括发光器件100的发光器件封装200的视图。
参考图7，根据实施例的发光器件封装200包括：封装主体205；第三和第四电极层213和214，该第三和第四电极层213和214形成在封装主体205上；发光器件100，该发光器件100设置在封装主体205上并且电气地连接到第三和第四电极层213和214；以及成型构件240，该成型构件240包围发光器件100。
封装主体205可以包括硅、合成树脂或者金属材料。倾斜表面可以形成在发光器件100的周围。
第三和第四电极层213和214彼此电隔离，以向发光器件100供应电力。另外，第三和第四电极层213和214反射从发光器件100发射的光，以提高光效率并且将从发光器件100生成的热散发到外部。
能够采用图1中所示的垂直型发光器件作为发光器件100，但是实施例不限于此。
发光器件100能够安装在封装主体205上或者第三和第四电极层213和214上。
通过引线接合方案、倒装芯片接合方案以及贴片方案中的至少一个，将发光器件100电气地连接到第三电极层213和/或第四电极层214。根据实施例，发光器件100通过线230电气地连接到第三电极层213，并且通过贴片方案电气地连接到第四电极层214。
成型构件240包围发光器件100以保护发光器件100。另外，成型构件240可以包括磷光体以改变从发光器件100发射的光的波长。
多个根据实施例的发光器件封装可以排列在基板上，并且包括导光板、棱镜片、漫射片或者荧光片的光学构件可以设置在从发光器件封装发射的光的光学路径上。发光器件封装、基板、以及光学构件可以用作背光单元或者照明单元。例如，照明系统可以包括背光单元、照明单元、指示器、灯、或者街灯。
图8是示出根据实施例的照明单元1100的透视图。图8中所示的照明单元1100是照明系统的示例，并且实施例不限于此。
参考图8，照明单元1100包括壳体1110、安装在壳体1110中的发光模块1130、以及连接端子1120，该连接端子1120安装在壳体1110中以接收来自于外部电源的电力。
优选地，壳体1110包括具有优秀的散热特性的材料。例如，壳体1110包括金属材料或者树脂材料。
发光模块1130可以包括基板1132和安装在基板1132上的至少一个发光器件封装200。
基板1132包括印制有电路图案的绝缘构件。例如，基板1132包括PCB(印制电路板)、MC(金属芯)PCB、F(柔性)PCB、或者陶瓷PCB。
另外，基板1132可以包括有效地反射光的材料。基板1132的表面能够涂有诸如白色或者银色的颜色，以有效地反射光。
至少一个发光器件封装200能够安装在基板1132上。每个发光器件封装200可以包括至少一个发光器件100。发光器件100可以包括发射具有红色、绿色、蓝色或者白色的光的彩色LED和发射UV光的UV(紫外线)LED。
发光模块1130的发光器件封装200能够不同地布置，以提供各种颜色和亮度。例如，能够布置白色LED、红色LED以及绿色LED以实现高显色指数(CRI)。
连接端子1120电气地连接到发光模块1130，以向发光模块1130供应电力。连接端子1120具有与外部电源螺纹联接的插口的形状，但是实施例不限于此。例如，能够以插入外部电源或者通过线连接至外部电源的插头的形式制备连接端子1120。
图9是示出根据实施例的背光单元1200的分解透视图。图9中所示的背光单元1200是照明系统的示例，并且实施例不限于此。
根据实施例的背光单元1200包括导光板1210；发光模块1240，该发光模块1240用于将光提供给导光板1210；反射构件1220，该反射构件1220定位在导光板下；以及底盖1230，该底盖1230用于在其中容纳导光板1210、发光模块1240、以及反射构件1220，但是实施例不限于此。
导光板1210漫射光以提供表面光。导光板1210包括透明材料。例如，通过使用诸如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的丙烯酸基树脂、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)或者PEN(聚萘二甲酸乙二酯)树脂，能够制造导光板1210。
发光模块1240向导光板1210的横向侧提供光，并且用作包括背光单元的显示装置的光源。
发光模块1240能够与导光板1210相邻地定位，但是实施例不限于此。详细地，发光模块1240包括基板1242和安装在基板1242上的多个发光器件封装200，并且基板1242能够与导光板1210相邻，但是实施例不限于此。
基板1242可以包括具有电路图案(未示出)的印制电路板(PCB)。另外，除了PCB以外，基板1242还可以包括金属芯PCB(MCPCB)或柔性PCB(FPCB)，但是实施例不限于此。
另外，发光器件封装200被布置，使得发光器件封装200的出光表面与导光板1210间隔开预定距离。
反射构件1220被设置在导光板1210下。反射构件1220将向下行进通过导光板1210的底表面的光朝着导光板1210反射，从而提高背光单元的亮度。例如，反射构件1220可以包括PET、PC或者PVC树脂，但是实施例不限于此。
底盖1230可以在其中容纳导光板1210、发光模块1240、以及反射构件1220。为此，底盖1230具有带有开口的顶表面的盒形状，但是实施例不限于此。
通过使用金属材料或者树脂材料，利用冲压工艺或者挤压工艺能 够制造底盖1230。
根据实施例的发光器件、发光器件封装和照明系统，随着氧化镓衬底和氮化物半导体层之间的界面附着力增强，能够实现具有高质量的氮化物半导体层，使得能够实现具有优秀的可靠性和性能的发光器件。
在本说明书中任何对于“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中，在各处出现的这类短语不必都表示相同的实施例。此外，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为结合实施例中的其它实施例实现这样的特征、结构或特性也在本领域技术人员的理解范围内。
虽然已经参照本发明的多个示例性实施例描述了实施例，但是应该理解，本领域的技术人员可以想到许多其它修改和实施例，这将落入本公开内容的原理的精神和范围内。更加具体地，在本公开内容、附图和所附权利要求书的范围内，主题组合布置的组成部件和/或布置方面的各种变化和修改都是可能的。除了组成部件和/或布置方面的变化和修改之外，对于本领域的技术人员来说，替代使用也将是显而易见的。

Claims (7)

1.一种发光器件，包括：
氧化镓衬底上的包括镓铝的氧化物；
所述包括镓铝的氧化物上的包括镓铝的氮化物；以及
所述包括镓铝的氮化物上的发光结构，
其中，所述包括镓铝的氧化物和所述包括镓铝的氮化物之间的界面附着力大于所述氧化镓衬底和所述发光结构之间的界面附着力。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述包括镓铝的氧化物包括GaxAlyOz，其中，0<x≤1,0<y≤1,0<z≤1，
其中，所述发光结构直接设置在所述包括镓铝的氮化物上。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述包括镓铝的氧化物具有1μm或者以下的厚度，
其中，所述包括镓铝的氮化物设置在所述包括镓铝的氧化物和所述发光结构之间。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述包括镓铝的氮化物包括GaxAlyNz，其中，0<x≤1,0<y≤1,0<z≤1，
其中，所述包括镓铝的氮化物直接设置在所述包括镓铝的氧化物上。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述发光结构包括：
所述包括镓铝的氮化物上的第二导电半导体层；
所述第二导电半导体层上的有源层；以及
所述有源层上的第一导电半导体层。
6.一种发光器件封装，包括：
封装主体；
所述封装主体上的第三和第四电极层；以及
根据权利要求1-5中的任一项所述的发光器件，所述发光器件电气地连接到所述第三和第四电极层。
7.一种照明系统，包括：
基板；和
发光模块，所述发光模块包括所述基板上的发光器件封装，
其中所述发光器件封装包括：封装主体、所述封装主体上的第三和第四电极层，以及根据权利要求1-5中的任一项所述的发光器件，所述发光器件电气地连接到所述第三和第四电极层。
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